木板為什麼總是往固定方向翹曲？
― 木匠只看切口的年輪，就能說中答案
不論是砧板、層板還是地板，用個幾年都會微微翹曲。而且不是隨便亂翹，幾乎都是往年輪弧線要變平的方向翹。因為木材收縮時，依方向不同，收縮量相差2倍。
廚房的砧板，你把它立著放，忘了好一陣子。再拿出來放平時，中間卻翹起來，一壓還會喀噠喀噠作響。
翻過面來，卻剛好服服貼貼。翹曲總是固定同一面凹陷。
木匠只要瞄一眼木板的切口，就會說「這面朝上比較好」。為什麼光看就知道？
原因只有兩個
木材乾燥收縮時，沿著年輪的方向，收縮量約是從中心往外方向的2倍。而沿著長度方向，幾乎不收縮。
從原木切出的木板，正面與背面的年輪方向並不相同。收縮較多的一側會被拉得更緊，木板因而彎成弓形。
把這兩點合在一起，翹曲的方向從一開始就註定了。接下來依序說明。
木材在哪個方向、會收縮多少
木材的構造，就像一束細細的吸管。每根「吸管」都是曾經輸送水分的細胞。這些細胞壁裡，吸滿了大量的水分。
木材乾燥時，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而已。
可是，等內部的水分沒了以後如果繼續乾燥，接下來就輪到細胞壁本身失水。細胞壁變薄，木材整體就開始收縮。這個轉折點，木材科學稱為「纖維飽和點」。
接下來才是重點。收縮的程度，會因方向而有很大差異。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。已知同一塊木材中，切線方向的收縮量約是半徑方向的2倍。
造成這個差異的，是木材內部從中心呈放射狀向外延伸的細胞列，稱為「木射線」。它們沿著往外的方向，像撐竿一樣支撐著木材。
所以翹曲方向一開始就註定了
從原木切出木板時，年輪在木板中呈弧線排列，如圖1右側所示。弧線外凸的那一側，就是原本位於原木外側的面。這稱為「木表」，另一側靠近樹心的面則稱為「木裡」。
木表這一側，年輪方向較接近與板面平行，也就是收縮較大的切線方向。木裡這一側則較接近半徑方向，收縮量較小。
當木板只有一側大幅收縮，木板就會以收縮的一側為內側彎曲。於是就往年輪弧線變平的方向翹曲，木表那一面成為凹陷的一側。
木匠看切口，就是為了確認這道弧線的方向。鋪地板時要把木表朝上，因為上面微微凹陷，木板邊緣就會被壓向下方，比較不容易翹起。
若沿著通過原木中心的方向切割，木板任何位置的半徑方向都一致，正反兩面收縮量沒有落差，幾乎不會翹曲。這種取材方式稱為「柾目」（直紋）。價格較高，是因為一根原木只能取出很少的量。
這種收縮並非不可逆的損壞。濕氣多的季節，木材會重新吸水膨脹。紙拉門、格子門在夏冬兩季開闔手感不同，也是同樣的道理。
總結
木材依方向不同收縮量也不同，沿年輪方向收縮最多。木板正反兩面因此出現差異，於是往年輪弧線變平的方向翹曲。正因方向早已確定，只要看切口就能預測。
木板並不是隨便亂彎曲。
它只是照著年輪這張設計圖在動而已。
年輪本身是如何形成的，請見「樹木的年輪，為什麼一年只長一圈？」；為減少木材水分而選在冬天砍伐的智慧，請見「為什麼砍伐木材要選在秋冬？」。這種靠「看紋理」判斷的職人技藝，在石材上也存在，可參考「石匠為什麼只靠幾根楔子就能劈開巨岩？」。
- 看看砧板或層板較短一邊的切口，會發現年輪的線條呈弧形。
- 比較那道弧線外凸的一側，跟木板翹曲的方向。應該會發現是往弧線變平的方向翹曲。
- 拿一根免洗筷，泡水30分鐘後，放在平坦處晾乾一天。原本筆直的筷子會微微彎曲。
集成材與合板是把木紋方向交錯疊合黏製，藉此抵銷這種變形。若想觀察翹曲，請選用整塊實木板。
想了解更多 ― 用語・算式・與教科書的關聯從國中理科到大學專業科目，明確標示每段內容的程度
- 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，或教科書專欄等級的內容
- 大學高中未教授、屬於大學專業科目（材料力學・木材科學）的內容
- 研究連大學也尚未列為「定論」教授、目前研究者仍在探究中的內容
國中用語：這個現象是有名稱的
- 含水率：木材中所含水分的重量，除以完全去除水分後木材重量所得的比例。生木有時甚至超過100。
- 纖維飽和點：細胞間隙的水分耗盡、細胞壁內水分開始流失的分界點。多數木材的含水率約在30左右。低於此點木材就會開始收縮。
- 木表與木裡：切口年輪弧線朝外凸出的那一面稱為木表，相當於原本位於原木外側的面。另一側朝向樹心的面則稱為木裡。
國中高中用算式驗證：寬15公分的木板，會翹曲多少？
木板正反兩面若收縮量有落差，木板就會彎成弓形。我們來計算板中央翹起的高度。這與兩片金屬黏合而成的溫度計指針彎曲，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之差）×（含水率變化量）×（板寬的平方）÷（8 × 板厚） |
| 公式從何而來 | 當木板正反兩面應變不同時，木板會彎成具有固定曲率的圓弧。此曲率由「兩面應變之差 ÷ 厚度」決定。圓弧中央的高度則是「曲率 × 寬度平方 ÷ 8」。把這兩者連接起來，就是此公式。 |
| 板寬 W | 150 mm |
| 板厚 h | 15 mm |
| 切線方向收縮率 αt | 每含水率1單位 0.0025（杉木參考值） |
| 半徑方向收縮率 αr | 每含水率1單位 0.0012（杉木參考值） |
| 含水率變化 ΔU | 從 20 降到 10，即 10 |
符號說明：單位全部統一為毫米。收縮率表示「含水率每下降1，收縮多少比例」，是無單位的數值。
| 收縮率之差 | 0.0025 − 0.0012 ＝ 0.0013 |
| 正反兩面應變之差 | 0.0013 × 10 ＝ 0.013 |
| 板寬的平方 | 150 × 150 ＝ 22500 |
| 合併分子 | 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 換算成實際感受：寬15公分的木板，中央會翹起2.4毫米，大約是兩枚十圓硬幣疊起來的厚度。足以讓砧板喀噠喀噠作響。從公式也能看出，木板加厚翹曲會變小，而板寬變寬則翹曲會急遽增加。
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，由細長分子成束排列。這些分子束的方向不易滲水，水分主要沿垂直於分子束的方向進出。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之比，木材學領域稱為「T/R比」。多數木材約為2。一般認為，抑制半徑方向收縮的是木射線，以及晚材與早材交替疊合的構造。年輪中顏色較深的晚材密度較高，會牽制想收縮的較薄部分（早材）。
大學木材被視為正交異向性材料
木材以長度方向、半徑方向、切線方向三個互相垂直的主軸構成，屬於正交異向性材料。要描述其彈性，光靠等向性材料所用的2個常數並不夠，需要9個獨立常數。這個架構與複合材料力學共通，與強化纖維塑膠的設計使用相同的數學方法。乾燥造成的變形，形式與溫度造成的伸縮相同，可將收縮率作為對含水率的係數代入求解。
📖 用語背景與延伸內容：異方性（日文版維基百科） ／ 木材（日文版維基百科）
研究尚未完全釐清的部分
- 比值約為2的原因。 木射線量較多的樹種，比值有較小的傾向，但也有報告指出，光靠木射線量無法完全解釋。目前仍在釐清與層狀構造貢獻程度之間的關係。
- 乾燥過程中殘留的內部應力。 表面先乾燥硬化後，木板內部會殘留應力，如今要用數值計算精確預測，仍被視為困難的課題。
- 跨年累積的變形。 反覆受潮與乾燥的過程中，會累積無法完全恢復原狀的變形，其機制尚未完全解明。
也就是說，本文內容也僅是「目前已知範圍內」的說明。數值會因樹種與部位而大幅變動，請當作參考值看待。
與教科書的關聯（依程度分類）
| 程度 | 科目・單元 | 對應本文段落 |
|---|---|---|
| 國中 | 理科・植物的構造／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、纖維素方向 |
| 高中＋ | 物理・熱脹冷縮與樑 | 雙層黏合材彎曲的原理 |
| 大學 | 材料力學・木材科學 | 正交異向性、收縮率係數 |
| 研究 | 木材物理學 | 比值成因、殘留應力、反覆變形 |
| ― | 與生活的關聯 | 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 ― 木材異方性與乾燥變形
- 伏谷賢美等『木材の物理』文永堂出版 ― 收縮異方性與木射線的作用
- 異方性（日文版維基百科） ― 性質隨方向改變的材料概念
※本文為大眾科普解說。文中數值為協助理解原理的參考、概算值。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作業時，請依材料標示或專業人士建議為準。