Вещество древесины состоит процентов на шестьдесят из целлюлозы. Кромецеллюлозы, оно содержит различные другие соединения типа сахаров и лигнин,вещество, похожее на смолу, которое пропитывает взрослое дерево какими-тосокровенными путями. Не пропитанная лигнином древесина имеет весьма однонаправленнуюструктуру и поэтому обладает свойством двойного лучепреломления, то естьона поворачивает плоскость поляризации поляризованного света. Кроме того,она ярко окрашивается определенными красителями.
Ни тем, ни другим свойством нормальная древесина, содержащая лигнин,не обладает. Но непосредственно перед механическим разрушением, когда ещеникакие механические методы не обнаруживают признаков близкого разрушения,древесина получает свойство двойного лучепреломления и легко окрашиваетсяхарактерными красителями. По-видимому, причина этого кроется в каком-тонеобратимом разрыве химических связей между целлюлозой и лигнином, вызванноммеханическим напряжением. Однако использовать это явление как сигнал скорогонеизбежного разрушения конструкции нельзя, потому что наблюдать его можнолишь под оптическим микроскопом на тонких сечениях, вырезанных из нагруженнойчасти. Но оно может оказаться весьма полезным при расследовании причинаварий. Кроме того, это наглядно показывает, сколь хитро устроила природавещество древесины.
В этой связи интересно еще упомянуть, что некоторые тропические породы,такие, как тик и гринхарт, содержат небольшие количества токсических веществи кремнезема. Они защищают древесину от насекомых и гниения, но в то жевремя являются причиной высокой стоимости обработки лучших тропическихпород: кремнезем очень быстро тупит инструмент, а щепки гринхарта ядовиты.
Механические свойства древесины в основном не отличаются от свойств,которые можно ожидать от пучка трубок или волокон. В боковом направленииволокна разделяются и сминаются довольно легко, поэтому прочность на разрыви сжатие поперек волокон очень невелика, меньше 1 кГ/мм.Более легкие породы, например пробку, можно даже сминать пальцами. С другойстороны, как раз потому, что трубчатые волокна легко сминаются, в древесинуможно загонять гвозди и шурупы, не расщепляя ее (если, конечно, проделыватьэто, соблюдая определенную аккуратность). Между прочим, гвозди, достаточноосторожно вбитые в дерево, и ввернутые в него шурупы сколько-нибудь заметноне ослабляют древесину как целое; иными словами, дерево удивительно стойкок концентрации напряжений.
Прочность на разрыв ели составляет около 12 кГ/мм.Она соответствует упругой деформации или межатомному разделению порядка1%, то есть находится где-то между 1/10 и 1/20 теоретической прочности.Это намного лучше, чем тот же показатель для большинства других техническихматериалов, особенно дешевых. Ходовая сталь с прочностью 40 кГ/ммупруго удлиняется на 0,15%. Если соразмерять все характеристики с удельнымвесом, то по прочности на разрыв древесина эквивалентна стали с прочностью200 кГ/мм, которая в 4-5 раз прочнее обычноиспользуемых сталей. Но как мы увидим дальше, на практике не так-то легкоэффективно использовать высокую прочность древесины на разрыв.
Древесина оказывается слабой при сжатии вдоль волокна. В этом отношенииее свойства противоположны свойствам чугуна, который прочен при сжатии,но слаб при растяжении. Здесь опять модель пучка склеенных между собойволокон оказывается очень реалистичной.
Под сжимающей нагрузкой тонкая стенка одной из трубок теряет устойчивость,на ней образуется складка, а все остальные трубки должны следовать за ней(рис. 39). Прочность на сжатие ели обычно лежит в пределах 3,0- 3,5 кГ/мм.Если сравнивать эти цифры со сталью по удельной прочности (по отношениюк плотности), то они выглядят все еще вполне сносно, но, конечно, далеконе так, как удельная прочность на разрыв.
Рис. 39. Разрушение древесины при сжатии. На чистой плоской поверхности,параллельной направлению волокон, место разрушения видно невооруженным глазом.Здесь бегут "складки" под углом 45° к направлению волокон.
Когда древесина начинает разрушаться от сжатия, можно видеть легкуюлинию складок на волокнах, бегущую под углом 45° к направлению волокон,но рассмотреть ее целиком довольно трудно: для этого нужно иметь чистуюповерхность и знать, что и где искать. В течение некоторого времени посленачала разрушения (складкообразования) ничего особенно сенсационного иликатастрофического не случается, материал лишь постепенно проседает. Посколькудревесина чаще всего нагружается изгибом, то в результате медленного разрушенияна сжатой стороне балки нагрузка передается на растянутую сторону. Поэтомуноминальное напряжение в изогнутой балке перед окончательным разрушениемможет быть вдвое больше прочности на сжатие. Это обстоятельство делаетдеревянные конструкции очень надежными.
Древесина в некотором смысле вещь довольно зловредная: прежде чем появитсяреальная опасность разрушения, деревянная конструкция может немало потрепатьвам нервы пугающими звуками. Планеры не имеют двигателя (они часто запускаютсяканатом примерно километровой длины, который наматывается на барабан лебедки),поэтому в полете - абсолютная тишина, нарушаемая лишь свистом ветра. Ивот при быстром резком запуске деревянный планер будет пугать вас скрипами,тяжелыми вздохами, иногда даже грохотом. Это, естественно, встревожит вас,но скоро вы поймете, что все это притворство и никакой опасности разрушенияконструкции нет. Такое представление может повторяться несколько раз надню. Я почти уверен, что эти шумы не сопровождают процесса разрушения присжатии. Часто я задавался вопросом, откуда они исходят, но, должен сознаться,никаких идей на этот счет у меня не появилось. Можно сказать одно - есливы слышите деревянную конструкцию, вряд ли вы ее сломаете.
Итак, по удельной прочности древесина вполне конкурентоспособный материал.Но одной лишь прочности практике недостает, ей нужна еще и соответствующаяжесткость: вещества вроде нейлона прочности имеют предостаточно, но дляинженерных сооружений жесткость их слишком мала. Модуль Юнга для ели составляетпримерно 1000-1500 кГ/мм, жесткость других-пород более или менее пропорциональна их плотности. Удивительно, но удельныймодуль Юнга для древесины почти в точности равен удельному модулю сталии алюминия и намного больше, чем у синтетических смол. Такая жесткостьвместе с малой плотностью делает дерево очень подходящим материалом длябалок и колонн. Мебель, полы, книжные полки, флагштоки, мачты парусниковлучше всего делать деревянными. В Америке в XIX веке очень быстро и дешевобыло построено много железных дорог, отчасти это случилось благодаря высокойэффективности. железнодорожных мостов на деревянных эстакадах. Вместе сэтими достоинствами древесина, однако, обладает недостатком - она ползет.Это означает, что при достаточно длительной нагрузке материал постепеннодеформируется. Следствие ползучести - вогнутые деревянные крыши старыхдомов и сараев. Из-за ползучести древесины нельзя оставлять надолго натянутымидеревянный лук или струны скрипки. По-видимому, причина ползучести состоитв том, что плохо закрепленные гидроксильные группы аморфных областей целлюлозы,пользуясь изменениями температуры и влажности, увиливают от своих обязанностей.Маловероятно, чтобы сколько-нибудь заметно ползла кристаллическая целлюлоза.
Разбухание
Несомненно, природа при желании могла бы химически соединить молекулыцеллюлозы вдоль "боков". Но тогда они были бы увязаны между собой оченьнадежно, и материал имел бы примерно одинаковую прочность во всех направлениях.Как мы уже видели в предыдущей главе, наличие слабых плоскостей, параллельныхпрочнейшему направлению, является, по-видимому, условием прочности и вязкостидля материалов такого типа. Если бы такие поверхности отсутствовали, древесинапоходила бы на глыбу сахара - была бы однородной, но непрочной и хрупкой.Если судить по удельному весу древесины, то нет ничего плохого в ее механическихсвойствах. Обычно вес деревянных конструкций сравним по крайней мере свесом сооружений из металла. Плохо в древесине другое - она подверженавоздействию влаги. Вода может попадать в древесину под дождем, в реке,в море и т. д., но хуже всего то, что на древесину действует атмосфернаявлага.
При каждой данной температуре воздух может содержать определенное количествовлаги. Любой избыток влаги выпадает в виде дождя, тумана, дымки или росы.Воздух в этом случае называется пересыщенным, и, следовательно, относительнаявлажность в сырой день равна примерно 100%. В сухую погоду или в помещенииотносительная влажность меньше, но она редко падает многим ниже 30%, дажев местах с сухим жарким климатом.