Дерево

Дерево

ДЕРЕВО, многолетнее растение, которое характеризуется мощным развитием осевой части (древесного ствола) и сосредоточием осей второго и высших порядков (ветвей) в верхней части ствола.

Строение дерева

Совокупность ветвей, расположенных на древесном стволе, носит название кроны дерева. Крона может иметь разнообразную форму, от яйцевидно-эллиптической, округлой до обратно-яйцевидной, на вершине притупленной. С возрастом, по мере ослабления роста дерева по высоте, крона начинает приобретать более притупленный и зонтикообразный вид, так что по внешним очертаниям кроны у одной и той же породы возможно иногда судить о возрасте дерева. Развитие кроны дерева, а вместе с тем и самого ствола, в значительной степени зависит от того, находится ли дерево на открытом, со всех сторон освещенном месте или растет в насаждении, т. е. в соседстве с другими затеняющими его деревьями. В первом случае у него развивается широкая и очень низкоспущенная крона, короткий ствол приобретает форму конуса и весьма слабо очищается от сучьев. При росте в насаждении крона дерева поднимается высоко на стволе, занимая лишь небольшую верхнюю его часть, нижние сучья отмирают, и ствол очищается от них на большую высоту, а благодаря сосредоточию кроны в верхней части ствола здесь происходит и концентрация прироста, и сам ствол приобретает форму, близкую к цилиндру, становясь, как говорят, полнодревесным. В силу того, что верхние ветви кроны затеняют нижние и поглощают своими листьями световую энергию, наступает такой момент, когда на нижних ветвях почки уже не развиваются в побеги и листья, ветви отваливаются, места их прикрепления зарастают, и ствол становится гладким. Поэтому, регулируя известным образом жизненные процессы дерева, можно придать ему форму и качества, наиболее отвечающие практическим надобностям, т. е. прямизну, полнодревесность и отсутствие сучьев.

Полнодревесность ствола определяют или путем вычисления особых видовых чисел, показывающих отношение объема ствола к объему цилиндра, имеющего одинаковую с деревом высоту и нижний диаметр, или же путем определения сбега ствола, т. е. разницы верхнего и нижнего диаметров ствола, отнесенной к единице его длины. Полнодревесность ствола зависит от природы дерева, класса бонитета и полноты насаждения, в которой выросли деревья.

Наибольшей прямоствольностью обладают: из хвойных пород - ель, пихта, дугласова пихта, за ними следуют лиственница, веймутова сосна, обыкновенная сосна; из лиственных пород - тополь, ольха, сидячецветный дуб. Рост дерева в высоту происходит путем ежегодного образования нового побега из верхушечной почки, а иногда из боковых почек на вершине дерева. Рост по высоте подчиняется определенному закону, по которому вначале он идет довольно медленно, достигает в определенном возрасте максимума, а затем падает и сходит почти на-нет. Этот же закон применим и к росту дерева по диаметру, с тем отличием, что максимум роста наступает несколько позднее и продолжается, хотя в слабой степени, до самого конца жизни дерева. Иллюстрацией этого закона может служить фиг. 1, на которой приведены кривые прироста у пихты по высоте (сплошная кривая) и диаметру (пунктир).

Прирост пихты по высоте и диаметру

Древесные породы, у которых максимальный прирост по высоте наступает в раннем возрасте, называются быстрорастущими; те же, у которых он приходится на более поздний возраст, носят название медленнорастущих. По быстроте роста можно расположить древесные породы в следующем убывающем порядке: лиственница, осина, черная ольха, береза, ильмовые, сосна, клен, ясень, дуб, липа, ель и пихта. Наибольшей продолжительностью роста по высоте обладают: ель, пихта, лиственница, сосна; средней: дуб, ясень, бук, липа, клен, ильмовые; наименьшей: береза, граб, ольха, ива. Как быстрота роста по высоте, так и продолжительность зависят от внешних условий, т. е. от почвы, климата и воспитания. Во всех случаях, когда внешние условия и методы воспитания благоприятны данной породе, она дает и наибольший прирост по высоте. В отношении достигаемых деревьев размеров высоты их можно разделить на три класса. К деревьям 1-го класса можно отнести такие, которые в возрасте 100—150 лет достигают 35—40 м высоты, а в более старом возрасте - даже 50 м; сюда принадлежат: ель, пихта, лиственница, дугласова пихта, обыкновенная сосна, веймутова сосна. Из лиственных пород к этой же категории относятся те, которые достигают в 100 лет 30—35 м, а именно: дуб, бук, ясень, клен, липа, ильмовые, ольха.

Деревья 2-го класса характеризуются высотой в 20—25 м, редко - в 30 м; к ним относятся: осина, виды Pirus и Prunus, береза, граб, ива, сибирский кедр, тис, горная сосна (f. uncinata), гикори, виргинский можжевельник. К 3-му классу относят деревья, высота которых 8— 15 м; это уже полудеревья или высокие кустарники: обыкновенный можжевельник, бересклет, Viburnum, бузина, терн, сирень, дерен и т. п. Внутреннее строение ствола древесных пород легче всего видеть на поперечном разрезе (фиг. 2; а - камбий, b - первичный сердцевинный луч, с - вторичный сердцевинный луч, d - ядро, е - заболонь, f - сердцевина, g - луб, h - кора).

Внутреннее строение ствола древесных пород

Снаружи ствол бывает одет коркой, представляющей собой отмершие части коры, за коркой находится пробковый камбий - особая ткань, делением клеток которой образуется нарастание пробковой ткани. Непосредственно за пробковой тканью, представляющей защитный покров дерева, находится лубяная ткань, состоящая из прозенхимных клеток: ситовидных трубок и лубяных волокон и некоторого количества лубяной паренхимы. Вся система лубяной ткани, за исключением лубяных волокон, особенно ситовидные трубки, служит проводящей тканью, по которой направляются из листьев в нижние части ствола питательные вещества - так называемые пластические, идущие на построение тканей всего древесного организма. На внутренней периферии лубяной ткани находится слой деятельных клеток, носящий название камбия; путем деления этих клеток тангенциальными перегородками происходит образование элементов лубяных клеток, если они лежат кнаружи, и элементов древесных клеток, если они лежат внутри. Это - самая важная часть ствола, благодаря деятельности которой и происходит утолщение ствола. Вслед за камбиальным кольцом с внутренней стороны образуется состоящая из концентрических колец особая ткань, носящая название древесины, и, наконец, в центре ствола имеется ткань, носящая название сердцевины. По радиусам от центра к периферии идут особые образования, которые носят название сердцевинных лучей; когда эти лучи идут от самого центра до периферии ствола, они носят название первичных сердцевинных лучей, а когда они начинаются на некотором расстоянии от центра, то их называют вторичными сердцевинными лучами.

Сердцевинные лучи, создавая связь между центральной частью ствола и периферией, являются, с одной стороны, как бы поперечной скрепой, а с другой - проводниками питательных веществ внутрь ствола, а также изнутри в кору. Распределение основных тканей ствола можно видеть на фиг. 3: а - камбий; b и с - сердцевинные лучи; f - сердцевина; от а до f - древесина; i - граница годичного слоя; k - граница летней зоны годичного слоя.

Распределение основных тканей ствола

В самой древесине можно различить ряд живых и мертвых клеток: к первой категории принадлежат сердцевинные лучи и древесная паренхима, служащие местом отложения запасных веществ; ко второй - сосуды, трахеиды, по которым направляется ток воды от корней к кроне, и древесные волокна, составляющие механическую ткань, придающую крепость древесине, благодаря толщине своих стенок. Внешние ряды древесинной ткани являются проводниками, по которым продвигается из корней вверх по стволу к его кроне вода и растворенные в ней минеральные вещества. Здесь, в листьях, эта вода и растворенные в ней вещества в процессе фотосинтеза превращаются в сложные органические соединения типа углеводов. Концентрическая слоистость в древесине происходит в силу того, что камбий в течение вегетационного периода откладывает неоднородные клетки, а именно: весной откладываются главным образом тонкостенные клетки трахеид, а летом - ряды толстостенных клеток, преимущественно - древесных волокон. В силу резкой разницы в цвете между весенней частью древесины и летней, благодаря сильному утолщению стенок древесных волокон в летней части годичного слоя, получается концентричность в поперечном разрезе. Совокупность отложенной летней и весенней древесины носит название годичного слоя. Чем лучше условия погоды данного года, чем моложе дерево, чем лучше условия освещения и питания, тем большей ширины получается годичное кольцо. Надо отметить также, что при неблагоприятных условиях питания и при большом расходе питательных веществ во время образования плодов или под влиянием повреждений дерева годичное кольцо сильно суживается и при сильном угнетении дерева может даже совершенно отсутствовать. Если в течение вегетационного периода, в силу каких-либо неблагоприятных условий, деятельность камбиального слоя приостанавливается, а затем снова возобновляется, то могут образоваться два годичных кольца. Выпадение годичных колец и образование двойных - явления редкие, а потому счетом числа годичных колец на пневом срезе у корневой шейки можно легко установить возраст дерева.

Абсолютно сухая мертвая древесина имеет следующий состав: 48—54% целлюлозы, 27—30% лигнина, 13—25% прочих углеводов, 0,3—0,5% зольных веществ. Свежесрубленная древесина содержит 40—60% воды (по весу). В живых клетках древесины отлагаются в качестве запасных веществ крахмал, жиры, масла и содержатся частью белковые вещества, служащие основой протоплазменных образований в клетках. В качестве вместилищ для запасных веществ служат сердцевинные лучи и древесная паренхима. Кроме указанных веществ, в древесинной ткани встречаются дубильные вещества, смолы, жиры и терпены. Об элементарном химическом составе целлюлозы и древесной ткани можно судить по следующим цифрам (в % к сухому веществу):

Химический состав целлюлозы и древесной ткани

В древесине (а иногда в коре) хвойных пород находятся особые образования, которые носят название смоляных ходов; в них образуются смолы. Содержание смолы в 1 м3 древесины хвойных пород, по данным профессора Майра, колеблется в следующих пределах (в кг):

Содержание смолы в древесине хвойных пород

С возрастом внутренняя часть ствола, состоящая из омертвевших клеток, становится более сухой; в ней откладываются частицы минеральных, красящих и дубильных веществ, смолы и защитных веществ, имеющих характер антисептиков, для предохранения древесины от разложения; эти видоизменения в древесине приводят к расчленению древесного ствола на две части, отличающиеся как по цвету, так и по качествам. В тех случаях, когда внешняя, или заболонная, часть резко отличается по цвету от внутренней, называемой ядром, такие древесные породы носят название ядровых; к ним принадлежат: лиственница, сосна, тис, обыкновенный можжевельник, туя, дуб, съедобный каштан, белая акация, ясень, ильм, тополь, ива. При отсутствии разницы в цвете между наружной и внутренней частями древесины, но при наличии разницы в качествах, внутренняя часть носит название спелой древесины, а самые древесные породы называются спелодревесными; к ним относятся: ель, пихта, бук, липа, береза, полевой клен. Наконец, древесные породы, у которых незаметна разница между древесиной наружной и внутренней частей ствола, носят название заболонных; таковы: береза, ольха, клен, граб, осина.

Анатомическое строение древесного ствола и соотношение в нем толстостенных и тонкостенных клеток в значительной степени предопределяют техническую ценность древесины, завися как от условий питания древесного организма, так и от условий его воспитания. В общем, можно сказать, что чем больше диаметр сосудов, чем тоньше их стенки, тем хуже технические свойства дерева. Наглядным признаком, свидетельствующим о хороших условиях произрастания и воспитания дерева, является ширина годичного слоя: чем он шире, тем лучше вышеуказанные условия. Однако, для технической оценки дерева одной ширины годичного слоя недостаточно. Наилучшим мерилом в этом случае является соотношение между шириной весенней и летней древесины в годичном слое: чем большую часть от общей ширины составляет летняя древесина, тем выше ее качество. У лиственных древесных пород, которые характеризуются сосредоточием сосудов в весенней части годичного слоя, уширение последнего происходит за счет увеличения ширины летней части древесины. Следовательно, у этих древесных пород, так называемых кольцепоровых, к которым относятся дуб, ясень, каштан, вяз, ильм, каркас, гикори и другие, широкослойная древесина будет в то же время и древесиной хороших технических свойств. Другая группа лиственных древесных пород (бук, граб, клен, ольха, береза, липа, тополь, ива), характеризующаяся рассеянным расположением сосудов по всей ширине годичного слоя, вышеуказанным соотношением между шириной годичного слоя и техническими качествами древесины не обладает. Утолщение годичного слоя у хвойных пород часто происходит за счет увеличения ширины весенней части годичного слоя и в этом случае ведет к ухудшению технических качеств древесины. В одном и том же дереве количество летней древесины сильно колеблется в различных его частях; например, в стволе ели - от 5 до 35%, в сучьях - до 75%. Вместе с тем оно зависит от возраста дерева; например, у сосны в возрасте 5 лет наблюдается 10% летней древесины, в возрасте от 5 до 105 лет - 40%, от 105 до 155 лет - 30% и от 155 до 200 лет - 20%; у дуба в возрасте 20—40 лет - 79,5% летней древесины, а в возрасте 360—400 лет - всего 5%. Количество летней древесины, а следовательно, и технические свойства неодинаковы и в различных частях одного и того же ствола по его оси, как о том свидетельствуют следующие цифры для сосны:

Derevo 6

В общем можно установить, что для получения лучших технических качеств древесины необходимо, чтобы увеличение прироста сопровождалось улучшением общих условий питания дерева, без усиленного развития кроны дерева, которое влечет за собой преобладание сосудистых элементов в годичном слое, соответственно понижая качество древесины. Профессор Майр устанавливает, что увеличение ширины годичных колец обусловливает возрастание удельного веса древесины до тех пор, пока условия произрастания данной породы близки к свойственному ей температурному оптимуму. Следовательно, воспитывая дерево в условиях пониженного испарения, регулируя развитие кроны и почвенных процессов в лесу, можно создать дерево нужных технических свойств. Эти свойства являются и заданиями для лесоводства при воспитании древесины. Только правильно построенный ствол дерева и здоровая древесина дают хороший технический материал. Разнообразные уклонения от нормального состояния, возникающие под влиянием различных внешних влияний, а также в силу нападения на деревья различных паразитов из мира насекомых и грибов, носят название пороков древесины. Знание законов, управляющих ростом и развитием дерева, позволит рационализировать систему воспитания древесных организмов для создания такой их формы и строения, которые бы отвечали насущнейшим запросам хозяйства к дереву как материалу для различного рода технических производств.

Физические свойства дерева

Цвет и блеск. Многие тропические породы обладают характерной и интенсивной окраской; породы же, произрастающие в СССР и применяемые для строительных и технических целей, не имеют резких различий в цвете древесины. Тем не менее, по оттенку древесины, в связи с ее строением, можно определить ее доброкачественность и породу дерева. Т. о., в древесине можно различать темное ядро от светлой оболони и темную зону летней древесины годового слоя от светлой зоны весенней древесины. Суждение о цвете древесины необходимо производить по свежему разрезу или расколу, так как под влиянием внешних условий окраска изменяется. Действие света и воздуха, пребывание в воде, пропаривание вызывают потемнение древесины в зависимости от продолжительности воздействия. Ненормальный цвет древесины, темные или цветные (красноватые, бурые, синеватые) пятна или полосы являются признаком загнивания. Здоровая древесина обнаруживает некоторый блеск на плоскостях раскола, в особенности в радиальных плоскостях, благодаря присутствию сердцевинных лучей. Первым признаком загнивания служит утрата древесиной свойственного ей блеска и появление матовости.

Запах. Вещества, содержащиеся в древесине, сообщают ей определенный запах, который в некоторых случаях может служить дополнительным признаком при определении породы и доброкачественности древесины. Большинство хвойных пород отличается смолистым запахом, а некоторые породы обладают резким специфическим запахом, как, например, кипарис, камфорное дерево, сандаловое дерево, дуб. Дерево, пораженное гнилью, не только утрачивает запах, присущий здоровой древесине данной породы, но и приобретает особый неприятный гнилостный запах.

Акустические свойства дерева. Здоровая сухая древесина является довольно хорошим проводником звука, особенно в продольном направлении. Древесина, пораженная загниванием, теряет в большей или меньшей степени плотность и упругость и при постукивании по больным местам или около них дает глухой звук, который, однако, отличается от мягкого звука сырой древесины. Скорость распространения звука для сосны - около 3350 и для осины - около 5000 м/сек. Подобно другим упругим материалам, древесина может вибрировать под действием звуковых волн, усиливая первоначальный звук. Это явление, называемое резонансом, широко используется в применении древесины для дек музыкальных инструментов.

Теплопроводность, теплоемкость и коэффициент расширения. Древесина обладает слабой теплопроводностью и потому часто употребляется в качестве изоляционного материала. Более плотные породы обладают большей теплопроводностью, чем менее плотные. С повышением влажности теплопроводность древесины увеличивается. Теплоемкость древесины практически м. б. принята одинаковой для всех пород дерева, а именно 0,327. Коэффициент расширения древесины вдоль волокон при обыкновенной температуре колеблется приблизительно от 0,000002 до 0,00001 (на 1°), поперек волокон - от 0,00003 до 0,00006.

Электропроводность. Древесина является плохим проводником электричества. Легкие породы проводят электричество хуже, нежели плотные. Влажность увеличивает электропроводность древесины. Соли, вводимые в древесину для предохранения от загнивания, также увеличивают электропроводность.

Влажность. Под влажностью древесины подразумевается процентное отношение веса содержащейся в древесине влаги к весу этой древесины в абсолютно сухом состоянии, т. е.

Влажность древесины

где Q1 - вес до высушивания, Q2 - вес после высушивания до постоянного веса при температуре 100° (этот вес принимается как вес абсолютно сухой древесины, хотя в ней остается еще ничтожное количество влаги). Влага может находиться в древесине или в клеточных стенках или в полостях клеточек и межклетных пространствах (капиллярная влага). В первую очередь сухая древесина воспринимает влагу клеточными стенками, и лишь по насыщении их воспринимается капиллярная влага. Максимальное содержание влаги в стенках клеточек называется точкой насыщения волокон, которая бывает при влажности древесины в пределах 20—35%. Кроме точки насыщения волокон, практически различают три основных состояния древесины по влажности: а) свежесрубленное, при котором влажность в среднем около 100% по отношению к абсолютно сухой древесине, б) воздушно-сухое - при влажности от 10 до 20%, в) абсолютно сухое. В виду того, что влажность древесины имеет исключительно важное значение, как для физических, так и для механических ее свойств, необходимо, в целях сравнимости, относить все данные к определенной нормальной влажности, которая международными правилами установлена в 15%.

Гигроскопичность - способность древесины поглощать или выделять влагу в зависимости от соотношения между ее влажностью и относительной влажностью воздуха. Определенной относительной влажности воздуха соответствует своя определенная влажность древесины, когда переход влаги прекращается и устанавливается равновесие. Переход влаги совершается тем сильнее, чем больше несоответствие между влажностью древесины и относительной влажностью воздуха. Гигроскопичность древесины уменьшается от влияния высокой температуры на древесину. Скорость поглощения влаги из воздуха древесиной с торцовой поверхности значительно больше, чем с продольных поверхностей, и для заболони больше, чем для ядра. При всех прочих равных условиях гигроскопичность зависит от породы дерева.

Усушка и разбухание. Изменение содержания в древесине капиллярной влаги не оказывает влияния на размеры взятой древесины, но изменение содержания влаги в клеточных стенках вызывает соответственно уменьшение или увеличение их размеров, а, следовательно, усушку или разбухание древесины. Разбухание представляет собою явление, противоположное усушке. Различают усушку объемную и линейную по трем направлениям, а именно - продольную, тангенциальную и радиальную. Полная усушка происходит при постепенном уменьшении влажности от точки насыщения волокон до абсолютно сухого состояния их. Усушка выражается в % от размеров в абсолютно сухом состоянии, а именно:

Усушка древесины

где V1 - линейный размер или объем древесины до высушивания, V2 - линейный размер или объем древесины после высушивания. Для учета влияния усушки в зависимости от изменения влажности определяют коэффициент усушки, т. е. усушку в %, соответствующую уменьшению влажности на 1%, а именно:

Derevo 9

где К - влажность в %.

Линейная усушка неодинакова в различных направлениях. В продольном направлении она ничтожна (за некоторыми исключениями, от 1/10 до 1/3 %) и практически во внимание не принимается. В тангенциальном направлении усушка приблизительно вдвое больше, чем в радиальном. Для различных пород колебания в усушке наблюдаются следующие: в радиальном направлении от 2,1 до 8,2%, а в тангенциальном направлении от 4,2 до 14,3%, в объемной усушке от 7,8 до 19,9%. В зависимости от породы коэффициент объемной усушки колеблется от 0,2 до 0,75%.

Коробление является прямым последствием неодинаковой усушки древесины в радиальном и тангенциальном направлениях. При высыхании боковой доски годовые слои, в особенности те, которые в продольном направлении перерезаны только одной плоскостью распила, стягивают древесину и заставляют отгибаться кромки доски в сторону выпуклости годовых колец, вследствие чего доска коробится. Чем больше относительное протяжение годовых колец в сечении доски по сравнению с ее толщиной, тем сильнее проявляется коробление, и, следовательно, чем дальше от сердцевины выпилена доска (тангенциальная распиловка), тем сильнее происходит коробление. Середовая доска (радиальная распиловка), вследствие симметричности по отношению к сердцевине, коробления не обнаруживает. При косослойной древесине покоробившаяся доска получает одновременно некоторое закручивание соответственно степени косослойности. Коробление может также иметь причиной неравномерную усушку, вызванную различной степенью влажности материала по толщине.

Растрескивание. Вследствие того, что высыхание древесины происходит сначала с поверхности и только постепенно проникает вглубь, усыхающие наружные части сжимают более влажные внутренние, сами подвергаясь растяжению, которое, по достижении определенного предела, приводит к разрыву древесины, т. е. к образованию трещин. Вследствие наибольшей скорости испарения влаги с торца, трещины на нем возникают особенно легко. Т. к. в тангенциальном направлении усушка вдвое больше, чем в радиальном, то значительные напряжения появляются в радиальных плоскостях, по которым и происходит растрескивание на боковых поверхностях. Для предупреждения появления трещин необходимо замедлять высыхание с поверхности, и потому торцы покрывают парафином, смолой, краской и другими веществами, задерживающими испарение влаги,  а сам материал укладывают надлежащим образом в штабели.

Внутренние напряжения. Как последствия неравномерной усушки в древесине могут образоваться внутренние напряжения: а) сжатия внутренней зоны и растяжения наружной, когда последняя подсохла, а первая не успела отдать соответствующего количества влаги и наружная усохшая зона сдавливает внутреннюю; б) растяжения внутренней зоны и сжатия наружной, когда древесина высохла по всей толщине, но само высыхание происходило в порядке, указанном в §а, а затем постепенно древесина высохла и получила соответствующую усушку внутренняя часть, в которой вследствие этого создалось натяжение по отношению к наружной части, сжимаемой таким образом по своей периферии. Наличие внутренних напряжений может иметь следствием коробление материала при распиловке и уменьшение крепости древесины. Внутренние напряжения могут быть избегнуты посредством рациональной постановки высушивания.

Вес. Вес древесины характеризуется удельным весом, но так как древесина в том виде, в каком она идет для изделий, представляет собой пористое и гигроскопическое тело, то различают удельный вес древесины в этом виде, т. е. с воздушными промежутками и влажностью (объемный, или относительный, удельный вес), от удельного веса самого древесинного вещества как тела плотного (абсолютный удельный вес). Удельный вес самого древесинного вещества приблизительно одинаков для всех пород, а именно около 1,5; поэтому характеристикой древесины по весу является ее объемный удельный вес. Этот удельный вес зависит гл. образом от количества древесинного вещества и влаги в данном объеме древесины, и поэтому он имеет значительные колебания для разных пород и разной влажности. В целях сравнения удельного веса древесных пород независимо от влажности, удельный вес древесины, установленный в пределах влажности 10—20%, приводят к нормальной влажности в 15%, для чего можно пользоваться следующей формулой:

Сравнение удельного веса древесных пород

где Gk - удельный вес при данной влажности К, Y - коэффициент усушки в %, К - влажность в %.

Механические свойства дерева

Механические свойства, характеризующие способность древесины сопротивляться воздействию внешних усилий, находятся в зависимости от условий, указанных ниже, и поэтому для сравнения коэффициентов механических свойств необходимо принимать во внимание влияние этих условий. Цифры, получаемые в результате испытаний нормальных образцов древесины, характеризуют ее с точки зрения доброкачественности, но не всегда могут служить основанием для расчета сооружений. Для последней цели необходимы специальные испытания в соответствии с формой и размерами отдельных частей и допустимыми недостатками применяемой в сооружениях древесины.

Сжатие является одним из наиболее распространенных видов напряжения, которым подвергают дерево в сооружениях. Различают сжатие вдоль и поперек волокон (в тангенциальном и радиальном направлениях). Сопротивление сжатию поперек волокон меньше сопротивления сжатию вдоль волокон в 3—6 и более раз. Сопротивление сосны сжатию поперек волокон, в тангенциальном направлении, приблизительно в 1,5 раза больше, чем в радиальном; в породах с сильными сердцевинными лучами, как в дубе, сопротивление в радиальном направлении м. б. больше, чем в тангенциальном.

Изгиб статический находит широкое применение при нагрузке деревянных частей в виде балок. Направление годовых слоев оказывает влияние на коэффициент крепости, причем наименьшие колебания его наблюдаются при нагрузке в тангенциальном направлении. Предел упругости при изгибе почти равен (немного больше) коэффициенту крепости при сжатии вдоль волокон. При применении коэффициентов крепости, полученных при испытании на изгиб небольших образцов (сечением 2x2 см, длиной 30 см, при расстоянии между опорами 24 см), для расчета прямоугольных балок крупных размеров, вместо обычной формулы момента сопротивления пользуются иногда следующей:

Статический изгиб прямоугольных балок крупных размеров

где b - ширина, h - высота, а n - показатель, величину которого, в зависимости от качества древесины, принимают равной 10/6 для авиационного леса и 8/6 для строительного леса. Способность древесины давать большую деформацию называют гибкостью, большую упругую деформацию - упругостью и большую остающуюся деформацию - вязкостью.

Изгиб ударный имеет место во многих случаях практики (экипажи, аэропланы, земледельческие машины и пр.), и поэтому в настоящее время определение сопротивляемости древесины такого рода нагрузке приобретает все большее значение. Сопротивление ударному изгибу измеряется работой, поглощаемой образцом при разрушении и относимой или к объему (по общей теории для удара) или к размерам поперечного сечения bhn (по франц. данным), где n имеет то же значение, которое приведено выше.

Скалывание. Под скалыванием древесины подразумевается разрушение ее от сдвига вдоль волокон под действием усилия в том же направлении. Древесина сопротивляется скалыванию очень слабо; в лучшем случае это сопротивление можно считать равным 1/7—1/10 сопротивления сжатию вдоль волокон. Раскалывание представляет собою разделение древесины вдоль волокон под действием клина и имеет значение в работах при приготовлении колотого материала и при креплении гвоздями и шурупами. Раскалываемость древесины зависит от сопротивления разрыву поперек волокон и от упругости. В радиальных плоскостях древесина раскалывается легче, чем в тангенциальных, где приходится преодолевать сопротивление разрыву сердцевинных лучей. Сопротивление раскалыванию характеризуется максимальным усилием, приходящимся на единицу ширины образца определенной формы.

Скручивание древесины встречается реже сравнительно с другими видами напряжения, но в некоторых случаях, как, например, в валах мельниц или в лопастях пропеллеров, оно имеет место.

Твердость древесины характеризуется сопротивлением, которое она оказывает проникновению в нее другого, более твердого тела. Твердость древесины имеет значение при обработке и вообще при местном воздействии усилия. Удерживание гвоздей и шурупов используется очень широко, а так как древесина проявляет при этом сложное сопротивление, зависящее от ее упругости, от сопротивлений сжатию и разрыву поперек волокон и от трения, то это сопротивление часто определяется экспериментальным путем посредством вытаскивания определенного гвоздя или шурупа и установления требующегося для этого усилия.

Изнашивание. Сопротивляемость древесины изнашиванию определяется в тех случаях, когда она назначается для работы на трение, например, на мостовой, лестнице, на полу и пр. Об изнашиваемости судят по количеству древесины, снимаемой определенным способом с единицы поверхности в определенный промежуток времени. Для этой цели пользуются или пескоструйным аппаратом или вращающимся диском с наклеенной песочной бумагой, к которому испытываемый образец прижимается с определенным усилием.

Растяжение. Древесина выдерживает растяжение вдоль волокон лучше, чем другие механические воздействия, но самая передача растягивающего усилия всегда связана или с зажатием конца или с применением скалывающего усилия на выступах у концов, что вызывает значительное увеличение концов, так как поперечному сжатию древесина сопротивляется в 5—10 раз, а скалыванию почти в 30 раз хуже, чем растяжению. Коэффициенты, получаемые при испытаниях, не являются достаточно характерными, так как величина их подвержена значительным колебаниям, а характер разрыва образцов отличается разнообразием. По этим причинам применение древесины в частях сооружений, работающих на растяжение вдоль волокон, и ее испытание на этот вид нагрузки встречаются редко. Растяжению поперек волокон древесина сопротивляется очень слабо: в 10—30 раз слабее, нежели вдоль их.

Факторы, влияющие на механические свойства древесины

Происхождение и условия роста. Качество древесины находится в тесной зависимости от условий произрастания (почва, густота насаждения, освещение, температурные условия и пр.), а, следовательно, и от места произрастания в том или другом климате. Механические свойства повышаются с увеличением относительного содержания летней древесины. Ширина годичных слоев влияет на крепость древесины только в тех случаях, когда она связана большим или меньшим содержанием летней древесины, но общим признаком для оценки качества древесины служить не может. Возраст дерева: наибольшее значение имеет возраст, соответствующий состоянию перестойности для данных условий произрастания, так как в этом случае механические свойства древесины понижаются. Древесина, взятая из различных мест ствола, не обладает одинаковыми механическими свойствами. В поперечном сечении наиболее слабая древесина находится у сердцевины, по радиусу качество ее повышается вначале довольно быстро, а затем в зрелом, но не старом дереве сохраняется почти неизменным до коры, имея максимум на расстоянии, несколько большем половины радиуса. Древесина, образованная в поздний период жизни старого дерева, отличается слабостью по сравнению с древесиной более раннего периода. Оболонная древесина здорового зрелого, но не старого дерева почти не отличается по крепости от ядровой древесины, иногда несколько уступая ей при статической нагрузке и превышая ее при ударной. По длине ствола крепость обычно повышается по мере удаления от вершины, если не считать неправильностей в строении древесины, встречающихся в комлевой части ствола. Значения коэффициента крепости древесины сильно колеблются в зависимости от направления волокон по отношению к направлению действующего усилия. Вследствие этого все неправильности в направлении волокон вызывают в большинстве случаев уменьшение крепости. Косослой, свилеватость, кривизна ствола, ройки, закомелистость, сбежистость и т. п. дают перерезание волокон при распиловке; при использовании такого пиленого материала направление действующего усилия получается невыгодным по отношению к направлению волокон, за исключением некоторых случаев скалывания и раскалывания. Трещины, часто встречающиеся в лесных материалах, ухудшают сопротивляемость древесины механическим воздействиям, в зависимости от размеров и  направления трещины и рода испытываемого древесиной напряжения. Возможность увеличения трещины при некоторых условиях создает опасность пользоваться таким материалом в ответственных сооружениях. Просмолки, которые представляют собой большие отложения смолы в древесине, нарушающие связь между волокнами, имеют такое же значение, как и трещины. Сучки, хотя бы здоровые и сросшиеся, не только нарушают правильность строения древесины, но и заставляют изгибаться окружающие их волокна, что вызывает значительное понижение крепости древесины; только сопротивление скалыванию и раскалыванию увеличивается. Загнивание и червоточина, в зависимости от стадии развития, уменьшают крепость древесины вплоть до совершенного уничтожения связи между частицами материала. Внутренние напряжения понижают сопротивляемость древесины механическим воздействиям, так как они прибавляются к напряжениям, вызываемым нагрузкой. Влажность оказывает большое влияние на механические свойства древесины. Для приведения коэффициентов крепости (получаемых в пределах влажности ~ 8—20%) к нормальной влажности в 15% пользуются следующей формулой:

Приведение коэффициентов крепости нормальной влажности

где Хk - коэффициент крепости при влажности К, К - влажность в %, а - поправочный коэффициент. Для образцов сечением 2x2 см (для сжатия - высотой 3 см и для изгиба - длиной 30 см при расстоянии между опорами 24 см) можно в общем принять: при сжатии а=0,04, а при изгибе (статическом) а =0,02, т. е. 4 и 2% крепости на 1% влажности, если не установлены специальные коэффициенты для каждой породы. Удельный вес древесины, при прочих равных условиях, является в общем характерным показателем механических свойств древесины, которые улучшаются с повышением удельного веса. Зависимость механических свойств от удельного веса выражается или в виде очень отлогой части параболы или просто прямой линией, уравнение которой имеет вид

Зависимость механических свойств от удельного веса

где х - коэффициент крепости, G15 - удельный вес при влажности 15%, а и b - постоянные величины. Необходимо иметь в виду, что эти зависимости дают средние величины, так как вследствие неоднородности древесины рассеяние точек на диаграммах значительно, причем наименьшее рассеяние наблюдается при сжатии. Методика испытаний может оказывать влияние на получаемые результаты, и поэтому в целях возможности сравнения величин, характеризующих механические свойства древесины, необходимо пользоваться однообразной методикой.

Пороки дерева

Пороки дерева - недостатки дерева как материала, понижающие, а иногда и вовсе уничтожающие его техническую пригодность. Эти пороки, или фауты, происходящие от внутренних и наружных повреждений и неправильностей в строении древесины, м. б. классифицированы следующим образом.

I. Пороки в здоровой древесине. 1) Трещины, щели от действия сильных морозов и ветра: а) морозобой - трещина, распространяющаяся от поверхности по радиальному направлению; б) ветренница - трещина, идущая лучеобразно от сердцевины и вдоль дерева на длину 35—140 см; в) метик - трещина, идущая от сердцевины ствола (трубки) по радиальному направлению на значительную длину ствола: согласный метик – трещина, остающаяся в одной плоскости; несогласный метик - трещина, последовательно меняющая свое направление по длине ствола; крестовый метик - система двух взаимнопересекающихся метиковых трещин; г) отлуп - трещина между годовыми кольцами; д) луночка - отлуп от части годового кольца; е) с е р я н к а—луночка в деревьях хвойных пород, залитая смолой.

2) Суковатость - наличие большого числа сучьев нормального роста или дефективных сучьев: а) белый сук - нормальная ветвь дерева, прочно соединенная с древесиной ствола, но, тем не менее, нарушающая однородность ее, уменьшающая крепость и гибкость материала; б) роговой сук - отмерший сук в хвойных породах, сильно пропитавшийся смолой; в) пасынок - вросший толстый сук, отходящий от ствола под острым углом и представляющий собой отставший в росте старый ствол; г) двойная вершина - развилина, появляющаяся в том месте ствола, где он разделяется на две вершины; ствол в этом месте в поперечном сечении имеет одну более длинную ось, по которой видны две сердцевины, разделенные заросшей корой.

3) Косослойность - неправильное расположение волокон: а) косослой - расположение волокон в виде спирали вокруг оси ствола; б) свилеватость - расположение волокон в виде волнистых линий с б. или м. сильными изгибами; в) ройка - продольные углубления в нижней части ствола, являющиеся причиной сдавленности и разрыва волокон в этих местах; г) кап - нарост, или наплыв, образующийся в тех местах, где была рана; имеет крайне перепутанные волокна.

4) Эксцентричность, или крень - односторонняя твердослойность; годовые кольца с одной стороны шире, чем с другой, так что сердцевина находится не в центре сечения ствола, и узкая сторона годового кольца получается более плотной.

5) Мокрослойность — водослойные красные пятна, обнаруживающиеся при рубке деревьев, растущих на низких, сырых местах (сосны, ели, осины, березы).

II. Пороки, сопровождаемые болезнью волокон: 1) дряблость, или трухлявость, 2) синева, 3) ситовины, 4) двойная заболонь, 5) ивлевой крапивный и табачный сук - сучья, находящиеся в разных степенях разложения, от перехода в размягченное состояние (ивлевой сук) до распадения в порошок (табачный сук); 6) гнилое кольцо (ложная заболонь) - несколько гнилых годовых колец внутри древесины; 7) гнили (см. Гниение древесины); 8) дупловатость - пустота по оси ствола вследствие сгнивания внутренних волокон и 9) непрочность заболони.

III. Пороки дерева от внешних реагентов: 1) червоточина; 2) заражение дерева домовыми грибами (см. Грибы домовые).

Техническое значение разных пороков дерева различно; одни лишают дерево всякой технической пригодности, давая возможность использовать его лишь как горючий материал; другие, делая дерево непригодным для одной цели, допускают его применения для других целей; иногда представляется возможным утилизировать с технической целью здоровую часть ствола дерева, отрезав от него пораженную, например, гнилью, часть.

 

Источник: Мартенс. Техническая энциклопедия. Том 6 - 1929 г.