1.2.2.2. Механические свойства

Они характеризуют способность древесины сопротивляться воздей­ствию внешних сил (нагрузок) и внутренних напряжений. По характеру действия эти нагрузки подразделяются на статические, динамические и вибрационные. Статические нагрузки возрастают медленно и плавно и, по достижению определенного значения, их величина либо остается по­стоянной, либо изменяется медленно и плавно. Динамические (ударные) нагрузки действуют мгновенно, достигая сразу всей максимальной вели­чины. Вибрационные нагрузки непостоянны по величине (импульсные), меняющие направление. По продолжительности действия нагрузки де­лятся на постоянные и временные. Под воздействием внешних сил или каких-либо других воздействий в древесине возникают напряжения.

Прочность. Определяется способностью древесины сопротивляться механическим усилиям (растягивающим, сжимающим, изгибающим, скалывающим и т.п.). Благодаря анизотропии ее механические свойства неодинаковы в разных направлениях. Так, прочность поперек волокон составляет 0,1-0,3 прочности вдоль волокон. Кроме того, прочность дре­весины существенно зависит от ее влажности, причем влияние оказывает только гигроскопичная влага, с ростом которой прочность снижается. После достижения предела гигроскопичности (точки насыщения воло­кон) влажность практически не влияет на прочность древесины.

Испытания древесины на прочность производятся на образцах разме­ром 20х20х30 мм, лишенных пороков. Результаты испытаний обрабаты­ваются методом вариационной статистики в пересчете на стандартную влажность, равную 12 %:

R₁₂ = Rw[1+a(W-12)] [МПа],

где R_w - предел прочности при влажности W, МПа; W- влажность испы­туемой древесины, %; а - поправочный коэффициент на влажность, ко­торый показывает, на сколько изменяется прочность древесины при из­менении влажности на 1 % (в пределах влажности от 0 до 30 %) [4].

Древесина характеризуется высокой прочностью при растяжении вдоль волокон. В среднем она составляет 120 МПа, что в 2-3 раза пре­вышает прочность при сжатии в этом же направлении. Однако проч­ность при растяжении поперек волокон очень мала и составляет всего 6 МПа, поэтому следует избегать таких конструктивных решений, при которых древесина работает на растяжение поперек волокон. Прочность при растяжении мало зависит от влажности, но весьма существенно из­меняется у одной и той же породы в зависимости от строения и наличия пороков. Прочность при статическом изгибе также очень высока: она превышает прочность при сжатии вдоль волокон в среднем в 1,5-2 раза и составляет около 70-80 % прочности при растяжении, поэтому дере­вянные балки выдерживают очень большие нагрузки [5]. Прочность при скалывании имеет значение при устройстве врубок.

Коэффициент конструктивного качества (удельная прочность). Величина удельной прочности древесины при растяжении вдоль волокон приближена к сортам высокопрочной стали, следовательно, древесина по показателю коэффициента конструктивного качества конкурирует с современными конструктивными материалами.

По величине коэффициента конструктивного качества древесина опережает такие материалы как бетон, керамический и силикатный кир­пич, стекло и ситаллы, металлы и сплавы, подавляющее большинство природных каменных материалов, но уступает пластмассам.

Статическая твердость. Она численно равна нагрузке, которая не­обходима для вдалбливания в образец половины металлического шарика радиусом 5,64 мм, что соответствует площади отпечатка шарика в 1 см². Твердость древесины по торцу на 15-50 % больше, чем в радиальном и тангенциальном направлениях. Согласно значений показателя твердости к мягким древесным породам относятся: сосна, кедр, пихта, тополь, ель, осина, ольха; к твердым - дуб, бук, граб, береза, вяз, лиственница, клен. Твердые породы труднее обрабатываются, но обладают повышенной износостойкостью.

Жесткость. Способность древесины деформироваться под нагруз­кой, характеризуется модулем упругости:

Е = R/e [МПа],

где R - предел прочности древесины, МПа; e - относительная деформа­ция.

Модули упругости при сжатии и растяжении вдоль волокон одинако­вы и для сосны составляют 12 300 МПа.

Кроме того, древесина стойко сопротивляется ударным и вибрацион­ным нагрузкам. Это позволяет изготовлять из нее детали сложных кон­фигураций и надежно их соединять. В отличие от других видов строи­тельных материалов древесина легко поддается механической обработ­ке. Это ее свойство, а также малая масса (по сравнению, например, с же­лезобетоном и металлом) облегчают конструирование не только про­стых, но и сложных изделий. Для обработки древесины не требуются большие физические усилия, при этом применяются простые инстру­менты. Именно поэтому дерево издревле служило материалом для воз­ведения жилищ, изготовления орудий труда, предметов быта.