Файл: Учебное пособие Кострома.pdf

67 Глава 7. Анизотропиядревесины
7.1.
Оптимизацияопорныхконструкцийживыхсистем впроцессеэволюции
Уровень технического развития общества в значительной мере зависит от тех материалов, которыми оно располагает. Материалы определяют возможность изготовления машин и конструкций, необходимых для решения новых задач техники, материалы определяют технологию изготовления этих изделий. Конструкционными называют материалы, пригодные для изготовления машин и конструкций, а следовательно, обладающие достаточными механическими свойствами. Укрепление материалов прочными волокнами (армирование) позволяет создавать материалы принципиально новые, оптимальные по механической сопротивляемости. В армированных материалах один из компонентов (армирующий) обладает значительно более высокой прочностью и жесткостью, чем другой (связующий. Так, для ракетостроения создаются материалы, в которых армирующими являются тонкие волокна (стекла, углерода, бора, сапфира или волокнами этими являются металлические монокристаллические усы, а в качестве связующего (матрицы) используются полимеры или пластичные металлы. Большое распространение в технике получили высокопрочные стеклопластики. Главная цель изучения свойств природного армированного материала древесины состоит в том, чтобы помочь ее рациональному использованию с учетом анизотропии, которая должна быть оптимизирована в изделиях, подобно тому как это эволюционно совершилось в механических тканях опорных элементов живых систем. Законы развития природы имеют некоторые общие черты с законами технического прогресса. Общие черты проявляются, в частности, в том, что биологическая эволюция живых систем сопровождается оптимизацией инженерных устройств, благодаря которым система сопротивляется внешним воздействиям. При этом оптимизируются форма геометрия) системы и материал ее опорных конструкций. Анизотропию древесины можно рассматривать как следствие эволюционной оптимизации опорной конструкции живой системы – древесного ствола, которая происходила в процессе длительного биологического развития. Биологическая эволюция, позволяющая живым системам усовершенствовать строение, приспосабливаясь к внешним условиям, связана с естественным отбором. В процессе естественного отбора происходит, в сущности, сопоставление признаков, возникающих в результате внутренней случайной изменчивости и информации, поступающей из внешней среды. Таким образом, под влиянием внешней среды формируется симметрия живых систем и их упорядоченная структура Простейшие организмы, плававшие во взвешенном состоянии в однородной среде, имели внешнюю форму, подчиняющуюся шаровой симметрии среды и ее воздействиям. Этот вид симметрии обеспечивался равенством скоростей роста в разных направлениях. Воздействию гидростатического давления при относительно малом влиянии земного тяготения лучше всего сопротивлялись организмы шаровой формы. Постепенно в процессе развития жизни создались условия для выхода организмов (в первую очередь – растений) из океана на сушу. Возник другой вид симметрии, зависящий от симметрии поля земного тяготения. Растения, прикрепленные к земной поверхности, испытывали воздействие силы тяжести. Скорости их роста по вертикали и по горизонтали оказались различными, но по всем горизонтальным направлениям одинаковыми. Такая симметрия свойственна геометрическим фигурам кругового цилиндра и конуса, ось которых совмещена с одним из диаметров земного шара (с направлением силы тяжести. Этот вид симметрии, если не обращать внимания на случайные индивидуальные отклонения, характерен для внешней формы свободно и правильно растущего дерева. Строение древесины в стволе тоже в целом подчиняется такому виду симметрии. Более сложную форму симметрии имеет все, что растет наклонно или по горизонтали, а также, что двигается по земле, вводе, по воздуху или испытывает постоянные по направлению горизонтальные нагрузки. Появляется плоскость симметрии, которая делит тело на две зеркально- равные половины. Такова симметрия листьев и веток, для которых силы тяжести лежат в вертикальной плоскости. Такова и симметрия ствола деревьев, для которых определяющим является сопротивление сильными постоянным по направлению ветровым нагрузкам. Сечение ствола в этом случае имеет форму не круга, а эллипса, большая ось которого совпадает с направлением ветра. Дифференциация строения организмов обусловила появление различных тканей. Механические ткани обеспечивают сохранение внешней формы и сопротивление механическим нагрузкам, к которым относятся масса тела и внешние воздействия. Механические ткани часто выполняют одновременно и другие функции, например, в составе ствола дерева – проводящие и запасающие. Все механические ткани отличаются сложной внутренней структурой и у растений и у животных, как правило, имеют слоистое и волокнистое строение. Оптимизированы по условию наилучшего сопротивления внешним нагрузкам не только структура механических тканей, но и напряжения, возникающие в процессе роста тканей. В древесине растущего дерева обнаружена система внутренних (начальных) напряжений, возникающих в процессе роста и повышающих сопротивление опорной системы внешним нагрузкам.

69 Ствол дерева можно рассматривать как сложную, предварительно напряженную армированную и слоистую пространственную конструкцию, равнопрочную во всех своих частях и способную к значительным упругим деформациям. Равнопрочность (по высоте) и деформативность ствола обусловлены в первую очередь его сбегом. Строение древесины ствола оптимизировано по отношению к растягивающими сжимающим напряжениям, возникающим в стволе растущего дерева и действующим вдоль его оси. Древесные волокна ориентированы по траекториям действия главных напряжений. Слоистое строение древесины, при котором более податливые прослойки ранней древесины правильно чередуются со слоями более жесткой, поздней древесины, способствует увеличению прогибов ствола под действием ветровой нагрузки. Дополнительный прогиб получается за счет сдвигов по слабым слоям ранней древесины при действии на ствол поперечной силы (при этом с увеличением влажности древесины влияние сдвигов будет расти. Увеличение прогиба приводит к уменьшению изгибающего момента от ветровой нагрузки. Строение ствола – с более прочными наружными слоями и менее прочной сердцевиной обеспечивает хорошую сопротивляемость действию силы тяжести и увеличивает его устойчивость при вертикальных нагрузках, вызванных массой кроны. В корнях дерева, работающих главным образом на растяжение, более прочный материал расположен по центральной оси, что соответствует механической функции корней в качестве тяжей, удерживающих ствол дерева в вертикальном положении. Поэтому и прочность древесины корней на растяжение значительно выше, чем на сжатие (для некоторых пород почтив раз. Впервые вопросы архитектоники древесного ствола рассматривал Галилей (XVII в, который писал, что природа смогла создать деревья большой высоты, лишь применив для этого особо прочный материал. Основываясь на теории Дарвина, описывал законы и приспособительное значение механической прочности растений Г. Спенсер в середине
XIX в. В 1874 г. С. Шведенер предложил первую расчетную схему для объяснения формы ствола, учитывая только его изгиб сосредоточенной силой (давлением ветра на крону. Наиболее обстоятельная механическая теория формы древесного ствола принадлежит финскому ученому А. Юлинену, который предварительно экспериментально исследовал в аэродинамической трубе сопротивление древесных крон различной формы – действию ветра. Для трех пород древесины Юлинен экспериментально обнаружил на растущих деревьях линейное уменьшение модуля от комля к вершине (для березы в 1,5 раза, а для хвойных – вдвое, особенно значительное в верхней части ствола. В нормально растущем дереве при отсутствии внешних нагрузок периферийная зона ствола испытывает напряжения растяжения вдоль волокон и сжатия поперек волокон. В центральной части ствола вдоль волокон действуют сжимающие, а поперек волокон – растягивающие напряжения. Распределение напряжений роста в прямых, вертикально растущих деревьях симметрично относительно оси ствола. Известно, что прочность древесины при сжатии вдоль волокон ниже, чем при растяжении (для березы более чем втрое. При изгибе ствола горизонтальными силами ветра сжимающие и растягивающие напряжения в наружных волокнах одинаковы по абсолютной величине. Дополнительные напряжения от действия на ствол массы кроны везде сжимающие. Поэтому сжимающие напряжения в стволе могут достичь опасной величины раньше, чем растягивающие. Начальные растягивающие напряжения, складываясь со сжимающими напряжениями от внешних нагрузок, уменьшают максимальную величину этих нагрузок. Такое уменьшение сжимающих и увеличение растягивающих напряжений приводит к тому, что соотношение суммарных напряжений сжатия и растяжения, действующих в наружных волокнах ствола, приближается к соотношению между их предельными величинами, характеризующими прочность при сжатии и при растяжении. Тем самым уменьшается опасность преждевременного появления складки разрушения в сжатой зоне ствола и связанных с ней остаточных (необратимых) деформаций. Система начальных напряжений (напряжений роста) обеспечивает равнопрочность ствола по его сечению. Конструкция ствола работает при этом как предварительно напряженная. Изменчивость плотности древесины по радиусу и по высоте ствола подчиняется законам оптимизации сопротивления растущего дерева внешним нагрузкам при изгибе и сжатии. Увеличение плотности пора- диусу ствола от сердцевины к коре характерно для комлевой части древесины ствола большинства пород. При изгибе дерева силой ветра именно в комлевой части возникают наибольшие напряжения, возрастающие от сердцевины к коре. Высокие значения плотности, связанные с высоким процентным содержанием поздней древесины, обеспечивают большую прочность наиболее нагруженной – наружной зоны комлевой части ствола. Увеличение плотности от вершины к комлю особенно сильно проявляется у таких пород, как сосна и береза, для которых характерна высоко поднятая крона, воспринимающая ветровую нагрузку (плотность древесины сосны увеличивается от вершины к комлю почти на 30%). Уели и осины живая крона опускается значительно ниже, давление ветра распределяется почти по всей высоте дерева, а величины изгибающих моментов от действия ветра имеют поэтому меньшие значения, чему сосны или березы плотность древесины ели и осины сравнительно мало меняется по высоте ствола, несколько увеличиваясь к наружной части ствола только в комле. Важнейшим следствием эволюционной оптимизации механической ткани, обеспечивающей сопротивление растущего дерева воздействиям внешней среды, является ориентированность макро- и микроструктуры.

71
7.2.
Анизотропиядревесины какследствиееемакро- имикростроения
Характерной особенностью древесины всех породи многих древесных материалов является анизотропия. Слово анизотропия гр неравный, неодинаковый + tropoi образ действия, поведение) означает неодинаковость свойств материала в различных структурных направлениях. Анизотропия всегда является следствием упорядоченности в расположении структурных элементов ив их ориентации. Анизотропия древесины является следствием ее макроструктуры анатомического строения) и микростроения составляющих ее клеточных оболочек. Срубленная древесина, рассматриваемая в техническом древесиноведении как конструкционный материал, состоит из одних клеточных оболочек. Основным веществом, из которого состоит слоистая клеточная оболочка (стенка, является целлюлоза. Элементарная фибрилла
(лат волокно) представляет собой пучок макромолекул целлюлозы и имеет в значительной своей части кристаллическую структуру вследствие регулярного расположения молекул. Элементарные фибриллы входят в состав микрофибрилл, в которых кристаллические ориентированные) области чередуются с неориентированными. В последних нитевидные макромолекулы расположены хаотически. В клеточной стенке имеются слои, в каждом из которых целлюлозные микрофибриллы ориентированы по-разному. В наиболее мощном – среднем слое вторичной оболочки спирально расположенные микро- фибриллы ориентированы под углом 5°–15° к продольной оси клетки. Прочность клеточных оболочек определяется составляющими их мик- рофибриллами и аморфным лигнином. Таким образом, уже в самых малых построениях древесного вещества – микрофибриллах и клеточных оболочках имеются элементы ориентации. Вместе стем изменчивость биологического объекта, каким является клеточная стенка древесины различных пород, не позволяет распространить характер анизотропии, присущий этим построениям, даже на элементарные объемы древесины, рассматриваемой как конструкционный материал. Существенное влияние на анизотропию древесины оказывает ее анатомическое строение макростроение. При этом основную роль играют механические ткани, придающие прочность растущему дереву. Расположенная между древесиной и корой тонкая прослойка образовательной ткани (камбий) содержит два типа живых начальных клеток (инициалей), из которых преобладающим является тип инициалей, имеющих сильно вытянутую форму и образующих в дереве анатомические элементы, ориентированные вдоль его оси. Древесина хвойных и лиственных пород состоит из различного набора анатомических элементов, для которых общей является их упорядоченная волокнистая структура. Механическую (опорную) функцию в древесине хвойных пород выполняют в первую очередь трахеиды, которые расположены в растущем дереве главным образом вертикально и составляют более 90% объема древесины. Трахеиды имеют форму сильно вытянутых волокон с поперечным сечением правильной формы у большинства пород – прямоугольной. Слоистое строение древесины определяется различием в размерах трахеид, образуемых вначале вегетационного периода (ранняя древесина, ив его последующей стадии
– поздних трахеид, с более толстыми стенками, играющих основную роль в сопротивлении механическим нагрузкам. Строение древесины лиственных пород несколько менее упорядоченно. Механическую функцию выполняют здесь волокна либриформа и волокнистые трахеиды. Волокна либриформа (лат. libri лыко) представляют собой клетки, вытянутые вдоль оси ствола, имеющие значительно меньшие размеры, чем поздние трахеиды хвойных пород. Волокнистые трахеиды и волокна либриформа объединяются общим понятием древесное волокно. Расположением древесных волокон вдоль оси дерева обусловливается резкое различие механических свойств древесины в направлении поперек и вдоль ствола. Это различие усиливается влиянием ориентации микрофибрилл в клеточных стенках и ориентации части молекул целлюлозы в микрофибриллах. Таким образом, различие в величине характеристик свойств древесины в направлениях поперек и вдоль волокон обусловлено ее макро- и микростроением
. Модули упругости для направления вдоль волокон почтив раз (ель) больше, чем поперек, а предел прочности при сжатии в
10, при растяжении враз. Отношения величины модуля упругости вдоль и поперек волокон для древесины хвойных пород в среднем оказываются более высокими, чем для древесины лиственных. Объясняется это менее упорядоченным строением древесины лиственных породи относительно большим влиянием сердцевинных лучей на их жесткость в поперечном направлении. Наименьшее различие в упругих свойствах вдоль и поперек волокон имеет древесина дуба – с толстостенными короткими древесными волокнами и большим содержанием сердцевинных лучей. Наибольшее различие обнаруживает древесина ели – с тонкими и длинными трахеидами. Различие между свойствами древесины для разных ориентаций, лежащих в плоскости поперек волокон, связано главным образом с ее анатомическим строением (макроструктурой. Слоистость, обусловленная чередованием в годичных слоях ранней и поздней древесины, особенно выраженная в хвойных породах, определяет различие в механической прочности древесины в радиальном и тангенциальном направлениях, особенно при сжатии. Наибольшую прочность при сжатии поперек волокон древесина сосны, например, имеет в тангенциальном направлении, если при этом кривизна годичных колец достаточно мала в пределах сжимаемого образца. Поздние трахеиды, у которых размеры в тангенциальном направлении больше, чем в радиальном, а стенки толще, чему ранних, определяют при сжатии в тангенциальном направлении механическую прочность древесины. Лиственные породы, в частности береза, обнаруживают при сжатии в тангенциальном направлении меньшую прочность, чем в радиальном, что связано в первую очередь с влиянием сердцевинных лучей, упрочняющих радиальное направление. Этим же влиянием сердцевинных лучей объясняется для лиственных пород меньшая прочность при растяжении в тангенциальном направлении, чем в радиальном. Для хвойных – сосны, лиственницы – прочность на растяжение в радиальном направлении меньше, чем в тангенциальном. При растяжении в радиальном направлении разрушение идет по слабому слою ранней древесины, а в тангенциальном разрыву сопротивляются слои ранние и поздние, причем последние воспринимают большую часть нагрузки. Влияние сердцевинных лучей у хвойных пород несущественно ив этом случае. Влиянием сердцевинных лучей, особенно у лиственных пород, объясняется различие упругих свойств в различных направлениях поперек волокон эти своеобразные лучи жесткости повышают сопротивляемость упругому деформированию в радиальном направлении по сравнению с тангенциальными различие оказывается тем сильнее, чем больше доля объема сердцевинных лучей в анатомическом строении древесины. Поэтому различие это выражено сильнее у лиственных пород, чему хвойных у дуба, чему березы. Ориентированное макро- и микростроение древесины обусловливает ее анизотропию не только при механических, но и при других физических воздействиях.
Контрольныевопросы:
1. Какие материалы называют конструкционными. Каковы особенности природного армированного материала древесины 3. Что такое анизотропия Какова эволюционная причина ее возникновения 4. Как проявляется анизотропия в макрострое- нии древесины 5. Как проявляется анизотропия в микростроении древесины
ЗАКЛЮЧЕНИЕ
В
настоящем учебном пособии рассматриваются физические свойства древесины, способы сушки и пропитки, особенности ствола дерева как конструкционного материала. Основной акцент сделан настроении древесины, т. к. оно обусловливает особенность свойств по сравнению с искусственными материалами, а также определяет анизотропность древесного материала. Подробно рассмотрены два основных физических свойства, влияющих на качество древесины, плотность и влажность. Описаны механизмы пропитки древесины при различных условиях консервации. Рассмотрены физические явления, протекающие вовремя сушки древесины, а также дана характеристика тесно связанных с ней явлений усушки, разбухания и усадки. Даны практические рекомендации по избеганию влажностных деформаций и брака сушки. Подробно рассмотрен вопрос о резонансной древесине. Описаны косвенные и прямые способы диагностики древесного материала, идущего на изготовления музыкальных инструментов. Дана история изучения ствола дерева как растительной конструкции. Рассказано о формировании элементов древесины. В целом материал учебного пособия является систематизацией данных в области физики, механики, древесиноведения, биологии и сопротивления материалов.

75 Список использованной литературы
1. Ашкенази Е.К. Анизотропия древесины и древесных материалов
/ Е.К. Ашкенази. – М. : Лесная промышленность, 1978. – 224 с.
2. Ашкенази Е.К. Анизотропия механических свойств древесины и фанеры / Е.К. Ашкенази. – М. : Лесная промышленность, 1978. – 223 с.
3. Ашкенази Е.К. Прочность анизотропных древесных и синтетических материалов. / Е.К. Ашкенази. – М. : Лесная промышленность, 1966.
–167 с.
4. Баженов В.А. Проницаемость древесины жидкостями и ее практическое значение / В.А.Баженов – М. : Изд-во АН СССР, 1952. – 82 с.
5. Боровиков А.М. Справочник по древесине / А.М.Боровиков,
Б
.Н.Уголев. – М. : Лесная промышленность, 1989. –296 с.
6. Калниньш А.Я. Консервирование древесины / А.Я.Калниньш. М. :
Гослесбумиздат
, 1962. – 146 с.
7. Кармадонов АН. Дефектоскопия древесины / А.Н.Кармадонов. – М. : Лесная промышленность, 1987. – 115 с.
8. Кречетов ИВ. Сушка древесины / И.В.Кречетов. – М. : Лесная промышленность, 1980. – 432 с.
9. Лакатош Б.К. Дефектоскопия древесины / Б.К.Лакатош. – М. : Лесная промышленность, 1966. – 188 с.
10. Лехницкий С.Г. Теория упругости анизотропного тела / С.Г.
Лехницкий
. – М. : Наука, 1977. – 415 с.
11. Пейч Н.Н. Сушка древесины / Н.Н.Пейч, Б.С.Царев. – М. : Высшая школа, 1975. – 224 с.
12. Полубояринов О.И. Плотность древесины учебное пособие /
О
.И.Полубояринов. – Л. РИО ЛОЛЛТА, 1973. – 77 с.
13. Савков Е.И. Механические свойства древесины / Е.И. Савков. – М. : Лесная промышленность, 1965. – 63 с.
14. Серговский ПС. Гидротермическая обработка и консервирование древесины / П.С.Серговский, А.И.Расев. – М. : Лесная промышленность с.
15. Соболев ЮС. Древесина как конструкционный материал /
Ю
.С.Соболев. – М. : Лесная промышленность, 1979. – 248 с.
16. Справочное руководство по древесине / М. : Лесная промышленность с.
17. Уголев Б.Н. Древесиноведение с основами лесного товароведения Б.Н.Уголев. – М. : Изд-во МГУЛ, 2004. – 340 с.
18. Федюков В.И. Основы квалиметрии и управления качеством лесоматериалов спецназначения (на примере резонансной древесины с уникальными акустическими свойствами Учебное пособие
В
.И.Федюков. – Йошкар-Ола : Изд-во МарГТУ, 2000. – 184 с.