Строение дерева. От клеток до корней. Что такое древесина? Из каких химических элементов состоит дерево
Древесина является одним из основных материалов, применяемых для изготовления модельных комплектов. Она отличается малой плотностью, хорошей обрабатываемостью режущими инструментами, невысокой стоимостью.
Дерево состоит из тесно сросшихся между собой клеток, разнообразных по своей форме и величине. Клетки образуют волокна, представляющие собой трубки - сосуды, по которым протекают питательные соки. Ствол дерева состоит из конусообразных оболочек неправильной формы, сросшихся между собой и нарастающих каждый год снаружи. Схема строения дерева представлена на рис. 1, а, б.
Кора 1 предохраняет дерево от внешних климатических воздействий. Внутренняя часть коры 2 называется лубом, проводящим питательные вещества. Между корой 1 и древесиной 4 находится камбий 3 - тонкий слой ткани, он служит для питания древесины и образования (отложения) годичного слоя ее.
Древесина состоит из концентрических (иногда извилистых) годичных колец (это ткань, находящаяся между камбием и сердцевиной). Древесина некоторых пород не имеет равномерной окраски: во внутренней части ствола она имеет более темный цвет, чем в периферической. В этих случаях темноокрашенная часть древесины называется ядром, а периферическая, более светлая - заболонью. Такие породы называются ядровыми. К ним принадлежат сосна, лиственница, ясень, дуб и др. Например, у сосны и лиственницы ядро образуется лишь в возрасте 25-30 лет. Некоторые породы не имеют ядра (например, ель, пихта, береза, осина, липа и др.). Они состоят только из заболони.
Низкокачественной частью дерева является сердцевина 5, б, у одних пород она выгнивает (липа, береза), а у других отделяется в виде стержня (ель). Для ответственных частей модели сердцевину удаляют при раскрое пиломатериала.
На торцовом разрезе ствола хорошо видны узкие радиальные полоски - сердцевинные лучи, проводящие питательные вещества.
Представление о строении древесины дает микроструктура. При рассматривании тонких срезов древесины под микроскопом оказывается, что она состоит из разнообразного рода клеток, образованных отложениями камбиального слоя. Живые клетки камбия состоят из нежной оболочки, наполненной жидким веществом - протоплазмой (жидкое прозрачное вещество, содержащее кислоты, неорганические соли, воду, белки и др.). По достижении определенной зрелости протоплазма высыхает, клетка умирает и сохраняется лишь отвердевшая оболочка ее - годичный слой. Из таких мертвых клеток разнообразной величины и формы и состоит вся древесина, формирующаяся из годовых колец. Группа клеток, имеющих одинаковое назначение, называется тканью. Ткани древесины подразделяются на три вида: запасающую, проводящую (сосудистую) и опорную (механическую).
Рис. 1. Схема строения дерева:
а - годичные нарастания на стволе, показанные в долевом разрезе ствола дерева по оси; б - разрезы ствола: П - поперечный (торцовый), Р - радиальный, Т - тангенциальный
Запасающая ткань состоит из коротких запасающих клеток и служит для накопления и хранения питательных веществ (рис. 2, а, б).
Проводящая ткань состоит из вытянутых тонкостенных клеток с широкими внутренними просветами. Длина сосудов в зависимости от породы дерева в среднем составляет от 100 мм и более, а диаметр до 0,5 мм (рис. 2,в).
Опорная ткань состоит из длинных толстостенных клеток с малыми внутренними просветами и заостренными концами. Чем больше этой ткани, тем древесина плотней (рис. 2, г). Длина таких клеток составляет более 1 мм, ширина до 0,2 мм. Концы опорных клеток прочно соединяются друг с другом и оказывают надлежащее сопротивление разрыву, сжатию и изгибу. В лиственных деревьях они довольно равномерно распределены по годичному слою. В хвойных они заменяются толстостенными подводящими клетками.
Чем уже годовые слои у хвойных пород, тем древесина плотнее. У лиственных пород, наоборот: чем шире годовые слои, тем древесина плотнее, тверже (ясень, дуб и др.).
В хвойных породах главную роль играют правильно расположенные вдоль ствола древесины радиальными рядами замкнутые удлиненные клетки (волокна), служащие для проведения воды и растворенных в ней неорганических солей (рис. 2, д, е). Такие клетки называются трахеидами, их находится в хвойных породах до 95% объема древесины. Длина трахеид до 10 мм, толщина - до 0,05 мм.
Тонкостенные трахеиды заменяют собой сосуд, а толстостенные- волокна опорной (механической) ткани. У ряда деревьев хвойных пород имеются смоляные ходы, в которых накапливается смола, увеличивающая стойкость древесины против загнивания. Диаметр смоляных ходов в среднем 0,1 мм, которые составляют около 1% объема древесины.
Строение лиственных пород более сложное, чем у хвойных. Сердцевинные лучи развиты больше и достигают 160 мм в высоту, а ширина лучей изменяется от 0,015 до 0,6 мм. Микроструктура древесных пород показана на рис. 3, а - в.
Рис. 2. Микроэлементы древесины:
а - волокно из коротких запасающих клеток, б - запасающие клетки, в - членик сосуда, г - клетка механической ткани, д - тонкостенная трахеида, е - толстостенная трахеида
ДРЕВЕСИНА
ОБЩИЕ СВЕДЕНИЯ
Древесина относится к одному из весьма распространенных строительных материалов с многовековым опытом применения. Этому в немалой степени способствует то, что она самовосстанавливающийся материал.
Россия занимает первое место в мире по величине лесных массивов. Особенно велики запасы в Сибири, ценные породы древесины имеются в Карелии, на Кавказе, Дальнем Востоке.
Потребность в лесоматериалах удовлетворяется путем комплексной и глубокой переработки древесины. Наряду с такими традиционными материалами, как круглый лес, доски, брусья и т.п. все шире применяют клееные деревянные конструкции и разнообразные изделия, получаемые из отходов лесообработки. Отходы превращают в древесно-стружечные и древесно-волокнистые плиты с ценными и разнообразными свойствами.
Древесина, используя воду, минеральные и химические вещества, преобразуя энергию солнца, в процессе фотосинтеза вырабатывает широкий круг органических соединений, обогащает атмосферу кислородом. Как всякий живой организм дерево состоит из отдельных клеток и сосудов, разнообразных по форме, величине и расположению.
Физические, механические и другие свойства древесины обусловлены особенностями ее состава и строения. Древесина – это волокнистый, анизотропный материал, свойства которого зависят от направления волокон.
В зависимости от строения древесные породы делятся на хвойные и лиственные (кольце- и рассеяннососудистые).
Строение древесины изучается на макро- и микроуровнях.
СТРОЕНИЕ И СОСТАВ
Растущее дерево состоит из корневой системы, ствола и кроны. Промышленное значение имеет ствол, так как из него получается от 60 до 90% древесины
Макроструктура - строение ствола дерева, видимое невооруженным глазом. Обычно изучают три основных разреза ствола: поперечный (торцовый),
радиальный, проходящий через ось ствола, и тангентальный,
проходящий по хорде вдоль ствола.
При рассмотрении разрезов ствола невооруженным глазом или через лупу можно различить следующие основные его части: кора , которая состоит из пробковой ткани (пористая древесина, обеспечивающая тепловую защиту при разных изменениях температуры) и луба (выполняет проводящие функции – это проводящие клетки и ткани). По лубяному слою в растущем дереве доставляются питательные вещества, необходимые для развития, от кроны к корням.
За лубом находится камбий (состоит из древесных клеток, способных к делению или синтезу). Этот слой обеспечивает рост дерева путем деления клеток, для этого необходимы питательные вещества, поэтому луб и камбий находятся рядом. Ежегодно в вегетативный период камбий откладывает в сторону коры клетки луба и внутрь ствола – клетки древесины. Слой камбия образуется за период – годовой слой.
За клетками камбия находится древесина (основная часть ствола), разделенная на две части – заболонь (состоит из проводящих клеток по которым осуществляется вертикальный (восходящий) поток, по клеткам заболони вода из корней попадает в крону и участвует в процессе синтеза, клетки заболони имеют очень высокую влажность). Внутренняя часть древесины – ядро (образуется за счет отмирания клеток заболони (клетки ядра выполняют механические функции).
В самом центре древесины находится слой очень тонких клеток - сердцевина (первичный росток, клетки сердцевины - не прочные, рыхлые). Загнивание дерева начинается с сердцевины.
Древесина ствола в поперечном разрезе состоит из ряда концентрических годичных) колец, располагающихся вокруг сердцевины. Каждое годичное кольцо состоит из двух слоев: ранней (весенней) древесины, образовавшейся весной или в начале лета, и поздней (летней) древесины, которая образуется к концу лета.
Ранняя древесина светлая и состоит из крупных, но тонкостенных клеток; поздняя древесина более темного цвета, менее пориста и обладает большей прочностью, так как состоит из мелкопористых клеток с толстыми стенками.
В процессе роста дерева стенки клеток древесины внутренней части ствола, примыкающей к сердцевине, постепенно изменяют свой состав и пропитываются у хвойных пород смолой, а у лиственных – дубильными веществами. В древесине всех пород располагаются сердцевинные лучи, которые служат для перемещения влаги и питательных веществ в поперечном направлении и создания запаса этих веществ на зимнее время. У хвойных пород они обычно очень узки и видны только под микроскопом. Древесина легко раскалывается по сердцевинным лучам, по ним же она растрескивается при высыхании.
МИКРОСТРУКТУРА
Древесные клетки в дереве по функциям разделяются на:
проводящие (осуществляется транспортировка жидкости);
запасающие (содержащие запас питательных веществ);
механические (опорные) определяют свойства древесины.
Группы одинаковых клеток образуют древесные ткани.
Проводящие клетки находятся в заболони и ранней зоне годового слоя:
трахеиды (в хвойных породах)
сосуды (в лиственных породах).
Механические клетки:
- трахеиды (в хвойных породах)
- либриформ (составляют основную массу ствола) (в лиственных породах).
Запасающие клетки находятся в сердцевинных лучах, образуя горизонтальные каналы.
Свойства древесины определяются строением оболочки древесной клетки.
микрофибриллами.
Микрофибрилла состоит из цепных молекул целлюлозы (природный полимер). (С6Н10О5)n – молекула имеет форму цепочки.
В клеточной оболочке содержатся и другие природные полимеры – лигнин и гемицеллюлоза,
которые размещаются между
микрофибриллами.
Древесина содержит – 30% целлюлозы, 25% лигнина, 25% гемицеллюлозы.
Древесина хвойных пород отличается от древесины лиственных более простым и правильным строением. Она состоит из трахеид, сердцевинных лучей, паренхимных клеток и смоляных ходов.
Трахеиды (от греч. tracheia – дыхательное горло и eidoc –
вид) имеют форму сильно вытянутых волокон с кососрезанными концами.
Ранние трахеиды – образуются весной и в начале лета. Они служат для проведения воды с растворенными минеральными веществами. Характерной их особенностью являются большие внутренние полости и тонкие стенки, на годовом слое они наиболее светлые, рыхлые и слабые, образуют раннюю древесину.
Поздние трахеиды образуются в конце лета. Стенки их сильно утолщены, внутренние полости малы, поры мелкие, малочисленные. Выполняют механическую функцию, придавая древесине прочность. На годовом слое они наиболее темные, плотные и крепкие, образуют позднюю древесину.
Паренхимные клетки – это одна из разновидностей живых растительных клеток, в которых откладываются запасные питательные материалы (крахмал, масла и др.). По внешнему виду – это четырехгранные призмы, стенки обычно тонкие, состоящие из целлюлозы и лигнина.
Древесина лиственных пород имеет более сложное строение. Причиной этого является сильное развитие сосудов, которые смещают соседние клетки, вследствие чего нарушается правильность
и однородность строения.
В состав древесины лиственных пород входят сердцевинные лучи, сосуды, трахеиды (не всегда), волокна либриформа
и паренхимные клетки.
Либриформ – это механическая ткань, являющаяся главной составной частью древесины всех лиственных пород. Волокна либриформа являются наиболее прочными элементами в древесине лиственных пород
и выполняют механические функции.
Сердцевинные лучи в древесине всех лиственных пород развиты значительно сильнее, чем у хвойных пород. Они построены исключительно из паренхимных клеток, несколько вытянутых по длине луча.
Древесина состоит преимущественно из органических веществ (99% общей массы). Элементный химический состав древесины разных пород практически одинаков. Абсолютно сухая древесина в среднем содержит 49% углерода, 44% кислорода, 6% водорода, 0,1-0,3% азота. При сжигании древесины остаётся её неорганическая часть - зола. В состав золы входят кальций, калий, натрий, магний и другие элементы.
Перечисленные химические элементы образуют основные органические вещества: целлюлозу, лигнин и гемицеллюлозы.
Целлюлоза - природный полимер, полисахарид с длинной цепной молекулой. Формула целлюлозы (C6H10O5)n, где n - степень полимеризации, равная 6000-14000. Это очень стойкое вещество, нерастворимое в воде и обычных органических растворителях (спирте, эфире и др.), белого цвета. Пучки макромолекул целлюлозы - тончайшие волоконца называются микрофибриллами. Они образуют целлюлозный каркас стенки клетки. Микрофибриллы ориентированны преимущественно вдоль длинной оси клетки, между ними находится лигнин, гемоцеллюлозы, а также вода.
Лигнин - полимер ароматической природы (полифенол) сложного строения; содержит больше углерода и меньше кислорода, чем целлюлоза. Именно с этим веществом связан процесс одревеснения молодой клеточной стенки. Лигнин химически нестоек, легко окисляется, взаимодействует с хлором, растворяется при нагревании в щелочах, водных растворах сернистой кислоты и её кислых солей.
Гемицеллюлозы - группа полисахаридов, в которую входят пентозаны (C5H8O4)n и гексозаны (C6H10O5)n. Формула гексозанов на первый взгляд идентична формуле целлюлозы. Однако степень полимеризации у всех гемицеллюлоз гораздо меньше и составляет 60-200. Это свидетельствует о более коротких цепочках молекул и меньшей стойкости этих веществ по сравнению с целлюлозой.
Кроме основных органических веществ, в древесине содержится сравнительно небольшое количество экстрактивных веществ (таннидов, смол, камедей, пектинов, жиров и др.), растворимых в воде, спирте или эфире.
В качестве сырья древесину потребляют три отрасли химической промышленности: целлюлозно-бумажная, гидролизная и лесохимическая. Целлюлозно-бумажная промышленность вырабатывает целлюлозу для изготовления бумаги, картона и целого ряда целлюлозных материалов (производных целлюлозы), а также древесноволокнистых плит.
Основываясь на высокой химической стойкости целлюлозы, путём воздействия различных агентов на древесину переводят в раствор сопровождающие её менее стойкие вещества. Различают три группы способов промышленного получения целлюлозы: кислотные, щёлочные и нейтральные. Выбор того или иного способа зависит в основном от породного состава перерабатываемого древесного сырья.
К группе кислотных способов относятся сульфитный и бисульфитный. При сульфитном способе в качестве сырья используется древесина малосмолистых хвойных (ели, пихты) и ряда лиственных пород. Бисульфитный способ позволяет использовать для получения целлюлозы древесину практически любых пород.
К группе щёлочных способов относятся сульфатный и нейтральный. Наибольшее распространение получил сульфатный метод. Варка щепы ведется в растворе едкого натра и сернистого натрия. Сульфатный способ позволяет получать более прочные волокна. К достоинствам этого способа относится меньшая продолжительность варки, а также возможность осуществлять процесс по замкнутой схеме (путем регенерации щелока), что уменьшает опасность загрязнения водоемов. Этим способом получают более половины производимой в мире целлюлозы, так как он позволяет использовать древесину любых пород .
Нейтральный - способ получения целлюлозы из древесины лиственных пород, при котором варочный раствор содержит вещества (моносульфиты), имеющие реакцию, близкую к нейтральной.
Широкое применение находят производные целлюлозы. При взаимодействии целлюлозы с растворами едкого натра, азотной и серной кислот или уксусным ангидридом можно получить искусственные ткани (штапель, вискозный и ацетатный шёлк), кордонное волокно для изготовления автомобильных и авиационных шин, целлофан, целлулоид, кино- и фотоплёнки, нитролаки, нитроклеи и другие продукты.
При взаимодействии водных растворов кислот с древесиной происходит гидролиз целлюлозы и гемицеллюлоз, которые превращаются в простые сахара (глюкозу, ксилозу и др.) Эти сахара можно подвергать химической переработке, получая ксилит, сорбит и другие продукты. Однако гидролизная промышленность в основном ориентируется на последующую биохимическую переработку сахаров.
Реакция гидролиза происходит при довольно высокой температуре (150-190°С). При охлаждении гидролизата (водного раствора простых сахаров) образуются пары, из конденсата которых получают фурфурол. Он применяется в производстве пластмасс, синтетических волокон (нейлона), смол, изготовления медицинских препаратов (фурацилина и др.), красителей и других продуктов.
При дальнейшей переработке гидролизата получают кормовые дрожжи, этиловый спирт (этанол), углекислый газ. Этанол получают только из хвойной древесины, используют как растворитель и, всё больше, как топливо.
При нагревании древесины без доступа воздуха происходит пиролиз. В результате пиролиза образуется уголь, жижка и газы.
Древесный уголь, отличающийся высокой сорбционной способностью, применяют для очистки промышленных растворов, сточных вод, в производстве сахара, при выплавке цветных металлов, при изготовлении медицинских препаратов, полупроводников, электродов и для многих других целей.
Жижка - раствор продуктов разложения, используется в производстве антисептиков, фенолов, уксусной кислоты, метилового спирта, ацетона. Газы, образующиеся при пиролизе древесины, используют в качестве топлива.
Сырьём для лесохимической промышленности помимо низкокачественной древесины являются экстрактивные вещества. Добыча смолы (живицы) из хвойных пород деревьев и кустарников достигается путём подсочки. Для этого на поверхности стволов сосны или кедра осенью наносят специальную рану (карру), из которой живица вытекает в конический приёмник. Переработка живицы осуществляется на лесохимических предприятиях, где происходит отгонка с водяным паром летучей части - скипидара и уваривание канифоли.
Скипидар широко применяется как растворитель в лакокрасочной промышленности для производства синтетической камфары. Камфара используется в производстве целлюлозы, лаков и киноплёнки. Канифоль применяют в производстве каучука, бумаги, нитролаков, электроизоляционных материалов и др.
- Назад
Виноград
В садах и на приусадебных участках можно подобрать для посадки винограда место потеплее, например, с солнечной стороны дома, садового павильона, веранды. Рекомендуется высаживать виноград вдоль границы участка. Сформированные в одну линию виноградные лозы не займут много места и в то же время будут хорошо освещаться со всех сторон. Возле построек виноград надо размещать так, чтобы на него не попадала вода, стекающая с крыш. На ровных местах надо делать гряды с хорошим стоком за счет водоотводных борозд. Некоторые садоводы по опыту своих коллег из западных районов страны копают глубокие посадочные ямы и заполняют их органическими удобрениями и удобренной землей. Ямы, выкопанные в водонепроницаемой глине, - это своего рода замкнутый сосуд, который в период муссонных дождей заполняется водой. В плодородной земле корневая система винограда первое время хорошо развивается, но как только начинается переувлажнение, она задыхается. Глубокие ямы могут играть положительную роль на почвах, где обеспечен хороший естественный дренаж, водопроницаемая подпочва или возможен мелиоративный искусственный дренаж. Посадка винограда
Быстро восстановить отживший куст винограда можно методом отводков («катавлак»). С этой целью здоровые лозы соседнего куста укладывают в канавки, прокопанные до места, где раньше произрастал погибший куст, и присыпают землей. На поверхность выводят верхушку, из которой потом вырастает новый куст. Одревесневшие лозы на отводки укладывают весной, а зеленые - в июле. От маточного куста их не отделяют в течение двух-трех лет. Замерзший или очень старый куст можно восстановить посредством короткой обрезки до здоровых надземных частей или обрезки на «черную головку» подземного штамба. В последнем случае подземный штамб освобождают от земли и целиком спиливают. Недалеко от поверхности из спящих почек вырастают новые побеги, за счет которых формируют новый куст. Запущенные и сильно поврежденные морозом кусты винограда восстанавливают за счет более сильных жировых побегов, образующихся в нижней части старой древесины, и удаления ослабленных рукавов. Но прежде чем удалить рукав, формируют ему замену. Уход за виноградом
Садоводу, приступающему к выращиванию винограда, надо хорошо изучить строение виноградной лозы и биологию этого интереснейшего растения. Виноград относится к лиановым (лазящим) растениям, для него нужна опора. Но он может стелиться по земле и укореняться, как это наблюдается у амурского винограда в дикорастущем состоянии. Корни и надземная часть стебля растут быстро, сильно ветвятся и достигают больших размеров. В естественных условиях без вмешательства человека вырастает разветвленный куст винограда со множеством лоз различных порядков, который поздно вступает в плодоношение и нерегулярно дает урожай. В культуре виноград формируют, придают кустам удобную для ухода форму, обеспечивающую высокий урожай качественных гроздей. Посадка лимонника
Лимонник китайский, или схизандра, имеет несколько названий - лимонное дерево, красный виноград, гомиша (японское), кочинта, кодзянта (нанайское), кольчита (ульчское), усимтя (удэгейское), учампу (орочское). По строению, системному родству, центру происхождения и распространению лимонник китайский не имеет ничего общего с настоящим цитрусовым растением лимоном, но все его органы (корни, побеги, листья, цветки, ягоды) источают аромат лимона, отсюда и название лимонника. Цепляющаяся или обвивающая опору лиана лимонника наряду с амурским виноградом, тремя видами актинидий является оригинальным растением дальневосточной тайги. Его плоды, как и настоящего лимона, излишне кислые для потребления в свежем виде, но они обладают лечебными свойствами, приятным ароматом, и это привлекло к нему большое внимание. Вкус ягод лимонника китайского несколько улучшается после заморозков. Местные охотники, потребляющие такие плоды, утверждают, что они снимают усталость, сообщают организму бодрость и улучшают зрение. В сводной китайской фармакопее, составленной еще в 1596 году, говорится: "плод китайского лимонника имеет пять вкусов, отнесен к первой категории лекарственных веществ. Мякоть у лимонника кислая и сладкая, семена горько-вяжущие, а в целом вкус плода солоноватый. Таким образом, в нем все пять вкусов налицо". Вырастить лимонник
Ни один из строительных материалов не обладает такими качествами, как древесина. Она очень удобна в обработке. Кроме того, это один из самых прочных, легких материалов, долго сохраняющих тепло и приятный запах.
Для того чтобы приступить к работе с древесиной, обязательно потребуется терпение. Не беда, если что-то с первого раза не будет получаться – все приходит с опытом. Глазомер и твердая рука могут быть помощниками, которые не позволят ошибиться при резании, пилении, сверлении, долблении и вытачивании древесины.
Древесина не относится к капризным строительным материалам, но некоторые ошибки она просто не простит: нельзя будет надставить несколько сантиметров неровно отпиленной доски или выровнять испорченную поверхность без ущерба будущему изделию. Это не пластилин и не глина, но в пластичности им древесина не уступает.
Сырая или специально вымоченная древесина прекрасно принимает ту форму, которую вы пожелаете ей придать.
При работе можно либо исказить, либо подчеркнуть рисунок древесины. Во втором случае выполненное изделие только выиграет и прекрасно будет смотреться без покрытия слоем краски. А усилить игру тонов помогут различные древесные лаки, которые наносятся на поверхность двумя-тремя тонкими слоями.
Для того чтобы задуманное изделие максимально подчеркивало текстурный рисунок древесины и не противоречило ему, необходимо изучить его.
Нет такого бруска древесины, на котором бы не прослеживалось направление роста волокон. Наиболее полное представление о том, что получится из выбранного бруска, может возникнуть только в том случае, если распилить брусок по трем направлениям: под углом в 45°, вдоль волокон и поперек них.
Срез под углом в 45° называется тангентальным срезом, который дает текстуру древесины в виде конусообразных линий (рис. 1, а). Срез вдоль волокон даст радиальный срез, который покажет вертикальные линии волокон (рис. 1, б). Срез, проходящий поперек волокон, по сути дела, представит текстуру дерева из годичных колец (рис. 1, в). Такой срез и будет называться поперечным.
Рис. 1. Виды срезов: а – тангентальный; б – радиальный; в – поперечный.
Если правильно расположить на бруске задуманный чертеж, то внешний вид будущего изделия только выиграет. Кроме того, сложность и красота будущего рисунка напрямую зависят от разнообразия текстуры древесины.
Строение древесины
Сделав только поперечный срез, можно четко рассмотреть строение древесины. Каждый брусок необтесанного дерева имеет кору – это кожа дерева, которая не используется в работе, ее обязательно снимают. Под корой располагается зона роста дерева, которая практически неразличима невооруженным глазом.
На свежем спиле растущего дерева слой камбия представлен очень хорошо. Если снять кору, откроется тонкая прослойка влажной ткани зеленоватого цвета – это и есть камбий. За камбием расположена собственно древесина с годичными кольцами.
Древесину еще называют заболонью. В центре каждого дерева есть ядро, которое по цвету может сливаться с заболонью или иметь более темный цвет. В зависимости от этого разделяют заболонные породы древесины, где ядро не имеет ярко выраженной структуры и клетки расположены так же плотно, как и в заболони (рис. 2, а), и ядровые, где, соответственно, ядро хорошо различимо (рис. 2, б). Иногда заболонные породы дерева называют безъядровыми.
Рис. 2. Виды пород: а – заболонные; б – ядровые.
К ядровым древесным породам относятся все хвойные (сосна, кедр, ель, тис, лиственница) и некоторые лиственные породы, например дуб, ясень, тополь. Большинство лиственных пород составляет ряд заболонных, или безъядровых: береза, граб, ольха, клен.
Кроме микроструктуры древесины, к ней относится плотность расположения древесных клеток. На создание композиции и возможность использования того или иного бруска в работе влияет макроструктура древесины, представленная годичными кольцами и сердцевидными сосудами.
К макроструктуре также относится наличие различных сучков, наростов и неразвившихся побегов-глазков, которые отклоняют годичные кольца и образуют различные свилеватости.
Древесина, где наиболее четко различимы годичные кольца, горизонтальные и вертикальные сосуды, представляется наиболее интересной для обработки. Практически все хвойные породы – сосна, лиственница, пихта, ель, кедр – обладают такой древесиной.
Физические свойства древесины
К физическим свойствам древесины относятся ее плотность, влажность, теплопроводность, звукопроводность, электропроводность, стойкость к коррозии (то есть способность противостоять действию агрессивной среды), а также ее декоративные качества (цвет, блеск, запах и текстура).
Плотность древесины – это отношение ее массы к объему, измеряемой в г/см3или кг/м3. Зависит этот показатель от породы древесины, возраста, условий роста, ее влажности. Нет необходимости вдаваться в подробности изучения данного показателя; достаточно знать, что древесина, отличающаяся большей плотностью, служит гораздо дольше и менее подвержена необратимым изменениям, чем менее плотная (однако следует учесть, что для чистоты сравнительного анализа плотность древесины измеряют на образцах влажностью 15 %). Самая большая плотность у дуба, далее по убывающей следуют: ясень, клен, лиственница, бук, береза, орех, сосна, липа, осина, ель, пихта.
Влажность лесоматериалов, используемых в строительстве и при изготовлении деревянных изделий, является показателем ее качества и долговечности. На практике различают древесину: комнатно-сухую, с влажностью 8–12 %; воздушно-сухую искусственной сушки, с влажностью 12–18 % (эти два вида древесины получают путем сушки пиломатериалов в сушильных камерах); атмосферно-сухую естественной сушки, с влажностью 18–23 % (получают в результате продолжительного хранения лесоматериалов, уложенных штабелями на прокладках в сухих, проветриваемых помещениях или под навесом, без допуска воздействия прямых солнечных лучей), влажную древесину, с влажностью более 23 %.
Чем меньше показатель влажности древесины, тем меньше она подвержена гниению. Однако не следует стремиться использовать лесоматериалы наименьшей влажности. Дело в том, что структура древесины очень гигроскопична: она легко отдает переизбыток влаги при повышении температуры и уменьшении влажности окружающей среды и с такой же легкостью впитывает влагу при снижении температуры и повышении влажности окружающей среды. Это неминуемо приводит: в первом случае – к усушке древесины (уменьшению ее объемных размеров); во втором случае – к ее разбуханию (увеличению объемных размеров). И усушка, и разбухание изменяют объемные размеры деревянной детали неодинаково в различных направлениях; результат этого – коробление древесины, деформация деревянных конструкций, что в конечном итоге приводит их в негодность. Самый простой способ предупреждения коробления – применение древесины, влажность которой в момент использования соответствует эксплуатационной влажности.
Теплопроводность, звукопроводность. Деревянные дома из сруба или бруса хорошо удерживают тепло. Здоровая древесина способна распространять звук вдоль волокон: если после удара по комлевой части бревна, доски или бруса слышится чистый звенящий звук, то это говорит о высоком качестве древесины; прерывистый, глухой звук свидетельствует о ее загнивании.
Коррозионная стойкость древесины очень важна для строений и изделий, изготовленных из нее, особенно тех, которые эксплуатируются в основном под открытым небом. Следует отметить, что хвойные породы более стойки к коррозии по сравнению с лиственными, поскольку хвойная древесина пропитана природными смолистыми веществами.
Цвет, блеск, запах и текстура являются физическими свойствами древесины, позволяющими визуально определить ее породу.
Цвет способен указать на качество: например, синеватая окраска хвойной древесины свидетельствует о начальной стадии загнивания (цвет здоровой сосны – от коричневато-желтого в зонах, насыщенных смолой, до светло-желтого; цвет ели – от светло-желтого до белого); черные и темно-коричневые пятна на буковой древесине – признак загнивания (цвет здорового бука – от желто до розовато-бежевого).
Свидетельствовать о пороках древесины может и изменение запаха: если в помещении, где хранится древесина бука, ощущается стойкий запах прелой листвы, а запах в помещении, где хранятся сосновые лесоматериалы, затхлый – это явный признак процессов гниения.
Текстура древесины зависит от распила, а механическая прочность тех или иных досок или брусков – от вида разреза (рис. 3). Но и цвет, и блеск, и текстура имеют чисто декоративное значение.
Рис. 3. Составные части поперечного распила ствола и текстура древесины на трех разрезах: а – составные части поперечного распила ствола: 1 – лубяной слой коры; 2 – камбий; 3 – заболонь; 4 – ядро; 5 – сердцевина; 6 – сердцевидные лучи; б – текстура древесины сосны на трех разрезах: 1 – на поперечном; 2 – на радиальном; 3 – на тангентальном.
Механические свойства древесины
Механические свойства древесины более важны, так как от них зависят прочность и долговечность сооружений и изделий из дерева.
Механическая прочность древесины – это ее возможность противостоять различным статическим и динамическим нагрузкам. По направлению действия нагрузок различают прочность на сжатие, изгиб, скалывание (сдвиг), растяжение (рис. 4). При этом предел прочности древесины на сжатие и растяжение при направлении нагрузки вдоль волокон значительно выше, нежели при направлении нагрузки поперек волокон. Механическая прочность древесины зависит от ее физических свойств: увеличение влажности снижает прочность, а плотная древесина более прочна, чем легкая и рыхлая.
Рис. 4. Испытание прочности древесины: а – направление нагрузки: 1 – вдоль волокон; 2 – поперек волокон радиально; 3 – поперек волокон тангентально.
Пластичность – способность деревянной детали изменять форму под воздействием нагрузки и сохранять эту форму после снятия приложенной нагрузки. Это свойство имеет значение при изготовлении гнутых деталей: важно знать, что с увеличением влажности и температуры древесины ее пластичность увеличивается; поэтому детали, которые нужно выгнуть, обрабатывают горячей водой или паром. Высокой пластичностью (по убывающей) обладает древесина бука, вяза, дуба, ясеня. Хвойные породы древесины пластичностью, достаточной для сгибания деталей, не обладают вследствие прямолинейной структуры волокон.
Твердость древесины обусловлена ее способностью сопротивляться внедрению инородных тел. По этому признаку древесину разделяют на твердую – бук, дуб, клен, ясень, вяз, лиственница (самые твердые – самшит и акация) и мягкую – липа, ель, сосна, ольха.
Твердость определяет еще одно механическое свойство древесины – ее износостойкость, способность противостоять трению. Здесь имеется прямая взаимосвязь: чем тверже древесина, тем выше показатель ее износостойкости.
Из книги: Коршевер Н. Г. Работы по дереву и стеклу
Химический состав древесины
Древесина – это вещество клеточных стенок (оболочек клеток дерева), состоит в основном из органических веществ (около 99 %), и лишь небольшую часть (около 1 %) составляют минеральные вещества, которые при сжигании древесины образуют золу. Основные органические компоненты древесины являются высокомолекулярными соединениями (полимерами), которые в древесине между собой прочно связаны. Органические вещества древесины подразделяют на три основные части: углеводную, ароматическую и экстрактивные вещества. Главными компонентами древесины являются: целлюлоза (45–55 %), близкие к ней гемицеллюлоза (24–30 %) и лигнин (20–29 %).
Целлюлоза , или клетчатка имеет волокнистое строение, в чистом виде бесцветна, не имеет запаха и вкуса, очень стойка, не изменяется на воздухе и не растворяется в воде, спирте, ацетоне, эфире и других обычных органических растворителях. Целлюлоза идет на изготовление бумаги, искусственного шелка, взрывчатых веществ, ниток, целлулоида, нитроцеллюлозных лаков и других веществ. Гемицеллюлозы по своему химическому составу являются веществами, близкими к целлюлозе. Под действием кислот они легко гидролизуются и переходят в раствор. Лигнин представляет собой сложное органическое растительное вещество. От целлюлозы лигнин отличается большим содержанием углерода и меньшей стойкостью: она легко подвергается действию горячих щелочей и окислителей. В древесине хвойных пород в смоляных ходах или в смоляных клетках коры содержатся смолы . Из древесины сосны получают жидкую смолу – живицу, представляющую густую, липкую прозрачную жидкость с ароматическим запахом. В древесине многих пород (дуб, каштан) содержатся дубильные вещества – танниды, используемые в кожевенной промышленности для дубления сырых шкур и превращения их в кожу. Млечные соки некоторых растений дают особые вещества – гуттаперчу. Породы, дающие гуттаперчу, называют каучуконосами (бересклет бородавчатый), т.к. она является сырьем для получения каучука.
2. Свойства древесины
Свойства древесины подразделяются на физические, механические, химические и биологические.
Физическими называются такие свойства древесины, которые можно определить без нарушения целостности испытуемого образца, без изменения его химического состава. К физическим свойствам древесины относятся: внешний вид и запах, объемная масса, влажность, гигроскопичность, водопроницаемость, теплопроводность, звукопроводность, пористость, усушка, разбухание и коробление, газопроницаемость и др.
Внешний вид древесины определяется ее цветом, блеском и текстурой. Цвет древесине придают находящиеся в ней дубильные, смолистые и красящие вещества. Древесина пород, произрастающих в различных климатических условиях, имеет и различный цвет: от белого (осина, ель, липа) до черного (черное дерево). Блеск древесины зависит от количества, размеров и расположения сердцевинных лучей. Плотная древесина обладает обычно большим блеском (бук, клен, ильм, платан, акация). Текстурой называется рисунок, который получается на разрезах древесины при перерезании ее волокон, годовых слоев и сердцевинных лучей. Текстура зависит от особенностей анатомического строения отдельных пород древесины в направлении разреза. Запах древесины определяют находящиеся в ней смолы, эфирные масла, дубильные и другие вещества. В свежесрубленном состоянии древесина имеет более сильный запах, чем после высыхания. Ядро пахнет сильнее заболони.
Объемная масса характеризует древесину при стандартной 15 % влажности. От ее величины зависят строительно-технические свойства. Отношение веса вещества к весу воды, взятому в одинаковом объеме, называется удельным весом данного вещества. Удельный весь древесинного вещества составляет в среднем 1,49–1,57 г/см 3 . Так как древесина имеет поры, то в практике важен вес единицы объема древесины в ее естественном состоянии, т.е. объемный вес древесины. Объемная масса древесины в воздушно-сухом состоянии колеблется в значительных пределах – от 380 кг/м 3 для очень легких пород деревьев (пихта сибирская) до 1050 кг/м 3 для наиболее тяжелых (саксаул, фисташка). В зависимости от величины объемной массы в воздушно сухом состоянии древесину можно разделить на следующие группы: породы легкие, объемный вес до 0,55 (сосна, ель, пихта, кедр, тополь, липа, осина, каштан, ива, черемуха); породы среднетяжелые, объемный вес 0,56–0,75 (лиственница, тис, берест, вяз, береза, ильм, бук, дуб, клен, рябина, черешня, яблоня, ясень, можжевельник); породы очень тяжелые, объемный вес выше 0,76 (акация белая, береза железная, граб, груша, самшит, саксаул, фисташник, хмелеграб, кизил).
В практике приняты следующие понятия, характеризующие степень влажности срубленной древесины: мокрая (находящаяся долгое время в воде) – доходит до 150–200 %; свежесрубленная древесина: для хвойных пород 80–100 %, для мягких лиственных пород 60–93 %, для твердых лиственных пород – 36–78 %; транспортная – влажность не выше 22 %; воздушно-сухая – 15–20 %, комнатно-сухая – 8–13 %,. Влажность древесины длительное время находящейся на воздухе с постоянной относительной влажностью и температурой, называется равновесной, а влажность, соответствующая предельному содержанию гигроскопической влаги – точкой насыщения волокон. Древесина обладает высокой гигроскопичностью, ее влажность изменяется в зависимости от относительной влажности воздуха.
Гигроскопичность (влагопоглощение ) – способность древесины поглощать пары воды из окружающего воздуха и отдавать содержащуюся в ней влагу. Гигроскопичность является отрицательным свойством древесины, так как обусловливает изменение плотности, объемной массы, теплопроводности и прочности древесины, изменяемость размеров деревянных конструкций в процессе их эксплуатации в зданиях и сооружениях, восприимчивость к бактериальному поражению. Водопроницаемость древесины определяется количеством воды, профильтровавшейся через поверхность образца за определенное время (г/см3) и зависит от породы древесины, ее исходной влажности, характера среза и других факторов. В процессе испарения гигроскопической влаги происходит уменьшение линейных и объемных размеров древесины.
Теплопроводность древесины невелика и зависит от объемной массы, характера пор и влажности, при увеличении плотности и влажности теплопроводность увеличивается. Теплопроводность древесины неодинакова: в направлении вдоль волокон коэффициент теплопроводности примерно в 1,5–3 раза больше, чем поперек.
Звукопроводностью называется свойство материала пропускать сквозь свою толщу звук. Древесина является хорошим проводником звука, который распространяется в ней в 2–17 раз быстрее, чем в воздухе. Большая звукопроводность древесины является ее отрицательным свойством, вызывая необходимость применения звукоизолирующих материалов. Звук распространяется быстрее вдоль волокон и медленнее поперек волокон (особенно в тангенциальном направлении). Сырая и загнившая древесина проводит звук значительно хуже сухой и здоровой. Резонансные свойства древесины зависят от однородности ее строения и объемного веса. Наилучшими резонирующими свойствами обладает древесина ели, кавказской пихты и кедра сибирского.
Электропроводность древесины подвержена значительным изменениям и зависит от ее породы, температуры, направления годовых слоев и влажности. С повышением температуры и влажности электропроводность древесины увеличивается.
Пористость древесины хвойных пород колеблется от 46 до 80%, лиственных – от 32 до 80%.
Усушка, разбухание и коробление . При увлажнении сухой древесины до достижения ею предела гигроскопичности стенки древесных клеток утолщаются, разбухают, что приводит к увеличению размеров и объема деревянных изделий. Усушка древесины происходит за счет удаления связанной влаги из стенок клеток. Вследствие неоднородности строения древесина усыхает в различных направлениях неодинаково. При разбухании и усушке происходит коробление и растрескивание лесных материалов. Коробление вызывает появление внутренних напряжений в древесине и растрескивание пиломатериалов и бревен.
Механическими называются свойства древесины оказывать сопротивление действующим на нее внешним механическим силам (нагрузкам). Механические свойства древесины в значительной степени зависят от объемной массы, с повышением которой увеличивается прочность. С повышением влажности прочность уменьшается. К механическим свойствам древесины относятся прочность, упругость, твердость, вязкость, хрупкость . Во многих деревянных конструкциях древесина работает на сжатие, смятие, скалывание, изгиб и реже на растяжение как вдоль, так и поперек волокон. У хвойных пород предел прочности при сжатии вдоль волокон в 10–12 раз больше, чем поперек, а у лиственных – в 5–8 раз. Прочность древесины при растяжении вдоль волокон очень высокая, она превышает ее прочность при сжатии вдоль волокон и составляет 1200-1300 кг/см 2 . Прочность древесины при статическом изгибе в среднем в 2 раза выше прочности ее на сжатие вдоль волокон. Прочность древесины на скалывание вдоль волокон в 8-10 раз меньше, чем при растяжении, и в 5 - 6 раз меньше, чем при сжатии.
Твердостью называется способность материала сопротивляться проникновению в него другого, более твердого тела, не получающего остаточных деформаций. Количественно твердость измеряется усилием в кг, которое нужно приложить для того, чтобы вдавить в материал другое, более твердое тело. Твердость измеряется в кг на 1 см 2 поверхности (кг/см 2 ). Различают твердость древесины - торцовую, тангенциальную и радиальную. Торцовая твердость древесины превосходит боковую. С изменением влажности на 1 % торцовая твердость древесины изменяется на 3 %, боковая - на 2 %. Основные породы располагаются в следующей последовательности по степени их твердости в порядке уменьшения: кизил, фисташка, хмелеграб, граб, ясень, груша, берест, дуб, эвкалипт, бук, рябина, можжевельник, клен остролистный, вяз, береза, лиственница, кипарис, ольха, каштан, сосна, ива белая, осина, ель, кедр, пихта сибирская.
Раскалываемостью называется способность древесины расщепляться вдоль волокон под действием расклинивающих ее сил. Легко раскалывается мёрзлая древесина. Раскалываемость древесины должна учитываться при скреплении деталей гвоздями и болтами, особенно у торца и кромок.
При изготовлении изделий из древесины большое значение имеют технологические свойства. К ним относятся обрабатываемость резанием, сопротивление истиранию, способность к загибу, склеиванию и окрашиванию, а также способность удерживать металлические крепления.
Химические свойства древесины характеризуют ее стойкость к действию кислот, щелочей и других реагентов. Древесина обладает высокой стойкостью к действию раствора щелочей, солей и большинства органических кислот. Однако растворы минеральных кислот, особенно азотной, а также морская вода разрушают древесину. Древесина хвойных пород обладает большей коррозионной стойкостью к действию агрессивных сред, чем древесина лиственных пород. Снижение химической стойкости древесины сопровождается изменением ее цвета – от побурения до обугливания.
Древесина является горючим материалом: температура ее обугливания 120–150 о С; температура воспламенения 250–300 о С. Для защиты от возгорания древесину пропитывают огнезащитными составами (антипиренами), окрашивают жидкими огнезащитными материалами и др.
Биологические свойства древесины определяются стойкостью против грибов, плесени и насекомых, которая зависит от содержания смолистых, дубильных и других веществ. По биостойкости древесину подразделяют на три группы: наиболее стойкая (тисс, дуб), среднестойкая (сосна, кедр) и малостойкая (осина, бук). Гнилостойкость древесины повышают путем обработки ее антисептиками, к которым относятся органические и минеральные вещества с высокой токсичностью к грибам и насекомым.
