Анизотропность древесины

Анизотропность древесины — это свойство древесины, заключающееся в неодинаковости её физико-механических характеристик в зависимости от направления относительно волокон (ствола дерева). Данное свойство обусловлено особенностями анатомического строения древесины, в первую очередь — ориентацией клеток (трахеид, волокон либриформа, сосудов) и распределением лигнина и целлюлозы в клеточных стенках. Анизотропность является фундаментальной характеристикой, определяющей поведение древесины под нагрузкой, при изменении влажности и температуры, а также при обработке.

Причины анизотропности

Анизотропность древесины возникает из-за её волокнистой, трубчатой структуры, сформированной в процессе роста дерева. Основные факторы:

• Ориентация клеток: Древесина состоит из вытянутых, преимущественно вертикально ориентированных клеток (волокон). Вдоль волокон (в тангентальном и радиальном направлениях) целлюлозные микрофибриллы также имеют преимущественную ориентацию, что создаёт высокую прочность на растяжение в этом направлении.
• Распределение лигнина: Лигнин, склеивающий клетки, распределён неравномерно. Его концентрация выше в срединных пластинках (межклеточном веществе), что влияет на прочность при сжатии и сдвиге поперёк волокон.
• Годичные кольца: Различие в плотности и механических свойствах ранней и поздней древесины в пределах годичного кольца (поздняя древесина плотнее и прочнее) создаёт анизотропию в радиальном и тангентальном направлениях.
• Наличие сердцевинных лучей: Радиально ориентированные лучи, состоящие из паренхимных клеток, ослабляют древесину в тангентальном направлении и способствуют её растрескиванию при усушке.

Основные направления анизотропии

В древесине принято выделять три главных анатомических направления, по которым свойства различаются наиболее существенно:

1. Вдоль волокон (осевое, продольное): Направление, параллельное стволу дерева и основным волокнам. В этом направлении древесина обладает наибольшей прочностью на растяжение и сжатие, а также минимальной усушкой и разбуханием.
2. Радиальное (поперёк волокон, от центра к периферии): Направление, перпендикулярное оси ствола и проходящее через сердцевину к коре. Свойства в этом направлении занимают промежуточное положение между продольным и тангентальным.
3. Тангентальное (касательное, поперёк волокон, по касательной к годичным кольцам): Направление, перпендикулярное оси ствола и касательное к годичным кольцам. В этом направлении древесина обычно имеет наименьшую прочность на растяжение и сжатие, а также наибольшую усушку и разбухание.

Проявление анизотропности в различных свойствах

Механические свойства

Анизотропность наиболее ярко проявляется в механических характеристиках:

• Прочность на сжатие: Вдоль волокон прочность на сжатие в 5–10 раз выше, чем поперёк волокон. Например, для сосны обыкновенной предел прочности на сжатие вдоль волокон составляет около 40–50 МПа, а поперёк — 5–10 МПа.
• Прочность на растяжение: Вдоль волокон древесина выдерживает значительные нагрузки (до 100–150 МПа для некоторых пород), тогда как поперёк волокон прочность на растяжение в 10–30 раз ниже.
• Прочность на изгиб: При изгибе древесина работает на растяжение и сжатие одновременно. Наибольшую прочность она проявляет при нагрузке, перпендикулярной волокнам (в радиальной или тангентальной плоскости). При изгибе вдоль волокон прочность значительно ниже.
• Модуль упругости: Модуль упругости (жёсткость) вдоль волокон в 10–20 раз выше, чем поперёк.
• Твёрдость: Твёрдость древесины на торцевой поверхности (вдоль волокон) обычно выше, чем на боковых (радиальной и тангентальной) поверхностях.

Физические свойства

• Усушка и разбухание: Это одно из наиболее практически важных проявлений анизотропности. Усушка (уменьшение размеров при высыхании) и разбухание (увеличение при увлажнении) происходят неравномерно:
• Вдоль волокон усушка минимальна (0,1–0,3%).
• В радиальном направлении усушка составляет 3–6%.
• В тангентальном направлении усушка наибольшая (6–12%), что в 1,5–2 раза больше, чем в радиальном. Эта разница является причиной коробления и растрескивания древесины при сушке.
• Теплопроводность: Теплопроводность вдоль волокон примерно в 1,5–2 раза выше, чем поперёк. Это объясняется тем, что тепло быстрее передаётся по целлюлозным волокнам, чем через воздушные полости между ними.
• Электропроводность: Электропроводность вдоль волокон также выше, чем поперёк, особенно у влажной древесины.
• Звукопроводность: Скорость распространения звука вдоль волокон (4–5 км/с) значительно выше, чем поперёк (1–2 км/с). Это свойство используется для оценки качества древесины акустическими методами.

Влияние анизотропности на обработку и применение

Анизотропность древесины является ключевым фактором, который необходимо учитывать при её обработке и использовании:

• Сушка: Из-за неравномерной усушки в радиальном и тангентальном направлениях требуется соблюдение специальных режимов сушки, чтобы избежать коробления и трещин. Пиломатериалы с разной ориентацией годичных колец (радиальный, тангентальный, полурадиальный распил) ведут себя по-разному.
• Распиловка и строгание: Сопротивление резанию зависит от направления волокон. Строгание вдоль волокон даёт гладкую поверхность, поперёк — шероховатую. При пилении поперёк волокон требуется большее усилие.
• Соединения: При проектировании деревянных конструкций (балки, стойки, фермы) необходимо учитывать, что древесина значительно прочнее вдоль волокон. Поэтому основные нагрузки должны передаваться вдоль волокон, а соединения (врубки, нагели, болты) должны быть рассчитаны на работу поперёк волокон, где прочность ниже.
• Изготовление изделий: При производстве мебели, музыкальных инструментов, лыж, рукояток инструментов и других изделий анизотропность используется для достижения необходимых свойств. Например, для обеспечения прочности и упругости лыж их изготавливают из древесины с волокнами, ориентированными вдоль нагрузки.
• Клееные конструкции: Для снижения влияния анизотропности и повышения стабильности размеров применяют клеёную древесину (фанеру, клеёный брус, LVL-брус). В фанере слои шпона склеиваются с взаимно перпендикулярной ориентацией волокон, что компенсирует неравномерную усушку и повышает прочность в разных направлениях.

Сравнительная таблица анизотропности свойств древесины (на примере сосны)

Интересные факты

• Анизотропность древесины является причиной того, что деревянные бруски, высушенные в неправильном режиме, могут скручиваться (винтообразное коробление) из-за различной усушки в тангентальном и радиальном направлениях.
• В кораблестроении и авиастроении (на заре авиации) анизотропность древесины учитывалась при проектировании шпангоутов и лонжеронов, чтобы максимально использовать прочность вдоль волокон.
• Свойство анизотропности используется в музыкальных инструментах: деке скрипки или гитары придаётся определённая ориентация годичных колец для обеспечения наилучшего звучания.

Источники

1. Уголев Б. Н. Древесиноведение с основами лесного товароведения. — М.: МГУЛ, 2001.
2. Перелыгин Л. М. Древесиноведение. — М.: Лесная промышленность, 1969.
3. Боровиков А. М., Уголев Б. Н. Справочник по древесине. — М.: Лесная промышленность, 1989.
4. ГОСТ 16483.0-89. Древесина. Общие требования к методам испытаний.