Физико-механические свойства дерева

Леса занимают более половины территории нашей страны. Древесина применяется во многих областях хозяйства и в быту. Она используется в строительстве, в машиностроении, в горнорудной промышленности, в строительстве деревянных домов под ключ, в том числе из оцилиндрованного бревна С древесиной в разнообразности применения не может сравниться никакой другой материал. Древесина обладает относительно высокой прочностью, малой теплопроводностью и объёмной массой, хорошо поддается механической обработке. Эти свойства позволили человеку использовать древесину для строительства общественных зданий, жилья в виде деревянных домов из бревна и других сооружений. В современном строительстве из дерева возводят стены деревянных домов, перекрытия, стропила, крышу. Изготавливают полы, оконные переплёты, двери, мебель.

Дерево растёт. В растущем дереве ежегодно появляется новый конусообразный слой древесины. Каждый следующий слой выше и большего диаметра. Растущее дерево имеет корни, ствол и крону. Основную массу древесины содержит ствол. В нём различают: сердцевину, древесину, камбий и кору. Для изучения строения и свойств древесины используют поперечный, радиальный и тангенциальный разрезы ствола. У некоторых пород деревьев, ткаких как сосна и ель отмирающие клетки, отложения смолы и дубильных веществ образуют ядро, наиболее крепкую часть дерева. Светлую периферийную части ствола называют заболонью. Характерными представителями ядровых пород являются: сосна, лиственница, дуб, ясень, тополь. Существуют безъядровые породы, с более сухой центральной частью ствола. Это спелодревесные породы. Ежегодно вокруг сердцевины образуются концентрические слои. Ранняя часть слоя светлая и мягкая. Поздняя - тёмная и твёрдая. По числу годовых слоёв можно судить о возрасте дерева . На тангенциальном разрезе годичные слои видны в виде извилистых линий, на радиальном разрезе - в виде продольных полос. Сердцевинные  лучи. Они служат для перемещения влаги и хранения питательных веществ. На разрезах сердцевинные лучи образуют характерный для каждой породы рисунок. На поперечных срезах лиственных пород можно увидеть водопроводящие сосуды.

Кольцесосудистыми называются породы древесины, у которых расположены мелкие и крупные сосуды по концентрическим окружностям. Их типичным представителем является дуб. У рассеяннососудистых пород сосуды равномерно распределены по ширине годичного слоя. Представителем лиственных пород является грецкий орех. Древесину таких хвойных пород как сосна, ель и кедр пронизывают смоляных ходы. У древесины пихты и тиса смоляных ходов нет. Микростроение пород изучают с помощью микроскопа на тонких срезах древесины вдоль главных направлений: поперечный, тангенциальный, радиальный.

Древесина состоит из клеток, которые образует проводящая, опорная и запасающая ткани. Основной объем у хвойных пород  занимают ранние и поздние трахеиды.По системе ранних трахеид растворы минеральных веществ попадают в крону дерева. Поздние трахеиды образуют опорные ткани, обеспечивают прочность ствола Из запасающих клеток образуются узкие сердцевинные лучи и смоляные ходы. Древесина лиственных пород имеет более сложное строение. Основной её объём составляют волокна либриформы, сосуды,трахеиды и запасающая ткань сердцевинных лучей. Особенности микростроения древесины хвойных и лиственных пород обуславливают их физико-механические свойствами. При одинаковой плотности у хвойных пород выше показатели прочности благодаря прямолинейности волокон. Извилистость волокон лиственных пород повышает показатели ударной вязкости и скалывания.

Одним из признаков, по которому распознают породу дерева, является цвет древесины. Например, древесина самшита желтого, пихта красного, липы-белого цвета. Многочисленные оттенки цветов придают древесине дубильные, смолистые и красящие вещества. Блеском называют способность поверхности отражать световой поток. В древесине этой способностью обладают лишь поверхности сердцевинных лучей. Рисунок на поверхности древесины, её текстура также помогают определить породу дерева. Текстура, цвет и блеск определяют декоративные ценности древесины для изготовления мебели, музыкальных инструментов. Запах дерева зависит от содержания в нем смол, эфирных масел, дубильных веществ. Хвойные породы имеют характерный запах скипидара, а палисандровое дерево пахнет ванилью. Запахи древесины учитываются при изготовлении тары для пищевых продуктов. Свойства древесины зависят от ширины годичных слоев и содержания поздней древесины в слое. Ширину слоя определяют делением длины измеряемого участка на количество слоев. Процент содержания поздней древесины вычисляют делением её суммарной ширины на длину участка, принятого за 100 %. Вот этим объясняется высокие физико-механические свойства древесины при строительстве деревянных домов из Легендарного архангельского оцилиндрованного бревна.

Влагу, которая пропитывает оболочки клеток называют связанной или гигроскопичной. Полости клеток и межклеточное пространство заполняет капиллярная или свободная влага. Абсолютную влажность определяют методом высушивания до постоянной массы. Её вычисляют делением массы воды , находившейся в древесине, на массу абсолютно сухой древесины такого же объёма и выражают это отношение в процентах. При лабораторном определении влажности вначале взвешивают пустые боксы, затем тщательно определяют массу образца, и, сняв крышку бюксы, помещают образец в сушильный шкаф. Температура в шкафу 103. Первое контрольное взвешивание проводят через 6-1- часов. Перед взвешиванием образец охлаждают в эксикаторе. Высушивание прекращают, если разница между последними взвешиваниями составляет не более двух тысячных грамма. Метод высушивание точен, но очень трудоемок и требует много времени. Электрический метод основан на изменении электропроводности древесины в независимости от влажности. Влажность определяют как среднее арифметическое двух показаний при  втором и третьем измерениях. Влажность мокрой древесины выше 100 %. Свежесрубленная древесина от 50 до 100 %. Воздушно-сухая 15-20 %. У комнатной сухой древесины влажность 8-12 %,а абсолютно сухой  0 %. Из высыхающей древесины вначале испаряется свободная влага. Состояние, при котором только оболочки клеток насыщены водой, называют пределом гигроскопичности. Этому пределу соответствует влажность в 30 %. При удалении связанной влаги начинается процесс усушки, уменьшение линейных размеров и объема древесины. Усушка материала вдоль волокон составляет всего десятые доли процента. Размеры поперечных сечений меняются при высыхании сильнее. При этом, усушка в тангенциальном направлении в  1,5-2 раза больше, чем в радиальном. Этим объясняется причина поперечного коробления досок при высыхании. Доски, в сечения в которых попадает и заболонь и ядро, высыхая, изгибаются дугой. Имеющие тангенциальный уклон волокна приобретают коробоватость. При сушке древесины из-за неравномерного распределения влаги могут возникнуть трещины. Испарение связанной влаги вначале создает условия для усушки наружных слоёв материала. Более влажная внутренняя зона растягивает высыхающие слои, появляются трещины. В дальнейшем растянутые наружные слои препятствуют усушке внутренней зоны сечения. Внутренние слои древесины растягиваются, и потому появляются трещины во внутренней зоне. Плотность древесины зависит от породы дерева и влажности . Она выражается отношением влажности древесины к её объёму. Массу абсолютно сухой древесины составляет древесинное вещество. Его плотность определяют делением массы абсолютно сухой древесины на объём, занимаемый древесинным веществом. Плотность древесинного вещества для всех пород примерно одинаковая и всегда больше плотности самой древесины. В практике иногда используют условную и базисную плотность, которые не зависят от плотности древесины. В лаборатории плотность вычисляют результатом обмера и взвешивания образцов при влажности в момент испытания.

Теплопроводностью называют способность материала передавать тепло. Но легкая и сухая древесина держит тепло лучше, чем плотная и влажная, из которой на начальном этапе изготовлен сруб деревянного дома из оцилиндрованного бревна. Теплопроводность поперек волокон примерно вдвое меньше чем вдоль. Скорость распространения звука в материале характеризует его звукопроводность. В древесине быстрее всего звук распространяется вдоль волокон. Медленнее в радиальном направлении и очень медленно в тангенциальном. Способность дерева усиливать звук, искажая тоны, используют для создания музыкальных инструментов. Природа подарила людям уникальный материал, свойства которого позволяет удовлетворить самые разнообразные потребности человека. Знание свойств необходимо для рационального использования этого материала во всех отраслях народного хозяйства.

Сама природа создала этот замечательный материал - древесину. Поэтому его технологические качества зависят от многих факторов: от породы дерева, от условий, в которых оно росло, особенностей биологического строения. В конце концов, даже от того, из какой части ствола взят образец. Для того, чтобы эффективно использовать уникальные качества древесины, необходимы достоверные данные о её физико-механических свойствах.

Материал конструкции подвергается действию внешних сил-нагрузок. Например, стропила деревянного дома из оцилиндрованного бревна загружены кровлей и снегом. Под действием сил элементы конструкции сжимаются, расттягиваются, изгибаются. Так, верхний пояс фермы и колонны работают на сжатие, а нижний пояс- на растяжение. Некоторые элементы конструкции подвергаются кручению или скалыванию. Как например детали соединений на врубках или шпонках. К механическим свойствам древесины относят : прочность, сопротивление разрушению, жёсткость и упругость, твёрдость-способность сопротивляться проникновению другого твёрдого тела. Материал сопротивляется воздействию внешних сил. В нем возникает внутренняя серия напряжений. При этом изменяются размеры и форма образца. Такое изменение называется деформацией. Упругие деформации исчезают при снятии нагрузки. А при напряжениях выше предела упругости возникают остаточные деформации. Увеличиваются внешние силы, растёт сопротивление материала. Предельное напряжение, при котором разрушается материал называют пределом прочности. Механические свойства меняются по высоте и радиусу ствола. Зависит от количества годовых колец в одном см и процента поздней древесины. Существенное влияние на свойства древесины оказывает связанная влага. Влажность выше предела гигроскопичности  практически не влияет на её механические свойства.

Механические свойства древесины определяют по единой методике в соответствии с действующими стандартами. Испытания проводят используя стандартные образцы .Это образец для определения предела прочности при растяжении вдоль волокон . Перед испытанием измеряют сечение рабочей части. Высокая прочность древесины при растяжении вдоль волокон позволяет использовать ее для изготовления строительных конструкций. Предел прочности вычисляется делением  величины разрушающей нагрузки на площадь сечения рабочей части образца. Образец для испытания древесины на растяжение поперёк волокон имеет более массивную рабочую часть, потому что прочность древесины в этом направлении значительно ниже. Это образец древесины для определения предела прочности вдоль волокон . Для испытания используют приспособление шаровой опоры. Прочность при сжатии вдоль волокон, почти в 3 раза меньше прочности при растяжении. Прочность древесины при сжатии поперек волокон, меньше чем при сжатии вдоль. Это образец и схема испытания древесины на статический изгиб. Предел прочности при изгибе определяют делением величины разрушающего момента на момент сопротивления. До испытания измеряют сечение образца ,затем разрушают на универсальной разрывной машине. Довольно высокая прочность древесины при изгибе позволяет использовать её для изгибаемых строительных конструкций. После разрушения с места излома берут пробу для определения влажности образца в момент испытания. На скалывание образцы  испытывают на универсальной машине. Предел прочности вычисляют делением величины разрушающей нагрузки на площадь скалывания. После каждого испытания на прочность по пробам, взятым у места излома, определяют влажность образца в момент испытания. Затем пересчитывают значения предела прочности при нормализованной влажности 12 %.

Твёрдость древесины определяют на поверхностях поперечного, радиального и тангенциального разрезов. При испытании на статическую твёрдость, в центр поверхности образца вдавливают сферический стальной пуансон .Определяют вдавливающую силу, затем вычисляют твёрдость- делением силы давления на площадь проекции отпечатка пуансона. При определении ударной твёрдости , на образец с высоты в 500 мм сбрасывают стандартный стальной шарик. Затем измеряют диаметр проекции образовавшейся лунки. По степени твёрдости различают: мягкие ,твердые и очень твердые породы. Степень твердости необходимо учитывать при назначении режимов обработки. Для определения ударной вязкости древесины используют маятниковый копер. При первом свободном качании маятник поднимается на определенную высоту, отдавая весь запас потенциальной энергии. При разрушении образца, часть энергии расходуется. По количеству энергии, затраченной на разрушение образца, определяют вязкость древесины. По характеру излома судят о качестве древесины. Так выглядит излом вязкой лиственной древесины, а хрупкая хвойная имеет более гладкий излом.

К технологическим свойствам относят: способность удерживать металлические крепления, способность к загибу, износостойкости и сопротивление к раскалыванию. Для того, чтобы испытать образец на способность удерживать металлические крепления, используют обезжиренные гвозди или шурупы. На универсальной машине при постоянной скорости погружения, определяют силу, необходимую для выдергивания гвоздя или шурупа. Сопротивление выдёргиванию вычисляют делением величины выдергивающей силы на глубину забивки гвоздя или ввинчивания шурупа. Сопротивление определяют в продольном, радиальном и тангенциальном направлении. Способность древесины к загибу определяют на сменных шаблонах постепенно уменьшая радиус загиба, пока образец не разрушится. Наибольшей способностью к загибу  обладают лиственные породы , наименьшей -хвойные. Для определения показателя истирания древесины имитируют условия, при которых происходит износ полов, лестниц, настилов. При истирании масса образца уменьшается. После испытания вычисляют показатель истирания делением разницы масс на первоначальную массу. Сопротивление раскалыванию определяют делением разрушающей нагрузки на ширину образца. Испытания проводят по плоскостям радиального и тангенциального разрезов. Образец разрушают на универсальной машине. Современные лаборатории оборудованы универсальными испытательными машинами с электронным управлением. Всесторонние исследования физико-механических свойств древесины необходимы для максимального использования её природных свойств, создания новых способов переработки и повышения эффективности применения.