Однажды, в ходе телефонного разговора, некто спросил меня: «А насколько прочен дуб?»
Удивлённый таким вопросом, размышляя о том, с чего начать рассказ, я протянул: «О-о, дуб очень прочный».
«Это хорошо, потому что я конструирую стол и хочу, чтобы он был прочный, так что я, пожалуй, использую дуб», - сказал собеседник и повесил трубку.
Мой ответ был ужасен, поскольку он не содержал никакой информации, и я даже почувствовал себя виноватым, что не сумел подробно объяснить суть проблемы. Сам предмет прочности или механических свойств древесины является гораздо более сложным, нежели видится на поверхности и на простой вопрос типа «насколько прочен дуб?» невозможно дать краткий ответ. Во-первых, механика материалов это отдельная научная дисциплина, сложная даже для простых материалов, по строению «гомогенных» (т. е. структура которых однородна) и «изотропных» (имеющих одинаковые свойства в любом направлении), таких как сталь, например. Дерево же является материалом анизотропным и гетерогенным, подверженным разнице между породами, биологическому непостоянству и целому ряду природных неравномерностей строения и дефектов.
Что касается того телефонного разговора, то лучше бы мой собеседник спросил: «что нужно для того, чтобы сделать прочный стол?» Тогда я смог бы ответить. Во-первых, вам необходима хорошая конструкция, такая, чтобы она могла нести предполагаемую нагрузку, эффективно распределяя ее между всеми компонентами. Во-вторых, стол должен быть хорошо изготовлен и собран, особенно это касается соединений и креплений. В-третьих, должна быть подобрана такая древесина, чтобы ее прочность соответствовала конструкции, а ещё лучше, чтобы конструкция была продумана с расчетом на прочность древесины. В общем, в се эти три позиции взаимосвязаны. Но сейчас мы будем говорить о прочности дерева, а не о конструкции или процессе изготовления.
Из всех свойств дерева прочность, пожалуй, представляет наибольшую важность для деревообработчика. Она не только определяет механические свойства законченной детали, но также является значимым фактором в процессах сушки, обработки, гнутья, склеивания и скрепления. При рассмотрении прочности необходимо помнить о структуре дерева, поскольку его свойства могут разительно отличаться в продольном, радиальном или тангентальном направлениях. Также необходимо знать об отношении древесины и влаги.
Подробное обсуждение свойств прочности могло бы занять толстый учебник. Несмотря на это, я собираюсь рассмотреть некоторые принципы, которые, на мой взгляд, пригодятся деревообработчикам и послужат отправной точкой при необходимости дальнейших исследований.
Изучение прочности – наука точная, и для того, чтобы правильно вести разговор, необходимо ввести математические формулы и символы. В то же время, в ходе разговора станет ясно, что имея дело с древесиной, во многом надо полагаться на собственную оценку и интуицию. Но базовые принципы всё равно важны.
Для начала давайте определим такие термины, как нагрузка и напряжение.
Нагрузка, это – единица силы, то есть количество силы или груза, приходящееся на единицу площади. Представим себе еловый брусок с размерами 2 х 2 х 10 дюймов, имеющий влажность 12%, с прямолинейным расположением волокон. Прикладываем к одному его концу нагрузку в 2000 фунтов. Вычислим нагрузку:
P/A = 2000 lb./4 in2 = 500 lb./ in2
(Или 500 psi, где psi – аббревиатура «pound per square inch», т.е. фунтов на квадратный дюйм).
(1 фунт = 0,453 кг; 1 дюйм = 25,4 мм, ред)
Напряжение есть единица деформации, то есть деформация на единицу первоначальной длины. В случае с нашим бруском, случись нам точно измерить его длину до и после приложения нагрузки, мы бы выяснили, что он деформировался бы на 0,0004 дюйма.
Прочность часто определяют, как способность сопротивляться приложенной нагрузке, и прочность материала является синонимом сопротивлению материала. В этом смысле мы заинтересованы не только узнать, какой максимальный груз или нагрузку может выдержать материал, но и выяснить, как он при этом будет деформироваться. При рассмотрении прочности древесины отношение нагрузки и растяжения представляет первостепенную важность.
Возвращаясь к нашему бруску, приложим к нему равномерно увеличивающиеся величины нагрузки или напряжения, и с каждым увеличением их будем замерять полученную деформацию или растяжение. Собрав серию измерений, от минимальной нагрузки до разрушения образца, построим график.
Мы видим, что максимальный груз, который выдержал брусок, составил 17 600 фунтов, максимальная сила растяжения – 4400 psi. Результаты испытаний показывают ещё одну особенность дерева. До нагрузки величиной 3250 psi нагрузка и напряжение пропорциональны: то есть каждое увеличение нагрузки ведет к пропорциональному увеличению напряжения. Эта характерная пропорциональность свойств некоторых материалов известна, как закон Гука, по имени Роберта Гука, который обнаружил это явление в 1678-м году. За пределом пропорциональности дополнительные увеличения нагрузки приводят к значительно большим увеличениям напряжения, пока, наконец, не наступает разрушение образца. На рис. 3 показаны типичные случаи разрушения при сжатии параллельно волокну.
Для дерева предел пропорциональности находится примерно между первой и второй третями от максимальной нагрузки. Важность закона Гука в том, что дерево обладает эластичностью до предела пропорциональности, то есть напряжение снимается при снятии нагрузки. Образец, подвергнутый нагрузке X, чей уровень находится ниже предела пропорциональности, дает напряжение Y. Когда нагрузка снимается, напряжение возвращается к нулю. Если образец нагружают за предел пропорциональности, то снимается только часть напряжения. И величина 0 – Y называется остаточной деформацией.
Эти фундаментальные принципы механики легко продемонстрировать с помощью молотка. Если вы несильно ударите им по доске, ее поверхность останется неизменной. Хотя древесина и промялась под ударом, она мгновенно вернулась к прежней форме, как только молоток отскочил. Но если вы ударите сильно, как если бы промахнулись по гвоздю – на дереве навсегда останется вмятина. Произошло только частичное восстановление эластичности, оставшаяся вмятина демонстрирует остаточную деформацию.
Продолжение следует.
