Физико-механические свойства древесины
II. Основы общей теории механической обработки древесины
Предмет труда лесозаготовительного производства
Дерево - многолетнее растение с четко выраженным стволом, несущим боковые ветви, и верхушечным побегом. Рост и развитие деревьев, а также их число и видовое разнообразие связаны с климатическими и почвенными условиями, предыдущим лесопользованием, внешними пирогенными и антропогенными факторами, а также циклами развития факторов, влияющих на фитопатологические и микологические поражения древостоев.
На долю ствола приходятся 60. ..90 % общей массы дерева. Самая нижняя часть ствола называется комлем, а очищенный от сучьев ствол поваленного дерева с отделенными от него прикорневой частью и вершиной называется хлыстом. Толщина ствола уменьшается от корневой шейки к вершине, образуя сбег.
Наибольшие значения сбега наблюдаются в комлевой и вершинной частях ствола, наименьшие - в средней части. Средний сбег крупных деревьев (d=0, 52...0, 60м) составляет: у ели 2,5см/м; у сосны 2, 6...3,2 см/м; у березы и осины 2,4 см/м.
Система ветвей с соответствующим участком ствола образует крону, на долю которой приходится до 20 % общей массы дерева.
Толщина и высота стволов являются основными показателями при проведении учета ресурсов древесины.
Масса корневой системы дерева в зависимости от породы и условий произрастания составляет от 5 до 20 % массы ствола. С ростом дерева шейка корня укрепляет корневую систему, поэтому оставляемый после валки дерева пень тем выше, чем крупнее дерево. Высота пня зависит от породы, условий произрастания, времени проведения работ и применяемой технологии лесозаготовок. На хорошо дренированных лесных почвах пни обычно выше из-за мощного расширения комля.
Между высотой пня, и его диаметром установлены эмпирические зависимости.
Сосновый пень обычно ниже, так как шейка корня из-за слаборазвитых боковых корней расположена ближе к земле, чем у ели.
К физическим свойствам древесины относится внешний вид, влажность, плотность, проницаемость жидкостями и газами, тепловые, электрические , звуковые свойства и т.д.
К механическим свойствам относятся: прочность древесины при сжатии, растяжение при статическом изгибе, деформация древесины при коротковременных нагрузках, ударная вязкость, твёрдость и износостойкость, реологические свойства.
Древесина относится к анизотропным материалам, т.е. обладает различными свойствами и сопротивляемостью в различных направлениях характеризующиеся пределами прочности и моделями упругости.
Древесина имеет сложное клеточное строение на торцовом срезе явно выражены слои. В центре ствола имеется сердцевидная трубка состоящая из первично отмёршей ткани побега, вокруг этой трубки располагается ядро, состоящее из отмёрших клеток. За ядром находится небольшой промежуток – заболонь. Заболонь состоит из клеток неполностью утративших свою жизнеспособность. Вокруг заболони находится камбиальный слой, состоящий из живых клеток. Камбий и заболонь защищены корой.
Физико-механической свойства древесины изучает по трём направлениям:
*вдоль волокон;
*поперёк волокон, в радиальном направлении;
*поперёк волокон, в тангенцальной плоскости.
В соответствии с этими направлениями выделяются плоскости: радиальная плоскость, которая проходит через ось ствола; тангенцальная - перпендикулярна радиусу.
Большое влияние на изменение физико-механических свойств дерева оказывает влага. Существует две формы воды содержащейся в древесине: связанная (в клеточной стенке), свободная (в плоскостях клетки и в межклеточном пространстве).
Связанная вода прочно удерживается физико-механическими связями. Удаление этой влаги затруднено и существенно сказывается на большинстве свойств древесины. Максимальное количество связанной влаги составляет до 30% массы сухой древесины. Свободная вода удерживается силами капиллярного воздействия. Удаляется из древесины меньше и меньше оказывает влияния на свойства древесины. Легко удаляется при резанье древесины и не оказывает большого влияния усилию резания.
Изменение показателей физико-механических свойств с увеличением влажности происходит по определённым законам. Для пересчёта свойств для различной влажности пользуются следующей формулой:
Dw = D15 / 1 + α (W-15),
где Dw - показатель какого-либо свойства при данной влажности;
D15- показатель какого-либо свойства при влажности 15%;
α – поправочный коэффициент;
W - влажность древесины в %.
Значение поправочного коэффициента: α- при сжатии вдоль волокон сосны и берёзы равняется 0,05, ели, дуба и других лиственных -0,4.
При сжатии поперёк волокон для всех пород – 0,035. При растяжении вдоль волокон для лиственных -0,015, для хвойных -0. При растяжении поперёк волокон для всех пород в радиальном направлении 0,01; при тангенцальном - 0,025. При радиальном и тангенцальном скалывании для всех пород 0,03.
Модуль упругости при сжатии и растяжении вдоль волокон для всех пород применяют следующую формулу:
Ew = E15 – α (W-15),
где Ew – модуль упругости при данной влажности;
E15 - модуль упругости при 15% влажности;
W – влажность дресесины в %;
α – поправочный коэффициент при напряжении поперёк волокон 245МПа, вдоль волокон – 1962МПа.
Модуль сдвига (Gw) вычисляют следующим образом Gw = G15 – α (W-15).