VI Международный конкурс научно-исследовательских и творческих работ учащихся
Старт в науке
Влияние на электроприборы одного из видов синантропных организмов и создание устройства для борьбы с ними
Автор работы награжден дипломом победителя II степени
Полная версия работы доступна во вкладке "Файлы работы" в формате PDF
ВВЕДЕНИЕ
По сообщениям Роспотребнадзора в Забайкальском крае с 2015 года наблюдается резкий рост популяции тараканов. По словам руководителя ведомства Любови Дубиной, «до 2015 года в городе тараканов не было вообще, а новые виды тараканов попадают в край из других регионов» [11]. В Чите встречается рыжий таракан (лат. Blattella germanica), которого до этого в крае не было порядка восьми лет.
Одна из крупнейших управляющих компаний города «Регион» регулярно в своих домах проводит дорогостоящие инсектицидные мероприятия, однако жалобы жильцов на наличие в квартирах насекомых продолжают поступать [7].
Тараканы причиняют человеку социальное неудовлетворение, и, кроме того, пассивно вносят вклад в ухудшение здоровья людей. Широко известно, эти насекомые загрязняют пищевые продукты, переносят болезнетворные бактерии, в частности бактерию синегнойной палочки, могут являться причиной аллергии и приступов астмы [3].
Однако существует еще один отрицательный для человека аспект от данного синатропного организма. Одной из базовых потребностей человека, согласно пирамиде А.Маслоу (2 уровень), является потребность в безопасности. Существуя под одной крышей с тараканами, человек не может чувствовать себя в полной мере в безопасности вовсе не по причине антисанитарии.
Сотрудники авторизированных сервисных центров отмечают, что тараканы являются частой причиной выхода из строя бытовых электроприборов, провоцируя короткие замыкания, которые могут даже стать причиной пожара.
В последнее десятилетие у населения в разы увеличилось количество бытовой техники и электронных приборов. В настоящее время планшет, ноутбук, компьютер, сложная бытовая техника имеются у большей части семей. Кроме того, в 2002 г. была утверждения и стартовала Федеральная цифровая программа «Электронная Россия», призванная качества взаимоотношений государства и общества путем расширения возможности доступа граждан к информации о деятельности органов государственной власти, повышения оперативности предоставления государственных и муниципальных услуг, внедрения единых стандартов обслуживания населения [10]. В связи с реализацией данной программы кратно возросло число электронных устройств на различных предприятиях ив организациях. Следовательно, вероятность возникновения проблем с электроприборами в крае значительно выше, чем это было восемь лет назад, когда на территории Забайкалья проживала прежняя популяция Blattella germanica. Этим объясняется актуальность исследования зависимости возникновения коротких замыканий в приборах из-за попадания в них тараканов.
Целью данного исследования является демонстрация опасности обитания тараканов в помещениях с электрическими и электронными приборами, а также создание электрической ловушки для тараканов.
Для достижения поставленной цели необходимо решить следующие задачи:
1. Проанализировать материал по теме исследования, изучив разницу между электрическими и электронными приборами и устройствами, суть короткого замыкания, влияние насекомых на платы и микросхемы.
2. Провести анкетирование, чтобы узнать мнение жителей по проблеме исследования.
3. Провести ряд экспериментов, чтобы выяснить, как тараканы портят или не портят приборы.
4. Выяснить среду экскрементов насекомых.
5. Собрать электрическую ловушку для тараканов или доказать бесперспективность такого способа борьбы с насекомыми.
Объект исследования– тараканы рыжие, живущие в домах г. Читы.
Предмет исследования – влияние тараканов и их экскрементов на электрические и электронные приборы.
Рабочая гипотеза – при попадании тараканов в электронные и электрические приборы последние выходят из строя по вине насекомых. Совместно тараканы и электричество могут создавать серьезную опасность для людей.
При написании работы использованы следующие методы: теоретические (изучение и анализ научной и публицистической литературы по проблеме исследования, систематизация и обобщение накопленного материала, интерпретация полученных результатов исследования), экспериментальные (наблюдение, эксперимент) и метод творческой деятельности.
Методика исследования – авторская.
Следует отметить, что изучением тараканов ученые-энтомологи занимаются постоянно. Одним из видных энтомологов считается шведский ученый Карл Линней, который описал 1936 видов насекомых. Он распределил их по родам, сгруппированных на основании строения крыльев в девять отрядов, а также ввел бинарную номенклатуру [1]. Великий русский врач Боткин изучал возможность изготовления лекарств из тараканов. Он лечил такими снадобьями больных в своей клинике. Академик Е. Н. Павловский когда-то шутил, что его научная карьера и карьера академика Л. А. Орбели потому сложилась так удачно, что объектом первой научной работы у каждого из них был черный таракан [8]. В 2003 г. Анджела Риджел (Angela Ridgel) и её коллеги из университета CWRU (Case Western Reserve University) провели первое детальное исследование относительно старения насекомого и выяснили, что тараканы с возрастом становятся немощными [6]. В 2015 г. энтомологи из Университета штата Северная Каролина в Рэйли попытались выяснили, какие именно вещества заставляют тараканов держаться вместе [4].
Тем не менее, при подготовке исследования нам не встретилось информации, объясняющей вред тараканов для электроприборов с точки зрения физики. В Сети лишь на специализированных форумах имеются обсуждения выхода приборов из строя по вине этих насекомых. Таким образом, работе присуща новизна, также она имеет практическое приложение: полученные результаты можно использовать на уроках физики при прохождении тем по разделу «Электрические явления», а также на уроках ОБЖ, посвященным требованиям пожарной безопасности. Кроме того, разработанный прибор можно использовать в домохозяйствах для борьбы с тараканами.
ЭКСПЕРИМЕНТАЛЬНАЯ ЧАСТЬ
Рыжий таракан – вид тараканов из семейства Ectobiidae. Один из самых широко распространенных синотропных организмов. Был завезен в Европу в XVIII веке из Южной Азии, не любит холод [2]. В наших холодных климатических условиях живет только в отапливаемых помещениях. Часто тараканы живут в различных приборах: радиоприемниках, плитах, микроволновках, кофеварках, телевизорах и т.п. В таких приборах тараканам темно, тепло и безопасно (в том смысле, что там до них сложно добраться человеку).
Тепло в электроприборах вполне объяснимо с точки зрения физики. Любой провод электроприбора имеет сопротивление. Ток, проходя по нему, преодолевает сопротивление, причем, чем оно выше, тем сложнее пройти по нему току.
Таким образом, поскольку на открытых пространствах человек безжалостно уничтожает тараканов, а в приборах тепло, темно и безопасно, тараканы выбирают электроприборы как одно из мест своего обитания. Таких приборов имеется достаточно на современной кухне.
Тараканы могут селиться и электронных устройствах. К таковым часто относят компьютеры и ноутбуки. Однако тараканам не обязательно покидать пределы кухни (хотя если с ними не бороться, рано или поздно это произойдет), электронных приборов в настоящее время достаточно и там.
Поясним разницу между электрическими приборами и электронными, поскольку это пригодиться для дальнейшего исследования.
Электрические приборы – это приборы несложные, предназначенные для выполнения конкретных типовых задач. Питание ~200 В и выше. На кухне таковыми являются электрические чайники, электрические плиты (простые непрограммируемые), тостеры, простые кофеварки.
Электронные приборы – имеют в своей основе схему, содержащую электронные детали (диоды, транзисторы, тиристоры, микросхемы и т.п.)., предназначены для выполнения сложных задач. Данные приборы – низковольтовые, напряжение в основном не выше ⎓12 В [9].
Для подтверждения или опровержения рабочей гипотезы нам необходимо провести ряд экспериментов, предварительно сделав несколько измерений: измерить сопротивление таракана, размеры таракана, а также вычислить удельное сопротивление насекомого, чтобы выяснить, является ли таракан диэлектриком.
Сопротивление таракана измерялось при помощи мультиметра DТ-830B. Среднее сопротивление крупного насекомого R=1 МОм. Размеры таракана измерялись при помощи штангенциркуля. Средняя длина взрослой особи l=0,01 м, поперечное сечение таракана – это эллипс, примерные радиусы эллипса d1=5 мм2, d2=3 мм2. После проведения всех измерений удельное сопротивление таракана ρ возможно вычислить по формуле:
(Ом·м).
Несмотря на то, что таракан обладает удельным сопротивлением позволяющим отнести его к полупроводникам, делать окончательный вывод, ориентируясь только на удельное сопротивление, неверно. Таракан не является кристаллическим веществом, скорее его нужно рассматривать как электрическую коллоидную систему. Однако в любом случае, таракан проводит электрический ток.
Эксперимент №1. Проверка опасности таракана для электрического прибора (прибора с высоким вольтажем).
Необходимое для эксперимента оборудование и подопытные: шнур, с возможностью работы от розетки с припаянными на концах «крокодильчиками», резиновая разделочная доска, резиновые перчатки, огнетушитель для обеспечения пожарной безопасности эксперимента (не пригодился), телефон и ассистент для съемки эксперимента, живые тараканы различных размеров.
Техника проведения эксперимента: на диэлектрической поверхности (пластиковая разделочная доска) по очереди подсоединяем тараканов посредством «крокодильчиков» к проводу. Надев резиновые перчатки, даем высокое напряжение (рисунок 1).
Рисунок 1. Проверка опасности таракана для электрического прибора
Результат: происходит короткое замыкание, иногда таракан искрит, иногда дымиться, иногда вырывается маленькое пламя. Автоматы не срабатывали ни разу во всей серии из 10 опытов. Тараканы гибли всегда, замыкание происходило всегда.
Интерпретация результатов: таракан, попадая в электрический прибор, независимо от своих размеров может замкнуть его, причем, автоматы не сработают, прибор с большой долей вероятности выйдет из строя.
Эксперимент №2. Проверка опасности таракана для электронного прибора (прибора с низким вольтажем).
Необходимое для эксперимента оборудование и подопытные: макетная плата, светодиод, провода, батарейки, резиновые перчатки, телефон и ассистент для съемки эксперимента, живые тараканы различных размеров.
Техника проведения эксперимента: собрать прототип электронного прибора из проводов, батареек, макетной платы и светодиода. Проткнуть таракана проводом, тем самым замкнув электрическую цепь через него (рисунок 2).
Рисунок 2. Проверка опасности таракана для электронного прибора
Результат: Короткого замыкания не произошло во всей серии из 10 опытов ни разу.
Интерпретация результатов: таракан не может замкнуть электронное устройство. Однако, изучив материалы форумов специалистов сервисных центров, мы пришли к выводу, что тараканы такие приборы все-таки портят.
Эксперимент №3. Проверка опасности таракана для электронного прибора, где имеются и электронные детали, и электрические (разный вольтаж).
Необходимое для эксперимента оборудование и подопытные: макетная плата, трансформатор, диодный мост, светодиод, провода, резиновые перчатки, телефон и ассистент для съемки эксперимента, живые тараканы различных размеров.
Техника проведения эксперимента: подключить к первичной обмотке трансформатора сеть 220 В ко вторичной обмотке, выдающей напряжение 5 В, подключить диодный мост. Соблюдая полярность, подключить к диодному мосту светодиод через резистор. Замкнуть один из контактов первичной обмотки через таракана с одной из частей низковольтной части цепи. Включить цепь в розетку.
Результат: Таракан задымился, произошло короткое замыкание, низкая часть цепи сгорела. Повторные опыты не проводились в виду дороговизны расходных материалов, требующихся для создания макета. Эксперимент подтвердил сообщения сотрудников сервисных центров на специализированных форумах о том, что такие приборы зачастую выходят из строя из-за тараканов [5].
Интерпретация результатов: таракан, попадая в прибор с разным вольтажем, является причиной выхода из строя низковольтной части цепи.
Эксперимент №4. Проверка опасности экскрементов тараканов для электронных приборов.
Как известно, дорожки микросхем – это медь. Работники сервисов по ремонту бытовой техники говорят, что если тараканы долго живут в приборах, то дорожки на схемах, подвергаются агрессивному воздействию тараканьих экскрементов.
Необходимое для эксперимента оборудование и подопытные: емкость, дно которой выстлано индикаторной бумагой, телефон для съемки результата эксперимента, живые тараканы различных размеров.
Техника проведения эксперимента: в емкость, выстланную индикаторной бумагой на сутки помещаем несколько живых насекомых, обеспечиваем их пищей и водой. Ждем результатов и фиксируем изменение окраски индикаторной бумаги.
Результат: От экскрементов бумага окрасилась в розовый цвет (рисунок 3). Интерпретация результатов: экскременты тараканов имеют кислотную среду, которая разъедает медные дорожки схем.
Рисунок 3. Индикаторная бумага и экскрементами насекомых
ИЗУЧЕНИЕ ВОЗМОЖНОСТИ ЦЕЛЕНАПРАВЛЕННОГО ЭЛЕКТРИЧЕСКОГО ВОЗДЕЙСТВИЯ НА ТАРАКАНОВ С ЦЕЛЬЮ ИХ УНИЧТОЖЕНИЯ
В настоящее время существуют различные способы уничтожения тараканов. В нашей квартире было перепробовано большинство из них. Генеральная уборка, ремонт, добавление отрав в строительные материалы, используемые при ремонте, вымораживание помещений, блокирование насекомым доступа к воде, уничтожение тараканов современными инсектицидами. Все эти способы дают результат, однако если уничтожение не проводится во всем многоквартирном доме одновременно, а лишь в отдельно взятой квартире, он кратковременный и не стопроцентный. Тараканы придут вновь из других квартир по вентиляции. Кроме того, использовать в больших количествах ядохимикаты в помещениях, где проживают постоянно люди и домашние животные, - вредно для здоровья.
В связи с безуспешностью борьбы с вредителями и осознанием их опасности не только для здоровья человека и домашних животных, но и техники, было решено изучить электронные приборы для борьбы с тараканами.
Производители электронных отпугивателей предлагают в настоящее время электронные модели приборов двух типов[12]:
Ультразвуковые приборы, которые являются более традиционными. Считается, что такое средство от тараканов в розетку отпугивает насекомых за счет достаточно мощного ультразвукового сигнала, которого сами тараканы должны бояться.
Электромагнитные приборы (магнитно-резонансными), создающие, по отзывам производителей, вокруг себя поле, в котором тараканы не могут находиться из-за действия электромагнитных волн на их нервную систему.
Однако уже подтверждено, что такие приборы бесполезны. Электронные отпугиватели хорошо работают в отношении тех насекомых, которые используют ультразвук для коммуникации со своими сородичами, например, для комаров. Применять такие же средства против насекомых, никак не использующих ультразвук, бесполезно. Только ультразвук очень высокой силы может создавать для них дискомфорт. Но достаточно мощный сигнал будет также негативно влиять на человека, воздействуя на нервную систему.
То же самое касается и магнитно-резонансных отпугивателей. Тараканы болезненно реагируют только на электромагнитное излучение, достаточно мощное, чтобы повлиять и на человека. Поэтому средств, абсолютно нейтральных для людей, но эффективно влияющих на тараканов, не существует. Представленные на рынке приборы в большинстве своем — бесполезная трата денег.
Таким образом, в настоящее время на рынке не представлены высокоэффективные и абсолютно безопасные средства борьбы с тараканами. Поэтому было решено создать принципиально иное устройство, основываясь на полученных в описанных опытах результатах, т.е. такое устройство, которое бы физически уничтожало таранов разрядом электрического тока или показать несостоятельность данного технологического решения.
ОПИСАНИЕ ПРИБОРА
Для создания прибора №1 использованы следующие компоненты: блок высокого напряжения БВН-28, две аккумуляторные батареи по 12 В, провода, коробка-ловушка с приманкой. Все элементы прибора соединялись при помощи спайки проводами (рисунок 4).
Рисунок 4. Прибор №1
Прибор №1 имеет достоинства и недостатки. К достоинствам прибора можно отнести эффективность истребления насекомых, однако БВН издает при включении прибора постоянный резкий звук, который отпугивает тараканов и невыносим для людей. Эффективность уничтожения проверялась принудительно, поскольку самостоятельно насекомые в ловушку не шли. Кроме того, прибор громоздкий, не может работать от сети, ему постоянно требуются заряженные аккумуляторы. Прибор №1 был признан негодным для заявленной цели.
Для создания прибора №2 использованы следующие компоненты: умножитель напряжения на диодах и конденсаторах с коэффициентом 4, стальная проволока, 2 металлические решетки, корпус прибора, напечатанный на 3-D принтере по макету, созданному в программе «КОМПАС 3-D», сетевой шнур с вилкой. Схема использованного для прибора умножителя приведена на рисунке 5.
Рисунок 5. Схема умножителя для прибора №2
Выбор умножителя был обусловлен его компактностью, бесшумностью, возможностью работы от бытовой сети, дешевизной, а также тем, что аналогичные умножители уже применяются в инсектецидных лампах для уничтожения летающих насекомых (мух, комаров и т.п.).
Из одной из таких ламп был изъят умножитель, который был подключен к металлическому контуру из проволоки, помещенному внутрь пластикового корпуса. Вся эта конструкция была подсоединена при помощи спайки к сетевому шнуру с вилкой (рисунки 6 и 7).
Рисунок 6. Внутренняя часть камеры-ловушки
Рисунок 7. Корпус прибора, с индикатором заполненности ловушки.
Для тестирования прибор был помещен в тазик с отловленными предварительно насекомыми. Испытания прошли успешно. За время тестирования были выявлены его достоинства и недостатки. К достоинствам прибора можно отнести его бесшумность, ничтожно малое потребление электроэнергии, компактность, безопасность. Недостатком прибора является необходимость регулярных проверок ловушки для очистки ее от убитых насекомых.
Таким образом, прибор №2 был признан пригодным для решения поставленной задачи.
ЗАКЛЮЧЕНИЕ
Таким образом, в результате различных экспериментов было доказано, что тараканы рыжие, проживающие в домах, действительно, представляют опасность для электрических приборов и электронных устройств.
В рамках исследования была дана оценка существующим в настоящее время на рынке средствам для борьбы с тараканами. Было выяснено, что приборы, подключаемые к бытовой сети, малоэффективны, а различные химикаты могут плохо влиять не только на насекомых, но и людей и домашних животных. После изучения недостатков и интерпретации результатов опытов был создано принципиально иное устройство для борьбы с тараканами. Поскольку прибор тестировался непродолжительный срок, о его высокой или низкой эффективности судить в настоящее время рано. В случае успешных испытаний будет подана заявка на патент.
СПИСОК ИСПОЛЬЗОВАННЫХ ИСТОЧНИКОВ
Аггрегатерия: портал толковых словарей [Электронный ресурс] / Энтомология. – Электрон.дан. – Режим доступа: http://www.aggregateria.com/EH/entomologija.html. – Загл.с экрана.
Википедия: свободная энциклопедия [Электронный ресурс] / Рыжий таракан. – Электрон.дан. – Режим доступа: http://ru.m.wikipedia.org/wiki/Рыжий_таракан, свободный. – Загл.с экрана.
Журнал «Без клопа. Все о дизинсекции и дератизации» [Электронный ресурс] / Вред от тараканов — несколько причин, чтобы избавиться от них – Электрон.дан. – Режим доступа: www.zdorovie.com/health/do-we-really-need-appendix/9951, свободный. – Загл.с экрана.
Информационный портал Lenta.ru [Электронный ресурс] / Ученые объяснили борьбу тараканов с одиночеством. – Электрон.дан. – Режим доступа: https://lenta.ru/news/2015/12/08/roaches/. – Загл.с экрана.
Материалы IXBT конференции. [Электронный ресурс] / Тараканы портят компы. – Электрон.дан. – Режим доступа: http://forum.ixbt.com/topic.cgi?id=4:24659, свободный. – Загл.с экрана.
Научный журнал «Membrana: люди, идеи, технологии» [Электронный ресурс] / Ученые изучили старение тараканов. – Электрон.дан. – Режим доступа: http://www.membrana.ru/particle/6103. – Загл.с экрана.
Ответ на запрос УК Регион №5 от 02.11.2017 г. №УК5-отж-17-725, - Чита, 2017. – 1с.
Познавательный журнал «Школа жизни» [Электронный ресурс] / Чем полезны тараканы? – Электрон.дан. – Режим доступа: https://shkolazhizni.ru/world/articles/1883/. – Загл.с экрана.
Портал «Большой вопрос» [Электронный ресурс] / В чем отличие электронного прибора от электрического, – Электрон.дан. – Режим доступа: www.bolshoyvopros.ru/questions/80989-v-chem-otlichie-electronnogo-pribora-ot-elektricheskogo.html, свободный. – Загл.с экрана.
Правовая система «Гарант» [Электронный ресурс] / Постановление Правительства РФ о 28.01.2002 г. «О Федеральной целевой программе «Электронная Россия (2002-2010)» , – Электрон.дан. – Режим доступа: http://base.garant.ru/184120/, свободный. – Загл.с экрана.
Роспотребнадзор: в Чите наблюдается всплеск числа тараканов, http://m.chita.ru/news/104207/?utm_source=www.google.ru
Сайт о борьбе с домашними насекомыми klop911.ru [Электронный ресурс] / Электрические средства дл борьбы с тараканами. – Электрон.дан. – Режим доступа: http://klop911.ru/tarakany/sredstva-ot-tarakanov/elektricheskie-sredstva-ot-tarakanov-v-rozetku.html, свободный. – Загл.с экрана.