Строение древесины: Методические указания к выполнению лабораторной работы

Министерство образования и науки Российской Федерации Санкт-Петербургский государственный архитектурно-строительный университет Строительный факультет Кафедра строительных материалов и технологий

СТРОЕНИЕ ДРЕВЕСИНЫ Методические указания к выполнению лабораторной работы для студентов всех специальностей и форм обучения

Санкт-Петербург 2010 1

УДК 691.11:674.038.7(076.5) Рецензент канд. техн. наук, доцент П. Б. Кукса

Строение древесины: метод. указ. к выполнению лабораторной работы для студентов всех специальностей и форм обучения / сост.: Н. А. Елистратов, В. В. Нестеренко, М. В. Мокрова, Н. М. Платонова; СПб. гос. архит.-строит. ун-т. – СПб., 2010. – 19 с. Дано описание строения древесины различных пород. Изложена методика изучения строения древесных пород под микроскопом; приводится метод расчета прочности древесины при сжатии, основанный на зависимости механических свойств древесины от ее строения. Ил. 13. Библиогр.: 5 назв.

Введение Дерево, используя воду, минеральные и химические вещества, преобразуя энергию солнца, в процессе фотосинтеза вырабатывает широкий круг органических соединений, из которых строит древесину, зеленую массу, плоды и обогащает атмосферу кислородом, необходимым живому миру. Как всякий живой организм, дерево состоит из отдельных клеток и сосудов, разнообразных по форме, величине и расположению. Физические, механические и другие свойства древесины обусловлены особенностями ее состава и строения. Древесина – это волокнистый, анизотропный материал, свойства которого зависят от направления волокон. В связи с этим строение древесины изучается на разрезах, сделанных в нескольких направлениях. В зависимости от строения древесные породы делятся на хвойные и лиственные (кольце- и рассеяннососудистые). Строение древесины изучается на макро- и микроуровнях. Макроструктура видна невооруженным глазом или при небольшом увеличении (например, через лупу). Для изучения микроструктуры используются различные микроскопы, обеспечивающие многократное увеличение. 1. СОДЕРЖАНИЕ РАБОТЫ

” Санкт-Петербургский государственный архитектурно-строительный университет, 2010

2

Работа рассчитана на 2 часа и включает изучение под микроскопом строения древесины одной хвойной, и двух лиственных пород (кольцеи рассеяннососудистой). Студент изучает строение каждой породы на трех разрезах – поперечном, радиальном и тангентальном (см. рис. 11) и делает зарисовки в журнале лабораторных работ. На рисунках приводятся обозначения элементов микроструктуры. В конце работы студенту выдается контрольный образец для определения породы и направления среза.

3

2. СТРОЕНИЕ ДРЕВЕСНЫХ ПОРОД 2.1. Хвойные породы К хвойным породам относятся: ель, лиственница, сосна, кедр, пихта и др. Древесина хвойных пород отличается от древесины лиственных более простым и правильным строением. Она состоит (рис. 1) из трахеид, сердцевинных лучей, паренхимных клеток и смоляных ходов (не всегда). 8 5

П оп ер еч ны

й

3

1 2

4

9

Та нг ен та

Ра ди ал ьн ый 7

ль ны й

4

6 Рис. 1. Схема микроскопического строения древесины сосны (по В. Е. Вихрову): 1 – годовой слой; 2 – ранняя зона; 3 – поздняя зона; 4 – ранние трахеиды; 5 – поздние трахеиды; 6 – окаймленные поры; 7 – сердцевинные лучи; 8 – вертикальный смоляной ход; 9 – горизонтальный смоляной ход 4

Годовой слой – это слой, соответствующий одному году жизни дерева. В пределах годового слоя различают ранние (рис. 2) и поздние (рис. 3) трахеиды, которые составляют основную массу (90…95 % общего объема) древесины хвойных пород. Трахеиды (от греч. tracheia – дыхательное горло и eidoc – вид) имеют форму сильно вытянутых волокон с кососрезанными концами. Они являются мертвыми клетками и только в стволе растущего дерева вновь образующийся (последний) годовой слой содержит живые трахеиды. Отмирание трахеид начинается еще весной, постепенно увеличивается к осени, а к середине зимы все трахеиды последнего годового слоя отмирают. В зависимости от характера утолщений стенок ранних и поздних 1 трахеид различают спиральные, ле2 стничные, сетчатые, точечно-пористые и промежуточные типы трахеид. 3 В пределах одного годового слоя переход от ранних трахеид к поздним постепенный. Ранние трахеиды (см. рис. 2) образуются весной и в начале лета. Они служат для проведения воды с растворенными минеральными веществами. Характерными их особенностями являются большие Рис. 2. Ранняя трахеида внутренние полости и тонкие (радиальный разрез): стенки, снабженные многочисленны- 1 – крупные окаймленные поры; ми окаймленными порами. На годо2 – мелкие окаймленные поры; вом слое они наиболее светлые, рых- 3 – простые поры в месте контакта с сердцевинными лучами лые и слабые, образуют раннюю древесину. Поздние трахеиды (см. рис. 3) образуются в конце лета. Стенки их сильно утолщены, внутренние полости малы, поры мелкие, малочисленные, со слабым окаймлением. Выполняют механическую функцию, придавая древесине прочность. На годовом слое они наиболее темные, плотные и крепкие, образуют позднюю древесину.

5

Простые и окаймленные поры в стенках трахеид и сосудов служат для обеспечения подъема воды с растворенными в ней питательными веществами из одной трахеиды в другую (у лиственных пород – из сосуда в сосуд) в пределах одного годового слоя. Простая пора представляет собой прямой цилиндрический или овальный канал. Окаймленная пора – это двусторонний клапан, имеющий вид двузубых вилок, обращенных друг к другу своими остриями и соединенных тонкой пленкой (мембраной) с утолщением (торусом) Рис. 3. Поздняя трахеида в центре. При отклонении мембраны в ту (радиальный разрез) или другую сторону торус закрывает или открывает отверстие поры, по которой проходит вода. Однако из-за большого количества окаймленных пор (на одной ранней трахеиде находится в среднем 70 пор, на одной поздней – 17) стенки трахеид ослаблены и около них, как правило, начинается разрушение элементов древесины при испытании на сжатие и изгиб. Паренхимные (от греч. parenohyma – равноналитое) клетки – это одна из разновидностей живых растительных клеток, в которых откладываются запасные питательные материалы (крахмал, масла и др.). По внешнему виду – это четырехгранные призмы, все три измерения которых примерно одинаковы: стенки обычно тонкие, состоящие из целлюлозы и лигнина. У хвойных пород паренхимные клетки занимают около 1 % древесины по объему; у лиственных пород – от 2 до 15 %. Причем у кольцесосудистых пород их больше, чем у рассеяннососудистых. Паренхимные клетки образуют две системы – горизонтальную (сердцевинные лучи) и вертикальную (древесную паренхиму). Сердцевинные лучи состоят из одного или нескольких рядов паренхимных клеток, расположены между трахеидами и служат в растущем дереве, в период вегетации, для передачи питательных веществ и воды по горизонтальным направлениям; в период покоя в них хранятся питательные вещества.

На поперечном разрезе они имеют вид узкой, вытянутой полоски, состоящей обычно из одного ряда клеток. На радиальном разрезе они выглядят как широкие ленты, состоящие из нескольких рядов клеток, на тангентальном разрезе – как веретенообразные полоски, состоящие по высоте из нескольких, а по ширине – из одного ряда клеток (если в них не залегает смоляной ход). Смоляные ходы являются характерной особенностью строения древесины хвойных пород и представляют собой клетки, вырабатывающие и хранящие смолу. Различают вертикальные и горизонтальные (прохо5 дят по сердцевинным лу3 чам и хорошо видны на 1 тангентальном разрезе) 4 2 смоляные ходы. Причем у 6 сосны, ели, лиственницы и кедра смоляные ходы составляют единую систему сообщающихся каналов, Рис. 4. Вертикальный смоляной ход сосны, а у можжевельника, пихты заполненный смолой на поперечном разрезе: и тисса они разобщены. 1 – внутренний слой (эпителий), в котором клетСмоляные ходы име- ки выделяют смолу; 2 – кольцо мертвых клеток, ют вид канала, окружен- заполненных воздухом; 3 – наружный слой, ного тремя слоями парен- состоящий из живых клеток; 4 – канал хода; химных клеток (рис. 4). 5 – трахеиды; 6 – сердцевинный луч

6

7

2.2. Лиственные породы В зависимости от структуры выделяют лиственные породы: x кольцесосудистые (рис. 5) – дуб, вяз, ясень, тополь, карагач; x рассеяннососудистые (рис. 8) – береза, липа, осина, бук, клен, ольха и др. Древесина этих пород имеет более сложное строение. Причиной этого является сильное развитие сосудов, которые смещают соседние клетки, вследствие чего нарушается правильность и однородность строения. В состав древесины лиственных пород входят сердцевинные лучи, сосуды, трахеиды (не всегда), волокна либриформа и паренхимные клетки.

Характерной особенностью лиственных кольцесосудистых пород является наличие крупных и мелких сосудов. Крупные сосуды расположены в ранней древесине и собраны в кольца. Мелкие сосуды расположены группами в поздней древесине. Благодаря этому ранние и поздние зоны в годовом слое четко различаются.

Древесина при этом обладает значительно более высокой водопроницаемостью в направлении длины волокон, чем древесина хвойных пород. Сосуды являются основными а б водопроводящими элементами и представляют собой длинные вертикальные тонкостенные широкопо1 лостные трубки с порами, образовав1 шиеся в результате слияния верти2 2 кального ряда коротких клеток (члеников), в которых поперечные перегородки полностью или частично исчезли. Если при этом в перегородке образовалось одно большое круглое отверстие, то такая перфорация наРис. 6. Членик сосуда: зывается простой, например, у дуба а – с простой перфорацией; б – с лес(рис. 6, а). Если же в перегородке сотничной перфорацией; 1 – окаймленсуда остается ряд полос, между коные поры; 2 – простые поры торыми находятся щелевидные отверстия, то такая перфорация называется лестничной, например, у березы (рис. 6, б). Отверстия в перегородках облегчают передвижение воды по сосуду, а остатки перегородок придают сосудам жесткость. Либриформ (от лат. libri – либри) лыко и (от лат. forma – форма) вид – это механическая ткань, являющаяся главной составной частью древесины всех лиственных пород (занимает до 76 % общего объема). Ее волокна имеют толстые одревесневшие оболочки, малую полость и незначительное число простых пор в виде очень узких щелевидных отверстий, расположенных по спирали (рис. 7). Волокна либриформа являются наиболее прочными элементами в древесине лиственных пород и выполняют механические функции. Сердцевинные лучи в древесине всех лиственных пород развиты значительно сильнее, чем Рис. 7. Волокно у хвойных пород. Они построены исключительлибриформа но из паренхимных клеток, несколько вытянутых

8

9

Поперечный 5

3

1 2 4

9

8 6

Ра

ый ьн л та ген н Та

ди ал ьн 7 ый

Рис. 5. Схема микроскопического строения древесины дуба (по В. Е. Вихрову): 1 – годовой слой; 2 – ранняя зона; 3 – поздняя зона; 4 – крупные сосуды ранней зоны; 5 – мелкие сосуды поздней зоны; 6 – широкий сердцевинный луч; 7 – узкий сердцевинный луч; 8 – сосуды; 9 – либриформ

по длине луча. Оболочки клеток у них тонкие, одревесневшие, с многочисленными простыми порами. В отличие от кольцесосудистых лиственных пород, в рассеяннососудистых породах нет крупных сосудов. Мелкие сосуды равномерно распределены по всей ширине годового слоя, поэтому граница годового слоя между ранней и поздней древесиной выражена менее четко. Поздняя древесина у этой группы пород окаймлена узкой полоской толстостенных клеток. ый чн е р пе По

3 1 2

4

3. МЕТОДИКА ПРОВЕДЕНИЯ РАБОТЫ Для изучения микроскопического строения древесины каждый студент получает микроскоп и набор срезов древесины. 3.1. Аппаратура В работе используются биологические микроскопы марок «Биолам Д-12У1.1» (дорожный, рис. 9) и МБР-1 (рабочий), предназначенные для исследования прозрачных препаратов в проходящем свете в светлом поле. Между этими микроскопами есть несущественные различия: разные предметные столики (рис. 9, 10) и различное расположение механизма микрометрической фокусировки (у «Биолама» – диск встроен в основании, у МБР – винт укреплен на коробке механизма микрометрической фокусировки). «Биолам Д-12У1.1» можно эксплуатировать на открытом воздухе при температуре воздуха от +10 до +40 °С; а МБР-1 – только в помещениях при температуре воздуха от +10 до +35 °С. 5

6

6

5

3

7 10

4

Ра ди ал ьн ый

й ны ль а т ен нг а Т

Рис. 8. Схема микроскопического строения древесины березы (по В. Е. Вихрову): 1 – годовой слой; 2 – ранняя зона; 3 – поздняя зона; 4 – сосуды; 5 – сердцевинные лучи; 6 – либриформ 10

11

1

2

9

8

Рис. 9. Микроскоп «Биолам Д-12У1.1»: 1 – основание; 2 – диск механизма микрометрической фокусировки; 3 – тубусодержатель; 4 – рукоятки для грубой фокусировки микроскопа; 5 – монокулярная насадка; 6 – головка; 7 – револьвер; 8 – кронштейн конденсора; 9 – рукоятка для перемещения кронштейна; 10 – предметный столик; 11 – зеркало в оправе 11

Основание 1 обеспечивает устойчивое положение микроскопа на поверхности рабочего стола. При вращении диска механизма 1 микрометрической фокусировки 2 по часовой стрелке тубус микроскопа опускается, при вращении против часовой 2 стрелки – поднимается. Один оборот дисРис. 10. Предметный столик ка соответствует перемещению тубуса на 0,5 мм. Общая величина перемещения микроскопа МБР-1: тубуса от упора до упора – не менее 2 мм. 1 – винты перемещения столика; 2 – винт крепления; Тубусодержатель 3 в нижней части 3 – пружинные держатели несет направляющую и трубку с двумя рукоятками 4. В верхней части укреплена головка 6 с направляющей для револьвера 7 и гнездом для монокулярной (или бинокулярной) насадки 5. При вращении рукоятки для грубой фокусировки микроскопа 4 по часовой стрелке тубус микроскопа опускается, при вращении против часовой стрелке – поднимается. Поворотом рукояток 4 навстречу друг другу можно регулировать ход механизма грубой фокусировки – от легкого до тугого. Общее увеличение монокулярной насадки 5 К15u. Револьвер 7 служит для ввинчивания объективов. Зеркало в оправе 11 служит для получения яркого изображения среза древесины в отраженных от поверхности зеркала лучах света. Яркость изображения достигается поворотом зеркала вокруг своих осей. Зеркало имеет две отражающие поверхности: плоскую и вогнутую. Вогнутая поверхность используется при работе без конденсора с объективами малых увеличений. Винты перемещения столика служат для центровки нужного участка препарата (среза древесины) в поле зрения. Винт крепления фиксирует диск столика. При ослаблении винта верхний диск круглого предметного столика можно вращать рукой за накатанную часть. Пружинные держатели служат для прижимания препарата (стеклянных пластинок со срезами древесины) на поверхности столика. 3

12

3.2. Набор срезов древесины Образцы для изучения микроструктуры древесных пород представляют собой тонкие срезы древесины в поперечном, радиальном и тангентальном направлениях (рис. 11), наклеенные с помощью желатинного клея на предметные стекла и прикрытые сверху покровными стеклами. При поперечном разрезе плоскость проходит перпендикулярно к оси ствола, при радиальном – через ось ствола по радиусу, при тангентальном – на какомлибо расстоянии от оси ствола по касательной к годовому слою. На одном стекле помещены три среза одной породы (рис. 12). Образец укрепляется на предметном столике микроскопа так, чтобы он находился против отверстия, освещаемого снизу лучами света, отражаемыми зеркалом. Затем вращениями винтов фокусировок добиваются четкого изображения разреза древесины.

1

3

2

Рис. 11. Разрезы ствола дерева: 1 – поперечный (или торцевой); 2 – радиальный; 3 – тангентальный 4 2

1 3

Рис. 12. Образец: 1 – поперечный; 2 – радиальный; 3 – тангентальный; 4 – стеклянная пластинка

3.3. Изучение и зарисовка срезов древесных пород 3.3.1. Хвойные породы Поперечный разрез. Клетки (трахеиды) видны в виде ячеек, более крупных в весенней части и мелких в летней части годового слоя. Годовые слои ясно различимы. Смоляные ходы наблюдаются в виде 13

отдельных относительно крупных отверстий неправильной формы. Сердцевинные лучи выделяются в виде ряда линий (узких вытянутых полосок), идущих перпендикулярно годовым слоям и состоящих обычно из одного ряда клеток, Радиальный разрез. Клетки видны в виде трубочек с кососрезанными концами. Смоляные ходы просматриваются редко в виде прозрачных более крупных трубочек с рваными боковыми очертаниями. Сердцевинные лучи имеют вид поперечных прерывающихся линий (широких лент), состоящих из нескольких рядов клеток. Тангентальный разрез. Трахеиды и смоляные ходы имеют вид и расположение такие же, как на радиальном разрезе. Сердцевинные лучи расположены между клетками ствола и наблюдаются в виде темных штрихов, веретенообразных полосок (штрихов), состоящих по высоте из нескольких, а по ширине – из одного ряда клеток (если в них не залегает смоляной ход). 3.3.2. Лиственные кольцесосудистые породы Поперечный разрез. Крупные и мелкие сосуды видны в виде ячеек различного размера. Крупные сосуды расположены преимущественно в ранней древесине, мелкие – в поздней. Границы годового слоя четко различимы в виде тонких линий. Сердцевинные лучи расположены между сосудами и клетками и просматриваются в виде темных линий, идущих перпендикулярно годовым слоям. Радиальный разрез. Сосуды и клетки выглядят как трубочки, идущие вдоль ствола. Сердцевинные лучи просматриваются в виде параллельных сгруппированных линий, расположенных перпендикулярно сосудам. Тангентальный разрез. Сосуды и клетки расположены как на радиальном разрезе. Сердцевинные лучи расположены между сосудами и имеют вид темных штрихов с заостренными концами. 3.3.3. Лиственные рассеяннососудистые породы Поперечный разрез. Сосуды воспринимаются как ячейки, более мелкие, чем у кольцесосудистых пород, и сравнительно равномерно распределенные по сечению годового слоя. Поэтому границы годового 14

слоя, а также ранней и поздней древесины выражены менее четко. Обычно поздняя древесина у этой группы пород окаймлена узкой полоской толстостенных клеток. Сердцевинные лучи наблюдаются в виде темных линий, идущих перпендикулярно годовому слою. Радиальный и тангентальный разрезы. Расположение и вид сосудов и сердцевинных лучей такие же, как на радиальном и тангентальном разрезах древесины кольцесосудистых пород. 3.4. Определение прочности древесины и числа годовых колец в 1 см сечения Свойства древесины зависят от ширины годовых колец, их количества в 1 см сечения, процентного содержания поздней древесины. Для приближенной оценки прочности хвойных или кольцесосудистых лиственных пород на практике пользуются расчетным способом, основанным на зависимости прочности при сжатии от процентного содержания в породе поздней древесины (рис. 13).

Рис. 13. Схема определения содержания поздней древесины

Для определения числа годовых слоев n на торцовой поверхности образца по радиальному направлению откладывают 2 см, подсчитывают общее число целых годовых слоев N и отмечают их границы. Расстояние l между отмеченными точками измеряют с точностью до 0,5 мм. Далее вычисляют с точностью до половины слоя число годовых слоев n в 1,0 см по радиальному направлению l по формуле n

N . l 15

Процентное содержание поздней древесины (m) в годовых слоях вычисляют с точностью до 5 % по формуле m

a1  a2  a3  ...  an 100 %, l

где a1, a2 , a3 ,..., an – ширина поздней древесины в первом, втором, третьем, …, n-годовом слое, измеряемая студентами с применением микроскопа МБС-9, оснащенного окуляром К8u с измерительной линейкой. Точность измерения до 0,1 мм; l – общее протяжение тех годовых слоев, в которых измерялась ширина поздней зоны. Далее по эмпирической формуле определяется предел прочности на сжатие вдоль волокон. Например: x для сосны (по данным экспериментальных исследований Всесоюзного института авиационных материалов)

Rсж

Рекомендуемая литература 1. Боровиков А. М. Справочник по древесине / А. М. Боровиков, Б. Н. Уголев; под ред. Б. Н. Уголева. – М.: Лесн. пром-сть, 1989. – 294 с. 2. Ванин С. И. Древесиноведение / С. И. Ванин. – Л.: Гослестехиздат, 1934. – 548 с. 3. Микроскопы биологические серии «Биолам»: Техн. описание и инструкция по эксплуатации / ЛОМО. – Л., 1988. – 43 с. 4. Перелыгин Л. М. Строение древесины / Л. М. Перелыгин. – М.: АН СССР, 1954. – 199 с. 5. Перелыгин Л. М. Древесиноведение / Л. М. Перелыгин, Б. Н. Уголев. – М.: Лесн. пром-сть, 1971. – 288 с.

0,6m  30,0 МПа;

x для дуба (по данным проф. А. X. Певцова и Л. М. Перелыгина)

Rсж

0,32m  29,45 МПа.

Прочность при сжатии различных пород древесины вдоль волокон находится в пределах 35…70 МПа; для сосны, например, около 40 МПа.

16

17

Оглавление Введение ................................................................................................................... 3 1. Содержание работы ............................................................................................ 3 2. Строение древесных пород ............................................................................... 4 2.1. Хвойные породы............................................................................................ 4 2.2. Лиственные породы ...................................................................................... 7 3. Методика проведения работы ......................................................................... 11 3.1. Аппаратура .................................................................................................... 11 3.2. Набор срезов древесины ..............................................................................13 3.3. Изучение и зарисовка срезов древесных пород .........................................13 3.3.1. Хвойные породы .................................................................................13 3.3.2. Лиственные кольцесосудистые породы .............................................14 3.3.3. Лиственные рассеяннососудистые породы .......................................14 3.4. Определение прочности древесины и числа годовых колец в 1 см сечения ......................................................................................................15 Рекомендуемая литература .....................................................................................17

СТРОЕНИЕ ДРЕВЕСИНЫ Составители: Елистратов Николай Алексеевич Нестеренко Валерий Владимирович Мокрова Марина Владимировна Платонова Надежда Михайловна Редактор О. Д. Камнева Корректор К. И. Бойкова Компьютерная верстка И. А. Яблоковой Подписано к печати 18.06.10. Формат 60×84 1/16. Бум. офсетная. Усл. печ. л. 1,1. Тираж 250 экз. Заказ 57. «С» 44. Санкт-Петербургский государственный архитектурно-строительный университет. 190005, Санкт-Петербург, 2-я Красноармейская ул., 4. Отпечатано на ризографе. 190005, Санкт-Петербург, 2-я Красноармейская ул., 5.

18

19

ДЛЯ ЗАПИСЕЙ

20