Characterization of the shear properties in the radial-tangential section of Sitka spruce by the antisymmetrical four-point bending test of side-tapered and V-notched samples
यह अध्ययन प्रदर्शित करता है कि पर्याप्त गहराई और उपयुक्त गेज मोटाई वाले साइड-टेपर्ड सिटका स्प्रूस नमूनों पर एंटीसिमेट्रिकल फोर-पॉइंट बेंडिंग परीक्षण, रेडियल-टैन्जेंशियल प्लेन में शियर गुणों को चरित्रगत करने के लिए एक प्रभावी विधि प्रदान करते हैं, जबकि वी-नॉच्ड नमूनों को और अधिक अनुकूलन की आवश्यकता है।
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कल्पना कीजिए कि आप लकड़ी से एक गगनचुंबी इमारत बना रहे हैं। हालांकि लकड़ी मजबूत होती है, लेकिन इसमें एक गुप्त कमजोरी है: यह ताश के पत्तों के ढेर की तरह है। यदि आप पत्तों को बगल से धकेलते हैं, तो वे आसानी से एक-दूसरे के ऊपर फिसल जाते हैं, लेकिन यदि आप उन्हें सीधा नीचे की ओर धकेलते हैं, तो वे मजबूती से टिके रहते हैं। इंजीनियरिंग की दुनिया में, इस "फिसलने" वाले बल को शीयर (shear) कहा जाता है, और जिस दिशा में लकड़ी सबसे आसानी से फिसलती है, वह इसके "छल्लों" (रेडियल) और इसके "ग्रेन" (टैन्जेंशियल) के बीच का स्थान है। यह "रेडियल-टैन्जेंशियल" या RT प्लेन है।
जब इंजीनियर ऊँची लकड़ी की इमारतों को डिजाइन करते हैं, तो उन्हें यह जानने की आवश्यकता होती है कि यह "फिसलने" वाला बल कितना झेल सकता है इससे पहले कि संरचना ढह जाए। समस्या यह है कि लकड़ी की इस फिसलने की ताकत को मापना कठिन है। यदि आप केवल लकड़ी के एक ब्लॉक को पकड़कर खींचते हैं, तो दबाव अक्सर एक छोटे से बिंदु पर केंद्रित हो जाता है, जिससे लकड़ी समय से पहले टूट जाती है और आपको एक गलत, कम संख्या मिल जाती है। वैज्ञानिक एक ऐसा तरीका खोजने की कोशिश कर रहे हैं जिससे वे बिना नमूने को कुचले या बहुत महंगी, जटिल मशीनों का उपयोग किए, लकड़ी की इस फिसलने की ताकत को माप सकें। वे एक ऐसा परीक्षण चाहते हैं जो सरल, निष्पक्ष हो और लकड़ी के वास्तविक व्यवहार के बारे में सच बताए।
यहीं पर शिमाने विश्वविद्यालय और शिज़ुओका इंस्टीट्यूट ऑफ साइंस एंड टेक्नोलॉजी के शोधकर्ताओं की एक टीम ने कदम रखा। उन्होंने एंटीसिमेट्रिकल फोर-पॉइंट बेंडिंग (antisymmetrical four-point bending) नामक विधि का उपयोग करके "वुड जिमनास्टिक्स" खेलने का निर्णय लिया। इसे ऐसे समझें: कल्पना करें कि आप एक लंबी, पतली छड़ी को दोनों सिरों पर अपने हाथों से पकड़े हुए हैं, और आपके दो दोस्त बीच से छड़ी को विपरीत दिशाओं में नीचे की ओर धकेल रहे हैं। यह छड़ी के ठीक केंद्र में एक घुमावदार, फिसलने वाला बल पैदा करता है।
शोधकर्ताओं ने लकड़ी को दो अलग-अलग तरीकों से आकार देकर परीक्षण किया ताकि यह फिसलने वाला बल ठीक वहीं पैदा हो जहाँ वे चाहते थे। पहला आकार एक साइड-टेपर्ड (side-tapered) नमूना था, जो एक आयत जैसा दिखता था जो सिरों पर पतला होता जाता है, लगभग एक गिटार पिक की तरह। दूसरा आकार एक V-नॉच (V-notched) नमूना था, जिसमें बीच में एक तीखा "V" कटा हुआ था, जैसे किसी कुकी में से एक टुकड़ा लिया गया हो। उन्होंने सिटका स्प्रूस (Sitka spruce), जो निर्माण में उपयोग की जाने वाली एक सामान्य लकड़ी है, का परीक्षण किया और इन नमूनों को विभिन्न आकारों में काटा ताकि यह देखा जा सके कि कौन सा आकार और आकार उन्हें लकड़ी की फिसलने की शक्ति का सबसे सटीक रीडिंग देता है।
अपने परिणामों को वास्तविक बनाने के लिए, वे केवल भौतिक परीक्षणों पर निर्भर नहीं रहे। उन्होंने कंप्यूटर सिमुलेशन (जैसे कि एक वीडियो गेम फिजिक्स इंजन) भी चलाए ताकि यह देखा जा सके कि बलों का लकड़ी के माध्यम से कैसे संचार होता है, और उन्होंने लकड़ी की कठोरता का आधारभूत माप प्राप्त करने के लिए फ्लेक्सुरल वाइब्रेशन टेस्ट (flexural vibration tests) (लकड़ी को थपथपाकर और उसकी गूँज सुनकर) भी किए। उन्होंने इन नंबरों की तुलना यह देखने के लिए की कि कौन सा परीक्षण सेटअप लकड़ी का "गोल्ड स्टैंडर्ड" (मानक) है।
यहाँ उन्हें यह पता चला:
साइड-टेपर्ड नमूने स्पष्ट विजेता थे, लेकिन एक शर्त के साथ। शोधकर्ताओं ने पाया कि नमूने की गहराई बहुत मायने रखती है। यदि लकड़ी बहुत छोटी (केवल 10 मिमी गहरी) थी, तो वह फिसलने की शक्ति दिखाने से पहले ही झुकने के कारण टूट जाती थी। हालांकि, एक बार जब उन्होंने नमूनों को गहरा (20 मिमी या अधिक) बनाया, तो लकड़ी बिल्कुल सही ढंग से व्यवहार करने लगी, और ठीक वहीं फिसली जहाँ शोधकर्ता चाहते थे।
एक और विवरण सही करना था: नमूने के सबसे संकीले हिस्से (गेज रीजन) की मोटाई। जब उन्होंने इस हिस्से को बहुत पतला (5 मिमी) बनाया, तो परीक्षण ने सुझाव दिया कि लकड़ी वास्तव में जितनी मजबूत है, उससे कहीं अधिक मजबूत है। यह एक फटे हुए, पतले धागे को खींचकर एक रस्सी की मजबूती मापने की कोशिश करने जैसा था; नंबर अच्छे दिख रहे थे, लेकिन वे भ्रामक थे। जब उन्होंने थोड़े मोटे संकीले हिस्से (10 मिमी) का उपयोग किया, तो परिणाम कंप्यूटर सिमुलेशन और वाइब्रेशन टेस्ट से पूरी तरह मेल खा गए।
दूसरी ओर, V-नॉच नमूने थोड़े निराशाजनक रहे। हालांकि वे कट के बीच की बहुत कम दूरी के लिए ठीक काम करते थे, लेकिन जैसे ही "V" कट्स के बीच का अंतर बढ़ता गया, लकड़ी अजीब तरीकों से विफल होने लगी। केंद्र में सुचारू रूप से फिसलने के बजाय, तनाव सपोर्ट के पास जमा होने लगा, और लकड़ी शुद्ध स्लाइडिंग के बजाय झुकने या तनाव के संकेंद्रण के कारण टूट गई। V-नॉच नमूनों के परिणाम कम सुसंगत थे और अन्य परीक्षणों की तुलना में उतने सटीक नहीं थे।
अंत में, अध्ययन यह सुझाव देता है कि यदि आप यह मापना चाहते हैं कि सिटका स्प्रूस अपनी सबसे कमजोर दिशा में फिसलने का कितना विरोध करता है, तो सबसे अच्छा नुस्खा एक साइड-टेपर्ड नमूना है जो कम से कम 20 मिमी गहरा हो और जिसका संकीर्ण हिस्सा 10 मिमी मोटा हो। यह सेटअप उन "तनाव जाल" (stress traps) से बचता है जो अन्य परीक्षणों को खराब कर देते हैं और लकड़ी की शक्ति की एक स्पष्ट, ईमानदार तस्वीर देता है। यह एक सरल, व्यावहारिक तरीका है यह सुनिश्चित करने का कि भविष्य की लकड़ी की गगनचुंबी इमारतें दबाव में बिखर न जाएं।
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