Другой пример, мы находим в лекциях на занятиях профессора В.Г. Кошковского, когда ульи пасеки Всесоюзного НИИ пчеловодства в городе Рыбное, Рязанской области (СССР), ввиду наступления фашистских орд на Москву, были зарыты в траншеи и засыпаны землёй на срок более двух месяцев! Обеднённый на кислород состав воздуха, допустимая концентрация диоксида углерода и стабильная внешняя температура тормозили клеточные процессы и помогли пчёлам выжить в таких условиях. Пасека существует и поныне.
Многие из пчеловодов, в силу своей любознательности, осматривают пчёл зимой. Пчеловоды из собственного опыта знают, когда тихо, без стука, осматриваешь снизу или сбоку зимующий клуб, пчёлы ведут себя спокойно и смирно, но как только при красном свете фонаря поднимаешь потолочены и открываешь улочки, пчёлы резко активизируются, начинают шуметь и выскакивают на рамки. Открытие улочек приводит к улетучиванию воздушной тепловой ловушки и уходу вверх (вытеканию) пояса углекислого газа. В этом случае атмосферный кислород из подрамочного пространства заполняет гнездо и активизирует боковую и нижнюю части пчелиного клуба. Пчёлы же верхней части клуба, находясь над поясом повышенной концентрации диоксида углерода, активизировались сразу, как только начала изменятся температура воздуха надклубного пространства. После такого пчеловодного демарша, семья долго гудит, нагоняя тепло и стабилизируя пояс воздуха с повышенной концентрацией диоксида углерода. “Выключит” этот гул только факт снижения концентрации кислорода в углекислотном поясе тепловой ловушки, а это длительный период.
Таким образом, пчёлы, для того чтобы контролировать уровень кислорода, потребляемого клетками их организма, создают условия для контроля, за уровнем двуокиси углерода в окружающем их пространстве.
В зимнем клубе, уменьшение потребления клетками кислорода переводит пчёл в состояние циклического анабиоза.
Природные условия зимовки пчелиного клуба, отчасти слёт пчёл при чрезмерном повышении уровня углекислого газа в гнезде, не выход роя в ненастную погоду или выход роя к моменту повышения дневной температуры воздуха всё это проявления воздействия повышенной концентрации углекислого газа на пчелиную семью. Замете, все эти проявления у пчёл отлаживались бесконечно длительным течением времени и направлены на сохранение энергетического потенциала пчелиной семьи.
В контексте этой темы рассмотрим работу пчеловодческого дымаря. Среди пчеловодов ходит сказка, что дым от дымаря успокаивает пчёл, и они перестают жалить, потому что дым воспринимается пчёлами, как результат лесного пожара. Пчёлы набирают в зобик мёда, брюшко выправляется, и пчела не в состоянии ужалить. В соответствии с этим возникает два вопроса. Первый. Почему, когда развеется дым, пчёлы, начинают жалить снова? Второй. Пчела сборщица, когда возвращается со взятка, с полным зобиком нектара, выходит тоже обезоружена?
Дым из дымаря имеет высокую концентрацию углекислого газа. На концах усиков пчелы находятся рецепторы, отвечающие за контроль концентрации углекислого газа в окружающем воздушном пространстве. Малые концентрации в воздухе диоксида углерода деактивируют пчёл. При этом импульс от рецепторов обрабатывается нервным центром, и сигнал на закрытие дыхалец не поступает. Но при высокой концентрации, нервный ценр закрывает дыхальца и губительного влияния углекислого газа на пчелу не происходит. Дым из дымаря наркотизирует пчёл углекислым газом, и пчёлы временно теряют активность, уходят из зоны влияния газа. Это в частности пример перехода пчёл в анабиозное состояние под действием углекислого газа.
9. ПЧЁЛЫ, ПЧЕЛОВОДЫ И ЗАКОН ДАЛЬТОНА
Очень часто в специализированной периодической печати для пчеловодов авторы заметок, пытаясь раскрыть физику пчелиного гнезда, ссылаются на действие в улье закона Д. Дальтона. При этом весомое имя и постулат используются для попрания любого иного взгляда и мнения. Прикрываясь авторитетом и общепризнанным действием закона о парциальном давлении газов, писцы, не разобравшись в особенностях процессов протекающих в пчелином гнезде, твердолобо настаивают на действии этого закона внутри объёма пчелиного гнезда.
Немного истории.
Джон Дальтон (1766 – 1844) жил и творил в эпоху первой промышленной революции. За период с конца восемнадцатого века до конца девятнадцатого века, немногим более ста лет, учёными были исследованы и установлены все законы молекулярно-кинетической теории газов. В этот период были сформулированы первое и второе начало термодинамики. На основании вновь открытых физических законов, а порой, предшествующие им, были созданы паровая машина, пароход, автомобиль, двигатель внутреннего сгорания, пневматический перфоратор и прочие механизмы, машины и транспортные средства. В этот период в физике установлена связь между традиционными макропараметрами (давлением, объёмом и температурой) и микропараметрами (массой молекулы (атома), скоростью молекулы (атома) и концентрацией частиц).
Закон Д. Дальтона установлен для закрытого объёма. Только в закрытом объёме суммарное давление газов во всех точках объёма имеет одно, и тоже значение.
Как трактуется закон Джона Дальтона:
Давление смеси химически не взаимодействующих идеальных газов равно сумме их парциальных давлений.
В тексте значение словосочетания “… химически не взаимодействующих…” предполагает отсутствие возможности вступления газов между собой в химическую реакцию и отнюдь никоим образом не утверждает, что молекулы всех газов равномерно распределены по всему объёму. А именно так знатоки закона Д. Дальтона подсовывают идею действия закона о парциальном давлении в пчелиных ульях.
В закрытом объёме, в случае взаимодействия газов, образуется другое количество нового вещества, которое имеет своё значение молярной массы, при этом изменяется давление и температура, но остаются постоянным объём, масса вещества и действие гравитационного поля Земли.
Если исследуемый закрытый объём находится в гравитационном поле Земли, то на молекулы газов, согласно, закона сэра Исаака Ньютона, действует сила тяжести, а, следовательно, никто не отменял действие силы Архимеда. Поэтому в закрытом объёме в гравитационном поле Земли газы располагаются, согласно, их плотностей. Кто будет утверждать, что при заполнении закрытого объёма порциями водорода и углекислого газа внутренний объём станет однородным? Но, газы, имеющие сходный молярный вес, например, азот и кислород, имеют и сходную кинетическую энергию молекул. Разделение по плотностям таких веществ возможно только при специальных условиях, понижение температуры до абсолютного нуля, но это уже область действия законов квантовой механики.
В частности, можно с натяжкой утверждать, что в пустом улье действует закон Д. Дальтона, но вот беда, улей заселили пчёлами. Если соблюдать условия применения закона Д. Дальтона, то, сколько бы мы порций газа не добавляли в объём улья, давление от этого в улье не изменится, меняется только газовый состав воздуха. С появлением в улье пчёл улей превращается в открытую термодинамическую систему, в которой закон о парциальном давлении газов Джона Дальтона не действует. Повторяю, в улье с пчёлами закон о парциальном давлении газов Джона Дальтона не действует!
Если бы в заселённом улье закон Д. Дальтона имел место, то он перечёркивал бы действие сразу трёх законов:
Закон Архимеда, который определяет величину выталкивающей или подъёмной силы, действующей на газы в зависимости от их плотности.
Закон Блеза Паскаля, который определяет величину давления на стенки и потолок улья в зависимости от высоты над поверхностью Земли.
Закон Леонарда Эйлера для статики газов, который определяет величину давления нагретого газа на стенки улья в зависимости от атмосферного и избыточного давления внутри улья.
В крайнем случае, если у кого-то из пчеловодов и возникнут сомнения по этому вопросу, то обратитесь к задачам в статической физике с применением распределения молекул и атомов по скоростям Д. Максквелла и распределения молекул и атомов в пространстве С. Больцмана.
Но это ещё не все законы, силы и давления, которые имеют место в улье, заселённом пчёлами. На основании химического закона М. В. Ломоносова и А. Лавуазье о сохранении массы, в результате химической реакции окисления мёда в организме пчёл продукты жизнедеятельности, метаболическая вода и углекислый газ, имеют больший объём, чем начальные продукты, кислород воздуха и мёд. То есть, в улье имеет место не только избыточное давление от теплового нагрева, но и избыточное давление от продуктов жизнедеятельности пчелиной семьи. Вот почему зимой от действия избыточного давления внутри дупла леток у диких пчёл не замерзает, а меняется только площадь его сечения.
И только теперь, после уяснения роли влияния углекислого газа на пчелу и распределения химических веществ внутри улья можно рассматривать действие закона тепловой ловушки пчелиного роя. Рассмотрим его в следующем разделе.
10. ЗАКОН ТЕПЛОВОЙ ЛОВУШКИ ПЧЕЛИНОГО РОЯ
Окончание пчеловодческого сезона, на дворе осенняя пора, желтеет листва, ночные температуры стремятся к нулю, иногда случаются заморозки. Пчелиные семьи в ульях обработаны от клеща варроа, ужаты и обеспечены кормом, поставлены, как внутренние, так и наружные утепления. Каждый пчеловод для себя отметил готовность к зимовке, но где-то в подсознании затаился страх: “ А перезимуют?”. Страх рождённый неопределённостью, нет точных рекомендаций, советов и знаний, как зимуют пчелиные семьи. Учёные, на основании гипотез и эмпирического опыта, накопленного столетиями, предлагают рецепты, но в них нет уверенности, не всегда себя оправдывают. В результате пчеловод сам на сам оказывается перед выбором, по какому идти пути. Конечно, в данном случае большое значение имеет личный практический опыт, добытый за многолетний период путём проб и ошибок, или советы дяди Васи. Вот только вопрос:” А хватит ли опыта на двоих с дядей Васей, ведь раз на раз не всегда приходится?”.
За многие лета учёные и пчеловоды хорошо усвоили, что пчелиный клуб начинает формироваться осенью при среднесуточной температуре ниже 14оС. В это время клуб рыхлый и не имеет устойчивого формирования. С колебаниями суточной температуры относительно 14оС меняется и наличие клуба. При устойчивом похолодании, клуб окончательно сформирован и готов к зимовке. Все пчеловоды в течение зимы на себе замечали маниакальный синдром к погодным условиям, постоянный контроль температуры, осадков, направление ветра, завывание вьюги и каждый переживает: ” Как там они?”. Самые несдержанные или малоопытные пчеловоды непосредственно контролируют зимовку, прослушивают, постукивают, а то и залазят посмотреть. Ближе к весне ажиотаж у пчеловодов возрастает, начинаются подкормки, постановка дополнительных рамок и одно в голове: “ Только бы дожили”, но много и таких, которые уже считают убытки, минус один, минус два, минус три, минус полпасеки.
Приближается весна, солнышко поднимается всё выше и выше, прогревается воздух, столбики термометров поднимаются всё ближе и ближе к заветной отметке в 12оС. У каждого пчеловода, за окном в квартире или на точку в тени, имеется наружный термометр. Всякий раз, когда чистое небо и пригревает солнышко, возбуждённый пчеловод бежит к градуснику и контролирует. И наконец: “Вот, вот они заветные 12оС и солнышко!”. Пчёлы пошли на облёт и все пчеловоды: “Слава Господу! Перезимовали!”.
В пасмурную погоду, когда солнце закрыто тучами, и на термометре 12оС, пчёлы никогда не пойдут на облёт. То есть, солнце, нагревая улей, дополнительно повышает температуру внутри улья на два – три градуса. Следовательно, значение температуры 14оС для пчёл имеет магическое содержание, это граница формирования и распада клуба.
А почему так? Почему 14оС?
Ранее мы рассмотрели внешнюю температуру, влияющую на формирование и распад пчелиного клуба. С другой стороны, многочисленные исследования зимнего клуба учеными, утверждают интервал температур в клубе от 20 до 28оС, а со средины зимовки в пчелиных семьях с расплодом и до 36оС. Некоторые оппоненты могут вступить в дискуссию, приводя в пример результаты температуры также многих исследований с вариацией нижней границы пространства возле клуба от 6 до 20оС. Хочу заметить, все, абсолютно все исследования и замеры температур в зимнем клубе производились в гнёздах ульевых пчёл, подчёркиваю, ульевых пчёл. Как отмечалось мною ранее, улей представляет собой систему с нарушенной действительностью, в которой невозможно познать истину, а значит невозможно установить температурные закономерности, соответствующие природному порядку. Со всего вороха исследований и экспериментов по температуре в зимнем клубе, произведённых за последнее столетие, достойны внимания единицы, одним из которых являются эксперименты немецкого исследователя Гарольда Эша. Гарольд Эш, используя электрофизиологический метод с помощью усовершенствованных термоэлементов, проводил замеры всех частей тела пчелы, которые находились в разных точках пчелиной семьи и в клубе.
Г. Эш (1961) в одном из экспериментов установил, температура тела пчелы на поверхности клуба не опускается ниже 20оС.
В природном жилище пчёл, идеальном дупле, пчёлы клуба полностью контролируют площадь нижнего сечения. Следовательно, суммарная температура пчёл в нижней части клуба всегда поддерживается на уровне 20оС. Это не случайность, в процессе эволюции частая смена климатических условий заставила вид медоносных пчёл выработать механизм выживания при низких температурах. Этот механизм мы сейчас и рассматриваем.
Значения 14оС и 20оС не являются точными, у каждого из них есть своё поле допуска, поэтому для наглядности и простоты восприятия примем соответственно 14оС и 21оС. Найдём отношение температуры нижней части клуба к температуре внешней среды при формировании клуба. В результате мы получим число 1,5, запомним эту цифру.
Чтобы наглядно понять процесс, происходящий в гнезде пчёл, перенесёмся в Китай (КНР). В этой стране любят запускать летящие фонарики. Светящийся фонарик на фоне тёмного неба весьма красивое зрелище.
Первоначально, расправив конструкцию фонарика, если его отпустить, то он просто упадёт. Но, когда снизу зажечь свечу и устройство немного подержать, фонарик начнёт подниматься вверх. В безветренную погоду, светящиеся огоньки парят на весьма почтенной высоте.
Свеча затухает и если в это время понаблюдать за полётом, то фонарик продолжает подниматься, затем останавливает подъём, висит некоторое время, а далее медленно с нарастающей скоростью идёт на снижение.
Уважаемый читатель, чтобы понять какие природные процессы происходят в пчелином гнезде, крайне необходимо обратиться к элементарной прикладной физике, поэтому наберитесь терпения.
Какие законы описывают полёт фонарика? Обратимся к школьному курсу физики и вспомним закон Архимеда:
На всякое тело, находящееся в жидкости или газе, действует выталкивающая сила Архимеда равная произведению ускорения свободного падения на плотность жидкости или газа и на объём тела.
Fa = g pв Vф,
Fа – сила Архимеда,
g – ускорение силы тяжести,
рв – плотность окружающего фонарик воздуха,
Vф – внутренний объём фонарика.
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.