Какими механическими свойствами обладает древесина?

Древесина – это достаточно популярный материал, который находит свое применение в разнообразных сферах человеческой жизни. При этом далеко не каждый человек знает о том, что сырье обладает целым рядом уникальных характеристик. Сегодня в нашей статье мы подробно рассмотрим механические свойства древесины.

Механические свойства древесины характеризуют общее качество материала и находятся с ним в прямо пропорциональном соотношении. К важнейшим показателям механической прочности относится способность дерева выдерживать нагрузки как статического, так и динамического типа.

Для того чтобы определить механические свойства, которыми обладает материал, его растягивают, сжимают, изгибают и сдвигают. При этом стоит иметь в виду тот факт, что древесину называют анизотропным материалом, соответственно, сырье может обладать различными свойствами в зависимости от того, в каком направлении на него оказывается воздействие. Всего существует 2 направления: радиальное и тангенциальное.

Важнейшая механическая черта древесины – это ее прочность. Прочностные характеристики оказывают прямое влияние на то, каким образом и на каком уровне материал может сопротивляться и противостоять нежелательным разрушениям.

Средний (так называемый «промежуточный») класс занимают хвойные породы деревьев. Более высокие показатели характерны, например, для березы – именно поэтому из нее очень часто изготавливают различные опорные и несущие конструкции, а также элементы, для которых важна повышенная износостойкость.

Следует отметить тот факт, что на уровень прочности и упругости влияет уровень влажности. Так, при увлажнении происходят специфические реакции внутри древесины, которые уменьшают ее прочность. При этом данное положение является актуальным только в том случае, если уровень влаги поднимается до 25%. Дальнейшее увлажнение не отличается какими-либо существенными реакциями и не влияет на показатели прочности. Это понимают специалисты.

Для того чтобы сравнить показатели прочности разных пород, необходимо убедиться в том, что показатели их влажности являются идентичными – только в таком случае можно говорить об объективном и беспристрастном результате.

Помимо влажности при измерении прочности также важно обращать внимание на характер и продолжительность нагрузок. Так, например, статические нагрузки отличаются постоянством. Кроме того, для них характерно медленное и постепенное возрастание. С другой стороны, динамические нагрузки являются относительно короткими. Так или иначе, разрушать древесину могут и те, и другие нагрузки.

Стоит также иметь в виду, что показатели прочности, ее пределы и лимиты различаются в зависимости от конкретного вида деформации.

• Растяжение. Если говорить о прочности древесины на растяжение, то данный показатель составляет 1 300 кгс/см2 (причем данный параметр является актуальным для всех сортов). В такой ситуации решающее значение имеет внутренняя структура древесины. Если волокна расположены правильно и структурировано, то прочность увеличивается (и наоборот). Прочность различается в зависимости от того, в каком направлении растягивают древесину – вдоль или поперек. В первом случае показатель довольно велик, а во втором – он в 20 раз меньше и составляет 65 кгс/см2. Именно в связи с такими механическими чертами дерево редко используется при создании изделий, которые работают на поперечное растяжение.

• Сжатие. Как и любое другие воздействие на древесину, оно может осуществляться как в продольном, так и в поперечном направлении. Если говорить о сжатии вдоль волокон, то стоит отметить, что в данном случае порода будет укорачиваться (именно так и будет проявляться вовне процесс деформации). При этом также стоит учитывать, что прочность древесины, которую сжимают не вдоль, а поперек значительно уменьшается, конкретно – в 8 раз. В лабораторных условиях дерево сжимают в радиальном и тангенциальном направлениях. В ходе проведения подобных экспериментов учеными доподлинно было установлено, что прочность у различных пород при сжатии является неодинаковой. Так, более высокими показателями при радиальном сжатии отличаются породы с сердцевинными лучами. С другой стороны, хвойные деревья проявляют достаточно высокие показатели прочности даже при тангенциальном сжатии.

• Статический изгиб. Отличительная черта такого типа воздействия, как статический изгиб, состоит в том, что различные слои древесины получают различное воздействие, а именно – верхние слои древесины получают напряжение сжатия, а нижние — растяжения вдоль волокон. Между верхними и нижними слоями находится особый слой, который не испытывает какого-либо давления. Традиционно этот слой называют нейтральным. Изначально разрушение материала начинается в нижней растянутой зоне, в связи с чем разрываются крайние волокна древесины. Существует средний показатель прочности, который характерен для большого количества древесных пород, он составляет 1 000 кгс/см2 (при этом могут существовать отклонения от данного показателя в зависимости от уникальных показателей каждой конкретной породы, а также от уровня влажности).

• Сдвиг. По существу, сдвиг – это деформация, которая представляет собой смещение одной части по отношению к другой. Существует несколько разных типов сдвига: скалывание (оно может происходить в любом направлении), а также перерезание. В этом случае особенно важно следить за тем, насколько прочным остается дерево. Так, скалывание вдоль негативно влияет на прочностные показатели, более прочной остается порода при поперечном скалывании.

Помимо прочности древесина характеризуется и другими механическими и физико-механическими свойствами. Рассмотрим подробнее основные из них.

В первую очередь необходимо сказать о такой характеристике природного материала, как твердость. Твердость относится к важнейшим чертам материала и представляет собой способность сырья оказывать сопротивление по отношению к внедрению твердого тела определенной формы. Различают торцевую и боковую твердость (в зависимости от стороны материала, на которую оказывается воздействие). Торцевая твердость является более высокой по своим показателям.

В зависимости от показателей твердости такой строительный материал, как древесина, подразделяется на 3 основные группы:

• мягкие (например, сосна, ель, кедр, пихта, липа, осина, ольха, каштан и т. д.);
• твердые;
• особо твердые.

Соответственно, при изготовлении тех или иных изделий очень важно учитывать такой параметр, как твердость. Например, из мягких сортов желательно изготавливать декоративные элементы, а для создания опорных конструкций подойдут только особенно твердые разновидности.

Твердость древесины имеет решающее значение в ходе применения и обработки материала. В зависимости от ваших конкретных потребностей и сферы применения древесины наиболее актуальным и подходящим может оказаться тот или иной вариант.

Еще одна важная характеристика, которая различается у определенных пород дерева (например, у клена и ели), – это ударная вязкость. Данное свойство обозначает и определяет способность материала поглощать динамические нагрузки. При этом, чем выше показатель ударной вязкости, тем меньше разрушений и нарушений целостности вы будете наблюдать на дереве в процессе приложения этих самых динамических нагрузок. В целом можно сказать о том, что для большинства пород данный показатель находится на достаточно высоком уровне.

На износостойкость следует обращать особое внимание, так как именно данный параметр определяет то, способна ли древесина оказывать противостояние по отношению к продолжительным нагрузкам трения. В зависимости от того, насколько высока износостойкость, будет значительно различаться возможный срок эксплуатации материала. На уровень износостойкости решающее влияние оказывает направление распила и уникальные характеристики каждой конкретной породы дерева. При этом следует иметь в виду тот факт, что высокие показатели износостойкости характерны для торцевых поверхностей. По показателям износостойкости различается сухая и влажная древесина – первая обладает более высоким уровнем.

Как было сказано выше, дерево – это один из самых популярных, распространенных и востребованных материалов, который используется для создания мебели, декоративных элементов и большого количества других изделий. Соответственно, при его обработке в него вбивается большое количество креплений, чаще всего – металлических. Поэтому такой показатель, как способность удерживать металлические крепления, имеет важнейшее значение. Так, например, гвозди могут разрезать или раздвигать волокна дерева, а шурупы могут цеплять волокна.

Для того чтобы создать функциональные и эстетически привлекательные изделия, дерево необходимо сгибать. В связи с этим способность изгибаться – это еще одно важное механическое свойство древесины. Следует учитывать, что разные породы характеризуются различными уровнями возможности сгибания. Так, например, в отношении хвойных пород действует правило о том, что при сгибании хвою необходимо смочить, а вот сухое дерево практически не гнется (а при приложении высокого давления оно и вовсе может сломаться).

Деформативные характеристики также являются важнейшими. Они влияют на то, насколько быстро (и могут ли вообще) древесные породы восстанавливаются после оказания на них кратковременного динамического воздействия. В сочетании с деформативностью важную роль играет и такая характеристика, как модель упругости.

В связи с тем, что древесина используется в самых разных сферах человеческой жизни и является одним из самых востребованных материалов, очень важно подробно знать все ее свойства. Соответственно, перед использованием материала для создания тех или иных изделий (например, мебели, декоративных элементов и т. д.) следует тщательно изучить все химические, физические и механические свойства. Только в таком случае созданное вами изделие будет прочным и надежным. Помните, что разные типы древесины пригодны для разных целей. Кроме того, некоторые породы вообще нельзя подвергать воздействию, иначе они попросту разрушатся. Эти знания особенно актуальны для профессиональных краснодеревщиков и других представителей строительной сферы.