11 Dobieranie materiałów konstrukcyjnych

„Projekt współfinansowany ze środków Europejskiego Funduszu Społecznego”

MINISTERSTWO EDUKACJI

NARODOWEJ

Piotr Sieczka

Dobieranie materiałów konstrukcyjnych 311[18].Z2.01

Poradnik dla ucznia

Wydawca

Instytut Technologii Eksploatacji – Państwowy Instytut Badawczy
Radom 2007

„Projekt współfinansowany ze środków Europejskiego Funduszu Społecznego”

Recenzenci:
mgr Aleksandra Gromek
mgr Katarzyna Ziomek

Opracowanie redakcyjne:
mgr inż. Piotr Sieczka

Konsultacja:
dr inż. Jacek Przepiórka

Poradnik stanowi obudowę dydaktyczną programu jednostki modułowej 311[18].Z2.01
„Dobieranie materiałów konstrukcyjnych”, zawartego w modułowym programie nauczania dla
zawodu technik instrumentów muzycznych

Wydawca

Instytut Technologii Eksploatacji – Państwowy Instytut Badawczy, Radom 2007

„Projekt współfinansowany ze środków Europejskiego Funduszu Społecznego”

SPIS TREŚCI

Wprowadzenie

Wymagania wstępne

Cele kształcenia

Materiał nauczania

4.1.

Właściwości i zastosowanie drewna i tworzyw drzewnych do wytwarzania
instrumentów muzycznych

4.1.1. Materiał nauczania

4.1.2. Pytania sprawdzające

4.1.3. Ćwiczenia

4.1.4. Sprawdzian postępów

4.2.

Właściwości i zastosowanie metali do wytwarzania instrumentów
muzycznych

4.2.1. Materiał nauczania

4.2.2. Pytania sprawdzające

4.2.3. Ćwiczenia

4.2.4. Sprawdzian postępów

4.3.

Właściwości i zastosowanie tworzyw sztucznych i innych materiałów do
wytwarzania instrumentów muzycznych

4.3.1. Materiał nauczania

4.3.2. Pytania sprawdzające

4.3.3. Ćwiczenia

4.3.4. Sprawdzian postępów

4.4.

Obliczenia wytrzymałościowe materiałów do wytwarzania instrumentów
muzycznych

4.4.1. Materiał nauczania

4.4.2. Pytania sprawdzające

4.4.3. Ćwiczenia

4.4.4. Sprawdzian postępów

Sprawdzian osiągnięć

6. Literatura

„Projekt współfinansowany ze środków Europejskiego Funduszu Społecznego”

1. WPROWADZENIE

Poradnik będzie Ci pomocny w przyswajaniu wiedzy o podstawowych materiałach

konstrukcyjnych, ich właściwościach, podstawowych obliczeniach wytrzymałościowych oraz
metodach trafnego dobierania materiału konstrukcyjnego do wykonywania instrumentów
muzycznych. Właściwy dobór materiałów do budowy instrumentów muzycznych jest
czynnikiem decydującym o walorach brzmieniowych i estetycznych gotowego wyrobu.
Z powodu wielkiej różnorodności instrumentów muzycznych, w ich konstrukcji stosowane są
bardzo różne materiały.

Materiały konstrukcyjne do wytwarzania instrumentów dzielimy na następujące grupy:

–

materiały drzewne,

–

materiały metalowe,

–

materiały z tworzyw sztucznych,

–

skóry,

–

filce.
Duży udział wśród materiałów konstrukcyjnych ma drewno i tworzywa drzewne, które

wykorzystywane są do budowy instrumentów smyczkowych, instrumentów strunowo -
klawiszowych oraz instrumentów dętych drewnianych (za wyjątkiem saksofonów).

Materiały metalowe stosowane są przede wszystkim do budowy instrumentów dętych

blaszanych i drewnianych oraz do produkcji strun metalowych. Elementy wykonane z metalu
spotykamy jednak prawie w każdym instrumencie muzycznym.

Często spotykamy również materiały wykonane z tworzyw naturalnych takich jak skóry,

filce, korek. Materiały te znajdują szerokie zastosowanie w budowie na przykład fortepianów
i pianin.

Tworzywa sztuczne wykorzystywane są również w coraz większym zakresie nie tylko do

wykonywania detali mechanizmów instrumentów muzycznych, ale również jako materiał do
wykonywania korpusów w instrumentach dętych drewnianych w modelach szkolnych,
przeznaczonych do nauki gry w początkowym okresie nauczania.

W poradniku znajdziesz:

–

wymagania wstępne – wykaz umiejętności, jakie powinieneś mieć już ukształtowane,
abyś bez problemów mógł korzystać z poradnika,

–

cele kształcenia – wykaz umiejętności, jakie ukształtujesz podczas pracy z poradnikiem,

–

materiał nauczania – wiadomości teoretyczne niezbędne do opanowania treści jednostki
modułowej,

–

zestaw pytań, abyś mógł sprawdzić, czy już opanowałeś określone treści,

–

ćwiczenia, które pomogą Ci zweryfikować wiadomości teoretyczne oraz pozwolą
ukształtować umiejętności praktyczne,

–

sprawdzian postępów,

–

sprawdzian osiągnięć, przykładowy zestaw zadań. Zaliczenie testu potwierdzi
opanowanie materiału całej jednostki modułowej,

–

literaturę.

Bezpieczeństwo i higiena pracy

W czasie pobytu w pracowni musisz przestrzegać regulaminów, przepisów

i instrukcji przeciwpożarowych, wynikających z rodzaju wykonywanych prac. Wiadomości
dotyczące przepisów bezpieczeństwa i higieny pracy, ochrony przeciwpożarowej oraz ochrony
środowiska znajdziesz w jednostce modułowej 311[18].O1.01 „Przestrzeganie przepisów
bezpieczeństwa i higieny pracy, ochrony przeciwpożarowej oraz ochrony środowiska”.

„Projekt współfinansowany ze środków Europejskiego Funduszu Społecznego”

Schemat układu jednostek modułowych

311[18].Z2

Techniki wytwarzania

instrumentów muzycznych

311[18].Z2.02

Projektowanie procesów

technologicznych

311[18].Z2.01

Dobieranie materiałów

konstrukcyjnych

311[18].Z2.03

Wykonywanie obróbki ręcznej

i mechanicznej

311[18].Z2.04

Wykonywanie połączeń

elementów instrumentów

muzycznych

„Projekt współfinansowany ze środków Europejskiego Funduszu Społecznego”

2. WYMAGANIA WSTĘPNE

Przystępując do realizacji programu jednostki modułowej powinieneś umieć:

–

stosować jednostki układu SI,

–

posługiwać się pojęciem siły,

–

rozróżniać wielkości skalarne i wektorowe,

–

przeliczać jednostki,

–

klasyfikować instrumenty muzyczne,

–

korzystać z różnych źródeł informacji,

–

obsługiwać komputer,

–

pracować w grupie.

„Projekt współfinansowany ze środków Europejskiego Funduszu Społecznego”

3. CELE KSZTAŁCENIA

W wyniku realizacji programu jednostki modułowej powinieneś umieć:

−

zorganizować stanowisko pracy zgodnie z wymaganiami ergonomii,

−

sklasyfikować materiały konstrukcyjne stosowane do wytwarzania instrumentów
muzycznych,

−

zidentyfikować wybrane gatunki drewna iglastego i liściastego,

−

określić elementy budowy mikroskopowej i makroskopowej drewna,

−

scharakteryzować właściwości higroskopijne drewna,

−

dobrać materiały drzewne, metale, tworzywa sztuczne oraz inne materiały stosowane do
wytwarzania instrumentów muzycznych,

−

określić właściwości fizyczne i mechaniczne materiałów stosowanych do wytwarzania
instrumentów muzycznych,

−

określić zastosowanie materiałów konstrukcyjnych do wytwarzania instrumentów
muzycznych,

−

ocenić jakość materiałów do produkcji instrumentów,

−

rozpoznać wady surowców,

−

wyjaśnić pojęcia: odkształcenie, obciążenie,

−

wyjaśnić pojęcia: naprężenia wewnętrzne, naprężenia dopuszczalne, wytrzymałość na
ściskanie, rozciąganie, zginanie, skręcanie,

−

określić zależność pomiędzy obciążeniem a odkształceniem,

−

określić wpływ kierunku działania obciążeń na wytrzymałość drewna,

−

rozróżnić obciążenia działające na określone elementy instrumentu muzycznego,

−

określić doświadczalnie właściwości mechaniczne materiałów konstrukcyjnych do
wytwarzania instrumentów muzycznych,

−

wykonać podstawowe obliczenia wytrzymałościowe,

−

dobrać materiały o określonych parametrach technicznych do produkcji instrumentów
muzycznych,

−

zastosować przepisy bezpieczeństwa i higieny pracy, ochrony przeciwpożarowej oraz
ochrony środowiska.

„Projekt współfinansowany ze środków Europejskiego Funduszu Społecznego”

4. MATERIAŁ NAUCZANIA

4.1. Właściwości i zastosowanie drewna i tworzyw drzewnych do

wytwarzania instrumentów muzycznych

4.1.1. Materiał nauczania

Zastosowanie drewna w konstrukcji instrumentów muzycznych

Drewno jest podstawowym budulcem niemal wszystkich instrumentów strunowych –

smyczkowych i szarpanych. W tych instrumentach z drewna wykonuje się pudła rezonansowe
oraz gryfy.

W przypadku fortepianów i pianin z drewna wykonana jest płyta rezonansowa, korpus

instrumentów oraz większość elementów składających się na mechanizm młoteczkowy
i tłumikowy.

W instrumentach dętych drewnianych – za wyjątkiem saksofonów i fletów o korpusie

metalowym – z drewna wykonuje się korpusy tych instrumentów.

Wśród instrumentów perkusyjnych z drewna wykonywane są zarówno elementy

instrumentów o określonej (ksylofony, marimby) jak również nieokreślonej wysokości
dźwięków. Drewniane w większości są także pałeczki perkusyjne.

Jakość materiałów, jak również technologia przygotowania i obróbki drewna decydują

o szlachetności barwy dźwięku instrumentów.

Elementy budowy mikroskopowej drewna

Drewno jest materiałem pochodzenia naturalnego, zbudowane jest z elementów, które

w żywym drzewie spełniały określone funkcje fizjologiczne i mechaniczne. W celu
rozróżnienia i klasyfikacji tych elementów określa się podstawowe przekroje drewna:
–

poprzeczny, utworzony przez przecięcie pnia prostopadle do jego osi podłużnej;

–

podłużny promieniowy, utworzony przez przecięcie pnia wzdłuż jego osi podłużnej,
przez rdzeń;

–

podłużny styczny, utworzony przez przecięcie pnia wzdłuż jego osi podłużnej
i przechodzący poza rdzeniem, czyli po stycznej do któregokolwiek pierścienia przyrostu
rocznego.

Rys. 1 Podstawowe przekroje w drewnie pnia:

I – poprzeczny, II – podłużny promieniowy, III – podłużny styczny [2, s.17]

Przez szkło powiększające można obejrzeć makrostrukturę drewna, przez mikroskop

natomiast mikrostrukturę – bardziej szczegółową jego budowę. Struktura drewna inaczej
wygląda w poprzecznym, stycznym i promieniowym przekroju próbki.

„Projekt współfinansowany ze środków Europejskiego Funduszu Społecznego”

Pod względem chemicznym drewno składa się z celulozy (45–55% masy), ligniny

(20 –30%), chemicelulozy (12–20%) oraz niewielkich ilości żywic, garbników, tłuszczów,
białek i substancji mineralnych. Celuloza i lignina tworzą ścianki komórek drewna, pełniąc
w nich rolę materiału konstrukcyjnego, decydują o wytrzymałości drewna. Gdy w procesie
korozji biologicznej ścianki komórek zostaną zniszczone, oprócz zmniejszenia swojej masy
drewno traci również wytrzymałość.

Na budowę mikroskopową drewna składa się zespół cech i elementów anatomicznych

rozróżnianych i dających się badać za pomocą mikroskopu. W budowie mikroskopowej
drewna rozróżniamy komórki, ich elementy składowe oraz zespoły komórek tworzące
poszczególne tkanki drewna. Podstawowymi elementami mikroskopowej budowy drewna są:
komórki miękiszowe, włókna drzewne, naczynia, cewki, promienie rdzeniowe oraz przewody
żywiczne.

Komórka. Jednostką anatomiczną i fizjologiczną drewna jest komórka Komórki tkanki

drzewnej powstają w wyniku podziału komórek tkanki twórczej znajdującej się w miazdze
i w stożkach wzrostu drzewa. W tkance drzewnej występują komórki żywe i komórki
martwe. Elementami składowymi komórki żywej są: błona komórkowa, plazma, jądro, sok
komórkowy i substancje wytworzone przez żywe składniki komórki, np. skrobia, żywica oraz
garbniki.

Rys. 2. Schemat komórki roślinnej: 1 – wodniczka, 2 – jądro, 3 – błona komórkowa,

4 – ściana komórkowa, 5 – rybosomy, 6 – mitochondria, 7 – cytoplazma, 8 – chloroplasty

Miękisz jest tkanką złożoną z żywych komórek cienkościennych współdziałających

z martwymi komórkami tkanek przewodzących. W okresie wegetacyjnym komórki
miękiszowe przewodzą substancje pokarmowe, natomiast w okresie spoczynkowym
przechowują substancje zapasowe, takie jak cukry, skrobię, tłuszcze itp. W zależności od
usytuowania i sprawowanej funkcji rozróżnia się kilka rodzajów komórek miękiszowych.

Włókna drzewne są to martwe komórki grubościenne o wydłużonych, ostro

zakończonych kształtach. Przekrój poprzeczny włókien ma kształt okrągły lub wieloboczny,
ściany komórkowe są silnie pogrubione, a światło komórek jest małe. Włókna drzewne
stanowią w drewnie gatunków liściastych 35–65% jego masy, mają długość 0,7–1,8 mm
i średnicę 0,02–0,05 mm. Włókna drzewne stanowią element mechaniczny decydujący
o wytrzymałości drewna i łatwości obróbki mechanicznej. Włókna drzewne są rozmieszczone
pojedynczo, lub grupami, pomiędzy innymi komórkami tej tkanki. Zbudowane są z martwych
komórek o zdrewniałych ścianach wtórnych opatrzonych jamkami.

Naczynia są podstawowymi elementami przewodzącymi wodę w drzewach liściastych.

Są zbudowane z martwych cylindrycznych komórek długości 0,2–1,3 mm i średnicy 0,03–0,5

„Projekt współfinansowany ze środków Europejskiego Funduszu Społecznego”

mm, połączonych w szereg tworzący rurkę. W ścianach poprzecznych między komórkami
występują perforacje, dzięki którym naczynia są drożne. Przenikanie wody z naczyń do
sąsiednich tkanek następuje przez jamki proste lub lejkowate. Długość naczyń wynosi średnio
10 cm, jednak u dębu może dochodzić do 2 m. Naczynia mają cienkie ścianki komórkowe i są
elementami mechanicznie słabymi. Ich udział w tkankach pnia wynosi ok. 15%.

Rys. 3. Schemat budowy mikroskopowej drewna w przekroju podłużnym: 1 – włókna drzewne,

2 – naczynia, 3 – miękisz drzewny

Cewki są to długie, wrzecionowate, wewnątrz puste komórki. Występują głównie

w drewnie drzew iglastych, stanowiąc ok. 90% jego masy. Cewki podłużne mają przekrój
poprzeczny czworoboczny, o ściankach zorientowanych promieniowo i stycznie, o wymiarach
0,02–0,07 mm. Cewki tworzą szeregi przebiegające wzdłuż osi pnia. Długość cewek
podłużnych może wynosić 2–10 mm. Wymiana płynów między cewkami odbywa się przez
jamki lejkowate występujące w ściankach promieniowych. Dojrzałe cewki są komórkami
martwymi, pozbawionymi protoplastów, przystosowanymi do przewodzenia wody
i nadawania roślinom sztywności i mechanicznej wytrzymałości.

Rys. 4 Schemat budowy cewek

Promienie rdzeniowe, lub promienie drzewne są to wstęgi komórek miękiszowych,

przebiegające promieniście od łyka ku rdzeniowi. Rozróżnia się promienie rdzeniowe
pierwotne, biegnące od łyka do rdzenia, oraz promienie rdzeniowe wtórne, które łączą łyko
z punktami wewnętrznymi pnia w różnej odległości od rdzenia. Promienie rdzeniowe pełnią
funkcje fizjologiczne polegające na przewodzeniu asymilatów i wody z łyka w kierunku
promieniowym, do wewnętrznych obszarów pnia oraz magazynują substancje odżywcze.

„Projekt współfinansowany ze środków Europejskiego Funduszu Społecznego”

Wymiana substancji między promieniami rdzeniowymi a drewnem następuje przez jamki.
Promienie rdzeniowe występują u wszystkich gatunków drzew, mają natomiast różną
wielkość i budowę. Mogą być jednoszeregowe, jeśli na ich szerokość składa się jedna warstwa
komórek, lub wieloszeregowe, jeśli składają się z większej liczby warstw komórek. Szerokość
promieni rdzeniowych wynosi 0,005–1,0 mm, a wysokość 0,5–160 mm. Wszystkie gatunki
drzew iglastych oraz niektóre gatunki drzew liściastych, takich jak np. brzoza, lipa, osika,
wierzba, topola, maja wąskie promienie rdzeniowe, o szerokości złożonej z jednej lub dwóch
warstw komórek. Wysokość promieni rdzeniowych u drzew iglastych jest mniejsza niż 1 mm
i obejmuje zwykle 1–15, a czasem do 50 warstw komórek. W wieloszeregowych promieniach
rdzeniowych sosny, modrzewia i świerka występują poziome przewody żywiczne.

Przewody żywiczne stanowią system połączonych między sobą kanałów pionowych

i poziomych wewnątrz drzewa. Występują one w drewnie większości gatunków drzew
iglastych, np. u sosny, modrzewia, świerka, natomiast nie występują np. u cisa i jałowca
(u jodły przewody żywiczne występują w korze). Przewody żywiczne pionowe przebiegają
wzdłuż pnia, a poziome są usytuowane w wieloszeregowych promieniach rdzeniowych
i dochodzą do łyka. Wnętrze przewodów żywicznych tworzą komórki żywicorodne, które
wydzielają żywicę do kanałów żywicznych. śywica w aktywnych przewodach żywicznych
występuje w postaci balsamicznej i stanowi roztwór stałych kwasów żywicznych w olejkach
terpenowych. Średni skład żywicy w wyniku żywicowania sosny jest następujący: kalafonia
(stałe kwasy żywiczne) 70%, terpentyna 24%, woda 5,5% oraz zanieczyszczenia 0,5%.
Aktywne przewody żywiczne występują w bielu. W niektórych gatunkach drzew liściastych
występują przewody podobne do przewodów żywicznych w drewnie iglastym. W przewodach
tych drzew liściastych są wytwarzane substancje gumowo – żywiczne, np. kauczuk naturalny.
Przebieg przewodów w drzewach liściastych może być wzdłużny lub promieniowy, rzadko
występuje jednocześnie w obu kierunkach.

Elementy budowy makroskopowej drewna

Na makrostrukturę drewna składa się rdzeń, twardziel, biel i kora. Elementy te są

wyraźnie widoczne gołym okiem, w poprzecznym przekroju drewna. Rdzeń rzadko znajduje
się w środku przekroju poprzecznego. Najczęściej jest umieszczony nieco mimośrodowo,
a więc jest przesunięty w kierunku obwodu pnia, co wynika z nierównomiernego układu
słojów i nierównomiernej struktury drewna. Średnica rdzenia zawiera się w granicach
2–5 cm. Rdzeń wraz z niewielką warstwą drewna, uformowaną w pierwszych latach wzrostu
drzewka nosi nazwę rury rdzeniowej. Jej drewno jest pulchne, o słabych tkankach i mało
zrośnięte z innymi warstwami.

Kształt rdzenia (w przekroju poprzecznym) bywa różnorodny i stanowić może cechę

taksonomiczną dla rozróżniania poszczególnych rodzajów, a nawet gatunków drzew. Niektóre
gatunki drzew posiadają rdzeń o zarysie okrągłym lub owalnym. Inne kształty rdzenia
występują w takich gatunkach drzewa jak na przykład: olsza – rdzeń trójkątny, jesion rdzeń –
czworokątny, topola – rdzeń pięciokątny, dąb – rdzeń gwiaździsty. Na przekroju podłużnym
rdzeń występuje w formie wąskiego, ciemniej zabarwionego paska, którego przebieg
w drzewach iglastych jest prosty, a w przypadku drzew liściastych bardziej falisty.

Na zewnątrz od rdzenia koncentrycznie ułożone są słoje roczne, od zewnątrz otoczone

korą, złożoną z miazgi twórczej, łyka i korowiny. Niekiedy na przekroju widać promienie
rdzeniowe, łączące korę z rdzeniem.

W zależności od intensywności przyrostów rocznych rozróżnia się drewno wąskosłoiste,

gdzie szerokość słoju jest mniejsza niż 3 mm i szerokosłoiste w przypadku, gdy szerokość
słojów przekracza 3 milimetry. Drewno wąskosłoiste jest bardziej jednorodne i łatwiejsze
w obróbce mechanicznej. Słoje składają się z dwóch warstw – drewna wczesnego

„Projekt współfinansowany ze środków Europejskiego Funduszu Społecznego”

stanowiącego szersze pasmo położone bliżej rdzenia i drewna późnego, otaczającego drewno
wczesne. Drewno wczesne jest jasne i szorstkie, mniej zwarte, zawiera znaczną ilość
kanalików, ma mniejszą wytrzymałość od drewna późnego, które jest ciemniejsze, gładkie
i zwarte.

Rys. 5. Elementy budowy pnia drzewa: 1 – rdzeń, 2 – twardziel, 3 – biel. 4 – słoje przyrostów rocznych,

5 – łyko, 6 – kora, 7 – promienie rdzeniowe

W starych drzewach wyróżnia się ciemniej zabarwiona środkowa część pnia – jest to

twardziel, pod względem biologicznym martwe drewno pełniące funkcję mechaniczną.
Twardziel otoczona jest żywym drewnem bielastym (biel). W drzewie żywym twardziel jest
mniej odporna na szkodniki (grzyby) niż biel, natomiast po ścięciu stanowi materiał lepszy,
odporniejszy mechanicznie i biologicznie od części bielastych. Wszystkie gatunki iglaste
spotykane w Polsce wytwarzają twardziel.

Drzewa liściaste, pod względem budowy makroskopowej tkanek drewna dzielone są na:

−

pierścienionaczyniowe, z wyraźnym podziałem słojów na drewno wczesne zawierające
naczynia, i zwarte drewno późne (dąb, wiąz, jesion, lipa, orzech),

−

rozpierzchłonaczyniowe, w których naczynia rozrzucone są równomiernie na całej
grubości słoja (buk, brzoza, klon, jawor, grab). Gatunki rozpierzchłonaczyniowe nie
wytwarzają twardzieli – otrzymuje się z nich tylko drewno bielaste.

Dodatkowe informacje w języku angielskim na temat budowy drewna (w tym ciekawe

animacje) znajdziesz na stronie internetowej pod adresem:

http://www.doitpoms.ac.uk/tlplib/wood/structure_wood_pt2.php

Właściwości fizyczne drewna
–

Barwa – drewno z drzew krajowych ma barwę od jasnożółtej do brązowej, o odcieniu
mniej intensywnym niż w niektórych gatunkach egzotycznych (mahoń, palisander).

–

Połysk związany jest z twardością drewna i gładkością powierzchni. Połysk najbardziej
jest widoczny w przekroju promieniowym.

–

Rysunek drewna różni się w zależności od przekroju, barwy drewna, wielkości
przyrostów, sęków itp.

–

Zapach – każdy gatunek drewna ma swój specyficzny zapach. Pochodzi on od
znajdujących się w drewnie żywic, olejków eterycznych, garbników itp. Z biegiem lat
drewno traci zapach.

–

Wilgotność – zawartość wody w drewnie.

„Projekt współfinansowany ze środków Europejskiego Funduszu Społecznego”

–

Skurcz i pęcznienie – drewno podczas suszenia zawsze kurczy się, podczas nasiąkania
wodą pęcznieje. Podczas skurczu drewno pęka i paczy się. Dlatego konstrukcje
drewniane powinny być przygotowane z drewna już wysuszonego do takiej wilgotności,
w jakiej będzie ono użytkowane.

–

Gęstość drewna zależy od jego wilgotności i rodzaju drzewa, z którego jest otrzymane.

–

Przewodność cieplna – drewno źle przewodzi ciepło, zatem jest dobrym izolatorem
Współczynniki przewodności zależą od rodzaju drewna i stopnia wilgotności drewna.

–

Wytrzymałość i twardość drewna na ściskanie, rozciąganie, zginanie, ścinanie zależy do
kąta działania siły w stosunku do włókien, twardość drewna największa jest w jego
przekroju poprzecznym. Wytrzymałość i twardość drewna maleje ze wzrostem
wilgotności.

–

Łupliwość – zdolność drewna do rozczepiania się równolegle do włókien. W drewnie
miękkim ze wzrostem wilgotności łupliwość maleje, w drewnie twardym – wzrasta.

–

Trwałość – okres, w jakim drewno zachowuje swoje własności techniczne i opiera się
działaniu czynników destrukcyjnych, zależna jest od gatunku drewna i warunków
zewnętrznych, w jakich drewno jest wykorzystywane. Długą trwałość wykazuje drewno
znajdujące się pod dachem, znacznie mniejszą drewno narażone na działanie czynników
atmosferycznych lub na przemienny wpływ powietrza i wody, co ma miejsce podczas
użytkowania instrumentów muzycznych. Drewno w całości zanurzone w wodzie może
przetrwać bardzo długi okres.

Higroskopijne właściwości drewna

Higroskopijność – to skłonność materiału do wchłaniania wilgoci z powietrza. Drewno

zawsze wchłania wilgoć lub oddaje ją do pomieszczenia tak długo, aż osiągnie stan
równowagi pomiędzy własną wilgotnością a wilgotnością otoczenia. Drewno stosowane w
miejscach o dużej wilgotności powinno być zabezpieczone przed jej wchłanianiem.

Znajdującą się w drewnie ilość wody określa się wskaźnikiem wilgoci. Oblicza się go

jako wyrażony w procentach stosunek znajdującej się w drewnie wody do wagi samego
drewna. W tym celu suszy się i periodycznie waży próbki drewna. Jest to dokładny, jednak
długotrwały sposób. Szybciej i prościej wilgotność można ustalić z pomocą specjalnych
elektrycznych mierników.

100

⋅

[%]

(1)

Wilgotność drewna można też określić jako różnicę masy drewna wilgotnego i masy

drewna absolutnie suchego do masy drewna absolutnie suchego:

100

⋅

−

[%]

(2)

W – wilgotność drewna [%]
G

– masa wody [kg]

– masa drewna [kg]

– masa drewna wilgotnego [kg]

– masa drewna suchego [kg]

Wilgotność materiałów drzewnych zmienia się w szerokich granicach – od 0 do ponad

100%. Suche drewno chłonie wodę (w postaci pary) z otoczenia do granicy pełnego
nasycenia, czyli dotąd aż ciśnienie pary wodnej we wnętrzu substancji drzewnej zrównoważy
się z ciśnieniem pary wodnej w otaczającym powietrzu. Górna granica chłonności pary
wodnej przez substancję drzewną nosi nazwę granicy higroskopijności. Woda, która została

„Projekt współfinansowany ze środków Europejskiego Funduszu Społecznego”

wchłonięta do tej granicy to tak zwana woda związana lub inaczej higroskopijna. Powyżej
granicy higroskopijności, czyli powyżej punktu nasycenia włókien, dalsza ilość wody może
się gromadzić w wolnych przestrzeniach drewna w postaci skondensowanej. Woda taka nosi
nazwę wody wolnej. Obecność wody wolnej nie wpływa na zmianę wymiarów materiału
drzewnego – powoduje jedynie wzrost ciężaru właściwego drewna.

Wraz ze wzrostem zawartości wody wchłoniętej przez drewno w zakresie higroskopijnym

(woda związana) substancja drzewna pęcznieje. Gdy drewno wysycha, następuje zjawisko
odwrotne, czyli kurczenie. Powoduje to niestabilność wymiarową wszelkich konstrukcji
wykonanych z drewna i tworzyw drzewnych. Przewidywane zmiany rozmiarów muszą być
uwzględnione na etapie projektowania i podczas późniejszej eksploatacji konstrukcji
drewnianych.

Normy większości materiałów i wyrobów ustalają największą dozwoloną ilość wilgoci.

Świeżo ścięte drewno zawsze bywa wilgotniejsze, niż wymagania norm, dlatego w czasie
produkcji jest poddawane suszeniu, po czym przechowywane w suchym miejscu.

W związku z włóknistą i warstwową budową drewna zmiany wymiarów względem jego

poszczególnych kierunków są zróżnicowane i w zależności od gatunku drewna zmieniają się
w granicach:

–

w kierunku wzdłużnym:

0,1÷0,35%,

–

w kierunku promieniowym:

2,0÷8,5%,

–

w kierunku stycznym:

6,0÷13,0%,

–

zmiana objętości:

7,0÷22,5%.

Tworzywa drzewne cechują się znacznie większą stabilnością wymiarową. Zmiany

wymiarów w płaszczyźnie na długości i szerokości są jednakowe i bardzo małe. Jedynie
w kierunku prostopadłym do płaszczyzny płyt zmiany wilgotności wywołują zmiany
wymiarowe o wielkości podobnej jak w przypadku drewna.

Więcej informacji o właściwościach higroskopijnych drewna i materiałów drzewnych

znajdziesz w literaturze [2, s. 37–42].

Akustyczne właściwości drewna.

Mianem akustycznych własności drewna określa się cechy wywierające wpływ na

przebieg zjawisk dźwiękowych w drewnie. Decydują one o możliwościach i zakresie
zastosowania drewna w praktyce jako materiału rezonansowego (budowa instrumentów
muzycznych) i dźwiękochłonnego (izolacja dźwiękowa, akustyczna).

Na akustyczne własności drewna ma wpływ jego budowa, udział drewna późnego, udział

promieni rdzeniowych i przewodów żywicznych, ponadto wilgotność i temperatura. Procesy
technologiczne, takie jak klejenie i wykańczanie powierzchni, zmieniają w dużym stopniu
akustyczne własności drewna.

„Projekt współfinansowany ze środków Europejskiego Funduszu Społecznego”

Identyfikacja wybranych gatunków drewna liściastego i iglastego

W celu określenia gatunku drewna należy określić ich charakterystyczne cechy

rozpoznawcze.

Tabela 1. Charakterystyka wybranych gatunków drewna

Gatunek

Cechy charakterystyczne

Przykładowe zastosowania

Sosna

Barwa bielu jasnożółta, barwa
twardzieli czerwonobrunatna, drewno
późne dość szerokie, granice słojów
bardzo wyraźne. Liczne przewody
żywiczne, duże
i wyraźnie widoczne. Sęki ciemne,
żywiczne o rożnych kształtach
i wymiarach. Drewno średnio ciężkie.

Drewno sosny zwyczajnej odznacza się
dobrymi właściwościami
fizykomechanicznymi. Dzięki swym
właściwościom mechanicznym, łatwości
obróbki narzędziami tnącymi i małemu
ciężarowi objętościowemu znajduje
wszechstronne zastosowanie w różnych
dziedzinach gospodarki.
W przemyśle instrumentów muzycznych
stosowana do wyrobu elementów
korpusów gitar akustycznych (sosna
oregońska)

Świerk

Drewno białe z żółtawym odcieniem,
lekko połyskujące. Twardziel nie
zabarwiona – nie odróżnia się od bielu.
Słoje wyraźne, drewno późne słabo
rozwinięte. Granice słojów wyraźne.
Przewody żywiczne słabo widoczne,
występują pęcherze żywiczne. Sęki
zdrowe są jasne, sęki zepsute są bardzo
ciemne. Drewno średnio ciężkie.

Drewno o niewysokich właściwościach
fizykomechanicznych.
Przemysł celulozowo – papierniczy,
meblarski, zabawkarski, szeroko
stosowany w przemyśle instrumentów
muzycznych na drewno rezonansowe
(świerk wysokogórski).

Dąb

Słoje roczne wyraźne. Biel wąski,
żółtawy lub szaro – biały. Twardziel
żółto – brązowa lub brązowa.
Promienie rdzeniowe szerokie, bardzo
dobrze widoczne, rozmieszczone w
dużych odstępach, jaśniejsze od
otaczającego drewna. Na przekroju
stycznym w postaci pasemek o długości
do 7 cm, na przekroju promieniowym
jako błyszczące wstęgi różnego kształtu
i wysokości. Drewno ciężkie

Drewno stosowane między innymi
w przemyśle meblarskim, do produkcji
oklein, służy do wyrobu elementów
instrumentów muzycznych – elementy
pudeł rezonansowych instrumentów
strunowych, korpusy membranowych
instrumentów perkusyjnych.

Jesion

Słoje roczne wyraźne. Biel bardzo
szeroki, jasny, żółtawy lub różowawy o
perłowym połysku, twardziel
jasnobrązowa, promienie rdzeniowe
wąskie, mało widoczne.

Stosowane do wytwarzania elementów
instrumentów muzycznych – elementy
pudeł rezonansowych instrumentów
strunowych, lite korpusy gitar
elektrycznych.

Buk

Drewno białe z odcieniem różowym.
Często występuje szarobrunatna
fałszywa twardziel. Słoje widoczne,
promienie rdzeniowe na przekroju
podłużnym promieniowym w postaci
wstążeczek, na przekroju podłużnym
stycznym w postaci soczewek. Drewno
bukowe jest ciężkie, twarde, łupliwe
,łatwe do obróbki skrawaniem.

Stosowane do wytwarzania elementów
instrumentów muzycznych –
podstrunnice gitar akustycznych,
korpusy membranowych instrumentów
perkusyjnych, perkusyjne instrumenty
samobrzmiące (klawesy)

„Projekt współfinansowany ze środków Europejskiego Funduszu Społecznego”

Lipa

Drewno białe, lekko połyskujące,
z odcieniem różowym lub żółtawym.
Słoje widoczne promienie rdzeniowe
niewidoczne na przekroju podłużnym
stycznym, na pozostałych przekrojach
widoczne w postaci jaśniejszych lub
ciemniejszych plamek. Drewno jest
miękkie, łatwo łupliwe, łatwo
obrabialne,
o średnich właściwościach
mechanicznych.

Stosowane do wytwarzania elementów
instrumentów muzycznych – lite
korpusy gitar elektrycznych, korpusy
rezonansowe gitar akustycznych (lipa
amerykańska).

Jawor

Drewno bielaste, barwy żółtawobiałej,
połyskujące, dość lekkie, twarde i
mocne, lecz niezbyt trwałe. Pod
względem własności technicznych
przewyższa drewno klonu,

Stosowane do wytwarzania elementów
instrumentów muzycznych – elementy
korpusów rezonansowych instrumentów
smyczkowych,

Klon

Drewno barwy białej z żółtym
odcieniem, błyszczące. Twardziel słabo
się zaznacza ciemniejszym
zabarwieniem. Promienie drzewne na
przekroju poprzecznym mają wygląd
wąskich, czerwonawych, błyszczących
kresek, co nadaje drewnu
charakterystyczny rysunek. Drewno jest
twarde, ciężkie, elastyczne

Stosowane do wytwarzania elementów
instrumentów muzycznych – elementy
korpusów rezonansowych instrumentów
smyczkowych, korpusy fagotów, gryfy
gitar

Grusza

Drewno nie zróżnicowane na biel
i twardziel, rozpierzchłonaczyniowe
(podobnie jak klon i jawor),
czerwonobrązowe, z dobrze
widocznymi słojami rocznymi, twarde i
ciężkie.

Stosowane do wyrobu elementów,
instrumentów muzycznych – korpusy
fletów prostych

Orzech czarny

Drewno twarde, mocne, zróżnicowane
na jasny biel i ciemnobrązową
twardziel.

Używane jest do wyrobu oklein, mebli,
instrumentów muzycznych.

Wiśnia

Drewno zróżnicowane na biel i
twardziel, biel różowawy, twardziel
brązowo-czerwona; drewno średnio
ciężkie i mało twarde.

Stosowane do wytwarzania elementów
instrumentów muzycznych.

Mahoń

Drewno pozyskiwane z różnych
gatunków drzew rosnących głównie w
Ameryce (mahoniowiec) i Afryce
(zamahoń),
o barwie czerwonobrunatnej, odporne
na wilgoć, nie pękające.

Stosowane do wytwarzania elementów
instrumentów muzycznych – elementy
korpusów rezonansowych instrumentów
strunowych, szyjki instrumentów
strunowych,

„Projekt współfinansowany ze środków Europejskiego Funduszu Społecznego”

Heban

Drewno o odcieniu ciemnobrązowym
lub czarnym, bardzo twarde, trudno
łupliwe.

Czarne klawisze w fortepianach,
korpusy instrumentów dętych
drewnianych.

Palisander

W zależności od gatunku barwa drewna
o kolorze jasno czerwonym ciemno
czerwonym lub brązowym. Drewno
ciężkie i twarde.

Podstrunnice w instrumentach
strunowych z gryfem, sztabki
ksylofonów, sztabki w marimbach.

Mpingo – grenadilla

Drewno wąskosłoiste, twarde, ciężkie.
Barwa ciemnobrązowa.

Używane do budowy korpusów
instrumentów dętych drewnianych,
szczególnie obojów i klarnetów.

Wady drewna

Wady drewna to różne nieprawidłowości jego budowy oraz niektóre cechy naturalne

i uszkodzenia, które obniżają przydatność techniczną i wartość użytkową drewna. Wady
naturalne drewna, powstające w drzewie żyjącym, nazywamy pierwotnymi, wady powstałe
w drewnie po jego ścięciu noszą nazwę wad wtórnych.

Do ważniejszych wad drewna zalicza się:

−

Sęki – pozostałości po gałęziach. Sęki zmniejszają wytrzymałość mechaniczną, zakłócają
przebieg włókien i usłojenia, utrudniają obróbkę mechaniczną. Występują w różnych
kształtach i wymiarach. Ze względu na spójność z otaczającym drewnem rozróżnia się
sęki zdrowe, nadpsute i zepsute.

Rys. 6. Odmiany sęków w przekroju podłużnym: a – sęk owalny, b – sęk okrągły,

c – sęk podłużny, d – sęki skrzydlate [2, s. 18]

−

Pęknięcia – tworzą się w wyniku rozerwania tkanki drzewnej wzdłuż włókien i cewek.
Pęknięcia są najczęstszymi wadami występującymi w tarcicy, mają różne kształty
i rozmiary.

„Projekt współfinansowany ze środków Europejskiego Funduszu Społecznego”

Rys. 7. Pęknięcia w tarcicy: a – podłużne, b, c – okrężne [2, s. 18]

−

Wady budowy drewna – to odchylenie od jego regularnej budowy, obniżające jego
wytrzymałość, utrudniające obróbkę, zmniejszające walory estetyczne drewna. Do
ważniejszych wad budowy drewna zalicza się: skręt i zawiły przebieg włókien,
nierównomierną szerokość słojów rocznych, pęcherze żywiczne, mimośrodowość
rdzenia, wielordzenność.

Rys. 8. Wady drewna: a – mimośrodowość rdzenia, b – wielordzenność

Rys. 9. Skręt włókien: a) prosty przebieg włókien, b) skręcony przebieg włókien

−

Wady zabarwienia drewna. Wady te mogą być pochodzenia biologicznego – do nich
zalicza się siniznę drewna, fałszywą twardziel (drewno buku i brzozy) oraz zaparzenie.
Do niebiologicznych wad zabarwienia zalicza się zacieki garbnikowe oraz zacieki
żywiczne.

−

Porażenia drewna przez grzyby pasożytnicze. Uszkodzenia te występują zarówno
w drzewach rosnących, jak również w drewnie już przetartym a także w trakcie
użytkowania wyrobów wykonanych z drewna. Najpoważniejsze wady wywoływane przez
grzyby pasożytnicze to zgnilizna twarda, która wywołuje zmiany barwy drewna, zwiększa
nasiąkliwość oraz obniża wytrzymałość i twardość drewna oraz zgnilizna miękka, która
całkowicie niszczy strukturę drewna.

−

Uszkodzenia drewna spowodowane przez szkodniki drewna. Uszkodzenia te powstają
w wyniku drążenia przez owady chodników w drewnie. Rozróżnia się chodniki małe
(o średnicy do 3 mm) i chodniki duże (powyżej 3 mm średnicy) oraz płytkie (3–5 mm)
i głębokie (powyżej 5 mm)

„Projekt współfinansowany ze środków Europejskiego Funduszu Społecznego”

Szczegółowy opis wad drewna zawiera Polska Norma PN-EN 844-9:2002

Sortymenty drewna naturalnego

Tarcica – jest to prefabrykat uzyskany w wyniku wzdłużnego przetarcia (przecięcia)

drewna okrągłego. Tarcica iglasta i liściasta produkowana jest w dwóch grupach: tarcica
ogólnego przeznaczenia i tarcica specjalnego przeznaczenia. W zależności od proporcji
wymiarów tarcicę dzieli się na: deski, bale, listwy, krawędziaki i belki.

Rys. 10.Sortymenty tarcicy: a – deska, b – bal, c – listwa, d – graniak (łata), e – krawędziak, f – belka [1, s.18]

Forniry – to cienkie arkusze drewna naturalnego pozyskane metodą skrawania

bezwiórowego. Fornir jest materiałem, który zachował strukturę drewna, z bardzo
urozmaiconym rysunkiem powstałym w wyniku przecinania pod różnym kątem słojów
rocznych. Ze względu na przeznaczenie forniry dzieli się na okleiny i obłogi. Okleina to fornir
przeznaczony do uszlachetniania powierzchni elementów płytowych. Obłogi to forniry
przeznaczone do oklejania płyt stolarskich i innych elementów płytowych. Więcej informacji
na temat tarcicy i fornirów znajdziesz w literaturze [1. s17–24]

Sortymenty tworzyw drzewnych

Tworzywa drzewne zbudowane są z przetworzonego drewna naturalnego, często drewno

poddawane jest rozdrobnieniu a następnie spajaniu za pomocą kleju.

Płyty stolarskie – są tworzywem złożonym z grubej warstwy środkowej oklejonej

dwustronnie cienkimi obłogami, obłogami i okleiną lub twardą płytą pilśniową. Warstwa
wewnętrzna może być zbudowana jako układ blokowy pełny, złożony z listew, deszczułek lub
fornirów, lub w układzie przestrzennym – wtedy warstwa środkowa może być wykonana
z różnych materiałów drzewnych.

Rys. 11. Płyty stolarskie. a) – pełna listwowa, b) pełna deszczułkowa nacinana, c) pełna listwowa okleinowana,

d) pustakowa listewkowa, e) pustakowa ramowa, f) listewkowa sekcyjna [1, s. 25]

Płyty typu MDF – produkowane są w 3 odmianach: MDF, LDF, HDF, różniącymi się

gęstością. MDF – Medium Density Fibreboard – płyty średniej gęstości. LDF – Light Density
Fibreboard – płyty o zmniejszonej gęstości. HDF – Hight Density Fibreboard – płyta
charakteryzująca się dużą twardością i podwyższoną gęstością. Płyty typu MDF są produktami
drewnopochodnymi, powstają w wyniku sprasowania włókien drzewnych z dodatkiem
organicznych związków łączących i utwardzających, w warunkach wysokiego ciśnienia
i temperatury. Jest to materiał o jednorodnej gęstości i składzie surowcowym w całym

„Projekt współfinansowany ze środków Europejskiego Funduszu Społecznego”

przekroju, dzięki czemu posiada doskonałą obrabialność mechaniczną w procesie skrawania.
– Płyty te są szeroko stosowane do wykonywania obudów kolumn głośnikowych ze względu
na korzystne właściwości akustyczne związane z pochłanianiem i rozpraszaniem fal
akustycznych, nie wprowadzanie rezonansów własnych oraz łatwość obróbki mechanicznej.

Sklejka jest tworzywem kompozytowym warstwowym, sklejonym z nieparzystej ilości

(co najmniej 3 warstw) płatów drewna w postaci fornirów i obłogów. Kierunek przebiegu
włókien w sąsiadujących warstwach jest skrzyżowany pod kątem prostym. Zewnętrzne
warstwy sklejki nazywamy obłogami a wewnętrzne fornirami. Sklejka cechuje się wysoką
wytrzymałością na rozrywanie. W porównaniu z drewnem sklejki mogą mieć dużą
powierzchnię przy niewielkiej grubości, mniejszą skłonność do pęknięć i paczenia się. Ze
względu na warstwową strukturę sklejka posiada jednakowe właściwości mechaniczne
niezależnie od kierunku działających na sklejkę obciążeń.

Rys. 12.Schemat budowy sklejki [2, s. 24]

Płyty wiórowe wytwarza się z wiórów i odpadów drzewnych, spajanych klejem

sysntetycznym i prasowanym pod ciśnieniem. Płyty pilśniowe wytwarza się z rozwłóknionego
drewna odpadowego poddawanego sprasowaniu pod dużym ciśnieniem. Ze względu na
wiórową strukturę płyty wiórowe i pilśniowe wykazują właściwości izotropowe.

„Projekt współfinansowany ze środków Europejskiego Funduszu Społecznego”

4.1.2. Pytania sprawdzające

Odpowiadając na pytania, sprawdzisz, czy jesteś przygotowany do wykonania ćwiczeń.

Jakie rozróżniamy przekroje w drewnie pnia?

Jakie elementy struktury mikroskopowej drewna możesz wymienić?

Jaką rolę pełnią naczynia i cewki w rosnącym drzewie?

Jaką rolę pełnią promienie rdzeniowe w rosnącym drzewie?

Jakie rozróżniasz elementy budowy makroskopowej drewna?

Jakie znasz właściwości fizyczne drewna?

Jakie znasz sortymenty tarcicy?

Jakie znasz rodzaje tworzyw drzewnych?

Jak zbudowane są sklejki i płyty MDF?

10.

Jakie gatunki drewna wykorzystywane są do budowy instrumentów muzycznych?

4.1.3. Ćwiczenia

Ćwiczenie 1

Dokonaj analizy makroskopowej i mikroskopowej próbki drewna.

Sposób wykonania ćwiczenia

Aby wykonać ćwiczenie, powinieneś:

zorganizować stanowisko pracy do wykonania ćwiczenia,

przeanalizować treści zawarte w ćwiczeniu,

zapoznać się z cechami charakterystycznymi budowy mikroskopowej i makroskopowej
drewna,

przeprowadzić obserwację struktury makroskopowej drewna za pomocą oceny
wzrokowej, z ewentualnym użyciem lupy powiększającej 5–10-krotnej,

zapisać i zanalizować wyniki obserwacji,

przeprowadzić obserwację struktury mikroskopowej drewna za pomocą mikroskopu
laboratoryjnego przy powiększeniach 25, 50 i 100 krotnych,

zapisać i zanalizować wyniki obserwacji.

Wyposażenie stanowiska pracy:

–

zeszyt przedmiotowy,

–

próbki drewna do obserwacji makroskopowych,

–

próbki drewna do obserwacji mikroskopowych,

–

lupa powiększająca 5–10 krotna,

–

mikroskop laboratoryjny z obiektywami dającymi powiększenie od 25 do 100 krotnego,

–

plansze ilustrujące elementy budowy makroskopowej i mikroskopowej drewna.

Ćwiczenie 2

Na podstawie obserwacji makroskopowych zidentyfikuj gatunek drewna.

Sposób wykonania ćwiczenia

Aby wykonać ćwiczenie, powinieneś:

zorganizować stanowisko pracy do wykonania ćwiczenia,

przeanalizować treści zawarte w ćwiczeniu,

„Projekt współfinansowany ze środków Europejskiego Funduszu Społecznego”

zapoznać się z cechami charakterystycznymi wyglądu poszczególnych gatunków drewna

przyporządkować odpowiednie próbki do właściwego gatunku drewna,

zapisać wyniki i porównać z prawidłowymi odpowiedziami.

Wyposażenie stanowiska pracy:

–

zeszyt przedmiotowy,

–

próbki różnych gatunków drewna,

–

lupa powiększająca 5–10 krotna,

–

katalog z fotografiami powierzchni gatunków drewna.

Ćwiczenie 3

Dokonaj oceny jakości drewna.

Sposób wykonania ćwiczenia

Aby wykonać ćwiczenie, powinieneś:

zorganizować stanowisko pracy do wykonania ćwiczenia,

przeanalizować treści zawarte w ćwiczeniu,

zapoznać się z cechami charakteryzującymi jakość drewna,

przeprowadzić ocenę jakości próbek drewna,

zapisać i zanalizować wyniki obserwacji.

Wyposażenie stanowiska pracy:

–

zeszyt przedmiotowy,

–

próbki drewna do oceny jakościowej,

–

lupa powiększająca 5–10-krotna,

–

plansze ilustrujące wady drewna.

4.1.4. Sprawdzian postępów

Czy potrafisz:

Tak

Nie

zdefiniować pojęcia: przekrój poprzeczny, podłużny promieniowy,
podłużny styczny?

zdefiniować pojęcia: komórka roślinna, naczynia, cewki, miękisz
drzewny?

rozpoznać elementy budowy mikroskopowej drewna?

rozpoznać elementy budowy makroskopowej drewna?

określić właściwości higroskopijne drewna?

określić cechy charakterystyczne różnych gatunków drewna?

rozróżnić sortymenty drewna i tworzyw drzewnych?

ocenić jakość drewna?

„Projekt współfinansowany ze środków Europejskiego Funduszu Społecznego”

4.2. Właściwości

zastosowanie

metali

wytwarzania

instrumentów muzycznych

4.2.1. Materiał nauczania

Zastosowanie metali w konstrukcji instrumentów muzycznych

Metale są pierwiastkami chemicznymi i stopami charakteryzującymi się dobrą

przewodnością elektryczną i cieplną. W stanie stałym metale mają strukturę krystaliczną.

W technice metale stosowane są w stanie technicznie czystym – czyli z niewielką

zawartością domieszek (kilka setnych %) lub częściej w postaci stopów. Techniczne stopy
metali mogą być stopami metalu z metalem, na przykład brąz – stop miedzi i cyny, lub metali
z niemetalami, na przykład stal jest stopem żelaza z węglem.

Metale znajdują się w konstrukcji niemal wszystkich istniejących rodzajów instrumentów

muzycznych, ale ich udział jest bardzo zróżnicowany. W instrumentach strunowych metale
stosowane są często w mechanizmach mocujących i napinających struny. Struny tych
instrumentów obecnie są również w większości wykonane z materiałów metalowych, choć
spotykane są również struny wykonane z tworzyw sztucznych i naturalnych takich jak
odpowiednio spreparowane jelita zwierzęce. W instrumentach strunowo – klawiszowych
metale stosowane są do wyrobu ram, na których mocowane są struny oraz w mechanizmach
młoteczkowych i innych.

instrumentach

dętych

blaszanych

metal

jest

podstawowym

materiałem

konstrukcyjnym, inne materiały pełnią funkcje drugorzędne.

W instrumentach dętych drewnianych metale są w największym stopniu stosowane

w budowie całej rodziny saksofonów i większości fletów, gdzie z metalu wykonane są
korpusy instrumentów oraz cała mechanika – klapy, dźwignie, słupki, sprężynki, śruby i inne.
W pozostałych instrumentach dętych drewnianych (oboje, flety o korpusie drewnianym,
klarnety, fagoty) z metalu – tak jak w saksofonach wykonane są mechanizmy instrumentów.

Wśród instrumentów perkusyjnych metale stosowane są do wyroby instrumentów

o określonej wysokości dźwięku, takich jak na przykład wibrafony, dzwonki, dzwony rurowe
jak również o nieokreślonej wysokości dźwięku – talerze, gongi, trójkąty. Z metalu
zbudowane są także elementy konstrukcyjne wielu instrumentów perkusyjnych.

W organach piszczałkowych – piszczałki w zdecydowanej większości również są

wykonane z metalu.

Do wyrobu instrumentów muzycznych stosowane są żeliwa (na przykład ramy

fortepianów i pianin), stale (na przykład struny, elementy mechanizmów w fortepianach,
sprężyny, elementy mechanizmów instrumentów dętych blaszanych i drewnianych), mosiądze
(na przykład korpusy instrumentów dętych blaszanych i saksofonów, pedały i drążki pedałowe
w fortepianach i pianinach), nikiel (do pokrywania klap i mechanizmów w instrumentach
dętych drewnianych, do pokrywania kołków stroikowych w fortepianach), miedź (do owijania
strun basowych w fortepianach), srebro (korpusy fletów wyższej klasy, do posrebrzania klap
i mechanizmów w instrumentach dętych), złoto (do pokrywania lub wykonywania korpusów
fletów najwyższej klasy, pozłacania mechanizmów w instrumentach dętych). Powyższe
przykłady nie wyczerpują możliwych zastosowań metali i ich stopów do wytwarzania
instrumentów dętych. Więcej informacji na ten temat uzyskasz podczas realizacji treści
programowych zawartych w jednostce modułowej 311[18].Z2.02 „Projektowanie procesów
technologicznych”. W jednostce tej będą opracowywane procesy technologiczne obróbki,
z uwzględnieniem konkretnego gatunku materiału konstrukcyjnego.

„Projekt współfinansowany ze środków Europejskiego Funduszu Społecznego”

Właściwości fizyczne metali

−

Gęstość właściwa [kg/m

]. Ze względu na gęstość rozróżnia się metale lekkie o gęstości

do 3000 kg/m

na przykład aluminium oraz metale ciężkie o gęstości większej niż

3000 kg/m

. Przykładowo średnia gęstość aluminium to 2750 kg/m

a stali 7850 kg/m

−

Temperatura topnienia. Temperatura topnienia metali zawiera się w bardzo szerokich
granicach. W najniższej temperaturze topi się rtęć -38,78°C, wolfram zaś topi się
w temperaturze 3422°C

−

Rozszerzalność temperaturowa metali – polega na zmianie wymiarów liniowych
i objętości pod wpływem zmiany temperatury. Wraz ze wzrostem temperatury metale się
rozszerzają. Wielkościami charakteryzującymi rozszerzalność są: temperaturowy
współczynnik

rozszerzalności

liniowej

oraz

temperaturowy

współczynnik

rozszerzalności objętościowej

β.

Współczynniki te wyrażane są w

-1

−

Przewodnictwo cieplne metali – jest to zdolność do przewodzenia ciepła. Metale są
dobrymi przewodnikami ciepła.

−

Przewodność elektryczna metali – wszystkie metale przewodzą prąd elektryczny,
ponieważ cała objętość metalu wypełniona jest chmurą elektronów swobodnych.

−

Własności magnetyczne. Silne właściwości magnetyczne wykazuje żelazo, kobalt i nikiel
– metale te należą do ferromagnetyków. Spośród metali słabe własności magnetyczne
wykazuje aluminium i platyna, metale te zaliczane są do paramagnetyków. Właściwości
diamagnetyczne wykazuje cynk, miedź, złoto.

−

Własności chemiczne i aktywność chemiczna metali jest bardzo zróżnicowana.
Większość metali utlenia się ale tempo utleniania jest różne. Sód utlenia się bardzo
szybko, dużo wolniej utlenia się żelazo i miedź. Metale szlachetne reagują chemicznie
w stopniu niewielkim (srebro) lub nie wykazują oznak reakcji z otoczeniem się (złoto,
platyna)

−

Własności mechaniczne – to zdolność do materiałów do przeciwstawiania się różnym
obciążeniom. W badaniach własności wytrzymałościowych określa się zależności między
siłą działającą na metal, a skutkami, które to działanie wywołuje. Własności mechaniczne
metali i ich stopów są w wysokim stopniu zróżnicowane. Dobierając odpowiednio skład
chemiczny stopów metali można wpływać na ich wytrzymałość statyczną, dynamiczną,
wytrzymałość zmęczeniową, twardość materiału i inne własności fizyczne.

Stale

Podstawowym składnikiem stali jest żelazo. Pierwiastek ten w formie technicznie czystej

nie jest stosowany ze względu na niskie własności mechaniczne. śelazo występuje w dwóch
odmianach alotropowych oznaczanych jako żelazo

i żelazo

γ.

dmiana żelaza

krystalizuje w sieci przestrzennie centrycznej A2 (rys. 13).

Komórka

A2 jest sześcianem, w którym atomy są rozmieszczone na narożach i w środku sześcianu.
Odmiana ta jest trwała w temperaturze do 768

śelazo

krystalizuje w sieci płasko centrycznej A1. Komórka A1 jest sześcianem,

w którym atomy są rozmieszczone na narożach i na środkach ścian. Ta odmiana żelaza
występuje w zakresie temperatur 910–1400

Rys. 13. a) Siatka krystaliczna żelaza

(Komórka A2) b) Siatka krystaliczna żelaza

(Komórka A1)

„Projekt współfinansowany ze środków Europejskiego Funduszu Społecznego”

Stal jest to stop żelaza z węglem plastycznie obrobiony o zawartości węgla nie

przekraczającej 2,11%, co odpowiada granicznej rozpuszczalności węgla w żelazie. (Stopy
o wyższej zawartości węgla to żeliwa). Stal otrzymuje się z surówki (będącej produktem
redukcji rudy żelaza w piecu hutniczym) w procesie świeżenia, w którym z surówki usuwane
są składniki niepożądane głównie poprzez utlenianie tlenem atmosferycznym lub przez
dodanie do wytapianej mieszaniny tlenków.

Węgiel w stopach z żelazem może występować w postaci węgla czystego – grafitu lub

węglika żelaza Fe

C zwanego cementytem. Cementyt jest składnikiem bardzo twardym

i kruchym.

Stal w swoim składzie oprócz żelaza i węgla zawiera również inne składniki. Do

pożądanych składników stopowych – zalicza się głównie metale na przykład (chrom, nikiel,
mangan, wolfram, miedź, molibden, tytan). Pierwiastki takie jak tlen, azot, siarka oraz
wtrącenia niemetaliczne, głównie tlenków siarki, fosforu, zwane są zanieczyszczeniami.

W zależności od składu chemicznego stale dzieli się na węglowe i stopowe. Ze względu

na zastosowanie stale dzieli się na konstrukcyjne, narzędziowe i specjalne. W stali węglowej
składnikiem decydującym o właściwościach stali jest węgiel. W stalach stopowych
(o zawartości przynajmniej jednego składnika stopowego powyżej wielkości granicznej –
podanej w normach) o właściwościach decydują jej składniki stopowe.

Zależność pomiędzy strukturą stali węglowej i żeliwa a zawartością węgla ilustruje

wykres równowagowy żelazo – węgiel. Na osi poziomej podana jest procentowa zawartość
węgla w stopie, na osi pionowej temperatura. Wykres ten ilustruje zmiany zachodzące (pod
warunkiem powolnego grzania lub studzenia) w składnikach strukturalnych stopów żelaza
z węglem, w zależności od temperatury i zawartości węgla.

A – eutektyka perlitu (0,77% zawartości

węgla)

B – eutektyka ledeburytu
a –

α + perlit

b –

cementyt + ledeburyt + perlit

c –

cementyt + ledeburyt

d –

cementyt + grafit

e –

Ferryt α

f –

α + γ

g –

austenit γ

h –

γ + Fe

C + ledeburyt

i –

C + ledeburyt

j –

γ + ciecz

k –

Ciecz (płynny roztwór żelaza
i węgla)

l –

Ciecz + Fe

m – δ + γ
n –

∆

o –

γ + ciecz

Rys. 14 Wykres żelazo – węgiel

Objaśnienia pojęć:

−

Eutektyka – mieszanina dwóch lub więcej faz krystalicznych o określonym składzie,
która wydziela się z roztworów ciekłych lub stopów w określonej temperaturze, zwanej
temperaturą eutektyczną. Jest ona na ogół znacznie niższa od temperatury krzepnięcia
czystych składników.

„Projekt współfinansowany ze środków Europejskiego Funduszu Społecznego”

−

Austenit – roztwór stały węgla w żelazie γ. W czystych stopach żelaza z węglem jest
trwały w temperaturze powyżej 723°C.

−

Ferryt – roztwór stały węgla w żelazie α. Jako samoistny składnik strukturalny występuje
w niskowęglowych stalach.

−

Perlit – mieszanina eutektoidalna ferrytu i cementytu, powstająca w temperaturze 723°C
podczas chłodzenia austenitu.

−

Cementyt (węglik żelaza Fe3C) zawiera 6,67% węgla.

−

Bainit – mieszanina ferrytu i cementytu, powstająca w wyniku izotermicznej przemiany
austenitu przechłodzonego do temperatury 550–400°C

−

Ledeburyt – mieszanina eutektyczna austenitu i cementytu, trwała w temperaturze 1147–
723°C. Podczas chłodzenia, w temperaturze 723°C wskutek rozpadu austenitu powstaje
tak zwany ledeburyt przemieniony, składający się z perlitu i cementytu wtórnego.
Z analizy wykresu wynika, że wraz ze wzrostem udziału węgla struktura stopu żelaza

z węglem przybiera odmienne formy:

−

przy bardzo niewielkiej domieszce węgla, poniżej 0,0218% udaje się uzyskać niemal
czyste żelazo α zwane ferrytem,

−

przy domieszce 0,77% węgla uzyskuje się perlit będący mieszaniną eutektoidalną ferrytu
i cementytu,

−

przy domieszce węgla 2,0%, w krzepnącym stopie, powstaje ledeburyt, a temperaturach
poniżej 723°C ledeburyt przemieniony. Ledeburyt jest eutektyką,

−

przy zawartościach węgla pomiędzy 0,0218% a 0,77% otrzymuje się stopy
podeutektyczne (stale podeutektoidalne), które są mieszaninami ferrytu i perlitu,

−

stopy w zakresie 0,77% do 2,11% – stale nadeutektoidalne – są mieszaninami perlitu,
cementytu lub grafitu i ledeburytu,

−

powyżej 2,11% – żeliwa, są mieszaninami cementytu lub grafitu i ledeburytu.

Więcej informacji na temat klasyfikacji i właściwości stali oraz sposobu interpretacji

wykresu żelazo – węgiel znajdziesz w literaturze [4]

Przykłady zastosowania stali w budowie instrumentów muzycznych
Sprężyny

W instrumentach dętych blaszanych stosowane są sprężyny śrubowe, znajdują się one

w tłoczkowych mechanizmach wentylowych. Ich rolą jest wypchnięcie tłoczka wciśniętego
uprzednio przez muzyka. Sprężyny płaskie i sprężyny o przekroju okrągłym stosowane są
glównie w mechanizmach instrumentów dętych drewnianych. Sprężyny te dociskają klapy do
otworów w korpusie instrumentów lub wypychają do położenia spoczynkowego klapy
naciśnięte przez muzyka. Sprężyny okrągłe mają średnicę 0,30–1.4 mm i długość 30–90 mm,
sprężyny płaskie mają grubość do około 1 mm, szerokość 1–5 mm i długość do
kilkudziesięciu mm.

Stale do wytwarzania sprężyn to stale sprężynowe. Są one stalami węglowymi

zawierającymi 0.6%–0,85% węgla lub stalami niskostopowymi zawierającymi dodatki
krzemu, manganu, chromu i wanadu. Większość stali sprężynowych charakteryzuje się
podwyższoną zawartością krzemu, która normalnie jest niepożądanym zanieczyszczeniem.
W tych jednak zastosowaniach jest dodatkiem wymaganym, obniżającym plastyczność stali.
Popularna nazwa grup stali do wykonywania sprężyn płaskich i o przekroju okrągłym do
instrumentów muzycznych to „blue steel”, ze względu na kolor stali po obróbce cieplnej.

„Projekt współfinansowany ze środków Europejskiego Funduszu Społecznego”

Rys. 15. Stalowa sprężyna śrubowa, stosowana w mechanizmie wentylowym trąbki

Struny stalowe

Struny wykonywane są ze stalowego drutu patentowanego, charakteryzują się wysoką

wytrzymałością na rozciąganie. Patentowanie to obróbka cieplna drutu stalowego; polegająca
na nagrzaniu go do temp. 850–900°C, wygrzaniu w tej temperaturze i następnie ochłodzeniu,
najczęściej w kąpieli ołowiowej lub solnej o temp. 480–510°C. Patentowanie ma na celu
usunięcie śladów uprzedniego zgniotu i nadanie stali struktury bainitycznej, zapewniającej
możliwość dalszego przeciągania drutu na zimno w celu uzyskania mniejszej średnicy; w
razie potrzeby patentowanie powtarza się. Po ostatnim przeciąganiu na zimno drut osiąga
wytrzymałość na rozciąganie powyżej 1600 MPa. Tą metodą wytwarza się drut fortepianowy,
używany do produkcji strun.

śeliwo

śeliwo – jest to stop odlewniczy żelaza z węglem, krzemem, manganem, fosforem, siarką

i innymi składnikami zawierającymi od 2% do 3,6% węgla w postaci cementytu lub grafitu.
śeliwo otrzymuje się przez przetapianie surówki otrzymywanej z procesu wielkopiecowego
z dodatkami złomu stalowego lub żeliwnego w piecach zwanych żeliwniakami. Tak powstały
materiał stosuje się do wykonywania odlewów.

śeliwo charakteryzuje się niewielkim – 1,0% do 2,0% skurczem odlewniczym, łatwością

wypełniania form, a po zastygnięciu dobrą obrabialnością. Cenną cechą żeliwa stosowanego
do wytwarzania elementów instrumentów muzycznych jest właściwość tłumienia drgań.

W zależności od postaci węgla zawartego w żeliwie rozróżniamy:

−

śeliwo białe – węgiel jest związany w postaci cementytu. śeliwo to jest twarde i bardzo
kruche.

−

śeliwo szare – węgiel występuje w postaci grafitu. Materiał ten jest miękki i łatwo
obrabialny. Odlewy z żeliwa szarego odznaczają się dobrą wytrzymałością na ściskanie.

−

śeliwo ciągliwe – powstaje przez wyżarzanie w atmosferze utleniającej lub obojętnej
żeliwa białego. śeliwo to charakteryzuje się większą udarnością niż żeliwo białe.

−

śeliwa modyfikowane i sferoidalne – cechują się podwyższoną wytrzymałością na
rozciąganie oraz ciągliwością

Przykłady zastosowania żeliw w budowie instrumentów muzycznych

śeliwa stosowane są głównie do wytwarzania ram fortepianów i pianin. Ramy odlewane

są z szarego żeliwa ciągliwego. Taki materiał odróżnia się od stali i innych metali niską ceną
(co jest istotne przy masie ramy w granicach 100–200 kg), zdolnością przyjmowania
w odlewie złożonych kształtów, właściwością tłumienia drgań i wytrzymałością na statyczne
obciążenia ściskające. Forma i rozmiar ramy określone są przez kształt instrumentu, jego
wymiary i rozplanowanie naciągu strunowego.

„Projekt współfinansowany ze środków Europejskiego Funduszu Społecznego”

Rys. 16. Rama fortepianu wykonana z żeliwa i polakierowana na złocisty kolor

Mosiądz

Mosiądz – stop miedzi i cynku zawierający do 40% tego metalu. Mosiądze mogą

zawierać także dodatki takich metali jak ołów, aluminium, cyna , mangan, żelazo i chrom oraz
krzem. Topi się w temperaturze ok. 1000°C (zależnie od składu stopu).

Mosiądz ma kolor żółty (złoty), lecz przy mniejszych zawartościach cynku zbliża się do

naturalnego koloru miedzi. Stop ten jest odporny na korozję, ciągliwy, podatny na obróbkę
plastyczną. Posiada dobre właściwości odlewnicze.

Ze względu na wymienione właściwości ważnym zastosowaniem mosiądzu jest

produkcja instrumentów muzycznych.

Z mosiądzu wytwarzane są korpusy instrumentów dętych blaszanych oraz korpusy

saksofonów. Dokładny skład stopów mosiądzu do wytwarzania instrumentów muzycznych
jest objęty tajemnicą przez poszczególne firmy wytwarzające instrumenty muzyczne.

Rys. 17. Trąbka i saksofon – korpusy wykonane ze stopów mosiądzu

Stopy miedziowo – cynkowo – niklowe

Ze stopów tych wytwarza się dźwignie i klapy mechanizmów w instrumentach dętych

drewnianych. Stopy te mają podobne właściwości jak mosiądz, charakteryzują się większą
wytrzymałością przy zachowaniu dobrych własności plastycznych. Czasami mechanizmy te
wykonywane są ze stopów niklu i srebra.

Rys. 18. Fragment mechanizmu w klarnecie

„Projekt współfinansowany ze środków Europejskiego Funduszu Społecznego”

Brąz

Brąz to stop miedzi z cyną oraz innymi dodatkami. Rozróżnia się brązy cynowe, brązy

ołowiowe, fosforobrązy (brązy z dodatkiem fosforu) i inne. Brązy topią się w temperaturze
860–1060°C (zależnie od składu stopu).

Brązy cynowe wykorzystywane są do budowy instrumentów z grupy idiofonów

płytowych i rurowych takich jak talerze, gongi czy dzwony rurowe. Instrumenty te wykonuje
się głównie z brązów gatunku B8 i B20. Stopy te zawierają odpowiedni około 8 i 20% cyny.
Dokładny skład chemiczny stopów wykorzystywanych do wykonywania instrumentów
muzycznych objęty jest tajemnicą producenta.

Rys. 19. Gong perkusyjny (z lewej) i dzwony rurowe

Nikiel

Nikiel jest srebrzystobiałym, połyskującym metalem, trudno korodującym i odpornym na

ścieranie. Stosuje się go do tworzenia połyskujących powłok galwanicznych na powierzchni
elementów instrumentów muzycznych.

Srebro

Srebro – metal szlachetny bardzo ciągliwy i kowalny (nieco twardszy od złota),

charakteryzuje się lśniącym połyskiem, daje się łatwo polerować. Gęstość srebra to
10490 kg/m

. W powietrzu na powierzchni stopniowo matowieje wskutek powstawania na

powierzchni ciemnego nalotu z siarczku srebra. Temperatura topnienia srebra to 960°C.
Ze srebra wykonywane są korpusy fletów wysokiej klasy. Często ze srebra wykonuje się
tylko główki fletów. Metal ten wykorzystywany jest powszechnie do pokrywania
mechanizmów w instrumentach dętych drewnianych. Do wytwarzania korpusów fletów
wykorzystuje się również stop GS składający się z 90% srebra i 10% złota.

Złoto

Złoto – metal szlachetny – bardzo miękki, kowalny i ciągliwy, charakteryzuje się

lśniącym żółtym połyskiem. Jest metalem o dużej gęstości – wynoszącej 19300 kg/m

Temperatura topnienia wynosi 1064°C. Złoto bardzo dobrze przewodzi prąd i ciepło. Jest
mało aktywne chemicznie, w temperaturze pokojowej wykazuje odporność na działanie
większości kwasów. Roztwarza się w wodzie królewskiej (mieszanina stężonego kwasu:
chlorowodorowego i azotowego) i innych mieszaninach niektórych kwasów oraz w roztworze
cyjanku potasu (w obecności utleniaczy). Z rtęcią tworzy amalgamat.

W zastosowaniach związanych z wykonywaniem instrumentów stosuje się stopy złota

z innymi metalami, takimi jak srebro, pallad, nikiel, miedź, cynk ze względu na lepsze
własności mechaniczne takich stopów i ich niższą cenę.

W zależności od zawartości złota w stopie rozróżnia się sześć prób złota. Złoto pierwszej

próby zawiera 96% złota, złoto szóstej (ostatniej) próby zawiera 33,3% złota.

„Projekt współfinansowany ze środków Europejskiego Funduszu Społecznego”

Złoto wykorzystuje się do pozłacania korpusów instrumentów dętych blaszanych

i saksofonów, do pozłacania elementów mechanizmów w instrumentach dętych drewnianych.
Ze złota wykonuje się główki fletów oraz kompletne korpusy fletów najwyższej klasy. Często
pozłacane są wewnętrzne powierzchnie główek i korpusów fletów a także ustniki
instrumentów dętych blaszanych.

Rys. 20. Pozłacane elementy instrumentów muzycznych. a – pozłacany ustnik fletu, b – pozłacany ustnik

puzonowy, c – pozłacany ustnik saksofonowy, d – pozłacane słupki w mechanizmie klarnetu

Platyna

Platyna – metal szlachetny o dużej gęstości – 21090 kg/m³. W postaci czystej o barwie

srebrzystobiałej. Jest metalem kowalnym i łatwo ciągliwym.

Platyna wykorzystywana jest do pokrywania korpusów fletów wysokiej jakości. Stosuje

się również czystą platynę do wykonywania główek fletów i sporadycznie do całego korpusu.

Stopy lutownicze

Do łączenia elementów instrumentów dętych blaszanych oraz saksofonów używa się

lutowania twardego. Lutowanie to odbywa się w temperaturze powyżej 550°C.

W lutowaniu twardym spoinę tworzą stopy o różnorodnym składzie chemicznym. Rodzaj

stopu lutowniczego uzależniony jest od rodzaju łączonych metali oraz wymaganej
wytrzymałości spoiny. Luty twarde wykonuje się najczęściej na bazie miedzi i srebra.

Tabela 2. Przykładowe stopy lutownicze według normy DIN 8513

Cecha wg

DIN 8513

Skład spoiwa

w % – wag.

Dolna i górna

tem. topnienia [°C]

L-CuP6

93,8 miedź; 6,2 fosfor

710-880

L-Ag5P

5 srebro; 89,0 miedź; 6,0 fosfor

650-810

L-Ag30Cd

30 srebro; 28 miedź; 21 cynk; 21 kadm

600-690

L-Ag40Cd

40 srebro; 19 miedź; 21 cynk; 20 kadm

595-630

L-Ag45Sn

45 srebro; 27 miedź; 3 cyna; 25 cynk

640-680

„Projekt współfinansowany ze środków Europejskiego Funduszu Społecznego”

Tabela 3. Przykłady zastosowań metali w konstrukcji instrumentów muzycznych – zestawienie

Rodzaj metalu

Przykłady zastosowania w budowie instrumentów muzycznych

Stopy metali żelaznych

śeliwo

Ramy fortepianów i pianin

Stopy żelaza z
węglem i innymi
składnikami

Stale

Instrumenty strunowe: struny stalowe, mechanizmy mocujące
i napinające struny, elementy mechanizmów w fortepianach
i pianinach.
Instrumenty dęte: sprężyny, mechanizmy wentylowe, elementy
mechanizmów instrumentów dętych drewnianych (śruby, wkręty,
sworznie).
Instrumenty perkusyjne: dzwonki, wibrafony, osprzęt instrumentów
perkusyjnych.

Metale nieżelazne i ich stopy

Miedź

Stosowana do owijania strun basowych w fortepianach i pianinach
oraz w gitarach.

Brązy

Instrumenty perkusyjne: talerze, gongi
Brąz (80% miedzi, 20% cyny) – stosowany jest do owijania strun
gitar elektrycznych
Brązy z dodatkiem fosforu – do 0,5% (fosforobrązy) stosowane są
do wyrobu sprężyn płaskich stosowanych w mechanizmach
instrumentów dętych drewnianych oraz do powlekania strun gitar
elektrycznych.

Miedź i stopy
miedzi

Mosiądze

Korpusy instrumentów dętych blaszanych, korpusy saksofonów,
Instrumenty perkusyjne: talerze, gongi, korpusy kotłów
orkiestrowych,
Instrumenty strunowe: progi na gryfach gitar.

Stopy miedziowo –
cynkowo – niklowe

Klapy i dźwignie w instrumentach dętych drewnianych.

Nikiel

Do pokrywania mechanizmów instrumentów dętych drewnianych
niskiej klasy, do pokrywania strun gitar elektrycznych.

Aluminium

Elementy mechanizmów fortepianów, gitar elektrycznych (gryf).

Ołów

Stosowany w postaci obciążników do wyważania i regulacji
mechanizmów w fortepianach i pianinach.

Spoiwa

Stopy cynowo –
ołowiowe, cynowe,
mosiężne

Do łączenia elementów instrumentów dętych blaszanych oraz
niektórych instrumentów dętych drewnianych (flety, saksofony).

Metale szlachetne
Srebro

Stosowane do wykonywania korpusów fletów, powszechnie
stosowane do pokrywania korpusów i mechanizmów
w instrumentach dętych.

Złoto

Instrumenty dęte: do pokrywania od wewnątrz korpusów fletów, do
wykonywania korpusów fletów wysokiej klasy, do pozłacania
mechanizmów i korpusów instrumentów dętych.

Platyna

Stosowana do wyrobu korpusów fletów wysokiej klasy.

Podane przykłady to jedynie niewielki wycinek zastosowań metali w budowie

instrumentów muzycznych. Więcej informacji na ten temat znajdziesz w poradniku do
jednostki modułowej 311[18]Z3.05 „Projektowanie i wykonywanie elementów instrumentów
muzycznych”.

„Projekt współfinansowany ze środków Europejskiego Funduszu Społecznego”

4.2.2. Pytania sprawdzające

Odpowiadając na pytania, sprawdzisz, czy jesteś przygotowany do wykonania ćwiczeń.

Jakie wspólne cechy są charakterystyczne dla każdego metalu?

Jakie są właściwości fizyczne metali?

Jakie informacje są zawarte w równowagowym wykresie żelazo – węgiel?

Jakie znasz składniki strukturalne stopów żelaza z węglem?

Jakie znasz odmiany stali i żeliw?

Jaki jest podstawowy skład chemiczny brązów i mosiądzów?

Jaka jest odporność chemiczna poszczególnych rodzajów metali i ich stopów?

Jakie zastosowanie w budowie instrumentów znajduje stal i żeliwo?

Jakie zastosowanie w budowie instrumentów znajdują stopy metali nieżelaznych?

10.

Jakie są przykładowe zastosowania metali szlachetnych do budowy instrumentów
muzycznych?

4.2.3. Ćwiczenia

Ćwiczenie 1

Zidentyfikuj rodzaj metalu na podstawie obserwacji jego właściwości fizycznych.

Sposób wykonania ćwiczenia

Aby wykonać ćwiczenie, powinieneś:

zorganizować stanowisko pracy do wykonania ćwiczenia,

przeanalizować treści zawarte w ćwiczeniu,

zapoznać się z właściwościami fizycznymi różnych metali żelaznych i nieżelaznych i ich
stopów,

przyporządkować odpowiednie próbki do właściwego rodzaju metalu,

zapisać wyniki i porównać z prawidłowymi odpowiedziami.

Wyposażenie stanowiska pracy:

–

zeszyt przedmiotowy,

–

próbki różnych rodzajów metali z opisem ich cech charakterystycznych,

–

katalog stali, żeliw, metali nieżelaznych.

Ćwiczenie 2

Określ odporność na warunki atmosferyczne różnych rodzajów stali i metali

nieżelaznych.

Sposób wykonania ćwiczenia

Aby wykonać ćwiczenie, powinieneś:

zorganizować stanowisko pracy do wykonania ćwiczenia,

przeanalizować treści zawarte w ćwiczeniu,

zapoznać się z właściwościami chemicznymi różnych metali żelaznych i nieżelaznych
i ich stopów,

podzielić próbki na dwie jednakowe grupy,

pierwszą grupę próbek zanurzyć próbki metali w wodzie na kilka dni (każda próbka
w osobnym naczyniu),

„Projekt współfinansowany ze środków Europejskiego Funduszu Społecznego”

drugą grupę próbek pozostawić na wolnym powietrzu,

po kilku dniach zaobserwować zmiany, jakie zaszły na powierzchni próbek metalu,

zapisać wyniki i wyciągnąć wnioski.

Wyposażenie stanowiska pracy:

–

zeszyt przedmiotowy,

–

próbki różnych rodzajów metali,

–

naczynia szklane do zanurzenia próbek,

–

lupa do obserwacji nalotu na powierzchni próbek,

–

katalog stali, żeliw, metali nieżelaznych.

Ćwiczenie 3

Zidentyfikuj metal z którego została wykonana próbka oraz wskaż elementy

instrumentów muzycznych wykonane z takiego materiału.

Sposób wykonania ćwiczenia

Aby wykonać ćwiczenie, powinieneś:

zorganizować stanowisko pracy do wykonania ćwiczenia,

przeanalizować treści zawarte w ćwiczeniu,

zapoznać się z zastosowaniem metali do budowy instrumentów muzycznych,

zidentyfikować rodzaj metalu, z którego wykonana jest dana próbka,

określić możliwe zastosowania metalu do budowy elementów instrumentu muzycznego,

zapisać wyniki i wyciągnąć wnioski.

Wyposażenie stanowiska pracy:

–

zeszyt przedmiotowy,

–

próbki różnych rodzajów metali,

–

elementy instrumentów muzycznych wykonane z metalu,

–

katalogi instrumentów muzycznych.

4.2.4. Sprawdzian postępów

Czy potrafisz:

Tak

Nie

określić właściwości fizyczne metali?

zdefiniować pojęcia: stal węglowa, stal stopowa, żeliwo?

określić główne składniki stopowe stali stopowej?

posłużyć się wykresem równowagowym żelazo – węgiel?

określić składniki strukturalne stopów żelaza z węglem?

określić ogólny skład stopów mosiądzu i brązu?

określić zastosowanie stali i żeliw do budowy instrumentów?

określić zastosowanie stopów metali nieżelaznych do budowy
instrumentów?

podać przykłady zastosowania poszczególnych rodzajów metali
i stopów metali do budowy instrumentów muzycznych?

„Projekt współfinansowany ze środków Europejskiego Funduszu Społecznego”

4.3.

Właściwości i zastosowanie tworzyw sztucznych i innych
materiałów do wytwarzania instrumentów muzycznych

4.3.1. Materiał nauczania

Ogólny podział tworzyw sztucznych

Tworzywa sztuczne to związki wielkocząsteczkowe otrzymywane w wyniku przeróbki

naturalnych polimerów (np. kauczuku naturalnego, celulozy). Obok głównego składnika
zawierają inne składniki, które spełniają rolę: wypełniacza, plastyfikatora, stabilizatora,
pigmentu, środka zmniejszającego palność, antystatyka. W odróżnieniu od metali – które mają
budowę krystaliczną – tworzywa sztuczne są w większości amorficzne, czyli mają strukturę
bezpostaciową.

Tworzywa sztuczne dzieli się na:

−

Duromery – twarde, trudnotopliwe o wysokiej odporności mechanicznej służące jako
materiały konstrukcyjne – inaczej nazywane sztucznymi metalami. Niektóre duromery
zastępują też materiały ceramiczne.

−

Plastomery – popularnie zwane termoplastami są mniej sztywne od duromerów. Topią sie
pod wpływem wysokiej temperatury. Dzięki temu można je przetwarzać poprzez topienie
i wtryskiwanie do form lub wytłaczanie. W ten sposób można z nich uzyskać wyroby
o bardzo skomplikowanych kształtach. Plastomery stosowane są zamiast drewna
i niekiedy zamiast metalu.

−

Elastomery – tworzywa, które można rozciągać i ściskać; w wyniku rozciągania lub
ściskania elastomery zmieniają znacznie swój kształt, ale po odjęciu siły wracają do
poprzednich wymiarów. Elastomery zastąpiły prawie całkowicie kauczuk naturalny,
znalazły też szereg nowych zastosowań niedostępnych dla zwykłego kauczuku.
Ze względu na swe właściwości tworzywa sztuczne są coraz częściej wykorzystywane do

budowy instrumentów muzycznych.

Właściwości fizyczne tworzyw sztucznych

Poniżej podano najważniejsze i wspólne dla większości tworzyw sztucznych właściwości

fizyczne:

−

niska gęstość (890–2250 kg/m3)

−

wysoka trwałość chemiczna, w tym odporność na działanie wody, kwasów,
promieniowania UV itp.,

−

izolacyjność elektryczna,

−

niska przewodność cieplna,

−

wysoka wytrzymałość mechaniczna przy małej masie,

−

stabilność wymiarowa,

−

dobre tłumienie drgań,

−

możliwość barwienia niektórych tworzyw na dowolny kolor.

Zastosowanie tworzyw sztucznych w konstrukcji instrumentów muzycznych
Ebonit

Ebonit – tworzywo sztuczne otrzymywane w procesie wulkanizacji kauczuku,

naturalnego lub syntetycznego. Ebonit zawiera 20–33% siarki. Jest nierozpuszczalny,
nietopliwy, łatwo poddaje się obróbce mechanicznej, ma dobre własności izolacyjne cieplne
i elektryczne, jest bardzo odporny chemicznie. Z ebonitu wykonywane są ustniki do klarnetów
i saksofonów.

„Projekt współfinansowany ze środków Europejskiego Funduszu Społecznego”

Rys. 21.Ustnik do klarnetu wykonany z ebonitu

Tworzywo ABS

Tworzywo ABS – tworzywo sztuczne o gęstości 1040 kg/m3. Otrzymywane jest

w procesach polimeryzacji. Tworzywo ABS posiada dobre własności udarnościowe, wysoką
twardość oraz odporność na zarysowania.

Ze względu na swe własności tworzywa z grupy tworzyw ABS są coraz częściej

wykorzystywane do produkcji korpusów instrumentów dętych drewnianych takich jak flety
(flety piccolo), oboje i klarnety. Nazwa handlowa tworzywa ABS stosowanego do produkcji
tych instrumentów to „Grena 2000”.

Z tworzywa ABS wykonywane są korpusy instrumentów niższej klasy – czyli szkolne.

Dodatkową zaletą tego tworzywa jest niższa – w porównaniu z drewnem gęstość, dzięki
czemu instrument jest lżejszy, co jest istotne gdy na instrumencie gra dziecko. Korpus
wykonany z tworzywa ABS jest odporny na działanie wilgoci i na zmiany temperatury.

Poniżej przedstawiono klarnet C Lyons skonstruowany specjalnie dla najmłodszych

klarnecistów. Ze względu na bardzo niską masę i mniejsze rozmiary w porównaniu ze
standardowym klarnetami B, na klarnecie tym naukę gry mogą rozpocząć dzieci już w wieku
7 lat. Instrument ten jest prawie w całości wykonany z tworzyw sztucznych – korpus ABS,
mechanika wykonana jest z delrinu (rodzaj tworzywa sztucznego, polimer termoplastyczny),
poduszki – silikon. Jedyne elementy metalowe to sprężynki mechanizmu, ligaturka
i obciążniki mające za zadanie wyważenie instrumentu.

Rys. 22. Klarnet C Lyons

Z tworzywa ABS wykonywane są również elementy korpusów gitar klasycznych niższej

klasy.

Nylon

Nylon to syntetyczny polimer z grupy poliamidów służący do wytwarzania włókna

syntetycznego o bardzo dużej wytrzymałości na rozciąganie.

W przemyśle wytwórczym instrumentów muzycznych z nylonu wykonywane są struny do

instrumentów strunowych szarpanych takich jak gitara, mandolina, banjo.

Włókna aramidowe oraz poliestry

Z materiału opartego na włóknach aramidowych oraz z materiałów z grupy poliestrów

(PET) wykonuje się naciągi perkusyjne na werble i inne perkusyjne instrumenty
membranowe.

„Projekt współfinansowany ze środków Europejskiego Funduszu Społecznego”

Rys. 23. Naciąg perkusyjny do werbla

Gore – tex

Gore – Tex – to znak towarowy należący do firmy W.L. Gore & Associates. Firma

opatruje tym znakiem produkty, w których występują oparte na teflonie włókna, nici
i membrany.

Działanie Gore – Texu opiera się na wprasowanej w tkaninę półprzepuszczalnej

membranie, wykonanej z porowatego teflonu. Mikrootwory te są większe niż pojedyncze
molekuły wody z jakich składa się para wodna a jednocześnie mniejsze niż
wielocząsteczkowe pakiety z jakich składa się woda w stanie płynnym. Umożliwia to
transport pary wodnej z ośrodka o większym stężeniu do ośrodka o mniejszym, przy
zachowaniu nieprzepuszczalności dla wody.

Z materiału tego wykonuje się membrany wysokiej klasy poduszek stosowanych do

przykrywania otworów w korpusach instrumentów dętych drewnianych.

Rys. 24. Poduszki do klarnetu z membranami wykonanymi z tworzywa Gore – Tex

Istnieje bardzo wiele rodzajów i typów tworzyw sztucznych stosowanych przemyśle.

Wraz z postępem technologicznym powstają wciąż nowe odmiany tworzyw, które mogą
znaleźć zastosowanie w budowie instrumentów muzycznych. Dlatego omówione powyżej
tworzywa sztuczne to jedynie część materiałów, które służą do budowy instrumentów
muzycznych.

Zastosowanie innych materiałów w konstrukcji instrumentów muzycznych

Oprócz drewna, metali i tworzyw sztucznych, do wytwarzania instrumentów muzycznych

stosuje się również inne materiały wykonane z surowców naturalnych. Są to filce, skóry,
korek, nici, czy włosie końskie – stosowane w smyczkach instrumentów smyczkowych.

Filc

Filc – jest to materiał włókienniczy powstały przez spilśnienie włókien z wełny, sierści

zwierząt lub tworzyw sztucznych. Spilśnianie to proces łączenia włókien w zwartą masę,
w którym wykorzystuje się naturalne właściwości włókien do tworzenia między sobą
połączeń. Połączenia te dodatkowo wzmacnia zastosowanie w procesie pilśnienia gorącej pary
wodnej, słabych roztworów kwasów lub zasad i dużego nacisku lub tarcia. Nacisk uzyskuje
się przez ubijanie lub walcowanie wilgotnej warstwy włókien lub tkaniny. Spilśnianie odbywa
się na maszynach zwanych spilśniarkami lub foluszami, a proces spilśniania nazywa się
filcowaniem lub folowaniem. W drodze folowania tkanin otrzymuje się sukna i filce.

Z filcu wykonuje się główki młoteczków fortepianów i pianin. Jakość dźwięku

wydobytego ze struny w dużym stopniu zależy od jakości i twardości filcowej okleiny
młoteczka. Parametry filców stosowanych na poszczególne grupy młoteczków muszą być
precyzyjnie dobrane.

Dźwięk wydobywany przez młotek twardy jest jasny i ostry, natomiast

młotek miękki powoduje brzmienie matowe i ciemne. Im większy jest udział długości odcinka
styku młotka ze struną w stosunku do całkowitej długości struny, tym większa ilość wysokich

„Projekt współfinansowany ze środków Europejskiego Funduszu Społecznego”

składowych dźwięku ulega stłumieniu. Im wyższy rejestr tym główki młoteczków pokrywane
są twardszym filcem.

Rys. 25. Główki młoteczków fortepianowych

Filcem pokrywa się również główki pałeczek do gry na kotłach orkiestrowych oraz do gry

na bębnach wielkich. Filc służy również jako materiał tłumiący stuki w mechanizmach wielu
instrumentów muzycznych (fortepian, trąbka, saksofon)

Skóra

Skóra należy do materiałów naturalnych, jest to surowiec pozyskiwany ze zwierząt,

wykorzystywany w przemyśle budowy instrumentów muzycznych.

Przykładowe zastosowania skóry w konstrukcji instrumentów muzycznych:

–

elementy miechów w akordeonach i fisharmoniach,

–

naciągi membranowych instrumentów perkusyjnych,

–

membrany poduszek klap do przykrywania otworów w korpusach saksofonów,

–

skórzane ligaturki do klarnetów i saksofonów.

Rys. 26. Poduszka do saksofonu ze skórzaną membraną (z lewej) oraz ligaturka skórzana do klarnetu

Korek

Korek – jest materiałem naturalnym, pozyskiwanym z kory dębu korkowego, zawsze

zielonej odmiany śródziemnomorskiej.

Materiał ten stosowany jest do tłumienia uderzeń w mechanizmach instrumentów dętych

drewnianych. Korek jest również sprężystym elementem pośredniczącym umożliwiającym
wciskowe połączenie korpusów instrumentów drewnianych. Za pomocą korka łączone
z baryłką lub fajką (w saksofonach) są również ustniki tych instrumentów. Z tego materiału
wykonywane są również niektóre poduszki do zakrywania otworów w instrumentach dętych
drewnianych.

Rys. 27. Płyty z korka (z lewej) oraz tulejka z korka do fajki saksofonu

„Projekt współfinansowany ze środków Europejskiego Funduszu Społecznego”

4.3.2. Pytania sprawdzające

Odpowiadając na pytania, sprawdzisz, czy jesteś przygotowany do wykonania ćwiczeń.

Jakie są wspólne cechy charakterystyczne dla tworzyw sztucznych?

Jakie znasz rodzaje tworzyw sztucznych stosowanych do budowy elementów
instrumentów muzycznych?

Jakie zalety i wady są charakterystyczne dla tworzyw sztucznych?

Jakie elementy instrumentów muzycznych z poszczególnych grup wykonane są z tworzyw
sztucznych?

Jakie właściwości posiada tworzywo Gore Tex?

Jaką rolę w budowie fortepianów i pianin pełni filc?

Jakie zastosowanie w budowie instrumentów muzycznych posiada skóra naturalna?

Jakie funkcje pełni korek w instrumentach dętych drewnianych?

4.3.3. Ćwiczenia

Ćwiczenie 1

Zidentyfikuj rodzaj tworzywa sztucznego stanowiącego element konstrukcyjny

instrumentu muzycznego.

Sposób wykonania ćwiczenia

Aby wykonać ćwiczenie, powinieneś:

zorganizować stanowisko pracy do wykonania ćwiczenia,

przeanalizować treści zawarte w ćwiczeniu,

zapoznać się z cechami charakterystycznymi poszczególnych rodzajów tworzyw
sztucznych,

przyporządkować odpowiednie próbki do właściwego rodzaju tworzywa sztucznego,

zapisać wyniki i porównać z prawidłowymi odpowiedziami.

Wyposażenie stanowiska pracy:

–

zeszyt przedmiotowy,

–

próbki różnych rodzajów tworzyw sztucznych,

–

katalogi tworzyw sztucznych.

Ćwiczenie 2

Zidentyfikuj rodzaj tworzywa, z którego wykonane są próbki oraz wskaż elementy

instrumentów muzycznych wykonane z tego materiału.

Sposób wykonania ćwiczenia

Aby wykonać ćwiczenie, powinieneś:

zorganizować stanowisko pracy do wykonania ćwiczenia,

przeanalizować treści zawarte w ćwiczeniu,

zapoznać się z zastosowaniem tworzyw sztucznych i innych materiałów do budowy
instrumentów muzycznych,

zidentyfikować rodzaj materiału, z którego wykonana jest dana próbka,

wskazać elementy instrumentów muzycznych wykonane z takiego samego tworzywa jak
materiał próbki,

zapisać wyniki i wyciągnąć wnioski.

„Projekt współfinansowany ze środków Europejskiego Funduszu Społecznego”

Wyposażenie stanowiska pracy:

–

zeszyt przedmiotowy,

–

próbki różnych rodzajów materiałów (tworzyw sztucznych, skóry, filcu, korka),

–

elementy instrumentów muzycznych wykonane z tworzyw sztucznych i naturalnych,

–

katalogi instrumentów muzycznych.

Ćwiczenie 3

Dobierz materiał konstrukcyjny do wykonania zadanego elementu instrumentu

muzycznego.

Sposób wykonania ćwiczenia

Aby wykonać ćwiczenie, powinieneś:

zorganizować stanowisko pracy do wykonania ćwiczenia,

przeanalizować treści zawarte w ćwiczeniu,

określić funkcję, jaką pełni w instrumencie zadany element,

dobrać materiał, z którego można wykonać zadany element instrumentu muzycznego,

zapisać wyniki i wyciągnąć wnioski.

Wyposażenie stanowiska pracy:

–

zeszyt przedmiotowy,

–

elementy instrumentów muzycznych,

–

próbki różnych rodzajów materiałów (tworzyw sztucznych, skóry, filcu, korka),

–

katalogi instrumentów muzycznych.

4.3.4. Sprawdzian postępów

Czy potrafisz:

Tak

Nie

określić podstawowe właściwości fizyczne tworzyw sztucznych?

zdefiniować pojęcia: duromery, plastomery, eleastomery?

określić główne składniki tworzyw sztucznych?

określić przykładowe zastosowania ebonitu w konstrukcji
instrumentów muzycznych?

określić przykładowe zastosowania tworzyw ABS, nylonu, poliestrów
w konstrukcji instrumentów muzycznych?

określić cechy charakterystyczne materiału Gore Tex?

określić wpływ grubości i twardości filcu pokrywającego główkę
młoteczka na barwę dźwięku struny fortepianu?

określić zastosowanie skóry i korka do budowy instrumentów?

dobrać odpowiedni materiał do wytworzenia zadanego elementu
konstrukcyjnego instrumentu muzycznego?

„Projekt współfinansowany ze środków Europejskiego Funduszu Społecznego”

4.4.

Obliczenia wytrzymałościowe materiałów do wytwarzania
instrumentów muzycznych

4.4.1. Materiał nauczania

Właściwości mechaniczne materiałów

Właściwości mechaniczne określają zdolność materiału do przeciwstawiania się działaniu

sił zewnętrznych, które mogą spowodować jego przejściowe lub trwałe odkształcenie albo
zniszczenie.

Do właściwości mechanicznych zalicza się:

–

izotropowość i anizotropowość,

–

wytrzymałość statyczną, zmęczeniową i udarową,

–

sprężystość i plastyczność,

–

twardość.
Materiał izotropowy posiada jednakowe właściwości mechaniczne we wszystkich

kierunkach. W materiałach anizotropowych własności mechaniczne zależą od kierunku
działania obciążeń.

Drewno ma budowę włóknistą, co powoduje, że jest materiałem anizotropowym. Przy

zastosowaniu drewna zawsze należy brać pod uwagę, że własności mechaniczne
warunkowane są wieloma czynnikami, do których należą przede wszystkim: wilgotność
drewna, gęstość, udział drewna wczesnego i późnego oraz wady drewna (miejsce ich
występowania i rozmiar). W normalnych warunkach drewno jest materiałem dość kruchym o
małej plastyczności. W celu zwiększenia plastyczności, stosuje się obróbkę hydrotermiczną,
która polega na poddaniu drewna parowaniu lub warzeniu, co ułatwia gięcie, trwałe
kształtowanie oraz skrawanie drewna.

Drewno wykazuje największą wytrzymałość wzdłuż włókien, w kierunku stycznym

i promieniowym wytrzymałość jest wielokrotnie niższa. Im większy jest udział promieni
rdzeniowych w drewnie, tym mniejsze jest zróżnicowanie właściwości mechanicznych, które
głównie uwarunkowane jest równoległym do osi pnia ułożeniem komórek.

Wzrost wilgotności od 0% do punktu nasycenia włókien powoduje spadek wytrzymałości

drewna, natomiast zmiany wilgotności powyżej punktu nasycenia nie mają już znaczenia.
Odchylenia przebiegu włókien od kierunku równoległego do osi drewna (skręt włókien)
zmniejszają wytrzymałość drewna. Wytrzymałość drewna wzrasta w miarę wzrostu gęstości
oraz wzrostu udziału drewna późnego. Obecność wad w drewnie, szczególnie sęków (ich
rodzaj i rozmieszczenie) oraz niewielki nawet udział zgnilizny powoduje obniżenie
wytrzymałości drewna.

Metale do zastosowań technicznych wykazują właściwości izotropowe, co znaczy, że ich

wytrzymałość mechaniczna nie zależy od kierunku przyłożenia obciążenia. Wytrzymałość
metali zależy od ich składu chemicznego i zastosowanej obróbki cieplnej.

Odkształceniem nazywamy zmianę wymiarów lub kształtu wywołane działaniem na

materiał obciążeń zewnętrznych. Obciążeniem zewnętrznym nazywamy siły lub momenty sił
działające na materiał.

W obliczeniach wytrzymałościowych jako model ciała rzeczywistego przyjmuje się ciało

sprężysto – plastyczne, które charakteryzuje się następującymi cechami:

−

odkształcalnością – czyli zdolnością do zmiany kształtu lub wymiarów pod wpływem
obciążeń zewnętrznych,

−

sprężystością – czyli zdolnością do odkształceń sprężystych, czyli takich, które ustępują
po zaprzestaniu działania obciążenia,

„Projekt współfinansowany ze środków Europejskiego Funduszu Społecznego”

−

plastycznością – czyli zdolnością do odkształceń trwałych, czyli takich, które nie znikają
po zaprzestaniu działania obciążenia,

−

wytrzymałością – czyli maksymalną wartością obciążenia, której przekroczenie powoduje
zniszczenie obciążonego ciała poprzez utratę spójności materiału (na przykład
rozerwanie, złamanie).

Proste rodzaje obciążenia

Elementy poddawane obciążeniom podlegają odkształceniom. Obciążenia można

sklasyfikować w zależności od charakteru odkształceń, jakim ulega poddany im element.
Podstawowe rodzaje obciążeń to rozciąganie, ściskanie, zginanie, ścinanie i skręcanie. Na
poniższym rysunku przedstawiono obciążenia proste, które występują gdy materiał obciążany
jest tylko jednym rodzajem obciążenia. Gdy na materiał działają jednocześnie dwa lub więcej
obciążeń, na przykład skręcanie i zginanie, to w takim wypadku występuje złożony stan
obciążeń.

Rys. 28. Podstawowe rodzaje obciążeń. a) rozciąganie, b) ściskanie, c) zginanie, d) ścinanie, e) skręcanie

W wyniku działających obciążeń i spowodowanego tym odkształcenia w materiale

powstają siły wewnętrzne. Stosunek siły wewnętrznej do przekroju poprzecznego materiału to
naprężenie średnie. Naprężenie można rozłożyć na działające w kierunku prostopadłym do
powierzchni przekroju S – naprężenie normalne σ, oraz na działające w kierunku stycznym do
powierzchni – naprężenie styczne τ.

Rys. 29. Naprężenia normalne

i styczne

„Projekt współfinansowany ze środków Europejskiego Funduszu Społecznego”

Jednostką naprężenia jest paskal [Pa] i jego wielokrotności [kPa], [MPa]. Naprężenie

jednego paskala wywołuje siła jednego niutona działająca na powierzchnię 1 m

W zastosowaniach technicznych stosuje się najczęściej wielokrotność paskala –

megapaskal [MPa]. Naprężenie jednego megapaskala to siła jednego meganiutona [MN]
działająca na powierzchnię 1 m

. Ponieważ w technice rzadko spotyka się siły rzędu

meganiutonów i pola powierzchni przekrojów obciążonych rzędu metrów kwadratowych, to
najczęściej stosuje się modyfikację tej definicji i naprężenie jednego megapaskala określa się
jako stosunek siły o wartości 1niutona działającej na powierzchnię 1 mm

MPa

Naprężenia normalne

występują przy rozciąganiu, ściskaniu i zginaniu. Naprężenia

styczne

występują przy ścinaniu i skręcaniu. Naprężenie normalne

to stosunek siły

normalnej do pola przekroju. Naprężenia zginające

to stosunek momentu gnącego do

wskaźnika wytrzymałości przekroju na zginanie.

[MPa]

(3)

[MPa]

(4)

F – siła normalna [N]
S – pole przekroju poprzecznego [mm

]

– moment zginający [Nm]

– wskaźnik wytrzymałości przekroju na zginanie [m

]

Naprężenia styczne

to stosunek momentu skręcającego do wskaźnika wytrzymałości

przekroju na skręcanie lub stosunek siły tnącej do pola przekroju poprzecznego (

[MPa]

(5)

[MPa]

(6)

– moment skręcający [Nm]

– wskaźnik wytrzymałości na skręcanie [mm

]

– siła tnąca [N]

Zależność pomiędzy obciążeniem a odkształceniem

Zależność pomiędzy obciążeniem a odkształceniem omówiona będzie na przykładzie

rozciągania. Rozciąganiem występuje, gdy na pręt działają dwie równe co do wartości siły,
skierowane przeciwnie, przyłożone do końca prętów i działające wzdłuż jego osi.

Rys. 30. Schemat rozciągania pręta

„Projekt współfinansowany ze środków Europejskiego Funduszu Społecznego”

Pod wpływem obciążeń, jakim poddany jest pręt, występuje przyrost jego długości

o wartość

∆

l oraz zmniejszenie średnicy pręta o wartość

∆

D. Wartość

∆

l to wydłużenie

bezwzględne pręta, natomiast

∆

D to bezwzględne zmniejszenie jego średnicy. Wartość

wydłużenia bezwzględnego zależy od długości początkowej l. Do dokładniejszego opisu
wartości odkształcenia stosowane jest wydłużenie względne

. Wydłużenie względne to

stosunek przyrostu długości do długości początkowej.

∆

[ – ]

(7)

lub

100

⋅

∆

[%]

(8)

Zależność pomiędzy obciążeniem a odkształceniem formułuje prawo Hooke’a, ustalone

doświadczalnie w roku 1678.

Prawo Hooke’a:

Przy dostatecznie małych wartościach wydłużenia, odkształcenia

są wprost proporcjonalne

do naprężeń

wywołujących te odkształcenia:

[ – ]

(9)

ε −

wydłużenie względne sprężyste [ – ]

E – współczynnik sprężystości wzdłużnej (moduł Younga) [MPa]

Współczynnik sprężystości wzdłużnej zależy od właściwości mechanicznych materiału.

Określa on opór materiału przeciw odkształceniu. Im większa jest wartość modułu Younga,
tym materiał jest bardziej wytrzymały. Współczynnik ten wyznacza się doświadczalnie,
korzystając z zależności wynikającej z prawa Hooke’a:

⋅

∆

⋅

∆

⋅

[MPa]

(10)

∆

l – wydłużenie bezwzględne [mm]

l – długość początkowa pręta [mm]
S – pole przekroju poprzecznego [mm

]

W celu wyznaczenia własności wytrzymałościowych materiałów konstrukcyjnych,

przeprowadza się badania wytrzymałościowe. Podstawową próbą służącą do oceny własności
wytrzymałościowych jest statyczna próba rozciągania. Znormalizowaną próbkę z materiału,
którego własności są badane, mocuje się w uchwytach maszyny wytrzymałościowej – tak
zwanej zrywarki i obciąża się siłą rozciągającą, wzrastającą powoli (quasi statycznie). Pod
działaniem siły próbka się wydłuża. Przy dostatecznie dużej sile pojawia się w próbce
przewężenie czyli miejscowe wyraźne zmniejszenie przekroju próbki, a następnie zerwanie
próbki.

W wyniku przeprowadzenia próby rozciągania otrzymuje się wykres rozciągania, który

pokazuje jak pod wpływem wzrostu siły rozciągającej wydłuża się próbka. Wykres ten
charakteryzuje własności wytrzymałościowe materiału. Na podstawie próby rozciągania
wyznacza się granicę plastyczności (wyraźną lub umowną), wytrzymałość na rozciąganie,
wydłużenie względne i przewężenie.

Typowy wykres otrzymany na podstawie przeprowadzenia statycznej próby rozciągania

stali węglowej o wyraźnej granicy plastyczności pokazuje rysunek nr 33.

Po rozpoczęciu próby wzrastające naprężenia powodują liniowy wzrost odkształcenia.

W zakresie tym obowiązuje prawo Hooke'a – odkształcenia mają charakter sprężysty. Po
osiągnięciu naprężenia R

, zwanego granicą sprężystości, materiał przechodzi w stan

plastyczności, a odkształcenie staje się nieodwracalne. Dalsze zwiększanie naprężenia

„Projekt współfinansowany ze środków Europejskiego Funduszu Społecznego”

skutkuje nieliniowym wzrostem odkształcenia, aż do momentu wystąpienia zauważalnego,
lokalnego przewężenia zwanego szyjką. Naprężenie, w którym pojawia się szyjka, zwane jest
wytrzymałością na rozciąganie R

. Dalsze rozciąganie próbki powoduje jej zerwanie przy

naprężeniu rozrywającym R

Rys. 31. Maszyna do prób wytrzymałościowych (zrywarka)

Rys. 32. Wykres rozciągania dla stali o wyraźnej granicy plastyczności

Kształt krzywej ilustrującej rozciąganie zależy od parametrów wytrzymałościowych

materiału próbki.

„Projekt współfinansowany ze środków Europejskiego Funduszu Społecznego”

Rys. 33. Wykres rozciągania różnych materiałów: 1 – stal węglowa ok. 0,1% C,

2 – żeliwo, 3 – żelazo czyste, 4 – miedź, 5 – złoto

Z rysunku nr 33 wynika, że do momentu zniszczenia (rozerwania próbki) materiału

plastycznego występują duże odkształcenia plastyczne (krzywe 3, 4, 5), natomiast zniszczenie
części wykonanej z materiału kruchego następuje nagle, przy znikomo małych
odkształceniach plastycznych (żeliwo – krzywa 2).

Materiał plastyczny podczas ściskania zachowuje się podobnie, jak podczas rozciągania –

wykres ściskania i rozciągania dla miękkiej stali jest do granicy plastyczności prawie
jednakowy. Materiały kruche mają małą wytrzymałość na rozciąganie, natomiast dużą na
ściskanie. Dlatego na przykład żeliwna rama fortepianu jest skonstruowana w ten sposób, że
naciąg strun wywołuje w ramie naprężenia ściskające.

Wytrzymałość zmęczeniowa

Wytrzymałość zmęczeniowa określa odporność materiału na działanie obciążeń

zmiennych. Naprężenia zmienne w każdej chwili przybierają inną wartość lub znak. Zwykle
zmiany te mają charakter regularny, których przebieg w czasie jest zbliżony do sinusoidy.

Rys. 34. Typowy przebieg obciążeń zmęczeniowych

Wytrzymałość zmęczeniowa materiału to najwyższe naprężenie, które materiał może

przenieść nieograniczoną liczbę razy w założonych warunkach eksploatacji.

Wytrzymałością zmęczeniową Z (lub granicą zmęczenia) nazywamy takie maksymalne

naprężenie

max

dla danego cyklu naprężeń, przy którym element nie dozna zniszczenia po

osiągnięciu umownej granicznej liczby cykli naprężeń (dla stali N = 10·10

cykli).

Na podstawie przeprowadzonych badań zmęczeniowych otrzymuje się wykres Wöhlera

Z wykresu tego można odczytać wartość wytrzymałości zmęczeniowej Z

dla obciążeń

zmiennych symetrycznych.

„Projekt współfinansowany ze środków Europejskiego Funduszu Społecznego”

Rys. 35. Krzywa Wöhlera

Udarność

Udarność – odporność materiału na złamanie przy uderzeniu. Udarność określa się jako

stosunek pracy L potrzebnej na złamanie znormalizowanej próbki z karbem do przekroju pola
S poprzecznego tej próbki w miejscu karbu:

[J/mm

]

(11)

Miarą udarności K

jest stosunek energii zużytej na złamanie próbki za pomocą

jednorazowego uderzenia do przekroju poprzecznego próbki w miejscu karbu:

[J/mm

]

(12)

– praca uderzenia [J]

– powierzchnia początkowa przekroju w miejscu karbu [mm

]

Próby udarowe wykonuje się w celu określenia wpływu prędkości obciążenia

i odkształcenia na własności mechaniczne materiałów przy obciążeniach dynamicznych.
Wzrost prędkości obciążenia powoduje podwyższenie granicy plastyczności i wytrzymałości
materiału oraz zmniejszenie odkształceń plastycznych. Materiał staje się bardziej kruchy.

Z badań udarnościowych wynika, że udarność materiałów kruchych jest mała,

a ciągliwych duża. Do pomiaru udarności wykorzystuje się urządzenia umożliwiające
przyłożenie dużej siły w krótkim czasie, zwane młotami udarowymi. Najczęściej
wykorzystywany jest młot Charpy'ego.

Obliczenia wytrzymałościowe

Parametry wytrzymałościowe materiałów konstrukcyjnych ujęte są w tablicach

wytrzymałościowych. Podane są tam naprężenia dopuszczalne na poszczególne rodzaje
obciążeń – rozciąganie, skręcanie, zginanie, skręcanie, ścinanie.

Poszczególne elementy konstrukcyjne w czasie pracy przenoszą obciążenia, co oznacza,

że w elementach tych panują naprężenia. Naprężenia, które mogą występować w materiale
bez obawy naruszenia warunku wytrzymałości i warunku sztywności to naprężenia
dopuszczalne.

Naprężenia

dopuszczalne

są

wyznaczone

odpowiednim

współczynnikiem

bezpieczeństwa w stosunku do rzeczywistej wytrzymałości materiału. Dla materiałów
plastycznych naprężenia dopuszczalne wyznacza się z zależności:

„Projekt współfinansowany ze środków Europejskiego Funduszu Społecznego”

[MPa]

(13)

Dla materiałów kruchych naprężenia dopuszczalne określa się według wzoru:

[MPa]

(14)

k – naprężenia dopuszczalne,
R

– granica sprężystości,

– granica wytrzymałości na rozciąganie.

n – współczynnik bezpieczeństwa
Naprężenia dopuszczalne oznaczane są literą k z odpowiednimi indeksami.
k

– naprężenia dopuszczalne na rozciąganie,

– naprężenia dopuszczalne na ściskanie,

– naprężenia dopuszczalne na zginanie,

– naprężenia dopuszczalne na ścinanie,

– naprężenia dopuszczalne na skręcanie.

Obliczenia wytrzymałościowe polegają na takim wyznaczeniu wymiarów obciążanego

elementu, aby naprężenia wewnętrzne w materiale nie przekroczyły naprężeń dopuszczalnych.
Poniżej dla przykładu przedstawiono tę zależność dla rozciągania.

≤

[MPa]

(15)

F – siła wywołująca obciążenie [N]
S – pole przekroju poprzecznego [mm

]

Przykład: Obliczyć minimalną średnicę pręta o przekroju kołowym, obciążonego siłą
powodującą jego ściskanie. Wartość siły F = 1500N, naprężenia dopuszczalne na ściskanie
k

=120 MPa. Zakładamy, że pręt jest krótki i nie ulegnie wyboczeniu.

Rozwiązanie:

≤

⋅

≤

⋅

≥

120

1500

4 mm

Więcej wiadomości na temat wykonywania obliczeń wytrzymałościowych elementów

konstrukcyjnych obciążonych siłami i momentami sił znajdziesz w literaturze [1, 3, 4].

Obciążenia mechaniczne występujące w konstrukcji instrumentów muzycznych.

Niektóre instrumenty muzyczne poddane są stałym obciążeniom mechanicznym

wynikającym ze specyfiki ich konstrukcji.

Wszystkie instrumenty strunowe poddane są obciążeniom ściskającym, wywoływanym

przez napięte struny. Obciążenia te przenoszone są przez gryf i korpus instrumentu
muzycznego. Naprężenia rozciągające występują również w strunach wszystkich
instrumentów strunowych oraz we włosiu rozpiętym w smyczkach instrumentów
smyczkowych.

„Projekt współfinansowany ze środków Europejskiego Funduszu Społecznego”

Instrumentem, który poddawany jest różnorodnym obciążeniom, jest fortepian. Ze

względu na swój ciężar – przekraczający często 5000 N – statycznym obciążeniom
ściskającym poddawane są nogi instrumentu. Rama na której rozpięty jest naciąg podlega
ściskaniu o łącznej sile dochodzącej do 200 000 N. Mechanizm młoteczkowy i tłumikowy
obciążany jest w sposób dynamiczny, a poszczególne jego elementy pracują na rozciąganie,
ściskanie i zginanie.

W instrumentach dętych drewnianych oraz w mechanizmach wentylowych instrumentów

dętych blaszanych znajdują się sprężyny, które poddawane są zginaniu, ściskaniu lub
skręcaniu w sposób zmęczeniowy.

Większość instrumentów perkusyjnych poddawana jest obciążeniom udarowym. Naciągi

kotłów, werbli i tym podobnych instrumentów podlegają naprężeniom rozciągającym.

Projektując i wykonując instrumenty strunowe, należy wziąć pod uwagę wytrzymałość

pudła rezonansowego i gryfu, uwzględniając przy tym uwarunkowania akustyczne
instrumentów muzycznych. Podobnie należy postępować podczas prac nad instrumentami
z innych grup.

4.4.2. Pytania sprawdzające

Odpowiadając na pytania, sprawdzisz, czy jesteś przygotowany do wykonania ćwiczeń.

Jakie właściwości mechaniczne charakteryzują materiały konstrukcyjne?

Jakie są cechy charakterystyczne materiałów izotropowych i anizotropowych?

Jakie znasz proste przypadki obciążenia elementów konstrukcyjnych ?

Jaka jest zależność pomiędzy obciążeniem a odkształceniem?

Jak definiujemy naprężenia wewnętrzne?

Co to są odkształcenia sprężyste i plastyczne?

Jak definiowane są naprężenia dopuszczalne?

Co to jest udarność i wytrzymałość zmęczeniowa materiałów?

Jakie są przykładowe obciążenia mechaniczne występujące w instrumentach muzycznych
z różnych grup?

4.4.3. Ćwiczenia

Ćwiczenie 1

Przeprowadź próbę rozciągania statycznego dla próbki metalowej i drewnianej.

Sposób wykonania ćwiczenia

Aby wykonać ćwiczenie, powinieneś:

zorganizować stanowisko pracy do wykonania ćwiczenia,

przeanalizować treści zawarte w ćwiczeniu,

zapoznać się ze sposobem wykonywania prób wytrzymałościowych,

przygotować próbki do wykonania badań wytrzymałościowych,

przeprowadzić próbę rozciągania aż do momentu zerwania próbek,

zapisać i zanalizować wyniki prób wytrzymałościowych.

Wyposażenie stanowiska pracy:

–

zeszyt przedmiotowy,

–

próbki do badań wytrzymałościowych,

–

maszyna wytrzymałościowa (zrywarka),

–

rysunki konstrukcyjne zespołów i mechanizmów skrzypiec i fortepianów.

„Projekt współfinansowany ze środków Europejskiego Funduszu Społecznego”

Uwaga! Maszyna wytrzymałościowa może być obsługiwana jedynie przez osoby
upoważnione.

Ćwiczenie 2

Oblicz minimalną średnicę stalowej struny o przekroju okrągłym mając dane: Naprężenia

dopuszczalne na rozciąganie k

= 1600MPa, siła rozciągająca F = 1200N.

Sposób wykonania ćwiczenia

Aby wykonać ćwiczenie, powinieneś:

zorganizować stanowisko pracy do wykonania ćwiczenia,

przeanalizować treści zawarte w ćwiczeniu,

zapisać niezbędne zależności wytrzymałościowe,

przeprowadzić niezbędne obliczenia,

zapisać wyniki i porównać z prawidłowymi odpowiedziami.
Wyposażenie stanowiska pracy:

–

zeszyt przedmiotowy,

–

kalkulator.

Ćwiczenie 3

Oblicz największe naprężenia ściskające w tylnej nodze fortepianu mając dane:

–

ciężar fortepianu 4200 N,

–

wszystkie nogi instrumentu mają takie same wymiary,

–

minimalna średnica nogi – 60 mm,

–

obciążenie tylnej nogi stanowi 30% ciężaru instrumentu.

Sposób wykonania ćwiczenia

Aby wykonać ćwiczenie, powinieneś:

zorganizować stanowisko pracy do wykonania ćwiczenia,

przeanalizować treści zawarte w ćwiczeniu,

zapisać niezbędne zależności wytrzymałościowe,

przeprowadzić niezbędne obliczenia,

zapisać wyniki i porównać z prawidłowymi odpowiedziami.

Wyposażenie stanowiska pracy:

–

zeszyt przedmiotowy,

–

kalkulator.

„Projekt współfinansowany ze środków Europejskiego Funduszu Społecznego”

4.4.4. Sprawdzian postępów

Czy potrafisz:

Tak

Nie

określić właściwości mechaniczne materiałów konstrukcyjnych?

określić proste przypadki obciążenia?

określić zależność pomiędzy obciążeniem a odkształceniem?

rozróżnić odkształcenia sprężyste i plastyczne?

określić wydłużenie względne i bezwzględne próbki?

określić własności plastyczne metalu na podstawie próby
rozciągania?

zdefiniować pojęcie naprężeń dopuszczalnych?

wyznaczyć naprężenia wewnętrzne dla prostych przypadków
obciążenia?

obliczyć minimalny przekrój elementu obciążonego?

10)

podać przykłady obciążeń mechanicznych występujących
w konstrukcji instrumentów muzycznych?

„Projekt współfinansowany ze środków Europejskiego Funduszu Społecznego”

5. SPRAWDZIAN OSIĄGNIĘĆ

INSTRUKCJA DLA UCZNIA

Przeczytaj uważnie instrukcję.

Podpisz imieniem i nazwiskiem kartę odpowiedzi.

Zapoznaj się z zestawem zadań testowych.

Test zawiera 22 zadania. Do każdego zadania dołączone są 4 możliwości odpowiedzi.
Tylko jedna jest prawidłowa.

Udzielaj odpowiedzi na załączonej karcie odpowiedzi, stawiając w odpowiedniej rubryce
znak X. W przypadku pomyłki należy błędną odpowiedź zaznaczyć kółkiem, a następnie
ponownie zakreślić odpowiedź prawidłową.

Niektóre zadania wymagają stosunkowo prostych obliczeń, które powinieneś wykonać
przed wskazaniem poprawnego wyniku.

Pracuj samodzielnie, bo tylko wtedy będziesz miał satysfakcję z wykonanego zadania.

Jeśli udzielenie odpowiedzi będzie Ci sprawiało trudność, wtedy odłóż rozwiązanie
zadania na później i wróć do niego, gdy zostanie Ci wolny czas.

Na rozwiązanie testu masz 60 min.

Powodzenia!

ZESTAW ZADAŃ TESTOWYCH

Zamieszczona poniżej ilustracja przedstawia

przekrój podłużny promieniowy przez pień drzewa.

przekrój poprzeczny przez pień drzewa.

przekrój podłużny styczny przez pień drzewa.

przekrój poprzeczny połączony z przekrojem stycznym

przez pień drzewa.

Promienie rdzeniowe w żyjącym drzewie
a)

przewodzą wodę i składniki odżywcze z łyka do wewnętrznych obszarów pnia.

przewodzą wodę i składniki odżywcze z rdzenia do łyka.

służą do magazynowania żywicy.

przewodzą wodę w kierunku pionowym do góry w drzewach liściastych.

Właściwa kolejność występowania w przekroju poprzecznym pnia elementów budowy

makroskopowej drewna – w kierunku od rdzenia na zewnątrz to

rdzeń, łyko, twardziel, biel, kora.

rdzeń, twardziel, biel, łyko, kora.

kolejność jest zmienna i zależy od gatunku drzewa.

rdzeń biel, twardziel, łyko, kora.

Cewki w drewnie drzew iglastych
a)

odpowiadają za przyrosty roczne słojów drewna.

przewodzą wodę oraz nadają drewnu sztywność i wytrzymałość mechaniczną.

pośredniczą w wymianie gazowej.

przewodzą wodę od łyka do rdzenia drzewa.

„Projekt współfinansowany ze środków Europejskiego Funduszu Społecznego”

Zjawisko skurczu i pęcznienia drewna zachodzi w wyniku
a)

ściskania i rozciągania drewna siłami zewnętrznymi.

starzenia się drewna.

zmian temperatury drewna.

zmian wilgotności drewna.

Rysunek ilustruje
a)

mimośrodowość sęka w przekroju poprzecznym.

mimośrodowość rdzenia.

skręt włókien drewna w przekroju poprzecznym pnia.

wielordzeniowość połączoną z pęknięciami poprzecznymi.

Wskaż właściwe określenia poszczególnych sortymentów tarcicy
a)

1 – bal, 2 – deska, 3 – listwa, 4 – graniak.

1 – deska, 2 – bal, 3 – graniak, 4 – listwa.

1 – deska, 2 – bal, 3 – listwa, 4 – graniak.

1 – deska, 2 – graniak, 3 – listwa, 4 – bal.

Ilustracja przedstawia
a)

schemat budowy sklejki.

schemat budowy płyty MDF.

schemat budowy płyty stolarskiej.

tarcicę ustawioną w stos w celu przechowania.

Wraz ze wzrostem temperatury wymiary liniowe elementów metalowych
a)

zmniejszają się.

zwiększają się.

nie zmieniają się.

zwiększają się w stopach żelaza, a zmniejszają w stopach z głównym udziałem
miedzi.

10.

Wykres przedstawia
a)

wykres równowagowy stopu żelaza z węglem.

wykres równowagowy stopu miedzi z cyną.

wykres równowagowy tylko dla żeliw.

wykres równowagowy tylko dla stali.

11.

Wskaż określenie, które nie dotyczy składnika strukturalnego stopów żelaza z węglem
a)

ferryt.

perlit.

cementyt.

węglik wolframu.

„Projekt współfinansowany ze środków Europejskiego Funduszu Społecznego”

12.

Rama współczesnych fortepianów wykonywana jest
a)

z żeliwa.

ze stali węglowej.

z mosiądzu.

ze stopów aluminium.

13.

Talerze perkusyjne wytwarzane są
a)

ze stali stopowych.

wyłącznie z brązu.

z brązu lub mosiądzu.

ze stali sprężynowych.

14.

Metale szlachetne
a)

są stosowane jako materiał konstrukcyjny do wyrobu korpusów fletów oraz
pokrywania powierzchni elementów instrumentów dętych.

ze względu na cenę metali szlachetnych nie są używane się do wytwarzania
instrumentów muzycznych.

służą do wyrobu strun wysokiej jakości w instrumentach smyczkowych.

stosowane są jako dodatek stopowy do stali odpornych na korozję.

15.

Tworzywa sztuczne nie mogą być stosowane
a)

do wytwarzania korpusów instrumentów dętych drewnianych.

do wytwarzania ustników klarnetów i saksofonów.

do wytwarzania strun fortepianowych.

do wytwarzania naciągów membranowych instrumentów perkusyjnych.

16.

Poniższe wykresy dotyczą

wytrzymałości zmęczeniowej materiałów.

ruchu harmonicznego.

struktury chemicznej stopów metali.

charakterystyki cyklicznego rozciągania i ściskania materiału.

„Projekt współfinansowany ze środków Europejskiego Funduszu Społecznego”

17.

Wskaż wykres rozciągania materiału sprężystego

18.

Wskaż minimalną średnicę nogi fortepianu o przekroju okrągłym taką, przy której

naprężenia w materiale nie przekroczą wartości dopuszczalnych. Obciążenie ściskające
działające na nogę wynosi 1800 N, naprężenia dopuszczalne na ściskanie k

= 16 MPa

10 mm.

12 mm.

8 mm.

25 mm.

19.

Wskaż wartość wydłużenia bezwzględnego

∆

l i względnego

struny fortepianowej.

o długości początkowej l

= 200 mm, która po obciążeniu wydłużyła się do długości

l = 200,1 mm

∆

l = 1 mm;

= 0,05%.

∆

l = 0,1 mm;

= 0.25%.

∆

l = 0,1 mm;

= 0,5%.

∆

l = 0,1 mm;

= 0,05%.

20.

Wskaż wartość naprężeń w elemencie konstrukcyjnym ramy fortepianu o długości

1200 mm, jeśli po nałożeniu naciągu strun element ten skrócił się o

∆

l = 0,03 mm.

Współczynnik sprężystości wzdłużnej dla materiału ramy wynosi 1·10

MPa

2,5 MPa.

25 MPa.

0,25 MPa.

2,5 N.

21.

Na podstawie analizy zamieszczonych wykresów rozciągania wskaż najlepszy materiał do

wykonania struny fortepianu.

– naprężenie robocze struny

22.

Określ wartość współczynnika sprężystości wzdłużnej materiału struny, jeśli struna

o średnicy 1,2 mm i długości 522 mm pod wpływem siły rozciągającej F = 52 N
wydłużyła się w granicach odkształceń sprężystych o

∆

l = 0,08 mm.

E = 2,5·10

MPa.

E = 250000 MPa.

E = 3,0·10

MPa.

E = 3,0·10

MPa.

„Projekt współfinansowany ze środków Europejskiego Funduszu Społecznego”

KARTA ODPOWIEDZI

Imię i nazwisko ..........................................................................................................................

Dobieranie materiałów konstrukcyjnych

Zakreśl poprawną odpowiedź.

zadania

Odpowiedź

Punkty

Razem:

„Projekt współfinansowany ze środków Europejskiego Funduszu Społecznego”

6. LITERATURA

Bilczuk A., Lenik K. Malec M.: Podstawy konstrukcji drewnianych. Wydawnictwo
Uczelniane Politechniki Lubelskiej, Lublin 1994

Jurczyk J.: Stolarstwo. Wydawnictwo Czasopism i Książek Technicznych SIGMA –
NOT Sp. z o.o., Warszawa 1992

Niezgodziński M.E., Niezgodziński T.: Wzory, wykresy i tablice wytrzymałościowe.
WNT, Warszawa 2006

Praca zbiorowa: Mały poradnik mechanika. WNT Warszawa 1996

Reblitz, A.: Piano, Servicing, Tuning and Rebuilding, Lancham 1993, Vestal Press

Vogel B.: Fortepian polski. Warszawa 1995, Sutkowski Edition

Walther S.: Towaroznawstwo drzewne. WSiP, Warszawa 1971