Научные стремления 2011-2

УДК 577.3

Смут А.С.

ОСМОС, КАК АЛЬТЕРНАТИВНЫЙ ИСТОЧНИК ЭНЕРГИИ

УО «Учебно-педагогический комплекс Зеленоборский детский сад-средняя школа»

Развитие цивилизации на нашей планете сопровождается непрерывным ростом ежегодного энергопотребления. Однако запасы природного топлива ограничены.

ВНорвегии 24 ноября 2009 года открылась первая в мире электростанция, использующая для выработки электричества процесс осмоса.

Всвоей работе я поставила перед собой цель изучить явление осмоса, как альтернативного источника энергии, в условиях Беларуси, исходя из того, что у нас нет ни морей, ни океанов.

Осмос – процесс односторонней диффузии растворителя через полупроницаемую мембрану из менее концентрированного раствора в более концентрированный раствор.

Осмотическим давлением называют давление, которое нужно приложить

краствору, чтобы привести его в равновесие с чистым растворителем, отделенным от него полупроницаемой перегородкой. Согласно закону ВантГоффа, величина осмотического давления определяется только температурой и концентрацией растворенного вещества:

рос=сRT,

с- молярная концентрация вещества R - универсальная газовая постоянная, Т - абсолютная температура. Закон Вант-Гоффа справедлив для слабых растворов, порядка десятых долей моля на литр.

В своей работе, я изучалa осмос высококонцентрированных растворов. Для изучения явления осмоса я использовала установку: главной частью

которой является колба (верхняя часть пластиковой бутылки), имеющая вид «колокольчика» и закрытая с одной стороны полупроницаемой мембраной.

Края бумаги закрепляла на «юбочке» колокольчика с помощью изоляционной ленты и клея, чтобы исключить проникновение раствора в растворитель. Колба полностью заполняется раствором разной концентрации и плотно закрывается пробкой, в которую вставлена стеклянная трубка длиной 30 см и внутренним диаметром 7 мм. Колбу с раствором погружается до уровня пробки в емкость с водой.

Характеристикой любой установки является мощность, работа, выполняемая в единицу времени:

Р= At .

Для моего случая, работа, выполняемая силами осмотического, давления по поднятию воды на высоту h:

А=mgh,

Так как высота столба жидкости линейно увеличивается от 0 до h, то

921

<A>= mgh2 ,

следовательно:

<P>= mgh2t .

Всвоей работе я исследовала, как зависит <P> от: -от вида растворенного вещества; -от концентрации раствора.

Вкачестве растворяемых веществ, я использовала наиболее доступные и имеющие хорошую растворимость соль и сахар.

Вопыте №1, я рассматривала в качестве растворяемого вещества сахар и исследовала зависимость мощности установки от молярной концентрации.

Вопыте №2, я рассматривала в качестве растворяемого вещества соль и исследовала зависимость мощности установки от молярной концентрации соли.

Входе своего исследования, я установила:

0,31

0,21

0,11

0,01

1 2 3

922

График 2. Зависимость мощности осмотической установки от молярной концентрации сахара

Низкая мощность моей установки объясняется непрочностью полупроницаемой мембраны ( жиронепроницаемой бумаги АРТ 78704).

Дело за химиками – создать необходимый прочный материал. Электростанцию, работающую на осмосе, я вижу такой: в водоеме находятся сосуды, изготовленные из полупроницаемого для воды материала, с растворенным веществом, например, солью. По трубам за счет осмотического давления вверх поднимается вода и падает на лопасти гидротурбины. Вода с лопастей гидротурбины, подается в специальный фильтр, где под давлением за счет обратного осмоса, очищается и попадает обратно в водоем, а оставшаяся в фильтрах соль используется для заправки картриджей в «осмотических» сосудах, чтобы поддерживать концентрацию раствора.

Преимущества такой электростанции: отсутствует загрязнение атмосферы продуктами сгорания, нет изменения климата, нарушения экологического равновесия, уменьшения пахотных площадей, отсутствует опасность радиоактивного загрязнения среды при авариях, проблема захоронения радиоактивных отходов, обслуживание такой электростанции дешевле, и, наконец, решается проблема с топливом.

Такие электростанции удобны для обслуживания дачных поселков в теплое время года, поскольку есть вероятность замерзания водоема зимой.

Можно затопить водой отработанные шахты в Солигорске и получить соленые бассейны с водой для создания электростанции, работающей на явлении осмоса.

Литературные источники

1. Бинас, А.В. Биологический эксперимент в школе / А.В. Бинас, Р.Д. Маш, А.И. Никишов.- Москва: «Просвещение»,1990. - 192с.

2.Жарский, И.М. Теоретические основы химии:учебн. Пособие / И.М. Жарский, А.Л. Кузьменко,С.Е. Орехова.- Минск: Аверсэв, 2004. -398с.

3.Жилко, В.В. Физика 11: учеб.пособие/ В.В. Жилко, Л.Г. Маркович. – Минск: «Народная асвета», 2008.- 360с.

4.Исаченкова, Л.А. Физика 8: учеб.пособие / Л.А.Исаченкова, Ю.Д. Лещинский;под ред. Л.А. Исаченковой.-Минск: «Народная асвета»,2010.-184с.

5.Капран, М.П. Старые знания, новые возможности: альтернативная энергетика/ М.П.Капран// Фізіка: праблемы выкладання.-1998.- №4- С.58-66.

6.Кац, Ц.Б. Биофизика на уроках физики/ Ц.Б. Кац.– Москва: «Просвещение», 1988.-

160с.

923

Стародубцев М.С., Хацкевич И.В.

КРЫЛЬЯ ДЛЯ ВЕТРОЭНЕРГЕТИКИ

ГУО «Крупская районная гимназия», г. Крупки

Вопросы энергопользования и экологии в настоящее время приобретают всѐ большее значение и переходят из технической и экономической сфер в задачу общегосударственного масштаба. В нашей стране создаѐтся новая отрасль – альтернативная энергетика [1]. Важной составляющей этой отрасли является ветроэнергетика. Современные модели ветряных электростанций становятся эффективными, когда скорость ветра превышает 25км/ч (6.9 м/с) [2 c. 32]. Однако в нашей местности ветер дует с непостоянной скоростью. В то же время мощность ветра пропорциональна третей степени его скорости. В нашей работе мы поставили цель исследовать свойства крыльев различного профиля и сконструировать устройства для увеличения и урегулирования скорости ветра в зоне действия лопастей роторных ветроэлектростанций.

Профиль лопасти современных ветряков закрученный (винтовой), а не постоянный, как у крыла самолѐта.

Ветряк может быть и без лопастей. Установленный на вертикальном валу S-образный ротор напоминает парус и хорош тем, что такой ветродвигатель не надо наводить на ветер и его крутящий момент от направления ветра не зависит. Между тем парус является первой лопастной машиной, преобразующую энергию ветра в движение [2 c. 31].

Теория возникновения подъѐмной силы крыла предполагает наличие разницы в скоростях потока над и под крылом и, как следствие, различия давлений на его верхней и нижней стороне. Если в крыле будет сквозное отверстие, то начнѐтся перетекание воздуха снизу вверх [3 c. 402]. По нашему мнению, улучшению работы ветрогенераторов будут способствовать экраны, имеющие форму крыла. Эти экраны направят поток воздуха на лопасти ветроустановки при слабом ветре, а при чрезмерном увеличении скорости ветра за счѐт изменения угла атаки возможно также регулирование скорости в зоне работы лопастей. Конструкция таких экранов возможна в двух вариантах:

1.Ветроустановка располагается над верхней плоскостью крыла

2.Ветроустановка располагается между двумя крыльями одинакового

профиля.

Измерение местных скоростей производится разного рода приборами, например, трубками, флюгерами [4 c. 63]. Наиболее простым прибором является трубка Пито, передающая на микроманометр полное динамическое давление текущего газа или жидкости (р0). Для измерения статического давления (р) к трубке Пито добавляется вторая трубка-зонд. Скорость в газе или жидкости после двух измерений давлений этими трубками рассчитывается

рассчитали величину и построили графики распределения скоростей в воздушном потоке аэродинамической трубы, которую мы изготовили в учебной мастерской. Для более оперативного и наглядного измерения скорости

924

воздушного потока в качестве флюгера мы применили вентилятор от компьютера. Это устройство имеет встроенный привод в виде электродвигателя постоянного тока. В нашем случае этот электродвигатель работает в режиме электрогенератора.

Так как мы смогли изготовить аэродинамическую трубу только открытого типа, создаваемый ею воздушный поток имеет наибольшую скорость 7-8 м/с на высоте от стола от 18 до 27 см. Это обстоятельство мы учитывали при выполнении последующих измерений.

В соответствии с поставленной целью мы выбрали четыре профиля крыльев, разработанных для использования при наименьших скоростях – в моделях планеров [5 c. 44]. По координатам, указанным в атласе профилей были изготовлены из пенопласта пары крыльев с длиной хорды

240 мм. Эти крылья мы устанавливали поочерѐдно на расстоянии 375 мм от сопла аэродинамической трубы так, чтобы нижнее крыло было на высоте 200

ммот стола в зоне с наибольшей скоростью потока воздуха – 8 м/с, а угол атаки был равен нулю.

Из результатов измерений следует, что наибольшую скорость воздуха между крыльями показал профиль «Эпплер Е-385». Изменяя расстояние между крыльями от 10 до 100 мм, мы установили, что наибольшая скорость воздушного потока образуется при расстоянии в 60 мм.

Установив пару крыльев с профилем «Эпплер Е-385» на расстоянии 80

ммот сопла аэродинамической трубы, мы измерили скорость потока в сечениях I, II, III с помощью трубки Пито с зондом и флюгера, при углах атаки от -5о до

+10о (рис.1).

Таким образом установлено, что изменение угла атаки не влияет на

скорость в сечениях 1 и 2, а скорость в задней кромке крыльев снижается на 30% при увеличении угла атаки до +10о. Это явление можно объяснить тем, что с увеличением угла атаки увеличивается и расстояние между задними кромками двух крыльев. Максимальная скорость воздушного потока увеличивается с 8 до 11 м/с или на 37,5%.

Для проверки гипотезы о перетекании воздуха через сквозное отверстие в крыле мы измерили динамическое и статическое давление в 25 точках на

верхней и нижней плоскостях, рассчитали скорость воздуха и построили графики ее изменения вдоль профиля при углах атаки от 0о до 35о. Чтобы определить участок с наибольшей разницей в давлениях над и под крылом мы измерили нормальное давление на поверхности модели, проделав 12 так называемых дренажных отверстий, и построили график изменения давления

925

вдоль профиля при угле атаки 25о. Из графика следует, что наибольшая разница в давлениях образуется на участке между точками 2 и 4. Проделав сквозное отверстие в крыле, с помощью трубки Пито и трубки-зонда были измерены динамическое и статическое давления, их величины составили соответственно+3 и –1,5 мм.в. ст. Расчетная скорость воздушного потока в этом месте равна 8,5 м/с и практически не отличается от скорости в струе до крыла.

Проанализировав графики изменения скоростей по профилю, мы установили, что при углах атаки 0о и 5о скорости над и под крылом мало отличаются по величине. Вопреки предположениям, при углах атаки в 10 и более градусов скорость над крылом оказалась на 1-2 м/с меньше, чем скорость под крылом.

Такой результат можно объяснить проявлением эффекта Коанда. В 1932 году румынский авиастроитель Анри Коанда обнаружил явление,когда струя воздуха или жидкости, вытекающая из сопла, стремится отклонится по направлению к стенке и при определенных условиях прилипает к ней. Это объясняется тем, что стенка, а в нашем случае крыло, препятствует свободному поступлению воздуха к струе и в этой стороне создается вихрь и зона пониженного давления.

Результаты опытов и анализ полученных данных подтверждают гипотезу о возможности местного увеличения скорости потока газа с помощью экрана, представляющего собой конструкцию из двух симметрично расположенных крыльев. Модель такого устройства с профилем «Эпплер Е-385» при длине хорды 240 мм и скорости воздушного потока 8 м/с обеспечила его увеличение до 11 м/с или на 37,5%.

Регулирование степени увеличения скорости путѐм изменения угла атаки крыльев не эффективно. Решение этой задачи возможно за счѐт изменения расстояния между крыльями.

Проведенные опыты с крылом, имеющим профиль с относительным удлинением 15%, при числе Рейнольдца 14000 не подтвердили гипотезу о значительном увеличении скорости воздуха, протекающего в отверстие между нижней и верхней поверхностью модели.

Литературные источники

1.От сохранения к приумножению. Предвыборная программа кондидата в президента Республики Беларусь А.Г. Лукашенко / А.Г. Лукашенко // Беларусь сегодня. – 2010. – 21 ноября. – С. 1.

2.Богданов К. Ю. Синтез наук – оружие познания XXI века / К.Ю. Богданов // Физика – 2006. - №1. – С. 31-39. С. 31.

3.Стрелков С. П. Общий курс физики. Механика. М «Наука» М. 1975.

4.Богомолов А. И., Михайлов К. А. Гидравлика М. 1965.

5.Атлас профилей / Моделист-конструктор. – 1979. - № 4.

926

УДК 595.76: 502.74 (476)

Тамашевский А.Д., Панковец Е.М., Земоглядчук Г.П.

ЗАКОНОМЕРНОСТИ ФОРМИРОВАНИЯ ФАУНЫ ЖУЖЕЛИЦ Г. БОРИСОВА И ЕГО ОКРЕСТНОСТЕЙ

ГУО «Борисовский экологический центр детей и юношества»

Актуальность. Урбанизация пагубно влияет на проблема сохранения которого сейчас является одной из важных. Глобальная урбанизация является биоразнообразие, причиной исчезновения природных мест обитания, либо коренного их изменения с серьезной перестройкой структуры. Урбанизация влияет на все составляющие биоты, в том числе и на семейство Carabidae, которое является одним из основных компонентов почвенной мезофауны. Жужелицы реагируют на антропогенное воздействие, поэтому вызывают особый интерес в процессе исследования экологии насекомых антропогенных ландшафтов, в частности урбанизированных систем [1].

Цель исследования. Изучение закономерностей формирования фаунистических комплексов жужелиц по градиенту степени урбанизации, на примере г. Борисова.

Материалы и методы исследования. Исследования закономерностей видового состава проводились вдоль градиента: урбанизированный ландшафт – природные территории. Исследуемая территория была условно разделена на пять концентрически расположенных зон, соответствующих разной степени антропогенной нагрузки. Степень антропогенной нагрузки характеризовалась исходя из площади застройки участка, наличию многоэтажных зданий, площади заасфальтированных участков. Леса, в которых осуществлялся сбор материала, представляли собой сухие сосняки вересковые и мшистые и являлись самым распространенным типом лесной растительности в окрестностях г. Борисова. Отлов жуков проводился по стандартной методике с использованием ловушек Барбера [2]. Определение видовой принадлежности осуществлялось по [3], определение жизненных форм проводилось по [4].

Результаты и обсуждение результатов исследования. За период исследования в г. Борисове и его окрестностях было найдено 40 видов жужелиц из 14 родов. По количеству видов и численно преобладают рода Pterostichus (10 видов), Harpalus (7 видов) и Amara (5 видов). Доминантами выступают виды

Carabus nemoralis (Muller 1774) (40,32%), Harpalus affinis (Schrank 1781) (20,16%), Pterostichus cupreus (L.) (16,8%), Amara spreta (Dejean 1831) (11,2%).

Только для территории г. Борисова отмечено обитание 13 видов жужелиц. Только для окрестностей г. Борисова — 11 видов, из которых 9 видов - Amara communis (Panzer 1797), Carabus granulatus (L.), Chlaenius nigricornis (Fabricius 1787), Clivina fossor (L.), Harpalus griseus (Panzer 1797), Pterostichus lepidus (Leske 1785), Metabletus truncatellus (L.) и Microlestes minutulus (Goeze 1777) найдены только на лугах, и 2 вида – Carabus hortensis (L.) и Cichrus caraboides

(L.), - в лесных сообществах. В то же время выделяются эврибионтные виды,

927

которые присутствуют во всех изученных зонах. Это Pterostichus niger (Schaller

1783) и Harpalus rufipes (De Geer 1774).

Центр города (зона 1) характеризуется наименьшим количеством видов. В этой зоне отмечено лишь 7 видов жужелиц, среди которых преобладает род Harpalus, представленный тремя видами: Harpalus tardus (Panzer 1797), H. rufipes, Harpalus latus (L.), относящихся к жизненной форме геохортобионты гарпалоидные. Доля жужелиц этой жизненной формы составляет 50% от всех видов в зоне 1. Кроме геохортобионтов гарполоидных в центре города отмечено присутствие стратохортобионтов Amara aenea (De Gree 1774), стратобионтов подстилочников Agonum fuliginosum (Panzer 1809) и стратобионтов подстилочно-почвенных P. cupreus и Bembidion lampros (Herbst 1784). Присутствие этих видов в несвойственной для себя обстановке можно объяснить их активной миграцией.

Вмногоэтажных застройках, примыкающих к центру (зона 2), наблюдается значительное увеличение количества видов жужелиц, как за счет пополнения видами родов, присутствующих в зоне 1, так и за счет появление новых родов, таких, как Carabus, Broscus, Elaphrus, Acupalpus. Общее же количество видов, отмеченных для этой зоны, составляет 21. Доминантными в этой зоне являются C. nemoralis, H. affinis, P. cupreus, A. spreta. Заметно увеличивается и количество жизненных форм жужелиц до восьми. Как по количеству видов, так и по обилию особей преобладают геохортобионты гарпалоидные и стратобионты подстилочно-почвенные. Первые представлены четырьмя видами из рода Harpalus (H. rufipes, H. tardus, H. rubripes, H. affinis) и

составляют 23,5% от всех особей данной зоны, а вторые – шестью видами рода Pterostichus и включают 27,5% от всех особей. Надо отметить, что наибольшим обилием (36,5%) характеризуются эпигеобионты ходящие, представленные при этом всего одним видом – C. nemoralis. Кроме того, отмечено присутствие геобионтов бегающих, роющих, стратохортобионтов, стратобионтов скваженников, стратобионтов подстилочных и эпигеобионтов бегающих, обилие которых не превышает 1 – 4 %.

Взоне 3 отмечено обитание 19 видов жужелиц, из 8 родов. По количеству видов первое место занимает род Pterostichus, включающий в себя 9 видов.

Доминантом выступает C. nemoralis (11,46%) и Pterostichus oblongopunctatus

(Fabricius 1787) (31,32%).

Спектр жизненных форм жужелиц включает в себя 7 форм, из которых как численно, так и по количеству видов преобладают стратобионты подстилочно-почвенные, включающие в себя 9 видов из рода Pterostichus, и составляющие 35% от всех особей. Эпигеобионты ходящие, хотя и представлены одним видом C. nemoralis, составляют 23% от всех найденных особей. Кроме того, существенное участие в формировании карабидофауны этой зоны принимают эпигеобионты гарпалоидные, (H. latus и H. rufipes) и стратобионты подстилочники, (A. moestum, A. obscurum, B. lampros). Доля каждой из этих групп составляет 15%.

928

В лесах в окрестностях Борисова (зона 4), количество видов значительно падает до 7 видов. Исчезают рода Bembidion, Agonum, Elaphrus, Acupalpus,

однако появляется род Cichrus. Доминантами выступают C. nemoralis (51,85%)

иP. niger (16,67%). Спектр жизненных форм так же значительно обеднен и представлен всего двумя типами – стратобионтами подстилочно – почвенными

иэпигеобионтами ходящими. Первый тип представлен пятью видами рода Pterostichus и составляет 77% от всех особей, а второй – двумя видами (C. caraboides и C. hortensis) и составляет 23%.

Видовой состав жужелиц лугов (зона 5) богатый и включает 18 видов из 11 родов. Наибольшим количеством видов характеризуется рода Pterostichus (4 вида) и Amara (3 вида). Богатство видового состава сближает луга в окрестностях Борисова с фауной города. В тоже время, хотя спектр жизненных форм представлен девятью формами, значительная доля всех жужелиц является стратобионтами подстилочниками, доля которых составляет 74%. Эта черта сближает луга с лесами. Доминантами на лугах являются Pterostichus nigrita (Fabricius 1792) и P. niger. Для лугов отмечен ряд жизненных форм, которые полностью отсутствуют в городах и лесах, в частности стратобионты поверхностно-подстилочные, геобионты роющие, стратобионты подстилочнотрещенные, эпигеобионты бегающие, стратобионты скваженники.

При сравнении степени сходства видовых составов жужелиц исследованных зон, выявлено что, по градиенту степени урбанизации, различные виды постепенно сменяют друг друга. Центр города по своему видовому составу больше всего схож с лесами, так как видовой комплекс карабид центра города и видовой комплекс светлых хвойных лесов слагается из немногих эврибионтных видов.

Установлено, что при движении от центра города к лесу заметно уменьшается обилие геохортобионтов гараплоидных, и напротив, увеличивается обилие эпигеобионтов ходящих и стратобионтов подстилочнопочвенных. Главную роль при этом играют такие факторы, как степень урбанизации, площадь застройки и расстояние до водоема. Установлено, что 22 вида, а это примерно половина из найденных, являются индикаторами слабой степени урбанизации. Особенно это касается представителей рода Pterostichus, обилие которых увеличивается по направлению от центра города к лесам и лугам. Меньшее количество видов (9) являются индикаторами близости водоема. Среди этих видов выделяются четыре представителя рода Pterostichus

– P. diligens, P. anthracinus, P. cupreus и P. nigrita.

Заключение. Таким образом, Видовой состав семейства Carabidae изученной территории включает 40 видов из 14 родов, из них только в городе обитают 13. По направлению от центра города к окружающим его луговым и лесным сообществам изменяется как видовой, так и экологический состав жужелиц. По направлению от центра города к его окраинам, различные виды постепенно сменяют друг друга. Главными факторами, определяющими изменение видового состава, являются зона города, площадь застройки и расстояние до водоема. Наиболее приспособленными к условиям городской

929

среды являются жужелицы из рода Harpalus. Территория г. Борисова не является близкой ни к луговым, ни к лесным экосистемам. Формирование фауны жужелиц г. Борисова идет не за счет обеднения видами, а за счет видоизменения видовых комплексов.

Литературные источники

1.Magua Tibor, Horvath Roland. Effect of urbanization on ground dwelling spiders in forest patches, in Hungary//Landscape Ecology; 2009.

2.Чумаков Л.С. Экология для всех: пособие для учащихся ст. кл. общеобразоват. шк.

–Мн.: Бел. наука, 2001. – 288 с.

3.Хотько, Э. И. Определитель жужелиц (Coleoptera, Carabidae).-Э. И. Хотько. - Минск: Наука и техника, 1978 - 88 с.

4.Шарова, И.Х. Жизненные формы жужелиц. (Coleoptera, Carabidae). М: Наука, 1981.-

361 c.

Tamaschewskiy A.D., Pankovets E.M., Zemoglyadchuk G.P.

BORISOW CITY CARABIDOFAUNA'S FORMING LAWS

State education institution "Borisow's ecological center of children and young people"

Summary

In the investigated territories were revealed 40 species of Carabidae beatles. In the way from center of the city to natural territories species complexes of Carabidae are changing. The main factors in this process are the city area, area under buildings and distance from water. The Borisow's carabidofauna nor similar to forest fauna, neither to meadow's one.

930