Введение
Обработка дерева является одним из первых ремесел, которым овладел человек. Дерево – прочный, легкий и красивый материал, поэтому изделия из него давно вошли в быт людей и пользуются их неизменной любовью.
Столярная обработка родилась из плотницкого дела с появлением инструмента и приемов, дающих возможность получать гладкие или резные поверхности и точные детали. Сущность ее заключается в умении обработать, вырезать и соединить в изделии куски дерева, полученные из круглого ствола (вначале столярные изделия выполнялись в натуральной древесине – массиве).
Искусство резьбы по дереву получило развитие в оформлении иконостасов, предметов мебели, фасадов домов. Резные элементы, украшающие жилые постройки, в значительной степени определяли архитектурный стиль, придавали однотипным в плане домам индивидуальные черты, раскрывая своеобразие строительных традиций. Наибольшую славу сыскали мастера русского Севера и Центра, мастера Урала, Поволжья и Сибири, где до наших дней сохранились крестьянские и городские дома, представляющие собой уникальные произведения декоративно-прикладного искусства.
Для украшения интерьера и мебели использовали плоскорельефную и рельефную резьбу в двух ее разновидностях – барельефную с низким рельефом и горельефную с высоким рельефом; прорезную или пропильную в зависимости от того, каким инструментом выбирался фон – долотом или пилой, с плоским или рельефным орнаментом (ажурная); накладную – прорезную резьбу, наклеенную на деревянную основу.
В технике геометрической резьбы исполняли преимущественно геометрический орнамент; в технике скобчатой резьбы – геометрический орнамент, растительные узоры, сюжетные сцены; контурной резьбы – растительный узор, изображения зверей, птиц, человека, мотивы архитектуры, интерьера, предметы мебели, сюжетные сцены.
Сущность обработки древесины сохранилась с древнейших времен практически без изменений: дерево разрезают пилой, поверхность его выглаживают рубанком, отверстия проделывают буравом, долотом или стамеской.
Для резьбы нужно выбирать чистую древесину, без пороков, затрудняющих обработку и портящих внешний вид. Доски, предназначенные для резьбы, должны быть хорошо высушены. Влажность всех без исключения пород должна составлять 8–12 %. Древесина с большей влажностью легче режется, но поверхность среза получается ворсистой, недостаточно хорошо высушенная со временем может растрескаться, а излишне сухие материалы труднее режутся и часто скалываются. В процессе сушки нужно следить за тем, чтобы доски не растрескивались и не коробились.
Качественно высушенные доски разрезают на заготовки нужного размера, выстругивают до необходимой толщины и идеальной чистоты поверхности. Большие щиты для резьбы склеивают из узких досок, так как они меньше коробятся. Доски для склеивания щитов нужно подбирать с одним направлением годичных слоев. Разное направление весьма затрудняет работу резчика, а при окрашивании дает неоднородную тональность цвета.
Рабочую поверхность сборных щитов выверяют и зачищают двойным рубанком и циклей. Применение абразивных шкурок при обработке поверхности, предназначенной для резьбы, противопоказано, потому что зерна от шкурки, попадая в древесину, тупят инструмент. Следует знать, что резать легче на отдельных деталях, еще не собранных в изделие.
На сегодняшний день используются толстые бруски и доски, обладающие достаточной прочностью, и очень тонкие дощечки, такие как фанерный шпон (тонкий срез древесины), требующие несущей деревянной основы. Доски и бруски используются в скрытой конструкции и для лицевых, открытых взгляду частей изделия.
Поверхность досок и брусков обрабатывают выстругиванием, порезкой, точением.
Столярное искусство включает в себя как чисто ремесленную часть – обработку древесины инструментом и соединение деталей в изделие, так и творческую – умение выбирать и сочетать породы, чувствовать гармонию в изделии, украшать его резьбой таким образом, чтобы за ней не скрылась природная красота материала. Умение определить необходимое для данного изделия с учетом не только работы, но и эстетики – одна из главных составляющих столярного искусства. Мастер должен обладать чувством пропорций и тем, что называют «чувством дерева». Постичь всю премудрость, безусловно, непросто, но стремление преодолевать трудности и определяет настоящего мастера.
Цель этой книги дать основные сведения, знание которых необходимо при изготовлении и художественном оформлении довольно распространенных видов изделий из дерева, показать многообразие древесных материалов, познакомить с возможностями их применения в народных художественных промыслах, с техническими приемами их обработки и декорирования.
Свойства древесины
Строение древесины
Древесина является удивительным материалом, дарованным человеку природой. Она незаменима в народных художественных промыслах, в производстве различных изделий утилитарно-декоративного назначения, органично входящих в ансамбль современного быта. Древесина обладает высокими физико-механическими свойствами, благодаря которым ее можно точить, строгать, резать; красивой текстурой, позволяющей использовать ее для изготовления художественных изделий и сувениров. Но при этом она гигроскопична, вследствие чего в зависимости от влажности окружающей среды может разбухать или усыхать, коробиться или растрескиваться; подвержена разрушению и гниению. Поэтому прежде чем приступить к работе с древесиной, необходимо ознакомиться с ее свойствами, строением и пороками.
Растущее дерево состоит из следующих частей: корня, ствола, ветвей и листьев.
Корни питают дерево и удерживают его в вертикальном положении.
Ствол составляет основную массу дерева, занимая до 90 % его объема. Это наиболее ценная часть, являющаяся источником древесины.
Ветви выполняют роль каналов, по которым происходит обмен веществ между листьями и остальной частью дерева.
Листья служат для дыхания: поглощают из воздуха углекислый газ и выделяют кислород. По форме листья бывают узкие, игольчатые, и широкие. Деревья с узкими листьями, или хвоей, называются хвойными, а с широкими – лиственными. К хвойным породам относятся, в частности, сосна, ель, лиственница, кедр, тис, можжевельник; к лиственным – береза, дуб, бук, каштан, клен, липа, ольха, осина, ясень.
В зависимости от породы и условий произрастания продолжительность жизни дерева может составлять до 300 и более лет (дуб, сосна, липа, ель). Чем старше дерево, тем толще ствол и тем ценнее древесина.
Строение, внешний вид и свойства древисины зависят от направления волокон по отношению к оси ствола. Для того чтобы подробно ознакомиться со строением дерева, необходимо сделать три главных разреза: торцевой, тангенциальный и радиальный (рис. 1). Разрез, перпендикулярный к оси ствола, называется поперечным или торцевым, разрез, проходящий вдоль ствола через его сердцевину, – радиальным, а проходящий вдоль ствола на удалении от сердцевины, – тангенциальным.
Рис. 1. Основные разрезы ствола
На поперечном (торцевом) разрезе видны основные части ствола: кора, древесина и сердцевина.
Сердцевина расположена в центре и представляет собой рыхлую ткань диаметром 2–5 мм. Она чаще всего имеет вид небольшого темного пятна.
Между корой и древесиной расположен камбий – тонкий слой живых клеток, благодаря которому дерево растет в толщину. При этом нарастание древесины происходит примерно в 10 раз быстрее, чем коры.
Древесина составляет до 90 % и более объема ствола. Она состоит из ядра и заболони.
Ядро примыкает к сердцевине и представляет собой мертвую, не участвующую в физиологических процессах центральную зону.
Заболонь – живая зона древесины.
Кора состоит из двух слоев: наружного – корки и внутреннего – лубяного слоя. По лубяному слою выработанные в листьях продукты фотосинтеза поступают к корням. Наружный слой служит для защиты дерева от внешних воздействий.
В раннем возрасте древесина всех пород состоит только из заболони. Со временем живые элементы вокруг сердцевины отмирают, водопроводящие пути закупориваются и в них происходит отложение экстрактивных веществ (смол, таннидов, красящих веществ).
Древесина отечественных лесных пород обычно имеет светлые цвета, при этом у некоторых из них весь срез одного тона, у других центральная часть темнее. Темноокрашенная часть древесины – ядро, а светлая – заболонь. Породы, имеющие четкое различие между ядром и заболонью, называют ядровыми, например: сосна, дуб, ясень, яблоня, тополь, можжевельник и др.
Породы, в которых четкого различия нет, называют безъядровыми.
Безъядровые породы делятся на две группы: спелодревесные (ель, бук, осина, груша, липа, пихта), влажность центральной зоны которых меньше периферийной, и заболонные, влажность которых по сечению ствола одинаковая. К заболонным породам относятся лиственные – береза, клен, граб, липа, самшит, груша и др. Объем заболонной древесины уменьшается от вершины к комлю (нижней части ствола), а также с увеличением возраста дерева. У некоторых безъядровых пород (береза, бук, осина) наблюдается потемнение центральной части ствола, которую в этом случае называют ложным ядром.
По механическим свойствам заболонная древесина почти не отличается от ядровой, но она в свежесрубленном состоянии содержит больше влаги, более подвержена гниению и легче поражается насекомыми.
На поперечном разрезе ствола легко рассмотреть концентрические слои вокруг сердцевины – это годичные слои (кольца). Годичные слои нарастают от центра по одному в год и по их числу можно определить возраст дерева. Ширина годичных слоев неодинакова у разных пород и даже в разных местах одного дерева. Например, с южной стороны, где больше света, ширина годичных слоев больше. Засуха, холодное лето, излишняя влага и другие неблагоприятные условия ведут к уменьшению ширины годичных слоев. По их относительной величине на пне свежесрубленного дерева можно определить климатические особенности прошлых лет. Ширина годичных слоев зависит также и от положения в стволе. В нижней части ствола годичные слои наиболее узкие, выше ширина их увеличивается. У быстрорастущих пород, например ивы, тополя, ширина годичных слоев достигает 1–1,5 см.
Каждое годичное кольцо состоит из внутреннего и наружного слоя. Внутренний слой, называемый ранней древесиной, образуется весной и в начале лета. Древесина мягкая и светлая. Наружный слой, или поздняя древесина, нарастает к концу лета. Древесина твердая и темная.
В пределах годичного кольца плотность поздней древесины в 2–3 раза больше ранней. Количество поздней древесины влияет на плотность и механические свойства породы. В зависимости от места произрастания дерева его древесина может быть разной степени твердости.
В строительном деле особенно ценился так называемый мачтовый лес (прямые высокие стволы) и кондовая сосна, выросшая на сухом месте, с плотной и мелкослойной древесиной. Срубленная в декабре, она отличается особой прочностью (почти в 2 раза прочнее срубленной в феврале). Для изготовления бытовых изделий, например коробов, и для резьбы ценилась мягкая древесина мендовой сосны, выросшей на болотистой низине.
На поперечном разрезе хорошо заметны светлые, блестящие линии от сердцевины к коре – это сердцевинные лучи. Их ширина 0,005–1 мм. Широкие лучи имеют дуб и бук. Они могут быть окрашены контрастно к окружающей древесине и на тангенциальном разрезе напоминают чечевички или имеют веретенообразную форму, а на радиальном разрезе имеют вид блестящих, разной ширины и длины полосок или черточек. Количество сердцевинных лучей зависит от породы дерева: у хвойных их в 2–3 раза меньше, чем у лиственных. С увеличением количества сердцевинных лучей несколько ослабевает механические свойства древесины.
На поперечном разрезе лиственных пород видны отверстия различной величины – это сосуды, проводящие влагу в стволе, на поперечном разрезе березы и ольхи иногда можно обнаружить бурые или коричневые точки, черточки или пятнышки – это сердцевинные повторения, которые являются следствием повреждения древесины насекомыми.
Древесина хвойных и лиственных пород имеет свои отличительные особенности. Для древесины хвойных пород характерна сравнительная простота и правильность строения. Основную массу ее составляют расположенные рядами вытянутые клетки, называемые трахеидами. Их длина 2–10 мм, диаметр 0,02–0,05 мм. В стенках трахеид имеются поры, через которые они сообщаются с соседними клетками. Трахеиды ранней части годичного слоя имеют тонкие стенки и широкие полости, через которые поступают вода и растворенные в ней минеральные вещества. Трахеиды поздней части годичного слоя с толстыми стенками придают древесине прочность.
Особенностью строения древесины хвойных пород является наличие клеток, вырабатывающих и хранящих смолу. Так, у древесины сосны, кедра, ели и лиственницы имеется неприятная для деревообработчика особенность – смоляные ходы – каналы, наполненные смолой. Их количество и размер зависят от породы: у сосны смоляные ходы крупные и их много, у лиственницы – мелкие и немногочисленные.
Различают горизонтальные и вертикальные смоляные ходы. Длина вертикальных ходов 10–80 см, а их диаметр 0,1 мм. Горизонтальные смоляные ходы тоньше, но их очень много – до 300 штук на 1 см2 площади сечения ствола.
Строение лиственных пород более сложное, чем хвойных. Основную массу древесины составляют сосуды и древесные волокна.
Сосуды – это система клеток для проведения воды и растворенных в ней минеральных веществ от корней к листьям. Сосуды представляют собой трубки длиной в среднем 10 см (у дуба до 2 м) и диаметром 0,02–0,5 мм. Чем больше в древесине сосудов, тем она рыхлее. Вода из сосудов проходит к соседним живым клеткам через поры в боковых стенках.
В зависимости от характера сосудов различают кольцесосудистые и рассеянно-сосудистые породы.
Кольцесосудистой называется древесина, у которой крупные сосуды расположены сплошным кольцом в ранней древесине, а мелкие собраны группами в поздней (дуб, ясень, вяз, ильм, каштан, карагач и др.).
Рассеянно-сосудистыми называют породы, в которых крупные и мелкие сосуды распределены равномерно по всему годичному слою (липа, ольха, осина, береза, клен, самшит, бук, грецкий орех и др.).
Древесные волокна являются наиболее распространенными клетками у лиственных пород и составляют их основную массу. Это клетки с толстыми стенками и узкими полостями длиной 0,7–1,6 мм, шириной 0,02–0,05 мм. Одревесневшие стенки этих волокон являются наиболее прочными.
Химический состав древесины очень сложный. На долю неорганических веществ приходится 0,2–1,7 %. При сгорании древесины они дают золу. В состав древесины входят кальций, калий, натрий, магний, фосфор и другие элементы. Органическая часть включает: 49–50 % углерода, 43–44 % кислорода, 6 % водорода и 0,1–0,3 % азота. Из древесины получают: целлюлозу, спирт, смолу, камеди, танниды, скипидар и др.
Таким образом, основными признаками при определении породы являются: наличие ядра, ширина заболони, резкость перехода от ядра к заболони, различная степень видимости годичных слоев, разница между ранней и поздней древесиной, наличие и размеры сердцевинных лучей, диаметр сосудов, наличие смоляных ходов, их размер и количество.
Так, например, если вам попадется древесина, у которой хорошо заметны годичные слои из-за того, что поздняя древесина темнее ранней, нет сосудов, сердцевинные лучи очень тонкие и почти не видны, есть смоляные ходы, знайте это древесина хвойных пород.
Для определения породы древесины необходимо знать и дополнительные признаки, к которым относятся цвет, блеск, текстура и запах.
Цвет имеет большое значение при использовании древесины для изготовления художественных изделий. Цвет древесине придают дубильные, красящие вещества и находящиеся в полостях клеток смолы. Он изменяется в зависимости от породы и условий произрастания: породы умеренного климатического пояса имеют светлую окраску, породы теплых зон окрашены интенсивнее. Цвет зависит и от возраста дерева: молодая древесина окрашена светлее.
Блеск – способность древесины направленно отражать световой поток. Блеск древесины зависит от плотности, количества, размеров и расположения сердцевинных лучей. Сердцевинные лучи направленно отражают световой поток и на радиальном разрезе образуют блеск. Шелковистым блеском отличается древесина бука, ясеня, клена, ильма, платана, белой акации, дуба. Древесина осины, березы, липы, тополя, груши, яблони, самшита, тиса имеет матовую поверхность. Серебристым блеском обладает орех, муаровым переливом – волнистая береза. Блеск придает древесине красивый вид и может быть усилен полированием, лакированием и вощением.
Текстура – рисунок, получаемый на поверхности среза древесины. Она зависит от строения древесной породы и направления разреза. Текстура определяется шириной годичных слоев, разницей в окраске между ранней и поздней древесиной, наличием сердцевинных лучей, крупных сосудов, беспорядочным расположением волокон.
У древесины хвойных и мягких лиственных пород текстура довольно простая, у твердых лиственных пород – гораздо богаче. Красивые рисунки лиственные породы дают на радиальном и тангенциальном разрезах, хвойные – только на тангенциальном. Исключительно красивую текстуру дают срезы наростов – капов, сувелей со свилеватым (путанным) расположением волокон. Текстура древесины хорошо выявляется при полировании, лакировании, подкраске и травлении.
Запах древесине придают содержащиеся в ней эфирные масла, дубильные вещества, смолы и другие компоненты.
У хвойных пород – сосны и ели – характерный запах скипидара. Приятный специфический запах имеет древесина можжевельника. У дуба терпкий запах дубильных веществ.
Механические свойства древесины
Механическими свойствами древесины называют ее способность сопротивляться воздействию внешних сил. К ним относятся:
● прочность, характеризуемая пределом прочности, предшествующим разрушению;
● жесткость – способность сопротивляться деформации;
● ударная вязкость – способность при ударе поглощать работу без разрушения;
● твердость – способность сопротивляться проникновению другого твердого тела;
● плотность – количество древесной породы в 1 м3.
По степени твердости все древесные породы можно разделить на три группы: мягкие – сосна, ель, кедр, пихта, можжевельник, тополь, липа, осина, ольха, каштан, ива и др.; твердые – сибирская лиственница, береза, бук, вяз, дуб, ильм, карагач, платан, рябина, клен, яблоня, ясень и др.; очень твердые – белая акация, железная береза, граб, кизил, самшит, тис и др.
Плотность и твердость древесных пород зависят от содержания в годичных слоях поздней древесины. Чем больше поздней древесины, тем плотнее и соответственно выше механические свойства древесных пород. Между плотностью и прочностью древесины существует тесная связь: более плотная древесина оказывается, как правило, прочнее. Все вышеназванные свойства необходимо учитывать при обработке заготовок режущими инструментами.
По плотности древесину также можно разделить на три группы: породы с малой плотностью (540 кг/м3 и менее) – сосна, ель, пихта, кедр, тополь, липа, ива, ольха; породы со средней плотностью (550–740 кг/м3) – лиственница, тис, береза, бук, вяз, груша, дуб, ильм, клен, рябина, яблоня, ясень; породы с высокой плотностью (750 кг/м3 и выше) – белая акация, железная береза, граб, самшит, кизил.
Древесина лиственных кольцесосудистых пород имеет неодинаковую плотность: поздняя древесина плотная, ранняя – пористая. Такая древесина хорошо гнется, но плохо поддается лакированию и полированию. Древесина хвойных пород имеет малую плотность, лиственных рассеянно-сосудистых пород – значительно высокую, в силу чего хорошо обрабатывается, лакируется и полируется.
Наряду с древесиной в виде бревна, тесаных и пиленых досок, чураков, брусков и болванок разных форм народные мастера использовали для изготовления художественных изделий корни и ветви деревьев, кору и луб.
Ветви черемухи, прутья тальника, сосновый корень применяли для плетения мебели, корзин и всевозможной домашней утвари, для соединения или «сшивания» отдельных частей изделий, для изготовления обручей к бондарной посуде. Ствол молодой осины и сосны использовали для изготовления драни – ленты шириной до 10 см, необходимой для плетения хозяйственных коробов и корзин. Лубяная часть коры, очищенная от пробкового слоя и расправленная под гнетом, служила незаменимым материалом для изготовления коробов, туесков, хлебниц.
Таким образом опыт поколений народных мастеров основывается на рачительном отношении к природным богатствам, всемерном использовании даруемых природой материалов и практически безотходном производстве.