Влияние особенностей микроструктуры на свойства древесины кратко

Обновлено: 05.07.2024

Древесина характеризуется редким сочетанием положительных свойств. Это весьма легкий и в то же время прочный материал, хорошо сопротивляющийся статическим и динамическим нагрузкам. Благодаря пористой структуре древесина малотеплопроводна. Она легко поддается механической обработке, хорошо склеивается. К своеобразным качествам древесины относится ее способность удерживать металлические крепления — гвозди, шурупы, скобы.

Эти свойства древесины позволяют создавать сборно-разборные конструкции, удобные для транспортирования и монтажа.

Структура древесдвы. Отличается структура значительной неоднородностью. Это видно невооруженным глазом на главных разрезах ствола (рис. 40) — поперечном, радиальном и тангенциальном. Поперечным (торцовым) называют разрез, проходящий перпендикулярно оси ствола. Радиальный разрез проходит вдоль оси ствола по радиусу или диаметру поперечного сечения. Тангенциальный разрез образован плоскостью, параллельной оси ствола и рассекающей поперечное сечение по хорде.

Ствол дерева состоит из многочисленных клеток, вытянутых в основном по его длине. Клетки определенным образом группируются и создают на торце ствола систему концентрических колец. Вместе с другими элементами они формируют макроструктуру древесины.

Макрострукту р а древесины различима невооруженным глазом или при небольшом увеличении, например с помощью лупы. Выделяют следующие основные элементы макроструктуры: сердцевину, ядро, заболонь, годичные слои.

Сердцевина — узкая центральная часть ствола (рис. 41). Она представляет собой рыхлую, слабую ткань первичного образования, легко поддается загниванию. В досках и брусках толщиной до 50 мм сердцевина, как правило, не допускается.

Ядро — это внутренняя зона древесного ствола, большей частью темноокрашенная. Ядро образуется в результате отмирания живых клеток древесины. Темная окраска ядра объясняется отложением в клетках древесины смолы, дубильных и красящих веществ, углекислого кальция. Эти вещества увеличивают стойкость древесины ядра против загнивания.

Рис. 40. Главные разрезы ствола дерева:
1 — поперечный (торцовый), 2 — радиальные, 3 — тангенциальный

Заболонь — светлая наружная зона ствола, окружающая ядро. В основном она состоит из живых клеток. Как правило, древесина заболони светлоокрашенная. По механическим свойствам она не уступает древесине ядра, но хуже сопротивляется загниванию.

Древесные породы, у которых отчетливо различимы ядро и заболонь, называют ядровыми (дуб, сосна, лиственница, кедр). В ряде случаев центральная часть древесины имеет такой же цвет, что и наружная, но отличается меньшим содержанием влаги. Такую древесину называют спелой, а породы — спело-древесными (ель, пихта, бук). Остальные породы, у которых нет различия между центральной и наружной частью ствола ни по цвету, ни по влажности, называют заболон-ными (береза, осина, ольха).

Годичные слои представляют собой ежегодный прирост древесины. Состоят они из клеток, образовавшихся за один вегетационный период. На поперечном разрезе годичные слои расположены в виде концентрических колец, на радиальном разрезе они образуют параллельные полосы, идущие в продольном направлении, на тангенциальном — извилистые сходящиеся линии (рис. 42).

Каждый годичный слой состоит из ранней и поздней древесины. Ранняя древесина образуется весной, поздняя — к концу лета. Ранняя древесина светлее поздней. Клетки ранней древесины более крупные, а толщина стенок в них меньшая. Поэтому ранняя древесина более пористая и слабая, а поздняя древесина— более плотная и прочная. Чем больше в годичном слое поздней древесины, тем выше механические свойства породы.

Макроструктура древесины характеризуется также сердцевинными лучами, сосудами и смоляными ходами.

Рис. 41. Поперечный разрез ствола:
1 — сердцевина, 2 — сердцевинный луч, 3 — ядро, 4— заболонь, 5 — кора, 6 — годичные слои

Сердцевинные лучи (см. рис. 41) в растущем дереве служат для проведения воды в радиальном направлении и хранения запасных питательных веществ. Окраска сердцевинных лучей может быть темнее или светлее окружающей древесины.

Сосуды характерны лишь для древесины лиственных пород. Это трубки, каналы различного сечения, предназначенные для проведения воды от корней к кроне дерева.

Рис. 42. Годичные слои на разрезах древесины сосны:
а — поперечном, б — радиальном, в — тангенциальном; 1 —. ранняя древесина, 2 — поздняя древесина

Смоляные ходы наблюдаются только в древесине хвойных пород и представляют собой заполненные смолой тонкие каналы, идущие в горизонтальном и вертикальном направлениях. Смола, содержащаяся в них, защищает древесину от заболевания при повреждениях ствола.

Микроструктура древесины представлена большим числом мельчайших клеток. Оболочки клеток состоят в основном из органического вещества — целлюлозы. Это природный полимер, нерастворимый в воде и органических растворителях. Целлюлоза образует систему первичных волокон, называемых микрофибриллами. Первичные волокна расположены в оболочках клеток в несколько слоев.

Клетки одинакового строения, выполняющие одинаковые функции, образуют ткани древесины. В зависимости от назначения различают механические, проводящие и запасающие ткани.

Механические (опорные) ткани придают древесине необходимую прочность. В хвойных породах опорная ткань состоит из тонких, вытянутых в длину волокон с утолщенными одревесневшими оболочками (трахеид). В лиственных породах аналогичное назначение выполняют волокна либриформа. Механические ткани занимают большую часть объема древесинного вещества.

Проводящие ткани — это вытянутые тонкостенные клетки, по которым влага с растворенными в ней питательными веществами проходит от корней к кроне.

Запасающие ткани, сосредоточенные главным образом в сердцевинных лучах, служат для накопления и хранения питательных веществ и состоят из коротких запасающих клеток.

Таким образом, отличительная особенность структуры древесины заключается в том, что она состоит из множества клеток волокнистого строения. Волокна ориентированы в основном вдоль оси ствола. Стенки клеток древесинного вещества сравнительно тонкие. Ориентированное расположение волокон служит причиной неодинаковых свойств древесины в радиальном, тангенциальном и продольном направлениях. Полости клеток, на которые приходится значительная часть объема, формируют вместе с межклеточными промежутками большую пористость древесины.

Свойства древесины. Их характеризует комплекс показателей, в число которых входят внешний вид, плотность, пористость, влажность, усушка, прочность, твердость, способность удерживать металлические крепления.

Внешний вид зависит в основном от цвета и текстуры древесины.

Цвет часто служит одним из важнейших признаков при распознавании породы дерева. Целлюлоза, из которой в основном состоит древесина, почти белого цвета. Все многообразие цветовых оттенков связано с находящимися в древесине красящими, дубильными и смолистыми веществами. Зависит цвет от климатических условий, в которых растет дерево. Породы умеренного пояса окрашены бледно, тропического — ярко.

Текстура — это рисунок, образующийся на поверхности древесины при перерезании ее волокон, годичных слоев и сердцевинных лучей. Древесина хвойных пород обладает, как правило, простой и однообразной текстурой. Лиственные породы с ярко выраженными сердцевинными лучами — дуб, бук отличаются очень красивой текстурой на радиальном и тангенциальном разрезах.

Плотность значительно влияет на свойства древесины, особенно на прочность. Истинная плотность древесины изменяется в очень узких пределах, так как древесинное вещество состоит в основном из целлюлозы. Поэтому независимо от породы дерева истинную плотность принимают равной 1,54 г/см3. Средняя плотность зависит как от породы, так и от условий произрастания дерева. Она колеблется в широких пределах. Так, средняя плотность, определенная при стандартной влажности, равна, кг/м3: для древесины сосны — 500; ели — 450; дуба — 690; бука — 670; березы— 630. Средняя плотность изменяется в зависимости от влажности древесины.

Пористость древесины связана с ее плотностью. С уменьшением средней плотности от 800 до 300 кг/м3 пористость возрастает с 55 до 80%. Следовательно, большую часть объема древесины занимают поры.

Влажность древесины может изменяться от нуля (абсолютно сухая древесина) до 100% и более (мокрая древесина). Изменение влажности существенно сказывается на свойствах древесины. Если образец абсолютно сухой древесины выдерживать длительное время во влажном воздухе, то его масса вначале будет возрастать, а затем стабилизируется. Связано это с тем, что водяные пары конденсируются в стенках клеток древесины. Влагу, накапливающуюся в стенках клеток, называют связанной или гигроскопической. Состояние древесины, при котором клеточные стенки максимально насыщены водой, а в полостях клеток находится только воздух, характеризуется пределом гигроскопичности. Для большинства пород влажность, соответствующая пределу гигроскопичности при комнатной температуре, составляет 30% по массе.

Молекулы связанной воды, конденсируясь в стенках клеток, попадают в промежутки между микрофибриллами. Это вызывает утолщение клеточных стенок и, как следствие, разбухание древесины. Одновременно ослабляются силы взаимодействия между микрофибриллами, что приводит к уменьшению прочности материала.

При насыщении древесины капельно-жидкой водой заполняются не только стенки, но и полости клеток. Влагу, находящуюся в полостях клеток, называют свободной или капиллярной. Она не влияет на разбухание и прочность древесины, но может изменить другие физические свойства. Например, по мере увеличения влажности древесина становится тяжелее, возрастают ее тепло- и электропроводность.

Учитывая большое влияние влажности, условились все свойства определять при стандартной влажности, равной 12%. Этот показатель соответствует влажности сухой древесины, которая;хранится в комнатных условиях.

Усушка — это уменьшение линейных размеров и объема деревянных изделий при удалении из древесины связанной влаги. Такие деформации наблюдаются при изменении влажности в диапазоне от нуля до 30%, т.е. до предела гигроскопичности. Усушка по разным направлениям неодинакова. Вдоль волокон древесины усушка наименьшая — 0,1…0,3%, в тангенциальном направлении 6… 10%, в радиальном—3…5%.

Неравномерные деформации усушки в разных направлениях служат причиной растрескивания и коробления пиломатериалов и деревянных изделий.

Разбухание древесины происходит при увлажнении. Деформации разбухания аналогичны деформациям усушки, но противоположны им по знаку.

Прочность зависит от направления действия сил по отношению к волокнам, плотности, влажности, вида и размеров пороков. Лучше всего древесина сопротивляется растяжению и изгибу; ее прочность при сжатии несколько ниже (табл. 21).

По прочности на сжатие древесина соответствует наиболее высоким классам бетона, а по прочности на изгиб и растяжение намного превосходит его. На практике использовать высокую прочность древесины на растяжение очень трудно из-за сложности закрепления рабочих концов изделий, в которых возникают скалывающие напряжения и происходит смятие древесины. Сопротивляемость древесины скалыванию и смятию весьма невелика, и разрушение при растяжении происходит не в виде разрыва, а в виде скалывания или смятия в местах закрепления изделия. Поэтому древесину в основном используют в изгибаемых и сжимаемых конструкциях (балках, стойках), реже— в растягиваемых элементах (затяжках стропильных ферм).

Прочность древесины, особенно при сжатии и изгибе, зависит от ее влажности. Существенное влияние оказывает только связанная влага, содержащаяся в клеточных оболочках. По мере возрастания влажности прочность древесины уменьшается, особенно при влажности 20…25%. За пределом гигроскопичности (более 30%) прочность древесины остается неизменной.

Механические свойства зависят не только от влажности, но и от пороков древесины. Поэтому расчетные сопротивления принимают в 5…10 раз меньше характеристик прочности древесины, указанных в табл. 21.

Твердость имеет большое значение при обработке древесины режущим инструментом. Наибольшей твердостью обладает торцовая поверхность.

По степени твердости все древесные породы разделяют на три группы:

мягкие (торцовая твердость менее 38,5 МПа при 12%-ной влажности)—сосна, ель, кедр, пихта, липа, тополь, ольха;

твердые (торцовая твердость 38,5…82,5 МПа) — лиственница, береза, бук, вяз, дуб, ясень, клен;

очень твердые (более 82,5 МПа) — акация белая, береза железная, граб, тисс, кизил, самшит.

Способность удерживать металлические крепления — своеобразное свойство древесины, обусловленное упругостью ее волокон. Гвоздь, вбиваемый в древесину, раздвигает волокна, которые оказывают на его боковую поверхность значительное давление. Возникающие при этом силы трения прочно удерживают гвоздь. Способность удерживать металлические крепления оценивают по сопротивлению выдергиванию гвоздей или шурупов. Сопротивление выдергиванию соответствует усилию, необходимому для выдергивания из древесины гвоздя или шурупа стандартных размеров.

Наибольшее сопротивление выдергиванию оказывают древесина в радиальном и тангенциальном направлениях. Усилие выдергивания гвоздя, вбитого в торец, т. е. вдоль волокон древесины, почти на 50% меньше. Вот почему для получения прочного соединения деревянных деталей не следует вбивать гвозди или завинчивать шурупы вдоль волокон древесины. Сопротивление древесины выдергиванию шурупов примерно в 4…5 раз больше, чем гвоздей.

Сопротивление выдергиванию также зависит от породы, плотности и влажности древесины. Например, для забивания и выдергивания гвоздей из древесины граба (плотность 800 кг/м3) необходимо усилие в четыре раза большее, чем для древесины сосны, плотность которой 500 кг/м3. Во влажную древесину гвозди вбивать легче, чем в сухую. При последующем высыхании способность древесины удерживать гвозди снижается.

Структуру древесины изучают как на макроскопическом, так и микроскопическом уровне. При изучении макроскопического строения древесины рассматривают части ствола дерева, которые видимы невооруженным глазом. При изучении микроскопического строения древесины рассматриваются анатомические элементы древесины (клетки), видимые только под микроскопом.

Строение ствола дерева изучаются на 3 разрезах: поперечном (секущем дерево поперек ствола), продольно-радиальном (секущем дерево по радиусу или диаметру), продольно-тангенциальном (секущем дерево по хорде) разрезах (см. рис. 3.1).

Рис. 3.1. Основные разрезы ствола дерева:

1- поперечный (торцовый), 2- радиальный, 3- тангенциальный

Рис. 3.2. Строение ствола дерева:

1- сердцевина; 2 - сердцевинные лучи; 3- годичное кольцо; 4 – кора; 5 – пробковая ткань, луб; 6 – заболонь; 7 – камбий; 8 – ядро.

Основные части древесины хорошо различимы на поперечном разрезе. Строение ствола дерева представлено на рисунке 3.2.

Сердцевина состоит из клеток с тонкими стенками, слабо связанных друг с другом. Сердцевина вместе с древесной тканью первого года жизни дерева образует сердцевинную трубку. Эта часть ствола дерева мало прочна и легко загнивает. Доски, брусы и бруски, в которые попадает сердцевинная трубка, нельзя применять для несущих изгибаемых элементов конструкции, так как она выкрашивается и ослабляет сечение.

В древесине всех пород расположены сердцевинные лучи, которые служат для перемещения влаги и питательных веществ в поперечном направлении от луба к сердцевине и создания запаса этих веществ на зимнее время. У хвойных пород они очень узкие и видны только под микроскопом. По ним древесина легко раскалывается и при высыхании растрескивается.

Кора состоит из кожицы (корки, наружная часть) и пробковой ткани и луба (внутренняя часть). Корка и пробковая ткань защищают дерево от механических повреждений и вредного влияния среды.

Луб служит для доставки питательных веществ, нужных для роста дерева. В нем откладываются запасы этих веществ, необходимых дереву ранней весной для развертывания молодых листочков.

Под слоем луба у растущего дерева находится тонкий слой камбия, состоящего из живых клеток. В вегетативный период они размножаются делением: в сторону луба откладываются лубяные клетки, а к центру дерева – клетки древесины (в значительно большем объеме). Деление клеток камбия начинается весной и заканчивается осенью. Поэтому в поперечном разрезе древесина ствола (его часть от луба до сердцевины) состоит из ряда концентрических годичных колец, расположенных вокруг сердцевины. Каждое годичное кольцо состоит из двух слоев. Клетки ранней (весенней) древесины образуются весной или в начале лета. Клетки поздней (летней) древесины образуются к концу лета. Ранняя древесина имеет светлый цвет и состоит из крупных тонкостенных клеток. Поздняя древесина имеет более темный цвет, меньшую пористость и обладает большой прочностью. Она состоит из мелких клеток с толстыми стенками. Прочность древесины тем выше, чем больше процент поздней древесины.

Толстый наружный слой древесины, находящийся за камбием, называется заболонью. Она состоит из живых клеток, обеспечивающих перемещение питательных веществ от корней к кроне. Эта часть древесины имеет большую влажность, малую прочность, обладает большой усушкой и склонностью к короблению, относительно легко загнивает.

Следующий, за заболонью внутренний слой древесины, называется ядром. В процессе роста дерева стенки клеток древесины внутренней части ствола, примыкающей к сердцевине, постепенно изменяют свой состав, структуру и цвет. Ядро состоит из полностью отмерших клеток. Они не участвуют в жизнедеятельности дерева, не проводят по стволу влагу, имеют меньшую влажность, чем у заболони, более прочные, твердые и менее склонны к загниванию.

Породы, у которых ядро отличается от заболони более темной окраской и меньшей влажностью, называют ядровыми (сосна, лиственница, дуб, кедр). Породы, центральная часть которых имеет только меньшую влажность, по сравнению с заболонью – спелодревесными (пихта, ель, липа, бук). Породы, не имеющие значительного различия между центральной и наружной частями стволовой древесины, называют заболонными (осина, ольха, клен, береза).

Изучая строение древесины под микроскопом, можно увидеть, что основную ее массу составляют клетки веретенообразной формы, вытянутые вдоль ствола. Некоторое количество клеток (клетки сердцевинных лучей) располагаются в горизонтальном направлении, поперек основных.

Клетки древесины классифицируют на клетки механической или опорной ткани, проводящие клетки и клетки запасающей ткани.

Срубленная древесина состоит из одеревеневших клеточных оболочек. Оболочки клеток сложены из нескольких слоев очень тонких волоконец, называемых микрофибриллами. Они компактно уложены и направлены по спиралям под разными углами к продольной оси клетки (как у каната). Это обеспечивает прочность материала при растяжении.

Микрофибрилла состоит из длинных нитевидных цепных молекул целлюлозы – высокомолекулярного природного полимера (С₆Н₁₀О₅)_n, где n > 2500, со сложным строением макромолекул. Макромолекулы целлюлозы имеют высокую прочность на растяжение, изгиб и вытянутую форму.

Между микрофибриллами содержатся органические вещества – лигнин и гемицеллюлоза. Есть небольшое количество неорганических веществ в виде солей щелочноземельных металлов. Наличие лигнина обеспечивает прочность древесины при сжатии. Толщина стенок клеток определяет плотность древесины. Эта толщина, а также, толщины составляющих слоев могут заметно различаться не только у разных пород деревьев, но и у деревьев одной породы, что вызвано различиями в природных условиях роста.

Сравнение срезов и элементы микроструктуры хвойных и лиственных пород представлены на рисунках 3.3. – 3.4.

Рис.3.3. Микроскопическое строение древесины на примере сосны:

а - поперечный срез; б - радиальный срез; в - тангенциальный срез; 1 - ранние трахеиды; 2 -поздние трахеиды; 3 - сердцевинные лучи; 4 - вертикальный смоляной ход; 5 - годичный слой; 6 - окаймленные поры; 7 - оконцевые поры; 8 -горизонтальный смоляной ход

Рис. 3.4. Микроскопическое строение древесины на примере березы

а - поперечный срез; б - радиальный срез; в – тангенциальный срез; 1

волокна либриформа; 2 – сосуд (членик сосуда); 3 – сердцевинные лучи; 4

граница годичного слоя; 5 – лестничная перфорация; 6 – окаймленные поры.

Рис. 3.1. Основные разрезы ствола дерева:

1- поперечный (торцовый), 2- радиальный, 3- тангенциальный

Рис. 3.2. Строение ствола дерева:

Сравнение срезов и элементы микроструктуры хвойных и лиственных пород представлены на рисунках 3.3. – 3.4.

Рис.3.3. Микроскопическое строение древесины на примере сосны:

Рис. 3.4. Микроскопическое строение древесины на примере березы

а - поперечный срез; б - радиальный срез; в – тангенциальный срез; 1

волокна либриформа; 2 – сосуд (членик сосуда); 3 – сердцевинные лучи; 4

граница годичного слоя; 5 – лестничная перфорация; 6 – окаймленные поры.

В растущем дереве различают три основные части: корень, ствол и крону (ветви и листья или хвоя)

Части дерева

Назначение корня — всасывать из почвы влагу с растворенными в ней минеральными веществами и передавать ее через ствол в крону; кроме того, он удерживает дерево в вертикальном положении.

Назначение ствола— проводить впитываемую корнями влагу с растворенными в ней минеральными солями в верх в крону; отводить вниз питательные вещества; сохранять запасы питательных веществ, необходимых весной для развертывания листьев; служить опорой для кроны.

Рис.1 Поперечный (торцовый) разрез ствола дуба: 1— кора, 2 — заболонь; 3 — ядро; 4 — сердцевина.

Нижняя часть ствола дерева называется комлем, верхняя — вершиной. В месте перехода ствола в корень имеется закомлистость — резкое увеличение диаметра ствола дерева на небольшой длине.
В кроне листьями вырабатываются органические вещества - углеводы, необходимые для питания и роста дерева.
Главную массу древесины дает ствол, составляющий от 70 до 90 % объема дерева и используемый в качестве строительного материала.

Наша страна занимает первое место в мире по запасам древесины. Из 3 миллиардов гектаров лесной площади, покрывающих поверхность земли, на долю России приходится более одного миллиарда гектаров.
Хвойный лес, наиболее важный для строительства и промышленности, занимает у нас по площади более половины всех хвойных лесов умеренного пояса земного шара. Особенно велики запасы древесины на севере России, на Урале, в Западной Сибири.

Легкость и высокая прочность древесины (на растяжение и сжатие вдоль волокон), малая теплопроводность, простота обработки способствуют повсеместному применению этого материала и, в частности, в строительстве как капитальных, так и вспомогательных и временных сооружений.
Наряду с этим древесина имеет и существенные недостатки, а именно:

неоднородность строения, а следовательно, неодинаковые свойства в разных направлениях (малая прочность на растяжение поперек волокон и на скалывание);
способность изменять свою влажность на воздухе и, соответственно, размеры, форму и прочность;
способность быстро разрушаться от гниения при неблагоприятных условиях хранения и эксплуатации;
легкую возгораемость.

Однако эти недостатки древесины могут быть в значительной степени устранены соответствующей обработкой.

Макроструктура дерева. Ствол, кора, луб, камбий, заболонь, ядро

Макроструктура — это строение древесины, различимое невооруженным глазом или при незначительном увеличении.

Основные разрезы ствола.

Для получения правильного представления о строении древесины необходимо рассматривать в трех разрезах:

Р - торцовый сечение ствола плоскостью, проходящей поперек его оси;

R— радиальный сечение ствола плоскостью, проходяще через ось ствола по радиусу или диаметру поперечт го сечения;

Т - тангентальный сечение по хорде поперечного сечения параллельно оси ствола.

На рис. 2. показаны: 1 — доска радиальной и 2 — доска тангенталыюй распиловки.

Ствол

Ствол в основном состоит из клеток, вытянутых по его длине клетки группируются наслоениями, которые на торце имеют вид концентрических колец, а на продольных разрезах (радиальном и тангенгальном) наклонных и параболических линий. На торцовом разрезе, начиная от периферии к центру, различают следующие основные части ствола: кору, камбий, древесину и сердцевину.

Кора изолирует

Кора изолирует дерево от вредных воздействий внешней среды резких колебаний температуры, от насекомых вредителей леса и т. п. Она состоит из наружных покровных наслоений, резко отличающихся от внутренних наслоений древесины. В коре различают наружный слой корку или кожицу, средний слой пробковую ткань и внутренний луб.

Луб в растущем дереве служит проводником питательных веществ от кроны в ствол и корни; и нем откладываются запасы питательных веществ, необходимых дереву ранней весной для развертывания молодых листьев

Кора занимает от 5 до 20% объема дерева. Некоторые породы, например, пробковый дуб, выращиваемый в Крыму и на Кавказе, бархатное дерево, растущее в районе Амура и на Сахалине, имеют очень толстую и мало теплопроводную кору. Кора этих деревьев используется для изготовления пробковых теплоизоляционных плит и укупорочной пробки, а древесина в столярных и отделочных работах.

Камбий

Камбий расположен между лубом и древесиной в виде очень тонкого слоя тонкостенных клеток, способных к делению и росту. Клетки камбия, делясь, ежегодно откладывают в сторону коры клетки луба, а в противоположную сторону клетки древесины.
Весной камбий дает более рыхлую древесину, летом и осенью более плотную.
Древесина состоит из ряда концентрических слоев, идущих от сердцевины до коры, от которой она отделяется незаметным на глаз камбиальным слоем.
На поперечном разрезе ствола некоторых пород дерева можно легко различить наружную, более светлую часть заболонь и внутреннюю, более темную ядро.

Заболонь

Заболонь часть древесины более позднего образования, состоящая из молодых клеток, среди которых имеются живые и омертвевшие.
В растущем дереве по заболони (снизу вверх) движется влага с растворенными в ней минеральными веществами, отчего влажность заболони в свежесрубленном дереве гораздо больше, чем в ядре.
Древесина заболони по своим механическим свойствам равноценна древесине ядра (при одинаковой их влажности), но стойкость ее против загнивания ниже.

Ядро состоит из мертвых клеток и образуется не сразу, а постепенно, по мере отмирания клеток заболони. Ядро не принимает участия в продвижении необходимых для дерева питательных веществ вследствие закупорки проводящих путей. Потемнение древесины в ядре объясняется образованием в клетках древесины различных веществ (смол, дубильных и красящих веществ). Эти вещества делают древесину ядровой части более стойкой против загнивания.
В зависимости от наличия или отсутствия ядра древесные породы делятся на:

а) ядровые, имеющие ядро и заболонь (дуб, сосна, лиственница, кедр и др.);
б)заболонные (безъядровые), имеющие одну лишь заболонную древесину (береза, ольха, осина и др.)

Из группы заболонных пород выделяются спело-древесные породы (ель, пихта, бук), у которых центральная часть древесины, соответствующая положению ядра, не отличается по цвету от заболони, но содержит в растущем или в свежесрубленном дереве значительно меньше влаги.

Микроструктура древесины. Строение клетки древесины

Микроструктура — это строение древесины, видимое только при значительном увеличении, т. е. под микроскопом.

Древесина состоит из очень большого числа живых и омертвевших клеток различной формы, величины и назначения.

Живая клетка древесины

состоит из оболочки (стенки) и содержимого протопласта (плазмы и ядра).
Оболочку или стенку клеток в основном образует вещество, называемое целлюлозой или клетчаткой.
Со временем в клетчатке под действием плазмы происходит химическое изменение одревеснение, связанное с образованием оболочке живой клетки особого вещества лигнина, благодаря которому оболочка упрочняется, но становится более хрупкой.

Рис. 3 Сосуды: 1 — липы; 2 и 3 — бука; 4 — дуба

Основные элементы древесных тканей

Основными элементами, входящими в состав органической части древесных тканей, являются углерод, кислород, водород и азот. Химический состав сухой древесины: С — 49,5%, О и N — 44,2 % (в том числе азота около 1 %), Н — 6,3 %
Целлюлоза в чистом виде не растворяется в воде, спирте, бензине, эфире. При действии на древесину горячих кислотных или щелочных растворов в условиях высокого давления лигнин и другие углеводы (гемицеллюлоза) переходят в раствор, а целлюлоза не растворяется. На этом основано получение целлюлозы из древесины.

Классификация клеток древесины.

Клетки древесины могут быть классифицированы по выполняемым ими функциям:

а) проводящие;
б) опорные (древесные волокна);
в) запасающие.

Рис. 4. Схема расположения клеток в древесине хвойных пород: 1— в ранней древесине; 2 — в поздней древесине

Проводящие клетки сосуды и трахеиды.

По этим клеткам по стволу от корней к ветвям и листьям проходит вода с растворенными в ней минеральными веществами.
Сосуды представляют собой тонкостенные широкополостные трубочки, расположенные по вертикали одна над другой и утратившие полностью или частично поперечные стенки (рис. 3). Диаметр сосудов от 0,04 до 0,3 мм; длина в среднем около 100 мм, но в отдельных случаях она достигает 2—3 м.
Трахеиды представляют собой удлиненные клетки до 10 ммдлиной и 0,01—0,3 мм толщиной (клетки в поперечном сечении имеют форму многоугольника).

Древесина хвойных пород

Древесина хвойных пород состоит главным образом из трахеид, занимающих 90—95% общего объема древесины.
Размеры трахеид в пределах одного и того же годичного слоя неодинаковы; трахеиды ранней древесины имеют сравнительно широкую полость и тонкую стенку, а трахеиды поздней древесины — узкую полость и утолщенную стенку (рис. 4).
На боковых поверхностях трахеид, а также сосудов имеются микроскопические отверстия — поры f и h (рис. 3), через которые они сообщаются в поперечном направлении.

Рис. 5. Древесные волокна: 1— менее утолщенные (липа); 2—сильно утолщенные (бук).

Трахеиды

Трахеиды у хвойных пород являются одновременно и водопро-, водящей и опорной тканью; механические свойства древесины - находятся в прямой зависимости от прочности трахеид поздней древесины.
В древесине лиственных пород имеются древесные волокна,— это узкие и относительно толстостенные, вытянутые в длину; клетки с заостренными концами. Благодаря этим толстостенным; и прочным элементам, их плотному соединению между собой и равномерному распределению по годичному слою эти клетки придают древесине лиственных пород необходимую прочность.

Опорной тканью в стволах лиственных пород являются древесные волокна (рис. 5), а в хвойных трахеиды поздней древесины. Запасающие клетки находятся главным образом в сердцевинных лучах. Эти клетки служат для передачи питательных веществ живым клеткам. Кроме того, они хранят в себе запасы этих веществ на зимний период. Связь этих клеток с соседними непрочная.

На рис. 6 приведена схема строения древесины ели, на которой показан характер расположения клеток на торцевом, радиальном и тангентальном разрезах.

Рис. 6. Расположение клеток в древесине ели: 1— клетки поздней древесины; 2— клетки ранней древесины; 3 — запасающие клетки сердцевинных лучей; 4 — поры в стенках клеток.

Строение годичных колец и сердцевины древесины

Сердцевина

Сердцевина иногда расположена не в центре поперечного сечения ствола и проходит по всей его длине. Она состоит из клеток с тонкими стенками и представляет собой рыхлую ткань первичного образования; она очень слаба, непрочна и легко поддается загниванию. Часто загнивание ствола дерева начинается с сердцевины, затем распространяется на прилегающие к пей годичные слои и в стволе образуется дупло.

Сердцевина и образовавшаяся в первый год развития дерева древесная ткань образуют сердцевинную трубку, которая не у всех пород развита одинаково; например, клен и ясень имеют широкую трубку, а лиственница и кедр — узкую.
В пиломатериалах — досках и брусках толщиной до 50 мм, предназначенных для растянутых и изгибаемых элементов несущих конструкций, сердцевина не допускается.

Годичные слои.

Рост дерева происходит только в течение вегетационного периода (в умеренной полосе весной, летом и осенью).

Каждый годичный слой состоит из двух зон: ранней, образовавшейся весной (светлая часть), и поздней (темная часть), образовавшейся к концу лета.

Ранняя древесина — более пористая и слабая, поздняя — более плотная и прочная часть годичного слоя. Часто считают, что мелкослойная древесина прочнее и лучше крупнослойной. Однако это утверждение не всегда справедливо, так как прочность большинства древесных пород зависит не от ширины слоя, а от степени развитости поздней древесины. Чем сильнее развита в годичных слоях поздняя древесина, тем лучше материал.

Годичные слои могут быть отчетливо видны, слабо заметны или совсем не видны невооруженным глазом. Отчетливо видны годичные слои у хвойных пород (сосны, лиственницы и др.) благодаря разной плотности и окраске поздней и ранней древесины.
Особенно резко выделяется ранняя древесина у дуба и ясеня, так как она состоит из тонкостенных и широко-полостных элементов.

Сосуды, смоляные ходы сердцевинные лучи

В древесине лиственных пород для движения влаги кроме клеток имеются и более крупные элементы — сосуды; они имеют форму трубочек, идущих вдоль ствола дерева.
На гладкой, хорошо остроганной торцовой поверхности древесины дуба, ясеня, вяза, ильма и др. можно заметить, что крупные сосуды расположены в ранней древесине и собраны в кольцо, отчего эти породы носят название кольцесосудистых. Поздняя древесина этих пород также имеет сосуды, но более мелкие, а потому и не видимые невооруженным глазом.

У таких лиственных пород, как береза, ольха, бук, граб, клен, осина, липа и др., крупных сосудов нет и поэтому их ранняя и поздняя древесина резко не различаются; для них характерны мелкие сосуды, рассеянные по всей ширине годичного слоя. Эти породы носят название рассеянно-сосудистых.

Сердцевинные лучи: 1 — на поперечном разрезе ствола; 2—на радиальном; 3— на тангентальном.

Поздняя древесина данной группы лиственных пород окаймлена узкой полосой толстостенных клеток, отделяющих один слой от другого. Хвойные породы в отличие от лиственных не имеют сосудов, а состоят в основном из замкнутых сравнительно длинных клеток.

Смоляные ходы

У большинства хвойных пород в промежутках между клетками, в так называемых смоляных ходах, сосредоточивается смола. Смоляные ходы расположены преимущественно в поздней древесине. На торцовом разрезе смоляные ходы видны при значительном увеличении, но на продольных разрезах (особенно на заболонной части) их можно обнаружить в виде темных черточек и невооруженным глазом. Смола защищает древесину от заболевания при повреждении ствола.

Сердцевинные лучи

На поперечном разрезе ствола таких пород, как дуб, бук, клен и др., заметны узкие радиальные линии — так называемые сердцевинные лучи. На радиальном разрезе они представляют собой светлые или темные полоски; они часто прерываются, так как отклоняются от строго радиального направления. На тангентальном разрезе сердцевидные лучи имеют вид темных штрихов с заостренными концами, расположенными по длине ствола. У хвойных пород они обычно очень узки и видны только под микроскопом.

Сердцевинные лучи состоят

Сердцевинные лучи состоят из очень коротких и тонкостенных клеток, слабо связанных между собой, вследствие чего древесина легко раскалывается по сердцевинным лучам; по ним же проходят трещины, образующиеся при высыхании материала. Древесина лиственных пород содержит от 10 до 35% сердцевинных лучей от объема древесины, хвойных — от 5 до 10%.

Микроструктура древесины — это строение древесины, видимое под микроскопом.

Клетки древесины классифицируют в зависимости от выполняемых ими функций.

Механическая, или опорная, ткань древесины — наиболее прочная и стойкая к загниванию. В древесине хвойных пород опорную ткань образуют трахеиды поздней древесины. Древесина хвойных пород состоит главным образом из трахеид, на их долю приходится 90 — 95% общего объема древесины (рис. 124).

Рис. 124. Микроструктура древесины хвойных пород: 1 — клетки (трахеиды) поздней древесины; 2 — клетки ранней древесины; 3 — запасающие клетки сердцевинных лучей; 4 — поры в стенках клеток

Проводящие клетки — сосуды у лиственных пород и трахеиды — у хвойных. Сосуды представляют собой тонкостенные трубочки, расположенные одна над другой диаметром 0,04 — 0,3 мм, длиной около 100 мм и более. У большинства хвойных пород сосудов нет, так как соответствующую функцию у них выполняют трахеиды, сообщающиеся между собой с помощью микроскопических отверстий, указанных на рис. 124. Следовательно, трахеиды хвойных пород выполняют роль опорной и проводящей ткани.

Сердцевинные лучи видны на поперечном разрезе ствола дуба, клена, бука и некоторых других лиственных пород в виде узких радиальных полосок. На тангенциальном разрезе ствола сердцевинные лучи представляются в виде темных штрихов. У хвойных пород они очень

узки и видны только под микроскопом. В растущем дереве сердцевинные лучи служат для перемещения питательных веществ и сохранения запаса их на зиму. По отношению к объему всей древесины хвойные породы содержат 5 — 10%, а лиственные 10 — 35% сердцевинных лучей.

Древесина сравнительно легко раскалывается по сердцевинным лучам, по ним же проходят трещины, образующиеся при высыхании лесных материалов. Это объясняется тем, что сердцевинные лучи состоят из коротких тонкостенных клеток, слабо связанных между собой.

Стенка клетки (по Роберту) состоит из нескольких слоев, различающихся по своему составу и толщине (рис. 125).

Ряс. 125. Строение стенки клетки древесины

Вакуоль 1 ограничена внутренним очень тонким слоем 2, первичные волокна (фибриллы) целлюлозы расположены в нем примерно вдоль оси клетки. Второй слой 3 гораздо толще внутреннего и состоит из множества пучков фибрилл целлюлозы, расположенных по спирали. В межфибрилльном пространстве находится немного лигнина. В среднем слое 4 фибриллы целлюлозы расположены более или менее правильно, покрывая витками предыдущий слой. В межфибрилльном пространстве расположен лигнин. Следующий слой 5 состоит из переплетающихся между собой фибрилл целлюлозы. Межклеточный элемент 6 не содержит целлюлозы. Он субмикроскопической толщины и при делении клетки сначала образуется как разделительная стенка между вновь возникающими клетками, состоящая из протопектина совместно с лигнином.

Читайте также: