В.М. ЛАРЧЕНКО
Методические указания
к самостоятельному изучению
части курса
Лесосибирск
2017
МИНИСТЕРСТВО ОБРАЗОВАНИЯ И НАУКИ РФ
Лесосибирский филиал федерального государственного бюджетного
образовательного учреждения высшего образования
«Сибирский государственный университет науки и технологий
имени академика М.Ф. Решетнева»
В.М. Ларченко
ФИЗИКА ДРЕВЕСИНЫ
методические указания к самостоятельному изучению
части курса для студентов направления
35.03.02 Технология лесозаготовительных
и деревоперерабатывающих производств
очной, очно-заочной и заочной форм обучения
Лесосибирск 2017
Ларченко, В.М. Физика древесины [Электронный ресурс]: методические
указания к самостоятельному изучению части курса для студентов
направления
35.03.02
Технология
лесозаготовительных
и
деревоперерабатывающих производств очной, очно-заочной и заочной
форм обучения / В.М. Ларченко.– Лесосибирск, 2017. - 19 с.
Методические указания к самостоятельному изучению части
«Физика
древесины»
составлены
в
соответствии
с
курса
требованиями
Федерального государственного образовательного стандарта высшего
образования по направлению 35.03.02 Технология лесозаготовительных и
деревоперерабатывающих производств.
Рецензент: к.т.н., доцент кафедры ЭиЕД С.А. Черепанова
© В.М. Ларченко
© Лесосибирский филиал ФГБОУ ВО «Сибирский государственный
университет науки и технологий имени академика М.Ф. Решетнева», 2017
3
Введение
Цель курса физики древесины: углубленная, основанная на
физических аспектах древесиноведческой подготовки специалистов,
необходимой для активной инженерной и исследовательской деятельности
в области механической обработки древесины.
Задачи дисциплины: опираясь на общие древесиноведческие
сведения, фундаментальные основы физики и современные исследования в
области капиллярно пористого твердого тела углубленно изучить
физические основы свойств древесины.
Изучив курс «Физика древесины» студент должен:
знать: физические основы свойств древесины как комплекса природных
полимеров, основные физические характеристики и свойства
древесины; методы экспериментального определения физических
характеристик и качества древесины, основы расчетов физических
процессов в древесине, состояние и перспективы развития физики
древесины;
уметь: пользоваться методиками расчетов и моделирования физических
процессов в деревообработке, определять основные физические
характеристики древесины, выполнять анализ физических аспектов в
действующих
и
деревообработки,
разрабатываемых
пользоваться
новых
компьютером
и
технологиях
прикладными
программами для расчетов основных физических процессов;
владеть: общими древесиноведческими сведениями, фундаментальными
основами
физики
древесины,
навыками
исследовательской
деятельности в области механической обработки древесины.
В ходе изучения данного курса студент слушает лекции, посещает
практические и лабораторные занятия, занимается индивидуально. Особое
место в овладении данным курсом отводится самостоятельной работе, в
4
процессе которой студенты более глубоко изучают основные понятия,
законы, свойства и явления, протекающих в древесине.
При изучении тем по лекциям и рекомендуемой литературе, следует
обратить внимание на основные понятия, формулы и законы; на свойства
древесины, на сущность физических процессов в древесине, а также
области ее использования.
Для
лучшего
усвоения
изучаемого
материала
студенту
рекомендуется составлять конспект, в который следует вносить основные
положения рассматриваемых тем, новые понятия и термины, формулы,
законы и т. д. В тех случаях, когда материал поддается систематизации,
следует составлять графики, таблицы, диаграммы. Такое оформление
изучаемого материала облегчает запоминание и дает возможность сделать
соответствующие обобщения. Краткий конспект полезен при повторении
материала перед экзаменом.
Пока та или иная тема не усвоена, переходить к изучению новых тем
не следует. После изучения каждой темы надо ответить на вопросы для
самопроверки. Ответы должны быть полные и обстоятельные. Это
способствует более прочному изучению материала.
Сознательное
усвоение
учебного
материала
курса
«Физика
древесины» обеспечит студентам достаточно высокую подготовку,
необходимую
для
успешного
усвоения
последующих
общепрофессиональных дисциплин.
Изучение дисциплины «Физика древесины» расширяет знания о
древесине, делая их более фундаментальными. Такой подход к изучению
древесины позволяет создать необходимые условия для более глубокого
понимания
переработки.
явлений,
происходящих
технологических
процессах
ее
И в тоже время они будут необходимы для проведения
прикладных инженерных расчетов.
5
Темы для самостоятельного изучения
Тема 1 Понятие о физических свойствах древесины
Методические указания
К физическим свойствам относятся такие свойства древесины,
которые проявляются без изменения ее химического состава и нарушения
целостности. Знание физических свойств древесины имеет важное
значение, т.к. применение древесины в промышленности и строительстве в
ряде случаев определяется соответствующими показателями этих свойств.
К физическим свойствам древесины относятся ее плотность,
влажность, теплопроводность, звукопроводность, электропроводность,
стойкость к коррозии (то есть способность противостоять действию
агрессивной среды).
Вопросы для самоконтроля
1. Что называется плотностью древесины?
2. Что называется теплопроводностью древесины?
3. Что называется электропроводностью древесины?
Тема 2 Свойства, характеризующие внешний вид древесины
Методические указания
В производстве, при отделке помещений, при производстве
художественных изделий и музыкальных инструментов, большое значение
имеют декоративные свойства древесины, прежде всего ее текстура, а
также цвет и блеск. Поэтому не обходимо знать текстуру древесины на
разных разрядах и от сочетания каких макроэлементов она зависит, какие
вещества придают древесине окраску, древесина каких пород имеет
красивый цвет и обладает хорошим блеском.
Вопросы для самоконтроля
6
1. Текстура древесины на различных разрезах у пород разных классов.
Какие макроэлементы ее образуют?
2. Какие древесные породы обладают красивой текстурой?
3. Какие древесные породы обладают блеском и благодаря каким
элементам?
Тема 3
Влага в древесине. Влажность, способы определения
влажности. Виды влаги.
Методические указания
Большое
практическое
значение
в
деревообрабатывающих
производствах имеет влажность древесины. Необходимо уяснить себе, что
в древесине наблюдаются различные формы влаги, оказывающие
неодинаковое влияние на ее свойства и потому имеющие различное
значение при обработке и использовании древесине. Следует ясно себе
представлять, что такое предел гигроскопичности и предел насыщения
клеточных стенок и как влияет степень насыщенности клеточных оболочек
влагой на свойства древесины, как изменяется влажность древесины в
стволах растущих деревьев, каковы сезонные колебания влажности, какие
различают в практике степени влажности древесины, какая влажность
называется
абсолютной
и
какая
относительной,
что
такое
производственная и эксплуатационная влажность, какие существуют
способы определения влажность древесины.
Надо знать, в чем состоит процесс высыхания древесины; каковы
причины
неравномерного
распределения
влаги
в
древесине
при
высыхании; что такое градиент влажности, от каких факторов он зависит и
какое имеет значение в практике; как происходит передвижение влаги в
древесине в процессе высыхания при влажности ниже и выше предела
гигроскопичности; что такое влагопроводимость, какие факторы и как
влияют на коэффициент влагопроводимости; от чего зависит скорость
7
высыхания древесины при атмосферной сушке. При этом важно понять,
что
древесина
набухающим
относится
коллоидным
к
капиллярно-пористым
материалам
и
имеет
ограниченно
две
системы
влагопроводящих путей – макрокапиллярную и микрокапиллярную.
Вопросы для самоконтроля
1. Какие различают формы влаги в древесине и как они влияют на ее
свойства?
2. Что такое влажность абсолютная и относительная?
3. Какие различают степени влажности древесины?
4. Какие существуют методы определения в влажности древесины?
Тема 4 Предел гигроскопичности. Равновесная влажность. Диаграмма
равновесной влажности.
Методические указания
При
механической
эксплуатации
приходится
обработке
древесины,
считаться
с
ее
ее
хранении
и
влагопоглащением,
т.е.
гигроскопичностью. Надо уяснить себе, как происходит поглощение
древесной влаги из воздуха, что гистерезис сорбции и равновесная
влажность древесины и как она определяется, какие меры и средства
необходимо применять для уменьшения влагопоглощения древесины в
изделиях и деталях.
Вопросы для самоконтроля
1. Что такое предел гигроскопичности и как влияет степень насыщенности
клеточных оболочек влагой на свойства древесины?
2. Почему влага распределяется в древесине в процессе высыхания
неравномерно?
3. Что такое равновесная влажность древесины и как она определяется?
8
Тема 5 Высыхание древесины.
Методические указания
Высыхание древесины происходит неравномерно по сечению: в
первую очередь влага удаляется из поверхностных слоев.
При высыхании древесины удаляется в первую очередь свободная
влага; при этом размеры клеток не изменяются. Уменьшение связанной
влаги вызывает усушку, которая тем больше, чем плотнее древесина.
Различие между величинами усушки в радиальном и в тангенциальном
направлениях вызывает искажение поперечного сечения древесных
материалов. Быстрое высыхание толстых материалов может повести к
образованию внутренних напряжений и трещин, в особенности при
большом градиенте влажности; в тонких материалах градиент влажности и
внутренние напряжения невелики.
При
высыхании
древесины
влага
удаляется
раньше
из
поверхностных слоев, которые при этом уменьшают свои размеры, в то
время как внутренние слои их пока сохраняют; это ведет к образованию в
древесине внутренних напряжений.
При высыхании древесины в первую очередь удаляется вода,
заполняющая полости клеток - так называемая свободная, или капиллярная
вода, - затем уже вода, находящаяся в клеточных стенках, - так называемая
гигроскопическая. Содержание воды в точке насыщения лежит в пределах
от 20 до 23 % ( относительная влажность) в зависимости от породы и
особенностей древесины.
При высыхании древесины удаляется в первую очередь свободная
влага; при этом размеры клеток не изменяются. Уменьшение связанной
влаги вызывает усушку, которая тем больше, чем плотнее древесина.
Сухая древесина при увлажнении до 30 % разбухает. Различие между
величинами усушки в радиальном и в тангентальном направлениях
9
вызывает искажение поперечного сечения древесных материалов. Быстрое
высыхание толстых материалов может повести к образованию внутренних
напряжений и трещин, в особенности при большом градиенте влажности; в
тонких материалах градиент влажности и внутренние напряжения
невелики.
Вопросы для самоконтроля
1. Что такое высыхание древесины?
2. Как происходит высыхание древесины?
3. Как происходит передвижение влаги в древесине в процессе ее
высыхания при влажности ниже и выше предела гигроскопичности?
Тема 6 Механические свойства древесины.
Методические рекомендации
Под механическими свойствами древесины следует понимать ее
способность сопротивляться действию внешних механических сил.
Механические свойства древесины приобретают существенное
значение при ее использовании в строительстве, для специальных целей,
при механической и гидротермической обработке. В стандартах на
сортименты ответственного назначения предъявляются определенные
требования к физико-механическим свойствам древесины.
Механические
испытания
древесины
проводятся
с
целью
определения показателей прочности (предела прочности, твердости и
ударной вязкости) и жесткости, т.е. способности материала сопротивляться
деформированию – модулей упругости, модулей сдвига и коэффициентов
поперечной деформации. Следует иметь в виду, что древесина является
материалом растительного происхождения и имеет неоднородное слоистоволокнистое строение, поэтому определение ее механических свойств
отличается рядом особенностей. Вследствие неоднородного строения
10
древесина является материалом анизотропным и ее механические свойства
в различных направлениях неодинаковы. В связи с этим для получения
действительной
характеристики
механических
свойств
древесины
требуется производить ее испытание как вдоль, так и поперек волокон.
При
проработке
классификацию
этого
раздела
механических
необходимо
свойств
хорошо
древесины,
усвоить
ознакомиться
с
прочностными и деформативными свойствами древесины, иметь ясное
представление об упругой анизотропии и реологических свойствах
древесины, знать особенности
механических испытаний древесины,
влияние различных форм влаги на механические свойства древесины.
Нужно ознакомиться со стандартным методом испытаний древесины
на сжатие и растяжение вдоль и поперек волокон, на поперечный
статический
и
ударный
соответствующих
изгиб,
прочностных
сдвиг
со
способами
показателей.
вычисления
Необходимо
знать
особенности поведения древесины при действии ударных, вибрационных и
долговременных нагрузок. Надо представлять себе, как определяется
статическая и ударная твердость древесины; как сопротивляется древесина
раскалыванию и изнашиванию, какова ее способность удерживать
металлические крепления и подвергаться загибу. Следует знать, как
определяются
модуль
упругости
и
коэффициенты
поперечной
деформации; что такое удельные характеристики механических свойств и
расчетные сопротивления, какова их величина для древесины важнейших
древесных пород.
Следует усвоить расчетные формулы; знать основные показатели
механических свойств древесины в среднем для всех главнейших пород.
Вопросы для самоконтроля
1. Какие механические свойства древесины характеризуют ее прочность?
11
2. Особенности развития деформаций в древесине при кратковременных и
длительных нагрузках?
3. Что такое реология, от чего зависят реологические свойства древесины
и как определяются реологические коэффициенты?
4. Что понимается под упругой анизотропией древесины?
5. В чем состоят особенности механических испытаний древесины по
сравнению с другими материалами?
6. Постройте диаграмму зависимости между нагрузками и деформациями
при сжатии вдоль волокон, а также кривую зависимость прочности
древесины от ее влажности.
7. Как производятся испытания древесины на растяжение вдоль и поперек
волокон?
8. Как испытывается древесина на сжатие вдоль и поперек волокон?
9. Какие возникают в древесине напряжения при ее испытании на
статический поперечный изгиб и как определяется предел прочности?
10.Дайте характеристику прочности древесины при сдвиге.
11.Что характеризуют модули упругости и коэффициенты поперечной
деформации древесины и как они определяются?
12.Как определяется ударная вязкость древесины?
13.Что
называется
усталостью
и
пределом
долговременного
сопротивления древесины и как они определяются?
14.Как производится определение статической и ударной твердости
древесины?
15.От чего зависит способность древесины удерживать металлические
крепления и способность древесины к загибу?
16.Каковы пути определения прочности древесины без ее разрушения?
17.От чего зависит сопротивление древесины изнашиванию?
18.Что такое удельные характеристики механических свойств древесины?
12
19.Что такое расчетные сопротивления и почему они устанавливаются?
Тема 7 Значение тепловых, звуковых, электрических свойств,
воздействие электромагнитных излучений при промышленном
использовании древесины.
Методические указания
Следует знать, что такое плотность древесины, относительная
плотность древесинного вещества и условная плотность; какие факторы и
как влияют на них; способы определения этих показателей; как
вычисляется пористность древесины и как классифицируются древесные
породы по плотности их древесины.
Тепловые свойства древесины имеют важное значение при ее
использовании в жилищном строительстве, а также при гидротермической
обработке. Поэтому необходимо четко уяснить себе их сущность, способы
определения и влияние на них различных факторов.
Надо иметь представление о звуковых свойствах древесины и
показателях, их характеризующих; о
методах
их определения и
практическом значении. В связи с использованием древесины в
электротехнической
промышленности
и
применением
в
деревообрабатывающих производствах различных электротехнических
способов
обработки
определения
ее
древесины
влажности
и
следует
электрометрических
внимательно
методов
ознакомиться
с
электротехническими свойствами древесин и знать, от каких факторов и
как
зависят
электропроводность,
электрическая
прочность
и
диэлектрическая проницаемость. Следует ознакомиться со свойствами
древесины, проявляющимися при воздействии на нее различных видов
излучений, и иметь представление об их практическом значении.
Вопросы для самоконтроля
13
1. Как определяются плотность, относительная плотность древесинного
вещества и условная плотность древесины?
2. Какие факторы и как влияют на плотность древесины?
3. Что
такое
удельная
теплоемкость,
теплопроводность
и
температуропроводность и под влиянием каких факторов и как они
изменяются?
4. Какие показатели характеризуют звуковые свойства древесины и какое
они имеют практическое значение?
5. От чего зависят электропроводность, электрическая прочность и
диэлектрическая проницаемость?
6. Какое
воздействие
на
древесину
оказывают
электромагнитные
излучения и как практически используется проницаемость древесины?
Тема 8 Влияние различных факторов на физико-механические
свойства древесины.
Методические рекомендации
При проработке этой темы надо иметь в виду, что древесина
является материалом растительного происхождения, и потому ее строение
и
физико-механические
свойства
отличаются
большой
природной
изменчивостью в результате влияния различных факторов, кроме того, в
процессе деревообработки на качество древесины оказывают значительное
влияние сушка, пропаривание и проваривание. Важно уяснить, какая
существует связь между строением древесины и ее физико-механическими
свойствами; какое влияние на эти свойства оказывают сердцевинные лучи,
ширина годичного слоя и процент поздней древесины, плотность; имеется
ли разница в свойствах древесины заболони и ядра у хвойных и
лиственных пород.
Необходимо обратить внимание на связь между физическими и
механическими свойствами и между разными механическими свойствами
14
древесины, а также на закономерности в изменении физико-механических
свойств древесины по высоте и радиусу ствола у пород разных классов.
Надо иметь представление о влиянии на физико-механические
свойства
древесины
лесоводственно-эксплуатационных
факторов
(происхождения дерева, возраста, условий роста, времени рубки); знать,
как изменяются физические свойства и прочность древесины под
действием
искусственной
пропаривания
и
сушки,
проваривания,
высоких
и
ионизирующих
низких
температур,
излучений;
каковы
практические пути улучшения свойств древесины как материала.
Вопросы для самоконтроля
1. Как влияет строение древесины на ее физико-механические свойства?
2. Какая существует связь между средней шириной годичного слоя,
процентом поздней древесины и ее физико-механическими свойствами?
3. Расскажите о влиянии сердцевинных лучей на механические свойства
древесины?
4. Наблюдаются ли различия в физико-механических свойствах древесины
заболони и ядра у хвойных и лиственных пород?
5. Какая наблюдается зависимость между плотностью, процентом поздней
древесины и механическими свойствами?
6. Как изменяются физико-механические свойства древесины по радиусу
и высоте ствола у разных классов пород?
7. Влияют ли происхождение и возраст дерева на физико-механические
свойства древесины?
8. Как влияют условия произрастания на физико-механические свойства
древесины?
9. Как влияет время рубки на свойства древесины?
10.Влияет ли искусственная сушка на прочность древесины?
15
11.Какое влияние оказывает высокая температура на физико-механические
свойства древесины?
12.Какими механическими свойствами обладает замороженная древесина?
13.Какое влияние оказывают пропаивание и проваривание древесины на ее
прочность?
14.Постройте диаграмму влияния влажности на прочность древесины при
разной температуре.
15.Как влияют ионизирующие излучения на механические свойства
древесины?
16
Библиографический список
Основная литература
1. Ермолин, В. Н. Физика древесины. Курс лекций [Электронный ресурс]:
учеб. пособие / В. Н. Ермолин, В. М. Ларченко. - Лесосибирск: Лф СибГТУ, 2011. – 50
с. – Режим доступа: http://www.lfsibgu.ru/elektronnyj-katalog
2. Демитрова, И. П. Физика древесины: учебное пособие [Электронный ресурс]
/ И. П. Демитрова, А. Н. Чемоданов. – Йошкар-Ола: ПГТУ, 2016. – 160 с. – Режим
доступа: http://e.lanbook.com/book/92573
3. Коломинова, М.В. Курс лекций по физике древесины [Электронный ресурс]:
учеб. пособие / М. В. Коломинова, Н. А. Северова. – Ухта: УГТУ, 2012. – 72 с. – Режим
доступа:
lib.ugtu.net/system/files/books/2012/kolominova_m.v._kurs_lekciy_po_fizike_drevesiny_2012.pdf.
4. Рыжова, Н.В. Физика древесины [Электронный ресурс]: учеб. пособие / Н.В.
Рыжова, В.В. Шутов. – Кострома: КГТУ, 2009. – 75 с. – Режим доступа:
www.kstu.edu.ru/univer/misc/Fizika%20drevesiny.pdf.
Дополнительная литература
5. Физика древесины [Электронный ресурс]: электронно-образовательный
ресурс / сост. В.М. Ларченко. – Лесосибирск: Лф СибГТУ, 2011. – Режим доступа:
http://www.lfsibgu.ru/elektronnyj-katalog
6. Физика древесины [Электронный ресурс]: методические указания к
выполнению контрольных работ для студентов направления 35.03.02 / В.М. Ларченко.
– Лесосибирск:
Лф СибГТУ, 2016. – Режим доступа: http://95.188.96.193/cgibin/irbis64r_01/cgiirbis_64.exe.
7. Филонов, А.А. Технология деревообработки [Электронный ресурс]: учебное
пособие / А.А. Филонов. – Воронеж: ВГЛТА, 2008. – 116 с. – Режим доступа:
e.lanbook.com.
8. Ермолина, Т. В. Гидротермическая обработка и консервирование древесины.
Сборник задач [Текст]: учеб. пособие / Т.В. Ермолина, А.А. Орлов. – Красноярск:
СибГТУ, 2005. – 68 с.
9. Расев, А.И. Сушка древесины [Текст]: учеб. пособие / А.И. Расев. – М.:
МГУЛ, 2007. – 224 с.
10. Боровиков, А. М. Справочник по древесине [Текст] / А. М. Боровиков. – М.:
Лесн. пром-сть, 1989. – 268 с.
Специализированные периодические издания
11. Естественные и технические науки [Текст]: журнал / учредитель Компания
«Спутник+». – 2002 - . – М.: Спутник+, 2004-2015. - Выходит шесть раз в год. – ISSN
1684-2626.
12. Успехи современного естествознания [Текст]: научно-теоретический журн. –
2001 - . – М.: Академия естествознания, 2004-2005. – Выходит ежемесячно. - ISSN
1681-7494.
13. Дерево.RU [Текст]: деловой журн. по деревообработке. – 2002 - . – М.: ООО
«РП Бизнес», 2004 – 2015. – Выходит шесть раз в год.
17
Содержание
Введение …………………………………………………………………..........3
Темы для самостоятельного изучения:
Тема 1 Понятие о физических свойствах древесины ……..………………..5
Тема 2 Свойства, характеризующие внешний вид древесины ……………..5
Тема 3 Влага в древесине. Влажность, способы определения влажности.
Виды влаги ……………………………………………………………………..6
Тема 4 Предел гигроскопичности. Равновесная влажность.
Диаграмма равновесной влажности ………………………….………………7
Тема 5 Высыхание древесины ……………………………….………………8
Тема 6 Механические свойства древесины …………………………………9
Тема 7 Значение тепловых, звуковых, электрических свойств, воздействие
электромагнитных излучений при промышленном использовании
древесины ……………………………………………………………………..12
Тема 8 Влияние различных факторов на физико-механические
свойства древесины ………………………………………..………………...13
Библиографический список ……………..………………………….………16
ВИКТОР МИХАЙЛОВИЧ ЛАРЧЕНКО
ФИЗИКА ДРЕВЕСИНЫ
методические указания к самостоятельному изучению
части курса для студентов направления
35.03.02 Технология лесозаготовительных
и деревоперерабатывающих производств
очной, очно-заочной и заочной форм обучения
