1.4.1 Макроскопическое строение древесины
Под
макроскопическим строением (макроструктурой)
древесины понимают детали структуры,
которые можно исследовать невооружённым
взглядом и с помощью лупы. Строение
ствола и его тканей изучают на трёх
разрезах: поперечном, или торцовом
(плоскость разреза перпендикулярна оси
ствола) и двух продольных, параллельных
оси ствола, – радиальном (плоскость
разреза проходит вдоль оси ствола по
радиусу) и тангенциальном (плоскость
разреза проходит вдоль ствола по хорде,
т.е. перпендикулярно радиусу).
На
поперечном разрезе ствола (рисунок 1.2)
различают следующие части: сердцевину,
собственно древесину (ксилему), камбий
и кору.
1
– поперечный, 2 – радиальный, 3 –
тангенциальный.
Рисунок
1.2 – Основные части ствола и его главные
разрезы
Кору
подразделяют на внутреннюю часть (луб,
флоэма) и наружную часть (корка). Сердцевина
– тонкая центральная часть ствола и
ветвей. Сердцевина является рыхлой
первичной тканью, которая появляется
при росте дерева из семени и составляющая
вместе с образовавшимися в первый год
элементами первичную древесину.
Ксилема
(от греческого «ксилон» – дерево) –
вторичная древесная ткань, образующаяся
в результате прироста ствола в толщину
благодаря деятельности камбия. Ксилема
выполняет основные функции дерева:
проводящую, механическую и запасающую.
Камбий
– тонкий слой живых клеток, выполняющий
функцию образования вторичных сложных
тканей – ксилемы и флоэмы. При делении
клеток камбия число образующихся клеток
ксилемы намного превышает число клеток
флоэмы.
Рост
деревьев в толщину в умеренной
климатической зоне в течение года
происходит
неравномерно, возобновляясь весной и
прекращаясь осенью. Поэтому на поперечном
разрезе ствола видны годичные слои
(годичные кольца, кольца прироста) в
виде концентрических колец неправильной
формы. На радиальном разрезе годичные
слои имеют вид продольных параллельных
полос светлого и темного цветов, на
тангенциальном – вид извилистых линий,
создающих рисунок (текстуру).
В
центральной части ствола на поперечном
разрезе видно ядро (ядровая древесина),
которая имеет более темный цвет вследствие
отложения экстрактивных веществ. Ядровая
древесина выполняет только механическую
функцию. Наружную, более светлую, часть
ствола называют заболонной древесиной
(заболонью).
Кроме
макроструктуры древесины рассматривают
ее микроструктуру, но это разделение
условно, поскольку одни и те же элементы
можно наблюдать визуально и более
подробно исследовать с помощью микроскопа.
К таким элементам относят: сердцевинные
лучи, хорошо различимые на разрезах
древесины некоторых лиственных пород;
сосуды, существующие только у лиственных
пород (крупные сосуды видны невооруженным
глазом); смоляные ходы (только в древесине
некоторых хвойных пород –сосны,
лиственницы, ели), крупные вертикальные
смоляные ходы можно наблюдать невооруженным
глазом.
2.1 Виды древесных пород и части дерева
Растущие
деревья имеют следующие составные
части:
корни, ствол, ветви, листья. Корневая
система деревьев выполняет функции
поставщика влаги и питательных веществ
из почвы по стволу и ветвям к листьям.
Кроме того, корни удерживают деревья в
вертикальном положении. Через ветви
влага поступает к листьям, в которых
происходит процесс фотосинтеза –
превращения лучистой энергии солнца в
энергию химических связей органических
веществ с поглощением из воздуха
углекислого газа и выделением кислорода.
Неслучайно лесные массивы называют
легкими планеты. Продукты фотосинтеза
от листьев передаются по ветвям в
остальные части деревьев – ствол и
корни. Таким образом, ветви выполняют
роль каналов, по которым происходит
обмен веществ между листьями и остальными
частями дерева.
Хвойные
породы деревьев
– сосна, кедр, ель, лиственница – имеют
узкие листья – хвою, а лиственные породы
– широкие листья. Как правило, лиственные
породы деревьев произрастают в основном
в умеренных и южных широтах, а хвойные
– в северных.
В
зависимости от породы и климатических
условий произрастания деревья имеют
различную высоту и диаметр стволов. При
этом они подразделяются на три категории.К
первой относятся
деревья первой величины, которые
достигают высоты 20 м
и более. Это ель, кедр, лиственница,
сосна, береза, осина, липа, дуб, ясень,
клен и др.
В
тропиках и субтропиках высота отдельных
деревьев достигает 100 м
и более. Вторая
категория включает деревья
второй величины, имеющие высоту 10-20 м.
Это, в частности, ива, ольха, рябина и
др. Третья
категория
– деревья третьей величины, высота
которых равна 7-10 м.
Это яблоня, вишня, можжевельник и др.
Диаметр
ствола деревьев колеблется в основном
от 6 до 100 см
и более и зависит от породы, возраста
деревьев и климатических условий
произрастания. В отдельных случаях
диаметр ствола деревьев может превышать
3 м
– у дуба, тополя и некоторых других
пород.
Древесину
получают при разделке стволов деревьев
после удаления веток. При этом выход
древесины составляет 90 и более процентов
объема ствола дерева. На начальной
стадии обработки древесины делают
поперечный, или торцовый, разрез ствола.
На
поперечном разрезе выделяются: кора,
покрывающая ствол снаружи и состоящая
из наружного слоя – корки и внутреннего
слоя – лубяного камбия – тонкого,
невидимого для глаза слоя между корой
и древесиной (в процессе роста деревьев
живые клетки камбия делятся, и за счет
этого дерево растет в толщину); заболонь
– живая зона древесины; ядро, которое
примыкает к сердцевине ствола и
представляет собой мертвую, не участвующую
в физиологических процессах центральную
зону; сердцевина, расположенная в центре
и представляющая собой рыхлую ткань
диаметром 2–5 мм и более (в зависимости
от породы и возраста дерева).
В
лесной промышленности России основным
объектом заготовки являются стволы
деревьев, а ветки и сучья сжигаются или
идут на дрова. В Канаде, Швеции и Финляндии
в переработку идут все составные части
деревьев, поэтому потери древесины там
минимальны, а выход бумаги, картона и
прочего – максимальный.
Дерево в быту и культуре[]
В связи с широтой распространения и простотой обработки, во многих культурах мира широко используется древесина в качестве материала для строительства, изготовления предметов быта (мебель, посудаи т. д.) и благоустройства жилья.
Дерево, как и камень, является естественным материалом, сохранявшим нанесённые изображения, что способствовало развитию письменности во многих языках. Способность дерева гореть помогла освоению огня, что резко расширило ареал человека на север, и позволила освоить новые типы жилья: пещеры, дома, иглу и т. д. Остающийся после сгорания уголь использовался для первых наскальных рисунков. Малая плотность древесины по отношению к воде способствовала развитию судоходства: начиная от плотов и заканчивая каравеллами — много лет суда делались из дерева. Особенности цветения некоторых деревьев стали нарицательными в культуре многих народов мира, так, в Японии цветок сакуры воспет многими поэтами и часто использовался для медитации и отдыха. На Востоке распространён образ цветка персика, в России был воспет яблоневый цвет.
Наряду с металлом является материалом для изготовления музыкальных инструментов. Считается, что самым первым деревянным музыкальным инструментом на Земле был австралийский диджериду, в виду того, что для его изготовления практически не нужно прилагать никаких усилий — термиты, выедая изнутри влажную древесину эвкалипта, образовывали естественную духовую трубу, размер которой можно было подкорректировать.
Как все устроено
Свойства и характеристики материала невозможно понять, предварительно не изучив строение и состав древесины. Само понятие зависит от того, кто его употребляет. Для обычного человека и строителя это исключительно часть дерева под корой, которую можно употреблять в быту или производстве. Для ботаника строение дерева и древесины – это весь комплекс, включающий в себя все элементы от корней до кроны.
Крона в промышленности используется незначительно, а ветви идут как сырье для древесноволокнистых плит и картона. Основное значение имеет ствол. На поперечном разрезе взору открывается строение ствола древесины. Самый верхний слой – кора, защищает живые клетки от внешних воздействий. Между корой и телом ствола располагается слой живых клеток – кадмий. В самом центре через весь ствол проходит сердцевина. Рыхлые ткани, из которых она состоит, делают ее непригодной для утилитарных нужд.
Ядро дерева состоит в основном из омертвевших клеток, отложений смолы, красящих и дубильных веществ. Ядро окружает заболонь – часть дерева, которая отвечает за проведение воды к листьям от корней. Соответственно, в ней много влаги, она больше пропускает воду и сильнее подвержена гниению. Ярко выраженное ядро есть не у всех деревьев. В некоторых из них нет разницы между центральной и окраинной частью ствола. Такие породы называются заболонными.
Ранняя и поздняя древесина
Как и у других растении, процесс роста у деревьев зависит от климатических условий. В умеренном климате весной рост обычно ускоренный, летом меньше, а зимой практически отсутствует. Ранняя древесина (или весенняя, как это подразумевается названием) представляет собой часть годичного кольца, образовавшуюся в ранний период годового цикла роста.
Тонкостенные волокнистые клетки в мягких породах и открытые трубчатые клетки в твердых сортах образуют основную массу ранней древесины и обеспечивают быстрый ток сока. Ранняя древесина обычно распознается как более широкая и светлая часть годичного кольца. Поздняя, или летняя, древесина — это часть годичного кольца, которая растет в поздние сроки годового цикла роста и образует клетки с утолщенной оболочкой, формируя обычно более плотную и менее «сокопроводящую» древесину. Одновременно эта структурная ткань повышает прочность древесины.
Такое отчетливое разделение тканей относится к одному сезону и показывает возраст срубленного леса и климатические условия, в которых оно росло. Широкие годичные кольца указывают на благоприятные условия роста, узкие — на плохие условия или засуху. Отличия в структуре ранней и поздней древесины важны для деревообработчика, так как от этого зависит, насколько легко древесина будет поддаваться обработке. Менее тяжелая ранняя древесина режется легче, чем более плотная поздняя.
Это, конечно, не представляет большой проблемы для большинства ручных или механических инструментов, если их лезвия хорошо заточены. Однако разница в твердости может проявиться, когда поздняя древесина выступает над ранней после полировки. В целом древесина с однородной структурой наиболее легко поддается грубой и тонкой обработке. Распределение клеток твердых пород отчетливо проявляется в текстуре (естественном рисунке поперечного среза дерева) лиственных деревьев. У кольцесосудистых видов, таких, как дуб или ясень, хорошо видны кольца больших сосудов в ранней древесине и плотные волокна и клеточная ткань поздней древесины. Такие породы хуже поддаются отделочной обработке, чем рассеянно-сосудистые, такие, как бук, в которых сосуды и волокна распределены сравнительно равномерно. Хотя сорта типа красного дерева часто рассеянно-пористые, их более крупные клетки могут делать их текстуру грубой.
| Камбиевый слойТонкий слой образовательной ткани, из которого образуются новая древесина и дуб | Возрастные (годичные) кольцаСлой древесины, образующийся за один возрастной (годовой) период. Большие клетки ранней древесины и меньшие по размеру клетки поздней древесины формируют годичное кольцо | Сердцевинные лучиРадиально направленные плоские скопления клеток, проводящие питательные соки горизонтально, называемые также медуллярными или сердцевинными клетками | Флоэма, или лубТкань внутреннего слоя коры, транспортирующая синтезированные питательные вещества | Флоэма, или лубТкань внутреннего слоя коры, транспортирующая синтезированные питательные вещества | |
 |
|||||
| ЗаболоньНовая древесина, клетки которой транспортируют или накапливают питательные вещества | |||||
| ЯдроЗрелая древесина, образующая остов дерева | |||||
| СердцевинаЦентральная масса клеток. Часто непрочная и подвержена загниванию | |||||
Живое дерево
Для того чтобы понимать свойства древесины и как ее обрабатывать, небесполезно разобраться в том, как растут деревья.
Деревья составляют важную часть царства растений, известную как подцарство Spermtaphyta (семенные растения). Оно подразделяется на отделы Gymnospermae — голосеменные и Angiospermae — покрытосеменные. К первым относятся хвойные деревья с листьями в виде иголок, которые обычно образуют мягкие сорта древесины.
Вторые — это широколистные деревья, известные в качестве твердых пород древесины и которые могут быть как листопадными, так и вечнозелеными.
Строение дерева
Типичное дерево имеет основной стебель, известный под названием ствол, который несет ветви с листьями. Корневая система удерживает дерево в почве и всасывает воду и минеральные вещества для поддержания жизни дерева. Ствол переносит питательные вещества от корней к листьям.
Процесс питания
Испарение влаги с листьев инициирует и стимулирует сокодвижение сквозь мельчайшие клетки, образующие структуру дерева. Двуокись углерода поглощается листьями дерева из окружающего воздуха через поры в листьях. Питательные вещества, образованные в листьях, распределяются между растущими частями дерева и одновременно запасаются некоторыми клетками.
Фотосинтез
Фотосинтез (образование органических веществ из двуокиси углерода и воды) происходит, когда энергия в виде света поглощается хлорофиллом, зеленым пигментом в листьях, в результате чего образуются питательные вещества, обеспечивающие жизнедеятельность дерева. Кислород, как побочный продукт этого процесса, выделяется в атмосферу.
Механические свойства древесины
Они характеризуют ее способность сопротивляться механическим усилиям. Эти качества древесины являются весьма важными при использовании древесины как конструкционного материала.
Механические свойства древесины делят на две группы: прочностные и упругие.
Прочностные свойства определяются напряжениями. Напряжение — это усилие, приходящееся на единицу площади поперечного сечения детали.
Наибольшее напряжение, которое может выдержать стержень из данной древесины, называют допускаемым напряжением, или пределом прочности. Эту характеристику прочностных свойств древесины изучают на специальных испытательных машинах, используя образцы, которые вырезают из различных пород древесины.
Второй немаловажной прочностной характеристикой древесины является ее твердость. Твердостью называют способность древесины сопротивляться внедрению в нее некоторого твердого тела
Испытания на твердость проводят в статических (когда в древесину вдавливают, например, стальной шарик) или в динамических (когда на древесину падает металлический шарик) условиях. В первом и во втором случае на поверхности древесины остаются отпечатки-вмятины, площадь которых характеризует твердость древесины.
Музыкальные инструменты являются изделиями долговременного употребления. Многие десятки лет работают они и не всегда в идеальных условиях. Особенно плохо приходится инструментам в условиях транспортировки. Поэтому корпуса инструментов предпочитают делать из твердолиственных пород и края инструментов обкладывать штапом из твердых пород.
Можно дать рекомендации по наиболее рациональному применению древесины в деталях музыкальных инструментов, в первую очередь грифа. Гриф щипковых музыкальных инструментов подвергается изгибу за счет натянутых струн. Поэтому для увеличения его жесткости годичные слои древесины заготовки лучше располагать в плоскости, перпендикулярной деке.
Различные породы древесины имеют довольно большие расхождения в значениях модулей упругости, причем значения модулей упругости (как и пределов прочности) у древесины различны в разных направлениях (в отличие от металлов).
Основные разрезы ствола.
Р — торцовый сечение ствола плоскостью, проходящей поперек его оси;
R— радиальный сечение ствола плоскостью, проходяще через ось ствола по радиусу или диаметру поперечт го сечения;
Т — тангентальный сечение по хорде поперечного сечения параллельно оси ствола.
На рис. 2. показаны: 1 — доска радиальной и 2 — доска тангенталыюй распиловки.
Ствол
Ствол в основном состоит из клеток, вытянутых по его длине клетки группируются наслоениями, которые на торце имеют вид концентрических колец, а на продольных разрезах (радиальном и тангенгальном) наклонных и параболических линий. На торцовом разрезе, начиная от периферии к центру, различают следующие основные части ствола: кору, камбий, древесину и сердцевину.
Кора изолирует
Кора изолирует дерево от вредных воздействий внешней среды резких колебаний температуры, от насекомых вредителей леса и т. п. Она состоит из наружных покровных наслоений, резко отличающихся от внутренних наслоений древесины. В коре различают наружный слой корку или кожицу, средний слой пробковую ткань и внутренний луб.
Луб
Луб в растущем дереве служит проводником питательных веществ от кроны в ствол и корни; и нем откладываются запасы питательных веществ, необходимых дереву ранней весной для развертывания молодых листьев
Кора
Кора занимает от 5 до 20% объема дерева. Некоторые породы, например, пробковый дуб, выращиваемый в Крыму и на Кавказе, бархатное дерево, растущее в районе Амура и на Сахалине, имеют очень толстую и мало теплопроводную кору. Кора этих деревьев используется для изготовления пробковых теплоизоляционных плит и укупорочной пробки, а древесина в столярных и отделочных работах.
Камбий
Камбий расположен между лубом и древесиной в виде очень тонкого слоя тонкостенных клеток, способных к делению и росту. Клетки камбия, делясь, ежегодно откладывают в сторону коры клетки луба, а в противоположную сторону клетки древесины.
Весной камбий дает более рыхлую древесину, летом и осенью более плотную.
Древесина состоит из ряда концентрических слоев, идущих от сердцевины до коры, от которой она отделяется незаметным на глаз камбиальным слоем.
На поперечном разрезе ствола некоторых пород дерева можно легко различить наружную, более светлую часть заболонь и внутреннюю, более темную ядро.
Заболонь
Заболонь часть древесины более позднего образования, состоящая из молодых клеток, среди которых имеются живые и омертвевшие.
В растущем дереве по заболони (снизу вверх) движется влага с растворенными в ней минеральными веществами, отчего влажность заболони в свежесрубленном дереве гораздо больше, чем в ядре.Древесина заболони по своим механическим свойствам равноценна древесине ядра (при одинаковой их влажности), но стойкость ее против загнивания ниже.
Ядро
Ядро состоит из мертвых клеток и образуется не сразу, а постепенно, по мере отмирания клеток заболони. Ядро не принимает участия в продвижении необходимых для дерева питательных веществ вследствие закупорки проводящих путей. Потемнение древесины в ядре объясняется образованием в клетках древесины различных веществ (смол, дубильных и красящих веществ). Эти вещества делают древесину ядровой части более стойкой против загнивания.
В зависимости от наличия или отсутствия ядра древесные породы делятся на:
- а) ядровые, имеющие ядро и заболонь (дуб, сосна, лиственница, кедр и др.);
- б)заболонные (безъядровые), имеющие одну лишь заболонную древесину (береза, ольха, осина и др.)
Из группы заболонных пород выделяются спело-древесные породы (ель, пихта, бук), у которых центральная часть древесины, соответствующая положению ядра, не отличается по цвету от заболони, но содержит в растущем или в свежесрубленном дереве значительно меньше влаги.
Строение
Рис. 1. Главные разрезы ствола дерева: П – поперечный; Р – радиальный; Т – тангенциальный.
Рис. 2. Схема микроскопического строения древесины сосны (по В. Е. Вихрову): 1 – годичный слой; 2 – многорядный луч с горизонтальным смоляным ходом; 3 – окаймлённая пора; 4 – л…
Д. изучают на трёх разрезах ствола: поперечном и двух продольных – радиальном и тангенциальном (рис. 1). В Д. различают заболонь (периферич. светлую зону) и ядро (центр. зону), имеющее более тёмную окраску у т. н. ядровой Д. или мало отличающееся по цвету от заболони у безъядровой Д. Среди безъядровых пород (ель, пихта, бук и др.) выделяют спелодревесные, у которых центр. зона Д. в свежесрубленном состоянии менее влажная, чем периферическая, и заболонные (берёза, клён) – с равномерной влажностью по сечению ствола. Годичные слои (ежегодные приросты Д.) на поперечном разрезе имеют вид концентрич. окружностей, на радиальном и тангенциальном – соответственно прямых и изогнутых полос; у мн. пород в каждом слое заметны менее плотная светлая (т. н. ранняя) и более плотная тёмная (поздняя) Д. У кольцесосудистых лиственных пород (напр., дуб, ясень) крупные сосуды расположены только в ранней Д., а у рассеянно-сосудистых (берёза, осина) крупные и мелкие сосуды равномерно распределены по годичному слою. У некоторых лиственных пород на поперечном разрезе видны светлые радиальные полоски (лучи), на радиальном – блестящие тёмные или светлые поперечные полоски, а на тангенциальном – веретеновидные узкие полоски. У некоторых хвойных пород (сосна, кедр и др.) в поздней зоне годичных слоёв на поперечном разрезе заметны светлые пятнышки – смоляные ходы.
Рис. 3. Схема микроскопического строения древесины берёзы (по В. Е. Вихрову): 1 – волокнистые трахеиды; 2 – годичный слой; 3 – лучи; 4 – сосуды.
Наблюдаемая с помощью оптич. и электронных микроскопов структура Д. срубленного дерева включает растительные клетки с отмершим протопластом (т. н. мезоструктура). Клеточные стенки (микроструктура) состоят в осн. из целлюлозных микрофибрилл (наноструктура). В тонкой первичной и толстой трёхслойной вторичной оболочке клеточной стенки микрофибриллы имеют разл. ориентацию; в наиболее мощном внутр. слое вторичной оболочки микрофибриллы расположены под небольшим углом наклона (5–15°) к длинной оси клетки. Такая преимущественная ориентация микрофибрилл – одна из осн. причин анизотропии Д. Со стороны полости клетки стенку покрывает тонкий бородавчатый слой. В стенках клеток имеются простые или окаймлённые поры. В промежутках между микрофибриллами находится лигнин, вызывающий одревеснение клеточных стенок, а также гемицеллюлозы и вода.
Д. хвойных пород в осн. состоит из удлинённых прозенхимных клеток – трахеид (рис. 2). Расположенные в ранней зоне годичного слоя крупнополостные трахеиды выполняют гл. обр. проводящую функцию, поздние толстостенные трахеиды – механическую, а паренхимные клетки, образующие лучи и участвующие в структуре вертикальных смоляных ходов, – запасающую. Горизонтальные ходы в некоторых лучах пересекаются с вертикальными, составляя единую смолоносную систему. В Д. лиственных пород (рис. 3) проводящую функцию выполняют сосуды, сосудистые и волокнистые трахеиды; механическую – волокна либриформа и/или волокнистые трахеиды; запасающую – паренхимные клетки в виде горизонтальных однорядных и многорядных лучей, а также вертикальной осевой паренхимы.