XVIII Международный конкурс научно-исследовательских и творческих работ учащихся
Старт в науке
Разработка школьного прибора аэроиономодулятора с пылесборником в учебных учреждениях для предупреждения болезней
Автор работы награжден дипломом победителя I степени
Полная версия работы доступна во вкладке "Файлы работы" в формате PDF
АБСТРАКТ
Актуальность темы:
1. Обоснование:
В воздухе закрытых учебных классов, особенно в зимний период, количество легких отрицательных ионов кислорода всегда в 10-15 раз меньше санитарных норм. Это обуславливает аэроионную недостаточность, которая приводит к развитию у школьников серьезных хронических заболеваний всех жизненно важных систем организма, снижению иммунитета, возникновению онкологических заболеваний, преждевременному старению и смерти.
2. Гипотеза
Комплекс компенсационных, организационных, технологических и конструкторско-экспериментальных мер позволит снизить уровень аллергенов в воздухе, предотвратить распространение вирусных и бактериальных инфекций, тем самым улучшит сопротивляемость организма к действию неблагоприятных факторов среды и в конечном итоге продлит жизнь человека.
3. Цели
1.Изучить нормативно-техническую документацию по организации контроля аэроионного состава воздуха в учебных кабинетах.
2.Выявить факторы, влияющие на уровень ионизации воздушной среды в учебных классах.
3.Установить причинно-следственные связи состояния здоровья школьника с уровнями аэроионизации.
4.Овладеть методикой проведения контроля аэроионного состава воздуха в классах гимназии №8.
5.Разработать и создать настольную, безопасную конструкцию искусственного аэроиономодулятора с пылесборником для учебных классов гимназии №8.
4. Методы
Анализ статистических данных.
Отбор проб воздуха.
Конструкторско-экспериментальный метод и разработка прибора – аэроиономодулятора с пылесборником.
Изучение литературы и нормативных документов.
5. Научная новизна
Впервые для Туркестанской области в специализированной гимназии №8 с обучением на трех языках имени М.Х. Дулати разработан и установлен искусственный аэроиономодулятор для учебных классов.
Научно обоснован комплекс профилактических мероприятий по оптимизации аэроионного состава воздуха в школьных учреждениях.
6. Практическая значимость
Созданный прибор – аэроиономодулятор с пылесборником предназначен для искусственного создания в классных кабинетах гимназии №8 концентрации отрицательных аэроионов, что способствует активной жизнедеятельности подростка.
Введение
Тема данного исследования – разработка школьного прибора аэроиономодулятора с пылесборником в учебных учреждениях для предупреждения болезней.
Актуальность темы:
1. Обоснование:
Воздух в учебном учреждении оказывает очень сильное влияние на самочувствие ученика, так как даже небольшие источники загрязнения в итоге могут привести к высоким концентрациям при плохом уровне вентиляции помещения. Кроме того время нахождения ученика в учебном учреждении в 21 веке стало подавляющим по сравнению с временем пребывания на свежем воздухе на природе. По различным оценкам современный ученик 10-11 классов проводит в общественных зданиях от 40 до 55% времени суток.
Воздушная среда в учебном учреждении определяется состоянием наружного воздуха, внутренними источниками загрязнения и качеством вентиляции воздуха. Основными источниками загрязнения воздуха в школе являются продукты распада и разложения отделочных полимерных материалов, продукты жизнедеятельности человека и наличия ПК. С биологической точки зрения это является отрицательным фактом, так как формирует высокий уровень риска здоровья обучающихся. Поэтому, сегодня, на мой взгляд, особый интерес представляют процессы деионизации и искусственной аэроионизации воздуха в классе.
В воздухе закрытых учебных классов, особенно в зимний период, количество легких отрицательных ионов кислорода всегда в 10-15 раз меньше санитарных норм. Это обуславливает аэроионную недостаточность, которая приводит к развитию у людей серьезных хронических заболеваний всех жизненно важных систем организма, снижению иммунитета, возникновению онкологических заболеваний, преждевременному старению и смерти.
Можно ли как-то защитить организм школьника и улучшить качество воздуха в классе, снизить вредные факторы окружающей среды, тем самым снизить распространение вирусных и бактериальных инфекций, исключить наиболее распространенные аллергены в воздухе, улучшить сопротивляемость организма к действию неблагоприятных факторов и продлить жизнь человека? На этот вопрос мы и пытаемся ответить в нашем исследовании.
2. Гипотеза
Комплекс компенсационных, организационных, технологических и конструкторско-экспериментальных мер позволит снизить уровень аллергенов в воздухе, предотвратить распространение вирусных и бактериальных инфекций, тем самым улучшит сопротивляемость организма к действию неблагоприятных факторов среды и в конечном итоге продлит жизнь человека.
3. Цели
1. Изучить нормативно-техническую документацию по организации контроля аэроионного состава воздуха в учебных кабинетах.
2. Выявить факторы, влияющие на уровень ионизации воздушной среды в учебных классах.
3. Установить причинно-следственные связи состояния здоровья школьника с уровнями аэроионизации.
4. Овладеть методикой проведения контроля аэроионного состава воздуха, провести измерения концентрации аэроионов в исследуемых классах, определить средние показатели положительных и отрицательных ионов; оценить суммарный аэроионный риск для здоровья ученика.
Разработать и создать настольную, безопасную конструкцию искусственного аэроиономодулятора с пылесборником для учебных классов гимназии №8.
4. Методы
1. Причинно-следственный анализ связи состояния здоровья школьника с уровнями аэроионизации.
2. Исследовательская работа по замеру проб воздуха в учебных кабинетах гимназии №8.
3. Проведение разъяснительной работы о значимости ионизированного воздуха для здоровья учащихся.
4. Разработка и создание настольного прибора аэроиономодулятора с пылесборником для учебных классов гимназии №8.
5. Научная новизна
Впервые для Туркестанской области в специализированной гимназии №8 с обучением на трех языках имени М.Х. Дулати разработан и установлен искусственный аэроиономодулятор с пылесборником для учебных классов.
Научно обоснован комплекс профилактических мероприятий по оптимизации аэроионного состава воздуха в школьных учреждениях.
6. Практическая значимость
Созданный прибор – аэроиономодулятор с пылесборником предназначен для искусственного создания в классных кабинетах гимназии №8 концентрации отрицательных аэроионов.
Аэроиономодулятор с пылесборником помогает проводить профилактические мероприятия, снижает риск возникновения вирусных и бактериальный инфекций, уменьшает количество аллергенов в воздухе и способствует активной жизнедеятельности подростка.
Глава 1. Исследовательская часть 1
По результатам медицинских осмотров, проводимых в школах республики, к категории здоровых можно отнести не более 10% школьников, а около 40% детей страдают хроническими заболеваниями. Традиционная система обучения вынуждает учащихся в течение учебного года находиться в замкнутом помещении. По определению ученого А.Л. Чижевского, каждое закрытое помещение, в котором люди проводят основную часть жизни, - это «камеры с деионизированным воздухом», который способствует развитию разных болезней и сокращает продолжительность жизни.
1.1.Замеры концентрации ионов воздуха в учебных кабинетах
С этой целью, мной были проведены исследования по замерам концентрации ионов воздуха в кабинете информатике, где источниками физических факторов и их характеристик стали компьютеры в количестве 15 дисплеев. Замеры концентрации ионов в воздухе проводились в четырех временных отрезках в течение одного учебного дня- 9.09.2019г. Они производились малогабаритным счетчиком аэроионов МАС-01. Из предложенных в счетчике режимов был выбран пятый (5), который предусматривает вычисление коэффициента униполярности. Объектом наблюдений был принят воздух кабинета № 6, объёмом 127,5 м3. Среднее количество учеников, занимавшихся в аудитории за время исследования, составило 15 человек. В течение учебного дня помещение было занято непрерывно около 6-7,5 ч. Занятия школьников длились по 40 минут с 5,10-минутным перерывом между ними. В зависимости от времени замеров менялись условия: ПК в режиме «включено», «выключено», отсутствие или нахождение учеников в классе, проветривание помещения, влажная уборка - которые, на мой взгляд, должны были оказать влияние на концентрацию аэроионов. В результате проведенных исследований были получены следующие результаты:
1.2.Анализ электрического режима воздуха в учебных аудиториях
Таблица 1. Электрический режим воздуха в исследуемых аудиториях
Общие закономерности видны отчетливо. Во-первых, в процессе дня концентрация аэроионов претерпевала изменения в зависимости от условий (указанных выше). Можно было бы допустить, что увеличение числа положительных ионов идёт за счет уменьшения числа отрицательных аэроионов, так как они легко прилипают к частичкам аэрозоля и превращаются в тяжёлые частицы. Такого рода предположение может быть верно, лишь в отношении незначительного числа аэроионов, так как уменьшение числа отрицательных аэроионов не соответствует увеличению числа тяжелых. В то время как число отрицательных аэроионов уменьшается в присутствии людей с-0,42*10-3см3--0,37*10-3см3, число положительных аэроионов возрастает в пределах +0,21*10-3см3 +0,47*10-3см3. Если до начала занятий концентрация отрицательных частиц над положительными была выше в 2 раза, то во время занятий эта величина заметно уменьшилась. Наблюдения ясно говорят о том, что в присутствии людей появляются новые источники, продуцирующие электрические заряды в окружающий воздух. Усугубляющим фактором считаю наличие дисплейных терминалов в режиме «включено», а также различной оргтехники, способной создавать электростатические поля высокой напряженности. После проветривания кабинета концентрация зарядов обоих знаков стала одинаковой. Безусловным является сокращение положительного иона на 0,13*10-3см3(0,47-0,34=0,13), но в то же время идет уменьшение отрицательного иона на 0,3*10-3см3 (0,37-0,34=0,3), даже на незначительные сотые доли требует обоснования.
Предполагаем, что основной причиной такого явления может быть «некачественный» воздух, поступавший с улицы, так как окна кабинета выходят на дорогу, где количество автомобилей на квадратный километр весьма плотно. Хотя коэффициент униполярности при данном замере находится в предельно допустимой концентрации. Влажная уборка как условие четвертого замера не внесла существенных изменений в отдельные показатели, но разница соотношений разнополярных аэроионов составила 0,14*10-3см3 (0,39-0,25=0,14). Для сравнительного анализа был произведен единичный замер в аудитории №11 «кабинет биологии», сходной по площади, количеству обучавшихся в нем учеников и времени их пребывания, но отличающейся отсутствием ПК. Показатель У=0,81, полученный в кабинете биологии, можно считать приемлемым, и данный коэффициент, возможно, применим к аудиториям с такими же условиями.
Вывод по результатам: Таким образом, увеличение концентрации положительных аэроионов происходит главным образом за счёт таких факторов: дыхания людей, наличия в воздухе других аэрозолей, наличия ПК. С биологической точки зрения это является отрицательным фактом, так как формирует высокий уровень риска здоровья обучающихся. Поэтому, сегодня, на мой взгляд, особый интерес представляют процессы деионизации и искусственной аэроионизации воздуха в классе.
Заключение:
1. Результаты анализа показателей коэффициента униполярности в кабинете информатики необходимо рассматривать как формирующие высокий уровень риска здоровью обучающихся.
2. Результаты измерений свидетельствуют о том, что:
a) отношение числа положительного аэроионов к числу отрицательного является определённой характеристикой гигиенического состояния воздуха;
b) воздушная среда исследованных объектов ухудшается пропорционально числу лиц и времени их пребывания в помещении;
c) дисплейные терминалы оказывают неблагоприятное влияние на ионный состав воздуха.
3. Необходим комплекс санитарно-гигиенических мер по улучшению качества воздуха в аудиториях гимназии, требуется разработка специального прибора, который бы ионизировал отрицательные ионы и тем самым уменьшал количество пыли, снизил количество аллергенов, предотвратил возникновение инфекционных заболеваний в учебных кабинетах для школьников.
Исследовательская часть 2
2.3. Разработка приборааэроиономодулятора с пылесборником
Систематическое дыхание воздухом, обогащенным аэроионами кислорода, замедляет старение живых организмов и продлевает их жизнь. Дело в том, что с годами происходит разрядка электростатических систем организма (уменьшение величины мембранного потенциала), неуклонное снижение ионизации цитоплазмы, в результате чего укрупняются частицы биоколлоидов, обезвоживается и уплотняется протоплазма, ухудшается питание и электрообмен в тканях. Все эти физико-химические изменения характерны для старения,на фоне которого и развиваются злокачественные образования. Постоянное же введение в организм отрицательных аэроионов кислорода замедляет прогрессирующую электроразрядку тканей, и старение человека, дарит несколько дополнительных лет жизни. Отрицательно ионизированный воздух нормализует функциональное состояние центральной и периферической нервной системы, а также физико-химические свойства крови. Применение отрицательных аэроионов улучшает легочную вентиляцию, увеличивает потребление кислорода и выделение углекислоты, усиливает окислительно-восстановительные процессы в тканях.
Отмечено стимулирующее действие аэроионов на белковый, углеводный и водный обмены, синтез витаминов (особенно группы В), стабилизирующее влияние на уровень кальция и фосфора в организме, на концентрацию сахара в крови. При аэроионизации нормализуется артериальное давление, стимулируются защитные силы организма, повышается устойчивость к охлаждению, недостатку кислорода, инфекциям и аллергиям. Присутствие в воздухе аэроионов ускоряет заживление ран, ожогов. Ионизация воздуха улучшает общее самочувствие, снижает физическую и умственную усталость, оказывает успокаивающее действие.
При использования аэроионизатора - пыль, аллергены, неприятные запахи, прошедшие через прибор, навсегда нейтрализуются, остальная пыль (20%), которая все еще находится в воздухе, "заряжается" отрицательно и осаждается на полу и стенах (поскольку они имеют положительную полярность), конечно влажная уборка потребуется чаще, но в отсутствии ионизатора эта пыль висит в воздухе и осаждается в наших легких, а не на полу.
2.4. Схема прибора аэроионизатора
рис.1
Аэроиономодулятор состоит из следующих частей: экрана (обруч) транзисторного преобразователя постоянного тока, устройства питания. Экран и является собственно генератором отрицательных ионов. На его иглах под действием высокого напряжения, поступающего с преобразователя, образуются электроны, ионизирующие воздух в учебном учреждении.
Основа прибора - легкий металлический обод (например, стандартное гимнастическое кольцо "хула-хуп") диаметром 750-1000 мм, на котором натягивают по взаимно перпендикулярным осям с шагом 35-45 мм оголенные медные провода диаметром 0,6-1,0 мм. Они образуют часть сферы - сетку. В узлах сетки впаяны иглы длиной не более 50 мм с толщиной 0,25-0,5 мм. Желательно, чтобы они были максимально заточены (использовали булавки) поскольку ток, поступающий с острия, увеличивается, а возможность образования побочного вредного продукта - озона уменьшается.
К ободу прибора через 120 градусов прикреплены три медных провода диаметром 0,8-1 мм, которые спаяны вместе над центром обода. К этой точке подводится высокое напряжение.
Преобразователь напряжения необходим для получения высокого напряжения отрицательной полярности, питающего прибор. Абсолютная величина напряжения должна быть не менее 50 кВ. Только при таком напряжении обеспечивается достаточная "живучесть" аэроионов, обеспечивающая им проникновение в легкие человека.
Получить то или иное напряжение не трудно наращивая количество умножительных каскадов, однако чрезмерно увлекаться увеличением напряжения не следует, поскольку появляется опасность возникновения коронного разряда, сопровождаемого запахом озона и резким снижением эффективности работы установки. Особенностью его является непосредственное питание от сети.
Схема простейшего преобразователя напряжения, приведена на рис.2
рис.2 Схема преобразователя напряжения
2.5. Принцип работы прибора
Во время положительного полупериода сетевого напряжения через резистор R1, диод VD1 и первичную обмотку трансформатора Т1 заряжается конденсатор С1. Тиристор VS1 при этом закрыт, поскольку отсутствует ток через его управляющий электрод (падение напряжения на диоде VD2 в прямом направлении мало по сравнению с напряжением, необходимым для открывания тиристора).
При отрицательном полупериоде диоды VD1, VD2 закрываются. На катоде тиристора образуется падение напряжения относительно управляющего электрода, в цепи управляющего электрода появляется ток и тиристор открывается. В этот момент конденсатор С1 разряжается через первичную обмотку трансформатора Т1. Во вторичной обмотке появляется импульс высокого напряжения и так каждый период сетевого напряжения. Импульсы высокого напряжения выпрямляются выпрямителем, собранным по схеме умножения напряжения на диодах VD3-VD6. Постоянное напряжение с выхода выпрямителя поступает через ограничивающий резистор R3.
2.6. Детали и конструкцияприбора
Резистор R1 может быть составлен из трех параллельно соединенных МЛТ-2 сопротивлением по 3 кОм, а резистор R3 из трех-четырех последовательно соединенных МЛТ-2 общим сопротивлением 10-20 МОм. Резистор R2 - МЛТ-2. Диоды VD1 и VD2 - любые на ток не менее 300 мА и обратное напряжение не ниже 400 В (VD1) и 100 В (VD2). Диоды VD3-VD6 могут быть типа КЦ201Г-Е. Конденсатор С1 - МБМ на напряжение не менее 250 В, С2-С5 - ПОВ на напряжение не менее 10 кВ (С2 не менее 15 кВ). Применимы и другие высоковольтные конденсаторы. Тиристор VS1 - КУ201К,Л, КУ202К-Н. Трансформатор Т1 - катушка зажигания Б2Б (на 6 В) от мотоцикла, но можно использовать и другую, например от автомобиля.
Весьма привлекательно применение телевизионного трансформатора ТВС-110Л6, вывод 3 которого соединяют с конденсатором С1, а выводы 2 и 4 с " общим" проводом, а высоковольтный провод с конденсатором С3 и диодом VD3. В этом варианте, как показала практика, желательно использовать высоковольтные диоды 7ГЕ350АФ или КЦ105Г и другие с обратным напряжением не менее 8 кВ.
Монтировать детали аэроионизатора следует в корпусе соответствующих габаритов так, чтобы между выводами высоковольтных диодов и конденсаторов было достаточное расстояние. Еще лучше после монтажа покрыть эти выводы расплавленным парафином - тогда удастся избежать коронного разряда и запаха озона.
Аэроионизатор не нуждается в налаживании и начинает работать сразу после включения в сеть. Изменять постоянное напряжения на выходе ионизатора можно подбором резистора R1 или конденсатора С1. Для некоторых экземпляров тиристоров иногда надо подобрать сопротивление резистора R2 по моменту открывания тиристора при минимальном сетевом напряжении.
2.7. Нормальная работа аэроионизатора
Простейший индикатор - вата. Небольшой кусочек ее притягивается к прибору с расстояния 50-60 см. Поднеся (осторожно!) руку к остриям игл, уже на расстоянии 7-10 см ощутите холодок - электронный ветер - "эффлювий". При работе аэроионизатора не должно быть никаких запахов. Запахи - признак вредных газов (озона или окислов азота), которые не должны образовываться у нормально работающего прибора.
2.8. Апробация прибора
Разработанный прибор я апробировала все в том же кабинете информатики №6, но выбрала только две позиции для определения ионов в воздухе:
При включенных компьютерах и присутствии 15 учеников.
При подключении аэроиономодулятора во время большой перемены и включенных компьютерах.
Результаты оказались очевидными:
Таблица 2.
|
Полярность аэроионов |
Значение единичного измерения |
Разница увеличения/уменьшения |
|
|
Включенный компьютер и присутствие учащихся (40 минут) |
Включенный аэроиономодулятор во время большой перемены (20 минут) |
||
|
Р+ |
0,49*10 см |
0,40*10 см |
0,09*10см (уменьшение) |
|
Р- |
0,41*10 см |
0,52*10 см |
0,11*10 см (увеличение) |
Как видно из таблицы количество положительных ионов преобладает над отрицательными на 0,8 единиц, это обусловлено процессами жизнедеятельности учащихся и включенными компьютерами. Во время большой 20 минутной перемены при включенных компьютерах был подключён аэроиономодулятор с пылесборником, который способствовал увеличению отрицательных ионов на 0,12 единиц. Воздух в классе стал ионизированный, обогащённый живым кислородом.
Вывод: разработанный аэроиономодулятор с пылесборником приводит к образованию отрицательных ионов, и это значит, что организм школьника защищен, значит, что все обменные процессы подростка проходят в порядке, моя цель достигнута.
Далее я привожу санитарно-эпидемиологические правила и нормативы для учреждений.
2.9.Преимущество разработанного прибора аэроиномодулятора
Простота принципиальной схемы и конструкции.
Удобная разборная конструкция для транспортировки.
Очень малое потребление электрической энергии.
Дешевизна.
factors
Заключение:
В результате данной исследовательской работы я пришел к следующим выводам:
Изучены нормативно-технические документации по организации контроля аэроионного состава воздуха в учебных кабинетах.
Выявлены факторы, влияющие на уровень ионизации воздушной среды в учебных классах.
Установлены причинно-следственные связи состояния здоровья школьника с уровнями аэроионизации.
Проведены замеры аэроионного состава воздуха, измерены концентрации аэроионов в исследуемых классах, определены средние показатели положительных и отрицательных ионов; оценен суммарный аэроионный риск для здоровья ученика.
Разработан и создан настольный, безопасный искусственный аэроиономодулятор для учебных классов гимназии 8.
Практическая значимость данного исследования по моему мнению, достаточно велика.
Во-первых, я привлек внимание широких масс к проблеме загрязнения окружающей среды тяжелыми ионами.
Во-вторых, были проведены исследования уровня униполярности ионов воздуха в классе.
В-третьих, с помощью сконструированной установки, я смог предложить ещё один способ контролирования уровня положительных и отрицательных ионов воздуха, что способствует улучшению здоровья учащихся и педагогов.
уЧижевский А. Л. Аэроионификация в народном хозяйстве. - М.: Госпланиздат, 1960 (2-е издание - Стройиздат, 1989).
Иванов Б. С. Электроника в самоделках. - М.: ДОСААФ, 1975 (2-е издание - ДОСААФ, 1981).
Чижевский А. Л. На берегу Вселенной. - М.: Мысль, 1995.
Чижевский А. Л. Космический пульс жизни. - М.: Мысль, 1995.
Чижевский А.Л. Аэроионы и жизнь; Беседы с Циолковским/ А.Л.Чижевский; Сост., вступ.ст., коммент. и подбор ил. Л.В.Голованова. М.:Мысль, 1999.
Общероссийская газета «Моя семья» март 2002 / 12
Газета « Пульс» № 2(147) 9 января 2002
Скипетров В.П. Аироионы и жизнь – издание 3 Саранск Типография
« Красный Октябрь» , 2005
Люстра Чижевского: отвечают специалисты", "Комсомольская правда" 21.12.2001
Рысин Ю.С. «Социально-информационные опасности телерадиовещания, информационных технологий», Москва, изд. «Гелиос АРВ», 2007
Реймерс Н.Ф. «Охрана природы и окружающей среды», Словарь-справочник, Москва, изд. «Просвещение», 1992 г.
Шульчовский В.В. «Основы нейрофизиологии», Москва, изд. «АСПЕКТ - ПРЕСС», 2005 г.