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FISICA DE LA MADERA

INTRODUCCIN

El aprovechamiento de una especie maderera como materia prima de cualquierprocesoindustrial,depende

entreotros factores

delas propiedades fsicas de la madera. Las propiedades fsicasincluyen la humedad y su efecto

sobre el comportamientode la madera

y los cambios dimensionales de la madera.

Adems deuna delas ms importantes propiedades fsicas de la madera, tal como la densidad. Como la madera es un material poroso y heterogneo en su estructura y quepresenta un comportamientoanisotrpico e higroscpico, sus propiedades fsicas son tambin variables. El conocimiento de

las propiedades fsicas

bsicas de la madera tales como contenido de humedad, densidad y cambios dimensionales, permite procesarla bien y mejor utilizar la madera como material.

La humedad de la madera

La presencia de agua en la madera es un hecho conocido, ya que sta es indispensable para la vida de las plantas. Cuando el rbol es volteado, su madera conserva una cierta cantidad de agua que se localiza tanto en los lmenes celularescomo en la pared celulary enotros espaciosque pueden presentarse en la madera. La cantidad de agua existente en la madera puede variar mucho segn la especie (pino o eucalipto), el tipo de madera (albura o duramen) y la edad de la madera (madera juvenil o madera adulta).

En relacin con la especie el pino radiata puede contener ms agua que el eucalipto. La albura de una especie contiene generalmente ms agua que el duramen de esa especie. La madera juvenil de pino radiata contiene normalmente ms agua que la madera adulta de esa especie.

El contenido de agua o contenido de humedad puede definirse como la masa de agua contenida en una pieza de madera expresada como porcentaje de la masa de la pieza en estado anhidro El contenido de

humedad de la madera se calcula con la expresin siguiente:CH =

masa aguamasa anhidra

(1)

Donde: masa de agua = masa inicial madera - masa madera anhidraes decir,

CH = PG P0 100 0P0

(2)

CH= contenido de humedad que tiene como unidad porcentaje. PG = masa inicial de la madera que tiene como unidad gramos.

P0 = masa de la madera en estado anhidro que tiene como unidad gramos.Deacuerdoalarelacin 2, es decir al contenido de humedad expresado en base seca, valores de contenido de humedad por sobre un 100, lo cual significa que la masa de agua que la madera contiene es superior a la masa de la pieza en estado anhidro.

Mtodos

medicincontenidodehumedad Paradeterminarel contenido deagua en la madera, se utiliza con frecuencia el mtodo gravimtrico. Se corta una probeta de un largo de 3 a 4 cm en la direccin de las fibras (Figura 1) y se pesa con una precisin de 0,1 g (PG). En seguida, la probeta se seca en una estufa a una temperatura de 103 2C por 24 horas y

se pesa nuevamente (P0). Finalmente se calcula el porcentaje del contenido de agua con la relacin 2.

Paraobtenerunbuenresultadosedebentomarvarias precauciones: La probeta debe cortarse no menos de 15 cm de los extremos de la tabla. No se debe dejar pasar ms de algunos minutos entre el corte y la primera pesada de la probeta, si no envolver la probeta en una bolsa o film de polietileno y mantener en un congelador bajo 10 C.

Paradeterminarladistribucindeaguaen

el espesor de la madera (gradiente de humedad), se divide una probetaen tres secciones (Figura 2) - dos superficiales y una central; cada seccin se pesa, se seca en estufa a 103 C hasta peso constante, igual como la probeta para la determinacin del contenido de humedad.

Adems del

mtodo gravimtrico, otros mtodosms rpidospara determinarlahumedadde lamadera son los mtodos elctricos (xilohigrmetro). El xilohigrmetro elctrico mide la propiedades elctricas de la madera, tales como la resistencia elctrica y la constante dielctrica.

El xilohigrmetro de resistencia es un instrumento que mide la resistencia elctrica de la madera mediante electrodos en forma de agujas montadas en el extremo de un martillo y que se clavan con un golpe en la madera. Para utilizarlobien, es convenienteconocer el principiode su operacin y sus limitaciones.

Lamaderatiene unaresistenciaelctricaque varia fuertemente con el contenido de humedady enmenor grado con la temperatura (Figura 3). Adems depende de la especie. En el estado seco ( a 9% de humedad y 20

C) la madera es un muy buenaislante elctricoconunaresistencia

elctrica aproximada de 1.000millones de

ohm. Encambio, a 30%de humedad la resistencia elctrica es de 200 mil ohm, y a 80% de humedad la resistencia elctricade la madera es de 11mil ohns. La relacin

entre resistencia elctrica cambia entre20% y 10% de

humedad por un factor aproximado de 4 mil, mientras que entre 50% y 40%, cambia solamente por un factor de 2. Se desprende entonces, que la sensibilidad del instrumento es mucho ms grande a bajas humedades que a altas humedades de la madera. No

obstante,acontenidosde aguapor debajode8%, la resistenciaelctrica es

tan alta (mas de10.000 millones de ohm) que la medicin es

casi imposible, como consecuencia de corrientes

parsitas pasando por el material aislante que separa los electrodos del instrumento.

En laprctica elmedidor de humedad de resistenciafunciona bien entre las humedadesde contenidos de agua entre8% y 25%, con una precisin del orden de 2. Con todo existen en el mercado aparatos con escalasde 5% o 6% hasta 100% pero se debe tenermucho cuidado al interpretar los resultados fuera del rango de 8% a 25%, ya que se pueden indicar valores muy imprecisos.

Aparte del contenidode agua, influye tambin latemperatura. Por lo tanto, antes de tomar una medicin hay que esperar que la maderase haya enfriado a la temperatura ambiente, o utilizarlos factoresde correccin indicados porel fabricante del aparato Por ejemplo si se mide el contenido de aguaen unapiezaquetiene 12%,medidorindicara efectivamente

12% a 20 C, pero 15% a 40 C, 18% a 60C y 21% a 80 C. Varios modelos traenincorporado unselector para corregir el efecto de la temperatura. La

indicacindel medidor dehumedad puede tambin variar con diferentes especies.

Normalmente,los medidores de fabricacin norteamericana son calibrados para el pino oregn(Pseudotsuga menziesii) y los deorigen europeo para la especie haya (Fagus sp.), la epicea (Picea sp.) o un pino europeo. Para otras especies y con mayor razn para especies chilenas, hay que recalibrarlos si se desea garantizar una buena precisin. La mayora de los modelos traen incorporado un selector para corregir el efecto de las especies, pero generalmente hay que calibrarlos para las especies chilenas.

La calibracin del instrumento para una especie determinada es bastante sencillo, bsicamente basta con tomar mediciones con el medidor en una tabla y despus cortar una probeta alrededor del punto de medicin y secarla en estufa. El problema puede ser encontrar un numero suficiente de probetas con contenido de agua homogneos en los diferentes niveles de humedad de la madera. Adems la presencia de una diferencia de humedad entre el centro y la superficie de la madera (gradiente de humedad) puede causar errores en la calibracin.

Otras precauciones en el uso del medidor de contenido de agua del tipo de resistencia elctrica que se deben considerar son:

- Si las probetas contiene una gran diferencia de contenido de agua entre el centro y la superficie (gradiente de humedad), puede ser til efectuar dos mediciones: Una con los electrodos penetrando la superficie en algunos milmetros, y otra con clavos insertados en la probeta de tal modo que las puntas lleguen al centro de ellas. Los clavos deben tener la misma separacin que los electrodos y deben estar limpios sin oxido. Los electrodos se ponen en

contacto bien ajustados con las cabezas de los clavos y la medicin se ejecuta normalmente.Estemtodoescomplementarioaladeterminacinde distribucin de agua por corte de tres secciones en las probetas que se mencionan anteriormente.

- Las tablas no deben estar impregnadas con ningn producto ni tener revestimiento superficiales de ningn tipo.

Adems, los sistemas de electrodos insertados permanentemente en piezas de madera en todo el perodo de secado, tienen por objeto medir el contenido de agua continuamente e indicar para pieza en forma digital o por pantalla en el terminal de una computadora. En varios sistemas se usan directamente para controlar y regular el secado.

Por otra parte, el nico otro mtodo utilizado en la industria es el medidor que funciona segn el principio de la capacidad elctrica. En vez de la resistencia elctrica, mide una propiedad denominada la constante dielctrica de la madera. Al contrario de la medicin segn el principio de la resistencia elctrica, la medicin por capacidad depende de la densidad de la madera, por lo tanto, el aparato debe ser calibrado para cada especie. Este mtodo es especialmente til cuando se precisa conocer el contenido de agua en la superficie de la madera, lo que puede ser importante para el encolado o chapas. Los electrodos tienen forma de superficies planas y no daan la madera porque no la penetran como los electrodos en forma de agujas, empleados en el medidor de resistencia elctrica. Un xilohigrmetro dielctrico provisto de un sensor electromagntico permite medir la humedad en toda una superficie, pudiendo penetrar hasta unos mm al interior de la madera.

En adicin algunos medidores elctricos permiten la posibilidad de almacenar datos, realizar clculos estadsticos y descargar la informacin en un computador personal, lo que da mayor versatilidad al mtodo.

Existen otros diversos mtodos para medir humedad en la madera tales como radiacin infrarroja, microondas o por destilacin, pero ninguno de ellos es de importancia practica para la industria maderera. No obstante, para medir el contenido de humedad o astillas de madera, se usan en la industria de los tableros, medidores a base de radiacin infrarroja que favorece el secado rpido de las astillas y adems integra el mtodo gravimtrico con resultados mucho mas rpidos que los que se obtienen con madera slida en la estufa.

CONCEPTOS RELACIONADOS A LA HUMEDAD DE LA MADERAComo se menciona anteriormente la madera al ser cortada en el bosque se encuentra con sus lmenes celulares y paredes celulares saturados de agua. A esta condicin de humedad en la madera se le designa como contenido de humedad mximo ( CH max.).

Como la madera es un material higroscpico absorbe o entrega agua de acuerdo a las condiciones ambientales, lo cual hace variar el contenido de humedad dependiendo del ambiente en que se encuentre. Si se ha iniciado el proceso de prdida de humedad, la madera entrega al ambiente el agua libre contenida en sus lmenes celulares hasta alcanzar el punto de saturacin de las fibras (PSF), que corresponde al contenido de humedad en el cual se ha eliminado toda el agua libre del interior de los lmenes celulares y las paredes celulares se mantienen completamente cubiertas de agua. El contenido de humedad en el PSF depende de varios factores y es variable para las diversas

especies (cuadro 1). Sin embargo, para fines prcticos se acepta en general un

28% como promedio.

Cuadro 1: Contenido de humedad mximo CHmax y punto de saturacin de las fibras PSF en la madera.

(Fuente; Escriba 1991; Ananas 1989a 1989b; Chamorro y Daz 1992, Flores y

Pea 1992)

Por debajo del punto de saturacin de las fibras y al continuar el proceso de prdida de humedad, la madera comienza aperderagua contenidaensusparedes

celulares,hasta alcanzar un contenidode humedad en el cual el proceso se detiene. Este estado se designa como contenido de humedadde equilibrio (CHE). El contenido de

humedad de equilibrio de la madera depende fundamentalmente de la especie (Figura 4), la temperatura y la humedad relativa del ambiente en que se encuentre la madera (Figura 5). La prdida de humedad por debajodel contenidode humedad de equilibrio solo puede lograrse mediante secado artificial, el que permitefinalmente extraer,si sedesea,todael agua contenida en la madera, es decir llegar al estado anhidro.

LA DENSIDAD DE LA MADERA.Ladensidad de la madera expresa larelacin entre la masa de los distintos tipos de elementos que forman la madera y el volumen que ellos ocupan. Como la madera es un material poroso, debe considerarse al referirse a la densidad de la madera el volumen interno de espacios vacos existentes.

El contenido de humedad de la madera influye sobre la relacin madera

- volumen,esdecir,esafectadoelpesoylas dimensionesde la madera. Por ello se conocen distintos tipos de densidad, entre ellas destacan la densidad bsica y la densidad de referencia.

La densidad bsica considera masa anhidra y volumen de la madera

saturada con agua, lo que se expresa como:S0 g

= P0VG

(3)

Donde:

S0G =densidad bsica y tiene como unidad g/cm3. P0 = masa madera anhidra y tiene como unidad g.

VG = volumen madera saturada de agua y tiene como unidad cm3.Ladensidad dereferencia considera masayvolumen en las mismas condiciones de humedad. La densidad de referencia a 12% de contenido de humedad, es de uso frecuente y se le conoce como densidad normal. La

densidad normal se expresa como:

S1212

= P12V12

(4)

S1212 = densidad normal (g/cm3)

P12= masa al 12% de humedad (gramos)

V12= volumen al 12% de humedad (cm3)

Adems la densidad de la madera es un criterio usado para estimar las caractersticas de resistencia mecnica de la madera satisfactoriamente. Se emplea tambin

como elementode juicio para estimar lacantidad de materialleosode unaespecie.Se puede

usar comoestimadorde la facilidad con que se deja trabajar la madera (cortar, cepillar, moldurar, etc.). O como indicador de la facilidad para tratar la madera (secar e impregnar). Normalmentelas

maderasde mayordensidad presentan una mejor resistencia mecnica y una mayor cantidad de material leoso, pero se dejan trabajar y tratar con mayor dificultad.

Deacuerdoaladensidad

normallasmaderaspueden clasificarse tcnicamente en maderaslivianas, semi-pesadasy pesadas (Cuadro 2 y Cuadro 3).

Como se ha visto, la densidad de la madera varia con la especie y depende adems de la edad de los rboles (Figura 6). Con todo, la magnitud deladensidaddelamadera esta estrechamenterelacionada conla estructura anatmica de la madera,particularmente depende del espesor de la pared celular de las fibras.

MEDICIN DE LA DENSIDADLa determinacin de la densidad puede ejecutarse midiendo la masa y el volumen de la madera mediante mtodos muy sencillos.

La medicin directa de la masa y el volumen de madera, se realiza pesando la madera enuna balanza con unaprecisin de 0,1 gy luego

recogiendo lasdimensiones enespesor, ancho y largo de la madera, para poder calcular con ellas su volumen.

Cuando la madera no tiene una forma regular, se recomienda medir el volumen porinmersin en agua. Una forma muy prctica de medir

el volumen segn este mtodo, esta basado en el principio de Arqumedes, esto es,se pesa un recipiente con agua y luego en el mismo recipiente con agua se introduce la madera sumergindola completamente y se vuelve

a pesarel recipienteconlamaderasumergidaen l(Figura7).La diferencia de peso es igual al volumen de la muestra de madera, ya que

se asume que la densidad del agua es igual a 1 g/cm3.Si se desea determinar el volumen por inmersin en agua para estimar ladensidad dereferenciaa12 % dehumedad,la norma sugiere impermeabilizar previamente la muestra de madera con parafina slida caliente, o usar un fluido de densidad conocida y que no tenga afinidad con la madera, tal como la inmersin mercurio.

Si se desea determinar la densidad bsica de la madera, se debe saturarcon aguala muestrade madera,luego medirel volumen por inmersin o por medicin directa y posteriormente secar en estufa a 103 C por 24 horas para obtener la masa anhidra de la muestra de madera.

LA CONTRACCIN DE LA MADERAComo se mencionaanteriormente, la madera contiene unacierta cantidad de agua depositada enlos lmenes celulares yen las paredes celulares de las fibras. Normalmente cuando la madera intercambia humedad de la pared celular,se producen a consecuenciadeesteintercambio,

variaciones enlas dimensiones dela madera, lasque son conocidas como contraccin (Figura 8) o hinchamiento.

Como la madera tiene un comportamiento anisotrpico, los cambios dimensionales normales de la madera son de magnitud diferentes enlas direcciones

tangenciales,

radiales

y longitudinales.La contraccin tangencial es 1,5 a 3 veces mayor que la contraccin radial (Cuadro 4) y la contraccin longitudinal

es normalmente despreciable en la madera. Las diferencias entre contraccin tangencial y radial son debidas por una parte al potencial favorecimiento de la contraccin en el sentido tangencial que hacen las bandas de madera de verano, particularmente en conferas, y por otra a la restriccin alos cambios

dimensionalesque ejercenlos radios leososenladireccinradialdelamadera. La limitada contraccin longitudinal es debida a la orientacin longitudinal de los principales tejidos constituyentes de la madera (Figura 9).

Ciertosdefectos que ocurrendurante elsecado dela madera son ocasionados

por las diferencias

de contraccin tangencial yradial, particularmente

eldefectodenominado acanaladura (Figura 10). Mientras mayor es la relacin Ctg/Crd las maderas son ms nerviosas.

Igualmente lacontraccin longitudinalexcesiva puedeocasionarlos defectos denominadosencorvadura y arqueadura. Estos

defectos son potenciadospor lapresencia del grano espiral comnmente presente en la madera juvenil del pino radiata.

Por otra parte,

tambin se pueden producir enalgunas especies, tales como eucalipto, ciprs y muchas nativas, variaciones dimensionales anormales cuandosale agua de loslmenes celulares. En este caso los

cambios dimensionales anormales dan origen a un aplastamiento de las fibras de la madera, a lo cual se le denomina colapso.

La contraccin se calcula comparando los cambios dimensionales con la

dimensin inicial de las piezas, segn la relacin siguiente:C = cambio dim ensionaldim ensin inicial

(5)

donde,

d dC =ifdi

*100

(6)

C= contraccin en porcentaje. di = dimensin inicial en mm. df= dimensin final en mm

LAS TENSIONES DE SECADOLa contraccin que experimenta la madera al ser secada permite el desarrollo de esfuerzos mecnicos a travs de su estructura. Estos esfuerzos son afectados por los cambios de humedad, las restricciones mecnicas,la anisotropa y el comportamiento viscoelstico de la madera, entre otros factores.

En teora, desde un punto de vista mecnico, el comportamiento viscoelstico de la madera implica por una parte que presenta propiedades elsticas, es decir los esfuerzos mecnicos que pueda desarrollar son proporcionales a la deformacin e independientes de la velocidad de la deformacin, y por otra presenta propiedades de un fluido viscoso, o sea, los esfuerzos sonproporcionales ala velocidad de la deformacin,pero independientes de la deformacin. As el comportamiento viscoelstico de la madera implica que los esfuerzos que desarrolla son funcin tanto de la deformacin como de la velocidad de la deformacin.

Por lo anterior, cuando la madera se somete a fuerzas externas prolongados en el tiempo o por corto tiempo pero superando el limite elstico, al liberar la fuerza la deformacin asociada no se recupera completamente, quedandoconunadeformacin permanente como consecuencia del

comportamiento viscoelstico de la madera (Figura 11). Esta variacin de la deformacin en funcin del tiempo es denominada flujo plstico o deformacin plstica. En adicin los cambios de humedad favorecen el desarrollo de esfuerzos higromecnicos, tanto o ms importantes que la deformacin plstica.

Otra caracterstica importante dependiente del tiempo que presentan los materiales viscoelsticos es la relajacin, lo que implica que la fuerza necesaria para mantener el mismo nivel de deformacin disminuye con el tiempo, como consecuencia de una adecuacin por flujo interno en la madera. Ambos el flujo plstico y la relajacin son fenmenos que se presentan durante la contraccin por secado de la madera.

Enteora peroahoradesdeelpunto

de vistaanatmico,el comportamientoviscoelsticodela maderaes

debido

a la particular conformacin de la pared celular de las fibras, esto es, en base a cordones de microfibrillas de celulosa, que constituyen un esqueleto de gran resistencia, el cual queda envuelto por otras sustanciasquefuncionancomomatriz bsicamente lignina y hemicelulosa- (Figura 12). Esta matriz tiene las caractersticas de un material cuyo estado es entre slido y liquido, con un alto contenido de humedad y con gran capacidad de deformacin plstica.

As, si una fuerza externa acta sobre la madera, las microfibrillas de celulosa sedeformanen formaelstica, produciendo una deformacin instantnea en las fibras y tejidos de la madera, debido a la rigidez propia de las microfibrillas. Si la fuerza permanece en el tiempo, se afectan los componentes de la matriz de hemicelulosa y lignina forzndolos a fluir en forma continua, hasta alcanzar un estado en que la deformacin de las microfibrillas de celulosa sobrepasan la resistencia de la matriz de hemicelulosa y lignina a la fluencia, produciendo el efecto de un flujo plstico. Luego ai retirar la fuerza externa, toda la energa elstica almacenada en las microfibrillas de celulosa es liberada, esta reaccin semejante a la de un resorte, tiende a devolver las microfibrillas de celulosa a su posicin original. Pero el proceso es retardado por las caractersticas viscosas de la matriz de hemicelulosa y lignina. Y adems existe una fraccin del total de energa viscoelstica que no es recuperable, debido a que el movimiento de los componentes viscosos de la matriz de hemicelulosa y lignina esta asociado a una pequea prdida de

energa en forma de calor. Esto implica, la ruptura de enlaces qumicos por la nueva disposicin de las microfibrillas de celulosa y prdidas por friccin entre las microfibrillas de celulosa y la matriz de hemicelulosa y lignina durante el flujo de la matriz. Como consecuencia de ello, la configuracin inicial de las microfibrillas de celulosa y de la matriz de hemicelulosa y lignina,no es totalmenterestablecida

yse produce como resultado una deformacin permanente en la madera (flujo plstico irrecuperable). En adicin, tanto el contenido de humedad como la temperatura, tiendenaplastificarlos componentesdelamatrizde hemicelulosa y lignina y a reducir su viscosidad, lo que hace disminuir las fuerzas de friccin entre las microfibrillas de celulosa y la matriz de hemicelulosa y lignina, favoreciendo la velocidad de la deformacin.

Volviendo a la prctica del secado, cuando una pieza de madera esta en proceso de secado, el agua almacenada en la superficie y un poco por debajo de la superficie de ella es eliminada al ambiente de circundante. Esta prdida de agua superficial esta siendo reemplazada por agua que se mueve desde el interior hasta la superficie de la madera, pero la superficie va quedando con menos humedad que el interior de la madera, formndose una distribucin de humedad desde el interior ms hmedo hacia la superficie ms seca, lo que se conoce como gradiente de humedad.

A poco de iniciar el secado la superficie llega a un contenido de humedad por debajo del punto de saturacin de la fibra equivalente al contenido de humedad de equilibrio del ambiente y el interior se encuentra todava por sobre el punto de saturacin de la fibra y por lo tanto libre de contraccin. En cambio la superficie seca puede presentar una fuerte tendencia a contraerse. As, como la madera es un material que acta como un solo cuerpo bien cohesionado, si una parte de la madera presienta evidencias de contraccin y la otra no, la parte que tiende a contraerse genera esfuerzos internos de compresin sobre la parte de menor contraccin o que no se ha contrado. Esto es, el interior de la madera es comprimido por la superficie de la madera que tiende a contraerse pero su contraccin es impedida por la resistencia que opone el interior hmedo y sin contraerse de la madera. La madera queda sujeta a esfuerzos de compresin en el interior y compensada con esfuerzos de tensin en la superficie (Figura 13).

A esta situacin de esfuerzos se le denomina primera etapa del secado. En este caso si los esfuerzos de tensin en la superficie de la madera son de mayor magnitud que la resistencia en tensin perpendicular alafibra se pueden producir las grietas superficiales. Y si los esfuerzos de compresin en el interior de la madera superan la resistencia permisible por la madera perpendicular a las fibras puede contribuir al colapso de la madera.

Cuando el interior de la pieza esta en compresin, se produce un flujo interno y sus dimensiones disminuyen, o sean son ms cortas que la dimensin inicial.Estecambioenlasdimensionesenelinterioresdebidoal comportamiento viscoelstico y plstico de la madera. Por su parte la superficie de la madera tiende a un flujo en tensin y sus dimensiones aumentan.

Al continuar el proceso de secado, la situacin anterior ocasiona una inversin de los esfuerzos, en lo que se denomina segunda etapa del secado. El interior de la pieza de madera ha perdido agua por debajo del punto de saturacin de las fibras y comienza a contraerse. Como tiene las dimensiones ms pequeas y la superficie esta alargada, como resultado de ello, el interior tiende a tensionar la cubierta de la superficie, la cual por su parte opone cierta resistencia a la traccin. Queda entonces, el interior en tensin y la superficie en compresin (Figura 13).

En esta situacin, si las tensiones en el interior de la madera superan la resistencia perpendicular a la fibra permisible por la madera se pueden producir, las grietas internas.

MEDICIN DE LAS TENSIONES DE SECADO. La medicin de las tensiones de secado se realizan sobre probetas de madera extradas de una pieza de madera, del mismo tamao como las de humedad o distribucin de humedad (Figura 1).Luego son cortadas en forma de tenedor con una pequea sierra cinta carpintera y se observa la reaccin de los dientes al momento del corte o despus de 24 horas (Figura 14). Se considera que la madera esta libre de tensiones de secado si los dientes se mantienen rectos. Si la reaccin de los dientes de las probetas tipo tenedor es hacia dentro, la madera tiene tensiones de secado y deben acondicionarse en ambiente saturado por ms tiempo. Si la reaccin es hacia afuera, se presentan tensiones invertidas y debe continuar un tiempo ms el secado de la madera.

Adems de las probetas tipo tenedor, las tensiones pueden ser medidas por comparacin de la flecha de piezas partidas en el espesor.

MECANISMOS DE MOVIMIENTO INTERNO DE HUMEDADLos complejos mecanismos de movimiento interno de agua durante el secado pueden describirse de manera simplificada como:

1) Movimiento capilar del agua libre en las cavidades celulares

2)Difusin del agua ligada en la pared celular

3)Difusin del vapor en las cavidades celulares.

MOVIMIENTO CAPILAR DE AGUA LIBREEl movimiento del agua libre en las cavidades celulares, es similar al transporte de agua a travs de una caera en que el agua que brota por un extremo es continuamente reemplazado por el agua proveniente del interior. El movimiento capilar es debido a diferencias de presin y depende del tamao de los capilares o sea del tamao del lumen y de las punteaduras de las clulas. Participa tambinla tensin superficial del agua, de manera simplificada la relacin es como sigue:

P = 2 (7)RDonde

P= tensin capilar tiene como unidad at.

= tensin superficial que tiene como unidad at-um. R= radio capilar en um.

La tensin capilar es una diferencial de presin negativa, que genera un efecto de succin que acta sobre el agua capilar y las paredes de las fibras

que contienen el agua. Elefecto es mspronunciado en la medida que el radio capilar es de menor magnitud. El movimiento capilar,

en particular La tensincapilar asociada, facilita el movimiento deagualibre, peropuede ocasionar colapso, producir racimos de humedad y aspiara las punteaduras durante el secado de la madera.

En la Figura 15se ilustra hipotticamente, el movimientodel agua libre contenida en los lmenes celulares durante el secado de la madera.

1: Los lmenes de las clulas estn inicialmente completamente llenos de agua libre.Excepto en dos, que muestran burbujas de aire de distinto tamao. El secadoocurre desde la superficie de evaporacin, la cual esta expuesta al aire. En este caso el radiocapilar es relativamente grande y la tensin capilar pequea.

2: El agua de los lmenes ms cerca de la superficie se ha evaporado, bajando la superficie de evaporacinal nivel de las punteaduras de las clulas. Disminuye en consecuencia el radio capilar.

3: El radio capilar esreducido a un tamao del mismo orden de grandeza que la burbuja ms grande, entonces la tensin capilar acta sobre la interface aire -liquido que rodea la burbuja, permitiendo la expansin de la burbuja de aire. La expansin de la burbuja, empuja el agua desde el interior hasta la superficie de evaporacin.

4: El agua contenida en el lumen con la expansin de la burbuja ha sido removidacompletamente. Se observa que la clula ms interna, ha secado primero y por tanto esta con menor cantidad de agua que clulas ms cerca de la superficie. Estas ltimas pueden en ocasiones quedar con humedad, debido

a la expansin de las burbujas de los lmenes interiores, en estecaso si presentan los RACIMOSDE HUMEDAD.

5: El radio capilar puede seguir reducindose, al internarse la superficie de evaporacin a travsde la puntedura. Cuandoalcance el tamao de la burbuja menor, la tensin capilar actuara sobre ella permitiendo igualcomo antes, la expansin de la burbuja y en consecuencia se empujar el agua de esta clula hasta la superficie de evaporacin.

6: La expansin de laburbuja, ha permitido evacuar toda el agua contenida en el lumen de la clula.

7: La superficie de evaporacincontina internndose y llega ahora nuevamente al lumen de una clula interior con un mayor radio capilar.

8: La evaporacin continua y la superficie de evaporacin llega otra vez a las punteaduras, donde el radio capilar disminuye. Por la ausencia de burbujas de aire, que absorban parte de la tensin capilar en su expansin, la tensin capilar tiendea ser de mayor magnitud. Esta tensin acta principalmente sobre las paredes celulares, con un efecto de succin perpendiculara las fibras. Muchas especies son capaces de soportar esta tensin capilar mxima.

9:La tensin capilarpuede ocasionar el COLAPSO de la madera, cuando elradio capilar es demasiado pequeo, que genera tensiones capilares sobre la pared celular de las fibras que superan la resistencia en tensin perpendicular a las fibras.Muchas especies pueden desarrollar adems GRIETAS INTERNAS localizadas en la madera inicial. El pino radiata puede presentar este tipo particular de grieta interna en la madera inicial de madera juvenil.

10:Elmovimientodeagualibrecontinuahastaevaporarse completamente.

DIFUSION DE AGUAAlrededor del punto de saturacin de las fibras,el movimiento capilar pierde importancia muy rpidamente, a consecuencia del predominio del movimiento de las molculas de agua ligada por difusin. El movimientode agualigadapordebajodelpuntode saturacin

delasfibras,se producecomo resultado de gradientes de contenido

de humedad, entre los pequeos espacios submicroscpicosde la pared celular. Este movimiento es anlogo a la difusin del t en el agua hirviente.

Comoen la pared celular las molculas de agua estn unidas en los sitios de sorcin por el enlace de hidrgeno, se requiere una cierta cantidad de energa para liberar la molcula de su lugar. Esta energa se incrementa amedida que disminuyela humedad dela madera

(Figura 16).Al romperse el enlace, la molcula se desplaza a un nuevo sitio de sorcin, hasta llegar alasuperficie

de evaporacin. Duranteel

secadode la madera, existen muchas molculas de agua movindose de un sitio a otro, de la forma sealada.

La difusin de humedad a travs de la madera, puede ser descrita

en forma simplificada, para condiciones de flujo constante por la primeraley de Fick, como sigue:

F = d Soa

CH L

(8)

Donde

F =flujo de humedad en g/cm2-s.

CH =gradiente de humedad en /1. Soa =densidad nominal en g/cm3.

L =largo en la direccin del flujo en cm. d =coeficiente de difusin en cm2/s.

En todo caso el transporte de agua bajo el punto de saturacin de las fibras es un movimiento combinado de agua ligada y de vapor de agua (Figura

17). Noobstante, es la difusin deagua ligadala que ms contribuye al movimiento transversal de agua durante

elsecadodelamadera.La difusin devapor, ocasionadaporgradientes

de presinde vapor, contribuye mejor al flujo longitudinal y su efecto en la direccin transversal es ms notable, cuando la madera esta ms seca.

Adems de la humedad,la temperatura y la direccin del grano, la densidad de la madera condicionan la difusin de agua a travs de la madera (Figura 18). Como referencia, el orden de grandeza de la difusin de agua en algunas maderas chilenas se presenta en el Cuadro 5.

Cuadro 5: Coeficiente de difusin transversal a flujo constante- y 40 C.Especied * 108 (cm2/s)

tangencialradial

pino radiata4565.3

maio42.357.7

canelo57.480.8

coige6.98.5

(Fuente: Ananas y Gutierrez 1987)

PERMEABILIDAD DE LA MADERAOtra propiedad de la madera de la que depende el movimiento interno de agua es la permeabilidad. La permeabilidad de la madera es representada

por la ley de Darcy.

F = k P

(9)LDonde

F= flujo volumtrico de lquido que tiene como unidad c3/cm.at.s.

k= permeabilidad especifica de la madera que tiene como unidad darcy.

= viscocidad del fluido cp.

P= gradiente de presin que tiene como unidad at. L= largo de la madera en la direccin del flujo en cm.

La permeabilidad,juega unrol importanteparaelmovimientode aguacapilar,en cambio no lo es tanto para el movimiento difusional. En particular el mecanismo de permeabilidad es relevante cuando se somete la madera a alta temperatura o bajo vaco.

La maderas ms permeables corno el pino radiata se dejan secar ms rpidamenteque las maderas de menor permeabilidad como el eucalipto y muchas otras especies nativas.

Adems,la permeabilidad delamadera esun parmetroque depende fundamentalmente de la estructura anatmica de la madera, es decirdel

tamaode las punteaduras yotras cavidades

celulares. Cualquier

variacin

deestas caractersticasanatmicasafecta

la magnituddela permeabilidad de la madera, por lo que con frecuencia se

presentan grandes variaciones de la permeabilidaden una misma pieza de madera.

Cuadro 6: Permeabilidad transversal para agua en maderas nativas.Especiek*106 (darcy)

tangencialradial

tepa (duramen)6.58.5

renoval raul (duraminizacin incipiente)8.610.1

renoval roble (albura)4.812.3

(Fuente: Kauman et al. 1994; Salazar y Vargas 1994

En adicin, la madera es mucho ms permeable en la direccin longitudinal (figura 19) que en la direccin transversal (figura 20). Adems, la presencia de duramen implica generalmente una reduccin en la permeabilidad de la madera, como consecuencia de tilosis y aspiracin de punteaduras. El grado de terminacin de la superficie limita adems la permeabilidad de la madera, lo que puede favorecer la inactivacin de superficies para la aplicacin de adhesivos y pinturas

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0

Especie

Chmax (%)

PSF (%)

pino radiata

171

28,0

renoval canelo

196

28,8

renoval rauli

113

27,5

aromo australiano

101

26, 6

eucalipto juvenil

149

31,6

lamo

219

27,6

coige

133

23,8

tepa

166

25,2