Древесина всегда стремится быть в равновесии с относительной влажностьюокружающего воздуха. После длительной выдержки во влажном воздухе древесинаможет содержать 22-23% воды. В очень сухом воздухе содержание влаги в деревеможет упасть до 5%. Однако связанные с этим колебания веса материала имеютвторостепенное значение по сравнению с влиянием влажности на свойства древесины,в частности на ее усадку или разбухание. Каждый процент изменения влажностидает около половины процента усадки или разбухания. Обычные колебания влажностивоздуха могут вызвать колебания поперечных размеров от 5 до 10%, то естьдо 1 см на доску шириной 10 см. И если плотники-любители, располагая выбором,предпочтут использовать широкие доски, то профессионалы будут мудрее: онивозьмут узкие доски, чтобы уменьшить перемещения в каждом отдельном стыке.Конечно, 5-10% усадки или разбухания не так уж часто случаются, но и 1-2%могут вызвать много неприятностей. Краски и лаки снижают колебания влажностив дереве, но не исключают их, так как нет красок, совершенно не проницаемыхдля паров воды.
Даже в помещении относительная влажность непрерывно изменяется, особенно междудневным и ночным временем. Полы и мебель "следят" за влажностью воздуха, аотсюда - скрипы и треск по ночам. Если каким-то образом удержать древесину отусадки при уменьшении влажности, она будет расщепляться: ведь она почти неимеет прочности на разрыв поперек волокон. Если геометрически ограничитьвозможность древесины разбухать, то при увеличении влажности может возникнутьвесьма значительное давление. Египтяне использовали это давление дляоткалывания огромных глыб в каменоломнях, так была получена иглаКлеопатры.
Предварительно форма будущего куска размечалась канавкой на поверхности,эта же канавка служила концентратором напряжений. Затем вдоль канавки долбилисьглубокие отверстия, в которые загонялись сухие деревянные колья. Их заливаливодой, и, пропитавшись влагой, дерево раскалывало камень вдоль требуемойлинии.
Усадка морских канатных снастей и парусной ткани - в принципе то жесамое. Отдельные волокна с изменением влажности изменяют не длину свою,а толщину, а остальное делает геликоидная геометрия каната и текстильнойпряжи: веревки и одежда, намокая, становятся короче. Льняные паруса былиособенно пористыми, и, чтобы уменьшить пористость, их замачивали.
Итак, мы видим, что самым важным следствием воздействия влажности надревесину является ее разбухание. С практической точки зрения влияние влажностина механические свойства, пожалуй, менее существенно. До предела намоченноедерево сохраняет примерно третью часть прочности и жесткости совершенносухого дерева. Биологические материалы всегда работают в насыщенном состоянии- таким образом, ценою потери прочности снимается проблема усушки и разбухания.В технике целлюлоза никогда не используется в идеально сухих условиях,поэтому величины прочности и жесткости ее совсем не так плохи, как иногдаэто может показаться,
Сырую древесину гнуть немного легче, чем сухую; но больше всего облегчаетгибку дерева нагрев. Так, прежде чем гнуть древесину для теннисных ракетокили шлюпочных шпангоутов, ее пропаривают. Часто считают, что пар делаетс древесиной что-то особенное. Это неверно, просто пропаривание - всеголишь удобный путь нагрева древесины без ее высушивания, и механизм действияздесь в точности тот же, какой используют парикмахеры для завивки волос.Иногда древесину перед гибкой оборачивают влажными горячими тряпками. Этаоперация помогает термической изоляции древесины, сохраняет ее тепло, предохраняетот слишком быстрого охлаждения. Древесина может без особого для себя вредавыдержать "влажный" нагрев примерно до 140°С, однако сухой нагрев, конечно,вызовет растрескивание вследствие усушки.
Выдержка древесины
Можно услышать довольно много вздора, о так называемой выдержке древесины.Об этом любят толковать старые мастера и романтичные, но несведущие любители.Древесина, как мы уже знаем, состоит из закрытых трубок, которые в живомрастении частично заполнены водой или, точнее, соком. В свежесрубленномдереве содержание воды может быть различным, оно может даже превышать повесу количество сухого вещества. Примерно 25% этой воды абсорбировано,притянуто гидроксильными группами к стенкам волокон, остальная жидкостьсодержится внутри клеток. Во время выдержки большая часть воды удаляется.Выдержка в основном представляет собой операцию сушки и ничего более. Простосодержание влаги в дереве приводится к условиям, примерно равновесным сусловиями окружающей среды, в которых ему предстоит работать: если этогоне сделать, то изделие всегда будет под угрозой коробления от усушки. Дляиспользования под открытым небом приемлема влажность 20%, для неотапливаемыхпомещений - около 15%, а для помещений с паровым отоплением - примерно8-10%.
Клетки дерева представляют собой закрытые веретенообразные трубки, поэтомузаключенной внутри них воде не так-то легко выйти наружу. Единственнаявозможность - медленное проникновение воды через стенки трубок. Такой процессне представляет трудностей, если иметь дело с единичной клеткой. Но ведьбревно содержит многие тысячи таких клеток, и вода из внутренних клетокдолжна просочиться через стенки большинства других клеток, лежащих на еепути наружу. Для этого необходимо поддерживать разницу влажностей междувнутренним объемом древесины и окружающей средой. Чем больше эта разница,тем быстрее будет удаляться влага. С другой стороны, при слишком резкомперепаде влажности наружные слои в ходе сушки окажутся заметно суше внутренних,будут больше сжиматься и, следовательно, расщепляться и растрескиваться.Поэтому, чтобы не повредить древесину, ее нельзя сушить слишком быстро.Традиционный способ выдержки - на открытом воздухе или под навесом. Присушке таким путем для досок толщиной 20-50 мм требуется около года, а длякрупных дубовых заготовок для судов - около семи лет. С примитивными методамии знаниями ничего другого и не придумаешь, В былые времена лучшие судоверфии хорошие каретники держали залежи ценной древесины, уже выдержанной илинаходящейся в процессе выдержки - это было одной из причин высокой стоимостиих изделий.
В последние годы было предпринято много технологических исследованийпо выдержке лесоматериалов, в результате разработан ряд способов ускореннойбезопасной сушки для древесины всех сортов и размеров. Тщательный контрольскорости сушки в больших сушильных печах позволяет свести время процессак дням и неделям. Другой путь, также сокращающий время сушки,- современнаятенденция применять пиломатериал меньших сечений, используя надежные клеи.Древесина, которая подобающим образом сушилась в печах (печи эти довольнодороги и требуют квалифицированного обслуживания), нисколько не хуже "натурально"выдержанной. Более того, в процессе сушки для нее менее вероятно подхватитьгрибковую инфекцию.
Содержание влаги в дереве можно определить путем взвешивания небольшогообразца до и после печной сушки. В промышленности процент влажности определяетсяпортативными приборами, которые измеряют электрическое сопротивление междудвумя вбитыми в бревно иглами. Такая процедура дает ответ намного быстрее.
Если содержание воды в древесине меньше 25%, то вся она связана с гидроксильнымигруппами в стенках клеток. Когда влажность достигает примерно 25%, гидроксилыоказываются насыщенными и стенки клеток не могут больше принимать воду;в таком случае говорят, что достигнута точка насыщения волокон. До этойточки полости клеток остаются пустыми, выше нее практически вся добавочнаявлага идет на заполнение трубчатых клеток. Все изменения размеров и механическихсвойств, обусловленные колебаниями влажности, проявляются только ниже точкинасыщения волокон, то есть между 0 и 25% влажности. По достижении точкинасыщения никакого дальнейшего разбухания не происходит, и добавочная водапросто увеличивает, причем весьма заметно, вес древесины.
Удельный вес вещества дерева около 1,45 г/cм,однако свежесрубленное дерево в воде не тонет (за исключением очень тяжелыхпород), потому что даже в невыдержанной древесине очень много воздуха.Но если оставить дерево в воде, то, пропитавшись водой, оно в конце концовзатонет, хотя для этого и потребуется, как и в случае естественной сушки,довольно много времени. В свое время экипаж "Кон-Тики" беспокоило, какповедут себя в плавании пробковые бревна плота, хотя скорость их пропиткине была очень высокой. Американские клиперы середины прошлого века с тремявпившимися в небо мачтами, сделанные из легкого, "мягкого" дерева, пропитывалисьводой, не прослужив и десяти лет. Однако за годы службы они, вне всякихсомнений, сполна окупали себя. Твердая древесина, которая обычно шла напостройку английских кораблей, была гораздо более водостойкой: можно привестинесколько примеров, когда деревянные суда служили больше столетия.
Разложение древесины
Гниение древесины вызывается грибком, который паразитирует за счет целлюлозы:грибки вообще не имеют хлорофилла и не могут производить для себя сахарпутем фотосинтеза. Споры различных грибков практически всегда имеются надереве, подобно тому, как многие болезнетворные микробы живут в организмечеловека, оставаясь пассивными до той поры, пока не наступят подходящиеусловия. Болезнь дерева, гниение не может развиваться при влажности меньше18%, хотя споры сохраняют жизнеспособность в довольно сухой древесине,дожидаясь дождливого дня. Однако и при влажности выше 18% грибок еще нерастет, если обеспечена хорошая вентиляция. С другой стороны, если влажностьбудет около 15%, то нужно совсем немного затхлости в каком-нибудь невентилируемомуглу, чтобы началось гниение. Контролировать влажность древесины удаетсяне всегда, но всегда можно обеспечить хорошую вентиляцию, и это будет гарантироватьсохранность конструкции.
Сейчас существует много химикатов, убивающих активные споры и грибокв древесине, но их не всегда удобно применять в старых и сложных строениях:до пораженных частей не доберешься без дорогостоящей разборки конструкции.Однако почти всегда можно позаботиться об эффективной вентиляции.
В кругообороте веществ в природе некоторые процессы разложения оченьсущественны; не будь их, Земля не только была бы завалена стволами ранееживших на ней растений, но и все земные запасы углерода оказались бы связаннымив целлюлозе - жизнь не могла бы продолжаться. С этим связано главное возражениепротив использования биологических материалов человеком: "планы" природыотносительно отживающих организмов могут вступить в конфликт с нашими намерениями.
Деревянные суда
Деревянный парусник обеспечил в свое время экспансию Запада и потомуболее, чем какой-либо другой продукт техники, определил сегодняшние условияв нашем мире. Деревянные парусники открывали новые земли, они делали картуЗемли. Они перевозили пассажиров и войска, эмигрантов и каторжников, путешественникови рабов. На них грузили золото и уголь, станки и книги, чай и шерсть, хлопоки дешевую жесть. Они везли это не только за тридевять земель, но и вдольпобережья, по рекам. Многие сотни лет военный корабль был самым вескимаргументов королей, которые часто пускали его в ход.
Деревянные корабли - отнюдь не дела давно минувших дней, на памяти нашегопоколения существовали первоклассные пассажирские парусные суда, плававшие вАвстралию.Живы адмиралы, которые начинали службу на деревянных парусниках.
Хотя примерно в середине прошлого века как корпуса, так и оснастка судовбыли значительно усовершенствованы, в течение предшествующих трех-четырехстолетий основные принципы конструирования оставались неизменными. Ониопределялись двумя факторами: разбуханием древесины и высокой стоимостьюметаллов.
Несущая конструкция большого корабля делалась из естественно изогнутойдревесины, для таких элементов как шпангоуты, выбирались стволы деревьев,на корню принявших подходящую форму. Водонепроницаемая обшивка и палубанакладывались поверх частой решетки шпангоутов и продольных балок примерноквадратного сечения, пересекающихся со шпангоутами под прямым углом. Этарешетка не имела диагональных связующих элементов, способных восприниматьсдвиг. Кромки примыкающих одна к другой планок обшивки не связывались междусобой механически, зазор между ними имел форму V-образной канавки. В этуканавку с помощью специального конопаточного зубила и деревянного молотказагонялась пакля, которую делали из отслуживших свое канатов обитателитюрем и работных домов.
Поверх пакли между планками оставался открытый зазор шириной примерно1 см. На палубах его заливали потом с помощью специального черпака горячейсмолой. После того как смола застывала, ее излишки легко соскребались -в холодном состоянии смола становится достаточно хрупкой. В итоге палубарасчерчивалась изящными черными линиями. Для днища и боков судна использоваласьспециальная замазка. Смысл всех этих операций заключался в том, чтобы заставитьпаклю компенсировать усушку и разбухание деревянной обшивки, а также -в некоторой степени - деформацию корпуса без заметного нарушения герметичности.
Вся конструкция была - в известной мере это делалось умышленно - довольногибкой, вроде большой корзинки. Вероятно, не без оснований считалось, что,кроме компенсации усушки и разбухания древесины, такая гибкость корпусавносила свой вклад в скоростные качества и добротность корабля. По-видимому,суда викингов и полинезийские каноэ были еще менее жесткими. Уже в викторианскиевремена, когда корабли комбинированной конструкции стали намного жестче,было специально построено несколько гоночных клиперов с корпусами, жесткостькоторых можно было изменять по желанию. Об одном из таких судов, когдаоно вырывалось вперед, в экипажах соперников шутили: "Они там развинтилиболты, и мы их уже никогда не увидим".
В гаванях деревянные суда были, как правило, водонепроницаемыми, новсе они, без исключений, начинали течь, когда выходили в море. Иногда течьбывала незначительной, а порой грозила опасностью. Несмотря на вековойопыт, корабельных дел мастера никак не могли, кажется, понять, что такоесдвиг. Любая конструкция типа оболочки, подвергнутая изгибу и кручению,претерпевает значительные сдвиги в обшивке, а ведь этому как раз и подвергаетсякорабль в море, особенно парусник. Но традиционная корабельная конструкциябыла подобна раме ворот без диагональных брусьев.
Поскольку в конструкции судна никаких специальных элементов, эффективновоспринимающих сдвиг, не было, он воспринимался все той же паклей, котораяпопеременно то сжималась, то возвращалась в прежнее состояние, подобногубке. Время от времени (правда, на удивление редко) плывущий корабль выплевывалшпаклевку из какого-нибудь подводного шва. Случалось, что судно после этоготонуло. Однако чаще оно начинало течь и текло, текло… В этих случаяхопасность была не столько в том, что корабль немедленно затонет, скольков том, что непрерывная откачка воды измотает силы команды, доведя матросовдо такого состояния, при котором может случиться все что угодно.
Когда ситуация грозила катастрофой, можно было попытаться "подпоясать"корабль, обвязав его с помощью тросов, пропущенных под корпусом, подобнотому как об этом сказано в Новом Завете. С тех пор эта уловка повторяласьмного раз, и очень может быть, что именно сейчас где-нибудь в океане еепроделывают с каким-нибудь суденышком. Смысл этой операции заключаетсятолько в одном - снабдить корпус судна воспринимающими сдвиг элементами.Но пока она не будет выполняться со знанием дела и точностью, которые,пожалуй, невероятны в подобных обстоятельствах (например, следует направитьтрос под углом примерно 45° к оси судна), она, надо думать, будет не болееуспешной, чем на корабле "Св. Павел".
Что касается британского военного флота, то основные неприятности стечами кончились где-то около 1830 года, когда Роберт Сеппингс (1764-1840)предложил делать в деревянных корпусах кораблей железные диагональные крепления,Сеппингс, который часто приговаривал, что "частичная прочность приводитк общей непрочности", был, вероятно, одним из первых кораблестроителей,понявших картину напряженного состояния корабельного корпуса. В торговомфлоте деревянные корпуса были в основном заменены комбинированными и металлическимиконструкциями лишь во второй половине прошлого века. Однако продолжалистроиться и деревянные суда без соответствующего укрепления корпуса противнапряжений сдвига. Старея, такие суда текли все больше. Они текли, а ихэксплуатировали, пока это было экономически выгодным в условиях почти исключительноручной откачки. Между прочим, вплоть до 1914 года норвежские судовладельцыпокупали английские парусные суда и эксплуатировали их с ветряными помпами.
Несмотря на недостатки, деревянные военные парусники находились на вооружениифлотов на протяжении трех-четырех веков, и адмиралтейства расставалисьс ними с сожалением, так как эти корабли были по-своему очень эффективныи экономичны. Они имели хороший радиус действия, были выносливы, независимостьот морских баз позволяла им бесследно исчезать в океанских просторах -все эти достоинства флоты обрели вновь лишь недавно, с приходом атомныхподводных лодок.
Активные действия флота случались не часто, угрозой был сам факт егосуществования. Однако до середины XVIII века считалось непрактичным круглый годдержать флот в море, так как зимой корабли быстрее портились. Правда, усилиямипреданных своему делу офицеров эти трудности преодолевались. Каждому, ктознаком с характером побережья, парусными судами и молекулой целлюлозы,длившаяся круглый год блокада Бреста и Тулона должна показаться почтиневероятной. "Эти стоящие вдали избитые штормами корабли, которых Великаяармия никогда не видела, стояли между нею и мировымгосподством".