Материаловедение для столяров и плотников
Основы древесиноведения
1. Строение дерева и древесины
§ 3. Микроскопическое строение древесины
Исследование древесины под микроскопом показывает, что она состоит из мельчайших частичек — клеток, преимущественно (до 98%) мертвых. Растительная клетка имеет тончайшую прозрачную оболочку, внутри которой находится протопласт, состоящий из цитоплазмы и ядра.
Клеточная оболочка у молодых растительных клеток представляет собой прозрачную, эластичную и весьма тонкую (до 0,001 мм) пленку. Она состоит из органического вещества — клетчатки, или целлюлозы.
По мере развития, в зависимости от функций, которые призвана выполнять та или иная клетка, размеры, состав и строение ее оболочки существенно изменяются. Наиболее частым видом изменения клеточных оболочек является их одревеснение и опробкование.
Одревеснение клеточной оболочки происходит при жизни клеток в результате образования в них особого органического вещества — лигнина. Одревесневшие клетки или совсем прекращают рост, или увеличивают размеры в значительно меньшей степени, чем клетки с целлюлозными оболочками.
Целлюлоза в клеточной оболочке представлена в виде волоконец, которые называются микрофибриллами. Промежутки между микрофибриллами заполнены в основном лигнином, гемицеллюлозами и связанной влагой.
В процессе роста клеточные оболочки утолщаются, при этом остаются неутолщенные места, называемые порами. Поры служат для Проведения воды с растворенными питательными веществами из одной клетки в другую.
Виды клеток древесины. Клетки, составляющие древесину, разнообразны по форме и величине. Различают два основных вида клеток: клетки, имеющие длину волокон 0,5—3 мм, диаметр 0,01—0,05 мм, с заостренными концами — прозенхимные и клетки меньших размеров, имеющие вид многогранной призмы с примерно одинаковыми размерами сторон (0,01—0,1 мм), — паренхимные.
Паренхимные клетки служат для отложения запасных питательных веществ. Органические питательные вещества в виде крахмала, жиров и других веществ накапливаются и хранятся в этих клетках до весны, а весной они направляются в крону дерева для образования листьев. Ряды паренхимных клеток расположены у дерева по радиусу и входят в состав сердцевинных лучей. Количество их в общем объеме древесины незначительно: у хвойных пород 1—2%, у лиственных — 2—15% .
Основная масса древесины всех пород состоит из клеток прозенхимных, которые в зависимости от выполняемых ими жизненных функций разделяются на проводящие и опорные или механические. Проводящие клетки у растущего дерева служат для проведения из почвы в крону воды с растворами минеральных веществ; опорные создают механическую прочность дрересины.
Ткани древесины. Клетки одинакового строения, выполняющие одни и те же функции, образуют ткани древесины.
В соответствии с назначением и видом клеток, из которых состоят ткани, различают: запасающие, проводящие, механические (опорные) и покровные ткани.
Запасающие ткани (рис. 7, а,б) состоят из коротких запасающих клеток и служат для накопления и хранения питательных веществ. Запасающие ткани находятся в стволе и корнях.
Проводящие ткани состоят из вытянутых тонкостенных клеток (рис. 7, в) (сосудов, трубок), через которые влага, впитанная корнями, проходит к листьям.
а -— волокно из коротких запасающих клеток, б — запасающие клетки, в — членик сосуда, г — к четка механической ткани, д — тонкостенная трахеида, е — толстостенная трахеида.
Длина сосудов в среднем около 100 мм; у некоторых пород, например у дуба, сосуды достигают 2—3 м длины. Диаметр сосудов колеблется от сотых долей миллиметра (у мелкососудистых пород) до 0,5 мм (у крупнососудистых).
Механические ткани (опорные) находятся в стволе (рис. 7, г). Эти ткани придают устойчивость растущему дереву. Чем больше этой ткани, тем древесина плотнее, тверже, прочнее. Механические ткани называют либриформом.
Покровные ткани находятся в коре и выполняют защитную роль.
Строение древесины хвойных пород. Древесина хвойных пород отличается сравнительной простотой и правильностью строения. Основную ее массу (90—95%) составляют расположенные радиальными рядами вытянутые клетки с кососрезанными концами, называемые трахеидами. В стенках трахеид имеются поры, через которые они сообщаются с соседними клетками.» В пределах годичного слоя различают ранние и поздние трахеиды. Ранние трахеиды (рис. 7, д) образуются весной и в начале лета, имеют тонкие оболочки с порами, широкие полости и служат для проведения воды с растворенными минеральными веществами. У ранних трахеид размер в радиальном направлении больше, чем в тангентальном. Концы ранних трахеид имеют закругленную форму.
Поздние трахеиды образуются в конце лета, имеют узкие полости и толстые клеточные оболочки, поэтому выполняют механическую функцию, придавая древесине прочность. Размер по радиальному направлению меньше, чем по тангентальному.
Количество пор на стенках ранних трахеид примерно в 3 раза больше, чем на стенках поздних трахеид. Трахеиды являются мертвыми клетками. В стволе растущего дерева только вновь образующийся годичный слой содержит живые трахеиды.
Сердцевинные лучи у хвойных пород узкие, слабо заметные или вовсе не заметные простым глазом. Они состоят преимущественно из паренхимных клеток.
Смоляные ходы — особенность строения древесины хвойных пород. Они представляют собой клетки, вырабатывающие и хранящие смолу. У одних пород имеются только разобщенные между собой смоляные клетки (пихта, тис, можжевельник), у других пород смоляные клетки связаны в систему и образуют смоляные ходы (сосна, ель, лиственница, кедр). Различают горизонтальные и вертикальные смоляные ходы, которые в совокупности составляют единую систему сообщающихся каналов.
Горизонтальные смоляные ходы проходят по сердцевинным лучам и хорошо видны на тангентальном разрезе ствола.
Микроскопическое строение древесины хвойных пород приведено на рис. 8, а.
а — хвойных пород (сосна), б — лиственных пород (дуб), ГС — годовой слой, ПТ — поздние трахеиды BCX — вертикальный смоляной ход, CЛ — сердцевинный луч, PT — ранние трахеиды, КС — крупные сосуды в ранней зоне, MC — мелкие сосуды в поздней зоне, ЛT — лучевые (горизонтальные) трахеиды, ОП — окаймленная пора, C — сосуды, ШСЛ — широкий сердцевинный луч, УCЛ — узкий сердцевинный луч, Л—либриформ
Древесная паренхима у хвойных пород распространена мало и представляет собой вытянутые по длине ствола единичные паренхимные клетки или клетки, соединенные в длинные ряды, идущие вдоль оси ствола. Древесной паренхимы нет у тиса и сосны.
Строение древесины лиственных пород. По сравнению с хвойными породами лиственные имеют более сложное строение (рис. 8, б. Основной объем древесины лиственных пород составляют сосуды и сосудистые трахеиды, волокна либриформа, паренхимные клетки.
Сосуды — это система клеток, служащих в растущем дереве для проведения воды с растворенными в ней минеральными веществами из корней к листьям. Вода из сосудов проходит к соседним живым клеткам через поры, имеющиеся в боковых стенках сосудов.
Волокна либриформа (см. риб. 8, б) являются наиболее распространенными клетками древесины лиственных пород и составляют их главную массу (до 76%). Остальной объем древесины составляют клетки древесной паренхимы. Эти клетки могут быть собраны в вертикальные ряды, называемые тяжами древесной паренхимы. Волокна либриформа представляют собой длинные клетки с заостренными концами, с толстыми оболочками и узкими полостями. Стенки волокон либриформа всегда одревесневшие, имеют узкие каналы — щелевидные поры. Длина волокон либриформа находится в пределах 0,3—2 мм, а толщина — 0,02—0,005 мм.
Волокна либриформа — наиболее прочные элементы древесины лиственных пород, выполняют механические функции.
Размеры и количественное соотношение различных клеток, составляющих древесину, даже у одной и той же породы могут изменяться в зависимости от возраста, условий роста дерева.
Паренхимные клетки, выполняющие запасные функции, в древесине лиственных пород прежде всего образуют сердцевинные лучи.
Сердцевинные лучи у лиственных пород развиты сильнее, чем у хвойных. По ширине сердцевинные лучи могут быть узкие однорядные, состоящие из одного ряда вытянутых по радиусу клеток, и широкие многорядные, состоящие по ширине из нескольких рядов клеток. По высоте сердцевинные лучи состоят из нескольких десятков рядов клеток (до 100 и более у дуба, бука). На тангентальном разрезе однорядные лучи представлены в виде вертикальной цепочки клеток; многорядные лучи имеют форму чечевицы.
Лиственные породы сбрасывают на зиму листья и нуждаются в большом количестве запасных питательных веществ, необходимых для образования новых листьев весной следующего года, поэтому в древесине лиственных пород содержится больше клеток древесной паренхимы.
Влияние строения древесины на ее физико-механические свойства. Тонкое строение клеточной оболочки оказывает существенное влияние на свойства древесины. Уменьшение количества связанной влаги ведет к уменьшению расстояний между микрофибриллами, что увеличивает сиды сцепления между ними и содержание твердой древесной массы в единице объема. Все это приводит к улучшению механических свойств древесины. Наоборот, при увеличении количества связанной влаги микрофибриллы раздвигаются, что снижает механические свойства древесины.
Микрофибриллы расположены преимущественно вдоль длинной оси клетки. Это обусловливает большую механическую прочность древесины именно вдоль волокон.
Размеры отдельных анатомических элементов также оказывают влияние на физико-механические свойства древесины. Поскольку поздние трахеиды имеют большую толщину стенок, увеличение содержания поздней зоны в годичных слоях приводит к повышению плотности, твердости и механической прочности. Точно так же у лиственных пород увеличение содержания волокон либриформа, особенно с толстыми стенками, приводит к увеличению механических свойств.
Особенности микроскопического строения древесины лиственных и хвойных пород обусловливают различие их свойств. Волокна у древесины хвойных пород прямолинейны. Поэтому у хвойных пород более высокие показатели прочности при одинаковой плотности. Древесина лиственных пород имеет некоторую извилистость волокон, вследствие чего у нее более высокие показатели ударной вязкости и более высокая прочность при скалывании вдоль волокон. Древесина лиственных кольцесосудистых пород лучше гнется, так как в ранней древесине расположены сосуды, которые дают возможность древесине уплотняться без разрушения.
