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。
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
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。
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。
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。
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。
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？」。
- 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。
- 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。
- 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
- 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
- 含水率：木材所含水分的重量，除以完全去除水分後木材重量所得的比例。生木有時會超過100。
- 纖維飽和點：細胞間隙中的水分耗盡、細胞壁的水分開始流失的分界點。多數木材的含水率約在30左右。從這裡開始，木材便會收縮。
- 木表與木裏：切口上年輪弧線凸起一側朝向的面，就是木表，相當於原本朝向原木外側的面。另一側朝向樹心的面則是木裏。
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。
| 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。 |
| 板寬 W | 150 mm |
| 板厚 h | 15 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。
| 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 δ | 292.5 ÷ 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
- 比值約為2的原因。 已觀察到放射組織量越多、比值越小的傾向，但也有報告顯示，光靠組織量無法完全解釋所有案例。目前仍在釐清與層狀構造貢獻程度之間的區別。
- 乾燥過程中殘留的內部應力。 表面若先乾燥硬化，板材內部就會殘留應力。要用數值計算準確預測這一點，至今仍是困難的課題。
- 跨年度累積的變形。 反覆經歷潮濕與乾燥後，會逐漸累積無法完全恢復原狀的變形，其機制尚未完全闡明。
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 |
- 木材（日文版維基百科） ― 組織、含水率、取材方式概說
- 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
- 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
- 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
- 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。