Dřevo, zázrak přírody

Na počátku všeho bylo 4–5mm semínko. I tak by mohla začít bible popisující růst a vývoj většiny stromů, ke kterým má každý z nás tak blízko a jež nám toho tolik poskytují. Mimo jiné i dřevo, o kterém si dovolím tvrdit, že je zázrakem i přesto nebo právě proto, že ho příroda rozdává plnými náručemi. Hlubokou úctu v nás musí budit už jeho obdivuhodný zrod.

Jestliže Antoni Gaudí pronesl, že „příroda je stále otevřená kniha a jen v ní opravdu stojí za to číst,” pak věřím, že podíváme-li se na strom, musíme mu dát za pravdu. Růst stromů je jeden z největších zázraků naší planety. Stromy vznikají zdánlivě z ničeho, a přesto jsou největšími živými organismy na Zemi. Stavební plán a veškeré informace pro smělý projekt čtyřicet či padesát metrů vysoké jedle přistává na zemi v podobě poletujícího semínka o velikosti špendlíkové hlavičky. Tato informace, Slunce, vzduch, voda a několik krychlových metrů humusu přírodě dostačují k tomu, aby pak do závratných výšek vztyčila strom o váze tisíců kilogramů.

Architektura stromu

Na Zemi není člověka, jakkoli erudovaného, který by zvládl naprojektovat objekt typu strom a ukotvit ho i do velmi mělké země a to pouze s pomocí několika oddenků (kořenových výběžků), jak tomu mnohdy bývá. To však není jediná zajímavost. Navrhuje-li se stavba, musí projektant dopředu počítat se všemi možnými situacemi, které se později mohou stát: s bouří, sněhem na střeše i vlastní váhou. Proto raději navrhuje vše silnější a pevnější a používá k tomu různé koeficienty. Živý strom je dynamický systém, který průběžně vyhodnocuje vnější podmínky. Jak strom roste a mění svou hmotnost a tvar, vznikají různá tahová, tlaková či momentová silová působení, které doplňuje působení větru. Strom tyto vlivy vyvažuje a svým tvarem a velikostí se přizpůsobuje podmínkám, ve kterých se nachází.

foto: motodan, Shutterstock

Růst a život stromu

Rok za rokem, letokruh za letokruhem přirůstá v kmeni nová vrstva dřeva. Letokruh je tloušťkový přírůst dřeva za vegetační období; u dřevin mírného pásma je tímto obdobím rok. Na jaře se od kořenů vzhůru zaplní póry dřeva, přesněji jeho cévní svazky, mízou, která zásobuje strom vodou a minerály ze země, zatímco v opačném směru transportuje glukosu nebo její polymery. V tomto okamžiku začíná bujný růst. Buňka za buňkou přibývá zcela nová řada dřeva, která zvětší průměr stromu i o několik milimetrů, a to skrytě a pro nás lidi nepozorovatelně: pod kůrou.

Koncem srpna přeruší strom proudění mízy, přísun živin a „stavebních prvků” glukósy či vyšších cukrů pro tvorbu buněk, a to především v kambiu (nejspodnější vrstvě kůry), čímž pozvolna schne a připravuje se na zimu.

Mikroskopický řez borovicovým dřevem (foto: Claudio Divizia, Shutterstock)

Růst stromu však pokračuje. V tomto období, kdy strom pracuje pouze se zlomkem energie a minimem živin, však staví méně buněk a menší. Toto pozdní dřevo či poslední buňky roku jsou hutnější a tmavší a zřetelně na řezu kmene vykreslují závěr každého letokruhu. V rámci každého letokruhu tak rozeznáváme světlé jarní dřevo letokruhu a tmavší letní dřevo letokruhu. Kruh za kruhem nás tak strom informuje o svém životě.

Jestliže kruhy na sebe v některé části kmenu více naléhají, svědčí to o tom, že strom trpěl obdobími sucha či jinými potížemi. Pokud jsou na některé straně kmenu mnohem tmavší, poznáme z nich, že strom v tomto místě musel odolávat většímu tlaku či náporu. Příčinou bývá často vítr, na který strom reaguje vytvářením menších a pevnějších buněk se silnými stěnami. U tropických dřevin, které neznají pravidelný zimní vegetační klid, odpovídají letokruhy střídajícím se vegetačním dobám (typu sucho–vlhko apod.).

Obr. 2: Dva roky starý kmen (vlevo) a 8 let starý kmen (vpravo). b – kůra; d – lýko a kambium (zeleně) – dělivé pletivo, pomocí něhož vzniká sekundární dřevo, tzn. nový letokruh a sekundární lýko (floém) mezi kůrou a kmenem; m – dřeň; v – letokruhy, tedy dřevní cévní svazek = dřevo. B – Zarostlá 3 roky stará větev, která byla uříznuta; C. Větev v příčném řezu. Zdroj: Wikipedia, autor neznámý – volné dílo.

Dřevo a biochemie

Základní stavební jednotkou dřeva je molekula glukosy, přesněji D-glukosa C6H12O6, což je nejjednodušší cukr, vznikající přímo v rostlinách z oxidu uhličitého a vody procesem fotosyntézy, při kterém vzniká kyslík. Reakce vyžaduje účast zeleného barviva chlorofylu, který absorbuje energii světla a tu používá podle rovnice:

Pro život na Zemi jde o klíčovou syntézu. Rostliny včetně stromů ji aplikují ke svému růstu a zároveň zásobují svět výjimečnou surovinou, vydatným zdrojem energie a konečně kyslíkem, který podle izotopové zkoušky pochází z vody.

Spojením dvou glukóz vznikne disacharid (maltóza), dále trisacharid atd. S každou připojenou glukosou se vždy uvolní molekula vody a energie. Sloučenina [C6H10O5]n≈500 o asi 500 jednotek glukózy vasympnerozvětveném řetězci se nazývá celulóza.

Celulóza je nejrozšířenějším biopolymerem, na Zemi jí ročně vzniká 180 až 220 mld. tun. Je nerozpustná a je hlavní stavební látkou rostlinných primárních buněčných stěn dřeva. Živočichové vč. člověka ji většinou nedokáží štěpit, je pro ně nestravitelná a v potravě tvoří tzv. vlákninu.

Lignin se účastní dřevnatění buněčných stěn, jehož výsledkem je pevnost a tuhost dřeva. Tvoří asi 26 až 35 % hmotnosti dřeva a je vyšší u listnáčů. Tím se stává druhou nejhojnější organickou látkou na Zemi s podílem 25 %. Nachází se hlavně v sekundární buněčné stěně rostlinných buněk, kterou tvoří cévní svazky (xylémy) a cévice (tracheidy). Ty pak pomocí kapilárního vztlaku rozvádějí minerální živiny z kořenů. Cévice a cévní svazky, potažmo lignin, ze kterého vznikají, mají také zásobní funkci a zejména funkci mechanickou, coby výztuž.

Dřevo je přírodní materiál obsahující jako hlavní látky 40 až 50 % celulózy, 20 až 30 % ligninu a 20 až 30 % hemicelulózy. Tou myslíme kratší polysacharidy o 100 až 200 jednotkách, tvořené nejen glukózou, ale i jinými monosacharidy, které někdy vytvářejí i krátké postranní řetězce. Hemicelulóza doprovází celulózu ve vrstvách buněčné stěny rostlin a tvoří zde tmelící vrstvu mezi celulózními řetězcovými makromolekulami. Dále se na ni váže lignin.

Dalšími, doprovodnými složkami dřeva jsou terpeny, tuky, vosky, pektiny, třísloviny (pouze u listnáčů), steroly, pryskyřice, tedy organické látky a to v množství 1–3 %, u tropických dřevin až 15 %. Dále anorganické látky v množství 0,1 až 0,5 %, u tropických dřevin až 5 %, které po spálení tvoří popel.

Vlhkost dřeva

V každém živém stromu je uloženo i velmi mnoho vody (zhruba stejná hmotnost jako je hmotnost dřevní hmoty). Jakmile je růst stromu ukončen jeho těžbou, je nutné dřevo sušit až do úrovně ustálené vlhkosti. To je taková vlhkost dřeva, která se v normálních podmínkách nemění. Na skutečné hodnotě vlhkosti dřeva závisí nejen to, jak se bude hotový výrobek objemově chovat, ale rovněž jak bude přirozeně chráněn proti houbám a hmyzu. Tato přirozená odolnost je základem ochrany dřeva bez syntetických nátěrů, základem trvanlivosti našich prastarých, dřevěných budov.

Sušení dřeva probíhá nejen přirozeně, ale rovněž uměle, v sušárnách. Výsledná vlhkost v každém zpracovaném kusu dřeva se pohybuje od 6 do 20 %.

(Ne)hořlavost dřeva

Vrátíme-li se zpět do lesů, zjistíme, že nejhorší ze všech přírodních katastrof, které mohou les postihnout, není orkán, laviny či povodně. Je to oheň, který se při rozsáhlých požárech dokáže zakousnout i do nakypřeného vysušeného humusu až do metrové hloubky a zničit tak kořenový systém stromů.

Neexistuje snad okamžik, ve kterém by dešťové kapky znamenaly pro tento svět větší spásu. Pouze voda dokáže ukončit zkázonosné řádění, které pohlcuje vše a za sebou zanechává černé zuhelnatělé pruhy země a horská úbočí. Zdá se, že je vše mrtvé.

Přesto se i zde začne brzy dít něco nečekaného. Zatímco se u pat stromů přemění prakticky vše v popel, na pažích některých starých stromů se sem tam v žlábcích jejich kůry začínají objevovat nové zelené výhonky. Nejstarší a nejtlustší stromy, které měly k přirozenému konci života nejblíže, začaly s obnovou lesa. Žár totiž nezasáhne silné kmeny s rýhami v kůře ani hluboké kůlové kořeny pod nimi. Aby hradba plamenů svým žárem pronikla do nejhlubšího jádra silného kmene, musela by kolem něj řádit v plné síle několik dní. Pár hodin intenzivního požáru kolem jednoho stromu nestačí mnohdy ani na to, aby horko proniklo skrz silnou svrchní vrstvu kůry. Dřevo hoří dobře, dokud je tenké, rozvětvené a provzdušněné. Silný kmen hoří velice pomalu a od určité tloušťky povrchového zuhelnatění už vůbec. Masivní dřevěná stěna v případě požáru je tak často ze statického pohledu lepší, než stěna z oceli a betonu.

Tepelná ochrana a teplotní stabilita dřevěných staveb

Velký důraz je dnes kladen i na tepelnětechnické vlastnosti stavebních materiálů. Vedení tepla ve dřevě ovlivňuje více faktorů. Největší vliv mají anatomická stavba dřeva, hustota a vlhkost dřeva. Vliv struktury dřeva se projevuje rozdílnou tepelnou vodivostí, prostupuje-li tok tepla ve směru vláken nebo kolmo na ně. Například pro měkké smrkové dřevo je součinitel tepelné vodivosti ve směru kolmo na vlákna λ = 0,14 W/(mK), zatímco ve směru vláken je λ = 0,35 W/(mK). To je 2,2× více. Údaje jsou z Rochlových tabulek z roku 1987.

Tepelný odpor R =  masivní stěny z měkkého dřeva tloušťky 0,3 mm je ve směru kolmo na vlákna 2,14 m2K/W. Pro představu, velikost tepelného odporu stěny o tloušťce 300 mm z plných cihel je 0,33 m2K/W a z pěnového polystyrenu pak 7,5 m2K/W. Z toho vyplývá, že 300 mm silná dřevěná stěna přibližně odpovídá tloušťce 80 mm polystyrenu či 1 800 mm zdiva z plných pálených cihel.

Ve stínu tepelných ztrát stojí rychlost chladnutí, či ohřívání vrstvy tepelné izolace po změně okrajových podmínek, což úzce souvisí s tzv. pocitovou teplotou. Typické jsou případy, kdy se venku změní teploty nebo když zapneme či vypneme vytápění/chlazení. Rychlost chladnutí vrstvy vyjadřuje součinitel teplotní vodivosti a, definovaný jako a = λρc v m2/s, kde c je měrná tepelná kapacita v J/(kgK) a ρ hustota v kg/m3. Následující přehled uvádí tři typické příklady:

dřevoa = 1,39·10–7 m2/s
cihlaa = 4,86·10–7 m2/s
EPSa = 19,8·10–7 m2/s

Čím nižší součinitel teplotní vodivosti a, tím pomaleji materiál ztrácí (nebo získává) teplotu a naopak: Použijeme-li např. EPS s cca 15× vyšším součinitelem a (v porovnání se dřevem) jako vnitřní tepelnou izolaci, pak po vypnutí topení se vnitřní povrch rychle ochladí až na teplotu stěny za izolací. Naopak dřevěný vnitřní obklad si drží původní teplotu mnohem déle a s ní i příjemnou sálavou a pocitovou teplotu v místnosti.

Grafy na obr. 23 demonstrují tepelně stabilizační (akumulační) vlastnosti pěnového polystyrénu EPS, cihly a dřeva. Z těchto materiálů postavíme jednovrstvé testovací obvodové stěny o takové tloušťce, aby jejich součinitel U = 0,3 W/(m2K) odpovídal požadavku stavební normy ČSN 73 0540:2011. Stěna z EPS bude tedy silná 123 mm, ze dřeva 443 mm a zeď z plných cihel bude tlustá přes 2,5 m, přesně 2 689 mm.

Tyto stěny izolují venkovní prostředí od vnitřního, přičemž venkovní teploty se harmonicky mění s periodou 24 hodin a amplitudou ±5 °C kolem teploty 5 °C. Vnitřek je nevytápěn, jen reaguje na změny venkovní teploty. Místnost je prázdná; kromě vzduchu, jehož tepelně akumulační vliv zanedbáme, v ní nic jiného není. Interpretace výsledků v grafech jsou uvedeny v doprovodných popisech grafů.

Přidejme jen komentář, že dřevo (reprezentované žlutou křivkou) je materiál, který teplo dobře izoluje a zároveň také akumuluje. Při tloušťce pouhých 45 cm nás dřevěná obvodová stěna chrání jak před ztrátami tepla, tak také příjemně hřeje. Stěna z EPS 12,5 cm nás chrání před ztrátami tepla, ale po vypnutí topení rychle prochladne. A zeď z cihel musí být přes 2,5 m tlustá, aby vyhověla normě.

Měsíční dřevo

Že je dřevo skutečným zázrakem přírody možná dokreslí i úvaha o jeho odlišných vlastnostech v době sklizně. Dřevo pokácené ve správný okamžik totiž slibuje nejvyšší přirozenou odolnost a ochranu. Podobně jako se říká, že chování semen různých druhů rostlin a stromů závisí ve velké míře na fázi Měsíce v den výsevu, říká se, že dřevo pokácené v zimě při ustupujícím Měsíci se měřitelně výrazněji zatáhne do sebe a tím zahustí svoji strukturu. Výsledkem je vyšší odolnost dřeva proti napadení škůdci a proti rozkladným procesům.

Těžko říct, jak moc je tento údaj pravdivý. Možná by však právě měsíční dřevo mohlo být odpovědí na otázku, proč se některé dřevěné stavby dožily tak obrovského věku.

Autor: RNDr. Jiří Hejhálek