Содержание:
В истории России существует занятный эпизод, связанный с сосной. В первой половине XVIII века на Васильевском острове у реки Нева произрастал густой сосновый лес.
Петр Великий пристально изучил особенную сосну, у которой боковое ответвление загнулось и внедрилось в основную часть ствола. Император приказал спилить это необычное дерево – так оно стало первым экспонатом, который появился в открытой им собственноручно Кунсткамере, музее редкостей и чудес.
Цвет является одним из наиболее значимых атрибутов древесины, который обуславливается тремя ключевыми параметрами: тоном, насыщенностью и яркостью материала.
Тон определяет длину волны в чистом спектре цветов. Для ядровой древесины данная величина соответствует 581,1 нанометрам, в то время как для заболони - 579,0 нм. Чистота цвета ядровой древесины достигает 51,6 %, в свою очередь, заболонная часть - 47,0 %.
Яркость, или коэффициент отражения, древесины ядровой части составляет 49,0 %, а для заболони - 68,6 %. У сосны заболонь может становиться желтой после контакта с речной водой. Видна привлекательная текстура сосновой древесины, формируемая посредством разрезания анатомических частиц. Рисунок становится более выразительным благодаря разнице в окраске ранней и поздней древесины, а также за счет заболони и ядра. Ультрафиолетовое облучение вызывает свечение, или люминесценцию, у ряда элементов. Данная характеристика именуется интенсивностью свечения (коэффициентом яркости) и равна 17 % для древесины сосны.
Макроскопическая структура сосны.
Сосна является видом с четким контрастом между ранней и поздней частями годовых колец дерева. Ранние годовые кольца обладают светлым цветом и меньшей плотностью, в отличие от темной и плотной поздней части. Это послужило основанием для классификации сосны как породы с низкой однородной плотностью. Количество годовых колец в сантиметре у сосен, растущих на севере Европы, может колебаться от 4 до 11,8, что зависит от состава почвы и уровня влажности.
Древесина с большим количеством годовых колец в сантиметре будет обладать большей плотностью, а также более высокими показателями прочности по сравнению с более рыхлой древесиной с меньшим количеством колец. Среди сосен, произрастающих на севере Европы, деревьев с поздней древесиной составляет 26%. Для сравнения: в Западной Сибири эти значения составляют 6,9% и 29% соответственно, а в Восточной Сибири - 11,2% и 27%. У сосны, растущей в Ленинградской области, среднегодовая влажность заболони 112%, а влажность ядра 33%.
У свежесрубленной сосны влажность коры 120%.
Древесина сосны демонстрирует явление анизотропии, то есть различия в свойствах в зависимости от направления. В частности, при высыхании, сосновая древесина сужается гораздо сильнее в тангенциальном направлении, где ее усадка в 1,5-2 раза превышает радиальную усадку. Данное свойство проявляется неодинаково в разных зонах древесины: усадка в тангенциальном направлении у поздней зоны заболони составляет 9,2 %, а у ранней зоны - 5,5 %.
В том же тангенциальном направлении усадка поздней зоны заболони превышает 8,5 %. Значения коэффициентов усадки и разбухания для древесины сосны следующие: для объемного изменения - 0,44 и 0,51 % соответственно; для радиального направления - 0,17 и 0,18 %; для тангенциального направления - 0,28 и 0,31 %.
Сосна, как источник древесины, обладает свойством поглощать и удерживать влагу. В структуре древесины сосны, наряду с адсорбцией воды в микроскопических капиллярах клеток, наблюдается также процесс конденсации паров воды.
Сорбционная активность сосновой древесины характеризуется различной степенью проявления в зависимости от состава: высокой у гемитерпенных веществ (гемицеллюлоз), более низкой - у целлюлозы, и еще менее выраженной - у лигнина.
В условиях максимального насыщения водой, сосновая древесина может содержать до 185% воды от своей первоначальной массы.
Средняя плотность древесины в состоянии полного высушивания для заболони сосны составляет 540 килограммов на кубический метр, в то время как для ядровой древесины этот показатель достигает 620 килограммов на кубический метр.
При влажности на уровне 12 %, средняя плотность древесного материала сосны соответствует 505 килограммам на кубический метр. В условиях полного отсутствия влажности, средний показатель плотности древесины составляет 480 килограммов на кубический метр. Базисная плотность сосновой древесины установлена на уровне 415 килограммов на кубический метр.
Сосна является представителем древесных пород с относительно небольшой плотностью.
К аналогичным породам в этой категории можно отнести лиственницу, тис, березу повислую и другие, чья плотность колеблется от 550 до 740 кг на кубический метр. В противоположность этому, представители высокоплотных пород (с показателями свыше 750 кг/м3) - это акация белая, дуб каштанолистный, фисташка и самшит. При этом проницаемость дерева для газов увеличивается при движении в радиальном из, превышая аналогичный показатель в тангенциальном направлении в 2-5.
Важно отметить, что воздухопроницаемость ядра сосны значительно ниже, чем у заболони, иногда бывает в 10-15 раз меньше.
Тепловые и акустические свойства древесины сосны
Теплопроводность сосновой древесины в тангенциальном направлении составляет 0,53 Вт/(м•°С), что является фактом. В то время как в радиальном направлении данный параметр немного ниже. При воздействии тепла древесина претерпевает увеличение размеров. Из-за анизотропных свойств данного материала, тенденция к расширению различается в зависимости от ориентации.
Наименьшая степень линейного расширения происходит вдоль волокон (α' ) – 4,2 · 10^-6 1/°С. Средний коэффициент линейного расширения в радиальном направлении (α'r) равен 15,0 · 10^-6 1/°С. В тангенциальном направлении достигается наибольший коэффициент линейного расширения (α't) – 29,0 · 10^-6 1/°С.
Электропроводность высушенной сосновой деревянины характеризуется весьма низким значением. В состоянии абсолютной сухости, объемное электрическое сопротивление у нее достигает 2,3 умножить на 10 в степени 15 Ом на сантиметр при измерении поперек зерна, и 1,8 умножить на 10 в степени 15 Ом на сантиметр - вдоль направления волокон.
Акустическое сопротивление, определяющее способность материала отражать и передавать звуковые волны, для сосны в комнатно-сухом состоянии сопоставимо с показателем 2,8 × 10^3 Па∙с/м.
В качестве контраста: лиственница демонстрирует значение 3,3 × 10^3 Па∙с/м, в то время как для воздуха этот параметр равен 429 Па∙с/м, и для стали достигает 395 × 10^5 Па∙с/м. При просчёте скорости звуковых волн в продольном направлении через комнатно-сухую сосну, получаем результат 5360 м/с. Значения коэффициента поглощения звука для сосновой панели мерной толщины 19 мм находятся в диапазоне от 0,081 до 0,110 на частотах в пределах 100-4000 Гц.
Механические свойства древесины сосны
Таблица: Ключевые характеристики механических свойств древесины сибирской елиМаксимальное сопротивление сжатию древесины сосны по длине волокон составляет 46 мегапаскалей при влажности 12%, что считается стандартным показателем, и уменьшается до 21 мегапаскаля при влажности 30% и выше.
В этом контексте стоит отметить, что прочность лиственницы на сжатие составляет 62% и 25%, а у тополей этот показатель равен 40% и 17% соответственно при аналогичных условиях влажности.
Порода деревьев, к которой принадлежит сосна, характеризуется наличием мягкой древесины.
Доказано, что твердость поздней древесины (показатель 105,4 МПа) значительно превосходит твердость ее ранних форм (20,6 МПа). Интересно отметить, что ударная твердость древесины сосны при содержании влаги в 12% равна 0,72 Дж/см, а при повышении уровня влажности до 30% и более - снижается до значения 0,55 Дж/см.
Устойчивость к износу древесины сосны, или ее способность противостоять постепенному повреждению в результате взаимодействия с абразивными частицами или более твердыми поверхностями, различается в зависимости от направления воздействия и соответственно составляет: 0,12 мм для поперечного направления, 0,31 мм для радиального и 0,28 мм для тангенциального.
Способность древесины сохранять крепежные элементы тесно связана с ее плотностью.
В частности, для извлечения гвоздя или винта из древесины граба, характеризующейся плотностью 730 кг/м³, необходимо приложить усилие приблизительно в четыре раза превышающее то, которое требуется для извлечения аналогичных крепежных деталей из древесины сосны с плотностью 440 кг/м³.
Дерево сосны характеризуется низкой гибкостью, плохо сжимается и изгибается. Его сопротивление разламыванию является умеренным при стандартной влажности (12 %) — измеренное для радиального и тангенциального направлений составляет примерно 11,5 и 11,3 Н/мм соответственно.
Однако при увеличении влажности до 30 % и более, показатели сопротивления уменьшаются до значений, составляющих около 7,2 и 7,1 Н/мм для радиальной и тангенциальной плоскостей соответственно.
Характеристики древесины сосны различаются в комлевой и верхушечной зонах. Например, ее плотность снижается от основания к верхушке и увеличивается от центра к периферии, как для ядровой, так и для заболонной части дерева.
Ширина годичных слоев тесно коррелирует с физико-механическими качествами древесины. Показатель плотности колец в одном сантиметре (число колец может варьироваться от 3 до 25 в зависимости от условий роста) прямо влияет на прочность древесины.
Значительные свойства сосновой древесины, благодаря которым этот материал способен образовывать изделия и структуры высокого уровня прочности и твердости при сравнительно низком весе, находят широкое применение в различных сферах.
Сюда относятся автомобильная промышленность, аэрокосмическое машиностроение и судостроение, строительные проекты, а также изготовление некоторых видов музыкальных инструментов, где данный материал играет ключевую роль.
Сосновая древесина чаще всего используется для производства деревянных изделий, при этом ключевым фактором для достижения высокого качества таких изделий является правильное высушивание.
Более быстрый темп сушки приводит к увеличению внутреннего напряжения в материале. В результате атмосферной сушки сосновых деревянных изделий, поверхностные зоны демонстрируют сжимающие напряжения до 0,5 МПа, в то время как внутренние зоны испытывают напряжения растяжения до 0,2 МПа.
Однако после проведения камерной сушки наблюдается более значительное напряжение: поверхностные зоны имеют возможность достигать 4,4 МПа, а внутренние зоны - 1,7 МПа, что может оказать влияние на качество и свойства получаемых деревянных изделий.
Кладезь
В промышленных процессах для получения определенных веществ используются продукты, продуцируемые экскреторными и секреторными механизмами сосновых деревьев.
Для доступа к этим продуктам на стволах деревьев проводят подсочку, в результате которой повреждаются микроскопические анатомические образования: проходы и полости, содержащие упомянутые продукты. Под влиянием внутреннего давления они вытекают на поверхность ствола, где их собирают в виде жидкости или твердого вещества.
Результаты подсочки можно классифицировать на две категории: соединения терпеноидной природы и углеводные вещества. Углеводные продукты, такие как полисахаридные камеди и сладкие соки, применяются в пищевой промышленности. Наибольшую ценность представляют терпеноидные выделения, среди которых латексы с содержанием каучука, гуттаперча, смолы, эфирные масла, спирты, альдегиды, кетоны и прочие соединения.
При переработке смолы на канифольно-терпентинных предприятиях выпускают основные категории продукции: скипидар и канифоль. Скипидар служит растворителем в процессах создания масляных и живописных красок, лаков, восков, мастик, а также имеет медицинское применение.
При разделении скипидара на фракции производят камфору, терпингидрат, ароматические компоненты для парфюмерии, сырье для синтеза полиэфирных волокон, включая лавсан и терелен. Канифоль используется в качестве добавки к резине для улучшения ее эластичности и морозостойкости, в синтезе каучука, производстве гербицидов и флотационных агентов. В дополнение к этому, она служит основой для кожзаменителей, эмульгаторов, пластических масс, изоляционных материалов для проводов, автомобильных шин, лаков и красок.
Сосновые почки, хвоя и живица применяются в лечебных целях благодаря обладанию широкому спектру целебных качеств.
В частности, они демонстрируют противомикробную активность. Результатом переработки скипидара и канифоли являются креолин, разнообразные лекарственные мази, а также витамины группы А и Е.
А именно, сосновые почки, представляющие собой молодые побеги на ранних стадиях роста, богаты смолой, витамином С, эфирным маслом, дубильными веществами и минеральными солями.
Их собирают в период с октября до мая. Экстракт из сосновых почек оказывает отхаркивающий, мочегонный и дезинфицирующий эффект. Его используют для проведения ингаляций и полосканий при воспалении верхних дыхательных путей. Весной из свежей хвои сосны готовят витаминный отвар, который также включают в состав ванн для лечения нервных расстройств и заболеваний, связанных с сердечно-сосудистой системой.
Антон Кузнецов является преподавателем Санкт-Петербургского государственного лесотехнического университета.
С вами была Татьяна Андреева