CC BY
7УДК 63.03.05:66.03:80.29
Елена Геннадьевна Кузнецова,
старший преподаватель [email protected]
Владимир Геннадьевич Лукин,
кандидат технических наук, доцент [email protected]
Санкт-Петербургская государственная лесотехническая академия
ВЛИЯНИЕ ТРЕЩИН НА СВОЙСТВА ДРЕВЕСИНЫ
Древесина, влажность, трещины, свойства, музыкальные инструменты, звуковые свойства, сушка.
Wood, humidity, cracks, properties, musical instruments, sound properties,
drying.
Введение. Древесина - на нашей планете один из самых известных материалов. Уже на самых ранних стадиях своего развития человечество стало применять этот древнейший конструкционный материал. Из древесины начали возводить жилища, хозяйственные постройки, сооружать мосты и суда, производить разнообразный хозяйственный инвентарь, мебель, посуду, транспортные средства, музыкальные инструменты и пр.
На всех этапах истории развития человека расширялось применение древесины: в строительстве, быту, технике, искусстве. Также развивались и совершенствовались методы ее обработки. С появлением ремесел древесина является одним из первых конструкционных материалов. Ее широко применяли в вагоно-, судо-, авто-, а также авиастроении. Развитие производства высокопрочных легированных сталей и легких металлов, успехи химии полимеров привели к постепенному вытеснению древесины из основных отраслей машиностроения. Но значение изделий из древесины в наше время отнюдь не снизилось и, несомненно, сохранится в будущем.
Особенности технологической обработки древесины. Несмотря на большое разнообразие изделий из древесины, технологические процессы
ее обработки строятся на основе одних и тех же принципов: распиливание, строгание, сверление, точение, шлифование. Изменились только способы и методы обработки: на смену ручным инструментам пришли механические средства производства. Они значительно сокращают время обработки древесины, существенно повышают производительность труда, а также оригинальное качество выполненных изделий.
После изготовления любых изделий древесина может растрескаться. Особенно важно это для несущих конструкций и музыкальных инструментов. Это может происходить из-за особенностей, присущих строению древесины, а также каждой породе древесины по отдельности и их физико-механических свойствам.
Прежде всего, древесина представляет собой природный полимер, состоящий из клеток и волокон, имеющих трубчатую форму, направленных вдоль ствола. Благодаря этому древесина обладает рядом достоинств: высокой прочностью, упругостью, малой плотностью, малой массой, низкой теплопроводностью, стойкостью к воздействию химически агрессивных сред, природной декоративностью, простотой обработки.
Основной частью дерева является ствол, дающий 60-90 % деловой древесины. Различают вершину и комель. Древесину ствола применяют в виде бревен и кряжей или распиливают на бруски, доски и заготовки.
На поперечном разрезе древесины отчетливо видны сердцевина, кора, а также годичные слои. Для полного представления о строении древесины нужно рассматривать три главных разреза ствола: поперечный, радиальный, тангенциальный.
На поперечном разрезе годичные слои имеют вид концентрических окружностей, на радиальном - продольных полос, на тангенциальном - извилистых конусообразных линий. Кроме того, на поперечном разрезе видны светлые, направленные от сердцевины к коре линии, сердцевинные лучи. У одних пород древесины (дуб, бук) данные линии ярко выражены, у других (сосна, липа) - немного заметны. Породы древесины, у которых сердцевинные лучи ярко выражены, считаются не менее ценными в декоративном отношении. Темноокрашенная часть ствола называется ядром, светлая периферическая - заболонью. Свежие деревья всех пород не имеют ядра, а состоят из заболони. Лишь с течением времени образуется ядро за счет перехода заболонной древесины в ядровую. Ядро образуется за счет отмирания живых клеток, закупорки водоотводящих путей, отложения дубильных веществ, смол, углекислого кальция. В результате этого
меняется окраска древесины, ее масса, а также показатели механических свойств. Переход от заболони к ядру может быть резким или плавным. В том случае, если центральная часть ствола отличается меньшим вхождением влаги, древесину называют спелой, а породы - спелодревесными. Породы, имеющие ядро, называют ядровыми. Остальные породы, у которых нет различия между центральной и периферической частью ствола ни по цвету, ни по содержанию влаги, называют заболонными (безъядровыми). У некоторых безъядровых пород (береза, бук, осина) наблюдается потемнение центрального элемента ствола, которое называют ложным ядром. По качеству ядровая доля древесины намного превосходит заболонную, что оказывает действие на круг ее применения. К примеру, ядровая доля дуба отличается высокими механическими, а также эстетическими качествами при изготовлении любых столярных изделий.
Сердцевинные лучи, а также годичные слои образуют текстуру древесины. Ширина годичных слоев зависит от породы, условий роста, положения в стволе. У одних пород (быстрорастущих) годичные слои большие (тополь, ива), у других - узкие (самшит, тис).
Древесина, произрастающая на территории России, окрашена обыкновенно в светлый тон. При этом у отдельных пород вся масса древесины окрашена в один окрас, у других - имеет более темную окраску. Так, древесина лесных пород (граб, береза, ольха), как правило, имеет светлые тона. Но у некоторых пород тон меняется согласно глубине толщины ствола. К примеру, у дуба, сосны или лиственницы центральная частица ствола затемненная и светлеет по мере приближения к коре.
Исследование образования трещин. Способность образовывать трещины у различных пород разная. В первую очередь это зависит от самой породы, ее места произрастания, технологии заготовки и раскроя бревна, сушки и дальнейшей нормализации влажности.
Различают хвойные и лиственные породы древесины.
Древесина хвойных пород имеет меньшую плотность, поэтому легче обрабатывается. Древесина хвойных пород характеризуется ярко выраженным очертанием годовых слоев. К группе хвойных пород относятся следующие виды: сосна, ель, лиственница, пихта сибирская, кедр сибирский.
Сосна обладает высокими физико-механическими свойствами, вследствие чего является основной из хвойных пород. В бревнах, а также дос-
ках, сосну без затруднений опознают по сучкам, которые на плоскостях распила имеют овальную форму, как будто расположены почти под острым углом к оси ствола. Древесина сосны относится к мягким, но очень прочным породам. Ее хорошие эксплуатационные качества делают сосну незаменимой в строительстве. Качество древесины сосны во многом зависит от места, а также условий ее произрастания. Различают сосну, растущую на глубоких, рыхлых супесчаных или суглинистых почвах, на каменистых, а также возвышенных местах. Древесина такой сосны мелкослойна, смолиста, имеет узкую заболонь. Наиболее ценными считают деревья, выросшие на возвышенностях, сухих холмах, а также песчаниках. Годичные слои такой древесины расположены очень близко друг к другу, что делает ее структуру плотной. При усушке сосна коробится несильно, хорошо обрабатывается, пропитывается, а также окрашивается. Обрабатывать ее можно в различных направлениях. Ее можно пилить раскалывать, строгать. Сосна отлично склеивается. В сырой среде древесина сосны склонна к загниванию.
Ель очень похожа по своим свойствам на сосну. В большинстве случаев ель применяется так же, как и сосна. Кроме того, ель применяется в музыкальной промышленности при изготовлении дек, в производстве стружки, в тарном производстве пищевой промышленности. Склонность древесины ели к загниванию накладывает ограничение на ее использование в местах, подверженных воздействию влаги.
Лиственница среди хвойных пород занимает особое место. Это ядровая порода, ее древесина обладает высокой стойкостью против гниения, а также грибковых заболеваний. Древесина лиственницы обладает высокими физико-механическими свойствами (по плотности и прочности примерно на 30 % превосходит сосну). Цвет древесины красновато-бурый или красновато-коричневый. К положительным качествам лиственницы относится ее стойкость к короблению. Однако нужно учитывать, что при интенсивной сушке она может трескаться из-за возникших внутренних напряжений. Поэтому сушить ее нужно с соблюдением всех мер предосторожности.
Пихта сибирская, а также кавказская - безъядровые породы. Древесина сибирской пихты обладает заметно пониженными физико-механическими свойствами по сравнению с древесиной ели (плотность и прочность при сжатии ниже на 15-25 %, ударная вязкость - на 50 %). Древесина кавказской пихты по свойствам не уступает древесине ели.
Пихта похожа на древесину ели, от которой отличается отсутствием смоляных ходов. Применяется наравне с древесиной ели. Кавказская пихта применяется в качестве резонансной древесины.
Кедр сибирский - порода ядровая. Древесина мягкая, легкая, отлично обрабатывается. По физико-механическим свойствам занимает промежуточное расположение между древесиной ели сибирской и пихты сибирской, но превышает их по стойкости к гниению.
Лиственные породы делят на кольцевососудистые, а также рассеянно-сосудистые.
Дуб летний - кольцевососудистая порода. Он очень широко распространен в нашей стране, древесина дуба отличается высокой прочностью, долговечностью, а также стойкостью против гниения. Она имеет очень красивые текстуру и окрас, отлично гнется и без затруднений обрабатывается. Для придания древесине дуба декоративных качеств ее зачастую подвергают морению или травлению. Морение увеличивает твердость древесины, но при этом повышается ее хрупкость. Дубовую кору, а также опилки применяют при пропитке других пород древесины для изменения их естественной окраски. В строительстве дуб применяют в виде лаг, шпонок, нагелей, а также подкладок. Чаще всего данную древесину употребляют с целью изготовления паркета, столярных и отделочных элементов, в которых она высоко ценится из-за крупных сердцевинных лучей, дающих красивое изображение.
Бук - безъядровая порода, но у старых деревьев зачастую встречается так называемое «ложное ядро», окрашенное в красно-бурый окрас (начальная стадия гнили). Бук по прочности и твердости не сильно уступает дубу, только он больше подвержен гниению из-за высокой гигроскопичности. Поэтому заготовки из бука нельзя держать в помещениях с повышенной влажностью. Текстура древесины бука отличается красотой и высокими декоративными качествами как в тангенциальном, так и в радиальном разрезах. Бук без затруднений колется, пилится, а также обрабатывается ручным инструментом. Его древесина неплохо гнется под паром, но полируется с большим трудом.
Береза бородавчатая и пушистая - рассеянно-сосудистая порода. Произрастая на одном и том же участке, они в результате естественной гибридизации зачастую предоставляют различные переходные между собой формы. Древесина березы отличается высокой прочностью, особенно при
ударных нагрузках; однородностью строения и цвета, средней плотностью и твердостью; малостойкая против гниения.
Благодаря широкому распространению, доступности и высоким механическим свойствам занимает по промышленному значению первое место среди лиственных пород.
Липа мелколистная обладает низкими физико-механическими свойствами (близка к осине), мягкая, легкая, однородного строения, отлично режется, недостаточно трескается и слабо коробится.
В настоящее время в природе осталось очень мало высококачественной древесины, без каких-либо пороков или дефектов. Виной является технологический бум производства различных изделий в период с конца XIX в. по настоящее время. Отклонение от нормального строения отдельных участков, изменения внешнего вида, нарушения целостности ткани, а также клеточных оболочек, ухудшающие физико-механические параметры древесины, называют пороками. Пороки снижают оригинальное качество древесины и ограничивают возможность ее применения.
К отклонениям относят различные искривления ствола, наросты, сучки и развилки по его длине, вызывающие нарушения в самой текстуре, изменение ее цвета и оказывающие действие на механическую прочность древесины. Пороки, как правило, образуются при росте дерева в ненормальной среде, при повреждении древесины вредителями, а также под воздействием излишней влаги. Дефектами называют пороки древесины механического происхождения, возникшие в ней в процессе заготовки, транспортирования, сортировки и механической обработки. Дефекты механической обработки снижают качество древесины, ограничивают сферу ее применения. К таким дефектам относят неодинаковую толщину набора, огрубелый, а также неравномерный пропил, кривизну и т. д.
Различают сучки, трещины, косослой, свилеватость. Трещины относят к существенным порокам древесины, которые значительно ухудшают ее физико-механические параметры. Трещина представляет собой разрыв древесины вдоль волокон и сердцевины. Трещины, образующиеся по направлению к сердцевине, сильнее, чем к годовым слоям. Наиболее уязвимым местом древесины в отношении образования трещин является ее торцевая поверхность, что должно учитываться при заготовке и хранении.
Так, древесина лучше выдерживает влияние сил вдоль волокон, при действии сил поперек волокон прочность ее сильно понижается. Склон-
ность древесины к расщеплению даже при небольших нагрузках должна быть учтена на всех этапах ее обработки.
Главным критерием качества древесины различных пород существует ее физико-механические параметры. Среди механических свойств древесины прочность является наиважнейшим результатом ее качества.
Существенным результатом качества древесины является ее твердость, как следствие - способность сопротивляться обработке режущими инструментами и проникновению в массив древесины различных тел.
Кроме того, важным является и влажность. Влажность - физическое свойство древесины, характеризующееся количеством содержащейся в ней влаги. Общее число влаги в древесине складывается из свободной и связанной влаги. Влага, находящаяся в полостях клеток и межклеточном пространстве, называется свободной, а в клеточных стенках - связанной или гигроскопической.
Способность древесины поглощать или отдавать влагу называется гигроскопичностью. Это свойство вызывает в древесине два обоюдно противоположных явления: усушку и разбухание. В разных направлениях древесина усыхает неодинаково.
Из-за повышенной гигроскопичности древесина сильно впитывает влагу из воздуха, при этом она разбухает и увеличивается в объеме. Кроме этого, излишки влаги в древесине ухудшает ее физико-механические параметры. Повышенная влажность готового изделия приводит к изменению его геометрических размеров, короблению, что снижает его качество. Колебания влажности волокон древесины влекут изменение размеров и формы досок, брусьев, мебели и других изделий из древесины. При увлажнении сухой древесины до достижения ею предела гигроскопичности стенки древесных клеток утолщаются, разбухают, что приводит к увеличению размеров и объема деревянных изделий. Усушка древесины происходит за счет удаления связанной влаги из стенок клеток, т. е. если влажность древесины становится меньше предела гигроскопичности, то усушка достигает максимального значения при полном удалении влаги, содержащейся в клеточных стенках.
При уменьшении влажности от 30 до 0 % усушка имеет следующие величины: вдоль волокон - 0,1 %, по радиальному направлению - от 4 до 8 %, по тангенциальному - от 8 до 12 %. Разбухание - процесс, обратный усушке. Неравномерность усушки или разбухания древесины ведет к ее растрескиванию, искривлению, деформации деталей изделия.
Влажность существенно влияет на звуковые свойства древесины, которая применяется при изготовлении музыкальных инструментов. Звукопроводность - способность древесины проводить звук. Звук в разных направлениях в древесине распространяется с неодинаковой силой. Звукопроводность древесины вдоль волокон в 4-5 раза выше, чем поперек волокон.
Звуковые свойства древесины характеризуются способностью древесины проводить, поглощать отражать резонировать звук. Звукопроводность характеризуют скоростью распространения звука и резонансной частотой и временем распространения упругой волны в материале. Значение скорости звука вдоль волокон древесины в зависимости от ее породы составляет 4700-5600 м/с, поперек волокон в 3-4 раза меньше. По изменению скорости распространения ультразвука в древесине можно обнаруживать пороки, гниль, контролировать ее качественные показатели.
Звукопроницаемость древесины оценивается разницей уровней звукового давления (дБ - децибел) перед и за перегородкой из древесины. Звукопоглощение оценивается коэффициентом звукопоглощения - отношением звуковой энергии, теряемой в материале, к величине подводимой энергии. Звукопроницаемость и звукопоглощение характеризуют звукоизоляционные свойства древесины, имеющие значение при строительстве и сооружении звукоизолирующих конструкций.
Резонансная способность - это свойство древесины усиливать и излучать звук. В деревянных музыкальных инструментах колебания струны передаются деке, а она излучает их в воздух. Деку изготавливают из специальных сортов древесины, которую принято называть резонансной древесиной. Это ель, пихта, кедр, реже высококачественная сосна.
Качество материала, обеспечивающее наибольшее излучение звука, оценивается показателем константа излучения (К):
где Е - динамический модуль упругости Н/м2; р - плотность древесины, кг/м3.
Константа излучения тесно связана с влажностью и той средой, в которой древесина эксплуатируется. Чтобы защитить древесину от краткосрочных изменений влажности среды, в которой она эксплуатируется, ее поверхность нужно защищать.
Если влажность древесины свыше 30 %, ее размеры с изменением влажности не меняются, если меньше 30 %, размеры меняются, она усыхает (т. е. происходит усушка) при уменьшении влажности окружающей среды и разбухает при ее увеличении.
Усушка и разбухание древесины - свойства отрицательные, они вызывают коробление и растрескивание лесных материалов.
Внутренние напряжения в древесине возникают при удалении связанной влаги в результате усушки. Причины возникновения напряжений в древесине могут быть следующие. Неравномерное удаление влаги по сечению, различная величина усушки в различных (радиальном и тангенциальном) направлениях. Одновременно существуют и действуют как сжимающие, так и растягивающие напряжения. Так, при сушке массивной древесины влага в первую очередь удаляется с поверхности. При этом наружные слои в результате усушки сокращаются, внутренние -препятствуют этому, в связи с чем возникают растягивающие напряжения на поверхности и сжимающие внутри. Если растягивающие напряжения больше прочности древесины на растяжение поперек волокон, наступает разрушение последней - на поверхности ее образуются трещины. Когда наружные слои высыхают при действии растягивающих усилий, они под действием этих усилий растягиваются и после высыхания приобретают остаточное удлинение. Поэтому когда начнется усушка внутренних слоев, возникнут напряжения обратного знака, т. е. на внутренние слои будут действовать растягивающие усилия, которые могут привести к разрушению древесины внутри и образованию внутренних трещин - свищей. Особенно важно это для твердых пород и экзотических пород, завозимых в наш регион.
Величина усушки больше в тангенциальном направлении, чем в радиальном, и может привести к возникновению растягивающих напряжений на поверхности бревен и образованию трещин. В пиломатериалах (досках, брусках) неоднородность усушки влечет за собой изменение формы поперечного сечения материала, т. е. поперечную покоробленностъ древесины. Продольная покоробленностъ древесины может быть следствием различной величины усушки вдоль волокон различных зон (например, ядровой,
заболонной) древесины. Крыловатостъ - это спиральная покоробленность. Она является следствием наклона волокон.
Коробление деревянных изделий (рисунок) является следствием разницы в усушке древесины в тангенциальном и радиальном направлениях и неравномерности высыхания. Неравномерность усушки и коробления вызывает появление внутренних напряжений в древесине и растрескивание пиломатериалов и бревен.
Рис. Коробление досок в результате усушки: 1 - продольное простое; 2 - продольное сложное;
3 - поперечное; 4 - крыловатость
Выводы. Для предотвращения коробления и растрескивания деревянных изделий используют древесину с той равновесной влажностью, которая будет в условиях эксплуатации.
Усушка и разбухание древесины - самые отрицательные ее свойства, так как при этом происходит коробление, растрескивание и даже раскалывание. Усушка к тому же неравномерна, так как древесина имеет анизотропию.
На величину усушки влияют многие свойства древесины и в первую очередь - ее плотность: чем выше плотность, тем больше усушка.
Поэтому, чтобы в заготовках и готовых изделиях не образовывались трещины очень важно правильно подготавливать древесину.
Статья посвящена вопросам использования древесины в производстве изделий и музыкальных инструментов. Рассматриваются основные свойства древесины, влияющие на качественные показатели. Отмечается, что многие акустические и потребительские характеристики древесины зависят от происходящих в материале процессов усушки. В процессе обработки древесины происходят существенные изменения в материале, за счет нарастания внутренних напряжений. В некоторых случаях, эти напряжения возрастают до такой степени, что приобретают вид различных по форме трещин. Из-за этого существенно понижается качество материала. Особенно это важно в производстве музыкальных инструментов из древесины.
* * *
The article deals with the use of wood in the production of goods and musical instruments. The basic properties of wood that affect the quality indicators. Notes that many speakers and consumer characteristics of wood depends on the processes occurring in the material shrinkage. During the processing of wood undergoes substantial changes in the material, due to the growth of internal stresses. In some cases, these stresses increase to the extent that take the form of variously shaped cracks. Because of this significantly lowers the quality of the material. This is especially important in the manufacture of musical instruments made of wood.
