AGRIS - 

2017

Glukhikh, V.N. | Okhlopkova, A.Yu.

В статье проанализированы результаты работ отечественных и зарубежных авторов в области напряженно-деформированного состояния древесного ствола и распределения внутренних напряжений в нем. Установлено, что на начальные напряжения, при их дальнейшем изменении в процессе роста деревьев, накладываются циклические напряжения растяжения и сжатия, возникающие при ветровой нагрузке. Древесный ствол, как уравновешенная система и живой организм, стремится компенсировать возникающие нагрузки за счет увеличения плотности стенок клеток, изменения их структуры - скручивания. Возникновение предельных нагрузок и цикличность нагрузок при раскачивании могут приводить к микроповреждениям - трещинам. У хвойных пород образовавшиеся полости заполняются природным антисептиком - смолой. Под воздействием переменных сжимающих и растягивающих напряжений происходит дальнейшее увеличение полостей и заполнение смоляных кармашков. С учетом характера начальных напряжений в радиальном и тангенциальном направлениях кармашки в среднем будут длиннее в зонах наибольших радиальных напряжений растяжения. Целью исследования являлось обоснование местоположения наибольшего скопления смоляных кармашков. Основываясь на том, что форма ствола соответствует форме стержня равного сопротивления, при котором напряжения в наружных волокнах при изгибе должны быть одинаковыми по всей высоте дерева, был произведен расчет окружных и радиальных напряжений по радиусу сечения ствола. При учете взаимосвязи между размером ядровой зоны, напряжениями в центре и по контуру сечения и пределами прочности древесины при статическом изгибе и сжатии для расчета начальных напряжений в стволе древесины лиственницы даурской методами сопротивления материалов применена функция распределения начального продольного напряжения в виде параболоида 14-й степени. В результате получены эпюра суммарного напряжения в стволе, на основе обобщенного закона Гука - график распределения главной относительной деформации в радиальном направлении по диаметру сечения ствола. В качестве подтверждения теории формирования смоляных кармашков проведены лабораторные испытания для определения пределов прочности при статическом изгибе и сжатии вдоль волокон с учетом соотношения радиусов ядровой и заболонной древесины в образцах. Изучение локализации кармашков по диаметру сечения стволов лиственницы даурской показало, что наибольшее их количество расположено в зоне максимальной радиальной деформации. | The paper analyzes the study results of native and foreign authors of the strain-stress state and distribution of internal stresses in a tree stem. The cyclic tensile and compressive stresses, arising at the wind load, are superimposed on the initial stresses when their further modifications in the tree growth process. The tree stem as a balanced system and a living organism strives to compensate the arising loads by increasing the density of cell walls and changing their structure - twisting. The occurrence of extreme loads and cyclic rocking loads can cause microdamages - cracks. The cavities of coniferous trees are filled with a natural antiseptic - resin. A further increase of cavities and filling of resin pockets occur under the influence of fluctuating compression and tensile stresses. In accordance with the nature of initial stresses in the radial and tangential directions, the pockets on the average are longer in the zones of the greatest radial tensile stresses. The goal of research is the substantiation of the location of the greatest resin pockets accumulation. Based on the fact that the shape of a trunk corresponds to the shape of a rod of equal resistance, in which the stresses in the outer fibers during bending should be the same over the entire height of the tree, we have calculated the circumferential and radial stresses along the radius of the stem cross section. Taking into account the relationship between the size of the core zone, stresses at the center and along the outline of the section and ultimate strength of wood under static bending and compression, the authors have used the distribution function of the initial longitudinal stress in the form of a paraboloid of the 14th degree to calculate the initial stresses in the Dahurian larch stem by the material resistance methods. As a result, the epure of stem total stress has been obtained. According to the generalized Hooke's law, we have designed a distribution graph of the main relative strain in the radial direction along the diameter of the stem cross section. As a confirmation of the theory of the resin pockets formation, we have conducted the laboratory tests to determine the strength limits when static bending and compression along the fibers, taking into account the ratio of radii of heartwood and sapwood in the samples. The study of the pocket localization along the diameter of the stem cross section of Dahurian larch has proved that the greatest resin pockets accumulation is in the zone of maximum radial deformation.

Show more [+]

Less [-]

Northern (Arctic) Federal University - Russian Federation

2017

Molodtsova, M.A. | Sevast'yanova, Yu.V.

The rapid development of natural sciences, based primarily on a significant expansion of technical capabilities of research and entwinement of the achievements of chemistry, physics, biology and other fields of natural sciences, has been observed in recent decades. This contributed to the appearance of new fields of chemistry (laser chemistry, plasma chemistry, photochemistry, high-pressure chemistry) in the second half of the 20th century. Microwave chemistry as a promising direction, which arose at the intersection of physics and chemistry, joined to these new branches in the last 10…15 years. It includes chemical conversions with participation of solid dielectrics and liquids associated with the use of microwave field energy or MW-field. Microwave irradiation (MWI) is capable to accelerate many chemical reactions by a factor of hundreds, cause rapid volumetric heating of liquid and solid samples, efficiently (quickly and completely) remove moisture from solids, including highly porous, drugs and modify the properties of various sorbents. The application of microwave energy instead of currently used thermal energy of heat carriers in industrial installations can significantly simplify the technological schemes, exclude all processes and devices related to the preparation of a heat carrier and reduce harmful emissions into the atmosphere. Limitations for microwave radiation application are mainly due to the lack of equipment for industrial use. | Бурное развитие естественных наук, которое наблюдается в последние десятилетия, опирается на существенное расширение технических возможностей проведения исследований и тесное переплетение достижений химии, физики, биологии и других областей естествознания. Это способствовало тому, что во второй половине XX в. появились новые области химии (лазерная химия, плазмо- и фотохимия, химия высоких давлений). В последние 10…15 лет уже XXI в. к их числу присоединилось и перспективное направление - микроволновая химия, которая возникла на стыке физики и химии. Она включает химические превращения с участием твердых диэлектриков и жидкостей, связанные с использованием энергии микроволнового (или сверхвысокочастотного) поля. Установлено, что микроволновое излучение способно в десятки и сотни раз ускорять многие химические реакции, вызывать быстрый объемный нагрев жидких и твердых образцов, эффективно (быстро и полностью) удалять влагу из твердых, в том числе и высокопористых, препаратов, модифицировать свойства различных сорбентов. Применение энергии микроволн вместо используемой в настоящее время тепловой энергии теплоносителей в промышленных установках позволяет значительно упростить технологические схемы, исключить все процессы и аппараты, связанные с подготовкой теплоносителя, а также снизить вредные выбросы в атмосферу. Ограничения для применения микроволного излучения связаны главным образом с отсутствием оборудования промышленного назначения.

Show more [+]

Less [-]

Northern (Arctic) Federal University - Russian Federation

2017

Vrublevskaya, V.I. | Matusevich, V.O. | Kuznetsova, V.V.

Физико-механические свойства древесины зависят от количества влаги, находящейся в клеточных стенках и связанной с ее компонентами. Однако до сих пор нет четкого представления о местонахождении связанной влаги в древесинном веществе клеточных стенок. Цель исследования состояла в том, чтобы теоретически обосновать сорбционную способность компонентов древесины и смоделировать данный процесс на наноуровне с учетом размеров молекул и атомов. Для моделирования был взят основной и наиболее изученный компонент древесины - целлюлоза. Разработанная нами пространственная сферическая модель макромолекулы целлюлозы и расположение ее звеньев в элементарной ячейке позволили объяснить механизм поглощения влаги клеточной стенкой древесины на молекулярном уровне. Гидроксильные группы макромолекул целлюлозы и молекул воды имеют одну природу, так как электроотрицательность составляющих их атомов совпадает по значению, что позволяет им легко образовывать межмолекулярные водородные связи в одном слое и между соседними слоями в кристалле. Водородная связь по своему характеру является электростатической. Энергия ее примерно в 10 раз меньше энергии межатомных ковалентных связей. Электроотрицательности ОН-групп молекул целлюлозы и воды совпадают по значимости, поэтому при определенных энергетических условиях окружающей среды молекула воды, разрывая межмолекулярную водородную связь молекулы целлюлозы, тут же замыкает ее на себя. Точно также молекула воды покидает водородную связь, если она обладает достаточной кинетической энергией, чтобы сдвинуться с места. Проникновение молекул воды в кристалл целлюлозы происходит путем перемещения их из одной водородной связи в другую. Молекулы воды удерживаются в этих связях только за счет своей электроотрицательности. Таким образом, механизм взаимодействия микрокристаллита целлюлозы с влагой определяется тем, что молекулы воды удерживаются в водородных связях гидроксильных групп глюкопиранозных звеньев макромолекулы целлюлозы и имеют возможность перемещаться между ними. При внедрении молекулы воды в водородную связь расстояние между OH-группами целлюлозы увеличивается на ее размер, и при влагопоглощении разбухание кристаллической структуры целлюлозы составляет около 12 %. Молекулы воды образуют водородные связи с лигнином и гемицеллюлозой так же, как с целлюлозой. Расчет, произведенный через молекулярные массы элементарных звеньев макромолекул, показывает, что максимальное количественное содержание физически связанной влаги в древесине составляет около 30 %, что соответствует многочисленным экспериментальным данным других исследователей. | The physical and mechanical properties of wood depend on the amount of moisture in the cell walls, associated with its components. However, we still have no clear idea of the location of bound moisture in the wood substance of the cell walls. The goal of research is to substantiate theoretically the sorption ability of wood components and to simulate this process at the nanoscale, taking into account the size of molecules and atoms. We consider cellulose as the main and most studied component of wood for modeling. The developed spatial spherical model of the cellulose macromolecule and the arrangement of its building blocks in the unit cell make it possible to explain the mechanism of moisture absorption by the cell wall of wood at the molecular level. The hydroxyl groups of cellulose macromolecules and water molecules are of one nature, since the electronegativity of their constituent atoms is the same, which allows them to form easily the intermolecular hydrogen bonds in one layer and between adjacent layers in the crystal. The hydrogen bond is electrostatic in nature. Its energy is about 10 times less than the energy of interatomic co valent bonds. The electronegativity of OH-groups of cellulose and water molecules coincide in importance; therefore, under certain energy conditions of the environment, the water molecule, breaking the intermolecular hydrogen bond of the cellulose molecule, immediately closes it on itself. Similarly, the water molecule leaves the hydrogen bond, if it has sufficient kinetic energy to move. The penetration of water molecules into a cellulose crystal occurs by moving them from one hydrogen bond to another. Water molecules are retained in these bonds only due to their electronegativity. Thus, the interaction mechanism of cellulose microcrystalline with moisture is determined by the fact that water molecules are retained in the hydrogen bonds of the hydroxyl groups of the glucopyranose units of the cellulose macromolecule and are able to move between them. When the water molecule is introduced into the hydrogen bond, the distance between the OH-groups of cellulose is increased by its size; and at a moisture absorption the swelling of the cellulose crystalline structure is about 12 %. Water molecules form hydrogen bonds with lignin and hemicellulose in the same way as with cellulose. The calculation, made through the molecular masses of building blocks of macromolecules, demonstrates, that the maximum quantitative content of physically bound moisture in wood is about 30 %, which corresponds to numerous experimental data of other researchers.

Show more [+]

Less [-]

Northern (Arctic) Federal University - Russian Federation

2017

Kilyusheva, N.V. | Feklistov, P.A. | Ezhova, N.V. | Bolotov, I.N. | Filippov, B.Yu.

Минеральные элементы играют важную роль в развитии всех древесных растений. Содержание минеральных компонентов зависит как от породного состава насаждения, так и от климатических и эдафических факторов конкретных местообитаний. Цель исследований - сравнительный анализ содержания химических элементов в древесине сосны обыкновенной и ели обыкновенной в черничных типах леса (в Приморском участковом лесничестве Архангельского лесничества), поиск закономерностей, связанных с категорией состояния деревьев и поперечным сечением ствола. Определение содержания минеральных элементов и тяжелых металлов выполнено посредством рентгенофлуоресцентного анализа, проведенного на волнодисперсном спектрометре. Исходным материалом служили керны древесины, взятые возрастным буравом Пресслера из центральной и периферийной частей ствола ели, из ядра и заболони сосны. Для проведения анализа предварительно высушенные до абсолютно сухого состояния в сушильном шкафу и измельченные пробы прессовали в таблетки. Общее количество проб - 50 штук. Для обеих пород ряд аккумуляции минеральных элементов: Ca > K > Mg > Fe > S > P. В древесине сосны и ели больше всего содержится кальция и калия, на порядок меньше магния, железа, серы, меди, фосфора. В 2 раза больше меди и свинца содержится в центральной части ствола, кальция и калия - в периферийной части. Больше элементов накапливается у здоровых деревьев сосны, для остальных категорий - у ели, причем для обеих пород имеется тренд уменьшения их количества с ухудшением состояния деревьев до сильно ослабленных. У усыхающих деревьев и сухостоя, наоборот, количество минеральных элементов несколько повышается, но остается меньшим, чем у здоровых. С ослаблением дерева уменьшается содержание кальция и увеличивается содержание таких тяжелых металлов, как цинк и медь. Содержание тяжелых металлов в древесине сосны превалирует: меди в 4-7 раз больше, чем в древесине ели, свинца - в 10-30 раз. | Mineral elements are very important for the development of all woody plants. The content of mineral constituents depends both on the species composition of the plantation and climatic and soil factors of particular habitats. The goal of research is a comparative analysis of the content of chemical elements in Scotch pine and spruce fir wood in myrtillus-type forests (in the Primorye forest district of the Arkhangelsk forestry), the search for regular ities related to the category of state of trees and crosscut end. We determined the content of mineral elements and heavy metals by the X-ray fluorescence analysis carried out with the use of a wave-dispersed spectrometer. The parent material was wood core taken from the Pressler borer from the central and peripheral parts of the spruce stem, from the pine co re and sapwood. For the analysis, we predried the samples in a drying box, grounded them and pilled. The total number of samples was 50. For both species, a series of accumulation of mineral elements was Ca > K > Mg > Fe > S > P. Pine and spruce wood most of all contained calcium and potassium, and next smaller - magnesium, iron, sulfur, copper, phosphorus. Copper and lead were 2 times more in the central part of the stem, calcium and potassium - in the peripheral part. Healthy pine trees accumulated more elements, other categories were accumulated by spruce; both species had a trend of decreasing their number with a decrease in the state of trees to the greatly weakened state. Among drying and dead standing trees, their amount of mineral elements slightly increased, but it was less than in healthy ones. With the weakening of the tree, the calcium content decreased and the content of heavy metals such as zinc and copper increased. The content of heavy metals in pine wood prevailed: the copper content was 4-7 times greater than in spruce wood, the lead content -10-30 times.

Show more [+]

Less [-]

Northern (Arctic) Federal University - Russian Federation