Impact resistance values for ten mexican oak woods (Quercus)

R. Dávalos–Sotelo¹, C. de la Paz Pérez–Olvera²; G. M. Bárcenas Pazos¹

¹ Instituto de Ecología, A. C. Carretera Antigua a Coatepec No. 351, El Haya. C.P. 91070 Xalapa, Ver. c.e.: Correos–e: raymundo.davalos@inecol.edu.mx, guadalupe.barcenas@inecol.edu.mx.

² Universidad Autónoma Metropolitana–Iztapalapa. División de Ciencias Biológicas y de la Salud. Departamento de Biología. Av. San Rafael Atlixco 186. Col. Vicentina, Iztapalapa. AP 55–535. CP 09340. México D.F. Correo–e: cppo@xanum.uam.mx.

Recibido: 28 de octubre, 2009 ]]> Aceptado: 12 de abril, 2010

RESUMEN

Se presentan los valores de resistencia al impacto o tenacidad de la madera de diez especies de encinos mexicanos de los estados de Jalisco, México, Puebla y Veracruz ensayados en condición verde con una máquina tipo FPL. No se detectaron diferencias significativas en los valores entre los individuos de la misma especie que crecen en diferentes estados, por lo que puede establecerse un valor común. Existe un efecto directamente proporcional de la densidad básica sobre la tenacidad, el cual se acentúa al incluir los valores del espesor de la pared celular como una variable independiente adicional en los análisis de regresión múltiple. Finalmente, en este trabajo se incluyen los valores de las características anatómicas, físicas y mecánicas de la madera de Quercus crassipes.

Palabras clave: Densidad básica, México, Quercus crassipes, tenacidad.

ABSTRACT

Impact resistance or toughness values are presented for ten oak wood species from four Mexican states (Jalisco, Mexico, Puebla and Veracruz) tested in green condition with a FPL machine. No significant differences were detected in the toughness values among individuals of the same species growing in different regions of the country; therefore, a common value can be established for those species. There is a directly proportional effect of specific gravity on toughness, which is enhanced by including the thickness values of the cell wall as an additional independent variable in multiple regression analysis. Finally, values of the anatomical, physical and mechanical characteristics of Quercus crassipes wood are presented.

Keywords: Specific gravity, Mexico, Quercus crassipes, toughness.

La resistencia al impacto o tenacidad de la madera, se define como su capacidad para absorber la energía de un golpe. La resistencia de la madera al impacto es una propiedad mecánica de significativa importancia, que sirve para determinar la capacidad de una madera para ser usada cuando sea necesario absorber y disipar la energía al impacto, por ejemplo, en mangos de herramientas y artículos deportivos. Las pruebas de resistencia al impacto o tenacidad por medio de pequeños especímenes libres de defectos, ofrecen una base para evaluar y comparar la capacidad de la madera para absorber energía sin romperse. Estas pruebas también sirven como un medio rápido y confiable de evaluar el efecto de agentes tales como el deterioro de ataque de hongos o la exposición a temperaturas elevadas o tratamientos químicos, debido a que la resistencia al golpe o impacto es la primera propiedad en general que se ve afectada, en mayor medida que las propiedades mecánicas que son evaluadas bajo condiciones de carga estática (Drow et al., 1958).

La tenacidad de la madera depende en gran medida de la cantidad de sustancia madera presente en sus paredes celulares. La madera de los encinos Quercus sp., en especial, se destaca por su muy alta resistencia al impacto, pues tiene Abras de paredes gruesas (De la Paz–Pérez y Dávalos–Sotelo, 2008). La tenacidad, como las otras propiedades mecánicas de la madera, está afectada por las características propias del material. La variabilidad depende del tipo de madera que se ensaya, su contenido de humedad (CH), la orientación de los anillos de crecimiento y la dirección de la Abra, entre otros (Bárcenas et al., 2003).

Además de los pinos (Pinus sp.), las especies de madera de encinos mexicanos son los recursos forestales maderables más abundantes y están distribuidos ampliamente en las zonas montañosas de la República mexicana (De la Paz–Pérez y Dávalos–Sotelo, 2008). Por ello, el objetivo de este trabajo es determinar e informar la resistencia al impacto de la madera de diez especies de Quercus, nueve de la sección Lobatae (encinos rojos) y una de la sección Quercus (encinos blancos), recolectadas en diferentes estados de la República mexicana (Jalisco, México, Puebla y Veracruz). Adicionalmente, como información complementaria, se incluye la ficha técnica de la especie Quercus crassipes Humb. & Bonpl., que no ha sido publicada antes.

MATERIALES Y MÉTODOS

Material vegetal

Se seleccionó material proveniente de 17 individuos de diez especies maderables, pertenecientes todas al grupo de los encinos Quercus sp.: Q. affinis Scheid., Q. candicans Née, Q. castanea Née, Q. crassifolia Humb. & Bonpl., Q. crassipes Humb. & Bonpl., Q. eugeniaefolia Liebm., Q. laurina Humb. & Bonpl., Q. mexicana Humb. & Bonpl., Q. uxoris McVaugh de la sección Lobatae (encinos rojos) y Q. glabrescens Benth. sección Quercus (encinos blancos). El número de árboles por especie fue variable, dependiendo de su abundancia relativa en los sitios de recolección. Las especies estudiadas, el sitio de recolección y el número de probetas ensayado se presentan en el Cuadro 1. El material seleccionado estaba libre de defectos: sin desviación en la Abra, presencia de nudos o grietas, ataque de hongos manchadores, pudrición o insectos.

Ensayos de Tenacidad

Fueron ensayadas 347 probetas libres de defectos de sección cuadrada nominal de 20 mm x 20 mm x 280 mm en condición verde. El material fue ensayado aplicando la carga de impacto al centro del claro de 254 mm, siguiendo el método de prueba de tenacidad por impacto establecido en la norma ASTM D143–94 (ASTM, 2000). Todas las pruebas se hicieron en el Laboratorio de Pruebas LINCE–LP del Instituto de Ecología, A.C., ubicado en Xalapa, Veracruz.

La máquina de ensayo de resistencia al impacto utilizada es la desarrollada por el Laboratorio de Productos Forestales de Madison, Wi. (EE.UU) (Figs. 1 y 2), la que ha sido ampliamente utilizada para medir la resistencia al impacto de la madera. Si bien esta máquina cuenta con el principio de utilizar la energía de la caída de un péndulo, la carga es aplicada por medio de una cadena que opera sobre un tambor rotatorio que tiene el mismo centro de rotación que el péndulo. En la prueba, el espécimen está apoyado horizontalmente, y la carga se aplica a la mitad del claro de carga sobre la cara tangencial más cercana a la médula.

La tenacidad se calcula utilizando la ecuación (1) (ASTM D143–94):

T = tenacidad, µJ/mm³

M = momento del péndulo alrededor del eje de rotación, µJ/mm³

φ = ángulo final del péndulo, en grados

θ = ángulo inicial del péndulo, en grados

El valor numérico de M depende del peso de la barra, del peso del péndulo y del cilindro sin incluir la cadena, de la distribución del peso con referencia el eje de rotación, de la ubicación de la barra del péndulo y del peso de la clavija para Ajar la barra. El ángulo inicial utilizado fue de 60° y el ángulo Anal es el que se registra al momento de fallar el espécimen de prueba.

Los datos de caracterización de la madera de cada especie recolectada (excepto Quercus crassipes) ya han sido publicados por De la Paz–Pérez y Dávalos–Sotelo (2008). En el presente trabajo se describe por primera vez la ficha técnica correspondiente Quercus crassipes (Anexo 1).

Los valores de tenacidad registrados se analizaron mediante el análisis de varianza de dos factores para comparar la resistencia al impacto de la madera en relación con las diferentes regiones y a las especies (comparación de medias de Tukey).

En el Cuadro 2 se observan los datos obtenidos para la tenacidad de la madera de los 17 individuos pertenecientes a diez especies de encino. En la misma se puede observar que hay una amplia variabilidad en los resultados de las pruebas. El coeficiente de variación (CV = cociente de la desviación estándar y la media, expresada en porcentaje) de los valores de resistencia al impacto es bastante alto, alrededor de 35 %. Este valor es más alto que el registrado por Drow et al. (1958), quienes encontraron valores de aproximadamente 30 % para especies norteamericanas, incluyendo encino rojo (Quercus rubra). Bárcenas (1995) presentó los valores de tenacidad para 20 maderas angiospermas mexicanas ensayadas en condición seca (CH = 12 %) y verde y calculó un CV promedio de 27 %. En un trabajo más reciente, Bárcenas et al. (2003) calcularon un valor CV promedio de 23 % para esta propiedad.

Mediante el análisis de varianza de dos factores para contrastar la resistencia al impacto de la madera en relación con las diferentes regiones y a las especies (Cuadros 3 y 4), se realizó un estudio comparativo entre los resultados obtenidos. Para efectuar estos análisis, que requieren muestras de tamaños iguales, fue necesario promediar los valores de tres o más especímenes para generar muestras del mismo tamaño, al ser los tamaños de muestra diferentes entre sí. En todos los casos, las muestras generadas tuvieron 6 datos.

El análisis efectuado para detectar posibles diferencias entre los valores determinados para especies que crecen en diferentes regiones indica que Q. laurina, Q. castanea y Q. crassifolia, mostraron diferencias significativas entre especies pero no entre regiones (Cuadro 3). Estas especies fueron recolectadas en dos estados de regiones diferentes: Jalisco en el occidente del país y Puebla en el oriente, implicando que las condiciones de crecimiento fueron muy diferentes en cuanto al clima (semi–cálido en Jalisco: temp. promedio 20 °C: templado húmedo en Puebla, temp. promedio 16 °C) y condiciones de suelo (Cambisol y Regosol en Jalisco; Andosol en Puebla). A pesar de crecer en regiones diferentes, los valores registrados en las pruebas no tienen diferencias estadísticamente significativas, según la comparación de medias de Tukey efectuadas. Por tanto, se puede concluir que las muestras provienen de la misma población subyacente y se pueden asignar valores únicos para las especies, aplicables en ambos estados. Para las especies Q. laurina y Q. glabrescenes, recolectadas principalmente en la región del Golfo de México, el clima no es tan variable (clima templado húmedo a semi–frío). Los resultados de comparación de medias de Tukey se presentan en el Cuadro 4; éstos indican que la madera de estas especies que crece en el estado de Puebla tiene características semejantes a la que crece en el estado de Veracruz, y por lo mismo se pueden usar valores comunes para cada especie, válidos para ambos estados. Tampoco existen diferencias significativas entre estas dos especies.

Para las especies Q. affinis, Q. candicans, Q. crassipes, Q. eugeniaefolia, Q. mexicana y Q. uxoris solamente se cuenta con datos de un solo estado de la República, por lo que este tipo de análisis entre regiones no se puede hacer. En el Cuadro 5 se presentan los valores de tenacidad de las maderas estudiadas. Puede observarse que la mayoría de los encinos rojos tienen valores menores de resistencia al impacto que el encino blanco ensayado, pero no en todos los casos. Cuando menos tres encinos rojos tienen resistencia igual o mayor a que Q. glabrescens. Probablemente esto se explica por que no hay diferencia significativa en los valores de densidad entre los encinos rojos y el blanco que se estudió aquí.

Como la mayoría de las propiedades mecánicas, la resistencia al impacto es función directa de la densidad básica de la madera (D_b determinada como peso anhidro/ volumen verde = PA/VV). Drow et al., (1958) indicaron que, más que para otras propiedades mecánicas, existe un importante efecto de la densidad básica sobre la resistencia al impacto. Bárcenas et al. (2003) confirmaron esta aseveración para el caso de 16 maderas mexicanas con valores del coeficiente de determinación R² de 0.33 y 0.52 para la correlación entre densidad básica, D_b, y Tenacidad (TEN) para condiciones seca y verde, respectivamente. El valor del coeficiente de determinación, R², calculado en este trabajo es bastante bajo, R² = 0.046, lo cual puede deberse principalmente al escaso intervalo de variación que hay entre los valores de densidad básica de las especies estudiadas, de 0.569 a 0.691 (D_b). Sin embargo, puede percibirse una tendencia positiva. En los valores individuales de resistencia al impacto puede haber variación incluso dentro de una especie, debido a la sensibilidad de esta propiedad a diferencias aún pequeñas de densidad básica (Drow et al., 1958). En este estudio se detectaron importantes variaciones intra–específicas en la tenacidad, pero mucho menores para la densidad básica, lo que indica que hay otros factores no identificados que intervienen en esta variación.

Cuando fue calculado el efecto de la densidad básica sobre la resistencia al impacto, se realizó un análisis de regresión múltiple incorporando los valores de espesor de la pared celular como otra variable independiente (Fig. 3). El valor de R² aumentó un orden de magnitud, de 0.046 a 0.38. La ecuación de predicción en este caso resultó ser: TEN = 1032.13 x D_b – 25.16 x Espesor Pared – 164.77. En la Figura 4 se presenta una gráfica con los valores reales de tenacidad y los predichos por esta ecuación. Esto indica que el efecto combinado de las variables densidad básica y espesor de la pared celular es mayor que el efecto de la densidad básica por sí sola.

CONCLUSIONES

Los encinos rojos tienen generalmente menor resistencia al impacto que el encino blanco ensayado (seis de nueve), pero en algunos casos la resistencia al impacto es similar entre encinos rojos y blancos, lo mismo que su densidad promedio.

Los valores de resistencia al impacto o tenacidad de madera de las diez especies de madera de encinos mexicanos ensayados en condición verde con una máquina tipo FPL no muestran diferencias significativas de una misma especie que crece en diferentes estados (Q. castanea, Q. crassifolia, Q. glabrescens y Q. laurina). Por lo tanto, puede establecerse un valor común para estas especies que sea aplicable en las regiones de donde proviene la madera ensayada.

Existe una influencia notable de la densidad básica sobre la tenacidad, de manera directamente proporcional, la cual se acentúa al incluir en los análisis de regresión los valores del espesor de la pared celular como una variable independiente adicional.

AGRADECIMIENTOS

LITERATURA CITADA

ASTM. 2000. Standard methods for testing small clear specimens of timber. ASTM D143–94. American Society for Testing and Materials. Philadelphia, PA. 31p.         [ Links ]

BÁRCENAS P., G. M. 1995. Caracterización tecnológica de veinte especies maderables de la Selva Lacandona, Chis., México. Madera y Bosques 1(1):9–38.         [ Links ]

BÁRCENAS P., G. M.; R. P. Zárate M.; V. R. Ordóñez C.; Guerrero B A.; Honorato S., J. A. 2003. Correlación de los resultados de impacto o tenacidad de 16 maderas mexicanas utilizando dos métodos de prueba. Madera y Bosques 9(1):55–70.         [ Links ]

DE LA PAZ PÉREZ–OLVERA, C.; Dávalos–Sotelo, R. 2008. Algunas características anatómicas y tecnológicas de la madera de 24 especies de Quercus (encinos) de México. Madera y Bosques 14(3):43–80.         [ Links ]

Drow, J. T.; Markward L. J.; Youngquist W. G. 1958. Results of impact tests to compare the pendulum impact and toughness test methods. Report No. 2109, Forest Products Laboratory, Forest Service, U. S. Department of Agriculture, Madison, WI. 17pp.         [ Links ]