Строение древесины и ее свойства

Для изготовления музыкальных инструментов применяют древесину хвойных и лиственных пород, которые различаются между собой по целому ряду признаков. Распил дерева определяет свойства древесины.

Следует различать понятие дерева, т. е. растущего дерева, и древесины- материала, получаемого из срубленного и очищенного от ветвей и коры дерева.

В каждом растущем дереве можно выделить три части: крону, ствол и корни.

В листьях кроны растущего дерева происходят процессы фотосинтеза. В результате этих процессов зелеными растениями и фотосинтезирующими микроорганизмами лучистая энергия Солнца превращается в энергию химических связей органических веществ, обеспечивающих питание и рост растения.

Корни дерева, во-первых, удерживают его в вертикальном положении, а во-вторых, всасывают из почвы воду с растворенными в ней минеральными питательными веществами.

Ствол дерева является прежде всего магистралью, по которой впитанные корнями минеральные вещества движутся к листьям, а выработанные в листьях пластические вещества (строительный материал, из которого дерево строит само себя) движутся вниз по стволу, наращивая его. Ствол дерева также является хранилищем запасенных питательных веществ. Ствол дает основное количество древесины, что составляет 50-90 % объема частей растущего дерева, и только древесина ствола пригодна для изготовления деталей музыкальных инструментов.

Древесина имеет слоисто-волокнистое строение. Свойства древесины в значительной степени зависят от направления (анизотропия свойств). Принято рассматривать три главных разреза ствола: поперечный (или торцовый) плоскость которого перпендикулярна оси ствола, радиальный, плоскость которого проходит через ось ствола, и тангенциальный 3, плоскость которого проходит параллельно оси ствола на некотором расстоянии от нее.

Поперечный срез имеет следующие основные части: ядро, сердцевину, заболонь и кору.

Ядро 2 отличает более темная окраска. Оно расположено посередине ствола. В центре ядра в виде круглого, четырех-пятиугольного или (как у дуба) звездчатого пятнышка диаметром 2-5 мм находится сердцевина 1. На радиальном разрезе хвойных пород сердцевина почти прямая, а у лиственных пород имеет извилистую форму.

Кора 4 на поперечном разрезе имеет форму кольца более темной, чем древесина, окраски. У взрослых деревьев в коре различают два слоя. Наружный слой, называемый коркой, является оболочкой, предохраняющей от испарения влаги, резких колебаний температуры и механических повреждений. Внутренний слой коры, называемый лубяным, является проводником органических питательных веществ вдоль ствола.

Заболонь 3 имеет наиболее светлую окраску. Породы древесины, у которых ядро ярко выражено, называют ядровыми. Если внутренняя часть ствола отличается от наружной только меньшим содержанием влаги, такие породы называют спело-древесными. Если же различий между внутренней и наружной частями ни по цвету, ни по влажности нет, то такие породы называют заболонными.

На главных разрезах дерева видны линии и полосы, составляющие рисунок древесины, или, как его часто называют, текстуру. Каждая порода древесины кроме характерного цвета имеет и свою текстуру.

Рисунок древесины возникает от ежегодного нарастания на поверхности ствола, ветвей и корней нового годичного слоя. Особенно хорошо эти слои заметны у хвойных пород. Ширина годичных слоев, определяемая на торцовом разрезе, зависит от породы, возраста, условий произрастания и положения в стволе. Так, например, у древесины ели, произрастающей в суровых горных условиях, ширина годичных слоев может колебаться в пределах 1 мм, а у ели, произрастающей в благоприятных условиях, может доходить до 3-4 мм и более.

По радиусу от сердцевины ширина годовых колец изменяется неравномерно. Наиболее широкие годовые кольца лежат в центральной части радиуса ствола, а ближе к сердцевине и дальше к коре ширина годовых колец уменьшается. У некоторых пород древесины наблюдают волнистость годичных колец, что придает поперечному срезу интересную текстуру (граб, тисс, можжевельник).

Более светло окрашенная и более мягкая часть годичного кольца называется ранней древесиной и образуется в первой половине периода нарастания слоя. Во второй половине образуется поздняя древесина, которая в годичном кольце окрашена темнее и твердость ее выше, чем у ранней древесины.

Все породы имеют в древесине своих стволов сучки. Для хвойных пород характерно расположение нескольких ветвей на одном уровне по высоте ствола. Эту часть ствола называют мутовкой. Лиственные породы характеризуются одиночным расположением ветвей. Наличие в древесине сучков делает ее мало, а подчас и совсем непригодной в производстве музыкальных инструментов. Так как годичные слои ствола при встрече с сучком изменяют свое направление, то для изготовления деки такую часть ствола ели не используют.

Абсолютно сухая древесина состоит из органических веществ, которые содержат в среднем 49,5 % углерода, 44,2 % кислорода (с азотом) и 6,3 % водорода. Минеральные соединения, получающиеся при сгорании древесины (зола), составляют 0,2-1,7 % общей ее массы.

Физические свойства древесины

Их подразделяют на следующие восемь групп: свойства, характеризующие внешний вид и макроструктуру древесины; влажность и свойства, связанные с ее изменением; плотность; водо- и газопроницаемость древесины; тепловые свойства; электрические свойства; действие излучений на древесину; резонансные свойства. В этой последовательности рассмотрим те группы физических свойств, с которыми приходится встречаться в производстве музыкальных инструментов.

Внешний вид древесины характеризуется цветом, текстурой, блеском, а также запахом.

Цвет древесины, как, впрочем, и цвет любого другого объекта, может быть определен с высокой степенью точности с помощью атласа цветов. В условиях индивидуальных мастерских и в музыкальной промышленности особая точность определения цвета не требуется. Но при подборе, например, двух половинок обечайки гитары следует обращать внимание на цвет древесины. Даже нарезанные из одного бруска клепки могут сильно отличаться по цвету. Детали с одинаковым цветом или оттенком при изготовлении инструмента стараются ставить симметрично.

Цвет древесины зависит от климатических условий. Древесина пород умеренного пояса имеет бледную окраску, породы же тропического пояса окрашены ярко.

Не меньшее значение в подборе древесины для музыкального инструмента имеет ее текстура. Она определяется строением древесины: чем оно сложнее, тем богаче и интереснее текстура. Древесина хвойных пород отличается простым строением. Текстура этих пород имеет незамысловатый рисунок из правильно чередующихся линий или даже прямых. Совсем другая картина видна на срезах лиственных пород. Всевозможные проблески, волны, игра линий и цвета показательны особенно для пород, произрастающих в теплых районах земного шара.

Хорошо проявляются цвет и текстура древесины под прозрачной отделкой лаками и политурами. Матовую отделку древесины, которая нашла широкое применение в мебельной промышленности, в производстве щипковых музыкальных инструментов пока не применяют.

Запах древесины зависит в основном от содержания в ней эфирных масел, смол и дубильных веществ. Сильным запахом обладает древесина хвойных пород, лиственные породы пахнут слабее. Особенно сильным запахом обладают тропические породы. Запах высыхающего дерева с течением времени ослабевает.

Ту структуру древесины, которую можно рассмотреть невооруженным глазом или с помощью простейших оптических приспособлений, называют макроструктурой. В числе характеристик макроструктуры особый интерес представляют ширина годичных колец и естественные неровности, возникающие от перерезания анатомических элементов древесины.

Естественными неровностями считают те поры древесины, которые открыты на плоскости среза. Размеры этих неровностей (а вернее сказать, впадин) превышают допустимый для полируемой поверхности размер 16 мкм. Поэтому перед отделкой поверхности древесины проводят специальную операцию порозаполнения и производят полирование с применением пемзового порошка.

Под плотностью материала понимают отношение его массы к объему. Измеряют плотность в килограммах, деленных на кубический метр. Плотность древесины в значительной степени зависит от ее влажности. Поэтому плотность древесины всегда пересчитывают, приводя к стандартному значению влажности (15 %). Определяют плотность древесины взвешиванием образцов стандартных размеров: 20 X 20 X 30 мм.

Средняя плотность различных пород древесины, кг/м3

Водо- и газопроницаемость древесины в условиях изготовления музыкальных инструментов в первую очередь интересна при окрашивании и особенно крашении, а тепловые свойства древесины важны при гнутье деталей музыкальных инструментов.

Уникальные звуковые свойства древесины сделали ее незаменимым природным материалом для изготовления музыкальных инструментов.

Наиболее интересной звуковой характеристикой древесины является скорость распространения звука в материале. В разных направлениях эта скорость различна, но выше всего она вдоль волокон древесины. Так, например, вдоль волокон березы звук распространяется со скоростью 4-5 тыс. м/с, что близко к скорости распространения звука в металлах (у меди 3,7 тыс. м/с). В. других направлениях скорость звука ниже в среднем в 4 раза.

Под резонансной способностью древесины подразумевают усиление звука без искажения тона, что имеет первостепенное значение при изготовлении дек музыкальных инструментов.

Резонансная способность древесины характеризуется акустической константой (или константой излучения).

Наивысший показатель акустической константы у ели составляет 12 м4с-1кг-1 (для сравнения: у березы 7,5 м4с-1кг-1,у клена 5,8 м4с-1кг-1).

К показателям звуковых свойств древесины относится логарифмический декремент (затухание) колебаний. Этот параметр характеризует способность звуковой энергии расходоваться на трение внутри материала. Если сделать у гитары деку, например, из стали, то, взяв последовательно несколько аккордов, мы услышим их наложенными друг на друга, т. е. предыдущие звуки не успеют затихнуть, как придут последующие. Еловая дека в силу своих звуковых качеств лишена этих недостатков.

Механические свойства древесины

Они характеризуют ее способность сопротивляться механическим усилиям. Эти качества древесины являются весьма важными при использовании древесины как конструкционного материала.

Механические свойства древесины делят на две группы: прочностные и упругие.

Прочностные свойства определяются напряжениями. Напряжение — это усилие, приходящееся на единицу площади поперечного сечения детали.

Наибольшее напряжение, которое может выдержать стержень из данной древесины, называют допускаемым напряжением, или пределом прочности. Эту характеристику прочностных свойств древесины изучают на специальных испытательных машинах, используя образцы, которые вырезают из различных пород древесины.

Второй немаловажной прочностной характеристикой древесины является ее твердость. Твердостью называют способность древесины сопротивляться внедрению в нее некоторого твердого тела. Испытания на твердость проводят в статических (когда в древесину вдавливают, например, стальной шарик) или в динамических (когда на древесину падает металлический шарик) условиях. В первом и во втором случае на поверхности древесины остаются отпечатки-вмятины, площадь которых характеризует твердость древесины.

Музыкальные инструменты являются изделиями долговременного употребления. Многие десятки лет работают они и не всегда в идеальных условиях. Особенно плохо приходится инструментам в условиях транспортировки. Поэтому корпуса инструментов предпочитают делать из твердолиственных пород и края инструментов обкладывать штапом из твердых пород.

Можно дать рекомендации по наиболее рациональному применению древесины в деталях музыкальных инструментов, в первую очередь грифа. Гриф щипковых музыкальных инструментов подвергается изгибу за счет натянутых струн. Поэтому для увеличения его жесткости годичные слои древесины заготовки лучше располагать в плоскости, перпендикулярной деке.

Различные породы древесины имеют довольно большие расхождения в значениях модулей упругости, причем значения модулей упругости (как и пределов прочности) у древесины различны в разных направлениях (в отличие от металлов).