日常的不可思議 物質・材料 無須先備知識 閱讀約6分鐘

木板為什麼總是朝固定方向翹曲?
― 木工師傅只看切口的年輪,就能說中答案

砧板、層板、地板,用上幾年後都會微微翹曲。而且不是隨便亂翹,幾乎總是朝著讓年輪弧線變平的方向翹。原因是木材收縮時,依方向不同,收縮量會差2倍。

發布:2026.09.22 難度:★☆☆(無須先備知識即可閱讀) 公式只出現在最後的折疊區塊
先想像一下這樣的場景

廚房的砧板,靠著放了一段時間忘了收。再拿出來放平時,發現中間凸起,一壓還會咯咯作響。

翻過來放,卻恰好平整。翹曲時,總是同一側凹陷。

木工師傅只要瞄一眼板材的切口,就會說「這面朝上比較好」。為什麼光看就能知道呢?

原因只有兩個

1
木材的收縮量因方向而不同

木材乾燥收縮時,沿著年輪的方向,收縮量大約是從中心往外方向的2倍。沿著長度方向則幾乎不收縮。

2
板材正反面的收縮量會出現差異

從原木鋸出的板材,正面與背面的年輪方向不同。收縮量較大的一側會被較強地拉扯,板材因此弯曲成弓形。

把這兩點合起來看,翹曲的方向其實一開始就已經決定了。接下來依序說明。

木材在哪個方向、會收縮多少

木材的結構就像一束細吸管。每一根「吸管」都是曾經運送水分的細胞。這些細胞壁裡吸滿了大量水分。

木材開始乾燥時,最先流失的是吸管內部的水分。這段期間,木材的大小幾乎不變,因為只是內容物減少了而已。

但等到內部水分耗盡後仍繼續乾燥,接著就會從細胞壁本身抽走水分。細胞壁變薄,整塊木材便開始收縮。這個轉折點,在木材學上稱為纖維飽和點。

接下來才是重點。收縮的方式,依方向不同會有很大差異。請看圖1左側。原木的切口上,年輪像同心圓一樣排列著。

左:原木的切口 往外的方向 收縮小 弯曲箭頭=沿年輪方向 收縮大(約2倍) 虛線=要鋸出的板材 右:乾燥後朝年輪弧線變平方向翹曲 乾燥前。年輪呈向上凸的弧線 上=木表(外側)、下=木裏 乾燥 乾燥後。上面凹陷 收縮較大側(上) 收縮較小側(下)
圖1:左側原木切口中,弯曲箭頭(沿年輪方向)的收縮量,約是直的橫向箭頭(往外方向)的2倍。虛線方框即為要鋸出的板材。右圖為乾燥後,板材朝著讓年輪弧線變平的方向弯曲成弓形。上側(原本朝向原木外側的面=木表)會凹陷。

沿著年輪繞行的方向稱為切線方向,從中心往外的方向稱為半徑方向。同一塊木材中,切線方向的收縮量約為半徑方向的2倍,這是已知的事實。

造成這種差異的,是木材內部從中心向外呈放射狀延伸的一排排細胞,稱為放射組織。它們像撐桿一樣,沿著向外的方向支撐著木材。

因此,翹曲的方向一開始就已決定

從原木鋸出板材時,年輪在板材裡呈弧形排列,如圖1右側所示。弧線凸起的一側,就是原本朝向原木外側的面,稱為木表;相對地,靠樹心一側的面稱為木裏。

木表側的年輪方向,與板面較為平行,也就是收縮量較大的切線方向。木裏側則較接近半徑方向,收縮量較小。

板材只要有一側收縮量特別大,板材就會朝收縮較多的一側內彎。於是,板材便會朝著讓年輪弧線變平的方向翹曲,凹陷的一側正是木表面。

木工師傅看切口,就是為了確認這道弧線的方向。鋪地板時會把木表朝上,因為上面稍微凹陷,板材邊緣就會被往下壓,比較不容易翹起浮動。

💡 直紋板材為何不易翹曲

如果鋸切時通過原木中心,板面上任何位置的半徑方向都會一致。正反面收縮量沒有差異,因此幾乎不會翹曲。這種取材方式稱為直紋(柾目)。價格較高,是因為一根原木只能取出少量這樣的板材。

💡 木材受潮後會恢復原狀

這種收縮並非不可逆的損壞。潮濕季節裡,木材會重新吸水膨脹。日式紙門和格子門在夏冬兩季開闔手感不同,也是同樣的原因。

總結

木材依方向不同,收縮量也不同,沿著年輪方向收縮最多。板材正反面因此產生差異,於是朝著讓年輪弧線變平的方向翹曲。因為方向早已固定,只要看切口就能預測。

板材並不是隨意彎曲的。
它只是依照年輪這張「設計圖」在運動而已。

關於年輪本身如何形成,可參考「樹木的年輪,為什麼一年只長一輪?」;為了減少木材水分而選在冬天伐木的智慧,收錄在「木材為什麼要選在秋冬伐採?」中。師傅看紋路的技藝也存在於石材上,可參閱「石匠師傅為什麼只靠楔子就能劈開巨石?」。

🧪 來觀察家裡的木製品吧
  1. 看看砧板或層板較短一側的切口,會發現年輪的線條呈弧形。
  2. 比較弧線凸起的方向,與板材翹曲的方向。應該會發現,板材是朝著弧線變平的方向翹曲。
  3. 拿一根免洗筷,泡水30分鐘後,放在平面上乾燥一天。原本直的筷子會微微彎曲。

集成材與合板是把木材方向交錯貼合,藉此抵消這種變形。如果想觀察翹曲,請選用整塊木板。

想知道更多 ― 用語、公式與教科書的連結從國中理科到大學專業科目,都會標明是哪個程度的內容
接下來標籤的判讀方式
  • 國中國中理科課程範圍
  • 高中高中「物理基礎・化學基礎」課程範圍
  • 高中+高中進階內容,或教科書專欄性質的內容
  • 大學高中不會教、屬於大學專業科目(材料力學・木材科學)的內容
  • 研究連大學也還沒當作「定論」教授、研究人員目前仍在調查的內容

國中用語:這個現象是有名字的

國中高中用公式驗算:寬15公分的板材,會翹曲多少

當板材正反面的收縮量出現差異時,板材便會弯曲成弓形。我們來計算它中央翹起的高度。這與雙金屬片溫度計的指針因兩層金屬彎曲,是同樣的原理。

⓪ 基本公式
用符號表示δ = (αt − αr) × ΔU × W² ÷ (8 × h)
用文字表示翹曲高度 = (切線方向與半徑方向收縮率的差)×(含水率變化量)×(板寬的平方)÷(8 × 板厚)
公式的來源板材正反面若應變量不同,板材就會彎成具有固定曲率的圓弧。曲率由「兩面應變差 ÷ 厚度」決定。圓弧中央的高度則是「曲率 × 寬度的平方 ÷ 8」。這是把這兩者連接起來的公式。
① 基本數值
板寬 W150 mm
板厚 h15 mm
切線方向收縮率 αt含水率每變化1,收縮 0.0025(杉木的參考值)
半徑方向收縮率 αr含水率每變化1,收縮 0.0012(杉木的參考值)
含水率變化量 ΔU由20變為10,即變化 10

符號的讀法如下。單位已全部統一為毫米。收縮率是表示「含水率每下降1,會收縮多少比例」的無單位數值。

② 實際計算
收縮率的差0.0025 − 0.0012 = 0.0013
正反面的應變差0.0013 × 10 = 0.013
板寬的平方150 × 150 = 22500
整理分子0.013 × 22500 = 292.5
分母(厚度的8倍)8 × 15 = 120
翹曲高度 δ292.5 ÷ 120 ≒ 2.4

③ 換成實際感受來說,寬15公分的板材,中央會凸起2.4毫米,相當於兩枚10圓硬幣疊起來的厚度。這樣的高度,足以讓砧板咯咯作響。從公式也能看出,板材越厚翹曲越小,而板寬一旦加大,翹曲量會急速增加。

高中高中+收縮差異從何而來

高中細胞壁的主要成分是纖維素,由細長的分子束排列而成。分子束的方向不易滲水,水分主要沿著與分子束垂直的方向進出。因此木材沿長度方向幾乎不收縮,而是沿粗細方向收縮。

高中+切線方向與半徑方向收縮率的比值,在木材學領域稱為TR比。多數木材此比值約為2。半徑方向之所以受到抑制,一般認為是放射組織,以及晚材與早材交替疊層的構造所致。年輪中顏色較深的晚材密度較高,會拉住想要收縮的較薄部分。

大學木材被視為正交異性材料處理

木材的長度方向、半徑方向、切線方向三者互相垂直,構成主軸,因此被視為正交異性材料處理。要表示其彈性,等向性材料常用的2個常數並不足夠,需要9個獨立常數才行。這套框架與複合材料力學共通,使用的數學與纖維強化塑膠的設計相同。乾燥造成的變形,形式上與溫度造成的伸縮公式相同,只需把收縮率當作對含水率的係數代入求解即可。

📖 用語背景與更深入的內容:異方性(日文版維基百科) / 木材(日文版維基百科)

研究目前尚未完全明瞭的部分

也就是說,本文的內容終究是「目前已知範圍內的解釋」。數值會因樹種與部位而有很大差異,請當作參考數字來閱讀。

與教科書的連結(依程度分類)

程度科目・單元本文對應段落
國中理科・植物的構造/物質狀態變化細胞壁與水分、乾燥收縮
高中物理基礎・力與變形/化學基礎・高分子應變與彎曲、纖維素的方向
高中+物理・熱造成的伸縮與樑雙層貼合彎曲的原理
大學材料力學・木材科學正交異性、收縮率係數
研究木材物理學比值的由來、殘留應力、反覆變形
―與生活的連結砧板・地板・層板的擺放方向
參考・出處
  1. 木材(日文版維基百科) ― 組織、含水率、取材方式概說
  2. 森林總合研究所(森林総合研究所)監修『木材工業ハンドブック』丸善出版 ― 各樹種收縮率與纖維飽和點
  3. 日本木材學會(日本木材学会)編『木質科学ハンドブック』朝倉書店 ― 木材的異方性與乾燥造成的變形
  4. 伏谷賢美等『木材の物理』文永堂出版 ― 收縮的異方性與放射組織的作用
  5. 異方性(日文版維基百科) ― 依方向不同而性質改變的材料概念

※本文為大眾科學解說文章。文中數值僅為理解機制所用的參考、估算值。收縮率會因樹種、部位、乾燥方式而有很大差異。實際從事木工或建築工程時,請依照材料標示與專業人員的建議進行。