“Влияние ультразвука на грызунов ”

МОБУ СОШ №2 с. Бакалы, Бакалинский район,

Республика Башкортостан

Научно-практическая конференция

“Физика - Биология ”

Вяткина Аэлита

Ученица 9 б класса

Руководители:

Немов А.В., учитель физики

Санникова О.Н., учитель биологии

с. Бакалы – 2011

Содержание.

Введение…………………………………………………………………………… 3

1.Обзор литературы. 1.1. История ультразвука……………..……………...……...4

1.2. Теория ультразвука……………………………………………………………..5

1.3. Применение в биологии и медицине…………………………………………..8

1.4. Характеристика отряда грызунов ………………...…………………………8 2. Результаты исследования.2.1. Методика эксперимента………………………12

2.2. Результаты эксперимента………………………………..……………………12

Выводы……………………………………………………………………..……….13

Список использованной литературы……………………………………………..15

Введение:

Двадцать первый век - век атома, покорения космоса, радиоэлектроники и ультразвука. Наука об ультразвуке сравнительно молодая. Первые лабораторные работы по исследованию ультразвука были проведены великим русским ученым-физиком П. Н. Лебедевым в конце XIX, а затем ультразвуком занимались многие видные ученые.

Гипотеза:

Ультразвук можно использовать в качестве орудия воздействия на грызунов.

Цель:

Изучить свойства ультразвука и применить его в качестве орудия воздействия на грызунов.

Задачи:

• Изучить свойства ультразвука

• Получить ультразвук

• Изучить поведение грызунов под влиянием ультразвука

• Предложить вариант установки по отпугиванию грызунов

1.Обзор литературы.

1.1. История ультразвука.

Внимание к акустике было вызвано потребностями морского флота ведущих держав - Англии и Франции, т.к. акустический – единственный вид сигнала, способный далеко распространяться в воде. В 1826 году французский учёный Колладон определил скорость звука в воде. Эксперимент Колладона считается рождением современной гидроакустики. Удар в подводный колокол в Женевском озере происходил с одновременным поджогом пороха. Вспышка от пороха наблюдалась Колладоном на расстоянии 10 миль. Он также слышал звук колокола при помощи подводной слуховой трубы. Измеряя временной интервал между этими двумя событиями, Колладон вычислил скорость звука - 1435 м/сек. Разница с современными вычислениями только 3 м/сек.  

  В 1838 году, в США, звук впервые применили для определения профиля морского дна с целью прокладки телеграфного кабеля. Источником звука, как и в опыте Колладона, был колокол, звучащий под водой, а приёмником большие слуховые трубы, опускавшиеся за борт корабля. Результаты опыта оказались неутешительными. Звук колокола (как, впрочем, и подрыв в воде пороховых патронов), давал слишком слабое эхо, почти не слышное среди других звуков моря.  Надо было уходить в  область более высоких частот, позволяющих создавать направленные звуковые пучки.

  Первый генератор ультразвука сделал в 1883 году англичанин Гальтон. Ультразвук создавался подобно свисту на острие ножа, если на него дуть. Роль такого острия в свистке Гальтона играл цилиндр с острыми краями. Воздух или другой газ, выходящий под  давлением через кольцевое сопло, диаметром таким же, как и кромка цилиндра, набегал на кромку, и возникали высокочастотные колебания.  Продувая свисток водородом, удалось получить колебания до 170 кГц. 

 В 1880 году Пьер и Жак Кюри сделали решающее для ультразвуковой техники открытие. Братья Кюри заметили, что при оказании давления на кристаллы кварца генерируется электрический заряд, прямо пропорциональный прикладываемой к кристаллу силе. Это явление было названо "пьезоэлектричество" от греческого слова, означающего "нажать". Кроме того, они продемонстрировали обратный пьезоэлектрический эффект, который проявлялся тогда, когда быстро изменяющийся электрический потенциал применялся к кристаллу, вызывая его вибрацию. Отныне появилась техническая возможность изготовления малогабаритных излучателей и приёмников ультразвука.

1.2. Теория ультразвука.

Ультразвук, упругие волны высокой частоты, которым посвящены специальные разделы науки и техники. Человеческое ухо воспринимает распространяющиеся в среде упругие волны частотой приблизительно до 16 000 колебаний в секунду (Гц); колебания с более высокой частотой представляют собой ультразвук (за пределом слышимости). Обычно ультразвуковым диапазоном считают полосу частот от 20 000 до нескольких миллиардов герц. Хотя о существовании ультразвука ученым было известно давно, практическое использование его в науке, технике и промышленности началось сравнительно недавно. Сейчас ультразвук широко применяется в различных физических и технологических методах. По скорости распространения звука в среде судят о ее физических характеристиках. Измерения скорости на ультразвуковых частотах производятся с очень большой точностью; вследствие этого с весьма малыми погрешностями определяются, например, адиабатические характеристики быстропротекающих процессов, значения удельной теплоемкости газов, упругие постоянные твердых тел.

Ультразвук представляет собой волнообразно распространяющееся

колебательное движение частиц среды. Ультразвук имеет некоторые особенности по сравнению со звуками слышимого диапазона. В ультразвуковом диапазоне сравнительно легко получить направленное излучение; он хорошо поддается фокусировке, в результате чего повышается интенсивность ультразвуковых колебаний. При распространении в газах, жидкостях и твердых телах ультразвук порождает интересные явления, многие из которых нашли практическое применение в различных областях науки и техники.

В последние годы ультразвук начинает играть все большую роль в научных исследованиях. Успешно проведены теоретические и экспериментальные исследования в области ультразвуковой кавитации и акустических течений, позволившие разработать новые технологические процессы, протекающие при воздействии ультразвука в жидкой фазе. В настоящее время формируется новое направление химии – ультразвуковая химия, позволяющая ускорить многие химико-технологические процессы. Научные исследования способствовали зарождению нового раздела акустики – молекулярной акустики, изучающей молекулярное взаимодействие звуковых волн с веществом. Возникли новые области применения ультразвука: интроскопия, голография, квантовая акустика, ультразвуковая фазомерия, акустоэлектроника.

Наряду с теоретическими и экспериментальными исследованиями в области ультразвука выполнено много практических работ. Разработаны универсальные и специальные ультразвуковые станки, установки, работающие под повышенным статическим давлением, ультразвуковые механизированные установки для очистки деталей, генераторы с повышенной частотой и новой системой охлаждения, преобразователи с равномерно распределенным полем. Созданы и внедрены в производство автоматические ультразвуковые установки, которые включаются в поточные линии, позволяющие значительно повысить производительность труда.

Ультразвук (УЗ) – упругие колебания и волны, частота которых превышает 15 – 20 кГц. Нижняя граница области УЗ-вых частот, отделяющая ее от области слышимого звука, определяется субъективными свойствами человеческого слуха и является условной, так как верхняя граница слухового восприятия у каждого человека своя. Верхняя граница УЗ-вых частот обусловлена физической природой упругих волн, которые могут распространяться лишь в материальной среде, т.е. при условии, что длина волны значительно больше длины свободного пробега молекул в газе или межатомных расстояний в жидкостях и твердых телах.

Ультразвуковые волны по своей природе не отличаются от волн слышимого диапазона и подчиняются тем же физическим законам. Но, у ультразвука есть специфические особенности, которые определили его широкое применение в науке и технике. Вот основные из них:

1.  Малая длина волны. Для самого низкого УЗ диапазона длина волны не превышает в большинстве сред нескольких сантиметров. Малая длина волны обуславливает лучевой характер распространения УЗ волн.  Вблизи излучателя УЗ распространяется в виде пучков по размеру близких  к размеру излучателя. Попадая на неоднородности в среде, УЗ пучок ведёт себя как световой луч, испытывая отражение, преломление, рассеяние, что позволяет формировать звуковые изображения в оптически непрозрачных средах, используя чисто оптические эффекты (фокусировку, дифракцию и др.)

2. Малый период колебаний, что позволяет излучать ультразвук в виде импульсов и осуществлять в среде точную временную селекцию распространяющихся сигналов.

3.  Возможность получения высоких значений энергии колебаний при малой амплитуде, т.к. энергия колебаний пропорциональна квадрату частоты. Это позволяет создавать УЗ пучки и поля с высоким уровнем энергии, не требуя при этом крупногабаритной аппаратуры.

4.  В ультразвуковом поле развиваются значительные акустические течения. Поэтому воздействие ультразвука на среду порождает специфические эффекты: физические, химические, биологические и медицинские. Такие как кавитация, звукокапиллярный эффект, диспергирование, эмульгирование, дегазация, обеззараживание, локальный нагрев и многие другие.

5. Ультразвук неслышим и не создаёт дискомфорта обслуживающему персоналу.

1.3. Применение в биологии и медицине.

То, что ультразвук активно воздействует на биологические объекты (например, убивает бактерии), известно уже более 70 лет. Ультразвуковые стерилизаторы хирургических инструментов применяются в больницах и клиниках. Электронная аппаратура со сканирующим ультразвуковым лучом служит целям обнаружения опухолей в мозгу и постановки диагноза, используется в нейрохирургии для инактивации отдельных участков головного мозга мощным сфокусированным высокочастотным (порядка 1000 кГц) пучком. Но наиболее широко ультразвук применяется в терапии – при лечении люмбаго, миалгии и контузий, хотя до сих пор среди медиков нет единого мнения о конкретном механизме воздействия ультразвука на больные органы. Высокочастотные колебания вызывают внутренний разогрев тканей, сопровождаемый, возможно, микромассажем.

Действия ультразвука на биологические объекты вызывает разнообразные эффекты и реакции в тканях организма, что широко используется в ультразвуковой терапии и хирургии.  Ультразвук является катализатором, ускоряющим установление равновесного, с точки зрения физиологии состояния организма, т.е. здорового состояния. УЗ оказывает на больные ткани значительно большее влияние, чем на здоровые. Также используется ультразвуковое распыление лекарственных средств, при ингаляциях. Ультразвуковая хирургия основана на следующих эффектах: разрушение тканей собственно сфокусированным ультразвуком и наложение УЗ колебаний на режущий хирургический инструмент

1.4. Характеристика отряда грызунов.

Грызуны возникли около 60 миллионов лет назад. Их предками были мелкие всеядные зверьки, похожие на насекомоядных, а биологическая специфика определилась приспособлением к питанию растительной пищей. Поскольку в это же время формировались копытные, также растительноядные, но более крупные, грызуны, чтобы избежать конкуренции с ними, так и остались мелкими. Самые малые из них (например, мышь-малютка) близки к размерному минимуму класса млекопитающих — весят всего 5-10 г, а самые крупные дотягивают лишь до 50-60 кг.

Это самый большой отряд среди млекопитающих (около 2 000 видов). Грызуны питаются растительной пищей, отгрызая части растений резцами и перетирая их коренными зубами. Их тело обычно длиной от 5 см, как у некоторых мышей, до 130 см, как у водосвинки. Грызуны распространены повсеместно, в СССР их около 150 видов. Плодовитость грызунов весьма высока, многие из них размножаются несколько раз в год. Поэтому в некоторые годы численность их может резко возрасти.

Мышевидные грызуны – многочисленная группа мелких, а иногда и средней величины грызунов, насчитывается около 1500 видов. К ним относят хорошо известных всем домовых мышей, крыс, хомяков, полевок (они похожи на мышей, но отличаются более коротким хвостом). Большинство мышевидных грызунов очень плодовито. Вследствие своей многочисленности они имеют большое значение в природе и хозяйстве человека. Некоторых из них, например ондатру, промышляют ради красивого меха.

Значение грызунов в природе и для человека значительно. Одни грызуны (белка, ондатра) ценятся как пушистые животные, другие (некоторые мышевидные грызуны) служат основной пищей ценным пушным зверям. Многие грызуны (малый суслик, обыкновенная полевка) наносят ущерб посевам зерновых культур, домовые крысы и мыши уничтожают и портят запасы продуктов на складах и в жилых помещениях. Лесные мыши в питомниках и на лесопосадках поедают семена и всходы ценных пород деревьев.

Очень велика роль грызунов в распространении многих опасных заболеваний человека и домашних животных. Непосредственно при контакте с грызунами или через поврежденные ими продукты человеку могут передаться инфекционные болезни. Мышевидные грызун, суслики и некоторые другие представители этой группы болеют чумой, энцефалитом и другими болезнями, которые могут передаваться человеку кровососущими членистоногими (например, блохами, клещами).

В биологической литературе прошлых лет почти всех грызунов описывали как злостных вредителей сельского хозяйства, леса и вообще как существа, достойные только уничтожения любыми средствами. В течение многих десятилетий огромные суммы выделялись на уничтожение грызунов под лозунгом борьбы с чумой и охраны посевов. В "битве за урожай" применялись даже боевые отравляющие вещества.

Только сейчас стало ясно, что нормальная жизнь леса, степи или луга невозможна без грызунов. Многочисленные зверьки выполняют незаметную для непосвященного взгляда работу, внося важный вклад в круговорот веществ в природе. А действительно серьезные вредители среди грызунов — лишь немногие виды, главным образом крысы и мыши. Зато немало очень полезных для человека зверьков. В частности белки, сурки, бобры, ондатра — ценные пушные звери, как и разводимая в неволе нутрия. Многие грызуны — лабораторные животные.

Среди грызунов наибольшее значение могут иметь две группы:

грызуны — синантропы (обитают постоянно в среде, создаваемой человеком, населяющие его жилые и другие строения) — черная крыса, серая крыса, домовая мышь;

грызуны — полу синантропы (обитают в малозаселённой человеком местности и временно — в строениях). Круг этих видов относительно широк, но основными, наиболее часто встречающимися, являются обыкновенная и водяная полевки, рыжая полевка, полевая мышь.

Необходимо помнить, что эти животные могут быть источником инфекции, опасной для человека. Основные болезни, переносимые грызунами – это: сальмонеллёз, бешенство, геморрагическая лихорадка и т.д.

Учеными было установлено, что ультразвуковые волны определенной частоты воспринимаются грызунами крайне негативно. Они вызывают у них чувство угнетения, страх, определенного рода болевые ощущения. В большом числе случаев в условиях воздействия ультразвука даже такой процесс, как размножение грызунов, крайне затруднён. Вместе с тем влияние таких волн никак не способствует массовой или единичной гибели грызунов, что делает применение ультразвуковых отпугивателей наиболее гигиеничным методом борьбы с крысами и мышами.

2. Результаты исследования.

2.1. Методика эксперимента.

В ходе эксперимента был получен ультразвук с помощью школьного генератора ультразвуковых колебаний диапазон до 100 КГц и воспроизведен с помощью пьезоэлемента от музыкальной открытки. В качестве испытуемого объекта была взята мышь из Бакалинской ветеренарной станции. Наблюдалось поведение мыши при включенном ультразвуке при 40-70 КГц, в течение 3 часов 3 дня подряд. Мышь была помещена в литровую банку, куда же и был помещен пьезоэлемент подключенный к генератору.

2.2. Результаты эксперимента.

После подключения генератора ультразвуковых колебаний, у мыши в течение 12-15 минут наблюдалось беспокойство, она пыталась найти выход из банки и вела себя очень активно. Потом мышь успокаивалась, в течение времени пока действовал ультразвук, сидела, не двигаясь, в оцепенении. После отключения ультразвука лишь через 40-45 минут мышь постепенно возвращалась в обычное состояние: ела, пила воду.

Выводы:

1. Ультразвук влияет на грызунов. Он вызывает у них беспокойство, и они пытаются покинуть зону действия ультразвука.

2. С помощью ультразвука можно бороться с грызунами в помещениях, в которых их присутствие нежелательно.

Список использованной литературы:

1. Агранат Б.А., Основа физики и техники ультразвука. – М..: Высшая школа, 1987 .

2. Балдаев Р.,Применение ультразвука. – М.: Издательство Техносфера, Паланичами, 2006.

3. Большой энциклопедический словарь. Биология. — М.: Большая Российская энциклопедия, 1999.

4. Курченко С.И., Юный натуралист. – М.: Аванта +, 1991

5. Розенберг Л.Д., Источники мощного ультразвука. – М.: Наука, 1969.

6. Шутилов В.А., Основы физики и техники ультразвука. – М.: Ленинградский университет, 1980.

7. http://ru.wikipedia.org

8. http://www.krugosvet.ru/enc/nauka_i_tehnika/fizika/ULTRAZVUK.html

9. http://slovari.yandex.ru/

14