Пчёлы выбирают металл

скачать книгу бесплатно


Примем во внимание, что продуктами горения свечи есть газообразные вещества с высокой степенью нагрева. Среди продуктов горения, наибольшим по количеству и самым тяжёлым по молярному весу (44) есть диоксид углерода. При чём, более нагретые порции газа станут заполнять верхний объём фонарика, выдавливая остывшие порции через нижнее отверстие.

С другой стороны, из второго закона сера Иссака Ньютона на фонарик действует сила тяжести:

Fт = g m = g pсо2 Vф,

где Fт – сила тяжести,

g – ускорение силы тяжести,

m – масса тела,

рсо2 – плотность диоксида углерода,

Vф – внутренний объём фонарика.

Разность между силой Архимеда и силой тяжести будет подъёмная сила нагретого газа СО2.

Fп = Fa – Fт = g pв Vф – g pсо2 Vф = ( pв – рсо2) g Vф.

Рассмотрим ситуацию, когда подъём фонарика остановился, и он завис. Следовательно, в этот момент подъёмная сила равна нулю, а значит, плотность воздуха сравнялась с плотностью углекислого газа.

рв – рсо2 = 0 или рсо2/рв = 1.

Эта формула описывает граничное условие подъёма фонарика.

При этом на плоскости среза нижнего отверстия фонарика установилось кратковременное равновесие плотностей диоксида углерода и воздуха. При дальнейшем остывании диоксида углерода, газ начнёт вытекать из отверстия фонарика, как более тяжёлый, а воздух станет заполнять образовавшуюся зону разряжения. Изменению газового состояния внутри фонарика будет соответствовать медленное опускание, по нарастающей вниз, самого фонарика. Когда воздух полностью заполнит внутренний объём, фонарик начнёт падать с ускорением свободного падения (за вычетом силы сопротивления и влияния ветровой нагрузки).

В формуле граничного условия при равенстве плотностей диоксида углерода и воздуха найдём зависимость их температур. Обратимся к молекулярно-кинетической теории газов и, используя формулу Менделеева – Клапейрона для идеального газа, распишем плотности диоксида углерода и воздуха.

P V = m R T/ М , m = p V, следовательно, р = М Р/ R T.

рв = Мв Р/ R Tв, рсо2 = Мсо2 Р/ R Tсо2,

где рв – плотность воздуха в граничной зоне,

Мв – молярная масса воздуха 29

Р – давление в граничной зоне,

R – универсальная газовая постоянная,

Тв – температура воздуха на границе соприкосновения,

рсо2 – плотность диоксида углерода в граничной зоне,

Мсо2 – молярная масса диоксида углерода 44,

Тсо2 – температура диоксида углерода на границе соприкосновения.

Подставим в формулу граничного условия полученные значения плотностей воздуха и диоксида углерода, имеем:

Tсо2 / Тв = Мсо2 / Мв = 44 / 29 = 1,51!

Выходит, для того чтобы диоксид углерода стал легче воздуха его необходимо нагреть до температуры более чем в полтора раза превышающей температуру окружающей среды.

Но, “ вернёмся к нашим баранам”, а не то ли это число 1,5, которое нам необходимо было запомнить?

По данным Г. Эша (1961) температура тела пчелы (груди) в активном состоянии выше температуры зоны её нахождения на 8-12оС. Тогда, если рассматривать значение верхнего интервала температур в клубе (28оС), когда пчёлы в активном состоянии, каждая пчела выдыхает воздух с температурой 37оС. Выдохнутый тёплый воздух и тёплый воздух от разогретого тела пчёл поднимаются вверх и заполняют все пустоты, находящиеся над пчелиным клубом, а также окунают в эту теплоту и сам клуб. Таким образом, создаётся тепловая ловушка пчелиного роя.

Пчёлы выдыхают воздух с большим содержанием диоксида углерода и парами метаболической воды. По справочной литературе, сильная семья за сутки при съедании 60 грамм мёда выделяет 40 литров СО2 и 40 грамм Н2О. При стабильной температуре воздуха, в объёме тепловой ловушки, концентрация составляющих воздуха распределена по всему объёму, но с понижением температуры градиент концентрации молекул СО2 увеличивается к нижней границе тепловой ловушки. Следовательно, в нижней части зимнего пчелиного клуба на нижней границе тепловой ловушки соприкасаются молекулы диоксида углерода (сверху) и свежего воздуха (снизу).

Как мы уже установили, условием равновесного существования двух газовых сред, нагретого диоксида углерода и воздуха, является уравнение

рсо2 / рв = 1,

тогда условием циклического существования в тепловой ловушке пчелиного роя пояса диоксида углерода станет неравенство

рсо2 / рв ? 1.

Плотность газа является функцией от температуры, следовательно, гарантом, выполнения условия циклического существования пояса диоксида углерода, в пчелином гнезде, есть температурное неравенство:

Т со2 ? 1,5 Тв.

Таким образом, в дупле и при правильной сборке пчелиного гнезда в улье, падение температуры наружного воздух ниже 14оС приводит к образованию, в нижней части тепловой ловушки, циклически устойчивого воздушного пояса с повышенной концентрацией диоксида углерода. Я написал “устойчивого”, потому что условия для выполнения неравенств, с плотностями и температурами, всегда были в гнезде и ранее, но имели неустойчивый кратковременный характер, и воздушный пояс диоксида углерода находился выше зоны расплода, но об этом далее.

Окунание пчёл в воздух с повышенной концентрацией диоксида углерода и низким содержанием атмосферного кислорода, как уже рассматривалось, затормаживает активность пчёл на клеточном уровне и пчелиная семья, снижая энергетические затраты, собирается в клуб.

Группа украинских исследователей под руководством В. А. Гайдара (1993), при непрерывном наблюдении за пчелиными семьями в зимний период, установила циклический характер кратковременной активности пчёл. Активность пчёл наблюдалась в разных ульях с интервалом от 10 до 19 часов.

Этот факт подтверждает циклический характер существования в тепловой ловушке воздушного пояса диоксида углерода. Временные различия, отличие интервальной активности пчёл в разных ульях, указывают на разные условия, созданные пчеловодом для зимовки каждой из семей. Чем длиннее временной интервал покоя пчелиной семьи, тем лучше условия зимовки.

Как функционирует цикл воздушного пояса диоксида углерода в тепловой ловушке? Каждый цикл делится на две фазы, активная и пассивная. Активная фаза проходит в воздушной среде при воздействии на пчёл атмосферного кислорода. В активной фазе все пчёлы семьи нарабатывают тепло для заполнения объёма тепловой ловушки, естественным путём происходит заполнение объёма гнезда воздухом с повышенным содержанием углекислого газа. В конце активной фазы клуб пчёл, погружённый в воздух с повышенной концентрацией диоксида углерода, прекращает выработку тепла и переходит в состояние пассивного покоя.

Выработка тепла пчёлами клуба в активной фазе имеет две составляющих, с одной стороны это непосредственно тепло от дыхательного процесса, а с другой, согласно, исследованиям Г. Эша (1961), выделение тепла телом пчелы от работы грудных летальных мышц непрямого действия. В пассивной фазе, как более длительной, пчёлы находятся в состоянии покоя, периоде постоянного ожидания. Постоянное ожидание потому, что любой стук, любое изменение внешних условий в окружении пчелы активизирует её деятельность, иначе не выживешь, плоды эволюции. За время интервала пассивной фазы (от 0 до нескольких десятков часов, всё зависит от тепловых потерь жилища пчёл) молекулы СО2 теряют свою кинетическую энергию и воздушный пояс диоксида углерода, снизив температуру, по периферии гнезда вытекает в подклубное пространство, а в образовавшийся разрежённый объём через центр гнезда из подклубного пространства устремляется воздух с атмосферным кислородом. Здесь также следует отметить, что вместе с вытеканием воздушного пояса с СО2 вытечет и вся газовая составляющая тепловой ловушки вместе с остывшими парами метаболической воды, это окончание цикла.

Почему вытекание диоксида углерода проходит через периферию? Потому что остывание воздушного пояса диоксида углерода на границе со стенками дупла или улья происходит значительно быстрее, чем в центре.

Концентрация СО2 в верхней части пчелиного клуба кратковременна, из-за непрерывности процесса остывания и наполнения верхней части тепловой ловушки теплом идущим от пчёл, разогревающих медовые соты. Поэтому верхняя часть клуба располагается на медовых сотах в области влияния атмосферного кислорода и пчёлы в этой части всегда активны, здесь всегда высокая температура и в этой зоне каждая из пчёл питается запасами корма. К месту следует уточнить, на практике исследованиями О. С. Львова (1954) и В. С. Коптева (1966) установлено, преобладающая масса пчёл в зимнем клубе занимает от 60 до 70% сот свободных от мёда, это как раз та часть пчелиного клуба, который находится в поясе СО2 и как раз та часть клуба, которая отвечает за добычу воды, но эти тонкости изложены далее.

Мы рассмотрели нижнюю часть тепловой ловушки пчелиного клуба, далее обратим взоры на верхнюю часть. Как уже отмечалось, верхняя часть тепловой ловушки в основном состоит из воздуха с обеднённым содержанием кислорода и парами метаболической воды, и вся эта газовая смесь заполняет пространство между медовыми сотами. В дупле расстояние между медовыми сотами составляет от 4 до 6 мм. Почему такая конструкция? Всё связанно с разностью тепловых потерь воздуха с диоксидом углерода и воздуха с атмосферным кислородом и водяными парами, последний быстрее отдает тепло, следовательно, быстрее снижается его температура. Для справки, коэффициент теплопроводности углекислого газа при 20оС равен 0,0162 Вт/м*град, а воздуха 0,0257 Вт/м*град. Если бы не было медовых сот, то воздух верхней части остывал быстрее и раньше вытекал в подклубное пространство и тем самым разрушал пояс СО2. Но нагретые медовые соты не позволяют резко снизить температуру верхней части воздуха в тепловой ловушке и тем самым удерживают верх и низ тепловой ловушки в энергетическом равновесии. Вот почему у пчёл, за миллионы лет существования в процессе естественного отбора при строительстве гнезда в частности и выработался размер свободного пространства, который соответствует минимальным тепловым потерям в верхней части тепловой ловушки. Если зазор больше, то верхняя часть тепловой ловушки быстрее остывает и у пчёл сокращается фаза пассивного покоя, но самое плохое положение, это лишение гнезда потолка и устройство сквозной вентиляции, в этом случае понятие покоя у пчёл полностью отсутствует. Вот поэтому, пчеловоду, при формировании гнезда, нельзя оставлять большие зазоры между медовыми сотами и разрушать потолок, вот поэтому размер межсотового пространства должен быть 9мм, вот поэтому, если оставлен большой зазор улочки в медовом корпусе, пчёлы отстраивают рамки большой толщины. Все свои усилия пчёлы направляют на оптимизацию гнездового пространства в привязке к минимизации тепловых потерь и связанное с этим создание благоприятных условий для жизнеобеспечения пчелиной семьи.

Таким образом, пчелиная колония в природе максимально и весьма экономно использует выработанное клубом тепло и при этом выполняется задача сохранения жизненного ресурса каждой конкретной пчелы. Не удивительно, что в нашей местности (юг Украины) зимуют дикие рои весом всего 300 грамм. При такой многопрофильной экономии пчёлы колонии на начало весны выходят физиологически здоровыми с неизрасходованным запасом биологического ресурса каждой пчелы.

В результате пчелиная семья бурно развивается, ей дан хороший старт. Поэтому нет странности в том, что природные пчелиные семьи вступают в полосу роения на две – три недели ранее, чем пчелиные семьи в ульях.

К сожалению, на практике большинство пчеловодов пренебрегают ролью природной тепловой ловушки и зимовку проводят за счёт расходования суммарного жизненного ресурса пчелиной колонии. Для этого в зиму создаются мощные семьи, но незнание, как управлять такой силой и частые потери таких семей, привели к устранению тепловой защиты. В результате такого подхода к весне пчёлы физиологически изнашиваются, и их ресурса хватает только для выращивания пчёл первой генерации, а должно хватать на две. Отсюда медленное развитие пчелиных семей и слабое потомство, и естественно отсутствие хорошего взятка с весенних медоносов.

Для пчеловодов, использующих для зимовки омшаники, следует знать, чем выше температура в омшанике, тем чаще проходят циклы тепловой ловушки, тем больше расходуется корма, тем быстрее пчелиный клуб поднимается вверх. Аналогичная картина происходит и в тёплые зимы, относительно высокая атмосферная температура быстро разрушает углекислотный пояс в гнезде пчёл, и пчёлы чаще выходят с анабиоза, что приводит к частому поеданию запасов мёда и повышенным энергетическим затратам.

К месту следует добавить, в природном жилище пчёл, в дуплах, где длина сот составляет несколько метров, активная фаза длится дольше. Выдохнутый тёплый воздух, согласно закону Архимеда, поднимается между медовых сот на определённую высоту. За время подъёма воздух отдает тепло медовым сотам, но потеряв кинетическую энергию молекул, останавливается, запирая продвижение тепла вверх. По окончании активной фазы столб воздуха опускается вниз. Этот воздух, двигаясь вдоль теплых медовых сот и подходя непосредственно к пчелиному клубу, опять нагревается и распределяется в тепловой ловушке, согласно плотности и молярной массы составляющих воздуха. Молекулы углекислого газа опускаются вниз тепловой ловушки. При этом увеличивается концентрация углекислого газа в гнезде дупла до 10%* и длительность пассивной фазы возрастает.

Также хочу отметить, выводы Е. К. Еськова (1978) относительно отрицательной роли повышенного содержания углекислоты в зимнем клубе являются неверными. Учёный не рассматривал влияние СО2 на пчёл в динамике гнезда, а стационарно наркотизировал пчёл, содержащихся в терморегулируемой камере.

Для более скрупулёзной аудитории пчеловодов, знакомых с термодинамикой и молекулярно-кинетической теорией газов, замечу, количество тепла в тепловой ловушке, от пчелиного нагрева в активной фазе, хватит от силы на 15-20 минут, и температура воздуха в тепловой ловушке поднимется приблизительно на 1оС. Но за период активной фазы, пчёлы поднимут температуру своего тела до 37оС и гнездо заполнится воздухом с повышенным содержанием нагретого углекислого газа, более 4%, что и снизит активность. Далее пчелиный клуб, как нагретое тело, будет излучать тепло и при этом медленно остывать. Основными физическими понятиями для удержания тепла в тепловой ловушке являются мощность тепловых потерь стенок и потолка улья, мощность тепловых потерь через дно улья, мощность теплоотдачи клуба и мощность теплоотдачи медовых сот. Именно на их соотношении и удерживается в течение более 10 часов один цикл тепловой ловушки, но теплофизику рассмотрим далее.

По данной теме сообразительный пчеловод может задать резонный вопрос:

“Почему весной при наружной температуре более 14оС пчёлы всей семьёй дружно выходят на облёт, а поздней осенью и температура выше и ульи сильнее нагреваются солнцем, но такого не наблюдается?”

Ответ дам в развёрнутом виде, здесь полумерами не обойтись.

Осенью пчёлы в ульях находятся снизу, на краю медовых сот, и пчелиный клуб полностью утонул в поясе воздуха с СО2. Кроме того, снизу клуба расположилась концентрированная пробка диоксида углерода, через которую ни одна из пчел пройти не может. Пробка диоксида углерода формируется из молекул диоксида углерода воздушного пояса, которые потеряли часть своей энергии, но для которых ещё выполняется условие неравенства плотностей.

Пробка углекислого газа предохраняет пчёл от выхода при низких температурах за пределы гнезда. Пчеловоды осенью в утренние часы, когда воздух ещё не прогрелся, всегда наблюдают у большинства пчелиных семей, как в нижние летки беспрепятственно проходят осы, а в верхние летки пройти не могут, верхние летки охраняются пчёлами.

Уточняю, не всегда, всё зависит от того, где семья создала клуб. У пчелиных семей, с поздним расплодом, клуб формируется на месте выхода позднего расплода в нижней части гнезда и тогда эта часть семей контролирует нижний леток, потому что в ульях таких семей высота пробки из диоксида углерода небольшая, и она быстро вытекает через нижний леток. Верхние летки в таких пчелиных семьях необходимо держать закрытыми. Эта информация крайне важна для пчеловода, если неправильно открыты летки относительно расположения клуба, то от нападения ос можно потерять пасеку. Углекислотная пробка, как и пояс с СО2 имеет циклический характер существования, при смене цикла или с повышением температуры наружного воздуха она полностью уходит из гнезда.

К изложенному, следует добавить одно обстоятельство, в природном жилище пчёл осы в гнездо к пчёлам не залетают. Это связано с тем, что в природе объём гнезда постоянно находится под небольшим избыточным давлением и из летка стабильно идёт ток отработанного воздуха. Для осы, подлетевшей к такому летку, выходящий запах пчелиной семьи является предостережением, и оса отлетает от летка. При правильной организации гнезда в ульях наблюдается аналогичная ситуация.

Осенью, с повышением температуры, углекислотная пробка вытекает, а пояс СО2 поднимается немного вверх и нижняя часть клуба, попадая в зону воздуха с атмосферным кислородом, активизируется, пчёлы начинают лёт. По моим замерам, в это время температура в верхней части клуба доходит до 33оС, следовательно, чтобы вытекли молекулы диоксида углерода полностью необходимо, чтобы температура под рамками была более 20оС. Иногда такое действительно случается и тогда вся пасека в рабочем режиме, а одна или несколько семей устраивают кордебалет, облётываются.

Выдыхаемый всеми пчёлами семьи объём воздуха постоянен и в этом объёме каждая из составляющих имеет свой уровень, свои геометрические параметры. В ульях к весне пчелиный клуб перемещается вверх, и значительная его часть выходит из зоны пояса СО2. Клуб становится рыхлым и располагается в верхней части тепловой ловушки, температуры в этой части гнезда совершенно другие, чем в низу, они выше. Матка, попадая в зону температуры яйцекладки, а это в области более 30оС, начинает откладывать яйца, пчёлы на яйцах поднимают температуру до 36оС и поднимают эту температуру не за счёт выдыхаемого воздуха, а уже за счёт работы летальных мышц непрямого действия. Следовательно, пояс СО2 выдавливается более нагретой верхней частью тепловой ловушки вниз, где он быстрее остывает, и его температура держится на уровне нижнего значения температуры клуба, 20оС. Поэтому весной при повышении температуры наружного воздуха более 14оС воздух с повышенной концентрацией диоксида углерода быстро вытекает из улья и пчёлы беспрепятственно идут на облёт.

На такие ранние облёты не идут природные пчелиные семьи ввиду увеличенного надклубного пространства за счёт длины медовых сот (только не путайте с пчёлами в бортях) и пчелиные семьи в ульях с охлаждённым среди зимы гнездом, нет расплода.

Зимой в лесу в солнечную погоду и с небольшим минусом окружающего воздуха люди часто замечали, как дикие пчёлы выходят на облёт. Это как раз тот момент, когда проходит смена цикла в тепловой ловушке, воздух с диоксидом углерода вытек полностью, открыв тем самым выход пчеле. Аналогичная ситуация складывается и в ульях. В тех ульях, где нет сквозной вентиляции, открытых летков в верхних корпусах и с организованным подклубным пространством, пчёлы в солнечные дни выходят на небольшой облёт. В этом случае низко движущееся зимнее солнце нагревает атмосферный воздух и почти перпендикулярными к поверхности улья лучами поднимает температуру внутри улья. Суммарная температура атмосферного воздуха и температура от лучистого нагрева передней стенки улья приводят к вытеканию углекислотной пробки, и если в этот момент заканчивается цикл в тепловой ловушке, то вытекающий углекислотный пояс тепловой ловушки открывает путь на облёт активизировавшейся пчеле, пчела облётывается.

В контексте вышеизложенного пчеловоду следует уяснить, леток в корпусах необходимо выполнять как можно ниже на столько, на сколько позволяют конструктивные параметры корпуса. Это решение позволит увеличить высоту углекислотной пробки под клубом, следовательно, уменьшит зимой число выходов пчелы вне улья. После таких вояжей пчелы за пределы улья на снегу остаются лежать замёрзшие трупики пчёл, а это потери. Величина проёма в нижнем летке корпуса улья (если такой имеется) должна соответствовать выходу одной пчелы. Раз в две недели пчеловоду необходимо просматривать летки в корпусах и очищать их от набившейся мёртвой пчелы. Отверстие летка служит не только для лёта пчелы, через него дополнительно проходит ток воздуха донной вентиляции.

Некоторые авторы призывают зимой очищать донья ульев от подмора, этого делать нельзя, любое вмешательство в подклубное пространство разрушает установившийся воздушный режим. Такая технологическая операция временно значительно увеличивает мощность тепловых потерь через дно улья. Если правильно собраны гнёзда пчёл в зиму, за подмор переживать не стоит.

С изменением температурных и газовых параметров в тепловой ловушке связано время выхода роёв, время облёта, ранней весной вылет пчёл за водой, регуляция открытия летков, начало вентилирования и выкучивания пчёл из гнезда, организация на зиму в улье подклубного пространства и многое другое, но обо всём по порядку.

Справка.

Задачи для воздушных шаров с проёмом в нижней части не решаются через закон Архимеда. Для решения таких задач используется закон Блеза Паскаля, по которому в верхней части шара определяется разность между атмосферным и внутренним давлениями. Далее разность давления, умноженная на площадь поперечного сечения шара, это и даст значение подъёмной силы. В рассмотренном случае применение закона Архимеда возможно только в одной точке полёта, когда свеча нагрева сгорела, и шар полностью заполнен нагретым диоксидом углерода.