Без понимания, как устроено дерево, невозможно понять, что такое древесина, получить полные знания о её физических и механических свойствах, а значит, и успешно проектировать и эксплуатировать деревянные конструкции. 

Дерево, даже одной и той же породы, не является совершенно однородным, стандартным материалом. Поэтому, обычно, даются некоторые средние характеристики, позволяющие сравнивать свойства различных древесных пород.

Строение дерева

Независимо от породы, растущее дерево имеет:

  • корни
  • ствол 
  • крону 

Строение дерева

Независимо от породы каждое дерево имеет корни, ствол и крону

Корни

Корни служат не только для укрепления дерева в почве и удержания его в вертикальном положении, а самое главное, для питания дерева из почвы водой и питательными веществами, необходимыми для его жизни и роста.

Ствол

Ствол – наиболее ценная часть дерева. Это основная его часть, так как объем ствола составляет от 50 до 90% от всего объема дерева. В растущем дереве ствол выполняет несколько функций:

  • проводит от корней к кроне и обратно воду и питательные вещества;
  • сохраняет запас этих веществ;
  • служит опорой кроне.

У самой земли дерево обычно имеет самый большой диаметр ствола (толщину), постепенно и равномерно уменьшаясь кверху. В живом, растущем дереве, каждый год появляется новый конусообразный слой древесины. Каждый следующий слой выше и большего диаметра.

Форма и вид ствола зависят как от породы дерева, так и от среды его обитания. Растущая в лесу сосна имеет прямой высокий ствол и небольшую крону. Такая же сосна, но растущая на открытом месте – невысокий неровный ствол и пышную крону.   

Крона

Крона дерева состоит из ветвей, несущих на себе листву или хвою. Листья и хвоя поглощают из окружающего воздуха нужные дереву химические вещества. Именно в хвое и в листьях под воздействием солнечных лучей разлагается содержащийся в воздухе углекислый газ на углерод и кислород.

Углерод затем соединяется с веществами, поступающими через корни из почвы и используется для роста и питания дерева. Кислород выделяется в воздух. Излишняя влага, поступающая в дерево из корней, также испаряется через листья и хвою.

 

Строение ствола дерева

Ствол дерева состоит из:

  •  коры
  •  камбия
  •  древесины
  •  сердцевины
Строение ствола дерева

Ствол дерева состоит из коры, камбия, древесины и сердцевины

 

Кора дерева

Кора покрывает всю поверхность дерева и служит ему для защиты от повреждений и вредных воздействий окружающей среды. Она состоит из трех слоев, из которых только два видны невооруженному глазу: наружный пробковый и обращенный внутрь ствола лубяной.

Так как пробковый слой расположен снаружи дерева, то его основная задача —  предохранять древесину от высыхания, механических повреждений, морозов, перегрева, резких перепадов температуры и других внешних воздействий.

Также, как и внутренняя часть дерева — древесина, кора ежегодно нарастает в толщину, однако этот прирост очень мал, и к тому же, наружные слои в виде чешуи постепенно отпадают, так как пробка – это мертвые клетки, заполненные воздухом. Поэтому кора никогда не достигает такой толщины, как древесина.

Лубяной слой (луб) коры состоит из незаметных для глаза мелких трубок, по которым вода и питательные органические вещества, выработанные в листьях и хвое, перемещаются вниз по стволу к корням.

 

Камбий

Между мертвой корой и живой древесиной расположен камбий — очень тонкий сочный слой живых клеток, не видимый невооруженным глазом. Эта живая часть ствола, питаясь нисходящими соками лубяного слоя коры, непосредственно участвует в росте дерева.

Рост дерева в толщину происходит в результате деления клеток камбия. В результате деления клетки камбия, одна из дочерних клеток остается камбиальной, а другая идет или на образование элементов древесины, или на образование коры. Деление клеток камбия в сторону древесины происходит раз в десять чаще, чем в сторону коры, вследствие чего древесина нарастает значительно быстрее коры.

Внутренняя часть клеток камбия (около 90%) образует ксилему — особые проводящие сосуды, по которым минеральные вещества и вода поднимаются от корней дерева, по стволу к его верху. Таким образом, из внутренних клеток камбия формируется заболонь – новый годичный слой древесины.  

Наружная часть клеток камбия (около 10%) идет на формирование других сосудов – флоэмы. По этим сосудам органические вещества, образовавшиеся в листьях и хвое, спускаются вниз по дереву. Таким образом, из наружных клеток камбия формируется лубяной слой коры.   

Камбий действует только весной и летом, когда в стволе появляется много соков, которыми он питается. Результатом деятельности камбия является образование вокруг уже существующей древесины новых слоев, так называемых годичных слоев древесины, по количеству которых определяется возраст дерева. Зимой работа камбия затухает настолько, что рост дерева прекращается.

Разрезы древесины

Поперечный, тангентальный и радиальный разрезы древесины

В годичном слое древесины вначале образуются тонкостенные клетки ранней древесины, которые у хвойных деревьев заметно светлее, чем клетки поздней древесины, у которых стенки толще. Ранняя древесина должна быстро доставлять питательные вещества от корней к листьям; клетки поздней древесины служат, главным образом, для укрепления ствола.

В тропических районах зоны прироста образуются в период смены засухи и дождей. Здесь прирост наблюдается не каждый год. Вечнозеленые тропические деревья, рост которых не прерывается периодом покоя, не образуют годичных колец.

Ширина годичных колец бывает от 1 до 10 мм, и это зависит от возраста дерева, климатических условий, состояния почвы и воздействия вредителей. От этих же условий зависит и доля ранней и поздней древесины в дереве. Как правило, быстрорастущие деревья образуют широкие годичные кольца, а медленно растущие – узкие.

Однако, если рассматривать общий поперечный распил, то видно, что наиболее важную роль в годичном кольце играет поздняя древесина.

Древесина

Для строительства основное промышленное значение имеет древесина, (состоящая из заболони и ядра), которая в растущем дереве занимает большую часть ствола.

Заболонь (или оболонь) – молодая, не омертвевшая еще часть древесины, находящаяся ближе к поверхности дерева. Состоит из живых, физически активных древесных клеток. Служит для проведения воды от корней вверх по стволу в крону и для отложения запасных питательных веществ.

Ядро – наиболее старая по возрасту часть древесины, расположенная ближе к сердцевине, состоящая из омертвелых клеток, не принимающих участия в жизни дерева. Однако, это самая прочная и устойчивая часть древесины, заключающая в себе наибольшее количество смол, камедей и пр. Ядро имеет более темную окраску, а в свежесрубленном дереве и меньшую влажность, чем заболонь.

У всех молодых деревьев, независимо от породы, древесина состоит только из заболони. У некоторых пород деревьев с течением времени отмирающие клетки, отложения смолы и дубильных веществ образуют ядро. Образование ядра начинается у разных пород в разном возрасте. У дуба, например, это происходит довольно рано – в возрасте 8-12 лет, у сосны значительно позднее – на 30-35 год жизни дерева.

Превращение древесины в ядровую начинается тогда, когда в стволе образуется достаточно широкая заболонь, способная подавать влагу от корней в крону. Внутренняя часть ствола освобождается от выполнения этой задачи, живые элементы древесины отмирают, влагопроводящие каналы блокируются, уменьшается содержание влаги в древесине.

В отмерших клетках ядра отлагаются такие субстанции, как красители, смолы, жиры, дубильные и каучукообразные вещества. Древесина пропитывается дубильными и красящими веществами, в результате чего темнеет, становится тяжелее, тверже, способна лучше противостоять вредителям. У нее возрастает стойкость к гниению, несколько увеличивается плотность.

Закупорка водопроводящих путей древесины ядра имеет как положительное значение, так как она становится практически непроницаемой для воды и воздуха, так и отрицательное, так как при пропитке древесины антисептиками, ядро обычно не пропитывается.

Граница между ядром и заболонью обычно не проходит целиком по одному годичному кольцу. По разнице окраски заболони и ядровой древесины и по образованию последней деревья подразделяются на следующие группы:

1. Деревья с ядровой древесиной (дуб, сосна, лиственница). У этих деревьев темное ядро отделено от более светлой заболони цветовой гранью.

Спил сосны

Спил сосны

2. Деревья с преобладанием ядровой древесины (ель, красный бук, пихта). У этих деревьев содержание влаги в ядровой древесине ниже, чем в заболонной, но цветом они не отличаются.

Спил ели

Спил ели

3. Деревья без ядровой древесины, с одной лишь заболонной – с более сухой центральной частью ствола. Это спелодревесные, заболонные породы (клен, граб, липа, береза), у которых все течение ствола окрашено равномерно

Спил березы

Спил берёзы

 

Сердцевина

Сердцевина – внутренняя, центральная часть ствола, состоящая из рыхлых малопрочных тканей, образованных в первые годы жизни дерева.

 

Микроструктура древесины

Микроструктуру хвойной древесины лучше всего понять, рассматривая три взаимно перпендикулярных разреза ствола:

1. Поперечный (торцевой), образуемый при сечении поперек его оси;

2. Радиальный, проходящий вдоль ствола, по радиусу, те есть, через его центр;

3. Тангентальный (тангенциальный), проходящий вдоль ствола вне центра, то есть по хорде окружности.

Разрезы ствола дерева

Разрезы ствола дерева: 1- поперечный; 2- радиальный; 3- тангентальный 

На поперечном (торцевом) разрезе дерева видно, что в центре ствола находится сердцевина. Вокруг сердцевины, занимая практически всю площадь поперечного разреза, располагаются концентрические слои древесины — годичные слоя (кольца прироста). Это название вызвано тем, что толщина ствола ежегодно увеличивается на один слой, нарастающий по окружности ствола, поэтому по количеству годичных слоев, видимых на поперечном разрезе ствола или пня, судят о возрасте дерева.

На каждом из трех разрезов ствола годичные слои выглядят по-разному. На торцевом они образуют более или менее правильные окружности, на радиальном – прямые, слегка волнистые линии, а на тангентальном – кривые конусообразные полосы.

На разрезах можно наблюдать сердцевинные лучи, которые служат для проведения питательных соков, поступающих от листьев или хвои через лубяной слой коры внутрь ствола, а также для хранения питательных веществ.

На каждом из разрезов сердцевинные лучи образуют характерный для каждой породы рисунок.

На поперечном разрезе они видны как узкие полоски (их не следует смешивать с трещинами), направленные от коры к сердцевине. Лучи могут быть длинными, соединяющими сердцевину с корой, и тогда они носят название первичных сердцевинных лучей в отличие от вторичных, которые не доходят до сердцевины. Их размеры неодинаковы у разных пород дерева.

На радиальном разрезе лучи хорошо заметны в виде светлых или широких ленточек, а на тангентальном – наблюдаются в виде темных черточек, имеющих острые концы и направленных вдоль волокон.

 

Сердцевинные лучи у бука

Сердцевинные лучи у бука на разрезах: а — поперечном; б — радиальном; в — тангентальном

На наружной окружности древесина ствола замыкается корой и слоем камбия, находящегося между корой и древесиной.

Древесина состоит из клеток, которые образуют проводящие, опорные и запасающие ткани.

Основной объем у хвойных пород (90-95%) занимают ранние и поздние трахеиды. Они представляют собой сильно вытянутые веретенообразные омертвевшие клетки с одревесневшими оболочками и с кососрезанными концами.

Ранние трахеиды образуют раннюю древесину в каждом годовом слое. Клетки ранних трахеид внутри имеют широкую внутреннюю полость, а их тонкие стенки пронизаны множеством окаймленных пор. Благодаря такому строению клеток, ранние трахеиды выполняют проводящие функции — проводят воду и питательные вещества в крону дерева. 

Поздние трахеиды входят в состав поздней древесины и являются механическими элементами. В отличие от ранних трахеид, стенки поздних сильно утолщены за счет резкого уменьшения внутренней полости клетки. Это позволяет им образовывать опорные ткани, обеспечивающие прочность ствола.

Из запасающих клеток образуются узкие сердцевинные лучи и смоляные ходы. Древесные клетки хвойных, вследствие содержания в них смолы, называются смоляными клетками. Эти клетки соединены в длинные вертикальные ряды. Смоляных клеток нет только в древесине тиса. У сосны, ели, лиственницы и кедра имеются, кроме того, вертикальные и горизонтальные смоляные ходы.   

Схема строения древесины

Схема микроскопического строения древесины сосны: 1 — годичный слой; 2 — сердцевинные лучи; 3 — вертикальный смоляной ход; 4 — ранние трахеиды; 5 — поздние трахеиды; 6 — окаймленная пора; 7 — лучевая трахеида

 

Древесина лиственных пород имеет более сложное строение. Основной ее объем составляют волокна либреформы, сосуды, трахеиды и запасающие ткани сердцевинных лучей. Трахеи лиственных пород , а по-другому их называют сосудами, состоят из большого количества члеников с перфорациями на окончаниях. Тысячи трахей образуют сквозные трубки, соединяясь между собой. Еще одна структура, называемая либреформами — это весьма вытянутые и заостренные на концах волокна лиственных пород, обеспечивающие твердость и прочность древесины.

Схема микроскопического строения древесины дуба: 1 — годичный слой; 2 — сосуды; 3 — крупный сосуд ранней древесины; 4 — мелкий сосуд поздней древесины; 5 — широкий сердцевинный луч; 6 — узкие сердцевинные лучи; 7 — либроформ

На поперечных срезах лиственных пород можно увидеть водопроводящие сосуды. Кольце-сосудистыми называют породы, у которых в ранней древесине расположены мелкие и крупные сосуды по концентрическим окружностям. Их типичным представителем является дуб.

Расположение водопроводящих сосудов

У кольце-сосудистых пород водопроводящие сосуды располагаются по концентрическим окружностям

У рассеянно-сосудистых лиственных пород сосуды равномерно распределены по ширине годичного слоя. Представителем таких пород является грецкий орех.

Расположение водопроводящих сосудов 1

У рассеянно-сосудистых пород водопроводящие сосуды равномерно распределены по ширине годичного слоя

В хвойных породах, идущих главным образом на строительство, таких как сосна, ель, кедр, идущие вдоль ствола сосуды сплошь заполненные смолой. Это так называемые смоляные ходы.  У древесины пихты и тиса смоляных ходов нет.

Особенности строения древесины хвойных и лиственных пород обуславливают их технические (физические и механические) свойства.