Odunun piezoelektrik özellikleri ile elektriksel potansiyelin dikili ağaçlardaki değişimi ve fizyolojik özelliklerine olan etkisinin belirlenmesi

Abstract

Bu çalışmada, ahşap malzemelerin ve dikili ağaçların elektriksel potansiyel özellikleri çok boyutlu bir perspektifle ele alınmıştır. Araştırmada; ahşabın fiziksel özelliklerinin, ahşap anatomisinin, mikroskobik ve makroskobik faktörler ile ahşap kusurlarının piezoelektrik davranış üzerindeki etkilerinin yanı sıra dikili ağaçlarda elektriksel potansiyelin oluşum dinamiklerinin ve bu potansiyel üzerindeki coğrafi faktörler ile fitohormonların rolünün anlaşılması hedeflenmiştir. Çalışmada, ahşap malzemelerde basınç altında oluşan piezoelektrik etki incelenmiş; dikili ağaçlarda ise, bir yıl boyunca gözlemlenen elektriksel potansiyel değişimleri analiz edilmiştir. Elde edilen veriler, farklı ahşap malzemeler ve dikili ağaçlardaki elektriksel potansiyel varyasyonlarını açıklamak amacıyla istatistiksel olarak değerlendirilmiştir. Araştırma sonucunda, ahşap malzemelerin piezoelektrik davranışları üzerine yapılan incelemelerde, ahşaptaki rutubet oranının kritik bir etken olduğu tespit edilmiştir. En iyi piezoelektrik performans, lif doygunluk noktası üzerindeki rutubet seviyelerinde, 5000N kuvvet uygulanarak hazırlanan 3×3×9 cm boyutlarındaki kavak numunelerinde elde edilmiştir. Vrms değerlerinin, rutubet artışı ve kuvvet etkisiyle genel olarak yükseldiği, ancak belirli bir kuvvet seviyesinden sonra plato yaparak düşüşe geçtiği belirlenmiştir. Lif doygunluk noktası üzerindeki rutubette yoğun tekstür alanlarında piezoelektrik yanıtın zirveye ulaştığı saptanmıştır. Lif kıvrıklığının piezoelektrik davranışı %19,7 oranında etkilediği görülmüştür. Kristallik derecesinin piezoelektrik etkinin oluşumundaki rolü, toplam varyansın %37'sini açıklayacak kadar önemli bulunmuştur. Ayrıca, ultimate analiz sonuçları, azotun piezoelektrik performans üzerinde (%98,98) belirgin bir etkiye sahip olduğunu işaret etmiştir. Ahşap malzemelerde budaklı yapının, ahşabın piezoelektrik özellikleri üzerinde belirgin bir olumsuz etkisi olduğu, toplam varyansın %78,29'unu açıklayarak elektriksel yanıtı ciddi şekilde azalttığı ortaya konulmuştur. Dikili ağaçların elektriksel potansiyel davranışları üzerine yapılan analizlerde, coğrafi ve çevresel faktörlerin etkileri incelendiğinde, elektriksel potansiyel ile çevresel faktörler arasındaki en güçlü ilişki, negatif bir korelasyon ile toprak sıcaklıklarında (%27–29) gözlemlenmiştir. Aylık değişimler (%22,92) ve ağaç türleri (%19,70), elektriksel potansiyel üzerinde belirgin etki sergilemiş, sıcaklık ve ayların etkileşimi en yüksek katkıyı (%22,33) sağlamıştır. Daha kapsamlı çalışmayla dikili ağaçların fitohormonlar ve coğrafi faktörlere bağlı olarak gösterdiği elektriksel potansiyel davranışları incelendiğinde, hormonların Vrms üzerindeki etkilerinin çevresel faktörlere bağlı olarak değişkenlik gösterdiği ve bu ilişkinin doğrusal olmayan bir yapıya sahip olduğu ortaya konmuştur. Sıcaklık, güneşlenme şiddeti, güneşlenme süresi ve toprak sıcaklığı gibi çevresel faktörlerin; özellikle ABA, IAA ve Z gibi fitohormonlar üzerinde baskılayıcı bir etki yaratarak Vrms üzerinde negatif etkiler oluşturduğu belirlenmiştir. Güneşlenme şiddetinin artışıyla stres ve büyüme hormonları seviyelerinde %40'tan fazla azalma olduğu gözlemlenmiştir. Bununla birlikte, yağışın tüm hormonlar ve elektriksel potansiyel üzerindeki pozitif etkisi, nemli koşulların hormonal dengeyi ve piezoelektrik performansı desteklediğini ortaya koymuştur. Hormonlar ile aylar arasındaki etkileşimin toplam varyansın %61'ini açıkladığı tespit edilmiştir. Hormonların Vrms üzerindeki etkisinin, mevsimsel olarak ilkbahar ve yaz aylarında odun hücrelerinin aktif büyümesiyle arttığı; buna karşın kış aylarında metabolik aktivitelerin azalmasıyla azaldığı görülmüştür. Bu çalışma, ahşap malzemelerin ve dikili ağaçların elektriksel potansiyel özelliklerini analiz ederek yenilenebilir enerji ve çevre dostu teknolojiler için stratejik bir temel oluşturmuştur. Bulgular, hem teorik literatüre katkı sağlamakta hem de pratik mühendislik uygulamaları için yol gösterici bir rehber niteliği taşımaktadır.

In this study, the electrical potential properties of wood materials and standing trees were examined from a multidimensional perspective. The research aimed to understand the effects of the physical properties of wood, wood anatomy, microscopic and macroscopic factors, and wood defects on piezoelectric behavior, as well as the dynamics of electrical potential formation in standing trees and the roles of geographical factors and phytohormones in this potential. In the study, the piezoelectric effect induced by pressure in wood materials was examined, while the changes in electrical potential observed in standing trees over one year were analyzed. The obtained data were statistically analyzed to explain the electrical potential variations in different wood materials and standing trees. As a result of the research, it was determined that the moisture content in the wood was a critical factor in the studies on the piezoelectric behavior of wooden materials. The highest piezoelectric performance was observed with poplar specimens prepared at moisture levels above the fiber saturation point, using dimensions of 3×3×9 cm and subjected to a force of 5000 N. It was observed that the Vrms values generally increased with rising moisture content and force application but plateaued and subsequently declined beyond a certain force threshold. At moisture levels above the fiber saturation point, the piezoelectric response peaked in areas with dense texture. Fiber waviness was found to influence piezoelectric behavior by 19.7%. The degree of crystallinity played a significant role in piezoelectric activity, accounting for 37% of the total variance. Additionally, ultimate analysis results indicated that nitrogen significantly affects piezoelectric performance, contributing to 98.98%. It was also revealed that knots in wood structures negatively impact the piezoelectric properties, explaining 78.29% of the total variance and substantially reducing the electrical response. In analyses of the electrical potential behaviors of standing trees, the effects of geographical and environmental factors revealed that the strongest relationship between electrical potential and environmental factors was observed with soil temperatures, showing a negative correlation of 27–29%. Monthly variations (22.92%) and tree species (19.70%) exhibited significant influences on electrical potential, with the interaction of temperature and months providing the highest contribution (22.33%). Further comprehensive studies examining the electrical potential behaviors of standing trees about phytohormones and geographical factors demonstrated that the effects of hormones on Vrms varied with environmental conditions and exhibited a non-linear relationship. Environmental factors such as temperature, solar radiation intensity, solar exposure duration, and soil temperature exert suppressive effects, particularly on phytohormones such as ABA, IAA, and Z, which negatively impacts Vrms. Increased solar radiation intensity reduced stress and growth hormone levels by more than 40%. Conversely, precipitation positively affected all hormones and electrical potential, suggesting that humid conditions promote hormonal balance and enhance piezoelectric performance. The interaction between hormones and months accounted for 61% of the variance. The effect of hormones on Vrms was observed to increase during the spring and summer due to active growth in wood cells, while it decreased during the winter due to reduced metabolic activities. This study has analyzed the electrical potential properties of wood materials and standing trees, establishing a strategic foundation for renewable energy and environmentally friendly technologies. The findings contribute to the theoretical literature while serving as a guiding framework for practical engineering applications.