Механические свойства древесины

Механические свойства древесины более важны, так как от них зависят прочность и долговечность сооружений и изделий из дерева.

Механическая прочность древесины – это ее возможность противостоять различным статическим и динамическим нагрузкам. По направлению действия нагрузок различают прочность на сжатие, изгиб, скалывание (сдвиг), растяжение (рис. 4). При этом предел прочности древесины на сжатие и растяжение при направлении нагрузки вдоль волокон значительно выше, нежели при направлении нагрузки поперек волокон. Механическая прочность древесины зависит от ее физических свойств: увеличение влажности снижает прочность, а плотная древесина более прочна, чем легкая и рыхлая.

Рис. 4. Испытание прочности древесины: а – направление нагрузки: 1 – вдоль волокон; 2 – поперек волокон радиально; 3 – поперек волокон тангентально.

Пластичность– способность деревянной детали изменять форму под воздействием нагрузки и сохранять эту форму после снятия приложенной нагрузки. Это свойство имеет значение при изготовлении гнутых деталей: важно знать, что с увеличением влажности и температуры древесины ее пластичность увеличивается; поэтому детали, которые нужно выгнуть, обрабатывают горячей водой или паром. Высокой пластичностью (по убывающей) обладает древесина бука, вяза, дуба, ясеня. Хвойные породы древесины пластичностью, достаточной для сгибания деталей, не обладают вследствие прямолинейной структуры волокон.

Твердость древесины обусловлена ее способностью сопротивляться внедрению инородных тел. По этому признаку древесину разделяют на твердую – бук, дуб, клен, ясень, вяз, лиственница (самые твердые – самшит и акация) и мягкую – липа, ель, сосна, ольха.

Твердость определяет еще одно механическое свойство древесины – ее износостойкость, способность противостоять трению. Здесь имеется прямая взаимосвязь: чем тверже древесина, тем выше показатель ее износостойкости.

Древесные породы

Разнообразие пород деревьев огромно, и каждая из них имеет свою неповторимую специфику, которую необходимо знать и обязательно учитывать при работе с древесиной.

Поэтому прежде, чем начать рассказ о приемах работы с древесиной, стоит дать характеристику его различным породам, а также строению и основным свойствам самой древесины.

В зависимости от задуманного изделия используют ту или иную породу древесины. Прежде всего необходимо определить, принадлежит выбранный брусок к хвойным породам или лиственным.

Хвойные породы

Хвойные породы обладают резким смолянистым запахом из-за смоляных ходов в древесине. Но есть исключения: у ели и тиса нет смоляных ходов.

Что касается текстуры древесины хвойных пород, то она сильноволокнистая, что одновременно является и ее недостатком, и достоинством. Это свойство создает дополнительные трудности при резьбе поперек волокон. Поэтому хвойные породы деревьев крайне редко используют при резьбе по дереву.

Макроструктура таких пород дерева лучше выделена, чем у лиственных, поэтому древесину этих пород используют в строительных работах, а также для изготовления мебели и других столярных изделий.

К хвойным породам древесины относят сосну, лиственницу, пихту, ель, кедр.

Сосна

Сосна наиболее часто используется как строительный материал. Окраска древесины сосны может быть как красновато-желтой, так и бледно-желтой, причем это не сказывается на рабочих свойствах древесины. В густых северных лесах сосновые бревна отличаются прямизной и прямослойностью. Лучшими являются сосны, растущие на возвышенных сухих местах, хуже – растущие в заболоченных местах, так как древесина у них бледная, а годичные наслоения широкие и рыхлые.

Сама древесина прочная, легкая, она удобна в обработке. Сосну строгать вдоль очень легко, поперек – трудно и неровно, но пилить удобно и клей держится хорошо.

В северных российских лесах сосновые бревна довольно длинны, прямы и прямослойны, что в сочетании с отличной колкостью делает их незаменимыми в строительных работах. Самыми лучшими является древесина лутичных и буровых сосен – тех деревьев, что высятся на песчаных сухих холмах.

Их годичные кольца густы и сжаты, а осенняя часть наслоений отличается внушительной толщиной. А вот рудовые, или, как их еще называют, мендовые сосны, которые растут в заболоченной местности, по своим рабочим качествам весьма уступают своим собратьям из более сухих районов. Древесина таких сосен очень бледна, а годичные наслоения широки и рыхлы.

Пахнет свежеспиленная сосна не хвоей, как ель, а смолой, ядро у нее на спиле темного цвета, а внешняя часть ствола светлая. Текстура древесины около сучков имеет большую свилеватость, что позволяет такую выразительность использовать для декоративных целей.

Большим достоинством сосны является то, что при большой своей крепости она очень легка, слабо подвержена гниению, что позволяет использовать ее при строительстве подводных сооружений.

Структура древесины позволяет легко впитывать различные красители и лаки. При усушке древесина сосны практически не коробится.

Недостаток этой породы состоит в том, что она недостаточно хорошо отделывается и окрашивается. Несмотря на это, именно сосну чаще всего используют в изготовлении дешевой мебели, в фанерном производстве, а также в строительстве подводных сооружений.

Ель

Ель – вторая по значимости и использованию хвойная порода. Внешне ель похожа на сосну, но ее древесина гораздо легче и мягче, ее годичные наслоения бледнее.

В древесине ели смолы немного меньше, что сказывается на плохой устойчивости ее к воздействию атмосферных явлений, легко поддается гниению.

Недостатком является и высокая сучковатость ели, из-за чего она плохо обрабатывается. Однако эта древесина имеет и свои преимущества: однородность строения, белый цвет и малую смолистость. Она мало коробится, легко колется, пилится, строгается.

Ель способна хорошо удерживать металлические крепления. Из ели изготавливают второстепенные детали или облицовывают ее декоративными синтетическими материалами или более ценными породами дерева.

Кедр

Это весьма ценное и дорогое дерево. У него отличающаяся большой мягкостью, колкостью и неподверженностью червоточине розовато-бурая древесина. Наслоения чуть заметны.

Обладает несильным приятным запахом. Иногда кедр называют карандашным деревом, потому что в прошлом он служил идеальным материалом для изготовления карандашей и ручек.

Существует несколько разновидностей кедра.

Кедр сибирский обладает древесиной беловатого цвета, с сильным запахом, выделяемым смолистыми веществами, которыми он пропитан. Практически не поддается червоточине и короблению, по строительным качествам не уступает ели, а по стойкости к гниению превосходит ель. Несмотря на то что древесина кедра мягкая, она обладает большой плотностью и прочностью, к тому же хорошо поддается обработке.

Кедр бермудский нередко выдают за красное дерево из-за сходства их по цвету, хотя на солнце он может выцветать. Эта разновидность намного легче и ароматнее красного дерева, не подвержен короблению.

Кедр ливанский произрастает в Малой Азии. Он имеет очень дряблую, рыхлую древесину, источает ароматный дурманящий запах, позволяющий защищаться от червей и насекомых.

В Северной Америке растет белый кедр. Древесина у него обладает стойкостью к червоточине, не коробится.

Пихта

Пихта по своим рабочим качествам мало чем отличается от ели: легко поддается обработке и практически не воспринимает химических препаратов. Так же как и в древесине ели, в ней мало смолы, из-за чего древесина быстро загнивает на открытом воздухе без специальной обработки.

Лиственница

Это один из незаменимых сортов древесины для строительных и столярных работ. Большое количество живицы, содержащееся в древесине лиственницы, делает ее прочной – она даже прочнее, чем дуб.

По текстуре лиственницу легко спутать с сосной. Лиственница так же, как и сосна, имеет более темное по цвету ядро. Но она менее свилевата, чем сосна, и имеет ярко выраженную полосатую текстуру. Древесина лиственницы очень смоляниста, она вся как бы пропитана смолой, что дает, во-первых, очень контрастную текстуру, в которой чередуются светлые и темные смоляные полосы, а во-вторых, такая повышенная смолянистость улучшает ее устойчивость к воздействию влаги и, соответственно, гниению. Она почти не коробится и не поддается червоточине. Это ценное свойство лиственницы используют при резьбе по дереву. Из этой древесины целесообразно изготавливать поделки, которые будут, например, экспонироваться на открытом воздухе, где влажность достаточно высока и нередки осадки, или для производства садовой мебели.

Лиственные породы

Лиственные породы древесины делятся на твердолиственные и мягколиственные. Древесина таких пород практически не пахнет, запах усиливается только при свежем срезе древесины и ее обработке. Древесина лиственных пород не имеет смоляных ходов. Вместо них она снабжена сокопроводящими сосудами, объединенными в сокопроводящую систему дерева. По этому признаку лиственные породы подразделяются на крупнососудистые и мелкососудистые.

Чтобы отличить древесину крупнососудистой породы от мелкососудистой, необходимо внимательно посмотреть на хорошо зачищенный торец древесной заготовки. Если при этом на торце без особого труда различимы невооруженным глазом сокопроводящие сосуды, то можно не сомневаться – это крупнососудистая порода древесины.

Крупнососудистые породы подразделяются на кольцесосудистые и рассеяннососудистые. К кольцесосудистым относятся такие деревья, как дуб, ясень, каштан съедобный, вяз, ильм, бархатное дерево и другие. К рассеянно-сосудистым породам лиственных деревьев относятся грецкий орех и хурма.

Мелкососудистые породы составляют подавляющее большинство лиственных пород деревьев – таких, как береза, ольха, осина, ива, тополь, клен, рябина: ясень, яблоня и другие.

Среди лиственных пород встречаются деревья с очень твердой древесиной: дуб, бук, граб, орех, клен, груша и другие. В южных областях России растут такие твердые и кольцесосудистые породы, как тис, самшит, белая акация, мандарин, лимон и т. д.

Среди твердолиственных пород наиболее часто используют дуб, березу и ясень. Наиболее часто встречающиеся среди мягколиственных пород – осина и ольха.

Красное или черное дерево – это достаточно дорогостоящая, малодоступная привозная древесина. Среди привозных пород древесины широко известен палисандр (палисандровое дерево), которое так же как и красное имеет красновато-бурый цвет древесины и относится к рассеянно-сосудистым породам.

Встречаются и менее известные привозные породы – такие, как азобе и бакаут. Обе эти породы относятся к рассеянно-сосудистым. Азобе имеет твердую и тяжелую древесину темно-вишневого цвета, а бакаут окрашен в заболони в желтовато-белый цвет, плавно переходящий к ядру в зеленовато-черный.

Практически все лиственные породы можно использовать для резьбы по дереву.

Дуб

Дуб характеризуется высокой прочностью и стойкостью к загниванию, поэтому не случайно он стал в народе символом несокрушимой крепости.

Его древесина имеет красивую темно– или светло-коричневую окраску и текстуру с сильно выраженными годичными наслоениями и свилеватостью, что дает изысканный рисунок.

У молодых деревьев древесина тверда, гибка и отличается серовато-коричневым цветом, у старых – более хрупкая, желтого цвета.

Знатоки выделяют немало разновидностей дуба, например так называемые зимний и весенний дубы. Зимними называют растущие на юге: их желуди висят непосредственно на ветвях, листья хоть и желтеют осенью, но опадают лишь зимой и даже весной, когда начинают появляться молодые. У весенних дубов желуди висят на длинных черешках.

Древесина зимнего дуба ценнее, у весеннего похуже – много сучков, цвет с серым оттенком. Из зимнего дуба делают мебель, украшенную резьбой.

Несомненное достоинство древесины дуба состоит в том, что она мало подвержена растрескиванию и короблению. Из этой породы изготавливают мебель, предметы декоративного искусства, паркет.

В состав древесины дуба входит большое количество дубильных веществ, которые лучше всякого антисептика защищают от воздействия различных микробов и микроорганизмов, что позволяет применять ее во всех ответственных конструкциях в условиях повышенной влажности. Особо прочную древесину получают, если дубовые бревна выдерживают в проточной воде в течение 1–1,5 лет (при этом коричневый цвет изменяется до черного) и сушат методом естественной воздушной сушки. Единственный недостаток – древесина дуба достаточно дорога. Такая древесина мореного дуба используется для изготовления очень дорогих предметов мебели.

Дубовая мебель считается самой красивой и прочной; кроме того, плотная древесина позволяет украсить детали рельефной резьбой. Из прочной и твердой древесины делают мелкие крепежные, очень прочные соединения. Дуб – одна из немногих пород древесины, из которой делают гнутые детали различного радиуса. Из-за высокого содержания в древесине дубильных веществ дуб считается самой устойчивой к гниению лиственной породой.

Лучше в работе проявляет себя древесина столетних дубов (80–150 лет) из густых смешанных лесов (чернолесья).

Дуб – идеальный материал для мебельного производства, однако начинающему мастеру следует учесть, что его древесину очень трудно обрабатывать, особенно строгать, пилить и долбить.

Красный бук

Это дерево относится к твердолиственным породам. По своим качествам практически не уступает дубу. Красновато-бурый, с обилием крупных и более темных блесток, цвет этой древесины к старости переходит почти в коричневый.

Бук хорошо поддается обработке, гнется и пропитывается различными химическими растворами. Это качество способствует долговечности лакового и красящего покрытия. Бук применяют для имитации розового и красного дерева, грецкого ореха. Его древесина идет на изготовление гнутой мебели, шпона, используется при производстве столярного инструмента.

Но из-за того, что бук сильно коробится при высыхании, подвержен загниванию с образованием червоточин, он мало используется при изготовлении мебели. Поэтому готовые буковые поделки пропаривают или обкуривают, чтобы уберечь их от червей. Чтобы древесина бука не коробилась, его срубают в конце лета, а через год распиливают на доски, которые затем погружают в воду на несколько месяцев. В распаренном виде бук принимает самые причудливые формы, долго сохраняя их после высушивания. Именно бук был рабочим сырьем для создания всемирно известной венской мебели.

Ясень

По внешнему виду древесину ясеня иногда путают с дубом. Эта схожесть проявляется прежде всего в текстуре древесины. Но по своим физическим свойствам – прочности и твердости – он несколько уступает дубу.

Ясень – эластичная, тяжелая, плотная древесина, долговечная, стойкая к загниванию, с красивой текстурой желтоватого цвета со светлыми и темными полосами; обладает хорошей сопротивляемостью различным нагрузкам, особенно нагрузкам изгиба.

Чаще всего используется для изготовления деталей, которые в процессе эксплуатации контактируют с руками человека: ручек, рукояток, лестничных перил, при изготовлении мебели, шпона и паркета. Такое широкое применение ясеня обусловлено прежде всего качествами его древесины: прочная, вязкая, при усушке мало коробится и хорошо гнется при распаривании.

У ясеня встречаются наросты бурого или коричневого цвета, реже бывают белые и рыжие. Все это усиливает его декоративно-художественные достоинства, поэтому его древесина является прекрасным поделочным материалом.

Береза

Это дерево, символизирующее Россию. В качестве строительного материала чаще всего применяется в северной и отчасти в средней полосе России.

Береза используется немного реже, чем ясень. Древесина березы обладает средней плотностью и твердостью, прочностью и достаточной вязкостью.

Она имеет неярко выраженную текстуру и отличается однородностью строения. Недостатками этой породы являются подверженность растрескиванию и короблению, сильная усушка, небольшая стойкость к загниванию, частое поражение червоточиной.

Вместе с тем березовая древесина хорошо поддается обработке инструментом, склеивается, легко полируется и окрашивается, дает возможность делать мелкую рельефную резьбу.

Используя соответствующие красители, березе можно придать вид грецкого ореха, серого клена или красного дерева. Из березовых наплывов вырезают декоративный шпон – тонкие листы для облицовки мебели.

Наиболее качественную древесину деревья дают в возрасте 40–50 лет, у более старых берез это качество похуже.

Вяз, берест, ильм

Эти деревья представляют одну породу – широколистный вяз. Его древесина, изначально светлая, со временем темнеет. У старых деревьев древесина в сплошных мелких жилках и черточках.

Основные качества этой породы – плотность, прочность, гибкость и малопористость. При усушке древесина практически не коробится и не трескается. Кроме того, после распаривания древесина может изогнуться по желанию, поэтому из него делали в старину ободья колес, рукояти молотков, ступени. Но из-за своей плотной и мелкопористой структуры древесина плохо поддается полировке, плохо строгается и окрашивается.

Гораздо тверже вяза ильм. У него сероватая, с красивыми продолговатыми пятнышками древесина.

Самым мягким, вязким и более бурым по сравнению с вязом и ильмом является берест. Он очень гибок, долго сохраняет приданную ему при выгибании форму. У него занозистая поверхность в месте раскола, зато очень ценны наплывы.

Грецкий орех

Грецкий орех относится к тем немногим породам, которые характеризуются многообразием декоративной текстуры и богатой цветовой и тональной гаммой. Хорошо обрабатывается, поддается полировке и пропитке химическими веществами.

Тяжелая и прочная древесина ореха не поддается короблению и гниению, поэтому находит разнообразное применение в виде массива и шпона: для различной резьбы, в мозаике, высоко ценится при облицовочных работах.

Осина

Древесина осины имеет тонкую структуру волокна и светлый цвет, иногда переходящий в зеленоватый. Осина хорошо лущится, не колется от удара и не коробится, не боится влаги и насекомых – вредителей древесины.

Осина обладает мягкой древесиной, в которой мало сучков; хорошо поддается обработке, но из-за ее пористой структуры мелкие детали могут сломаться прямо во время работы, поэтому изготовленные из нее детали мебели обычно облицовывают синтетическими покрытиями или более дорогими породами древесины.

Осину широко применяют для резьбы из-за ее мягкости, она хорошо режется во всех направлениях.

Тополь

Тополь относится к мягколиственным породам. Из такой древесины получаются красивые небольшие детали и изделия, поэтому ее употребляют в качестве поделочного материала для резьбы. Древесина тополя очень напоминает древесину липы и не очень пригодна для столярной работы.

Тополь склонен к загниванию, при усыхании коробится и трескается. Хуже всего древесина у черного тополя. Чуть лучше серебристый тополь, чья серебристо-белая древесина довольно упруга и может использоваться для изготовления мебели и более грубых столярных поделок. Совсем непригоден для работы итальянский (пирамидальный) тополь, имеющий губчатую древесину. Более пригоден сорт осокорь, поскольку его древесина мало коробится.

Ольха

Близка по своим деловым и художественным качествам к древесине осины, довольно тяжелая и упругая, с едва различимыми наслоениями. Плотная по строению древесина, грязно-оранжевого или грязно-розового цвета, который со временем светлеет, особенно после парового просушивания. Продолговатые пятна желтого, бурого цвета являются признаком загнивания. Интересно, что при сырости ольха прочна и стойка, но в сухой атмосфере она гниет и червоточит, поэтому ее часто используют при строительстве срубов колодцев.

Ольха дает незначительное коробление при сушке и хорошо обрабатывается, свободно режется в любом направлении, что делает ее удобной для художественной резьбы по дереву.

Наибольшее применение ольха находит при строительстве домов и при изготовлении дешевой мебели. Она широко используется при строительстве кладовых, потому что не пахнет и не впитывает запах.