Свойства и применение древесины

Свойства и применение древесины

Задание 1

Распространение звука в древесине. Звукоизолирующая и звукопоглощающая способность древесины. Резонансные свойства древесины. Требования к макроструктуре древесины, предназначенной для изготовления резонансных заготовок.

Определить скорость звука в древесине бука С, м/с, если время прохождения звуковой волны через образец длиной 300 мм равно 70 мс (микросекунда).

Распространение звука в древесине. Звук, как известно, представляет собой механические волновые колебания, распространяющиеся в упругих средах. Звукопроводность древесины, т.е. скорость звука в ней при продольных колебаниях, м/с,

С=,

где Е - динамический модуль упругости, Н/м²; р - плотность материала, кг/м³.

В среднем скорость звука в древесине вдоль волокон составляет 5000 м/с. В плоскости поперек волокон скорость звука примерно в 3…4 раза меньше, чем вдоль волокон, причем в радиальном направлении она несколько выше, чем в тангенциальном. С увеличением влажности и температуры древесины скорость распространения звука уменьшается. Скорость звука в других материалах, м/с: в стали - 5050, свинце - 1200, каучуке - 30, воздухе -330.

Важной характеристикой древесины при оценке се способности отражать и проводить звук является акустическое сопротивление, Па×с/м,

R = рС

Этот показатель для древесины камерной сушки вдоль волокон в среднем равен 30 • 10⁵ Па-с/м. Для сравнения укажем, что воздух имеет акустическое сопротивление 429, каучук 3 10\ а сталь - 393 Ю³ Па-с/м.

По мере распространения звуковых волн в материале вследствие потерь энергии на внутреннее трение происходит затухание колебаний.

Для характеристики этого явления используют показатель d - логарифмический декремент колебаний, численно равный натуральному логарифму отношения двух амплитуд, отделенных друг от друга интервалом в один период.

Определение указанного показателя проводят при продольных и изгибных колебаниях по разработанному ЦНИИМОДом ГОСТ 16483.31 - 74. У древесины камерной сушки ргиных пород логарифмический декремент колебаний составляет примерно (2…4) 10⁶ Нп.

Показатели, характеризующие распространение звука в древесине, используются при разработке методов дефектоскопии и неразрушающего контроля качества (прочности, жесткости, структурной неоднородности, шероховатости) древесины и древесных материалов.

Звукоизолирующая и звукопоглощающая способность. Звукоизолирующая способность древесины характеризуется ослаблением интенсивности прошедшего через нее звука. Это свойство может быть оценено по разнице уровней звукового давления в децибелах (дБ)** перед и за перегородкой из древесины, а также по относительному уменьшению силы звука, называемому коэффициентом звукопроницаемости. Так, при толщине 3 см звукоизоляция сосновой древесины составила 12 дБ, коэффициент звукопроницаемости - 0,065; для дубовой древесины при толщине 4,5 см эти показатели соответственно равны 27 дБ и 0,002.

По строительным нормам звукоизоляции стен и перегородки должна быть не ниже 40 дБ. Отсюда видно, что звукоизолирующая способность массивной древесины сравнительно невысока.

Способность древесины поглощать звук вызвана рассеянием звуковой энергии в структурных полостях и необратимыми тепловыми потерями вследствие внутреннего трения. Для оценки этой способности используют коэффициент звукопоглощения, представляющий собой отношение звуковой энергии, теряемой в материале, к энергии плоской падающей волны. Коэффициент звукопоглощения сосновой перегородки толщиной 19 мм в диапазоне частот 100…4000 Гц находится в пределах 0,081…0,110.

Резонансная способность древесины. Древесина широко применяется для изготовления излучателей звука (дек) музыкальных инструментов. Такую древесину называют резонансной. Значительная часть подводимой от струны к деке энергии расходуется на потери внутри материала деки, а также в местах ее закрепления на корпусе инструмента. Лишь 3… 5% общей энергии излучается в воздух в виде звука.

Способность материала обеспечивать излучение звука оценивается по предложенной акад. Н.Н. Андреевым акустической константе, м⁴/(кг×с):

где Е - динамический модуль упругости, Н/м²; р - плотность древесины, кг/м³.

Наибольшая величина акустической константы характерна для древесины ели, а также пихты и кедра; она составляет примерно 12 м⁴/(кг - с). Резонансные заготовки согласно ГОСТ 6900 - 83 должны изготавливаться из мелко- и равнослойной древесины, которая не содержит сучков, крени, наклона волокон и других пороков древесины. Для определения качества резонансной древесины в растущих деревьях используют керны - цилиндрические образцы диаметром примерно 4 мм, высверливаемые в радиальном направлении ствола. Ультразвуковым методом измеряют скорость распространения звука поперек волокон. Обычным способом устанавливают плотность древесины керна. Акустическую константу К вычисляют как отношение скорости звука к плотности, что вытекает из формул (3.29) и (3.31). Как показали исследования А.А. Колесниковой [7], в этом случае показатель К примерно в \ раза меньше стандартного, определяемого для направления вдоль волокон.

Наилучшими резонансными свойствами обладает древесина длительной (50 лет и более) выдержки.

Пороки формы ствола. Их виды и разновидности. Влияние на выход продукции.

Сбежистость. Для всех стволов деревьев характерно постепенное уменьшение диаметра в направлении от комля к вершине (сбег). Если на каждый метр высоты ствола (длины сортимента) диаметр уменьшается белее чем на 1 см, то такое явление считается пороком - сбежистостью. Сбежистостъ измеряют как разность между комлевым и вершинным диаметрами у круглого сортимента (в комлевых бревнах нижний диаметр измеряют на расстоянии 1 м от комлевого торца), а у необрезных пиломатериалов - между шириной комлевого и вершинного конца. Полученную разность относят к общей длине сортимента и выражают в сантиметрах на 1 м или в процентах.

Стволы лиственных пород более сбежисты, чем хвойных. Сильно сбежистые стволы у деревьев, выросших на свободе или в редком древостое. Чем выше бонитет насаждения, тем стволы полнодревеснее, т.е. менее сбежисты. Наименьшая сбежистость характерна для сортиментов, выпиленных из средней части ствола, наибольшая - из вершинной. Сбежистость увеличивает количество отходов при распиловке сортиментов и их лущении и косвенным образом влияет на прочность, так как становится причиной появления в пиломатериалах порока - радиального наклона волокон.

Закомелистость. Это такой случай сбежистости, когда наблюдается резкое увеличение диаметра в нижней части ствола; диаметр круглых лесоматериалов или ширина необрезной пилопродукции у комлевого торца более чем в 1,2 раза превышает диаметр (ширину) сортимента на расстоянии 1 м от этого торца.

Округлой закомелистость называется в том случае, если поперечное сечение комлевой части имеет форму, близкую к окружности (рис. 6.10, а). Ребристая закомелистостъ характеризуется многолопастной формой поперечного сечения. На боковой поверхности сортимента видны продольные углубления (рис. 6.10, б).

Закомелистость измеряют как разность диаметров (для необрезных пиломатериалов - ширин) комлевого торца и сечения на расстоянии 1 м от него. При ребристой закомелистости допускается определять разницу между максимальным и минимальным диаметром комлевого торца.

Овальность. Так называется эллипсовидность формы торца круглых лесоматериалов, при которой наибольший диаметр не менее чем в 1,5 раза превышает меньший. Порок измеряют как разность указанных диаметров. Овальность сопровождает крень или тяговую древесину.

Наросты. Так называют местные утолщения ствола. Они могут быть с гладкой (сувели - рис. 6.11) или бугристой окоренной поверхностью и спящими ночками (капы). Иногда капы можно отличить от сувелей по наличию на них побегов. Наросты образуются в результате неблагоприятного воздействия грибов, бактерий, вирусов, химических агентов, радиации, механических повреждений и т.п. Особенности формирования наростов, обусловленные нарушением ростовых процессов, исследованы в работах В.В. Коровина, J1. Л. Новицкой и др. На продольном разрезе су веля (см. рис. 6.11, а) годичные слои изогнуты и повторяют наружные очертания нароста. Для капов характерно свилеватое строение древесины. У хвойных пород образуются преимущественно сувели, у лиственных - наросты обоих типов. Свилеватость древесины капов и наличие в ней многочисленных следов спящих почек создает очень красивую текстуру на разрезах. Особенно декоративна текстура капов грецкого ореха. Прикорневые капы часто достигают значительных размеров. У ореха и березы они могут весить сотни килограмм, а иногда и больше тонны. На стволах карельской березы часто образуются шаровидные утолщения с характерной текстурой (см. рис. 3.1, в). Древесина сувелей имеет большую усушку вдоль волокон (от 0,5 до 1,0%), низкий модуль упругости и малую прочность при сжатии вдоль волокон. Древесина капов более плотная и твердая, чем нормальная стволовая древесина, и имеет менее выраженную анизотропию. Наросты измеряют по длине и ширине. Они затрудняют использование круглых лесоматериалов и осложняют их переработку, однако древесина капов высоко ценится как материал для художественных поделок и сырье для облицовочного строганого шпона.

Кривизна. Искривление ствола по длине встречается у всех древесных пород. Вследствие потерн верхушечного побега и замены сто боковой ветвью, из-за наклона дерева в сторону лучшего освещения, при pocтe на горных склонах и по другим причинам ствол дерева может оказаться искривленным. Различают простую и сложную кривизну, характеризующуюся соответственно одним или несколькими изгибами сортимента.

Простую кривизну измеряют как величину стрелы прогиба сортимента в месте его искривления (в процентах от протяженности искривленного участка сортимента). При раскряжевке длинного сортимента на короткие кривизна их оказывается меньше примерно во столько раз, на сколько равных частей был разрезан длинный сортимент. Сложную кривизну характеризуют величиной наибольшего искривления, измеряемого так же, как в случае простой кривизны.

Пороки формы ствола увеличивают количество отходов при распиловке и лущении круглых сортиментов и являются причиной появления радиального наклона волокон в пиломатериалах и шпоне.

Технические свойства и промышленное применение древесины лещины, секвойи и бальзы.

Лещина - безъядровая рассеяннопоровая порода. Годовые слои слабо заметны. Сосуды мелкие. Сердцевинные лучи узкие и ложно-широкие; последние видны на поперечном разрезе как белые, иногда изогнутые, радиальные линии.

Древесина белого цвета, довольно легкая, мягкая, хорошо гнется (предел прочности при сжатии - при 12% влажности - около 500 кг/см², статическом изгибе - 860 кг/см²).

Главная область применения - изготовление деревянных обручей; корни иногда образуют наплывы с древесиной красивой текстуры, которая идет на мелкие, художественные и бытовые изделия. Уголь из лещины употребляется для изготовления охотничьего пороха, а также в качестве рисовальных углей. Плоды съедобны.

Секвойя - хвойная ядровая порода с узкой белой заболонью. Ядро светлокрасного до красновато-коричневого цвета.

Строение древесины обоих видов примерно одинаково. Годовые слои хорошо видны благодаря более темной и плотной поздней древесине. Ранняя древесина рыхлая, мягкая. Смоляных ходов не имеет, но содержит многочисленные смоляные клетки, собранные в вертикальные ряды. Сердцевинные лучи однорядные, состоят исключительно из паренхимных клеток.

Основным элементом древесины бальзы являются паренхимные клетки, расположенные правильными рядами (на поперечном разрезе они пяти- или шестиугольные). Сосуды с довольно толстыми стенками, овальной формы; членики сосудов короткие, перфорации простые. Сердцевинные лучи многорядные (три - шесть клеток по ширине). Клетки древесной паренхимы и сердцевинных лучей содержат кристаллы минеральных солей (кремния).

Древесина бальзы мягкая, пористая (пористость до 95%), чрезвычайно легкая (легче пробки), отличается большой гигроскопичностью.

Физико-механические свойства древесины бальзы (в воздушно-сухом состоянии) таковы: объемный вес в среднем 0, 11 - 0, 12 г./см³, при колебаниях от 0, 05 до 0, 38 (самая легкая древесина), в большинстве случаев не превышает 0, 13 г./см³; предел прочности при сжатии вдоль волокон, по некоторым исследованиям, - 54 кг/см² при объемном весе 0, 144-73 кг/см²; предел прочности при статическом изгибе140 кг/см², сопротивление ударному изгибу - 0, 085 кг/см².

У себя на родине древесина бальзы применяется местным населением для постройки лодок и плотов. Во время империалистической войны 1914-1918 гг. была использована для изготовления спасательных кругов, минных поплавков, применялась в холодильном деле и т.п., а в период Великой Отечественной войны применялась в самолетостроении (деревянные английские самолеты «Москито»).

древесина резонансный лещина бальза

Задание 2

Лыжные заготовки (породы, размеры, требования к качеству и к распиловке).

Заготовка из березы сечением 22*91 мм и длиной 2 м имеет следующие пороки: а) сучок здоровый сросшийся на пласти, диаметром 10 мм; б) синева на пласти в виде полосы длиной 1 м и шириной 20 мм; в) поперечная покоробленность со стрелой 1 мм. Определить объем, сорт по каждому пороку и окончательный сорт заготовки. Показать ее маркировку.

. Сырье для лесохимических производств (древесное сырье для специального углежжения).

К этой группе относятся товары, получаемые механическим путем из ствола, корней, кроны и специально предназначенные для использования в качестве сырья лесохимических производств. Сюда входят: корье лиственницы, ели, ивы и древесное сырье из дуба, каштана (для выработки дубильных экстрактов); пневый и стволовый осмол сосны; древесное сырье хвойных и лиственных пород для пиролиза и углежжения (ГОСТ 24260 - 80), а также сырье для угля специального назначения (ГОСТ 8440 - 74); древесная зелень, живица и соки, добываемые из живых деревьев.