Transcript
Page 1: Строение древесины: Методические указания к выполнению лабораторной работы

1

Министерство образования и науки Российской Федерации

Санкт-Петербургский государственныйархитектурно-строительный университет

Строительный факультет

Кафедра строительных материалов и технологий

СТРОЕНИЕ ДРЕВЕСИНЫ

Методические указания к выполнению лабораторной работыдля студентов всех специальностей и форм обучения

Санкт-Петербург2010

Page 2: Строение древесины: Методические указания к выполнению лабораторной работы

2 3

УДК 691.11:674.038.7(076.5)

Рецензент канд. техн. наук, доцент П. Б. Кукса

Строение древесины: метод. указ. к выполнению лабораторнойработы 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 методикаизучения строения древесных пород под микроскопом; приводится метод расче-та прочности древесины при сжатии, основанный на зависимости механическихсвойств древесины от ее строения.

Ил. 13. Библиогр.: 5 назв.

Санкт-Петербургский государственныйархитектурно-строительный университет, 2010

Введение

Дерево, используя воду, минеральные и химические вещества,преобразуя энергию солнца, в процессе фотосинтеза вырабатываетширокий круг органических соединений, из которых строит древесину,зеленую массу, плоды и обогащает атмосферу кислородом, необходи-мым живому миру. Как всякий живой организм, дерево состоит из от-дельных клеток и сосудов, разнообразных по форме, величине и распо-ложению.

Физические, механические и другие свойства древесины обуслов-лены особенностями ее состава и строения. Древесина – это волокнис-тый, анизотропный материал, свойства которого зависят от направле-ния волокон. В связи с этим строение древесины изучается на разрезах,сделанных в нескольких направлениях.

В зависимости от строения древесные породы делятся на хвой-ные и лиственные (кольце- и рассеяннососудистые).

Строение древесины изучается на макро- и микроуровнях. Мак-роструктура видна невооруженным глазом или при небольшом увели-чении (например, через лупу). Для изучения микроструктуры исполь-зуются различные микроскопы, обеспечивающие многократное увели-чение.

1. СОДЕРЖАНИЕ РАБОТЫ

Работа рассчитана на 2 часа и включает изучение под микроско-пом строения древесины одной хвойной, и двух лиственных пород (кольце-и рассеяннососудистой).

Студент изучает строение каждой породы на трех разрезах –поперечном, радиальном и тангентальном (см. рис. 11) и делает зари-совки в журнале лабораторных работ. На рисунках приводятся обозна-чения элементов микроструктуры. В конце работы студенту выдаетсяконтрольный образец для определения породы и направления среза.

Page 3: Строение древесины: Методические указания к выполнению лабораторной работы

4 5

Годовой слой – это слой, соответствующий одному году жизнидерева. В пределах годового слоя различают ранние (рис. 2) и поздние(рис. 3) трахеиды, которые составляют основную массу (90…95 % об-щего объема) древесины хвойных пород.

Трахеиды (от греч. tracheia – дыхательное горло и eidoc – вид) име-ют форму сильно вытянутых волокон с кососрезанными концами. Ониявляются мертвыми клетками и только в стволе растущего дерева вновьобразующийся (последний) годовой слой содержит живые трахеиды.Отмирание трахеид начинается еще весной, постепенно увеличиваетсяк осени, а к середине зимы все трахеиды последнего годового слояотмирают.

В зависимости от характераутолщений стенок ранних и позднихтрахеид различают спиральные, ле-стничные, сетчатые, точечно-порис-тые и промежуточные типы трахеид.В пределах одного годового слояпереход от ранних трахеид к позднимпостепенный.

Ранние трахеиды (см. рис. 2)образуются весной и в начале лета.Они служат для проведения водыс растворенными минеральными ве-ществами. Характерными их осо-бенностями являются большиевнутренние полости и тонкиестенки, снабженные многочисленны-ми окаймленными порами. На годо-вом слое они наиболее светлые, рых-лые и слабые, образуют раннюю дре-весину.

Поздние трахеиды (см. рис. 3) образуются в конце лета. Стенкиих сильно утолщены, внутренние полости малы, поры мелкие, мало-численные, со слабым окаймлением. Выполняют механическую функ-цию, придавая древесине прочность. На годовом слое они наиболее тем-ные, плотные и крепкие, образуют позднюю древесину.

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 бо-лее простым и правильным строением. Она состоит (рис. 1) из трахеид,сердцевинных лучей, паренхимных клеток и смоляных ходов (не всегда).

1

2

3

4

8 5

9

6

7

4

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

Попе

речны

й

Танге

нтал

ьный

Радиальный

1

2

3

Рис. 2. Ранняя трахеида(радиальный разрез):

1 – крупные окаймленные поры;2 – мелкие окаймленные поры;

3 – простые поры в месте контактас сердцевинными лучами

Page 4: Строение древесины: Методические указания к выполнению лабораторной работы

6 7

Простые и окаймленные поры в стен-ках трахеид и сосудов служат для обеспе-чения подъема воды с раствореннымив ней питательными веществами из однойтрахеиды в другую (у лиственных пород –из сосуда в сосуд) в пределах одного годо-вого слоя.

Простая пора представляет собойпрямой цилиндрический или овальныйканал.

Окаймленная пора – это двусторон-ний клапан, имеющий вид двузубыхвилок, обращенных друг к другу своимиостриями и соединенных тонкой пленкой(мембраной) с утолщением (торусом)в центре. При отклонении мембраны в туили другую сторону торус закрывает или

открывает отверстие поры, по которой проходит вода. Однако из-за боль-шого количества окаймленных пор (на одной ранней трахеиде находит-ся в среднем 70 пор, на одной поздней – 17) стенки трахеид ослабленыи около них, как правило, начинается разрушение элементов древеси-ны при испытании на сжатие и изгиб.

Паренхимные (от греч. parenohyma – равноналитое) клетки – этоодна из разновидностей живых растительных клеток, в которых откла-дываются запасные питательные материалы (крахмал, масла и др.).По внешнему виду – это четырехгранные призмы, все три измерениякоторых примерно одинаковы: стенки обычно тонкие, состоящие из цел-люлозы и лигнина.

У хвойных пород паренхимные клетки занимают около 1 % дре-весины по объему; у лиственных пород – от 2 до 15 %. Причем у коль-цесосудистых пород их больше, чем у рассеяннососудистых. Парен-химные клетки образуют две системы – горизонтальную (сердцевин-ные лучи) и вертикальную (древесную паренхиму).

Сердцевинные лучи состоят из одного или нескольких рядов па-ренхимных клеток, расположены между трахеидами и служат в расту-щем дереве, в период вегетации, для передачи питательных веществи воды по горизонтальным направлениям; в период покоя в них хранят-ся 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, состоя-щие из нескольких рядов клеток, на тангентальном разрезе – как вере-тенообразные полоски, состоящие по высоте из нескольких, а по шири-не – из одного ряда клеток (если в них не залегает смоляной ход).

Смоляные ходы являются характерной особенностью строения дре-весины хвойных пород и представляют собой клетки, вырабатываю-щие и хранящие смолу.Различают вертикальныеи горизонтальные (прохо-дят по сердцевинным лу-чам и хорошо видны натангентальном разрезе)смоляные ходы. Причем усосны, ели, лиственницы икедра смоляные ходы со-ставляют единую системусообщающихся каналов,а у можжевельника, пихтыи тисса они разобщены.

Смоляные ходы име-ют вид канала, окружен-ного тремя слоями парен-химных клеток (рис. 4).

2.2. Лиственные породы

В зависимости от структуры выделяют лиственные породы:кольцесосудистые (рис. 5) – дуб, вяз, ясень, тополь, карагач;рассеяннососудистые (рис. 8) – береза, липа, осина, бук, клен,

ольха и др.Древесина этих пород имеет более сложное строение. Причиной это-

го 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.

Рис. 3. Поздняя трахеида(радиальный разрез)

5

3

126

4

Рис. 4. Вертикальный смоляной ход сосны,заполненный смолой на поперечном разрезе:

1 – внутренний слой (эпителий), в котором клет-ки выделяют смолу; 2 – кольцо мертвых клеток,заполненных воздухом; 3 – наружный слой,состоящий из живых клеток; 4 – канал хода;

5 – трахеиды; 6 – сердцевинный луч

Page 5: Строение древесины: Методические указания к выполнению лабораторной работы

8 9

1

2

3

4

6

5

7

9

8

Рис. 5. Схема микроскопического строения древесины дуба(по В. Е. Вихрову):

1 – годовой слой; 2 – ранняя зона; 3 – поздняя зона; 4 – крупные сосуды раннейзоны; 5 – мелкие сосуды поздней зоны; 6 – широкий сердцевинный луч;

7 – узкий сердцевинный луч; 8 – сосуды; 9 – либриформ

Характерной особенностью лиственных кольцесосудистых породявляется наличие крупных и мелких сосудов.

Крупные сосуды расположены в ранней древесине и собраныв кольца.

Мелкие сосуды расположены группами в поздней древесине. Бла-годаря этому ранние и поздние зоны в годовом слое четко различаются.

Древесина при этом обладает значительно более высокой водопроницае-мостью в направлении длины волокон, чем древесина хвойных пород.

Сосуды являются основнымиводопроводящими элементамии представляют собой длинные вер-тикальные тонкостенные широкопо-лостные трубки с порами, образовав-шиеся в результате слияния верти-кального ряда коротких клеток(члеников), в которых поперечныеперегородки полностью или частич-но исчезли.

Если при этом в перегородкеобразовалось одно большое круглоеотверстие, то такая перфорация на-зывается простой, например, у дуба(рис. 6, а). Если же в перегородке со-суда остается ряд полос, между ко-торыми находятся щелевидные от-верстия, то такая перфорация называется лестничной, например, у бе-резы (рис. 6, б). Отверстия в перегородках облегчают передвижениеводы по сосуду, а остатки перегородок придаютсосудам жесткость.

Либриформ (от лат. libri – либри) лыкои (от лат. forma – форма) вид – это механическаяткань, являющаяся главной составной частью дре-весины всех лиственных пород (занимает до 76 %общего объема). Ее волокна имеют толстые одре-весневшие оболочки, малую полость и незначи-тельное число простых пор в виде очень узкихщелевидных отверстий, расположенных по спи-рали (рис. 7). Волокна либриформа являются наи-более прочными элементами в древесине листвен-ных пород и выполняют механические функции.

Сердцевинные лучи в древесине всех ли-ственных пород развиты значительно сильнее, чему хвойных пород. Они построены исключитель-но из паренхимных клеток, несколько вытянутых

Поперечный

Тангентальны

йРадиальный

1

2

1

2

а б

Рис. 6. Членик сосуда:а – с простой перфорацией; б – с лес-тничной перфорацией; 1 – окаймлен-

ные поры; 2 – простые поры

Рис. 7. Волокнолибриформа

Page 6: Строение древесины: Методические указания к выполнению лабораторной работы

10 11

по длине луча. Оболочки клеток у них тонкие, одревесневшие, с много-численными простыми порами.

В отличие от кольцесосудистых лиственных пород, в рассеянно-сосудистых породах нет крупных сосудов. Мелкие сосуды равномернораспределены по всей ширине годового слоя, поэтому граница годово-го слоя между ранней и поздней древесиной выражена менее четко.Поздняя древесина у этой группы пород окаймлена узкой полоской тол-стостенных клеток.

12

3

4

6

5

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

3. МЕТОДИКА ПРОВЕДЕНИЯ РАБОТЫ

Для изучения микроскопического строения древесины каждыйстудент получает микроскоп и набор срезов древесины.

3.1. Аппаратура

В работе используются биологические микроскопы марок «Био-лам Д-12У1.1» (дорожный, рис. 9) и МБР-1 (рабочий), предназначен-ные для исследования прозрачных препаратов в проходящем светев светлом поле. Между этими микроскопами есть несущественные раз-личия: разные предметные столики (рис. 9, 10) и различное расположе-ние механизма микрометрической фокусировки (у «Биолама» – дисквстроен в основании, у МБР – винт укреплен на коробке механизмамикрометрической фокусировки). «Биолам Д-12У1.1» можно эксплуа-тировать 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.

1 2 9 8

5

3

4

6

7

10

11

Рис. 9. Микроскоп «Биолам Д-12У1.1»:1 – основание; 2 – диск механизма микрометри-ческой фокусировки; 3 – тубусодержатель; 4 – ру-коятки для грубой фокусировки микроскопа;5 – монокулярная насадка; 6 – головка; 7 – револь-вер; 8 – кронштейн конденсора; 9 – рукоятка дляперемещения кронштейна; 10 – предметный

столик; 11 – зеркало в оправе

Попер

ечный

Тангентальны

йРадиальный

Page 7: Строение древесины: Методические указания к выполнению лабораторной работы

12 13

Основание 1 обеспечивает устойчи-вое положение микроскопа на поверхно-сти рабочего стола.

При вращении диска механизмамикрометрической фокусировки 2 по ча-совой стрелке тубус микроскопа опуска-ется, при вращении против часовойстрелки – поднимается. Один оборот дис-ка соответствует перемещению тубуса на0,5 мм. Общая величина перемещениятубуса от упора до упора – не менее 2 мм.

Тубусодержатель 3 в нижней частинесет направляющую и трубку с двумярукоятками 4. В верхней части укрепле-

на головка 6 с направляющей для револьвера 7 и гнездом для моноку-лярной (или бинокулярной) насадки 5. При вращении рукоятки для гру-бой фокусировки микроскопа 4 по часовой стрелке тубус микроскопаопускается, при вращении против часовой стрелке – поднимается. По-воротом рукояток 4 навстречу друг другу можно регулировать ход ме-ханизма грубой фокусировки – от легкого до тугого.

Общее увеличение монокулярной насадки 5 К15 .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 объек-тивами малых увеличений.

Винты перемещения столика служат для центровки нужногоучастка препарата (среза древесины) в поле зрения.

Винт крепления фиксирует диск столика. При ослаблении винтаверхний диск круглого предметного столика можно вращать рукойза накатанную часть.

Пружинные держатели служат для прижимания препарата(стеклянных пластинок со срезами древесины) на поверхности столика.

3.2. Набор срезов древесины

Образцы для изучения мик-роструктуры древесных породпредставляют собой тонкие сре-зы древесины в поперечном,радиальном и тангентальном на-правлениях (рис. 11), наклеенныес помощью желатинного клеяна предметные стекла и прикры-тые сверху покровными стеклами.При поперечном разрезе плос-кость проходит перпендикулярнок оси ствола, при радиальном –через ось ствола по радиусу,при тангентальном – на каком-либо расстоянии от оси ствола покасательной к годовому слою.На одном стекле помещены трисреза одной породы (рис. 12).

Образец укрепляется напредметном столике микроскопатак, чтобы он находился противотверстия, освещаемого снизу лу-чами света, отражаемыми зерка-лом. Затем вращениями винтовфокусировок добиваются четкогоизображения разреза древесины.

3.3. Изучение и зарисовка срезов древесных пород

3.3.1. Хвойные породы

Поперечный разрез. Клетки (трахеиды) видны в виде ячеек, бо-лее крупных в весенней части и мелких в летней части годового слоя.Годовые слои ясно различимы. Смоляные ходы наблюдаются в виде

3

2

1

Рис. 10. Предметный столикмикроскопа МБР-1:

1 – винты перемещениястолика; 2 – винт крепления;

3 – пружинные держатели

1

32

Рис. 11. Разрезы ствола дерева:1 – поперечный (или торцевой);

2 – радиальный;3 – тангентальный

3

21

4

Рис. 12. Образец:1 – поперечный; 2 – радиальный;

3 – тангентальный; 4 – стекляннаяпластинка

Page 8: Строение древесины: Методические указания к выполнению лабораторной работы

14 15

отдельных относительно крупных отверстий неправильной формы.Сердцевинные лучи выделяются в виде ряда линий (узких вытянутыхполосок), идущих перпендикулярно годовым слоям и состоящих обыч-но из одного ряда клеток,

Радиальный разрез. Клетки видны в виде трубочек с кососрезан-ными концами. Смоляные ходы просматриваются редко в виде прозрач-ных более крупных трубочек с рваными боковыми очертаниями. Серд-цевинные лучи имеют вид поперечных прерывающихся линий (широ-ких лент), состоящих из нескольких рядов клеток.

Тангентальный разрез. Трахеиды и смоляные ходы имеют види расположение такие же, как на радиальном разрезе. Сердцевинныелучи расположены между клетками ствола и наблюдаются в виде тем-ных штрихов, веретенообразных полосок (штрихов), состоящихпо высоте из нескольких, а по ширине – из одного ряда клеток (еслив них не залегает смоляной ход).

3.3.2. Лиственные кольцесосудистые породы

Поперечный разрез. Крупные и мелкие сосуды видны в виде ячеекразличного размера. Крупные сосуды расположены преимущественнов ранней древесине, мелкие – в поздней. Границы годового слоя четкоразличимы в виде тонких линий. Сердцевинные лучи расположенымежду 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 па-раллельных сгруппированных линий, расположенных перпендикуляр-но сосудам.

Тангентальный разрез. Сосуды и клетки расположены какна радиальном разрезе. Сердцевинные лучи расположены между сосу-дами и имеют вид темных штрихов с заостренными концами.

3.3.3. Лиственные рассеяннососудистые породы

Поперечный разрез. Сосуды воспринимаются как ячейки, болеемелкие, чем у кольцесосудистых пород, и сравнительно равномернораспределенные по сечению годового слоя. Поэтому границы годового

слоя, а также ранней и поздней древесины выражены менее четко. Обыч-но поздняя древесина у этой группы пород окаймлена узкой полоскойтолстостенных клеток. Сердцевинные лучи наблюдаются в виде тем-ных линий, идущих перпендикулярно годовому слою.

Радиальный и тангентальный разрезы. Расположение и видсосудов и сердцевинных лучей такие же, как на радиальном и танген-тальном разрезах древесины кольцесосудистых пород.

3.4. Определение прочности древесиныи числа годовых колец в 1 см сечения

Свойства древесины зависят от ширины годовых колец, их коли-чества в 1 см сечения, процентного содержания поздней древесины.

Для приближенной оценки прочности хвойных или кольцесосу-дистых лиственных пород на практике пользуются расчетным спосо-бом, основанным на зависимости прочности при сжатии от процентно-го содержания в породе поздней древесины (рис. 13).

Рис. 13. Схема определения содержанияпоздней древесины

Для определения числа годовых слоев n на торцовой поверхностиобразца по радиальному направлению откладывают 2 см, подсчитываютобщее число целых годовых слоев N и отмечают их границы. Расстояниеl между отмеченными точками измеряют с точностью до 0,5 мм.

Далее вычисляют с точностью до половины слоя число годовыхслоев n в 1,0 см по радиальному направлению l по формуле

.lNn

Page 9: Строение древесины: Методические указания к выполнению лабораторной работы

16 17

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

%,100...321

laaaam n

где naaaa ,...,,, 321 – ширина поздней древесины в первом, втором, тре-тьем, …, n-годовом слое, измеряемая студентами с применением мик-роскопа МБС-9, оснащенного окуляром К8 с измерительной линей-кой. Точность измерения до 0,1 мм; l – общее протяжение тех годовыхслоев, в которых измерялась ширина поздней зоны.

Далее по эмпирической формуле определяется предел прочностина сжатие вдоль волокон. Например:

для сосны (по данным экспериментальных исследованийВсесоюзного института авиационных материалов)

МПа;0,306,0сж mR

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

МПа.45,2932,0сж mR

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

Рекомендуемая литература

1. Боровиков А. М. Справочник по древесине / А. М. Боровиков, Б. Н. Уго-лев; 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 инструк-ция 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.

Page 10: Строение древесины: Методические указания к выполнению лабораторной работы

18 19

СТРОЕНИЕ ДРЕВЕСИНЫ

Составители: Елистратов Николай АлексеевичНестеренко Валерий ВладимировичМокрова Марина ВладимировнаПлатонова Надежда Михайловна

Редактор О. Д. КамневаКорректор 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.

Оглавление

Введение ................................................................................................................... 31. Содержание работы ............................................................................................ 32. Строение древесных пород ............................................................................... 4

2.1. Хвойные породы ............................................................................................ 42.2. Лиственные породы ...................................................................................... 7

3. Методика проведения работы .........................................................................113.1. Аппаратура ....................................................................................................113.2. Набор срезов древесины ..............................................................................133.3. Изучение и зарисовка срезов древесных пород .........................................13

3.3.1. Хвойные породы .................................................................................133.3.2. Лиственные кольцесосудистые породы .............................................143.3.3. Лиственные рассеяннососудистые породы .......................................14

3.4. Определение прочности древесины и числа годовых колецв 1 см сечения ......................................................................................................15

Рекомендуемая литература .....................................................................................17

Page 11: Строение древесины: Методические указания к выполнению лабораторной работы

20

ДЛЯ ЗАПИСЕЙ


Recommended