§ 2. Физико-механические свойства древесины.

          Для изготовления полезных вещей используют разнообразные конструкционные материалы: металл, пластмассу, оргстекло, шелк, текстильные и другие материалы. Широкое распространение получило использование древесины и материалов из нее. Все кон­струкционные материалы имеют определенные свойства, которые необходимо учитывать при изготовлении изделий. К ним относятся уже известные тебе цвет и текстура древесины. Кроме того, необхо­димо также знать, как легко обрабатывается определенный вид древесины и материалы из нее, какой инструмент нужно для этого использовать, будут ли удерживаться в ней гвозди, шурупы и дру­гие детали крепления, как будут влиять на древесные материалы влажность, изменения температуры окружающей среды и т.п. Нужно также предусмотреть, какой вид древесины или материалов из нее необходимо использовать, чтобы конструкция, например мост или многоэтажное здание, не разрушилась, если она будет ис­пользоваться при больших нагрузках и т.п. 

         Древесина, как и любой конструкционный материал, обладает определёнными свойствами, которые нужно учитывать при изготовлении изделия. Различают свойства физические (плотность, влажность, цвет, запах) и механические (твёрдость, прочность, упругость). С такими свойствами, как цвет и запах древесины, вы уже ознакомились в 5 классе.

     Рассмотрим физические свойства древесины.

     Плотность ρ древесины — это её масса m (г), занимающая единицу объёма V (см³):

         Если сухая берёзовая дощечка размером 10х10х1 см³ (то есть объёмом 100 см³) имеет массу 64 г, то плотность её будет равна: 64 : 100 = 0,64 г/см³.

        Плотность сухой древесины составляет 0,35...0,7 г/см³ (350...700 кг/м³). Более плотной является древесина берёзы, клёна, ясеня, лиственницы, дуба (ρ = 0,64...0,72 г/см³), менее плотной — древесина липы, тополя, кедра, ели, осины, сосны (ρ = 0,4...0,52 г/см³).

Влажность древесины — это количество содержащейся в ней влаги. Влажность определяется отношением веса этой влаги к весу сухой древесины и выражается в процентах:

где m₁ — масса образца влажной древесины;

m₂ — масса этого же образца древесины после высушивания.

       Если, например, масса бруска влажной древесины составляла 80 г, а после его высушивания — 50 г, то первоначальная влажность древесины была равна:

        У свежеспиленного дерева влажность древесины очень высокая — около 80 %. Влага ухудшает механические свойства древесины, поэтому древесину сушат до тех пор, пока влажность не будет составлять 9...15 %. Применяют следующие виды сушки древесины: естественную на воздухе (которая может длиться до 2 лет) и искусственную в специальных сушильных камерах (от 2 до 25 дней).

Виды древесины по влажности

На практике по степени влажности различают древесину:

1.  мокрая,    W = 100%,    длительное время находившуюся в воде;

2.  свежесрубленная,   W = 50-100%, сохранившую влажность растущего дерева;

3.  воздушно-сухая,    W = 15-20%, выдержанную на открытом воздухе;

4.  комнатно-сухая,  W = 8-12%,  долгое время находившуюся в отапливаемом помещении;

5.  абсолютно-сухая,  W = 0,   высушенную при температуре t = 103±2°C.

Производственная (норма для изготовления изделий по ГОСТу) – W = 8-15%

     Рассмотрим механические свойства.

     Твёрдость — это свойство древесины сопротивляться проникновению в неё другого тела, например режущего инструмента во время резания или гвоздя при его забивании. По степени твёрдости породы древесины подразделяют на мягкие (ольха, тополь, липа, осина, ель, сосна), твёрдые (клён, ясень, лиственница, дуб, бук) и очень твёрдые (самшит, граб, акация, груша). Твёрдость древесины зависит от её влажности: чем суше древесина, тем больше её твёрдость.  Знание твердости древесины имеет большое зна­чение. Режущие инструменты для обработки древесины исполь­зуют с учетом этого свойства. Чем тверже древесина, тем тяже­лее ее обрабатывать и тем больший угол обострения должен иметь инструмент.

      В твёрдую древесину трудно вбить гвоздь, её сложнее строгать рубанком, пилить, выдалбливать, сверлить, резать ножом. Но твердая древесина лучше удерживает в себе гвозди и шурупы. Изделия из нее меньше изнашиваются. Например, дубовый паркетный пол изнашивается значительно медленнее, чем пол из сосновых досок. Однако это не значит, что только твердые породы используются мебельщиками.

                Прочность древесины — это свойство материала сопротивляться разрушению под действием внешних нагрузок. Наибольшие нагрузки выдерживает древесина дуба, бука, берёзы, лиственницы. Менее прочной является древесина липы, ели, ольхи, ясеня. Из дре­весины высокой прочности стоит изготавливать конструкционные элементы, то есть те, которые подлежат значительной нагрузке.

Чем большие нагрузки древесина выдерживает, тем она прочнее.

Высокой прочностью обладает древесина дуба, клена, березы, а низкой - осины, липы, ольхи. При нагрузке на изделии из древесины волокна древесины растягиваются, сжимаются или изгибаются (например, ножки стульев сжимаются, лыжи изгибаются).

Поэтому различают прочность на растяжение, на сжатие и на изгиб. Если действующие нагрузки превысят те, которые древесина может выдержать (допустимые), то изделие разрушится. Допустимая прочность для каждой породы древесины различна и приводится в специальных таблицах.

      Упругость — свойство древесины восстанавливать свою первоначальную форму после прекращения действия нагрузки. Упругость зависит от влажности, плотности и возраста древесины. Чем древесина суше и плотнее, тем она более упругая. Древесина клёна, ясеня, бука, вяза и берёзы обладает большей упругостью, чем остальные древесные породы. Древесина сгибается (деформиру­ется) под действием силы и опять выравнивается, или пружи­нит, после снятия нагрузки.

Это интересно!

 Звукопроводность древесины в продольном направлении в 16 раз выше, чем воздуха (звукопроводность воздуха равна 330,7 м/сек), а в поперечном в 4 раза. Деки всех музыкальных инструментов делают из древесины ели и пихты,  потому  что древесина  этих пород  резонирует  звук. Сырая и загнившая древесина хуже проводит звук  и не усиливает  его.

Лабораторно-практическая работа     "Исследование плотности древесины"

1. Получите у учителя образцы сухой древесины, измерьте их длину а, ширину б, толщину в и вычислите их объём V (в см³). Результаты запишите в таблицу.
2. Взвесьте образцы и запишите их массу m в таблицу.
3. По формуле определите плотность древесины ρ.

Лабораторно-практическая работа   "Исследование влажности древесины"

1. Получите у учителя образцы сухой древесины, взвесьте их и запишите массу m₂ в таблицу.
2. Проделайте такой опыт: опустите образцы в воду на 5-10 мин, затем извлеките их из воды и протрите насухо тканью; взвесьте образцы и запишите их массу m₁ в таблицу.
3. Определите разность масс (m₁ - m₂) и влажность древесины (В_л) по формуле. Запишите результаты в таблицу.

4. Сравните влажность образцов и сделайте вывод, какая древесина впитывает влагу лучше, а какая — хуже.

Новые слова и понятия

Свойства древесины: физические (плотность, влажность), механические (твёрдость, прочность, упругость); сушка древесины.

Проверяем свои знания

1. Перечислите физические и механические свойства древесины.
2. Как определяют плотность древесины?
3. Как вы думаете, почему у свежеспиленного дерева очень высокая влажность древесины?
4. Каким образом определяют влажность древесины?
5. Чем отличается упругость древесины от её прочности?
6. С какой целью сушат древесину? Какие виды сушки вы знаете?
7. Какая заготовка сохнет быстрее:  тонкая или толстая?     Почему?