Городская научно – практическая конференция «Академия» среди детей дошкольного возраста, обучающихся общеобразовательных учреждений и студентов СУЗов, ВУЗов муниципального образования г.-к. Анапа Краснодарского края
МОНОЛИТНЫЕ КОНСТРУКЦИИ НОВОСТРОЕК В МАГНИТНОМ ПОЛЕ ЗЕМЛИ
Автор:
Попов Богдан Николаевич
Краснодарский край, г.-к. Анапа
МБОУ СОШ №5, 8 А класс
Научный руководитель:
Козина Ирина Юрьевна, учитель физики
МБОУ СОШ №5,
Краснодарский край, г.-к. Анапа
Анапа, 2019
Оглавление
Введение стр 3
Глава 1 Магнитное поле Земли
1. 1. Источник возникновения магнитного поля земли стр 4
1.2. Влияние магнитного поля на организм человека стр 6
1.3 Металлические конструкции в магнитном поле Земли стр 8
Глава 2. Экспериментальная часть
2.1 Обзор технологий строительства города Анапа стр 9
2.2. Принцип действия магнитного датчика лаборатории «Архимед» стр 11
2.3. Измерение магнитного поля в поле , вблизи рельсов,
- квартирах. стр 12
Заключение стр 13
Список литературы стр 14
1.Введение
Актуальность исследования
Потребность в жилье является одной из основных потребностей человека. С древнейших времен человек искал убежища от диких зверей, непогоды и других опасностей. Конечно, современные дома совсем не похожи на пещеры первобытных людей. Достижения науки и техники позволили человечеству строить удобные, надежные, комфортные дома, которые служат человеку не одно десятилетие. Ведь использование новых технологий и недостаток земли в крупных городах приводят к значительному удорожанию каждого квадратного метра жилья, поэтому дома и квартиры строятся ,как говорят, на века и передаются из поколения в поколение. Бесспорно, современные дома безопасны и комфортны для проживания, но так ли они экологичны, построены ли они из безопасных материалов, не наносящих вреда здоровью человека?
В середине прошлого века Анапа была маленьким тихим курортным городком , преимущественно малоэтажной. Во второй половине 20 в. началось бурное строительство так называемых «хрущевок» - малогабаритных квартир в домах блочного типа. Затем стали появляться панельные девятиэтажки, которые стоят и по сей день. Но с развитием новых технологий и с требованиями строительства жилья в сейсмоопасных регионах в Анапе начался бурный рост многоэтажек, основу которых составляет монолитный каркас. Большое количество металлических прутьев вяжут, составляя каркас стены, а затем заливают бетоном. Такие дома выдерживают колебания почвы магнитудой до девяти баллов и являются необычайно долговечными.
Однако, наблюдая за строительством таких домов мы задались вопросом: из какого металла изготовлены прутья арматуры и не намагнитятся ли эти прутья, ведь они, как и все вокруг находятся в магнитном поле Земли. Ведь, как известно, рельсы намагничиваются. Таким образом, гипотезой нашего исследования является:
Гипотеза:
Монолитный каркас современных новостроек со временем будет намагничиваться магнитным полем Земли и это может повлиять на здоровье обитающих в таком доме людей.
Цель исследования:
Доказательство или опровержение гипотезы о намагничивании металлических конструкций новостроек и исследование влияния избыточного магнитного поля на организм человека.
Задачи исследования:
1.Изучить влияние магнитного поля на организм человека
2.Изучить физические основы процесса намагничивания вещества
3.Ознакомиться с технологиями строительства домов различных типов
4.С помощью датчика индукции магнитного поля (цифровая лаборатория Архимед 4.0.) измерить магнитное поле в кирпичном, блочном, панельном доме, а также в одном из первых домов на монолитном каркасе в Анапе
5.Измерить магнитное поле вблизи рельсов для доказательства гипотезы о намагничивании их магнитным полем Земли
6.В результате исследования сделать предположение о влиянии на организм человека проживания в среде с магнитным полем, значение которого выше среднего значения магнитного поля Земли.
Глава 1. Магнитное поле Земли
1. 1. Источник возникновения магнитного поля
Известно, что Земля обладает магнитным полем, магнитная индукция которого В= 0,04-0,05 мТл. В научном мире на сегодняшний день нет единого мнения о причинах появления магнитного поля. Существует несколько гипотез. Рассмотрим некоторые из них.
1)Магнитная ось Земли почти параллельна ее оси вращения, поэтому многие исследователи предполагали, что магнитное поле возникает вследствие вращения Земли. В физике известны явления, когда при вращении возникает магнитное поле. Одно из таких явлений — эффект Барнета — Эйнштейна, при котором каждый атом рассматривается как волчок, обладающий магнитным моментом. При вращении таких атомов-волчков их оси вращения устанавливаются параллельно, при этом так же располагаются их магнитные моменты. Но расчеты показали, что, если бы магнитное поле Земли возникло таким путем, оно было бы в 10 млрд. раз меньше.
2)Другая гипотеза связывала возникновение магнитного поля Земли с тем, что на ее поверхности имеется отрицательный электрический заряд. Вращаясь вместе с Землей, этот заряд образует круговой электрический ток, а там, где есть круговой ток, есть и магнитное поле, направленное по оси круга. Но отрицательный заряд на поверхности Земли слишком мал, чтобы могло возникнуть поле нужной величины. Судя по этой гипотезе, Земля отрицательно заряжена, что невозможно представить, она должна быть нейтральна.
3) Гипотеза «Солнечного ветра»
Известно, что из космоса Земля пронизывается потоком заряженных частиц, так называемым «Солнечным ветром». Эти частицы рождаются в недрах Солнца при термоядерной реакции. Эти частицы захватываются атмосферой Земли, и поскольку, они заряжены, то вокруг них существует магнитное поле, которое и намагничивает Землю.
4) В 1947 г. советский физик Я. И. Френкель совсем иначе объяснил образование магнитного поля в Земле. Он предположил, что вещество земного ядра обладает электрической проводимостью и совершает вихреобразные перемещения. Если имеется какое-то небольшое начальное магнитное поле, то земное ядро будет представлять собой некое подобие генератора электрического тока: движение проводника в магнитном поле приведет к возникновению электрического тока, а электрический ток вызовет магнитное поле, которое будет складываться с первоначальным и усилит его. Оба предположения, положенные в основу этой гипотезы, вполне разумны. Часть ядра Земли, в интервале 1,5— 3 тыс. км от центра Земли, ведет себя как жидкое пластичное тело, и перемещения вещества в нем возможны. Вызвать вихревые перемещения конвективного характера может сильный нагрев за счет распада радиоактивных веществ в центральной части ядра или же изменение вещества в самом жидком слое.
Впоследствии гипотеза Я. И. Френкеля была значительно переработана и развита другими учеными в стройную теорию происхождения магнитного поля Земли. Появилось направление в науке, занимающееся связью движущейся проводящей среды с магнитным полем, — магнитогидродинамика. Удалось выяснить, что проводящая жидкость, движущаяся в магнитном поле, искажает его: магнитные силовые линии как бы захватываются и увлекаются движущейся жидкостью. Жидкая, пластичная часть ядра при вращении увлекает за собой силовые линии начального магнитного поля. В результате образуются два круговых соленоида : две баранки, состоящие из силовых линий магнитного поля, одна из которых опоясывает ядро по широте в Южном полушарии, а другая — в Северном. Вещество жидкого ядра совершает, кроме того, конвективные перемещения, о которых говорилось в гипотезе Френкеля. Взаимодействие этих конвективных движений с кольцевыми полями внутри ядра и приводит к возникновению того магнитного поля, которое мы наблюдаем на поверхности Земли. Ось такого магнитного поля должна быть близка к оси вращения, а возбужденное таким образом магнитное поле, как показывает теория, будет пульсировать. С этими пульсациями и связаны, очевидно, вариации магнитного момента. Увеличиваясь по амплитуде, пульсации в какой-то момент приводят к изменениям знака магнитного момента — происходит инверсия геомагнитного поля.
Проанализировав различные гипотезы, мы убедились, что Земля обладает магнитным полем и склоняемся к гипотезе физика Я.И.Френкеля.
1.2. Влияние магнитного поля на организм человека
Человек на планете Земля постоянно находится под воздействием магнитного поля. Человеческое тело также обладает собственным магнитным полем, различным для разных органов, так как нейроны в нервной системе являются носителями электрического заряда, а в различных клетках нашего организма и в крови имеются ионы (заряженные частицы) металлов. Известно, что источником магнитного поля являются движущиеся заряженные частицы. А на движущиеся заряженные частицы со стороны магнитного поля действует Сила Лоренца. Следовательно, ионы являются чувствительными к внешним магнитным полям. Важным моментом является поддержание относительного баланса между внешними и внутренними магнитными полями. Бесспорным является факт, что внешние магнитные поля в значительной мере определяют состояние наших внутренних магнитных полей.
Врачи и ученые - эксперты в области физиологических процессов, происходящих под влиянием магнитного поля в человеческом организме, обращают повышенное внимание на влияние магнитного поля на кровеносно-сосудистую систему человека, эффективность переноса кислорода кровью, транспортировку питательных веществ, но наиболее чувствительной к магнитному полю является нервная система. На магнитные поля реагирует и многие другие системы организма: эндокринная, сердечнососудистая, дыхательная, костно-мышечная и пищеварительная системы, органы чувств и кровь.
В макромолекулах (нуклеиновые кислоты, протеины и т.п.) под влиянием магнитных полей возникают заряды и изменяется их магнитная восприимчивость. Магнитная энергия макромолекул в результате такого воздействия превышает энергию теплового движения. Именно данный эффект даёт возможность использовать магнитное поле для запуска ориентационных и концентрационных изменений внутри биологически активных макромолекул. Этот эффект влияет на скорость биохимических и биофизических процессов. Активность ионов является важнейшим регуляторным механизмом человеческого организма. Эта активность определяется, в первую очередь, связью с макромолекулами и степенью гидратации (то есть связью с молекулами воды). Благодаря возрастанию ионной активности в тканях организма под воздействием магнитых полей происходит стимуляция клеточного метаболизма, то есть увеличение обмена веществ.
Особенно чувствителен к магнитным полям мозг.
В природных условиях человек подвержен лишь естественным электромагнитным полям, на которые он настроился на протяжении всего процесса эволюции на планете Земля. Когда же в этот процесс взаимодействия вмешиваются искусственные источники магнитных, электрических и электромагнитных полей, то происходит нарушение синхронизации. В среднем магнитное поле Земли изменяется с частотой в среднем 8 Гц, хотя это значение может значительно колебаться. Наш организм уже настроен на то, чтобы воспринимать эту частоту и считает её естественным фоном. Наши клетки таким образом являются чувствительными к данной частоте воздействия магнитного. Под воздействием слабых переменных магнитных полей у человека возрастает частота пульса, начинает болеть голова, ухудшается самочувствие и чувствуется слабость во всём организме. При этом происходит сильное изменение электрической активности мозга.
Влияние магнитного поля на развитие болезней. Поскольку магнитные поля воздействуют на весь организм человека - в той или иной степени подвергаются воздействию все системы, то и во время заболеваний ничего существенно не изменяется. Однако, если здоровый организм ещё может справляться, то есть адаптироваться, к воздействию магнитных полей, то чем сильнее он заболевает, тем существеннее становится воздействие. Организму, ослабленному продолжительной болезнью, даже незначительное, слабое воздействие может нанести существенный, а иногда и непоправимый урон.
Исследования ученых показали, что в день прохождения магнитной бури и на протяжении ближайших 1-2 дней после неё сильно возрастает количество обращений людей с сердечнососудистыми проблемами и увеличивается количество летальных исходов. Наш организм реагирует на воздействие не мгновенно, поэтому пик обращений приходится не на день самой магнитной бури, а на первый или второй день после неё. Также влияет и изменение самого магнитного поля, частота, амплитуда и модуляция которого изменяется по мере прохождения и спада магнитной бури.
Как уже было сказано: даже у здоровых людей во время магнитных бурь происходят некоторые изменения в составе крови. При непосредственном синхронном измерении концентрации лейкоцитов в крови и уровнем возмущённости магнитного поля Земли выяснилось, что они изменяются практически одновременно. Во время магнитных бурь повышается вероятность тромбообразования. Вертикальная составляющая магнитного поля Земли изменяется в течение суток и это приводит к изменению скорости оседания эритроцитов в крови.
Таким образом, нельзя недооценивать важность магнитного поля для человека. Снижение уровня внешнего магнитного поля ведёт к нарушению магнитного поля в кровеносной системе, в результате чего нарушается кровообращение, транспортировка кислорода и питательных веществ к органам и тканям, что может в итоге привести к развитию болезни. Таким образом, недостаточный уровень внешнего магнитного воздействия по степени вреда, наносимого им организму, может вполне соперничать с дефицитом минералов и витаминов.
Исходя из всех вышеперечисленных факторов, становится ясным, что пренебрегать состоянием магнитного поля в своём доме, а значит и в своём организме, не стоит.
Поэтому мы и выдвинули гипотезу о том, что монолитный каркас современных новостроек со временем будет намагничиваться магнитным полем Земли и это может повлиять на здоровье обитающих в таком доме людей.( прочитай все это и оставь про организм человека самое необходимое)
1.3 Металлические конструкции в магнитном поле Земли
Для доказательства или опровержения гипотезы о намагничивании металлических конструкций новостроек и исследование влияния избыточного магнитного поля на организм человека проанализируем химический состав арматуры, физические свойства и способность металлоконструкций намагничиваться магнитным полем Земли. Ранее мы уже говорили о том, что современное строительство многоэтажек немыслимо без металлокаркасных технологий.
Главное и основное назначение арматуры -это увеличение прочности бетонных изделий.
Ведь бетон очень прочный на сжатие, и очень непрочный на растяжение. Поэтому производители строительных материалов закладывают арматуру в бетон и получают изделие (плиту перекрытия, перемычку) которое совмещает в себе полезные свойства и бетона и стали. Такие изделия все знают как железобетонные и они уже хорошо могут работать как на сжатие, так и на растяжение. Поэтому и закладывают арматуру в нижней части железобетонных изделий, которая как раз и работает на растяжение.
В современной строительной индустрии широко применяются стандартные железобетонные плиты, а также специальные сплавы, в частности сталь. Из курса химии 9 класса известно, что в доменной печи переплавляют железную руду и коксующийся уголь , получая чугун. Чугун содержит 2-4 процента углерода и по своим физическим свойствам достаточно хрупкий. Поэтому чугун еще раз переплавляют , чтобы выплавить углерод до 0,2 – 2 процентов, получая прочную сталь.
В каком бы сплаве ни находилось железо, в чугуне, стали , или в чистом виде, оно остается химическим элементом, занимающим 26 клетку в таблице Менделеева. Железо – это металл, способный намагничиваться.
Рассмотрим механизм намагничивания железа, кобальта, никеля и их сплавов. Вещества, способные намагничиваться под действием внешнего магнитного поля называются ферромагнетиками. Согласно гипотезе Ампера намагничивание железа обусловлено тем, что внутри него циркулируют элементарные токи - электроны, обращающиеся вокруг ядра. При наложении внешнего магнитного поля, электроны, ориентированные в разных направлениях, постепенно ориентируются в одном направлении. Этот процесс называется технической намагниченностью. Со временем, в результате теплового движения, намагниченность уменьшается. В нашем кабинете физики старые магниты уже перестали взаимодействовать друг с другом. Однако, если рельсы лежат строго по меридиану, то их намагничивает магнитное поле Земли. Поэтому , мы заинтересовались этим фактом и отправились на экскурсию на стройку в нашем городе. Мы обнаружили массивные прутья арматуры, которые связывают вместе, ставят как вертикально, так и горизонтально, и заливают бетоном. В данной работе мы ставим себе цель - экспериментально проверить гипотезу о намагничивании железобетонных конструкций новостроек с течением времени.
Глава 2. Экспериментальная часть
2.1 Обзор технологий строительства города Анапа.
Дома монолитные
Для нас это новинка, хотя технология монолитного строительства далеко не нова. Еще в XIХ веке в ГУМе были сделаны по такой технологии балконы. В СССР монолитные дома строили в сейсмоопасных зонах, например, в Кишиневе. В других местах обходились панельными зданиями. Причина предпочтения панелей понятна: в Союзе катастрофически не хватало жилья, а панельные дома относительно дешевы и строятся буквально за несколько месяцев. Монолитный дом построить быстрее, чем за полтора-два года невозможно даже при современной технике.
Несмотря на дороговизну и большие сроки строительства, монолит становится все популярнее. Причина проста: дома, построенные по этой технологии, имеют слишком много достоинств. Каждый дом может быть построен по индивидуальному проекту, что позволяет воссоздать любые фантазии архитекторов, вписать новое здание в любую окружающую среду, будь это старый город с древними памятниками или пригород с природными ландшафтами. Внутри каждый жилец тоже может выбрать планировку себе по вкусу, заказать ее строителям, а потом при желании все переделать. Неизменными остаются только так называемые «мокрые зоны» – санузел и кухонная раковина, все остальное – на усмотрение жильца.
Прочность монолитных конструкций такова, что даже взрыв может привести не к обрушению дома, а всего лишь к образованию дыры. Жильцы могут установить ванну-джакузи или устроить целый бассейн, дому это ничуть не повредит. Прибавьте к этому отличную тепло- и звукоизоляцию и возможность устроить под домом гараж, и на панельный или даже кирпичный дом и смотреть не захочется. Элитные дома и бизнес-класс монолитные. В более дешевых сегментах рынка чаще встречаются панельные дома.
В настоящее время практически все новостройки воозводятся именно по этой технологии. Пройдя по городу, мы сфотографировали строящиеся дома и обнаруживали прутья арматуры, которые заливаются бетоном.
Дома панельные
В нашем городе в спальных районах, которые застраивали при советской власти (центр, 12 микрорайон) можно обнаружть преимущественно панельные дома.
При словах «панельный дом» перед мысленным взором сразу возникают хрущевские серые пятиэтажки, холодные, местами протекающие, с тесными квартирами без какой бы то ни было звукоизоляции. Но времена меняются, и строительные материалы меняются вместе с ними. Размеры помещений были обусловлены не только необходимостью в кратчайшие сроки построить максимально возможное число квартир, но и технологией. Ну, не умели 30-40 лет назад изготавливать панели больших размеров. Отсюда и крохотные комнатки, и низкие (2,25 м) потолки.
Сегодня ситуация изменилась. Во-первых, увеличились размеры панелей и, как следствие, размеры комнат, высота потолков. Во-вторых, панели теперь делают не одного какого-то вида, а несколько разных, что позволяет разнообразить как внешний вид зданий, так и внутреннюю планировку. В-третьих, сами панели теперь не просто бетонная плита, а так называемая сэндвич-панель, т.е. трехслойный блок, где между бетонными слоями помещается тепло- и звукоизолирующий материал. Благодаря этому существенно улучшились характеристики панелей и панельных домов, вплотную приблизившись к монолитным.
Правда, остался один старый недостаток: некачественно заделанные швы. Т.к. это в значительной мере зависит от «человеческого фактора», то избавиться от текущих стыков довольно сложно, можно только свести их к минимуму за счет высокой точности изготовления панелей, чтобы уменьшить зазор между ними.
А вот все достоинства панельных домов остались: это скорость и дешевизна строительства. Да, в панельном доме типовые квартиры и сложно сделать перепланировку: того и гляди, несущую стену снесешь, зато первичный ремонт после вселения значительно менее объемный. Для не слишком состоятельных покупателей, которых у нас большинство, этот фактор может оказаться решающим.
Кирпичные дома
Кирпичные дома – это слишком долгое, а потому дорогое удовольствие. Обычно возводят смешанные, монолитно-кирпичные. Их характеристики и качество почти такие же, как и у монолитных домов, и цена, к сожалению, такая же.
В 90-е годы количество строящихся монолитно-кирпичных домов неуклонно возрастало, а панельных уменьшалось. Теперь этот процесс приостановился. За границей панельных домов – до 80%, т.к. не слишком богатых людей даже там большинство. Поэтому и у нас тоже панель будет востребована еще долго. Почти все социальное жилье и жилье эконом класса строится из панелей. Правда, не известно, разумно ли это. Монолитные дома простоят, по мнению специалистов, значительно более 100 лет, а панельные – лет 50-80. Кто будет строить социальное жилье через 80 лет?
Блочные дома
Во время массовой застройки социалистических городов советские железобетонные заводы освоили выпуск строительных блоков, из которых, как из кубиков, складывали дома. Наружные стены блочных домов состоят из шлакобетонных или керамзитобетонных блоков, высота которых равна половине этажа. Блоки скреплены между собой цементом. Потолочные перекрытия изготавливают из облегченных многопустотных железобетонных плит. Межкомнатные перегородки изготавливают из блоков или гипсобетона. Высота потолков и планировка целиком зависит от потолочных плит. Обычно они двумя концами лежат на внешних стенах помещения. Главное достоинство блочных домов – скорость строительства. Главный недостаток – невозможность менять планировку квартир. Нельзя убрать или передвинуть ни одну стену без риска обрушить потолочную плиту. Тем не менее, эти дома до сих пор остаются популярными.
Проанализировав разные технологии строительства, мы пришли к выводу, что все популярнее в нашем городе становятся дома монолитно-кирпичные. И дело даже не в стоимости, гораздо дешевле старые панельные дома. Однако, на фоне трагических событий в нашей стране, связанных со взрывом бытового газа, обрушением целых подъездов и гибелью людей ( Магнитогорск-декабрь 2018, Шахты-январь 2019г), покупатели в первую очередь думают о собственной безопасности.
2.2 Принцип действия датчика магнитного поля. Эффект Холла.
Для измерения магнитного поля на улице, вблизи рельсов, в квартирах мы использовали магнитодатчик цифровой лаборатории «Архимед» из кабинета физики нашей школы. Мы установили программу для обработки данных на ноутбук и изучили принцип действия датчика. Оказалось, что в основе работы датчика лежит эффект Холла. Прибор выдает напряжение, пропорциональное напряженности магнитного поля.Датчик измеряет осевую компоненту магнитного поля, параллельную трубке датчика.Линия, нанесенная на лицевой стороне корпуса датчика, указывает на точное расположение в нем преобразователя Холла.
Эффект Холла – явление возникновения разности потенциалов при помещении проводника с током в магнитное поле. Поскольку на движущиеся заряды действует сила Лоренца со стороны магнитного поля, то положительный заряд скопится на верхней части пластины, а отрицательный – снизу, и возникает напряжение в пластине. И чем больше магнитное поле, тем сильнее проявляется этот эффект . Датчик обрабатывает информацию, а программа вычерчивает график зависимости магнитной индукции с течением времени. По графику зависимости можно сделать вывод как о численном значении, так и о напрвлении линий магнитной индукции.