Влияние микроскопического строения древесины на физико-механические свойства очень велико. Особенно велико значение фибриллярного строения клеточной оболочки, определяющего ее физико-механические свойства. Усушка и разбухание, с одной стороны, влияние влажности на прочность древесины, с другой — объясняются тем, что связанная влага, внедряясь между фибриллами, раздвигает их, вызывая разбухание (или усушку при высыхании древесины). Увеличение межфибриллярных промежутков уменьшает количество твердой древесной массы в единице объема, в то же время уменьшаются и силы сцепления между фибриллами. Все это вызывает снижение механических свойств при увеличении связанной влаги или их повышение при удалении связанной влаги в случае высыхания древесины. Ориентация фибрилл, т. е. расположение их в определенном порядке и направлении в клеточной оболочке, оказывает сильное влияние на ее механические свойства, которые повышаются с увеличением степени ориентации. Степень наклона фибрилл к оси древесных волокон обусловливает величину усушки вдоль волокон, прочность при сжатии и растяжении; это особенно ясно обнаруживается в креневой древесине (см. ниже).
Ориентировка длинных осей фибрилл по длине волокон и волокнистое строение древесины обусловливают ее анизотропность, т. е. резкие различия в свойствах по разным направлениям (вдоль и поперек волокон). На прочность древесины несомненное влияние оказывают размеры отдельных анатомических элементов, в первую очередь — механических; чем этих элементов больше и чем толще их стенки, тем выше прочность древесины. В табл. 52 приведены данные для древесины сосны и лиственницы, иллюстрирующие сказанное. Как видно, увеличение толщины стенок поздних трахеид на 38% для сосны и на 20% для лиственницы сопровождается увеличением плотности соответственно на 18 и 20% и прочности при сжатии на 83 и 70%. Различия свойств древесины разных пород прежде всего зависят от особенностей строения древесины; здесь особенно характерны различия в строении между хвойными и лиственными породами.
Так, большая правильность строения древесины хвойных (прямоволокнистость) обусловливает более высокую прочность и упругость по сравнению с древесиной лиственных пород при одной и той же плотности. В то же время благодаря некоторой извилистости волокон древесина лиственных пород обладает большей ударной вязкостью и повышенной прочностью при скалывании вдоль волокон. Из практики известно, что лучше гнется древесина кольцесосудистых лиственных пород. Это явление стоит в несомненной связи с наличием в ранней зоне кольца крупных сосудов, которое позволяет древесине уплотняться при загибе без разрушения.
Влияние макроскопического строения больше всего сказывается на содержании поздней древесины. Так как эта древесина состоит главным образом из механических элементов, вследствие чего ее физико-механические свойства в 2—3 раза выше, чем ранней древесины (см. табл. 4), естественно, что, чем более развита поздняя зона годичных слоев, тем выше должны быть и физико- механические свойства древесины в целом. Действительно, все исследования в этой области показали, что с повышением процента поздней древесины качество древесины в целом улучшается, причем эта зависимость выражается уравнением прямой линии. Так, для древесины сосны и древесины дуба зависимость между плотностью p15 и процентом поздней древесины т выражается следующими уравнениями:
Таблица 52. Зависимость прочности древесины от размеров анатомических элементов.
Порода | Толщина тангенциальных стенок трахеид 10-3,мм | Длина трахеид, мм | Поздняя древесина, % | Плотность, г/см3 | Предел прочности при сжатии, кГ/см2 | |
ранних | поздних | |||||
Сосна | 2,1 | 5,7 | 3,23 | 25,0 | 0,463 | 443 |
2,0 | 4,2 | 3,17 | 25,4 | 0,393 | 242 | |
Лиственница | — | 8,5 | — | 24,4 | 0,656 | 636 |
— | 7,1 | — | 22,2 | 0,462 | 376 |
Средняя ширина годичных слоев (или число их в 1 см) также оказывает влияние на физико-механические свойства древесины. Для каждой породы существует свой минимум и максимум годичных слоев в 1 см, ниже и выше которого физико-механические свойства снижаются.
Другими словами, для каждой породы существует оптимальная, изменяющаяся в определенных пределах ширина годичных слоев, при которой качество древесины получается, наиболее высоким. Так, для высококачественной древесины сосны и пихты кавказской требуется, чтобы число годичных слоев в 1 см было не меньше 3 и не больше 25, для древесины ели (обыкновенной и аянской) — не меньше 3 и не больше 20, а для древесины лиственницы сибирской — не меньше 3 и не больше 30.
В древесине кольцесосудистых лиственных пород (дуба, ясеня) ширина годичных слоев увеличивается за счет большего развития поздней древесины: отсюда ясно, что физико-механические свойства древесины этих пород должны возрастать с увеличением средней ширины годичных слоев. Действительно, зависимость между плотностью p15 и числом п годичных слоев в 1 см у древесины дуба выразилась уравнением прямой линии:
На основании этого для высококачественной древесины дуба требуется, чтобы число годичных слоев в 1 см было не больше 12, ясеня обыкновенного — не больше 9, ясеня маньчжурского — не больше 10. Для древесины рассеяннососудистых пород соответствующей зависимости пока не установлено. Имеющиеся экспериментальные данные намечают лишь тенденцию к снижению физико-механических свойств у древесины березы и к их повышению у древесины бука с увеличением средней ширины годичного слоя. Так, для высококачественной древесины бука требуется, чтобы число годичных слоев в 1 см было не больше 15.