Что такое древесина и какой она бывает?

Дерево имеет множество функций – из него строят дома и делают мебель, им обогревают помещения, оно окружает нас повсюду. Но что такое древесина с точки зрения физики или механики? Как ее можно использовать, и какие пороки она имеет?

Древесиной называют природное сырье, которое используют для производства разного рода изделий и сооружений. Если говорить об этом материале с точки зрения физики, то древесина – это растительная ткань, состоящая из клеток, которые с высокой плотностью прилегают друг к другу. Из-за этого структура дерева плотная и упругая. Клетки дерева (как и любые другие живые клетки) имеют оболочку. В ней содержится целлюлоза, благодаря которой дерево так прочно. Клетки имеют форму трубки – длинной и узкой, поэтому им дали название волокон.

Древесина обладает свойством удержания тепла. Это происходит благодаря наличию пустот между клетками – именно они задерживают тепло и накапливают его. Непостоянные показатели прочности и веса связаны с тем, какой размер имеют волокна. Чем они более толстые, тем более прочной является древесина.

Рубить дерево проще в направлении, в котором расположены волокна. Обрабатывать легче древесину тех пород, в которых они располагаются параллельно. Кленовые деревья поддаются обработке сложнее, так как в структуре клена имеется тесное переплетение клеток-волокон. Но не только целлюлоза содержится в клетках древесины. В них есть еще очень сложное и загадочное вещество, называемом лигнином. Благодаря ему волокна соединяются между собой. Химическую формулу лигнина ученым вывести пока не удалось, настолько сложной она является.

Дерево имеет уникальные и отличающие его от других материалов оттенок и запах. И то и другое возникает благодаря присутствию в составе смол, масел, в хвойных породах – камеди и иных веществ. Эти же элементы помогают древесине бороться с гниением. Древесина делится на два типа пород – лиственные и хвойные. Обе группы очень большие. Выделяется отдельная группа – однодольные деревья, к ним относят пальму, бамбук.

Все характеристики древесины делятся на три большие группы: физические, технологические и механические.

Те свойства, которые во время испытаний не приводят к изменениям химического состава древесины, носят название физических. К ним можно отнести такие характеристики:

• внешний вид;
• уровень влажности и все, что связано с его изменениями;
• теплопроводность и удержание тепла;
• электропроводность;
• звукоизоляция и все, что с ней связано;
• изменения, которые материал приобретает после воздействия электромагнитного излучения.

Внешний вид формируют такие составляющие, как цвет, блеск, текстура и макроструктура. Цветом называют визуальное ощущение, остающееся после отражения деревом потока света, а точнее – от того, какой спектральный состав у этого отражения. Цвет крайне важен для дерева. На него ориентируются, выбирая породу, которой будет отделано помещение, из которой будет изготовлена мебель, музыкальный инструмент, произведение декоративно-прикладного жанра и т. п.

Окраска дерева зависима от многих факторов – порода, возраст, регион и климат местности, в которой произрастает. Цвет вполне может измениться под воздействием ветра, солнца, от грибковой инфекции, а также от влаги, особенно если дерево длительное время находится в воде. Но многие породы имеют уникальный тон, распознать который специалисту довольно легко. Блеском называется свойство дерева отразить поток света. У каких-то пород блеск сильнее, у каких-то слабее. Из пород, произрастающих в России, наиболее сильный блеск у дубовой, буковой древесины, а также у таких деревьев, как белая акация.

Текстура – не что иное, как рисунок дерева. Он становится виден после того, как анатомические элементы перерезаны (годичные кольца, лучи сердцевины, сосуды). По ширине годичных колец и содержанию поздней древесины производится оценивание того, насколько качественной она является. Ширина годичного кольца – это то количество слоев, которое содержится в одном сантиметре, отложенном в радиальном направлении на торце древесины.

Ее измеряют посредством прямых или косвенных методов. Самым простым и надежным способом измерить влажность древесины является ее просушка. Это занимает время, но зато ответ получается точным. Что касается косвенных методов, они значительно быстрее. Например, измерения с помощью кондуктометрического электровлагомера показываются, сколько воды содержит дерево, и какова его электропроводность. Но точность у таких способов низкая – максимум 30%, и то лишь там, где была введена игла для измерения.

Вода в дереве можно быть свободной и связанной. Первую можно обнаружить в полости волокон и в пространстве между клетками. Вторую – в структуре клетки, ее держат физико-химические связи. Если свободная вода удаляется из древесины довольно легко, то связанную удалить значительно сложнее. Если пиломатериал в процессе сушки, выпиловки или хранения меняет свою форму, это называется коробление. Чем бы оно ни было вызвано, оно приводит к появлению пороков древесины, поэтому хранить и обрабатывать ее нужно в соответствии с технологией.

Дерево имеет такие свойства, как влагопоглощение и разбухание (как следствие). Это следует учитывать при работе с ним. Оно не всегда является отрицательным, например, в чанах или бочках свойство дерева разбухать и увеличиваться из-за этого в размере повышает плотность прилегания деревянных элементов друг к другу.

Дерево обладает плотностью, измеряющейся в килограммах на кубический метр (или в граммах на кубический сантиметр). У различных пород дерева одинаковая плотность древесинного вещества (она составляет 1,53 г/см3), но разная плотность полностью высушенной древесины. Существует несколько показателей плотности – влажная древесина имеет одну плотность, а сухая – другую. У дерева есть такая характеристика, как пористость, т. е. степень заполненности воздухом пустых полостей. Пористость разных пород колеблется в промежутке 40-80%.

Показатель проницаемости означает, какое количество жидкого или газообразного вещества древесина способна пропустить под воздействием на нее давления. Отдельно среди физических свойств древесины выделяют тепловые, к которым относят теплоемкость, способность проводить тепло и расширяться под его воздействием, а также способность проводить температуру. Дерево обладает свойством электропроводности, т. е. по нему проходит электроток. Чем древесина суше, тем хуже она проводит электричество, и наоборот.

Эта категория свойств древесины включает в себя такие параметры, как твердость, устойчивость к износу, ударная вязкость, удержание различных видов крепежа, а также возможность обработки материала при помощи режущих инструментов. Ударной вязкостью называется свойство древесины поглотить прилагаемое к ней усилие во время удара без изменения структуры материала. Высокая вязкость означает, что для того, чтобы осуществить поломку образца, требуется большое усилие.

Твердостью называют способность древесины противостоять более твердому телу при вдавливании. Более твердым материалом для древесины и замеров твердости является сталь. Твердость определяют при помощи шкалы силоизмерителя. Об износостойкости дерева говорит его свойство сопротивления изнашиванию во время его трения о поверхность с абразивным покрытием. Существует специальная формула для расчета показателя истирания.

Древесина способна к сопротивлению под действием прилагаемых к ней усилий, т. е. у нее имеются механические свойства. К ним относят прочность, устойчивость к деформации, технологические и эксплуатационные свойства. Механические свойства древесины определяются в таких испытаниях, как растяжение, сжатие, изгиб и сдвиг. Древесину относят к анизотропным материалам, что означает, что в различных направлениях ей присущи разные свойства.

Предел прочности – максимально допустимый уровень напряжения, который предшествует началу разрушения образца. Его нужно определять на образце, не имеющем пороков, небольшого размера и чистом. Для того чтобы определить прочность древесины при ее сжатии, потребуется образец, имеющий призматическую форму.

Деформативностью называют способность противостоять кратковременным нагрузкам, не меняя изначальной формы. Благодаря упругости древесина способна возвращать первоначальную форму после кратковременных нагрузок. Модуль упругости высчитывают по специальной формуле. Строение древесины таково, что под постоянными нагрузками она может деформироваться. Важно точно знать как показатель прочности, так и предел дополнительного сопротивления, а также и предел выносливости (для образцов, подвергающихся переменным нагрузкам).

Пород древесины очень много, при выборе материала для строительства или обработки следует учитывать индивидуальные особенности и свойства у каждой. Древесина делится не только на всем известные группы лиственных и хвойных пород. Например, есть классификация древесины по цвету. В зависимости от вида, цвета древесины отличаются. У цвета дерева есть зависимость от нескольких факторов. Это порода, возраст, скорость, с которой дерево растет, а также от того, какое количество красящих веществ содержится в нем.

С последним фактором напрямую связана также яркость. У заболони дерева (внешней его части, в которой содержатся живые клетки) тон всегда светлее, чем у ядра. У ядровой части, в которой сконцентрированы дубильные вещества и смолы, оттенок значительно темнее. Соответственно, у ядровых пород древесина более темная, у заболонных – светлая.

К первым можно отнести лиственницу, сосну, ясень. Ко вторым, с узким ядром – березу, грушу, липу, ольху. Из перечисленных у березы оттенок древесины полностью белый, у остальных – очень светлый древесный. Это связано еще и с тем, что в заболони присутствует крахмал. Заболонные породы используют для изготовления паркетной доски.

Хвойные породы используются для создания пиломатериалов и иных строительных составных частей. У них легкая и удобная для обрабатывания структура. В России произрастает большое количество деревьев хвойных пород. Что касается лиственных пород, они используются для создания мебели и отделки помещений.

Отдельные породы деревьев имеют более высокую стоимость, называются ценными. Ценность состоит в том, что у этих пород значительно выше прочность, они дольше служат и имеют неповторимый рисунок. Из этих сортов создают красивую элитную мебель, паркетную доску, двери, иные предметы декора. Все они стоят значительно дороже, чем обычные изделия той же категории. Из отечественных ценных пород можно назвать вишню, дуб, грушу, палисандр, а также древесину белого или остролистного клена.

Древесину также различают по признакам ликвидности и неликвидности.

• Ликвидная древесина – ее используют для хозяйственных нужд. Ликвидная древесина состоит из деловой древесины и дров. В свою очередь, деловая древесина включает в себя круглый и колотый лесоматериал, но не включает дрова. В составе деловой древесины выделяют также технологическую щепу и пнёвый осмол.
• Неликвидная древесина – та, которую нельзя использовать для хозяйственных целей из-за того, что она утратила технические качества вследствие естественных пороков или дефектов обработки.

Пороками древесины называют те дефекты, которые она имеет. Это касается и ствола целиком, и отдельно взятых его элементов. Порок обязательно должен ухудшать качество древесины, ограничивая возможность ее применения. Все виды пороков и дефектов перечислены в ГОСТе 2140-81. Пороком считается все, что имеет отклонения от нормального строения древесины.

Пороки бывают естественные, которые возникают вне зависимости от воли человека (воздействие климатических факторов, птиц, насекомых, грызунов, бактерий и т. д.), а бывают дефекты обработки, к которым относятся те пороки, которые возникают вследствие неправильной обработки, хранения или складирования материала.

Пороки могут быть как условными, так и безусловными. Безусловным считается такой порок, который значительно снижает качество пиломатериала, к таким относится гниль или грибок. Сучки – самый часто встречающийся дефект, но и пороки строения древесины тоже нередки. Сучковатый ствол может использоваться, к примеру, для оригинального декора, но пороком от этого быть не перестает. В состав допустимых входит не более двух сучков на один метр длины лесоматериала, при этом сучки должны быть здоровыми.

К дефектам обработки относят все, что повредило древесину во время механического воздействия на нее, а именно – пиление, заготовка, складирование, хранение, транспортировка и т. п. Именно в результате механического воздействия древесина страдает чаще всего, приобретая недостатки, которые у нее изначально отсутствовали.

Древесина находит применение во многих сферах промышленности, являясь одним из наиболее экологичных и при этом недорогих материалов.

Последние десятилетия показали важность использования возобновляемых полезных ископаемых и ресурсов. К последним относятся дрова, используемые в качестве топлива. Рост использования дров для отапливания помещений зафиксирован во всем мире, и Россия не стала исключением. Топливные гранулы (пеллеты) и топливные брикеты делают практически во всех регионах страны, где имеются леса – неважно, хвойные или лиственные. Древесный уголь тоже стал внезапно популярен, хотя ранее был незаслуженно забыт. Теперь он широко применяется в быту и на производстве.

Загородные дома в подавляющем большинстве случаев сегодня возводят из дерева. Достоинства дерева неоспоримы: оно экологично, натурально, имеет привлекательный внешний вид и дает возможность создать массу дизайнов – от классической русской избы до альпийского шале. Строят из дерева не только дома, но и бани, сауны, беседки. Древесина используется в домостроении и в несущих конструкциях, балках, перекрытиях. В сельских населенных пунктах из дерева по-прежнему строят дома малой этажности – на 2 или 4 хозяев.

Деревообрабатывающая промышленность сейчас стремится к тому, чтобы увеличить у пиломатериалов устойчивость к воздействию влаги, огня, прочность, а также повысить соответствие бруса и доски строительным нормативам. Но при этом древесина должна оставаться природным, дышащим материалом, сохранять уникальный рисунок и присущий ей аромат. Постоянно появляются новые технологии обработки и строительства, к примеру, возведение домов по технологии двойного бруса – сравнительно новое, только набирающее в России популярность явление.

Помимо строительства, древесина широко используется как конструкционный материал для производства мебели – диванов, стульев, столов, шкафов и многого другого. Из дерева изготавливают лестницы, перила, наличники, балясины, дорожки и тротуарчики в саду, другие элементы декора в ландшафтном дизайне и в строениях.

Прикладным творчеством сегодня занимаются и любители, и профессионалы. Древесина используется для поделок в самом своем различном воплощении – от опилок и горбыля до брусков и паркетной доски. Умельцы с золотыми руками и из деревянных ящиков или паллет создадут садовое кресло – адирондак, который будет выглядеть не хуже фабричного. Из спилов получаются как оригинальные пешеходные дорожки в огороде, так и великолепные разделочные доски или картины, выжженные лобзиком.

Хотя дерево и является восполняемым природным ресурсом, но для того, чтобы полностью восстановиться, лесу нужно несколько десятков лет. Вырубка леса и лесные пожары отрицательно влияют на климатические и экологические условия и уменьшают количество доступного для использования ресурса. Поэтому древесину подвергают переработке, чтобы повторно использовать ее в производстве, а также обработать образовавшиеся отходы.

Древесину можно разделить на деловую и неделовую. К первой относится, например, горбыль и подгорбыльные доски. Ко второй – шпон и плиты, точнее, их остатки, спилы бревна, различного рода кусочки и обрезки от столярной деятельности, также к неделовой древесине относят кору, опилки, стружку и пыль. Деловая древесина используется для создания новых изделий. Неделовая подлежит сбору, дополнительной обработке и последующей утилизации. Хотя и в отношении неделовой древесины проводятся разработки и поиски путей переработки. К примеру, стружки и опилки спрессовываются, после чего из них делают наполнитель для кошачьих туалетов.