Крона включает в себя ветви идущие от ствола и листья(либо хвою). Под влиянием солнца и воздуха листва вырабатывает вещества необходимые для жизни дерева и выделяет избыток влаги поступивший из почвы. Также листва под действием солнечного света поглощает из окружающей среды углекислый газ, а взамен выделяет кислород.
В промышленности из ветвей деревьев готовят щепку для производства древесноволокнистых плит. Почки, листья и цветнекоторых деревьев нашли применение в медицине. Из них готовят настои, делают отвары.
Ствол является проводником питательных веществ к кроне. Нижняя часть ствола, более твёрже- называется комель. Верхняя, тоненькая- вершина. Ствол срубленного и отделённого от корней и ветвей дерева называют хлыст.
Материал дерева называют древесиной.
Древесина состоит из продолговатых клеток и имеет волокнистую структуру.
Ствол содержит от 50 до 90 % всей древесины(зависит от возраста дерева и породы). В древесине стволарассматриваюттри основных среза 1 – Поперечный или торцовый, проходящий перпендикулярно оси ствола. 2 – Радиальный, проходящий вдоль оси ствола. 3 – Тангентальный или тангенциальный, проходящий по плоскости параллельной осиствола.
Рассматривая поперечный разрез ствола мы увидимсердцевидные лучи, сердцевину, ядро, заболонь, камбий, лубяной слой, кору, годичные кольца.
Кора - это наружная оболочка дерева, структура коры зависит от возраста дерева, чет старше дерево тем корагрубее и имеет больше трещин. Наружная часть коры представляет слой пробки выполняющий защитную функцию. Внутренняя часть коры - тонкий слой по которому идут питательные вещества от кроны к корням называют луб. Кора деревьев нашла своё применение в производстве укупорочных пробок, теплоизоляционных плит, пробковая часть коры берёзы(береста) применяется для изготовления хозяйственной тары, и в производстве дёгтя.
Снятый с дерева пробковый слой коры со временем нарастает вновь.
Из лубяного слоя коры делают мочала, верёвки.Для этих целей особенно хорош луб липы.
Камбий – слой следующий сразу за корой. Камбий принимает от луба питательные веществаиявляется строительным материалом для древесины и коры.Материал из которого вырабатывается древесина откладывается в виде колец ежегодно. Таким образом по количеству колец у комеля можно легко определить возраст дерева.
Заболонь - в период роста дерева проводит воду и минеральные вещества от корней к кроне. Эта часть древесины образована живыми клетками.
Ядро – самая крепкая часть древесины, лучший материал для столярных работ. Ядро образовано из отмёрших клеток древесины. Отмирание происходит вследствие закупорки водопроводящих путей дубильными веществами и смолами.
Сердцевина – в центральнойчасти ствола по всей его длине расположении сердцевина. Диаметр сердцевины 2-8мм. Годичные слои(кольца) нарастают вокруг сердцевины. Каждый годичный слой состоит из двух частей: Внутренней или ранней древесины, которая обращена к сердцевине, и внешней или поздней древесины, которая обращена к коре. Поздняя древесина немного твёрже и темнее ранней.
Сердцевидные лучи – небольшие малозаметные(или незаметные без микроскопа, но имеющиеся во всех породах) трещины расходящиеся в разные стороны от сердцевины. В растущем дереве служат для проведения питательных веществ внутрь ствола для их запаса.
Корни - Важнейшая часть дерева. Корневая система подаёт питание всему дереву и удерживает дерево в вертикальном положении. От крупного корня в разные стороны отходят молодые корешки. Корешки выпускают мелкие отростки покрытые волосками которые видны только под микроскопом. Эти волоски высасывают из почвы воду и минеральные вещества и по корням передают всему дереву. Корни в большей мере чем ствол приспособлены для выполнения водопроводящей и водозапасающей функции. Строение корней имеет много общего со строением ствола, но вдревесине корней нет ядра, плотность корней ниже чем плотность ствола.
Корни применяют как низкосортное топливо. Корни хвойных пород являются сырьём для получения канифоли и скипидара.
Вследствие слоисто-волокнистого строения древесину следует изучать на трех главных разрезах ствола: поперечном (или торцовом) -в плоскости, перпендикулярной оси ствола; радиальном - в плоскости, проходящей вдоль оси ствола через сердцевину, и тангенциальном - в плоскости, проходящей вдоль ствола на том или ином расстоянии от сердцевины (рис. 2).
Рис. 2. Главные разрезы ствола: 1 - поперечный, или торцовый; 2 - радиальный; 3 - тангенциальный.
Рис. 3. Поперечный разрез стволика сосны. В середине разреза расположена сердцевина, окруженная концентрическими кольцами, составляющими древесину; снаружи древесина одета корой. Широкая светлая наружная зона древесины, граничащая с корой,- заболонь; более темная центральная часть - ядро.
Разрезы делают острым инструментом во избежание разрыва тканей и сминания отдельных элементов, строго по указанным направлениям, так как косые разрезы часто дают неверную картину строения. На поперечном разрезе ствола можно ясно различить три части: примерно в центре разреза (ствола) находится сердцевина в виде небольшого темного пятнышка; средняя, главная по массе, часть ствола занята древесиной, которая снаружи одета корой (рис. 3).
На границе между древесиной и корой находится тонкий, неразличимый невооруженным глазом слой, называемый камбием. Камбий выполняет важную роль, обусловливая прирост в толщину древесины и коры. Сердцевина сравнительно редко находится в геометрическом центре сечения ствола; обычно она более или менее смещена в сторону, занимая эксцентрическое положение. Диаметр сердцевины большей частью колеблется в пределах 2-5 мм (у бузины достигает 1 см); у многих пород она округлая или овальная, у ольхи треугольная, у ясеня четырехугольная, у тополя пятиугольная, у дуба звездчатая. На продольном разрезе направление сердцевины у хвойных пород более или менее прямое, у лиственных - извилистое; по высоте ствола диаметр сердцевины, наименьший у пня, увеличивается вверх по стволу до кроны, а в пределах, кроны снова уменьшается.
Кора на поперечном разрезе ствола имеет форму кольца, окрашенного обычно значительно темнее древесины (см. рис. 3). В толстой коре на взрослых деревьях можно различить два слоя с постепенным или резким переходом от одного к другому: наружный, называемый коркой (его назначение предохранять дерево от резких колебаний температуры, испарения влаги и механических повреждений), и внутренний, непосредственно прилегающий к камбию и древесине, лубяной, особенно хорошо развитый и заметный у липы; назначение его в растущем дереве - проводить органические питательные вещества вдоль ствола.
У молодых деревьев кора гладкая, иногда покрыта тонкими опадающими чешуями; при утолщении ствола в коре появляются трещины, углубляющиеся с возрастом. По характеру поверхности кора может быть гладкой, бороздчатой, чешуйчатой, волокнистой и бородавчатой. Бороздчатая кора характеризуется наличием более или менее глубоких продольных и поперечных борозд (дуб), чешуйчатая - наличием чешуек, обычно легко отслаивающихся (сосна). Чешуйки, наслаиваясь друг на друга, могут образовать толстые слои неравномерной толщины, так получается чешуйчато-бороздчатая кора на старых соснах и лиственницах. Волокнистая кора может отслаиваться длинными продольными лентами (можжевельники); бородавчатая кора бывает покрыта мелкими бородавками (бересклет бородавчатый). Цвет коры снаружи изменяется в широких пределах: от белого (береза), светло-серого (пихта), зеленовато-серого (осина) до серого (ясень), темно-серого (дуб) или темно-бурого (ель).
С каждым годом толщина коры увеличивается. Однако вследствие малой величины годичного прироста и постепенного отпада наружных слоев в виде чешуи кора никогда не достигает такой толщины, как древесина. По отношению к объему ствола кора у наших лесных пород составляет от 6 до 25%, в зависимости от породы, возраста дерева и условий произрастания. В табл. 2 приведены ориентировочные данные, показывающие, какую долю общего объема ствола занимает кора у основных пород.
Таблица 2. Относительный объем коры в стволе.
Объем коры, % | Объем коры, % |
||
Лиственница | |||
С увеличением возраста относительный объем коры снижается, а с ухудшением условий произрастания повышается. Доля коры в объеме ствола понижается с увеличением диаметра ствола. Толщина коры уменьшается по направлению от корня к вершине. Относительный объем коры по высоте также изменяется. Для лиственницы: у пня кора составляет 29,5%, на высоте 1,3 м - 19%, на 1/4 и 1/2 высоты-13,5% и на 3/4 высоты - 15%.
Макроскопическое строение древесины позволяет изучить строение на уровне макроструктуры — видимой невооруженным взглядом без применения увеличительных приборов и микроскопа. Все ветки, которые появляются на дереве, всегда остаются на одной высоте. В высоту дерево растет за счет появления нового побега каждый год. Увеличение диаметра дерева происходит за счет камбия – слоя древесины, находящегося непосредственно под корой и отличающегося от остальных слоев своей мягкостью. Камбий представляет собой образовательную ткань, которая обеспечивает рост как внутрь дерева, так и наружу. Наружные клетки образуют луб, крайние слои которого по мере увеличения диаметра ствола отмирают и переходят в кору. Внутренние клетки обеспечивают рост слоев древесины. Древесина также постепенно отмирает, образовывая центральную твердую основу, а живая часть древесины – заболонь обеспечивает дальнейший рост.
Заболонь и ядро
При макроскопическом изучении строения древесины мы наблюдаем, что одни сорта деревьев имеют равномерную окраску по всему срезу, а у других вокруг темноокрашенной центральной части располагаются более светлые слои древесины. Центральная часть называется ядром, а слои, окружающие ее – заболонью. Встречаются породы дерева, в которых центральная часть ствола не отличается от наружной по окраске, однако содержит меньше воды (речь идет о живом дереве). Такая древесина называется спелой, а общее название пород дерева со спелой древесиной – спелодревесные породы. Породы с ярко выраженным ядром называют ядровыми. Кроме того, существуют породы, содержание воды в центральной и периферической частях которого одинаково, как и окраска. Такие породы дерева принято называть заболонными.
На самом деле ядро имеется у каждой породы дерева, только темная окраска присуща не всем. По сути, спелая древесина является ядром дерева и отличается только окраской. А деревья такого вида называют безъядровыми.
Внутри группы безъядровых пород выделяют спелодревесные и заболонные разновидности. В первой периферийная часть дерева обладает большей влажностью, чем центральная, а в породах второй разновидности влажность дерева одинакова по сечению ствола. Лиственные породы деревьев относятся к заболонным породам. Верхняя часть дерева содержит больший объем заболонной древесины. Ближе к комлевой части ее объем уменьшается. Зависит объем заболонной древесины и от возраста дерева, с увеличением возраста ее объем уменьшается. Иногда центральная часть ствола безъядровых пород дерева темнеет. В таких случаях ее называют ложным ядром.
Молодые деревья не имеют ядра. Образуется оно с течением времени, у разных пород в разное время. Так, у сосны при достижении 30-35-летнего возраста, а у дуба — в период между 8 и 12 годами. Поэтому ширина заболони у дуба меньше, чем у сосны. По мере увеличения диаметра ствола часть заболонной древесины переходит в ядро. Рассмотрим на примере дуба. Если у молодого дерева диаметр ствола составляет 15 см, то объем ядровой части и заболонной примерно одинаков. Когда диаметр ствола достигает 30 см, то объем ядра становится больше, чем объем заболони примерно в 3-5 раз. Когда диаметр – 60 см, то 90% объема приходится на ядро дерева.
Прямым образом на размер заболони влияют условия, в которых растет дерево. Дубы, растущие на солонцовых почвах, имеют более широкую заболонь, чем дубы, которые растут в пойменных дубравах. При этом, ширина заболони дуба остается одинаковой по всей высоте ствола, а у сосны и ели количество заболони увеличивается в верхней части ствола. С возрастом ширина заболони у сосен увеличивается. После достижения столетнего возраста уменьшается ежегодный прирост древесины, соответственно, уменьшается и ширина заболонной части.
Заболонь в растущем дереве несет функцию «водопровода» — по ней поднимается вода в верхнюю часть ствола. Кроме того в ней накапливаются питательные вещества, необходимые для роста.
Ядро образуется за счет отмирания живых клеток древесины, забивании водопроводящих каналов, образовании смол и углекислого кальция. Сама древесина ядровой зоны пропитывается дубильными и красящими веществами, приобретает повышенную плотность. В свете всех перечисленных явлений она приобретает повышенную стойкость к гнилостным микробам.
Древесина ядровой части очень плотная, за счет чего часто применяется для изготовления емкостей под жидкости. Ядровая часть из-за своей высокой плотности плохо пропитывается антисептиками, что необходимо знать при использовании древесины в промышленности.
Годовые кольца (годичные слои)
Сезонный прирост дерева дает новый слой древесины, который называют годовым кольцом. Концентрические кольца на поперечных срезах дерева могут рассказать о возрасте дерева. Если представить строение ствола, как несколько конусов, насаженных друг на друга, то по количеству колец на срезе (минус два) и определяется, сколько лет понадобилось дереву, чтобы вырасти до высоты этого среза. Количество колец в комлевой части указывает на его общий возраст. Так, если в нижней части мы видим 12 колец, значит дереву на данный момент 10 лет. А если в верхней части срез представлен 7 кольцами, это говорит, что до этой высоты дерево росло 5 лет.
От характера среза зависит рисунок, образуемый годовыми кольцами. Более наглядно это можно проследить на срезах хвойных деревьев. Радиальный срез будет представлен параллельными продольными полосами, поперечный срез имеет вид концентрических окружностей, а тангенциальный – рисунком с извилистыми полосами.
На ширину годичных слоев влияют порода дерева, условия его произрастания, возраст и место среза. Медленно растущие деревья дают узкие годичные слои, а быстрорастущие – широкие. Молодое дерево образует широкие годичные слои, старое – узкие. Естественно, что на основном стволе годичные слои шире, чем на ветках. Чем лучше условия, в которых растет дерево, тем больше годовой прирост древесины и ширина годичного слоя.
Также интересен тот факт, что если рассматривать поперечный срез дерева, то можно отметить следующую закономерность: ширина годичных слоев у сердцевины небольшая, она увеличивается до определенного максимума, после которого вновь идет на уменьшение.
Возле самой коры дерева годичные слои имеют небольшую ширину. Таким образом, исследуя строение дерева, ширину и количество годичных слоев можно даже представить, как изменялся климат в период его роста. А с помощью нехитрых вычислений можно определить время изготовления предмета из дерева.
Деревья, растущие группами в одинаковых условиях, обычно имеют почти цилиндрическую форму ствола, с незначительным сужением в верхней части. Яркий тому пример – корабельные сосны, высокие и стройные как на подбор, они все имеют одинаковую толщину ствола, почти от основания до верхушки. Если посмотреть на сосну, одиноко растущую в поле, то ствол ее обыкновенно имеет много ответвлений, крона раскидистая. Обхват основания такой сосны большой, а вверху ствол резко сужается. Ученые называют такой ствол сбежистым. При этом часто наблюдается разница в ширине годичных слоев на противоположных сторонах дерева. Происходит как бы смещение центральной части ствола. На боковых ветках практически всегда сердцевина смещена от центра и срез имеет вид скорее эллипса, чем окружности.
Не все деревья в поперечном разрезе имеют вид концентрических окружностей. Есть породы деревьев с волнистыми годичными слоями. Например, к таким относятся ольха и бук.
Нарастают годичные слои от центра к периферии. Часто внутренняя их часть имеет более светлую окраску и меньшую твердость, нежели внешняя. Особенно хорошо это заметно у деревьев хвойных пород. По внутренней части годичных слоев (ранней древесине) поднимается вода с питательными веществами, а внешние части (поздняя древесина) придают дереву прочность.
Сердцевинные лучи
Каждое дерево в разрезе имеет сердцевинные лучи – светлые линии, которые расходятся от ядровой части дерева к коре. Они не всегда заметны визуально, но присутствуют всегда. Их ширина невелика — от 0,005 до 1 мм (очень узкие, узкие или широкие). Широкие лучи на самом деле могут состоять из нескольких узких, расположенных рядом друг с другом.
Радиальный разрез дерева показывает такие лучи в виде пятен или блестящих поперечных полос, которые иногда образуют своеобразный рисунок. Чем больше совпадает направление луча с плоскостью разреза древесины, тем длиннее его видимый рисунок на срезе.
На тангенциальном разрезе форма лучей похожа на веретено или плоды чечевицы по очертаниям. Высота их в разрезе зависит от породы дерева.
Сердцевинные лучи при жизни дерева проводят воду и питательные вещества по горизонтальным плоскостям. В растущем дереве сердцевинные лучи служат в основном для проведения воды и питательных веществ в горизонтальном направлении и для хранения запасных питательных веществ зимой.
Каждый сорт дерева имеет разное количество сердцевинных лучей. Если на тангенциальном разрезе березы или сосны подсчитать их количество на площади 1 квадратного сантиметра, то получим число, равное 3000 или больше. А если аналогично подсчитать количество лучей у можжевельника, то их окажется примерно 15000. Они очень узкие и напоминают волосовидные лучи.
Нижняя часть ствола дерева имеет очень большое количество лучей, при подъеме вверх их количество уменьшается. Правда в районе кроны их число немного увеличивается. Параметры лучей увеличиваются от центральной части ствола к периферийной, также, как и их количество. В пределах деревьев одной породы эти показатели зависят от условий, в которых они растут. Лиственные породы деревьев имеют большее количество сердцевинных лучей, по отношению к деревьям хвойным. В процентном соотношении у лиственных пород их доля составляет 15% от объема древесины, и 5-8 % — доля в объеме хвойных.
Сердцевинные повторения
На продольных разрезах лиственных деревьев можно наблюдать черточки, пятна или полоски по границам годичных слоев. Они окрашены в темно-коричневый или бурый цвет, а по строению идентичны строению ядровой древесины. Для некоторых пород наличие таких полосок и пятен является надежным диагностическим признаком, когда по древесине требуется определить породу дерева. Наблюдаются такие образования в нижней части ствола. В хвойных породах дерева встречаются очень редко.
Сосуды – проводники влаги и питательных веществ
У лиственных пород дерева вода из почвы вытягивается корнями, а затем, по специальным сосудам, имеющим вид обыкновенных трубочек, подается в остальные части дерева. На поперечном срезе дерева сосуды выглядят как небольшие отверстия.
В строении хвойных пород деревьев сосудов нет.
Размеры сосудов колеблются от очень мелких, которые можно увидеть только в микроскоп, до видимых человеческим глазом – крупных. При этом распределены они преимущественно в ранней области годичных слоев и на срезе образуют кольцо, иногда равномерно разбросаны по всей площади годичного слоя. Мелкие сосуды чаще встречаются группами, а при отсутствии крупных они равномерно распределены по площади. Ближе к наружному краю годичного слоя их количество и размеры уменьшаются.
По характеру распределения сосудов выделяют кольце-сосудистые и рассеяно-сосудистые виды. В первых годичные кольца хорошо заметны за счет разницы между ранней и поздней областью слоя. У пород дерева, имеющих рассеяно-сосудистое расположение всех сосудов, годичные кольца имеют однородное строение и внешние границы трудно различимы.
На радиальном срезе группы мелких сосудов могут образовывать рисунок в виде языков пламени, на тангенциальном – волнистые сплошные или прерывающиеся линии. При рассеянном характере распределения сосудов, они заметны на срезе в виде отдельных светлоокрашенных точек. Характерный пример – древесина ясеня.
Бороздки различного размера, видимые на продольном срезе дерева – это сосуды. Они совсем необязательно расположены вертикально, поскольку только частично попадают в площадь среза. Размеры сосудов колеблются от 0.016 до 0.4 мм и также зависят от условий, в которых растет дерево. Сосуды, расположенные близко к сердцевине по мере удаления от нее, увеличиваются в диаметре, а затем, достигнув максимальных пределов, начинают уменьшаться, либо остаются постоянными. В направлении от основания дерева к его вершине количество сосудов и площадь сечения на продольном срезе растет.
По причине присутствия сосудов в древесине лиственных сортов наблюдается высокая проницаемость газов и жидкостей. Их наличие снижает прочность древесины.
Смоляные ходы
Хвойные породы деревьев (ель, сосна, кедр и лиственница) отличаются наличием тонких, заполненных смолой путей – их называют смоляные ходы. А тис, пихта и можжевельник не имеют смоляных ходов.
По тому, как расположены смоляные ходы в стволе дерева, их разделяют на горизонтальные и вертикальные. Вертикальные совместно с сердцевинными лучами создают смолоносную систему, что дает возможность добывать смолу методом подсочки. На поперечных срезах вертикальные смоляные ходы выглядят как точки беловатого цвета. Наблюдаются они на площади поздней зоны в годичных слоях.
За счет смолы древесина обладает стойкостью к процессам гниения.
Определение породы древесины по макроскопическому строению
Строение каждого вида древесины тесно связано с ее свойствами. Зная породу дерева можно достаточно точно оценить технологические свойства древесины и ее физико-механические свойства. Эти свойства для каждой породы дерева учеными выведены в справочную базу данных, которая служит ориентиром при выборе необходимых материалов для конкретных целей.
Определить вид дерева можно, используя такие признаки древесины, как:
- Наличие или отсутствие ядра.
- Ширина заболонного слоя и характер границы между ним и ядровой частью.
- Четкость годичных слоев и их очертаний на поперечном срезе.
- Внутри годичных слоев – характер распределения ранней и поздней древесины и четкость границ между ними.
- Присутствие сердцевинных лучей, их количество, размеры и характер окраски.
- В лиственных породах площадь распределения, размеры и количество сосудов, их состояние.
- В хвойных породах – количество и размеры смоляных ходов.
- Наличие или отсутствие сердцевинных повторений.
Использование дополнительных характеристик древесины, таких как плотность и твердость древесины, текстура и блеск сделает процесс определения вида намного точнее.
Цвет древесины также используется при диагностике, правда необходимо быть очень внимательным и учитывать степень изменения его от внешних физико-химических и временных воздействий.
Хорошую помощь в правильном определении оказывают рисунки на продольных срезах древесины. Плотность и твердость древесины при определении вида лиственных пород имеет очень большое значение, поскольку довольно часто остальные признаки очень плохо выражены.
Микроскопическое строение древесины
На долю живых клеток в древесине приходится всего 2% от общего количества. По строению растительная клетка представляет ядро и цитоплазму в тонкой прозрачной оболочке.
Оболочка состоит из органического вещества – клетчатки или целлюлозы. По своему виду это тонкая и прозрачная эластичная пленка. Строение оболочки, ее состав и размеры изменяются по мере развития клетки. Самые частые изменения – это одревеснение и пробкование. В процессе жизнедеятельности клеток в них образуется органическое вещество лигнин, которое и приводит к одревеснению клеток. После того, как клетки одревеснели, их рост останавливается или очень сильно замедляется, по сравнению с ростом клеток в целлюлозной оболочке.
Оболочки со временем утолщаются. Это утолщение происходит неравномерно. Оставшиеся неутолщенными места называют порами. По этим порам проходит вода и растворенные в ней питательные вещества из клетки в клетку.
Сама целлюлоза представляет собой волокна, называемые микрофибриллами. Пространство между этими волокнами заполнено связанной влагой, лигнином и гемицеллюлозой.
Разновидности древесных клеток: паренхимные и прозенхимные
В прозенхимных клетках волокна имеют диаметр 0.01-0.05 мм и длину от 0.5 мм до 3 мм. Концы этих волокон заострены. Прозенхимные клетки составляют основную массу древесины, независимо от ее породы. По своему назначению прозенхимные клетки делят на проводящие, опорные и механические. Как понятно из названия таких групп клеток, проводящие имеют соей целью обеспечить в крону дерева воды и питательных веществ, вытягивая ее из почвы. Прочность древесины обеспечивается опорными клетками.
Волокна паренхимных клеток по своему виду напоминают многогранную призму с приблизительно одинаковой шириной стороны. Ширина сторон призмы составляет 0.01-0.1 мм. Основным назначением паренхимных клеток является накопление и хранение питательных веществ. Крахмал, жиры и другие органические питательные вещества отлагаются в паренхимных клетках и ждут начала вегетативного периода. Весной они служат источником питания для образования листьев в кроне дерева. Паренхимные клетки располагаются в сердцевинных лучах. Если подсчитать их количество в процентном отношении к общему объему дерева, то эта величина у лиственных деревьев составляет от 2 до 15%, а у хвойных намного ниже, всего 1-2%.
Ткани древесины
Группы клеток, которые выполняют одну задачу и имеют одинаковое строение, образуют древесные ткани. Существуют проводящие, запасающие, опорные или механические и покровные виды тканей.
Задача проводящих тканей обеспечить влагой и питательными веществами, которые впитываются из почвы корневой системой дерева, весь ствол, ветки и листву.
Состоят проводящие ткани из клеток с очень тонкими стенками и имеющих вытянутую форму. В среднем длина сосудов составляет 10 см, а иногда у определенных пород может достигать длины от 2 до 3 м. Наиболее характерный пример деревьев, имеющих длинные проводящие сосуды – это дуб. Диаметр сосудов очень мал, от сотых до десятых долей мм.
Запасающие ткани находятся в стволовой части и корневой системе дерева. Название этих тканей полностью соответствует выполняемой функции. От их работы зависит скорость роста дерева и его качество.
Жесткость, устойчивость и прочность дереву в стадии роста придают механические (опорные) ткани. Функцию защиты от внешних факторов несут на себе покровные ткани. Они находятся в коре дерева.
Как строение древесины отражается на физико-механических свойствах
Свойства древесины очень сильно зависят от строения клеток, в частности их оболочки. Содержание твердой древесной массы будет больше, если расстояние между микрофибриллами будет меньше. Чем меньше содержание связанной влаги, тем прочнее дерево. Когда содержание связанной влаги большое, то микрофибриллы отодвигаются друг от друга, силы сцепления слабеют и механические свойства дерева ухудшаются. Поскольку сами микрофибриллы преимущественно располагаются вдоль клетки, то и дерево получает наибольшую прочность именно вдоль своих волокон.
Влияют на свойства древесины и форма и размеры волокон. Прямолинейная их форма, которая присуща для хвойных пород обеспечивает последним более высокие показатели прочности. Извилистость волокон в лиственных породах дерева обеспечивает лучшие показания ударной вязкости и прочности к скалыванию вдоль волокон.
Породы деревьев с кольцесосудистым строением имеют очень высокую гибкость, поскольку наличие сосудов обеспечивает волокнам способность не разрушаться при уплотнении.
Строение дерева
Части растущего дерева. Растущее дерево состоит из кроны, ствола и корней. При жизни дерева каждая из этих частей выполняет свои определенные функции и имеет различное промышленное применение.
Крона состоит из ветвей и листьев (или хвои). Из углекислоты, поглощаемой из воздуха, и воды, получаемой из почвы, в листьях образуются сложные органические вещества, необходимые для роста дерева. Промышленное использование кроны не велико. Из листьев (хвои ) получают витаминную муку — ценный продукт для животноводства и птицеводства, лекарственные препараты, из ветвей — технологическую щепу для производства тарного картона и древесноволокнистых плит.
Ствол растущего дерева проводит воду с растворенными минеральными веществами вверх (восходящий ток), а с органическими веществами — вниз к корням (нисходящий ток); хранит запасные питательные вещества; служит для размещения и поддержания кроны. Он дает основную массу древесины (от 50 до 90% объёма всего дерева) и имеет главное промышленное значение. Верхняя тонкая часть ствола называется вершиной, нижняя толстая часть — комлем.
На рис.1б показан процесс развития хвойного дерева из семени и схема построения ствола дерева в возрасте 13 лет. Процесс роста можно представить как нарастание конусообразных слоев древесины. Каждый последующий конус имеет большую высоту и диаметр основания. На рисунке видно 10 концентрических окружностей (границы годичных приростов) на нижнем поперечном разрезе, а на верхнем таком же срезе их только пять.
Корни проводят воду с растворенными в ней минеральными веществами вверх по стволу; хранят запасы питательных веществ и удерживают дерево в вертикальном состоянии. Корни используются как вторичное топливо. Пни и крупные корни сосны через некоторое время после валки деревьев служат сырьем для получения канифоли и скипидара.
Главные разрезы ствола. Разрез, проходящий перпендикулярно оси ствола, образует торцовую плоскость, разрез, проходящий через сердцевину ствола, — радиальную, а на некотором расстоянии от нее — тангентальную плоскость (рис
.2) Древесина на указанных разрезах имеет различный вид и неодинаковые свойства.
На поперечном разрезе ствола (рис
.3) можно видеть сердцевину, кору и древесину с ее годичными слоями.
Сердцевина — узкая центральная часть ствола, представляющая рыхлую ткань. На торцевом разрезе имеет вид темного (или другого цвета) пятнышка диаметром 2-5 мм. На радиальном разрезе сердцевина видна в виде прямой или извилистой темной узкой полоски.
Кора покрывает дерево сплошным кольцом и состоит из слоя — корки и внутреннего слоя — луба, который проводит воду с органическими веществами, выработанными в листьях, вниз по стволу. Кора предохраняет дерево от механических повреждение, резких перемен температуры, насекомых и других вредных влияний окружающей среды. Вид и цвет коры зависят от возраста и породы дерева. У молодых деревьев кара гладкая, а с возрастом в коре появляются трещины. Кора может быть гладкой (пихта ), чешуйчатой (сосна ), волокнистой (можжевельник ), бородавчатой (бересклет ).
В зависимости от породы, возраста дерева и условий произрастания у наших лесных пород кора составляет от 6 до 25% объема ствола. Между корой и древесиной располагается очень тонкий, сочный, не видимый невооруженным глазом слой — камбий, состоящий из живых клеток.
Древесина в растущем дереве занимает большую часть ствола и имеет основное промышленное значение.
Макроскопическое строение древесины
Темно окрашенная часть ствола называется ядром, а светлая — заболонью.
В том случае, когда центральная часть ствола отличается меньшим содержанием воды, т.е. является более сухой, ее называют спелой древесиной, 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 воды, называют зоболонными (безъядровыми
).
Из древесных пород, произрастающих на территории бывшего СССР, ядро имеют: хвойные — сосна, лиственница, кедр; лиственные — дуб, ясень, ильм, тополь. Спелодревесными породами являются из хвойных ель и пихта, из лиственных бук и осина. К заболонным породам относятся лиственные: береза, клен, граб, самшит.
Однако у некоторых безъядровых пород (береза
, бук, осина) наблюдаются потемнение центральной части ствола. В этом случае темная центральная зона называется ложным ядром.
Молодые деревья всех пород не имеют ядра и состоят из заболони. Лишь с течением времени образуется ядро за счет перехода заболонной древесины в ядровую.
Ядро образуется за счет отмирания живых клеток древесины, закупорки водопроводящих путей, отложения дубильных, красящих веществ, смолы, углекислого кальция. В результате этого изменяется цвет древесины, ее масса и показатели механических свойств. Ширина заболони колеблется в зависимости от породы, условий произрастания. У одних пород ядро образуется на третий год (тис
, белая акация), у других — на 30-35 год (сосна
). Поэтому заболонь у тиса узкая, у сосны широкая.
Переход от заболони к ядру может быть резким (лиственница
, тис) или плавным (орех
грецкий, кедр). В растущем дереве заболонь служит для проведения воды с минеральными веществами от корней к листьям, а ядро выполняет механическую функцию. Древесина заболони легко пропускает воду, менее стойка против загнивания, поэтому при изготовлении тары под жидкие товары использовать заболонь следует ограниченно.
На поперечном разрезе видны концентрические слои, расположенные вокруг сердцевины. Эти образования представляют собой ежегодный прирост древесины. Называются они годичными слоями. На радиальном разрезе годичные слои имеют вид продольных полос, на тангентальном — извилистых линий (рис .4). Годичные слои нарастают ежегодно от центра к периферии и самым молодым слоем является наружный. По числу годичных слоев на торцовом разрезе на комле можно определить возраст дерева.
Ширина годовых слоев зависит от породы, условий роста, положения в стволе. У одних пород (быстрорастущих ) годичные слои широкие (тополь , ива), у других — узкие (самшит , тис). В нижней части ствола расположены наиболее узкие годичные слои, вверх по стволу ширина слоев увеличивается, так как рост дерева происходит и в толщину и в высоту, что приближает форму ствола к цилиндру.
У одной и той же породы ширина годичных слоев может быть различной. При неблагоприятных условиях роста (засуха , морозы, недостаток питательных веществ, заболоченные почвы) образуются узкие годичные слои.
Иногда на двух противоположных сторонах ствола годичные слои имеют неодинаковую ширину. Например, у деревьев, растущих на опушке леса, на стороне обращенной к свету, годичные слои имеют большую ширину. Вследствие этого сердцевина у таких деревьев смещена в сторону и ствол имеет эксцентричное строение.
Некоторым породам свойственна неправильная форма годичных слоев. Так, на поперечном разрезе у граба, тиса, можжевельника наблюдается волнистость годичных слоев.
Каждый годичный слой состоит из двух частей — ранней и поздней древесины: ранняя древесина (внутренняя
) обращена к сердцевине, светлая и мягкая; поздняя древесина (наружная
) обращена к коре, темная и твердая. Различие между ранней и поздней древесиной ясно выражено у хвойных и некоторых лиственных пород. Ранняя древесина образуется в начале лета и служит для проведения воды вверх по стволу; поздняя древесина откладывается к концу лета и выполняет в основном механическую функцию. От количества поздней древесины зависят ее плотность и механические свойства.
На поперечном срезе некоторых пород хорошо видны невооруженным глазом светлые, часто блестящие, направленные от сердцевины к коре линии — сердцевинные лучи (рис .5). Сердцевинные лучи имеются у всех пород, но видны лишь у некоторых.
По ширине сердцевинные лучи могут быть очень узкие, не видимые невооруженным глазом (у самшита, березы, осины, груши и всех хвойных пород); узкие, трудно различимые (у клена, вяза, ильма, липы); широкие, хорошо видимые невооруженным глазом на поперечном разрезе. Широкие лучи бывают: настоящие широкие (у дуба, бука) и ложноширокие — пучки сближенных узких лучей (у граба, ольхи, орешника).
На радиальном разрезе сердцевинные лучи заметны в виде светлых блестящих полос или лент, расположенных поперек волокон. Сердцевинные лучи могут иметь окраску светлее или темнее окружающей древесины.
На тангентальном разрезе они видны в виде темных штрихов с заостренными концами или в виде чечевицеобразных полосок, размещенных вдоль волокон. Ширина лучей колеблется от 0,015 до 0,6 мм.
Сердцевинные лучи в срубленной древесине создают красивый рисунок (на радиальном разрезе), что имеет значение при выборе древесины в качестве декоративного материала.
В растущем дереве сердцевинные лучи служат для проведения воды в горизонтальном направлении и для хранения запасных питательных веществ.
Количество сердцевинных лучей зависит от породы: у лиственных пород сердцевинные лучей примерно в 2-3 раза больше, чем у хвойных.
На торцовом разрезе древесины некоторых пород можно видеть рассеянные темные пятнышки бурого, коричневого цвета, расположенные ближе к границе годичного слоя.
Эти образования называются сердцевинными повторениями. Сердцевинные повторения образуются вследствие повреждения камбия насекомыми или морозов и напоминают по цвету сердцевину.
Сосуды
На поперечном (торцевом ) разрезе лиственных пород видны отверстия, представляющие сечения сосудов — трубок, каналов разной величины, предназначенных для проведения воды. По величине сосуды делят на крупные, хорошо видимые невооруженным глазом, и мелкие, не видимые невооруженным глазом. Крупные сосуды чаще всего всего расположены в ранней древесине годичных слоев и на поперечном разрезе образуют сплошное кольцо из сосудов. Такие лиственные породы называются кольцесосудистыми. У кольцесосудистых пород в поздней древесине мелкие сосуды собраны в группы, ясно заметные благодаря светлой окраске. Если мелкие и крупные сосуды равномерно распределены по всей ширине годичного слоя, то такие породы называются рассеяннососудистыми лиственными породами.
У кольцесосудистых лиственных пород годичные слои хорошо заметны из-за резкого различия между ранней и поздней древесиной. У лиственных рассеяннососудистых пород такого различия между ранней и поздней древесиной не наблюдается и поэтому годичные слои заметны плохо.
а, б, в — кольцесосудистые породы с радиальной, тангентальной и рассеянной группировкой, г — рассеяннососудистая порода
У лиственных кольцесосудистых пород мелкие сосуды в поздней древесине образуют следующие виды группировок: радиальная — в виде светлых радиальных полос, напоминающие языки пламени (рис
. 6, а — дуб, каштан); тангентальная — мелкие сосуды образуют светлые сплошные или прерывистые волнистые линии, вытянутые вдоль годичных слоев (рис
. 6, б — ильм, вяз, карагач); рассеянная — мелкие сосуды в поздней древесине расположены в виде светлых точек или черточек (рис
. 6, в — ясень).
На рис. 6, г показано расположение сосудов у лиственной рассеяннососудистой породы (грецкий
орех). Сосуды распределены равномерно по всей ширине годичного слоя.
На радиальном и тангентальном разрезах сосуды имеют вид продольных бороздок. Объём сосудов в зависимости от породы колеблется в пределах от 7 до 43%.
Смоляные ходы
Характерная особенность строения древесины хвойных пород — смоляные ходы. Различают смоляные ходы вертикальные и горизонтальные. Горизонтальные проходят по сердцевинным лучам. Вертикальные смоляные ходы — тонкие узкие каналы, заполненные смолой. На поперечном разрезе вертикальные смоляные ходы видны в виде светлых точек, расположенных в поздней древесине годичного слоя; на продольных разрезах смоляные ходы заметны в виде темных штрихов, направленных вдоль оси ствола. Количество и размер смоляных ходов зависят от породы древесины. У древесины сосны смоляные ходы крупные и многочисленные, у древесины лиственницы — мелкие и немногочисленные.
Смоляные ходы занимают небольшой объём древесины ствола (0 ,2 — 0,7%) и поэтому не оказывают существенного влияния на свойства древесины. Они имеют значение при подсочке, когда из растущих деревьев получают смолу (живицу ).
Микроскопическое строение древесины
Исследование древесины под микроскопом показывает, что она состоит из мельчайших частичек — клеток, преимущественно (до 98%) мертвых. Растительная клетка имеет тончайшую прозрачную оболочку, внутри которой находится протопласт, состоящий из цитоплазмы и ядра.
Клеточная оболочка у молодых растительных клеток представляет собой прозрачную, эластичную и весьма тонкую (до 0,001 мм) пленку. Она состоит из органического вещества — клетчатки, или целлюлозы.
По мере развития, в зависимости от функций, которые призвана выполнять та или иная клетка, размеры, состав и строение ее оболочки существенно изменяется. Наиболее частым видом изменения клеточных оболочек является их одревеснение и опробковение.
Одревеснение клеточной оболочки происходит при жизни клеток в результате образования в них особого органического вещества — лигнина. Одревесневшие клетки или совсем прекращают рост, или увеличивают размеры в значительно меньшей степени, чем клетки с целлюлозными оболочками.
Целлюлоза в клеточной оболочке представлена в виде волоконец, которые называются микрофибриллами. Промежутки между микрофибриллами заполнены в основном лигнином, гемицеллюлозами и связанной влагой.
В процессе роста клеточные оболочки утолщаются, при этом остаются неутолщенные места, называемые порами. Поры служат для проведения воды с растворенными питательными веществами из одной клетки в другую.
Виды клеток древесины
Клетки, составляющие древесину, разнообразны по форме и величине. Различают два основных вида клеток: клетки, имеющие длину волокон 0,5- 3мм, диаметр 0,01-0,05 мм, с заостренными концами — прозенхимные и клетки меньших размеров, имеющие вид многогранной призмы с примерно одинаковыми размерами сторон (0 ,01-0,1 мм), — паренхимные.
Паренхимные клетки служат для отложения запасных питательных веществ. Органические питательные вещества в виде крахмала, жиров и других веществ накапливаются и хранятся в этих клетках до весны, а весной они направляются в крону дерева для образования листьев. Ряды паренхимных клеток расположены у дерева по радиусу и входят в состав сердцевинных лучей. Количество их в общем объёме древесины незначительно: у хвойных пород 1-2%, у лиственных — 2-15%
Основная масса древесины всех пород состоит из клеток прозенхимных, которые в зависимости от выполняемых ими жизненных функций разделяются на проводящие и опорные или механические. Проводящие клетки у растущего дерева служат для проведения из почвы в крону воды с растворами минеральных веществ; опорные создают механическую прочность древесины.
Ткани древесины
Клетки одинакового строения, выполняющие одни и те же функции, образуют ткани древесины. В соответствии с назначением и видом клеток, из которых состоят ткани, различают: запасающие, проводящие, механические (опорные ) и покровные ткани.
Запасающие ткани (рис .7 а,б) состоят из коротких запасающих клеток и служат для накопления и хранения питательных веществ. Запасающие ткани находятся в стволе и в корнях.
Проводящие ткани состоят из вытянутых тонкостенных клеток (рис .7 в) (сосудов , трубок), через которые влага, впитанная корнями, проходит к листьям. Длина сосудов в среднем около 100 мм; у некоторых пород, например у дуба, сосуды достигают 2-3 м длины. Диаметр сосудов колеблется от сотых долей миллиметра (у мелкососудистых пород) до 0,5 мм (у крупнососудистых).
Механические ткани (опорные ) находятся в стволе (рис .7 г). Эти ткани придают устойчивость растущему дереву. Чем больше этой ткани, тем древесина плотнее, тверже, прочнее. Механические ткани называют либриформом.
Покровные ткани находятся в коре и выполняют защитную роль.
Строение древесины хвойных пород
Древесина хвойных пород отличается сравнительной простотой и правильностью строения. Основную ее массу (90 -95%) составляют расположенные радиальными рядами вытянутые клетки с кососрезанными концами, называемые трахеидами. В стенках трахеид имеются поры, через которые они сообщаются с соседними клетками. В пределах годичного слоя различают ранние и поздние трахеиды. Ранние трахеиды (рис .7 д) образуются ранней весной и в начале лета, имеют тонкие оболочки с порами, широкие полости и служат для проведения воды с растворенными минеральными веществами. У ранних трахеид размер размер в радиальном направлении больше, чем в тангентальном. Концы ранних трахеид имеют закругленную форму.
Поздние трахеиды образуются в конце лета, имеют узкие полости и толстые клеточные оболочки, поэтому выполняют механическую функцию, придавая древесине прочность. Размер по радиальному направлению меньше, чем по тангентальному.
Количество пор на стенках ранних трахеид примерно в 3 раза больше, чем на стенках поздних трахеид. Трахеиды являются мертвыми клетками. В стволе растущего дерева только вновь образующийся годичный слой содержит живые трахеиды.
Сердцевинные лучи у хвойных пород узкие, слабо заметные или вовсе не заметные простым глазом. Они состоят преимущественно из паренхимных клеток.
Смоляные ходы — особенность строения древесины хвойных пород. Они представляют собой клетки, вырабатывающие и хранящие смолу. У одних пород имеются только разобщенные между собой смоляные клетки (пихта
, тис, можжевельник), у других пород смоляные клетки связаны в систему и образуют смоляные ходы (сосна
, ель, лиственница, кедр). Различают горизонтальные и вертикальные смоляные ходы, которые в совокупности составляют единую систему сообщающихся каналов. Горизонтальные смоляные ходы проходят по сердцевинным лучам и хорошо видны на тангентальном разрезе ствола.
Микроскопическое строение древесины хвойных пород приведено на рис. 8а.
Древесная паренхима у хвойных пород распространена мало и представляет собой вытянутые по длине ствола единичные паренхимные клетки или клетки, идущие вдоль оси ствола. Древесной паренхимы нет у тиса и сосны.
Строение древесины лиственных пород
По сравнению с хвойными породами лиственные имеют более сложное строение (рис .8 б). Основной объём древесины лиственных пород составляют сосуды и сосудистые трахеиды, волокна либриформа, паренхимные клетки.
Сосуды — это система клеток, служащих в растущем дереве для проведения воды с растворенными в ней минеральными веществами из корней к листьям. Вода из сосудов проходит к соседним живым клеткам через поры, имеющиеся в боковых стенках сосудов.
Волокна либриформа (см . рис.8 б) являются наиболее распространенными клетками древесины лиственных пород и составляют их главную массу (до 76%). Основной объём древесины составляют клетки древесной паренхимы. Эти клетки могут быть собраны в вертикальные ряды, называемые тяжами древесной паренхимы. Волокна либриформа представляют собой длинные клетки с заостренными концами, с толстыми оболочками и узкими полостями. Стенки волокон либриформа всегда одревесневшие, имеют узкие каналы — щелевидные поры. Длина волокон либриформа находится в пределах 0,3-2 мм, а толщина — 0,02-0,005 мм. Волокна либриформа — наиболее прочные элементы древесины лиственных пород, выполняют механические функции.
Размеры и количественное соотношение различных клеток, составляющих древесину, даже у одной и той же породы могут изменяться в зависимости от возраста, условий роста дерева.
Паренхимные клетки, выполняющие запасные функции, в древесине лиственных пород прежде всего образуют сердцевинные лучи.
Сердцевинные лучи у лиственных пород развиты сильнее, чем у хвойных. По ширине сердцевинные лучи могут быть узкие однорядные, состоящие из одного ряда вытянутых по радиусу клеток. По высоте сердцевинные лучи состоят из нескольких десятков рядов клеток (до 100 и более у дуба, бука). На тангентальном разрезе однорядные лучи представлены в виде вертикальной цепочки клеток; многорядные лучи имеют форму чечевицы.
Лиственные породы сбрасывают на зиму листья и нуждаются в большом количестве запасных питательных веществ, поэтому в древесине лиственных пород содержится больше клеток древесной паренхимы.
Влияние строения древесины на ее физико-механические свойства
Тонкое строение клеточной оболочки оказывает существенное влияние на свойства древесины. Уменьшение количества связанной влаги ведет к уменьшению расстояний между микрофибриллами, что увеличивает силы сцепления между ними и содержание твердой древесной массы в единице объема. Все это приводит к улучшению механических свойств древесины. Наоборот, при увеличении количества связанной влаги микрофибриллы раздвигаются, что снижает механические свойства древесины.
Микрофибриллы расположены преимущественно вдоль длинной оси клетки. Это обусловливает большую механическую прочность древесины именно вдоль волокон.
Размеры отдельных анатомических элементов также оказывает влияние на физико-механические свойства древесины. Поскольку поздние трахеиды имеют большую толщину стенок, увеличение содержания волокон либриформа, особенно с толстыми стенками, приводит к увеличению механических свойств.
Особенности микроскопического строения древесины лиственных и хвойных пород обусловливают различие их свойств. Волокна у древесины хвойных пород прямолинейны. Поэтому у хвойных пород более высокие показатели прочности при одинаковой плотности. Древесина лиственных пород имеет некоторую извилистость волокон, вследствие чего у нее более высокие показатели ударной вязкости и более высокая прочность при скалывании вдоль волокон. Древесина лиственных кольцесосудистых пород лучше гнется, так как в ранней древесине расположены сосуды, которые дают возможность древесине уплотняться без разрушения.
Желающим устроиться водителем автобуса или троллейбуса нужно многое знать о перевозке людей. В онлайн ПДД 2015 эта информация подается в виде видео длительностью около 20 минут.
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.