Физическими свойствами древесины называются такие, которые определяют без нарушения целостности испытываемого образца и изменения ее химического состава, т.е. выявляют путем осмотра, взвешивания, измерения, высушивания. К физическим свойствам древесины относятся: внешний вид и запах, плотность, влажность и связанные с ней изменения - усушка, разбухание, растрескивание и коробление. К физическим свойствам древесины относится также ее электро-, звуко- и теплопроводность, показатели макроструктуры.

Внешний вид древесины определяется ее цветом, блеском, текстурой и макроструктурой. Цвет. Цвет древесине придают находящейся в ней дубильные, смолистые и красящие вещества, которые находятся в полостях клеток. Древесина пород, произрастающих в различных климатических условиях, имеет различный цвет: от белого (осина, ель, липа) до черного (черное дерево). Древесина пород, произрастающих в жарких и южных районах, имеет более яркую окраску по сравнению с древесиной пород умеренного пояса. В пределах климатического пояса каждой древесной породе присущ свой особый цвет, который может служить дополнительным признаком для ее распознавания. Так, древесина граба имеет светло-серый цвет, дуба и ясеня - бурый, грецкого ореха - коричневый. Под влиянием света и воздуха древесина многих пород теряет свою яркость, приобретая на открытом воздухе сероватую окраску. Древесина ольхи, имеющая в свежесрубленном состоянии светло-розовый цвет, вскоре после рубки темнеет и приобретает желтовато-красную окраску. Древесина дуба, полежавшая долгое время в воде, приобретает темно-коричневый и даже черный цвет (мореный дуб). Меняется окраска древесины и в результате поражения ее различными видами грибов. На окраску древесины оказывает влияние также возраст дерева. У молодых деревьев древесина обычно светлее, чем у более старых. Устойчивым цветом обладает древесина дуба, груши и белой акации, самшита, каштана. Цвет древесины имеет важное значение в производстве мебели, музыкальных инструментов, столярных и художественных изделий. Насыщенный богатством оттенков цвет придает изделиям из древесины красивый внешний вид. Цвет древесины некоторых пород улучшают, подвергая различной обработке, - пропариванию (бук), протравливанию (дуб, каштан) или окрашиванию различными химическими веществами. Цвет древесины и его оттенки характеризуют обычно определениями - красный, белый, розовый, светло-розовый и лишь при особой необходимости по атласу или шкале цветов. Блеск древесины зависит от ее плотности, количества, размеров и расположения сердцевинных лучей. Сердцевинные лучи обладают способностью направленно отражать световые лучи и создают блеск на радиальном разрезе. Блеск - способность направленно отражать световой поток. Наибольшим блеском обладают зеркально гладкие поверхности, отражающие световой поток строго направленно. Блеск древесины зависит от ее плотности, количества, размеров и расположения сердцевинных лучей. Сердцевинные лучи обладают способностью направленно отражать световые лучи и создают блеск на радиальном разрезе. Особым блеском отличается древесина бука, клена, ильма, платана. Радиальные поверхности, где площадь, занятая сердцевинными лучами, наибольшая, также создают блеск (особенно у клена, ильма, бука, дуба, белой акации, платана, красного дерева, атласного дерева, айланта). Древесина бархатного дерева (осина, липа, тополь) имеет шелковистый блеск. Блеск придает древесине красивый вид и может быть усилен полированием, лакированием, вощением или оклеиванием прозрачными пленками из искусственных смол. Текстура - рисунок, который получается на разрезах древесины при перерезании ее волокон, годичных слоев и серцевинных лучей. Она зависит от ее породы и строения. Чем сложнее строение древесины и разнообразнее сочетание отдельных элементов, тем богаче ее текстура. Хвойные породы имеют сравнительно простое строение, и текстура у них довольно однообразная; у лиственных пород текстура значительно богаче. Текстура определяется шириной годичных слоев, разницей в окраске ранней и поздней древесины, наличием сердцевинных лучей, крупных сосудов, неправильным расположением волокон (волнистое или путанное). Красивую текстуру хвойные породы дают на тангенциальном разрезе из-за резкого различия в цвете ранней и поздней древесины. У лиственных пород красивый рисунок на радиальном разрезе создают сердцевинные лучи (бук, ильм, клен, платан, карагач, дуб); на тангенциальном разрезе - грецкий орех, ясень, бархатное дерево, дуб, ильм, каштан. Исключительно красивый рисунок наблюдается в древесине наростов (капов) со свилеватым расположением волокон. Текстура определяет декоративную ценность древесины и имеет значение при изготовлении мебели, различных поделок, при украшении музыкальных инструментов. При использовании прозрачных лаков можно усилить и ярче выявить текстуру древесины.

Для получения красивой текстуры применяют и различные способы обработки древесины; лущение кряжей ножом с волнистым лезвием или под углом к направлению волокон, неравномерное прессование и др. Запах древесины зависит от находящихся в ней смол, эфирных масел, дубильных и других веществ. Характерный запах скипидара имеют хвойные породы - сосна, ель. Дуб имеет запах дубильных веществ, бакаут и палисандр - ванили. Приятно пахнет можжевельник, поэтому его ветви применяют при запаривании бочек. Большое значение имеет запах древесины при изготовлении тары. В свежесрубленном состоянии древесина имеет более сильный запах, чем после высыхания. Ядро пахнет сильнее заболони. По запаху древесины можно определить отдельные породы. Макроструктура. Для характеристики качества древесины иногда достаточно определить следующие показатели макроструктуры: ширину годичных слоев и содержание поздней древесины в годичных слоях.

Ширина годичных слоев определяется числом слоев, приходящихся на 1 см отрезка, отмеренного в радиальном направлении на поперечном срезе. Образцы сечением 20Ч20 мм должны иметь гладко зачищенные торцы. На торце проводят линию перпендикулярно к годичным слоям и подсчитывают число целых слоев N. Длину l участка измеряют в сантиметрах. Число годичных слоев в 1 см вычисляют с точностью до 0,5 слоя по формуле:

n = N/l.

Ширина годичных слоев оказывает влияние на свойства древесины. Для древесины хвойных пород отмечается улучшение свойств, если в 1 см насчитывается не менее 3 и не более 25 слоев. У лиственных кольцесосудистых пород (дуб, ясень) увеличение ширины годичных слоев происходит за счет поздней зоны и поэтому увеличиваются прочность, плотность и твердость. Для древесины лиственных рассеяно-сосудистых пород (березы, бука) нет такой четкой зависимости свойств от ширины годичных слоев. На образцах из древесины хвойных и кольцесосудистых лиственных пород определяют содержание поздней древесины m (в процентах). На тех же образцах измерительной лупой с погрешностью 0,1 мм измеряют ширину поздней зоны д в каждом годичном слое; полученные значения суммируют и подсчитывают процент поздней древесины с погрешностью 1 % по формуле:

m = ?д/l*100,

где ?д - общая ширина поздних зон, см;

l - общее протяжение тех годичных слоев, в которых измерялась ширина поздней зоны, см. Процент поздней древесины является достаточно надежным показателем качества древесины. Чем выше содержание поздней древесины, тем больше ее плотность, а, следовательно, и выше ее механические свойства. При обработке древесины режущими инструментами происходит перерезание полых анатомических элементов (сосудов) и на поверхности древесины образуются неровности. У таких пород, как дуб, ясень, грецкий орех, величина структурных неровностей значительная. Так как древесина указанных пород используется для отделки изделий, то перед полированием необходимо уменьшить величину этих неровностей. Для этого производится специальная операция, которая называется порозаполнением. Влажность древесины. В растущем дереве вода необходима для его жизни и роста, в срубленной древесине наличие воды нежелательно, так как приводит к ряду отрицательных явлений. Влажностью (абсолютной) древесины называется отношение массы воды к массе абсолютно сухой древесины, выраженное в процентах

В древесине различают воду связанную (гигроскопическую) и свободную (капиллярную). Свободная вода заполняет полости клеток и пространства между клетками, а связанная находится в толще клеточных стенок. Свободная вода удерживается механическими связями и удаляется легко; связанная вода удерживается физико-механическими связями, и удаление этой воды требует дополнительных затрат энергии. Связанная вода оказывает значительное влияние на свойства древесины. Общее количество воды в древесине складывается из свободной и связанной. Максимальное количество связанной воды составляет примерно 30 % при температуре 15-20^оС. Предельное количество свободной воды зависит от плотности, т.е. от того, как велик объем пустот в древесине, который может быть заполнен водой.

Состояние древесины, при котором свободная вода отсутствует, а клеточные стенки содержат максимальное количество связанной воды, называется гигроскопичностью или пределом насыщения клеточных стенок. Предел гигроскопичности соответствует максимальной влажности клеточных стенок при увлажнении древесины в насыщенном водой воздухе. Предел насыщения клеточных стенок - максимальная влажность клеточных стенок свежесрубленной древесины или при хранении ее длительное время в воде. При этом в полостях клеток содержится и некоторое количество свободной воды. Таким образом, влажность предела насыщения клеточных стенок составляет 30 % для пород умеренного климата. Влажность предела гигроскопичности при температуре 15-20^оС составляет 30 % и мало зависит от породы древесины. Влажность предела гигроскопичности с повышением температуры снижается и при 100^оС составляет 19-20 % Различают следующие ступени влажности древесины: мокрая - длительное время находившаяся в воде, ее влажность выше 100 %; свежесрубленная - влажность 50-100 %; воздушно-сухая - долгое время хранившаяся на воздухе, влажность 15-20 %; комнатносухая - влажность 8-12 %; абсолютно сухая - влажность древесины около 0 %. Высыхание древесины. При длительном хранении срубленной древесины на воздухе или в помещении происходит испарение воды. При этом вначале удаляется свободная вода, находящаяся в полостях клеток, а затем и связанная. При высыхании древесины испарение воды происходит с поверхности сортамента и вода из более влажных внутренних слоев передвигается к наружным. Таким образом, наблюдается неравномерное распределение воды по толщине материала. Чем больше толщина материала, тем больше неравномерность распределения воды. Скорость высыхания зависит от метеорологических условий, способов укладки и вида сортимента. Теплая, сухая погода ускоряет сушку. Короткие и тонкие пиломатериалы сохнут быстрее длинных и толстых. В промышленности наиболее распространено два способа сушки: атмосферная и камерная. Камерная сушка проводится в специальных помещениях, называемых лесосушильными камерами. В качестве агента сушки используется воздух, нагреваемый в калориферах. В сушильных камерах контролируется состояние воздуха и влажность древесины. Продолжительность камерной сушки значительно меньше, чем атмосферной. При атмосферной сушке в качестве агента используется атмосферный воздух без искусственного его подогрева. Состояние воздуха не регулируется. Перед атмосферной сушкой пиломатериалы должны подвергаться антисептированию во избежание поражения их деревоокрашивающими грибами. Для лучшей циркуляции воздуха применяется разреженная укладка пиломатериалов. Атмосферная сушка считается законченной при достижении 20-22 % влажности. Продолжительность сушки пиломатериалов разной толщины в различных климатических зонах колеблется от 2-3 месяцев до одного-двух сезонов. При атмосферной или камерной сушке древесина приобретает устойчивую влажность. Такое состояние устанавливается, если упругость водяных паров окружающего воздуха будет равна упругости паров воды у поверхности древесины. Состояние воздуха характеризуется определенной температурой и относительной упругостью пара. Каждому сочетанию температуры и относительной упругости пара соответствует определенная устойчивая влажность древесины. Эта влажность не зависит от породы, но зависит от направления процесса. При поглощении (сорбции) воды из воздуха устойчивая влажность древесины меньше, чем при высыхании (десорбции). Разницу между значениями устойчивой влажности при сорбции и десорбции называют гистерезисом сорбции. При этом следует иметь в виду, что при сорбции и десорбции изменяется содержание только связанной воды. Измельченная древесина (стружки, опилки) имеет большую удельную поверхность и ничтожно маленький гистерезис (0,2 %), и ее устойчивую влажность называют равновесной. Для пиломатериалов толщиной более 15 мм и шириной более 100 мм гистерезис составляет 2,5 %. Усушка. Усушкой называется уменьшение линейных размеров и объема древесины при высыхании. Она начинается после полного удаления из древесины свободной влаги и с начала удаления связанной влаги, т.е. когда ее влажность снизится за предел насыщения клеточных стенок. Связанная вода находится в клеточных стенках в промежутках между микрофибриллами. Микрофибриллы в стенках направлены преимущественно вдоль оси клетки и при удалении связанной воды из древесины больше изменяются поперечные размеры клеток и в целом древесины. Продольная усушка, обусловленная небольшим наклоном микрофибрилл, составляет незначительную величину. Усушка в тангенциальном направлении в 1,5-2 раза больше, чем в радиальном. Усушка, которая происходит при удалении всей связанной воды (от 30 до 50 %) называется полной. Полная линейная усушка в тангенциальном направлении в среднем составляет 6-10 %, в радиальном 3-5 %, вдоль волокон 0,1-0,3 %, объемная усушка 12-15 %.

При распиловке сырых бревен на доски предусматривают припуски на усушку с тем, чтобы после высыхания пиломатериалы и заготовки имели заданные размеры. Усушка зависит от плотности древесины: чем больше плотность, тем выше ее усушка. Поздняя древесина годичных слоев усыхает больше, чем ранняя. Внутреннее напряжение в древесине, растрескивание и коробление. Напряжения, возникающие без участия внешних сил, называются внутренними. Первая причина образования напряжений при сушке древесины - неравномерность распределения воды. Вначале испаряется вода с поверхностных слоев древесины. Если в поверхностных слоях влажность снизится за предел насыщения клеточных стенок, то должна произойти их усушка.

Однако из-за сопротивления более влажных внутренних слоев поверхностные слои усохнут не полностью. В результате появятся напряжения, растягивающие в поверхностных зонах и сжимающие во внутренней зоне. Если растягивающие напряжения достигнут предела прочности древесины на растяжение поперек волокон, то могут возникнуть трещины: в начале сушки на поверхности сортимента, а в конце - внутри (так называемые свищи).

Рисунок 1 - Растрескивание древесины и силовые секции: а - наружные трещины в бревне; б - наружные трещины в брусьях; в - внутренние трещины; г - силовые секции.

Внутренние напряжения сохраняются и в высушенном материале и служат причиной изменения размеров и формы деталей при механической обработке древесины. Сохранившиеся после окончания сушки остаточные напряжения можно снять путем дополнительной обработки пиломатериалов (увлажнением поверхности паром или водой). При высыхании или увлажнении древесины происходит изменение формы поперечного сечения доски. Такое изменение формы называется короблением. Коробление может быть поперечным и продольным.

Поперечное коробление выражается в изменении формы сечения брусков и досок. Причиной поперечного коробления является разница в величине усушки по радиальному и тангенциальному направлениям. Сердцевинная доска уменьшает свои размеры к кромкам; доска, у которой внешняя часть ближе к тангенциальному направлению, усыхает больше, чем внутренняя, имеющая радиальное направление. Чем ближе доска расположена к сердцевине, тем больше ее коробление. По длине доски могут изгибаться, приобретая дугообразную форму или принять форму винтовой поверхности - крыловатость. Первый вид продольного коробления встречается у досок, содержащих ядро и заболонь (усушка ядра и заболони по длине волокон несколько различается), а также у древесины с кренью, продольная усушка которой выше, чем у здоровой древесины. Крыловатость наблюдается у пиломатериалов с тангенциальным наклоном волокон. Правильная усадка, сушка и хранение пиломатериалов могут предупредить появление коробления. Влагопоглощение. Влагопоглощением древесины называется ее способность поглощать воду из окружающего воздуха, при этом увеличивается в древесине содержание связанной воды. Влагопоглощение зависит от температуры и относительной упругости пара воздуха.

Поглощение воды из воздуха происходит постепенно, замедляясь до предела гигроскопичности. Влагопоглощение не зависит от породы древесины. Влагопоглощение древесины относится к ее отрицательным свойствам. Для уменьшения влагопоглощения древесину покрывают лаками, красками, проводят термическую обработку, пропитку искусственными смолами и пр. Разбухание. Разбухание - это свойство древесины обратное усушке и подчиняется тем же закономерностям. Разбуханием называется увеличение линейных размеров и объема древесины при повышении содержания связанной воды. Разбухание наблюдается при увеличении влажности до предела гигроскопичности, увеличение свободной воды (заполняющей полости клеток) не вызывает разбухания. Наибольшее разбухание происходит в тангенциальном направлении и наименьшее - вдоль волокон. Так же как и усушка, разбухание является отрицательным свойством древесины. Однако в некоторых случаях оно играет положительную роль: обеспечивает плотность соединений в бочках, лодках, деревянных трубах и судах.

Плотность древесины. Плотность материала характеризуется отношением его массы к объему. Измеряется плотность в килограммах на метр кубический или в граммах на сантиметр кубический. Плотностью древесинного вещества называется отношение массы к объему клеточных стенок. Так как элементный химический состав древесины практически одинаков для разных пород, то и плотность древесинного вещества примерно одинакова для всех пород. Она в среднем равна 1,53 г/см³. Плотность древесины зависит от влажности и для сравнения значения плотности всегда приводят к единой влажности, которая составляет 12 %. Между плотностью и прочность древесины существует тесная связь. Чем больше толщина клеточных стенок, тем больше плотность и, следовательно, прочность древесины.

Пористость древесины определяется объемом внутренних пустот (полостей клеток, межклеточных пространств) и выражается в процентах от объема древесины в абсолютно сухом состоянии. Пористость зависит от плотности древесины: чем больше плотность, тем меньше пористость древесины. Значение пористости колеблется в пределах от 40 до 77 %. Плотность древесины имеет большое практическое значение. Древесину с высокой плотностью (самшит, граб, бук, клен, груша) особенно ценят на производстве за ее прочность и хорошую обрабатываемость. Древесина лиственных кольцесосудистых пород имеет неодинаковую плотность, ранняя часть годичного слоя у нее пористая, поздняя более плотная. Такая древесина труднее поддается лакированию и полированию, но обладает другими ценными свойствами, например, хорошо гнется. Древесина хвойных пород обладает малой плотностью, а рассеяннососудистых лиственных пород - высокой плотностью, поэтому она чисто обрабатывается, хорошо лакируется иполируется.

Тепловые свойства древесины. Теплоемкостью называется способность древесины поглощать тепло при нагреве. Удельная теплоемкость представляет собой количество тепла, необходимое для нагрева 1 кг древесины на 1^оС. Теплоемкость измеряется в джоулях на килограмм • градус Цельсия. Удельная теплоемкость абсолютно сухой древесины при температуре 0^о равна 1,55 кДж/кг • ^оС, с увеличением температуры и влажности теплоемкость возрастает. При влажности 60 % и температуре воздуха 20^оС удельная теплоемкость древесины составит 1,78 кДж/кг • ^оС. Величина теплоемкости имеет значение при сушке, пропаривании, пропаривании древесины. Теплопроводностью называется способность древесины проводить тепло. Для характеристики теплопроводности используют коэффициент теплопроводности. Теплопроводность зависит от влажности, плотности, температуры и направления теплового потока. При увеличении всех этих показателей теплопроводность увеличивается. У древесины теплопроводность невысокая по сравнения с другими материалами, что определило ее широкое применение в жилищном строительстве.

Так, толщина деревянных стен меньше толщины кирпичных. Температуропроводностью называется способность древесины выравнивать температуру при нагреве ил охлаждении. Она характеризуется коэффициентом температуропроводности. Он в большей степени зависит от влажности древесины: чем суше древесина, тем выше ее температуропроводность. Это объясняется тем, что полости клеток заполнены воздухом, температуропроводность которого больше, чем воды. Температуропроводность выше в направлении вдоль волокон, чем поперек волокон. Она имеет значение при сушке, пропитке, пропаривании, так как позволяет определить время, необходимое для прогрева древесины. Расширение древесины.

Расширение древесины при нагревании характеризуется коэффициентом линейного расширения, т.е. изменением единицы длины при нагревании на 1^оС. Коэффициент линейного расширения древесины зависит от направления: поперек волокон расширение в 7-10 раз больше, чем вдоль волокон.

Электрические свойства древесины. Электропроводность - это способность древесины проводить электрический ток. Характеристикой электропроводности является электрическое сопротивление. Электропроводность древесины зависит от породы, направления волокон и ее влажности. Электропроводность древесины имеет значение в случае ее применения для столбов линий электропередач, линий связи, рукояток электроинструментов. Электрическая прочность - способность древесины противостоять пробою, т.е. способность древесины снижать сопротивление при подведении к древесине тока высокого напряжения.

Электрическая прочность древесины невысока и зависит от породы, влажности, температуры и направления волокон. С увеличением температуры и влажности электрическая прочность уменьшается. Для повышения электрической прочности древесины и снижения электропроводности при использовании ее в качестве изолятора древесину пропитывают трансформаторным маслом, парафином, искусственными смолами. Древесина в сухом состоянии не проводит электрический ток, т.е. она является диэлектриком.

Звуковые свойства древесины. Звукопроводность древесины характеризуется скоростью распространения звука. Скорость звука увеличивается с уменьшением плотности древесины и увеличением ее жесткости. К звукоизоляционным свойствам древесины относятся звукопроницаемость и звукопоглощение. При прохождении звука в воздухе возникает звуковое давление. Звукопроницаемость оценивается по разности звуковых давлений перед и за перегородкой из древесины.