A fa tulajdonságai
Szag
A fák gyakran szagosak, illatosak, elsősorban azok, amelyek illóolajokban gazdag gyantaféléket, balzsamokat tartalmaznak. A frissen termelt, frissen megmunkált fa szaga erősebb; idővel teljesen el is tűnhet: ez okozza például az erdeifenyő faanyagát feldolgozó asztalosműhelyek, vagy akár a frissen vágott karácsonyfa jellemző gyantaillatát. Szaguk miatt egyes fafajok bizonyos – főleg élelmiszeripari – termékek tárolására nem alkalmasak. Más esetekben tudatosan használják fel a fa illatát, például a kubai szivarok hagyományos csomagolásakor a cedrela, „szivarláda-fa” dobozoknál a szivar aromájának gazdagítására. A valódi cédrusfából készült szekrények, fiókok állítólag távol tartják a ruhamolyokat. Az illatos kámforfa valaha az árnyékszékek komfortját emelte. A fából nyerhető illatanyagokat, mint amilyen a szantálfaolaj, a kozmetikai ipar hasznosítja.
Egyes trópusi fafajok aromatikus pora, illóanyagai nyálkahártya-gyulladást, bőrgyulladást, fejfájást, hányingert okozhatnak.
Illatos fák: cédrus, ciprus, rio paliszander, cedrela, guajakfa.
Szín
Amikor a fa színéről beszélünk, valójában egy sokrétű, összetett jelenségről van szó. A fa durva- és finomszerkezete bonyolult, a különböző irányú metszeteken teljesen eltérő képet mutat, ráadásul a fény nem közvetlenül a fa felszínéről verődik vissza, hanem kis mértékben behatol a fa anyagába, ahol a különböző faelemek eltérő módon hatnak rá. A finom pórusok lágy, selymes hatásúak a fény szóródása miatt, a bélsugarak viszont gyakran kis tükrökként verik vissza a fényt, kristályos csillogást adva a felületnek. A fa színe, fénye, megjelenése ezért nagyban függ a megvilágítás irányától is. De éppen ez a gazdagság, változékonyság adja a fa különleges szépségét, varázsát, ami értékes használati tárgyak, bútorok, szobrok, hangszerek készítésekor kap jelentőséget.
A különböző fajhoz, alfajhoz tartozó, különböző helyeken termett fák színskálája a majdnem fehértől a sárgán, narancssárgán, barnán, szürkén, vörösön, ibolyaszínen át egészen a feketéig terjed. Ebből a trópusi fafajok mutatnak különösen nagy színgazdagságot, szinte csak a tiszta kék és az élénk zöld hiányzik a palettáról. Általában a gesztnek van sötétebb, tüzesebb színe, a szíjács legtöbbször világosabb, szürkésebb.
Ha a fának eltérő színű, árnyalatú évgyűrűhatárai vagy növekedési zónái vannak, azok a fa különböző metszetű felületein jellegzetes erezetként, rajzolatként jelentkeznek. Egyes faanyagokban a farostok irányeltérései a megvilágítás irányától függően fényesebb és sötétebb területekből álló dekoratív mintázatot eredményeznek.
A fa színe hőkezeléssel, gőzöléssel sötétebbé, melegebbé, a rostok telítésével mélyebbé tehető, pácokkal, színezékekkel teljesen meg is változtatható. A fa levegővel, fénnyel érintkező felületei idővel sötétednek, szürkülnek vagy fakulnak.
Élénk színű fák: bukszus (sárga), paduk (narancs, vörös), amarantfa (bíbor).
Fekete fák: ébenfa, grenadilfa.
Sűrűség
| Faanyag neve | Sűrűség g/cm³ |
|---|---|
| Lucfenyő | 0,43 |
| Borovi | 0,55 |
| Hárs | 0,49 |
| Cseresznye | 0,57 |
| Tölgy | 0,65 |
| Bükk | 0,68 |
| Gyertyán | 0,80 |
| Balsa | 0,13 |
| Abachi | 0,35 |
| Mahagóni (Swietenia) | 0,52 |
| Rio paliszander | 0,82 |
| Ében | 1,20 |
A fa sűrűsége nagyon fontos jellemző, amiből a fa egyéb fizikai tulajdonságaira is következtethetünk. Mértékegysége g/cm³ (gramm per köbcentiméter), angol nyelvű irodalomban gyakran pcf (pounds per cubic foot).
1 pcf = 0,016 g/cm³.
Mivel a fa higroszkópos anyag, sűrűsége erősen függ a nedvességtartalmától, ezért fontos tudnunk, hogy egy adott érték nyers, azaz élőnedves anyagra, légszáraz (12%–18% nedvességtartalmú) vagy abszolút száraz anyagra vonatkozik-e. A légszáraz fára gyakran a lutro rövidítés utal (német lufttrockenes Holz), az abszolút szárazra az atro (német absolut trockenes Holz). Így például egy bizonyos faféleségből 1 atro tonna tömeg nagyobb térfogatot, nagyobb mennyiséget képvisel, mint 1 lutro tonna.
Az egyes fafajok anyagának sűrűsége jelentősen különbözhet, a balsafáé például 0,13 g/cm³, a guajakfáé 1,4 g/cm³ körüli, noha a szilárd része, a sejtfal sűrűsége viszonylag szűk határok között marad. A cellulóz sűrűsége 1,58 g/cm³, a ligniné 1,38–1,41 g/cm³, a legnagyobb részben ezekből az anyagokból összeálló sejtfalak 1,52 és 1,62 g/cm³ közötti sűrűségűek. A fafajok sűrűségének nagy különbségeit tehát nem anyaguk különbözősége okozza, hanem anatómiai sokféleségük – elsősorban pórusosságuk, a beléjük zárt levegő mennyiségének különbözősége.[2]
A fa sűrűsége nemcsak a fajtól függ, de a fa termőhelyétől, annak éghajlatától is, és egyazon fatesten belül is változhat.
Régebbi szakkönyvekben, táblázatokban a sűrűség helyett gyakran az ezzel arányos fajsúly, térfogatsúly szerepel, mértékegysége mN/cm³. Ha értékét elosztjuk a nehézségi gyorsulással (kb. 10 m/s²), megkapjuk a sűrűséget.
Nedvesség
A friss, élőnedves fában a víz kétféle módon van jelen: a sejtüregekben szabad, cseppfolyós alakban, illetve a sejtfalak molekulái között megkötött formában. A fa száradásakor először a sejtüregekben található víz távozik el, ekkor a fa tömege, sűrűsége csökken, de mechanikai tulajdonságai nem változnak számottevően. E folyamat végén már csak a fa rostjai tartalmaznak vizet: ezt az állapotot rosttelítettségi pontnak nevezzük. Mérsékelt égövi fáknál ez a pont 25–30% nedvességtartalmat jelent, trópusi fák esetén tágabb határok között, 14–60% között lehet. Ez után a további száradás már a fa mechanikai tulajdonságaira is erősen kihat, innentől kezdve a fa zsugorodik, ugyanakkor keményebbé, nehezebben megmunkálhatóvá válik. A száraz fa nedvesebb légköri viszonyok közé kerülve vagy vízbe merítve viszont újra nedvességet vesz fel, amíg a nedvességi egyensúly a fa és környezete között helyre nem áll. Eközben a fa dagad.
Ez az alakváltozás a fa anizotróp jellegéből adódóan különböző irányokban más és más mértékű. A zsugorodás és a dagadás a legkisebb a fa rostjainak irányában (0,1–0,6%), arra merőlegesen sugárirányban jóval nagyobb (3–8%), és legnagyobb húrirányban, az érintők irányában (5–18%). A fa dagadásakor fellépő erők hatalmasak lehetnek, felületegységre vetítve elérhetik a 10 000 N/cm² nagyságrendet is. A különböző irányú elmozdulások eltérő mértéke az anyagban feszültségeket kelt, bizonyos esetekben deformációt – vetemedést, repedést stb. – okozhat. Ezt csak szakszerű kezeléssel, tárolással lehet megelőzni.
A fa zsugorodásának és dagadásának, vagy ellenkezőleg: használat közbeni stabilitásának mértéke fafajonként változó, a felhasználhatóság szempontjából lényeges tulajdonság.
Keménység
A faanyag egyik legfontosabb, a mindennapokban legtöbbször emlegetett tulajdonsága a keménysége. E sajátosság alapján különböztetünk meg puha- és keményfát, lágy- és keménylombos anyagot.
Keménységnek azt az ellenállást nevezzük, amelyet az anyag egy másik test behatolásával szemben kifejt. A különböző fafajok anyaga különböző keménységű lehet, de a sűrűség és a keménység között – azonos nedvességtartalom esetén – szoros összefüggés van. Ugyanabban a fatestben a geszt keményebb a szíjácsnál, mérsékelt égövi fák évgyűrűiben a kései pászta keményebb, mint a korai. A rostiránnyal párhuzamosan mért keménység nagyobb, legalább kétszer akkora, mint a rostirányra merőleges. A keménység nagyban befolyásolja a szilárdságot, a kopásállóságot és a megmunkálhatóságot.
Meghatározásának egyik ismert eljárása a Brinell-féle módszer. A Brinell-keménység mérésekor 10 mm átmérőjű golyót nyomnak adott nagyságú erővel a fatestbe, a keménységre az így okozott horpadás átmérőjéből lehet következtetni. Fa esetén leggyakoribb mértékegysége a MPa, azaz megapascal. A Janka-féle eljárás – ami kimondottan faanyagok keménységét méri – ennek fordítottja: egy 11,28 mm-es, átmérője feléig az anyagba benyomott golyó mindig 1 cm² felületre hat, az ekkora benyomódáshoz szükséges erő adja meg közvetlenül a Janka-keménység mérőszámát. A fával dolgozó mesteremberek munkájuk során a fa keménységét ezekhez hasonló módon becsülik meg: hüvelykujjuk körmét megpróbálják az anyagba mélyeszteni, és ha semmilyen, vagy csak alig észrevehető nyom marad a felületen, akkor keményfáról, máskülönben a nyom mélységétől függően közepes keménységű, vagy puhafáról van szó.
Szilárdság
| Faféleségek szilárdsága 15% nedvességnél[3] | |||
| Tűlevelű | Lágylombos | Kemény | |
|---|---|---|---|
| Nyomó || | 30–80 | 20–60 | 60–100 |
| Húzó || | 80–120 | 30–80 | 80–300 |
| Húzó | | 1–4 | 2–6 | 3–10 |
| Hajlító | 40–150 | 30–80 | 60–200 |
| Nyíró | | 5–10 | 4–8 | 8–16 |
| || = rosttal párhuzamosan | = rostra merőlegesen A feltüntetett értékek MPa-ban. |
|||
A szilárdság az anyag különböző igénybevételekkel: nyomással, húzással, hajlítással, nyírással stb. szembeni ellenállása. Ha az igénybevétel nagyobb feszültséget okoz, mint az adott anyag részecskéit összetartó erő, az anyag szerkezete megbomlik: eltörik, elszakad, elreped stb. A különböző igénybevételeknek megfelelő szilárdság az a feszültség, amelynél ez bekövetkezik. Ezeket a feszültségeket jobbára meghatározott felületen, keresztmetszeten ható erőkként írjuk le, tehát erő/felület jellegű mennyiségek. Mértékegységük lehet N/cm² (newton per négyzetcentiméter), SI mértékegységrendszerben kPa (kilopascal) vagy MPa (megapascal), angol nyelvű irodalomban gyakran psi (pounds per square inch).
1 MPa = 100 N/cm² = 1000 kPa; 1 psi = 6,895 kPa.
A fa szilárdsága függ annak keménységétől, nedvességtartalmától, göcsösségétől, az igénybevétel irányától, ismétlődésétől és sebességétől.
- Nyomószilárdság
- A nyomással szembeni ellenállás. A fa rostjaival párhuzamosan mért nyomószilárdság a rostokra merőleges érték akár tízszerese is lehet. Legalacsonyabb a lágylombos, közepes a fenyőfélék, legmagasabb a keménylombos fák nyomószilárdsága. A nedvességtartalom 1%-os növekedése a nyomószilárdságot 4–6%-kal csökkenti.
- Húzószilárdság
- A húzással szembeni ellenállás. Rostirányban értéke rendszerint nagyobb, mint a megfelelő nyomószilárdságé (néha kétszer akkora is lehet), a rostokra merőlegesen viszont nagyon kicsi. A gyakorlatban főleg ez utóbbi körülményt fontos figyelembe venni: ezért van, hogy a fa bizonyos igénybevételeknél, száradáskor gyakran megreped, hasad. A nedvességtartalom 1%-os növekedése a húzószilárdságot kb. 3%-kal csökkenti.
- Hajlítószilárdság
- Hosszúkás formájú test ellenállása a hossztengelyére merőlegesen ható hajlítóerővel szemben. A hajlítás a faanyag egyik – a hajlítóerő hatására homorúvá váló – oldalán nyomott, a másik oldalán húzott övet alakít ki. A két öv közötti semleges vonal a terhelés növelésével a húzott oldal felé tolódik el, emiatt a húzófeszültség a szélső rostokban rohamosan nő. A fa legtöbbször a húzott övben törik, szakad el. A fa hajlítószilárdsága nagyon jó, ha a rostirány hosszanti, különben gyenge. Értéke függ a fa keménységétől, nyomó- és húzószilárdságától. Rontja, ha a fa göcsös, egyenetlen, ha rostszerkezete nem hosszirányú, főleg akkor, ha ezek a rontó tényezők a legnagyobb hajlítónyomaték helyén vagy annak a közelében és a legkülső, nyomott vagy húzott rétegben fordulnak elő. A nedvességtartalom 1%-os növekedése mintegy 4%-kal csökkenti a hajlítószilárdságot.[4]
- Nyírószilárdság
- A nyíróerő hatására keletkező ellenállás (feszültség) az elnyíródás pillanatában a nyíróerő síkjában lévő keresztmetszetben. Értéke a rostokra merőlegesen három-négyszer nagyobb, mint azokkal párhuzamosan.
Rugalmasság, hajlékonyság
A külső erők által okozott igénybevételek a testekben alakváltozást okoznak, de az erőhatás megszűntével többé-kevésbé visszanyerhetik eredeti formájukat. Annál rugalmasabbnak tekintünk egy anyagot, minél nagyobb mértékű deformációt képes elviselni maradandó alakváltozás nélkül. A fa rugalmasságát nagyon sok tényező befolyásolja: az alakváltozás anatómiai iránya, az anyag rostszerkezete, keménysége, nedvességtartalma, hőmérséklete stb.
A fa merevsége annál nagyobb, minél nagyobb erő szükséges egy adott mérvű rugalmas alakváltozás eléréséhez. Ennek mértéke a rugalmassági modulus. A fának talán legértékesebb tulajdonsága, hogy rostjaira merőleges irányú hajlító igénybevétel esetén – rugalmassága mellett – tömegéhez képest rendkívüli merevséget mutat. Ez teszi lehetővé, hogy íjat, hangszereket, vízi, szárazföldi és légi járműveket, tetőszerkezeteket, hidat stb. készítsenek belőle.
Nagy nedvességtartalom, magas hőmérséklet hatására a fa ideiglenesen elveszítheti rugalmasságát, meghajlíthatóvá válik, majd új formájában visszanyerheti eredeti merevségét. Ezen alapul például a vesszőfonás ősi mestersége vagy a hajlítottbútor-gyártás.
Rugalmas, merev fák: kőris, tiszafa.
Hajlékony, görbíthető fák: dió, nyír
Gőzöléssel jól hajlítható: bükk, dió, nyír, juhar.
Szigetelőképesség
A fa üreges szerkezete miatt rossz hővezető, tehát jó hőszigetelő, különösen a kis sűrűségű, vékony sejtfalakból felépülő anyag. A hőszigetelés rostokra merőlegesen kb. kétszer jobb, mint rostirányban, és többszöröse a tömör tégláénak. Ilyen jellegű felhasználásának határt szab, hogy 100 °C fölötti hőmérsékleteken a fában visszafordíthatatlan kémiai átalakulások kezdődnek, még magasabb hőmérsékleten pedig meggyullad.
Alacsony hővezető képessége eredményezi többek között a fa otthonos, meleg tapintását is.
A teljesen száraz fa elektromos szigetelő, de minél nedvesebb, annál jobban vezeti az áramot. Ez teszi lehetővé a fa nedvességtartalmának elektromos áram segítségével történő meghatározását is. A fa tartalmi anyagai, rostszerkezete is befolyással van vezetőképességére.
A fa hangelnyelő képessége jobb, mint mondjuk a betoné vagy a tégláé,ennek ellenére a tapasztalat szerint a fa födémek, lépcsők jobban továbbítják a lépészajokat, mint a más anyagokból készültek. Ezekben az esetekben a fa rugalmas, ugyanakkor könnyű anyagában létrejövő hajlítási hullámok vezetik, sugározzák a hangot. A faanyagnak ez a tulajdonsága teszi azt is lehetővé, hogy hangszerek hangsugárzó alkatrésze, rezonánsa, és sokféle idiofon hangszer készülhessen belőle.
Tartósság
A fa tartóssága határozza meg, hogy mennyi ideig képes ellenállni a környezet romboló hatásainak, meddig tud rendeltetésének megfelelni. Ez a tulajdonság az években kifejezett használati időtartammal jellemezhető. A tartósságot egyrészt a fa belső tulajdonságai, másrészt a környezet, a felhasználás helyén uralkodó viszonyok határozzák meg.
A fa természetes tartósságára sűrűségéből, a sejtjeinek tápanyagtartalmából, gesztjének színéből, gyanta- és csersavtartalmából következtethetünk. Egy fajon belül legtöbbször a nagyobb sűrűségű anyag a tartósabb, de általában jellemző, hogy a kis és közepes sűrűségű lombos fafajok többsége nem rendelkezik nagy ellenálló képességgel. A farontó gombák, rovarok számára a vonzerőt elsősorban a sejtekben található fehérjék, cukrok, keményítő jelentik, ezek mennyisége nagyban befolyásolja a fa élettartamát. A szíjács ilyen szempontból veszélyeztetettebb, mint a geszt. A geszt színét a belerakódott tartósító hatású festő- és cserzőanyagok határozzák meg, ezért elmondható, hogy a sötétebb geszt általában ellenállóbb. A sejttartalom minősége és mennyisége az évszakokkal változik, a télen kitermelt faanyag e szempontból állítólag kedvezőbb. A fában megszilárduló gyanták és a csersavtartalom növelik a fa tartósságát.[7]
A külső, környezeti tényezők lehetnek fizikai, kémiai természetűek, ilyen például a légkör oxigénjének korróziós hatása, a cellulózoxidáció, vagy a napfény ultraibolya sugárzása általi roncsolás, melyek következtében a felület színe szürkül vagy halványul, az anyag rugalmassága csökken, rideg, törékeny lesz. A biológiai károsítók – baktériumok, farontó gombák, rovarok, tengeri állatok – okozta meghibásodásokat a faanyag betegségeinek nevezzük.
Állandóan száraz helyen minden fafaj eléggé tartós. A nedvesség a farontó gombák egyik életfeltétele, de víz alatt a másik fontos életelemük, az oxigén hiányzik; emiatt az állandóan víz alatt lévő fa szintén sokáig használható marad. A fa élettartama szempontjából a legrosszabb, ha a nedvesség és a szárazság váltakozik, vagy ha állandóan nagyon nedves levegő veszi körül.
Tartós fák: tölgyek, vörösfenyő, guajakfa.
Fahibák
Fahibák a faanyag fajra jellemző alakjától, anatómiai szerkezetétől, színétől való eltérések. Általában a felhasználás szempontjából hátrányosak, de egyes fahibák esztétikai értelemben előnyösek is lehetnek, például a hullámos rostúság vagy a csomorosság.
Alaki hibák a sudarlósság, tővastagodás, ormósság, görbeség, villásnövés.
Felépítési hibák a nyomott- és húzottfa, évgyűrűtorzulás, hullámos rostúság, egyenlőtlen évgyűrűszélesség, csavartrostúság, csavarodott növés, csomorosság, göcsösség, gyantatáska, elgyantásodás.
Szöveti elváltozások: rendellenes gesztképződés, álgeszt, fagy-álgeszt, kettős szíjács, fagyléc, fagyrepedések.
Károsítók okozta fahibák: baktériumok, farontó gombák okozta felületi elszíneződés, kékülés, fülledés, korhadás, a fagyöngyfélék kártétele, a rovarok kártételei.
Térfogatváltozás okozta fahibák a vetemedések – teknősödés, görbülés, kajszulás – és a repedések.