XIII региональная научно-исследовательской конференции

учащихся 2-8 классов «Юный исследователь»

Секция Физика

Тема исследования:

Физика пчелиной семьи (тепловые явления в улье)

                                                                        Выполнил: ученик 5 класса

                                                                                          ГБОУ СОШ им. М.П. Крыгина

                       с. Кабановка

        Попов Юрий

Руководитель: учитель физики

Уткина Елена Николаевна

                                                      Кабановка 2020 г

Содержание

1. Введение………………………………………………………………..…….3

2. Состав пчелиной семьи и распределение ролей………………………..4

3. Тепловые явления во время зимовки пчелиной семьи………………..7

Заключение……………….…………………………………………………….14

Библиографический список………………………….………………………15

Введение.

Пчелы – поистине удивительные насекомые. Существует большое количество, как видов, так и родов пчел. Они распространены на всех континентах, исключая Антарктиду. Пчелы играют колоссальную роль в природе, так как задействованы в опылении цветущих растений. Несмотря на то, что пчелы могут собирать не только пыльцу, но и нектар, в обоих случаях происходит процесс опыления растений. Их тело покрыто множеством ветвистых ворсинок, способствующих прилипанию пыльцы, и следовательно, ее переносу, при перелете с одного цветка на другой. Иногда пчелы счищают пыльцу с себя лапками, на которых расположены своеобразные щеточки (щетинковидные волоски). Значимость пчел в процессе опыления сложно переоценить. Фермеры многих страх договариваются с пчеловодами о взаимном сотрудничестве, т.е. о строительстве пасек вблизи сельскохозяйственных угодий. У пчел существует немало природных врагов, таких как птицы, триатомовые клопы и другие. Однако, и человек также может вызывать гибель пчел. В частности использование инсектицидов (препаратов, для уничтожения насекомых) для уничтожения насекомых-вредителей может вести к тому, что случайными жертвами станут пчелы. Также использование пестицидов сказывается не лучшим образом на здоровье этих насекомых.

Пчелы – высокоорганизованные насекомые. Большинство пчел осуществляют совместное «ведение хозяйства». Они вместе добывают пищу и воду, строят жилье, защищаются от врагов. Наиболее известной является медоносная пчела.

Популяции медоносных пчел не грозит вымирание вследствие их широкого использования пчеловодами, однако, численность диких пчел, которые наиболее эффективны в процессе опыления, находится под угрозой. Помимо перечисленных отличительных особенностей пчел и фактов о них, стоит отметить, что неподдельный интерес вызывает процесс зимовки. Многие люди не знают ответ на вопрос: «Что происходит в улье зимой?» Некоторые думают, что пчелы впадают в «спячку», но это не так. Целью данной работы является рассмотрение и анализ тепловых процессов, протекающих в улье. Для достижения цели понадобится выполнить следующие задачи:

1) изучить общие принципы организации пчелиных семей (на примере медоносной пчелы);

2) изучить и проанализировать процесс зимовки пчел, а именно, ответить на вопрос: каким образом тепло в улье вырабатывается и за счет чего сохраняется.

Основная часть.

Состав пчелиной семьи и распределение ролей.

Как было отмечено ранее, пчелы представляют собой высокоорганизованных насекомых. В колонии имеется царица (матка), задачей которой является откладка яиц. Также в пчелиной семье имеются трутни – мужские особи, основной задачей которых служит оплодотворение царицы. Почти всю совокупность пчелиной семьи составляют рабочие пчелы. В пчелином улье имеет место строгое разделение труда. За свою жизнь пчелы сменяют несколько родов деятельности. Начинают обычно с "должности" уборщицы, чистят выводковые камеры, выносят из улья погибших пчел. Но уже через несколько дней многие из них переходят к другим заданиям. Одни ухаживают за яйцами и личинками, другие - ремонтируют старые ячейки, третьи - охраняют улей от вторжения извне. Через некоторое время молодые пчелы-работницы перебираются ближе к летку улья (отверстию, через которое можно попасть во внешний мир) и начинают заниматься вентиляцией своего жилища или приемом нектара от прилетающих пчел-сборщиц. И, наконец, они сами начинают приносить в улей нектар и пыльцу. Пчела-сборщица отдыхает лишь десятую часть времени своей жизни. Через две-три недели она полностью изматывается и погибает.

Дом пчелиной семьи представляет собой вертикальные восковые пластины с шестиугольными ячейками. Состоят эти ячейки  из воска. Каждая пчела имеет специальные железы в задней части брюшка, посредством которых и вырабатывается строительный материал.

Ниже на картинках представлены фото внешнего вида пчел и их дома, диаграмма разделения обязанностей, а также цикл развития медоносной пчелы.

Интересен тот факт, что форма сот имеет шестиугольную форму. Это обусловлено тем, что в процессе строительства рабочие пчелы нагревают соты своими телами и воск, расплавившись, начинает стекать вниз. Из-за законов физики стенки растягиваются, утончаются и появляются грани. Данная форма сот наиболее компактна и прочна.

Тепловые явления во время зимовки пчелиной семьи.

Регуляция микроклимата в улье происходит круглогодично. Пчелы могут переносить как экстремально высокую температуру (вплоть до 46°C), так и экстремально низкую (-40°C). Также особую важность имеет и влажность воздуха. Мы рассмотрим тепловые процессы, происходящие в улье во время зимовки, т.к. они наиболее интересны. Здесь важно учесть тот факт, что дикие пчелы  зимуют на воле. В таком случае их улей находится в местах, защищенных от дождей, например, в дупле. Домашние же пчелы проводят зиму в искусственных ульях. 

Однако у тех и других есть общая удивительная стратегия. Способность противостоять морозам обусловлена тем, что пчелы зимой сбиваются в клуб, причем, чем морознее становится, тем плотнее он сжимается. Зимующий клуб пчел представляет собой шарообразную массу, внутри которой поддерживается плюсовая температура. На рисунке представлена фотография клуба пчел.

Уникальность клуба пчел в том, что пчелы меняются между собой местами. Так пчела, немного погревшись и набрав меда в зобик, занимает место на внешней части клуба.

С ней меняется местами другая пчела, которая поспешит внутрь клуба, чтобы погреться и покушать. Таким образом, за счет смены пчел пчелиной семье не страшны морозы.

        На обогрев клуба пчелы тратят тепловую энергию, которая образуется в результате сгорания сахаров (при участии кислорода), т.е. энергию, полученную от поедания меда. Клуб сильной пчелиной семьи в диаметре составляет приблизительно 30 см и на его обогрев ежедневно затрачивается 18 г. меда. Для сгорания такого количества сахара требуется 13,43литра кислорода, который содержится в 64 литрах атмосферного воздуха. Значит, ежедневно в улей должно поступать как минимум, такое количество воздуха. Продуктами сгорания служат водяной пар и углекислый газ. Для того, чтобы система была стабильна и влажность, которая является, как и температура очень важным параметром для успешной зимовки, не увеличивалась,

воздух в улье в течение суток должен обменяться дважды. Любое увеличение потребления запасов, избыточное увлажнение улья, понижение температуры окружающей среды, беспокойство, начало откладки яиц и т.д. влекут за собой увеличение потребления кислорода и обмена израсходованного воздуха.

        Обычно пчелы начинают собираться в клуб при температурах ниже 7–13 градусов (в зависимости от состояния семьи). Цели зимнего клуба очевидны: взаимный обогрев, снижение общих теплопотерь и, соответственно,  уменьшение потребления медовых запасов.

        Пчелы, как и многие другие холоднокровные животные, негативно переносят перепады температур. Их температура зависит от температуры окружающей среды, однако они обладают врожденной способностью регулировать температуру тела в некотором диапазоне. Так, при внешней температуре 9°С температура тела летающей пчелы составляет 18°С, а при внешней температуре 34 °С она поднимается до 35 °С.

 Пчелы производят тепло путем двигательной активности. Грудная мускулатура способствует выработке тепла. Об этом говорит тот факт, что разогрев пчелы при подготовке к полету всегда начинается с подъема температуры груди. Брюшко при этом разогревается значительно слабее, чем грудь. Понятно, каким образом, производит тепло двигающаяся пчела. Что касается неподвижной пчелы, находящейся на периферии клуба, можно утверждать, что она так же может повышать температуру в области груди в результате совершения микроколебаний, т.е. пчела как бы дрожит. В солнечную погоду пчелы могут поглощать тепловую энергию своими покровами. Этот факт говорит нам о высокой теплопроводности пчел и низкой теплоизоляции, т.е. пчела может  как быстро нагреваться, так и быстро охлаждаться. За счет чего выживают пчелы, находящиеся на краю клуба? Ведь именно они охлаждаются больше всего. Кратковременное воздействие отрицательных температур переносится из-за того, что гемолимфа (аналог крови) и другие жидкости пчелиного организма обладают способностью не замерзать в случае переохлаждения. Конечно, существует и критическая температура, при которой эти жидкости начинают кристаллизоваться. В таком случае пчела погибнет. Критическая температура сильно связана с концентрацией углекислого газа. Так, если при сильном понижении внешних температур пчелы соберутся в плотный клуб, то это приведет к уменьшению его вентиляции. Повышение уровня углекислого газа вызывает уменьшение температуры максимального переохлаждения. Таким образом, пчелы смогут пережить кратковременные сильные охлаждения, однако это негативно скажется на продолжительности их жизни.

Форму шара пчелы образуют не случайно. Как было отмечено ранее, при понижении температуры клуб уплотняется все сильнее, а пчелы  все больше размещаются в ячейках, корка становится плотнее и толще. В результате этого уменьшается излучающая тепло  поверхность клуба и величина тепловых потерь. Действительно, из всех объемных фигур площадь поверхности шара наименьшая. Именно поэтому у шара контакт с окружающей средой минимален. Благодаря такой реакции пчелы могут переносить большие холода без значительного увеличения расхода корма. В середине клуба на небольшом участке (тепловой центр) пчелы поддерживают сравнительно высокую температуру, где она достигает 28-32°С тепла. Большую температуру нет смысла поддерживать, так как она необходима только в случае расплода.

Температура на поверхности пчелиной массы не должна понижаться ниже 60С. В противном случае пчелы окоченеют и погибнут. При остывании воздуха, который окружает клуб, пчелиный шар начнет выделять тепло. Это происходит вследствие физического закона о передачи тепла от более нагретого тела к менее нагретому. Пчелы в таком случае теряют тепло.

Предотвратить этот процесс возможно с помощью утепления стенок улья, т.е. применить теплоизолирующие материалы.

Здесь возникает другой вопрос. Вопрос возникновения конденсата в улье. Если утеплить улей и затормозить выход тепла, то внутри улья это тепло будет накапливаться и согревать внутреннюю поверхность его стенок.

В таком случае конденсат может не образоваться. Однако, этого может быть недостаточно и разница между температурой в улье и внешней средой приведет к выпадению капелек воды. Лишнюю влагу можно убрать с помощью вентиляции, но здесь тоже могут возникнуть сложности. При вентилировании улья у пчел возникнет потребность в повышении температуры внутри клуба, так как будет происходить теплоотдача в окружающий клуб воздух. Пчелам придется тратить больше энергии, а следовательно и меда. Из всего вышесказанного можно сделать вывод, что зимовка пчел требует особого режима газообмена. Для успешной зимовки необходимо, чтобы в улье не скапливался конденсат, и пчелы не поедали большое количество меда. Все эти условия зависят от таких факторов как: сила пчелиной семьи, наличие утеплителей, объем улья, типа вентиляции, количества меда, количества углекислого газа в улье. Как было отмечено ранее, пчелы могут зимовать в естественных условиях, а могут «надеяться» на пасечника. Если пчелиная семья сильная, то естественные условия зимовки ее закаляют и такие пчелы более продуктивны в весенне-летний сезон. Но пчелы могут зимовать и в искусственных условиях. Тогда возникает вопрос: как сохранить тепло и удалить излишнюю влагу? Наиболее продуктивным будет использование материалов, обладающих высокой проницаемостью для водяных паров, но имеющих низкую теплопроводность. Из природных материалов, доступных пчеловоду, этими свойствами обладает высушенный мох сфагнум. К тому же он обладает высокой гигроскопичностью. Т.е. при утеплении улья нужно учитывать тот факт, что материал должен пропускать воздух, иначе не избежать процесса конденсации жидкости. Повышение относительной влажности в улье представляет серьезную угрозу пчелиной семье. Высокая влажность сказывается не только на состоянии пчел, но и на брожении меда. Большую роль в функционировании системы пчелиной семьи играет леток. Летком называют отверстие, через которое пчелы могут вылетать на облет. Это дырка, через которую происходит непосредственный контакт улья и внешней среды в период зимовки. Обычно пчелы сами регулируют температуру и влажность в улье, увеличивая или уменьшая размер леткового отверстия. На фото ниже представлено летковое отверстие.

Доказано, что наиболее целесообразен верхний леток. В таких ульях

бывает на 90-100% меньше подмора, чем при зимовке с двумя открытыми летками.  Весной пчелиные семьи, проживающие в таких условиях, выращивают на 20-25% больше расплода. Этот факт также можно объяснить исходя из законов физики.

Холодный воздух, поступающий через верхний леток, опускается вниз улья, как более тяжелый. По мере прогрева он поднимается вверх и вытесняет испорченный воздух. Сырости в улье при этом не бывает. Поэтому для зимовки при низкой температуре, а также в холодные дни осени и весны целесообразнее устраивать вентиляцию через один верхний леток.

При вентиляции с помощью одного нижнего летка возникает проблема сырости. О ней было сказано выше. Иногда целесообразна вентиляция с помощью двух летков. Эта мера предотвращает возникновение сырости еще больше, чем наличие только верхнего летка. Однако не стоит забывать, что

сквозняки (а они неизбежны при наличии сквозной вентиляции) возбуждают пчел. Поэтому увеличивается расход корма, так как необходимы ресурсы для дополнительного выделения тепла. Как мы уже поняли, повышенная влажность мешает успешной зимовке, однако и пониженная не сулит ничего хорошего для пчел. При понижении влажности пчелы страдают от жажды, а мед в сотах быстро кристаллизуется. Чтобы утолить жажду, пчелы распечатывают и усиленно потребляют мед, что приводит к переполнению кишечника каловыми массами. Лишние отходы загрязняют улей, что также негативно сказывается на здоровье пчелиной семьи.

Зимовка пчелиной семьи.

Заключение

В заключении стоит отметить, что цель работы достигнута. Основные задачи, поставленные для достижения цели, решены. Хотелось бы так же высказать мнение о том, что понимание физических законов, протекающих в улье, крайне важно. Многие пчеловоды имеют желание улучшить жилищные условия своих подопечных, однако отсутствие знаний  физики о множестве процессов, происходящих в улье, в клубе, в семье пчел приводит к негативным последствиям. Это тормозит процесс внедрения новых технологий в пчеловодство повсеместно.

Библиографический список

1.  Добышев А.С., Петровец В.Р., Гайдуков В.А. Теплофизические явления в улье медоносной пчелы, журнал Вестник Белорусской государственной сельскохозяйственной академии, 2014.

2.  Шаров М.А., Репш Н.В. Усиленная вентиляция в ульях - один из способов успешной зимовки пчёл в условиях Приморского края, журнал Дальневосточный аграрный вестник, 2017.

3. Жизнь пчелиного улья, Наука и жизнь,  [электронный ресурс], код доступа свободный https://m.nkj.ru/archive/articles/3975/

4. Как живут пчелы зимой, [электронный ресурс], код доступа свободный http://honeygarden.ru/bees/winter/27.php

5. Как зимуют пчелы в улье?, Познаваемое, [электронный ресурс], код доступа свободный  https://poznavaemoe.ru/kak-zimuyut-pchely-v-ule/

6. Почему пчелы строят шестиугольные соты?, Журнал вокруг света, [электронный ресурс], код доступа свободный https://vokrugsveta.ua/vopros-otvet/pochemu-pchely-stroyat-shestiugolnye-soty-11-04-2019