01 introducao a fisica

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01. Introdução à Física da 
Madeira 
Francisco Tarcísio Moraes Mady 
Engenheiro Florestal, MSc. 
www.conhecendoamadeira.com 
UNIVERSIDADE FEDERAL DO AMAZONAS 
Faculdade de Ciências Agrárias 
Departamento de Ciências Florestais 
CURSO DE FÍSICA DA MADEIRA 
Introdução 
FÍSICA DA MADEIRA 2 
Prof. Francisco Tarcísio Moraes Mady Universidade Federal do Amazonas 
A madeira é proveniente das árvores. 
 
Seu desenvolvimento depende de fatores genéticos e ambientais (solo, clima, 
disponibilidade de água, fotoperíodo, interação com outros organismos, etc.) 
 
É um material que evoluiu para ser um tecido condutor nas plantas e não um produto 
projetado para o uso humano. 
 
Isso causa instabilidade e reflete-se na anisotropia característica deste material (certas 
propriedades físicas serão diferentes conforme as diferentes direções estudadas). 
 
Introdução 
FÍSICA DA MADEIRA 3 
Prof. Francisco Tarcísio Moraes Mady Universidade Federal do Amazonas 
O estudo das propriedades físicas e mecânicas da madeira contribui decisivamente para 
a aplicabilidade das espécies florestais na construção civil (madeirame, acabamento, 
entre outros) e na indústria de móveis. 
 
Além disso, uma série de outras aplicações estão envolvidas como condicionamento 
acústico de ambientes, produção de instrumentos musicais, artesanato, indústria naval, 
entre outras. 
 
A madeira é um recurso natural renovável e, portanto, pode suprir a indústria de 
matéria prima para um grande número de aplicações. 
 
Nos EUA, a madeira é o material de construção mais usado, com uma produção anual 
que ultrapassa todos os outros materiais de engenharia, incluindo o betão (concreto) e o 
cimento. Além da madeira ser utilizada nas estruturas e nos revestimentos de casas, 
edifícios, pontes, etc., é também utilizada para o fabrico de materiais compósitos como, 
por exemplo, compensados, painéis reforçados e papel. 
 
FÍSICA DA MADEIRA 4 
O uso da madeira na história 
FÍSICA DA MADEIRA 5 
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Através da História, a madeira foi utilizada como matéria-prima para a construção de 
veículos de transporte, dentre eles embarcações. Terras com florestas (como fonte de 
madeira para a construção de navios) eram essenciais para as nações que controlavam 
os mares para negociar ou para expansão territorial. Os cedros do Líbano, os carvalhais 
da Nova Inglaterra, são todos exemplos de fontes de madeira foram utilizadas para a 
construção naval. 
 
Os laminados de madeira e o papel foram produzidos pelos egípcios há mais de três mil 
anos. Estes dois produtos, que hoje recebem uma extensiva utilização ao redor do 
mundo, foram os dois primeiros compósitos preparados de madeira e de fibra de 
madeira. 
 
As florestas da Europa continental proporcionaram matérias-primas para moradia e 
transporte, bem como combustível para aquecimento. Elas também potencializaram a 
Revolução Industrial durante o estágio inicial de seu desenvolvimento. 
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FÍSICA DA MADEIRA 7 
Prof. Francisco Tarcísio Moraes Mady Universidade Federal do Amazonas 
http://www.flickr.com/photos/kavoo/217599871/ 
Todo o uso final da madeira está relacionado com suas propriedades físicas e 
mecânicas. De construir uma casa a um barco, esse conhecimento é fundamental. 
FÍSICA DA MADEIRA 8 
Montanhas-russas de madeira. Há 9 ainda em atividade no 
mundo e não ficam nada a dever às mais modernas 
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FÍSICA DA MADEIRA 10 
Estudo do material madeira 
FÍSICA DA MADEIRA 11 
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Os materiais competem uns com os outros, na conquista dos mercados atuais e futuros. 
No decurso de determinado período de tempo, podem surgir vários fatores que levam a 
que, para determinadas aplicações, um material seja substituído por outro. O preço é, 
certamente, um desses fatores. Se ocorrer um desenvolvimento no modo de 
processamento de um certo tipo de material que tenha como conseqüência uma 
diminuição significativa de seu custo, é provável que este material possa substituir outro 
em algumas aplicações. 
 
A madeira é um material de engenharia muito importante devido a sua relação 
resistência-peso. É facilmente processada em obra e, uma de suas principais vantagens é 
ser um recurso renovável – importante fator diante da escassez de matérias-primas. 
 
A energia necessária para processá-la, frente ao processamento de outros materiais, é 
baixa. Seu crescimento e caule são perenes. Além disso, possui espessamento 
secundário, resultando em um aumento do diâmetro do caule. 
 
FÍSICA DA MADEIRA 12 
FÍSICA DA MADEIRA 13 
Pergolados 
FÍSICA DA MADEIRA 14 
Decks e decoração de exteriores 
FÍSICA DA MADEIRA 15 
Estruturas de cobertura 
A madeira no Brasil 
FÍSICA DA MADEIRA 16 
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No Brasil, o uso da madeira é bastante difundido, embora nem sempre em nível 
tecnológico adequado. 
 
A caracterização de espécies de madeira é um subsídio que possibilita utilizar 
adequadamente essa matéria-prima. Essa caracterização tem grande importância no 
sentido de fornecer informações a respeito das propriedades físicas, de resistência e de 
elasticidade dessas espécies. 
 
Segundo a EBC (Empresa Brasileira de Comunicação, 2008) duzentos e onze milhões de 
hectares, ou 25% do território nacional, era o tamanho do total de florestas públicas 
cadastradas no Brasil, em 2008. 
 
O dado foi divulgado pelo Sistema Florestal Brasileiro, órgão ligado ao Ministério do 
Meio Ambiente, e representa um crescimento de 11,26% em relação ao ano de 2007, 
quando foram catalogados 194 milhões de hectares. Pode-se imaginar a importância 
econômica do material madeira no Brasil. 
Emprego da madeira 
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Emprego da madeira 
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Emprego da madeira 
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Usos na construção civil Consumo 1000 m3 Consumo % 
Estrutura de cobertura 891,7 50 
Andaimes e formas para 
concreto 
594,4 33 
Forros, pisos e esquadrias 233,5 13 
Casas pré-frabricadas 63,7 4 
Total 1783,3 100 
Fonte: Sobral et al. (2002) 
Consumo de madeira amazônica serrada pela construção civil no Estado 
de São Paulo em 2001 
Emprego da madeira 
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No Brasil, a madeira é empregada, com freqüência, para fins estruturais, na solução de 
problemas relacionados a coberturas (residenciais, comerciais, industriais), 
cimbramentos (para estruturas de concreto armado e protendido), travessia de 
obstáculos (pontes, viadutos, passarelas para pedestres), armazenamento (silos verticais 
e horizontais), linhas de transmissão (energia elétrica, telefonia), benfeitorias rurais, 
entre outros. 
 
Além disso, é muito empregada na fabricação de componentes para a edificação, como 
painéis divisórios, portais, esquadrias, lambris, forros, pisos. A indústria moveleira e a 
indústria de embalagens usam largamente a madeira e os produtos dela derivados, tais 
como chapas de diferentes características. Outros usos podem ser mencionados: nos 
meios de transporte (barcos, carroçarias, vagões de trem, dormentes), nos instrumentos 
musicais, em artigos esportivos, nas indústrias de bebidas, de brinquedos, de fósforos, 
de lápis e de papel. 
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Fatores que denigrem o uso da 
madeiraFÍSICA DA MADEIRA 22 
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O emprego da madeira vem se mantendo crescente, apesar dos conhecidos 
preconceitos inerentes ao seu uso, sempre relacionados principalmente a: 
 
- Insuficiente divulgação das informações tecnológicas já disponíveis acerca de seu 
comportamento sob as diferentes condições de serviço; 
 
- Falta sistemática de projetos específicos, desenvolvidos por profissionais habilitados. 
Por exemplo, tem sido usual, mas não é o ideal, que as estruturas de madeira sejam 
concebidas por oficiais carpinteiros, muitas vezes bem intencionados, mas não 
preparados para essa tarefa. 
 
- Marcenarias que trabalham com equipamentos ultrapassados e mão-de-obra pouco 
qualificada, prejudicando a qualidade dos produtos finais. 
 
FÍSICA DA MADEIRA 23 
Fatores que denigrem o uso da 
madeira 
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Os problemas daí decorrentes incentivam a formação de uma mentalidade distorcida 
por parte dos usuários. São muito comuns móveis e estruturas de madeira construídos 
deste modo, contaminadas pelo desconhecimento das características do material e pela 
inexistência de projeto. 
 
Ao mesmo tempo, outras idéias errôneas são divulgadas, como a que associa o uso da 
madeira à devastação de florestas, fazendo parecer que o referido uso se constitui numa 
perigosa ameaça ecológica. 
 
É importante ser lembrado, também, que o crescimento, a extração e o desdobro de 
árvores envolvem baixo consumo de energia, além de não provocarem maiores danos 
ao meio ambiente, desde que providenciada a respectiva reposição. 
Fatores que denigrem o uso da 
madeira 
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Outros materiais estruturais, como o aço e o concreto armado, são produzidos por 
processos altamente poluentes, antecedidos por agressões ambientais consideráveis 
para a obtenção de matéria-prima. Os referidos processos requerem alto consumo 
energético e a matéria-prima retirada da natureza jamais será reposta. 
 
O contrário se verifica com a madeira, que se renova mesmo sob rigorosas condições 
climáticas. 
 
Outro aspecto que favorece a madeira é sua alta resistência em relação à densidade. 
Conforme consta na Tabela 1, a seguir, essa razão é quatro vezes superior ao aço e dez 
vezes superior ao concreto. 
 
Fatores que denigrem o uso da 
madeira 
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Material Densidade 
do material, 
g/cm³ 
Energia 
consumida 
na 
produção, 
MJ/m³ 
Resistência, 
MPa 
Módulo de 
elasticidade, 
MPa 
Relação 
entre os 
valores da 
energia 
consumida 
na 
produção e 
da 
resistência 
Relação 
entre os 
valores da 
resistência 
e da 
densidade 
Relação 
entre os 
valores do 
módulo de 
elasticidade 
e da 
densidade 
Concreto 2,4 1920 20 20000 96 8 8333 
Aço 7,8 234000 250 210000 936 32 26923 
Coníferas 0,6 600 50 10000 12 83 16667 
Folhosas 0,9 630 75 15000 8 83 16667 
Tabela 1 – Materiais estruturais – dados comparativos. 
Fonte: Calil Jr e Dias (1997) Observações: no caso da madeira, a densidade referente à umidade de 12%. Na segunda coluna, a energia para o concreto provém 
da queima de óleo; para o aço, do carvão; para a madeira, energia solar. Na terceira e quarta colunas, para o concreto o valor citado se refere à resistência 
característica à compressão, produto usinado; para o aço trata-se da tensão de escoamento do tipo ASTM A-36; para a madeira são os valores médios da 
resistência à compressão paralela às fibras, referida à umidade de 12% de acordo com recomendação da NBR 7190/1997, da ABNT. 
 
FÍSICA DA MADEIRA 27 
O uso da madeira que dá 
orgulho 
FÍSICA DA MADEIRA 28 
The Globe of Science and Innovation 
Toda a madeira vem de estruturas 
desmontadas, ou seja a madeira é 
reciclada. Os gomos da esfera são de 18 
arcos laminados, simbolizando o globo 
terrestre. 
 
Local : Cern - Suíça 
Concepção e design : Thomas Büchi e 
Hervé Dessimoz 
Altura : 28m 
Diâmetro da Esfera : 40m 
Construção : Consórcio de 11 empresas 
especializadas em estruturas de 
madeira,chamado de Lignum, associação 
suíça de madeira 
FÍSICA DA MADEIRA 29 
FÍSICA DA MADEIRA 30 
Museo del Jurasico de Asturias - MUJA 
O Museo del Jurasico de Asturias possui uma 
estrutura interessante. É formada por vigas de 
madeira laminadas e coladas em forma de arco 
e estrutura espacial. O formato da estrutura foi 
baseado em uma pegada de dinossauro com 3 
dedos. A cobertura é de cobre. A área total do 
museu é de 2.500,00 m². 
 
Arquiteto : Rufino Garcia Uribelarrea 
Cálculo estrutural e execução : Paul Gauthier 
(estructuras de madera laminada) 
Local : Espanha - Principado de Asturias - 
Colunga - San Telmoa 
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Todai-ji - Templo de Nara - A maior construção 
em madeira do mundo 
O Todai-ji, é um templo budista na cidade de 
Nara, Japão. O hall onde se encontra a estátua 
do Buda é tido como a maior construção em 
madeira do mundo. O templo onde se 
encontra o buda foi finalizado no ano de 745 e 
o Buda foi finalizado em 751. Cerca de 
2.180.000 pessoas (metade da população do 
Japão na época) trabalharam na construção do 
templo e do Buda, que consumiu toda a 
produção de bronze do Japão, quase levando o 
país à falência. O templo já foi reconstruído 
por inteiro duas vezes, depois de incêndios. O 
projeto é de Kuninaka-no-muraji Kimimaro. Só 
a altura do Buda é de 15m e pesa 500 
toneladas. 
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Diversidade estética da madeira 
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Além disso, a madeira apresenta aspecto visual muito interessante e pode ser 
processada sem maiores dificuldades, o que viabiliza a definição de diversificadas formas 
e dimensões, as quais são limitadas apenas pela geometria das toras e pelo 
equipamento usado para esta operação. 
Variabilidade natural da madeira 
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A madeira é um material que ocorre na natureza formado, fundamentalmente, por um 
arranjo complexo de células de celulose reforçadas por uma substância polimérica 
denominada lignina e por outros compostos orgânicos. 
 
Devido a sua origem natural, as propriedades físicas da madeira freqüentemente exibem 
um vasto grau de variabilidade não usual. Essas variações são, em parte, o resultado das 
condições de crescimento da madeira produzida a partir de fatores de desenvolvimento 
tais como o clima, o solo, suprimento de água, nutrientes disponíveis, etc. 
 
Além disso, todas as propriedades da madeira são em parte hereditárias; 
conseqüentemente, uma porção substancial da variabilidade natural da madeira pode 
ser atribuída a diferenças no código genético. 
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Variabilidade natural da madeira 
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A estrutura interna complexa da madeira tornam complicadas as suas propriedades 
físicas, e dão a ela um comportamento anisotrópico, ou seja, as propriedades físicas e 
mecânicas diferem em diferentes direções dentro do material. A anisotropia é 
reconhecida em vários níveis de organização do material. 
 
Tipos particulares de anisotropia podem ser identificados (1) dentro de uma camada de 
uma célula da madeira, (2) na parede celular como um todo, (3) na célula inteira, (4) na 
agregação das células e, (5) finalmentena agregação de muitos tipos de tecidos de 
madeira. 
 
Além da variabilidade e anisotropia naturais da madeira, ela é porosa e não homogênea. 
Estas propriedades são comumente reconhecidas por usuários casuais da madeira. A 
estrutura porosa toma diferentes formas de acordo com as espécies. 
Fatores que afetam a 
variabilidade 
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As características da madeira são fortemente influenciadas por numerosos fatores, 
podendo ser citados, entre eles, as diferentes condições de temperatura, composição e 
umidade do local de crescimento da árvore, densidade do povoamento e tipo de manejo 
a ele aplicado, posição da árvore no talhão (terreno de cultura), incidência de chuvas. 
 
Tais fatores provocam variações significativas na madeira formada, mesmo em se 
tratando de árvores da mesma espécie. São diferenças na espessura das camadas de 
crescimento e de material crescido nas diversas estações do ano, por exemplo. 
 
Outros aspectos seriam a geometria dos anéis de crescimento, a idade das diferentes 
camadas, o nível de lenhificação das paredes dos elementos anatômicos, a posição da 
amostra em relação à altura da árvore ou ao seu diâmetro, a maior ou menor incidência 
de nós e de fibras reversas. 
O conteúdo de Física da 
madeira 
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Nesta disciplina abordaremos os seguintes tópicos que, reunidos, constituem o 
conteúdo da disciplina Física da madeira: 
 
Água na madeira 
Relações da presença de água na madeira, determinação do teor de umidade, umidade 
relativa, contração e retração, histerese. 
 
Densidade 
Cálculo da densidade da madeira. Relação massa x volume. Influência da densidade nas 
propriedades físicas e mecânicas da madeira. 
 
Propriedades térmicas da madeira 
Conforto climático, isolamento térmico com madeira, a madeira em habitações. 
 
Propriedades acústicas 
Ondas sonoras. Isolamento sonoro, acondicionamento acústico. 
 
O conteúdo de Física da 
madeira 
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Resistência ao fogo 
Incêndios em construções de madeira, resistência à combustão. 
 
Propriedades mecânicas 
Resistência do material madeira. Compressão, tração e cisalhamento. Esforços 
mecânicos aplicados à madeira. Ensaios mecânicos mais comuns realizados em 
madeiras. 
 
Interação 
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1. De que forma poderemos valorizar a utilização da madeira? 
2. Como os futuros engenheiros florestais poderão contribuir com o desenvolvimento 
da Indústria Madeireira? 
3. O que é anisotropia da madeira? 
 
FÍSICA DA MADEIRA 42 
• Fim. Obrigado.