Частини дерева і будова деревини

 

Коли йдеться про архітектуру, то ми починаємо думати про проектування, будівництво та експлуатацію різних будинків і споруд. Але в більш широкому понятті архітектура - це частина штучно створеного або штучно організованого предметно-просторового середовища, а в переносному значенні - будова будь-якого тіла, предмета, системи тощо. Тож, архітектура дерева - це його будова в широкому розумінні.

Усім відомо, що дерево, яке росте, складається з коренів, стовбура і крони. Ми пишаємось стрункими пірамідальними тополями, суворими, ніби монолітними, ялинами і кипарисами, монументальними дубами, прозорими березами, пониклими вербами, кудлатими піцундівськими соснами і гледичіями. Вони мають різні форми: крислаті, еліптичні, стовпчасті, конусоподібні, такі, що стеляться.

Архітектор цього - еволюція, яка давала можливість залишати потомство лише тим екземплярам, які витримували найбільш жорсткі випробування природи.

А тому така різноманітна архітектура навіть у межах одного виду: стрункість, прямолінійність з висотою, що затамовує подих, соснових стовбурів у суцільному лісі; крислатість гілок на відкритому просторі або галявині; прапороподібна форма крон під дією постійних вітрів.

Структура дерева залежить в основному від двох факторів.

Перший - творчий. Він обумовлений спадковістю від багаторічних поколінь і багаточисельними мутаціями. Другий - руйнуючий. Це сили природи: вітер, перепади температур, вага (наприклад, шару снігу, що випав на дерево) та багато інших зовнішніх факторів.

І скільки б Ви не шукали двох абсолютно схожих дерев, Вам їх не знайти. Хоч, звичайно, для кожного виду основні властивості дерева (породи) не змінюються.

Спробуємо розібратися, як же таке усереднене дерево "будує" себе.

Розпочнемо з крони. У більшості видів форма її кругляста, достатньо обтічна повітряним потоком. Стовбур дерева займає центральне положення, виконуючи роль несучого стрижня. Крона рівновісно розміщується на стовбурі так, щоб не змістити центр ваги дерева.

Під впливом зовнішніх факторів ця симетрія може порушуватися, але дерево від цього не загине тому, що в дію буде введена система пристосування до умов, які змінюються. Так, в умовах постійно віючих  вітрів, наприклад, дерево може зігнутися. При цьому центр ваги переміститься. Тоді в зоні кореневої лапи в місцях напруги розпочнеться інтенсивне нарощування біомаси деревини. Це суттєво підсилить міцність дерева в положенні крену.

Не менш цікавою є здатність рослини "відчувати" центр ваги нашої планети. На будь-якій похилій поверхні дерево, особливо хвойне, займає завжди вертикальне положення.

Гілки дерева можуть мати різну конфігурацію, їх розвиток активізується у напрямі вільного простору, але їх об'єм за умови рівних діаметрів і довжини стовбура для певного виду дерева є однаковим. Така закономірність, окрім теоретичного, має і практичне значення. Вона дозволяє підрахувати об'єм крони дерева.

Відома і наступна закономірність. Основна маса деревини у дерева, що росте в лісі, концентрується у стовбурі, а у дерева, що росте вільно (галявина, узлісся) - у кроні, тобто в гілках. Але загальна маса деревини у таких дерев, за умови однакових діаметрів, буде однакова.

Найбільш важливі вимоги до будь-яких споруд - міцність. У цьому плані структура дерева неперевершена. Під час буревію, коли повітряний потік рухається зі швидкістю 130-150 км/год, дерево з діаметром стовбура 50 см витримує напругу повітряного потоку силою 5—7 тис. кг. Такий вітер валить телефонні стовпи, зриває покрівлі з будинків. Щоб витримати натиск повітряного потоку, дерево нахиляється до землі, набуває прапороподібної форми, гілки при цьому вигинаються, розвертаючись майже на 90°. Ламаються гілки, злітають листки. Середнє дерево має 35—40 тис. листків загальною площею 80-120 м2. Всі листки розташовуються паралельно потоку вітру. їх втрата значно зменшує тертя і тиск на дерево. На перший погляд може здатися, що втрата листя - це не тонкий розрахунок його архітектора - еволюції, а природна послідовність руйнуючої дії вітру. Однак дерево завжди спочатку втрачає листя, а лише потім вітер вивертає його з корінням або ламає.

Здатність протистояти тиску повітряного потоку забезпечується, в першу чергу, якістю будівельного матеріалу. Дослідження показали, що деревина дуба на стиснення витримує тиск 450-500 кг/см2, а на розтягування - до 1050 кг/см2. Тобто її міцність на розтягування суперничає з кращими сортами нейлонових тканин. Для різних порід ці показники можуть змінюватися.

Якщо дерево постійно підпадає під дію вітру, зміцнюється деревина на 5-Ю %, збільшується її завилькуватість, тобто волокнина на стовбурі розміщується по спіралі, а це зміцнює дерево щодо радіальної напруги на його несиметричну крону.

Не менш цікава і нижня частина конструкції дерева - його коріння, яке сховане у землі і виконує роль фундаменту. Точніше кажучи, роль фундаменту виконує тільки коренева лапа - в радіусі 5-6 діаметрів від шийки стовбура. Тут корені мають форму клинків і глибоко врізуються в землю (рис. 1). За межею лапи корені називаються скелетними і мають майже циліндричну форму. Зменшення їх діаметра на метр довжини становить не більш як 1-2 мм.

 

 

 

Рис.1 Коренева лапа дерева

 

 

У зоні лапи фізико-механічні властивості коренів приблизно однакові з властивостями деревини стовбура, а далі вони витримують на стиснення всього 14-16 кг/см2, на розтягування - 650-800 кг/см2. Тобто здерев'яніла лапа служить міцною опорою для дерева, тоді як поверхневі скелетні корені виконують роль міцних вагів, які утримують стовбур у вертикальному положенні в разі сильного пориву вітру. Ці корені здатні розтягуватися на 4-5 см на метр довжини, що дає можливість дереву відхилятися від вертикального положення на 15-18°. При цьому значно зменшується площа фронтальної атаки вітру.

Дерева, які ростуть на вільному просторі, в 2-2,5 рази нижчі, ніж дерева у лісі. їх стовбур у перерізі має форму овалу і переходить у потужне поверхневе коріння. Така структура дає можливість деревам досягати необхідної міцності при невеликих затратах матеріалу кореневої системи. 

 

Мікроструктура деревини

 

Для вивчення мікроструктури деревини навіть зима не є перешкодою. Про річні кільця знають всі. Достатньо зрізати гілочку, щоб за кількістю кілець визначити її вік. Але спробуйте гострим лезом зробити дуже тоненький зріз, і під мікроскопом відкриється цікава картина (див. кольорову вкладку).

Дослідження деревини під мікроскопом показує, що вона складається з дуже дрібних часточок - клітин, переважно (до 95 %) мертвих. Жива клітина рослини має тонку і прозору оболонку. В середині цієї оболонки міститься речовина - протопласт, який в свою чергу складається з ядра, протоплазми і пластид.

Протоплазма - це прозора рідина, яка складається з води і складних білкових і мінеральних речовин.

Ядро відрізняється від протоплазми більш в'язкою (густішою) консистенцією і містить у собі фосфор. За формою ядро округле або овальне й займає у клітині центральне місце.

Допластид належать такі речовини: хлоропласти, хромопласти і лейкопласти. Самі пластиди є білковими утвореннями і вкраплені в протоплазму у вигляді сочевицеподібних або округлих зернят.

Хлоропласти під час росту дерева утворюють потрібні йому поживні речовини. Лейкопласти перетворюють цукор у крохмаль, вони безбарвні. Хромопласти складаються з білкових сполук, мають різне забарвлення і надають кольору пелюсткам квіток та плодам.

Жива клітина обтягнута оболонкою - дуже прозорою еластичною плівкою, проникною для води й водних розчинів. Вона складається із целюлози (клітковини), життєвих функцій під час росту дерева не має.

 

Оболонки мертвих клітин значно потовщені і не мають у собі протопласту, а мають особливу речовину - лігнин, внаслідок чого вони здерев'яніли. Лігнин утворюється під час росту клітини внаслідок життєдіяльності протопласту.

У стінках клітин лишаються непотовщені місця - пори. Вони розміщуються у двох сусідніх клітинах одна навпроти одної і утворюють отвір, який затягнутий тонкою мембраною. Це й є звичайна пора, через яку проходить волога і поживні речовини.

Форми клітин у деревині поділяються на короткі (круглі або овальні) й витягнуті (циліндричні або веретеноподібні). Перші називаються паренхімні, а другі - прозенхімні. Паренхімні клітини запасають і зберігають поживні речовини, а прозенхімні подають вологу з коренів у листки, а також надають деревині міцності. Сукупність клітин, які виконують одні й ті самі функції, утворює тканину. Тканини бувають провідні, запасаючі, опорні, покривні та асиміляційні.

Провідна (судинна) тканина являє собою тонкостінні клітини, витягнуті у довжину з широкими внутрішніми отворами. Клітини, що містяться одна над одною, з'єднуються між собою, утворюючи су-дини-трубки, через які волога від коренів надходить до листків. Довжина судини близько 100 мм; у деяких порід, наприклад у дуба, судини завдовжки 2-3 м. Діаметр їх становить від сотих часток міліметра до 0,5 мм.

Запасаюча тканина утворюється з коротких клітин, у ній накопичуються й зберігаються поживні речовини. Клітини запасаючої тканини мають довжину і ширину від 0,01 до 0,1 мм. Ця тканина легко загниває, бо має пухку структуру.

Опорна (механічна) тканина має довгі товстостінні клітини з малими внутрішніми отворами і довгими загостреними кінцями. Ця тканина здатна чинити опір механічним впливам. Вона найміцніша і чим більше такої тканини, тим деревина міцніша, твердіша, щільніша. Довжина клітин механічної тканини від 0,7 до 1,6 мм, а ширина - від 0,05 до 0,2 мм.

Покривна тканина міститься на поверхні рослини (корокта луб кори), тому вона повинна мати властивість зберігатися під впливом зовнішнього середовища.

Асиміляційна тканина деревини засвоює вуглець.

У найменшому шматочку деревини є всі елементи її мікроструктури, тому не слід вважати, що тканини розміщені якимись окремими ділянками. Поряд з внутрішньоклітинними порожнинами у деревині є міжклітинні порожнини, оскільки клітини веретеноподібної та округлої форми не примикають щільно одна до одної. На відміну від деревини листяних порід деревина хвойних порід не має судин провідної і волокон механічної тканини. Вона складається з одноманітних замкнених клітин - трахеїд. Трахеїди розміщуються радіальними рядами і займають 90- 95 % об'єму хвойної деревини. Довжина трахеїд від 2 до 10 мм, товщина 0,02-0,05 мм. Кожний річний шар має ранні і пізні трахеїди. Ранні трахеїди мають тонкі стінки і виконують роль судин, а пізні (товстостінні) - волокон механічної тканини. Висхідний рух соку здійснюється по тонкостінних трахеїдах через пори в стінках.

Більшість хвойних порід мають смоляні ходи - заповнені смолою вузькі довгі міжклітинні канали. У смоляних ходах виробляється смола, яка збільшує стійкість деревини проти загнивання. Смоляні ходи бувають горизонтальні й вертикальні і з'єднані між собою в єдину систему. Діаметр смоляних ходів від 0,06 до 0,13 мм. У різних хвойних порід смоляні ходи займають від 0,1 до 0,7 % об'єму деревини. Найбільше смоляних ходів у сосни.

 

 

Макроструктура деревини

 

Будова деревини, видима неозброєним оком або через лупу, називається макроструктурою. Макроструктуру добре можна розглянути на розрізах стовбура дерева.

Стовбур - основна і найбільш цінна частина дерева, з нього отримують від 60 до 90 % деревини. Тонка верхня частина стовбура називається вершиною, а нижня, товста - комлем. Місце розрізу стовбура перпендикулярно до його осі називається торцем.

У різних напрямках відносно осі стовбура будова деревини на поверхні розрізів має різний вигляд, а також неоднакові властивості деревини, тому доцільно вивчати макроструктуру деревини в таких трьох основних розрізах стовбура (рис. 1):

торцевому - поперечному, що проходить перпендикулярно до осі стовбура;

радіальному - поздовжньому, що проходить через серцевину стовбура;

тангенціальному - поздовжньому, що проходить уздовж стовбура на тій чи іншій відстані від серцевини.

 

 

 

 

 Рис. 1. Основні розрізи стовбура дерева

 

 

Для вивчення макроструктури дерева особливий інтерес представляє поперечний розріз стовбура (рис. 2). На ньому розрізняють серцевину, деревину, кору, камбій, річні шари, серцевинні промені.

 

 

Рис. 2. Поперечний розріз стовбура:
1 - серцевинні промені; 2 - корковий шар; 3 - луб; 4 - камбій;
5 - заболонь; 6 - ядро; 7 - серцевина; 8 - річні шари

 


 

Серцевина складається з порівняно великих тонкостінних запасаючих клітин, що утворилися в перші роки росту дерева. Вона досить пухка, легко викришується і найбільш здатна до загнивання. Діаметр серцевини у хвойних порід 2-3 мм, у листяних 3-5 мм.

Найбільшу масу стовбура становить деревина. За період життя дерево щороку наростає в напрямку від серцевини до кори, відкладаючи концентричні кільця (шари). Деякі породи мають частину деревини, що міститься ближче до серцевини, темнішу і з меншою вологістю. Темнішу деревину прийнято називати ядром, а породу - ядровою. Частина деревини від ядра до кори називається заболонню. Ядро має найбільш щільну і тверду деревину. Породи, в яких колір деревини в напрямі від серцевини до кори однаковий, називаються без 'ядровими.

Заболонь менш щільна, у багатьох її клітинах є залишки протоплазми. По шару заболоні відбувається висхідний рух соку. Заболонь збільшується внаслідок щорічного наростання під корою шарів нової деревини. Поступово збільшується і ядро внаслідок відмирання живих клітин у найглибших річних шарах заболоні. Величина ядра і заболоні також залежить від породи дерева, його віку та умов зростання.

За будовою деревини без'ядрові породи також неоднакові, тому вони поділяються на заболонні та спілодеревинні.

У заболонних порід будова деревини по всій товщі стовбура однакова і подібна до будови заболоні. Висхідний рух соку в них проходить по всій товщині стовбура. Колір деревини в них та вміст води по всьому перерізу однакові (береза, граб, вільха, клен та інші).

У спілодеревинних порід глибші шари деревини від молодих шарів за кольором практично не відрізняються, але будову й властивості мають такі, як ядрова деревина, тобто більш щільну і тверду з меншим вмістом води. Висхідний рух соку у спілодеревинних породах здійснюється по шарах молодої деревини, що наросла за останні роки (ялина, бук та інші).

Поряд з цим у деяких без'ядрових порід стовбур у центральній частині темніший і складається враження, що ці породи мають ядро (бук, клен, береза, вільха, осика). Таке явище прийнято називати несправжнім ядром.

Кора дерева складається з двох шарів: із зовнішнього коркового і внутрішнього - лубу. Корковий шар захищає дерево від холоду та спеки, а також механічних пошкоджень. По лубу відбувається низхідний рух соку.

Між корою (лубом) і деревиною міститься тонкий шар живих клітин, який називається камбієм. Протягом усього періоду росту дерева у камбії утворюються нові клітини. Завдяки цьому явищу дерево живе, його стовбур і гілки товщають. Щороку відкладаються шари деревини, які наросли завдяки життєдіяльності камбію. Ці шари називаються річними шарами, вони мають вигляд концентричних кілець. Річні шари дуже добре видно у багатьох порід дерев, особливо у хвойних (рис. 3).

 

 

 
Рис. 3. Річні шари сосни на трьох розрізах:
а - поперечному; б - радіальному; в - тангенціальному

 

 

Будова річного шару по ширині у багатьох порід неоднакова: виділяється рання (весняна) частина шару, що розміщена ближче до серцевини, і пізня - ближче до кори. Рання частина наростає навесні і влітку, коли у ґрунті є багато вологи і в цей час більше розвиваються провідні тканини: у хвойних порід широкосмугові трахеїди, а у листяних - великі судини. Деревина ранньої частини річного шару завжди світліша і пориста. Деревина пізньої частини річного шару наростає в кінці літа і восени. Вона складається здебільшого з клітин механічної тканини, тому вона темніша, міцніша і щільніша.

Ширина річних шарів впливає на властивості і в цілому на якість ділової деревини. У хвойних порід чим вужчі річні шари, тим деревина має більше смоли і міцніша.

У листяних порід, у яких рання частина річного шару складається з 2-3 кільцевих рядів великих судин, навпаки: чим ширші річні шари, тим деревина щільніша, міцніша і твердіша.

На якість деревини багатьох листяних порід, у яких річні шари чітко не виділяються, ширина їх майже не впливає (береза, клен, липа, вільха, граб, бук, осика).

У деревини будь-якої породи є серцевинні промені. Вони складаються з кількох рядів запасаючих клітин, розміщених у радіальному напрямі. Серцевинні промені бувають первинні і вторинні. Первинні починаються від середини і йдуть до кори. Вторинні починаються на різній відстані від серцевини, доходять до кори і продовжуються в ній. Через промені в горизонтальному напрямі надходить повітря, вода й поживні речовини. На одному квадратному сантиметрі площини тангенціального розрізу серцевинних променів буває кілька тисяч. Розміри серцевинних променів неоднакові у всіх порід дерева і бувають по висоті від 0,2 до 50 мм, а по ширині від 0,005 до 0,6 мм. Промені є широкі (бук, дуб), вузькі (в'яз, клен) і дуже вузькі (осика, береза).

Серцевинні промені, якщо вони великі, видимі на всіх розрізах. На торцевому вони виглядають блискучими смугами; на радіальному - смугами і плямами; на тангенціальному - штрихами і крапками.

Ступінь розвитку серцевинних променів і їх кількість залежать від породи дерева, а також від умов його зростання. Якщо дерево добре освітлене сонячним світлом, то в ньому серцевинних променів значно більше, ніж у того, яке росте у затінку.

 

 

Характеристика основних порід деревини, загальна класифікація

 

Деревні породи поділяються на хвойні і листяні. Більшу частину в Україні становлять хвойні дерева, які ростуть чистими й змішаними деревостанами. їх найбільш використовують у деревообробній, лісохімічній промисловості та будівництві. Деревина багатьох хвойних порід має смолу й пахне скипидаром. На всіх розрізах деревини цих порід добре видно річні шари, причому пізня частина річного шару значно темніша ніж рання частина. Серцевинні промені вузькі і майже невидимі. Смоляні ходи на радіальному і тангенціальному розрізах мають вигляд темних рисочок, а на торцевому світлих крапок у пізній частині річного шару.

Листяні породи поділяють на кільцевосудинні й розсіяно-судинні залежно від особливостей розміщення судин у річних шарах. У кільцевосудинних порід великі судини розміщені в ранній частині річного шару у вигляді кілець (дуб, ясен та інші). У розсіяно-судинних порід дрібні судини рівномірно розсіяні по всій ширині річного шару (бук, береза).

Ступінь розвитку серцевинних променів у деревині листяних порід різний: у клена, бука, дуба їх добре видно на всіх розрізах; у багатьох інших порід вони такі самі вузькі, як у хвойних.

Фахівець, який має справу з деревом, повинен легко визначати породу за індивідуальними макроскопічними та мікроскопічними ознаками, наприклад:

породу дерева, що росте, - за листям або хвоєю, за формою крони та корою;

породу деревини колоди - за її формою, кольором кори і деревини, наявністю ядра, розміщенням сучків;

породу за зразком деревини - за річними шарами: якщо їх видно добре, то зразок належить до хвойних або до кільцевосудинних листяних порід. А вже потім деревину хвойної породи від листяної кільцевосудинної легко відрізнити за кольором, будовою річних шарів, інколи за видимими серцевинними променями та запахом;

породу деревини хвойних дощок - за формою й виглядом сучків, їх розміщенням. Потім звертають увагу на колір, запах, ступінь розвитку пізньої деревини річних шарів, а також текстуру (природний візерунок річних шарів).

 

 

Загальні відомості про властивості, що визначають зовнішній вигляд деревини

 

Зовнішній вигляд деревини визначається її кольором, блиском, текстурою і запахом.

Колір визначає зовнішній вигляд деревини. Він залежить від багатьох факторів: породи дерева, району й умов його зростання, клімату, віку дерева тощо. У порожнинах клітин деревини містяться смолисті, дубильні та барвні речовини, які надають їй основний колір. Колір деревини та його відтінки характеризують такими визначення­ми: червоний, чорний, білий, рожевий, світло-рожевий тощо. Деревина порід, що ростуть у різних кліматичних умовах, має різний колір: від Сілого (ялина, липа, осика) до чорного (чорне дерево). Деревина південних порід має яскравіший колір порівняно з деревиною порід помірно­го поясу. В межах кліматичного поясу кожна порода має свій особли­вий колір, який може бути додатковою ознакою для її розпізнання. На повітрі під впливом світла деревина багатьох порід втрачає свою яскравість, набуваючи сіруватого забарвлення. Наприклад, дереви­на вільхи, що має у свіжозрубаному стані світло-рожевий колір, незабаром темніє і набуває жовто-червоного забарвлення. Під водою колір деревини також змінюється. Дубина, яка тривалий час пролежала у воді, набуває темно-коричневого і навіть чорного кольору. Забарвлення деревини змінюється відповідно до віку дерева через ураження її різними грибками. Деревина молодих дерев світліша ніж старих.

Колір деревини має важливе значення у виробництві меблів, музичних інструментів, столярних і сувенірних виробів. Колір можна поліпшити, якщо піддати деревину спеціальній обробці: пропарюван­ню (бук), протравленню (бук, каштан) та пофарбуванню різними хімічними речовинами.

Блиск будь-якого предмету обумовлюється здатністю відбивати світловий потік. Блиск деревини залежить від її щільності та кількості, розмірів і розташування серцевинних променів. Чим світліша деревина, тим краще вона блищить. Особливим природним блиском відзначається деревина клена, бука, платана, дуба. Радіальні розрізи деревини клена, наприклад, утворюють дуже блискучу поверх­ню, бо при цьому розрізуються вздовж добре розвинуті серцевинні промені. Матову поверхню має деревина липи, тополі, осики, тому що в цих породах дуже вузькі серцевинні промені й порівняно тонкі стінки клітин механічних тканин. Блиск надає деревині гарного зовнішнього вигляду, а при необхідності може бути посилений за допомогою спе­ціальної обробки: поліруванням, вощінням, покриттям лаком або обклеюванням прозорими плівками.

Текстура - це природний рисунок на поверхні деревини, що відбиває особливості її будови. Текстура утворюється внаслідок перерізання волокон, річних шарів, серцевинних променів, сучків.

Текстура залежить від особливостей анатомічної будови деревини окремих порід і напряму розрізу. Хвойні породи мають красиву тек­стуру на тангенціальному розрізі завдяки неоднаковому кольору ран­ньої та пізньої деревини, а листяні (бук, дуб, клен, в'яз) - завдяки яскраво вираженим річним шарам і розвинутим серцевинним проме­ням на радіальному й тангенціальному розрізах. Особливо красиву текстуру має деревина з неправильним розташуванням волокон (за­вилькуватість, нарости тощо). Інколи застосовують особливі способи обробки деревини - лущення шпону під кутом до напрямку волокон, стругання в радіальному напрямку - або замінюють штучною текстурою - розмальовують поверхню під текстуру цінних порід чи обклеюють текстурною плівкою.

Текстура визначає цінність дерева, особливо для виготовлення художніх меблів, різних сувенірних виробів та для оздоблення музичних інструментів.

Запах деревини залежить від наявності в ній смол, ду­бильних речовин та ефірної олії. Свіжозрубана деревина має силь­ ніший запах, ніж та, що знаходиться на лісоскладах. Сильний запах має деревина хвойних порід, а деревина листяних порід пахне слабо.

Велике значення має запах деревини під час виготовлення тари під продукти харчування. Тому таку тару не виготовляють з деревини хвойних порід. Запах деревини, так як колір і блиск, є ознакою для розпізнання деревних порід і має виробниче значення.

 

 

 

Щільність деревини

 

Щільність - це відношення маси деревини до об'єму. Вимірюють її у кілограмах на кубічний метр або грамах на кубічний сантиметр. У деревині є пустоти (порожнини клітин, міжклітинні про­стори), і якби вдалося спресувати деревину так, щоб позбавитися від пустот, то одержали б суцільну деревну масу. Звичайно ж, щільність деревини внаслідок її пористої будови менша, ніж щільність деревної речовини.

Щільність деревини залежить від її вологості, тому всі показники фізико-механічних властивостей деревини прийнято визначати при вологості 12 %.

 

Формула щільності деревини така, г/см3; кг/м3,

P=m/V

де т - маса зразка деревини, г або кг; V - об'єм зразка, см3 або м3.

 

Щільність деревини коливається у широких межах. За щільністю при вологості 12 % деревину можна поділити на три групи: породи з малою щільністю (510 кг/м3 і менше), з середньою щільністю (550-740 кг/м3) і з високою щільністю (750 кг/м3 і більше).

Деревина листяних кільцево-судинних порід має неоднакову щільність, рання частина річного шару в неї пориста, пізня - щільніша. Тому таку деревину важче полірувати й лакувати, зате вона добре гнеться. Деревина хвойних порід має малу щільність.

Щільність деревної речовини для всіх порід майже однакова й дорівнює близько 1,54-1,56 г/см3. Це пояснюється однаковим хімічним складом деревини різних порід. Абсолютно суха деревина містить вуглецю 49,5 %, водню 6,3 %, кисню й азоту 44,2 % і мінеральних речовин 0,2-1,7 %.

Щільність деревини має велике практичне значення. Деревина з високою щільністю (граб, самшит, клен, бук) особливо ціниться на виробництві за її міцність і добру оброблюваність.

 

 

 

Вплив вологи на деревину

 

Вологість - це ступінь насичення деревини водою, яка виражається відношенням маси вологи, що міститься у об'ємі деревини, до маси абсолютно сухої деревини. Вологість деревини виражається у процентах.

У деревині є так звана вільна волога і зв'язана. Волога, що знаходиться у порожнинах клітин і міжклітинних просторах, називається вільною (капілярною), а в клітинних стінках - зв'язаною або гігроскопічною.

Коли деревина висихає, з неї випаровується спочатку вільна волога, а потім гігроскопічна. Коли деревина зволожується, волога з повітря просочує тільки стінки клітин до повного їх насичення. Далі зволоження деревини із заповненням внутрішньоклітинних і міжклітинних проміжків відбувається при безпосередньому контакті з водою (сплав, дощ, вимочування, пропарювання тощо).

Стан деревини, при якому клітинні стінки містять найбільшу кількість зв'язаної вологи, а у порожнинах клітин перебуває тільки повітря, називається межею гігроскопічності, або межею насичення клітинних стінок. Такий стан настає при вологості деревини від 25 до 35 %, залежно від породи.

Деревину, з якої видалено всю вологу, умовно називають абсолютно сухою. Абсолютно суху деревину отримують висушуванням її до постійної вологи при температурі 105 °С. Але в деревині лишається деяка кількість хімічно зв'язаної води, видалити яку практично неможливо, не зруйнувавши структуру.

Вологість деревини, виражена в процентах, показує, скільки грамів води, що міститься в деревині, припадає на 100 г абсолютно сухої деревини. Наприклад, вологість деревини 25 %. Це означає, що на кожні 100 г деревини припадає 25 % наявної в ній води.

Установлено кілька ступенів вологості деревини. Залежно від них деревина буває: мокра - така, що тривалий час перебувала у воді, вологість вище 100 %; свіжозрубана - вологість 60-100 %; повітряно-суха - така, що тривалий час зберігалася на повітрі, вологість 15-20 %; кімнатно-суха - вологість 8-12 %; абсолютно суха - вологість 0 %.

Вологість деталей побутових меблів та деревних матеріалів має бути 8±2 %.

Вологість деревини визначають двома методами: висушуванням і електричним.

Для того щоб визначити вологість методом висушування, випилюють з деревини зразки розміром 20x20x30 мм і зважують їх з точністю до 0,01 г. Потім кладуть їх у сушильну шафу і витримують при температурі 103±2 °С. Вперше зразок зважують через 6 год. після початку висушування, вдруге і в подальшому - через кожні дві години аж до постійної маси зразка.

Вологість деревини W визначають за формулою, %:

 

W=(m1-m2)/m2*100

де т1 - маса зразка до висушування, г; m2 - маса зразка в абсолютно сухому стані, г.

Щоб визначити вологість деревини електричним методом, застосовують електровологомір, дія якого базується на зміні електропровідності деревини залежно від її вологості.

Перевагою методу висушування зразків є те, що визначити вологість деревини можна досить точно, а недоліком - тривалість висушування (від 12 до 24 год.). Електричним методом вологість визначається швидко, але вона буде визначена лише в місці дотику датчика, що є недоліком цього методу. Крім цього, електровологомір дає невисоку точність при значній вологості деревини. У діапазоні виміру до 30 % вологості помилка може бути 1-1,5 %.

З вологістю деревини пов'язані такі недоліки, як усихання, набухання, розтріскування й жолоблення.

Усиханням деревини називається зменшення її розмірів і об'єму від висихання. Це явище пов'язане з випаровуванням гігроскопічної вологи. Стінки клітин, втрачаючи вологу, стискуються і стають меншими за об'ємом. Під час висихання до точки насичення волокон деревина втрачає масу, але об'єм і форма її не змінюється. Та коли починає випаровуватися гігроскопічна волога, то йде процес зменшення об'єму і форми деревини.

Усихає деревина в різних напрямках неоднаково: у тангенціальному 6-12 % (6-12 см на їм); у радіальному - 3-6 %; уздовж волокон у середньому 0,1 %.

У поздовжньому напрямку усихання незначне і його можна не брати до уваги. На усихання в тангенціальному і радіальному напрямках під час розпилювання сирих колод на дошки та пиломатеріалів на деталі до розмірів їх ширини і товщини додають припуски.

Усихання деревини найбільше залежить від її щільності. Щільна деревина усихає більше, ніж м'яка. Дуже усихають такі породи, як клен, граб, береза, бук, модрина. Деревина хвойних порід (крім модрини) усихає менше.

Набухання деревини - це збільшення її розмірів і об'єму внаслідок зволоження від абсолютно сухого стану до точки насичення волокон. Набухання деревини в різних напрямках неоднакове і відбувається за тими самими розмірами, що й усихання.

Через усихання і набухання у виробах з деревини з'являються дефекти, часто вироби стають непридатними для експлуатації. Щоб запобігти цьому, вироби слід виготовляти з деревини, попередньо висушеної до потрібної експлуатаційної вологості. Сповільнює проникнення в деревину вологи з повітря та віддавання вологи в навколишнє середовище зовнішнє облицювання виробу або покриття його фарбами тощо.

Неоднакове усихання деревини в радіальному і тангенціальному напрямках і нерівномірне її висихання призводять до розтріскування. Усі тріщини напрямлені до середини. Розтріскуванню сприяють серцевинні промені, які складаються з коротких запасаючих клітин і тому неміцні. У круглих лісоматеріалах без кори під час висихання утворюються бічні тріщини з виходом на торець. Кора захищає круглий лісоматеріал від розтріскування, але подовжує час висушування. Щоб зменшити розтріскування, торці колод обмазують сумішшю вапна й клею, смолами, рідким склом.

Під час випаровування вологи об'єм деревини зменшується неоднаково в різних напрямках. Нерівномірність висихання спричинює внутрішні напруги в деревині, що призводить до жолоблення, яке належить до вад, пов'язаних з деформацією деревини.

 

Сушіння деревини

 

 

Довговічність дерев'яних конструкцій і виробів продовжують висушуванням, просочуванням протигнильними речовинами, оброблянням інсектицидами, що захищають деревину від руйнування комахами, вогнезахисною обробкою і запобіганням зволоженню в процесі експлуатації. Щоб підвищити стійкість деревини проти загнивання, запобігти жолобленню і розтріскуванню у виробах, деревину висушують. Сушіння деревини це процес видалення з неї вологи. У деревообробних виробництвах промислове застосування мають два способи сушіння: конвекторне атмосферне та конвекторне газопарове. Крім цих двох основних способів деревину можна висушувати в електричному полі високої частоти та у нагрітих рідких середовищах, що значно дорожче перших двох способів.

 

Конвекторне атмосферне сушіння деревини

Конвекторне атмосферне сушіння деревини здійснюється на відкритому повітрі. Це найпростіший спосіб, який не потребує великих витрат. Водночас цей спосіб мас багато недоліків: деревина висихає тільки до повітряно-сухого стану (15-18 % вологості), потребує значних витрат часу, можливе ураження деревини червоточиною й грибами. Для атмосферного сушіння важливе значення має вибір місця складу, правильне розташування проїздів та укладання пиломатеріалів у штабелі.

 

 

 
Рис. 1. Штабель пиломатеріалів

 

 

Пиломатеріали для висушування складають у штабелі на бетонні або дерев'яні фундаменти клітиною через поперечні прокладки ті самі дошки або сухі рейки. У горизонтальних рядах дошки складають з інтервалами (шпаціями) між кромками і одну над одною гак, щоб шпації утворювали наскрізні вертикальні отвори на всю висоту штабеля (рис. 1). Над штабелем улаштовують односхилий дах з дощок. Штабелі описаної конструкції називають рядовими. У рядові ш табелі пиломатеріали укладають вручну.

Окрім рядових штабелів існують пакетні штабелі (рис. 2). Для тих штабелів спочатку складають пиломатеріали у пакети на прокладках зі шпаціями, а потім пакети укладають у штабель. При такій системі ефективніше використовуються транспортні засоби й підйомні механізми.

Внаслідок атмосферного висушування вологість пиломатеріалів має доходити до 22 %.

 

 

 

 
Рис. 2. Пакетний штабель пиломатеріалів 

 

 

 

Конвекторне газопарове сушіння деревини

Газопарове сушіння пиломатеріалів, яке здійснюється в спеціальних приміщеннях - сушильних камерах, називається камерним. Для випаровування вологи потрібні тепло, нагріте повітря, суміш повітря з топковими газами або водяна пара. Застосування сушильних камер значно скорочує строк сушіння деревини незалежно від кліматичних умов, пори року й стану погоди, дає можливість висушувати до будь-якої заданої вологості, регулювати процес сушіння, знищувати гриби, комах та їх личинки.

У камерах створені умови для регулювання температури і швидкості руху повітря, завдяки чому деревину можна висушувати досить швидко. Тривалість камерного сушіння пиломатеріалів до вологості 12 % орієнтовно становить для хвойних дощок завтовшки 25-50 мм від 3 до 6 діб, а дубових такої товщини - від 14 до 28 діб.

Залежно від характеру руху повітря в сушильних камерах розрізняють камери з природною циркуляцією повітря і примусовою, а залежно від теплопостачання камер - газові і пароповітряні. Примусову циркуляцію повітря в камерах створюють за допомогою вентиляторів.

За принципом роботи розрізняють камери періодичної і неперервної дії. Камеру періодичної дії після закінчення сушіння повністю розвантажують і на цей час її виключають. Камера неперервної дії являє собою тунель із щільними дверима в обох кінцях. Матеріал висихає під час повільного руху штабелів на вагонетках уздовж тунелю.

Газові сушарні обігріваються топковими газами. Ці сушарні не потребують ні пари, ні електроенергії, але вони пожежонебезпечні.

Найбільш поширені пароповітряні камери. Повітря в них нагрівається від системи труб, що обігріваються парою від котельні. Є кілька видів пароповітряних камер періодичної й неперіодичної дії із вимушеною циркуляцією повітря. У багатьох з них використовують реверсивний рух повітря, що змінює напрям потоку.

Камерне сушіння деревини має єдиний недолік значні затрати на обладнання сушильних камер та па паливо.

 

Сушіння деревини струмом високої частоти

Багато матеріалів, у тому числі й деревина, нагріваються в електричному полі струмів високої частоти. За 10хв дошка завтовшки 50 мм при достатній потужності генератора високої частоти може нагрітися до 180 °С. Сушіння СВЧ порівняно з камерним відбувається в 15—20 разів швидше. Штабель пиломатеріалів поміщають між електродами з латунної або мідної сітки. Між електродами виникає електричне поле, в якому висушується деревина. При цьому в камері СВЧ застосовують вимушений рух повітря. Цей спосіб дуже ефективний для сушіння деревини твердих порід, але він потребує великих витрат електроенергії, тому його застосовують порівняно рідко.

Сушіння деревини в петролатумі - це також швидкісний спосіб. Петролатум являє собою маслянисту коричневу рідину, яка є побічним продуктом під час переробки нафти. Для висушування пиломатеріали опускають у ванну з петролатумом, нагрітим до 130 °С. Деревина, занурена в цю рідину, швидко прогрівається. Повітря з деревини виділяється спочатку у петролатум (утворюється піна), а потім видаляється в атмосферу. Волога також випаровується, бо петролатум з водою не змішується. Петролатум проникає в деревину на глибину до 2 мм. Витрата пстролагуму на висушування 1 м' деревини становить 10 20 кг. Сушіння в петролатумі великих сортиментів (стовпів) триває всього 8 12 год, тоді як у камерах кілька діб, а па повітрі кілька місяців.

Висушена в петролатумі деревина одночасно захищена від гнилизни, комах, але погано склеюється й погано обробляється лаками та фарбами. Тому висушену в петролатумі деревину використовують тільки в будівництві, особливо для ремонту будівель.

 

 

Тепло- , звуко-, і електропровідність

 

Теплопровідність — це здатність деревини передавати теплоту від однієї поверхні до іншої за наявності різниці температур на цих поверхнях.

Значення теплопровідності залежить від ступеня пористості і характеру пор, структури, вологості, температури. Теплопровідність сухої деревини незначна. Це пояснюється пористістю її будови . Коефіцієнт теплопровідності деревини 0,12-0,39 Вт/(м*К). Порожнини, міжклітинні та внутрішньоклітинні простори в сухій деревині заповнені повітрям.

З усіх природних та штучних речовин повітря має найменшу теплопровідність.

Щільна деревина проводить тепло трохи краще ніж пориста. Вологість деревини підвищує її теплопровідність, бо вода у порівнянні з повітрям є кращим провідником тепла.

Теплопровідність деревини залежить також від напрямку її волокон і породи. Деревина вздовж волокон проводить тепло майже вдвічі краще ніж у поперечному напрямку. Завдяки низькій теплопровідності деревину широко використовують у будівництві як матеріал для стін, а також як матеріал для виготовлення ручок до чайників, прасок та інших приладів.

 

Звукопровідність. Швидкість поширення звуку вздовж волокон у 15-18 раз і впоперек волокон у 3-5 раз більша, ніж у повітрі. Звукопровідність вологої деревини нижча, ніж сухої. Звукопровідність використовують для визначення якості стовбурів на корені, хлистів й кряжів. Якщо звук від удару по одному кінцю стовбура добре передається до другого кінця, то це свідчить про добру якість деревини. Якщо звук глухий або зовсім поглинається, то це означає, що є порожнини або гнилі місця.

 

Електропровідність - не властивість деревини проводити електричний струм. Вона залежить від породи дерева, напрямку волокон, температури і вологості. Електропровідність сухої деревини незначна, тому її можна застосовувати як ізоляційний матеріал.

Електричний опір деревини вздовж волокон у кілька разів менший, ніж упоперек волокон. Підвищення температури деревини призводить до зменшення її опору майже у 2 рази. Завдяки незначній електропровідності сухої деревини, її використовують як електроізоляційний матеріал (розетки під вимикачі і штепселі тощо).

 

 

ТИПОВА НАВЧАЛЬНА ПРОГРАМА

 

 

ТИПОВА НАВЧАЛЬНА ПРОГРАМА

 з предмета "Матеріалознавство"

з/п
Тема

Кількість годин

Всього

З них на лабораторно-практичні роботи

1.

Основи деревинознавства  

24

2

2.

Круглі та пиляні лісоматеріали

4

 

3.

Клеї та металеві кріпильні матеріали

6

 

Всього

34

2

 

 

Тема 1. Основи деревинознавства 

Частини дерева і будова деревини. Мікроструктура деревини. Макроструктура деревини. Властивості, що визначають зовнішній вигляд деревини. Щільність деревини. Вплив вологи на деревину. Сушіння деревини. Тепло-, звуко-, електропровідність. Усихання і набрякання деревини. Твердість, міцність і здатність деревини утримувати металеві кріплення. Жолоблення деревини. Тріщини в деревині. Сучки, їх види і вплив на якість матеріалів. Вади форми стовбура. Грибні ураження. Пошкодження деревини комахами. Інородні включення в деревині. Характеристика основних порід деревини, загальна класифікація. Вади механічної обробки. Захист деревини від біологічних ушкоджень. Захист деревини від горіння.

Лабораторно-практичні роботи:

1. Розгляд та визначення будови деревини.

2. Розгляд та визначення вад деревини за зразками.

 

Тема 2. Круглі та пиляні лісоматеріали

                Основні відомості про лісозаготівлю. Сортамент круглих лісоматеріалів. Короткі відомості про виробництво пиломатеріалів. Сортамент пиломатеріалів. 

 

Тема 3. Клеї та металеві кріпильні матеріали

                Види клеїв та їх основні властивості. Загальна класифікація клеїв, які використовуються при виготовленні столярних виробів. Клеї тваринного походження. Синтетичні клеї. Основні види промислових клеїв (фенольні і карбомідні). Цвяхи, шурупи, гвинти, болти, нагелі, загальна характеристика та основна номенклатура.