О пасеке

Пчеловодство, разведение и содержание пчел. Пчелы и здоровье. Огород, сад, дача.

Дек, 2014
02

Теплофизика зимнего клуба медоносных пчел

Опубликовал: Petr_MS




Теплофизика зимнего клуба медоносных пчел

При опускании внешней температуры ниже 12°С медоносные пчелы, собираясь вместе, образуют зимний клуб. Структура и тепловой режим такого образования всегда привлекали внимание как многочисленных исследователей, так и пчеловодов-практиков.

Наблюдениями ученых R.A.F. Reamur (1734), A.Biidel (1953), Т.С.Ждановой (1963), C.D. Owens (1971) установлена топография температурного поля семьи, и в частности ее зимнего клуба. В результате этих исследований в пчеловодстве четко установилось мнение, что в клубе всегда имеется небольшая область с температурой 30°С и даже выше (до 36°С). Примыкающие к этой области изотермы очень плотны. По направлению к поверхности температура постепенно падает до 10...12°С, а за пределами клуба она близка к температуре наружного воздуха. Это поле непостоянно как во времени, так и в пространстве.

Наряду с топографией температурного поля исследователей всегда интересовал механизм, посредством которого пчелы его обеспечивают.

Первоначально пчеловоды в жизнедеятельности пчел видели отражение уклада жизни человека, предполагавшее влияние «неких высших сил», указывающих каждой пчеле характер ее действий и поведения. Анализ и сведения о таком подходе изложил И.А.Халифман [5]. Субъективный подход таких предположений очевиден. Ни одному исследователю не удалось обнаружить таких «сил».

E.F. Phillips и G.S. Demuth (1914) полагали, что клуб представляет собой агрегацию в виде шара, покрытого снаружи слоем плотно прижавшихся друг к другу пчел, образующих скорлупу, предотвращающую потерю тепла, вырабатываемого в центральной части. Эта теория вошла во все учебники.

L.Armbruster предложил теорию зимнего клуба, основанную на принципе автоматического регулирования. По его мнению, как только температура клуба падает ниже критической, пчелы беспокоятся, поднимают ее до 25°С и успокаиваются, а затем при понижении — снова возбуждаются [6]. Однако в дальнейших исследованиях эта теория не нашла подтверждения.

E.E. Soutwick и J.N. Mugaas (1971) представляют пчелиную семью как «суперорганизм», в котором особи подчиняют свои потребности координирующей реакции семьи пчел. Но подтверждения этой теории не нашлось.

М.Линдауэр, а затем В.Е.Кипятков отмечали, что каждая особь в клубе ведет себя в соответствии с локальными условиями, окружающими ее [1, 3].

Таким образом, механизм формирования и функционирования зимнего клуба остается слабо раскрытым.

Мы подошли к изучению данного вопроса с точки зрения теплофизики и рассмотрели формирование теплового режима в семье пчел на основе происходящих в ней процессов теплообмена.

Считается, что клуб образуется для сокращения потерь тепла. Теплоотдающая площадь поверхности клуба в целом значительно меньше, чем суммарная поверхность всех особей. Но не только, как отмечает А.Д.Слоним, — это поведенческая реакция пчел на неблагоприятные условия внешней среды, поскольку при температуре ниже 12°С особи не могут существовать [4].

Собираясь вместе, пчелы, как мы полагаем, в соответствии с всеобщим законом природы концентрируют выделяемую ими энергию в ограниченном объеме. Как показывают результаты проведенных нами калориметрирований, при тепловыделении одной особи 0,2 мВт клуб уже при 12°С сообща способен выделить 5 Вт, а при -30°С — 30 Вт энергии.

Уплотнившись, пчелы образуют агрегацию с внутренними источниками метаболического тепла. Такие тела или системы тел широко известны, их тепловой режим подчиняется своим закономерностям и хорошо изучен. Главная особенность этих систем — тепло выделяется по всему объему, а отдается в окружающую среду с его поверхности. Чтобы достигнуть поверхности, оно должно преодолеть тепловое сопротивление массива. Если оно велико, выделяющаяся энергия будет расходоваться на повышение температуры в его центре.


В результате температура в центре будет превышать поверхностную — это для пчел небезразлично, так как в нем она не может превышать 36°С, а на поверхности опускаться ниже 12°С.

Если температура на поверхности ниже 12°С, пчелы вынуждены прибегать к ло-комоциям и расходовать свои энергетические ресурсы, а в центре — покидать его, перемещаясь на пустые соты, а если их нет — на кормовые запасы, при этом клуб деформируется. Это хорошо показано В.С.Коптевым [2].

В теплофизике существует специальный критерий Померанцева Ро, характеризующий процессы с внутренними источниками тепла:

критерий Померанцева

Ориентируясь на этот критерий, можно определить температуру в центре в зависимости от поверхностной температуры. Например, в образовании в виде пластины, отдаленно напоминающей сот большой индийской пчелы:

определить температуру в центре

соответственно, в цилиндре, напоминающем бортевое гнездо пчелиной семьи:

бортевое гнездо

в шаре, напоминающем гнездо в корпусе рамочного улья:

 корпусе рамочного улья

Из приведенных уравнений видно, что температура во всех образованиях в случае симметричной задачи определяется по параболическому закону.

Таким образом, можно определить среднюю объемную температуру клуба пчел, представленного в виде названных образований, а если располагать коэффициентом теплопередачи улья, то и все параметры клуба в функции температуры внешней среды.

Если считать, что теплообмен клуба с внешней средой осуществляется по закону Ньютона, то температуру в тепловом центре можно выразить через температуру внешней среды:

в тепловом центре

Аналогично среднеобъемную температуру клуба можно выразить (Г.Н.Дульнев, Э.М.Семяшкин, 1968) в форме

температуру клуба

Существует давний спор пчеловодов-«дупляночников» со сторонниками рамочных ульев: где зимний клуб более устойчив?

Так, при удельной мощности тепловыделений 1800 Вт/м3 и температуре на поверхности клуба 12°С при плотном его состоянии в борти и радиусе клуба 0,07 м температура в центре цилиндрического клуба составит 34°С, что вполне допустимо; масса пчел при высоте цилиндра Н=0,5 м составит 2,5 кг, а при 1-1=1,0 м — соответственно 5 кг.

В одном корпусе рамочного улья клуб может сформироваться лишь в форме шара с rш=0,15 м. Однако при тех же условиях qv=1800 Вт/м3 и tп=12°C уже при rш=0,09 м температура в центре достигнет 36,6°С, что недопустимо, а масса пчел составит всего 1,0 кг.

Можно увеличить массу пчел в корпусе, но это повлечет за собой увеличение радиуса клуба и, как следствие, возрастание температуры в тепловом центре, пропорциональное квадрату радиуса. И если температура превысит 36°С, пчелы будут вынуждены покинуть центр (расшириться), уменьшив удельную мощность тепловыделений.

В борти клуб имеет форму цилиндра, поэтому, то сжимаясь, то расширяясь, пчелы могут выбрать оптимальный радиус (диаметр), а перемещаясь по высоте, вместить большое число особей. Пчеловоды-«дупляночники» интуитивно это чувствуют, однако порой не могут доказать. Об этом же свидетельствуют находки «диких семей», живущих в морозобоинах деревьев. Однако ради удобства пчеловоды сделали свой выбор в пользу рамочного улья.

Предложенная нами версия образования зимнего клуба может пояснить отдельные моменты жизнедеятельности семьи пчел.

  1. С точки зрения биофизики шарообразная форма клуба, свойственная низкошироким корпусам, обладает сильно выраженной неравномерностью температурного поля. Увеличение силы семьи неизбежно ведет к перегреву в центре клуба.
  2. Температурное поле семьи пчел в дупле большой протяженности, образованной в морозобоине дерева, имеет для пчел две степени свободы: изменяя диаметр гнезда, они могут обеспечить такое температурное поле, которое для них наиболее приемлемо, а расширяясь по высоте, — обеспечить необходимую силу семьи.
  3. Цилиндрическая форма гнезда, видимо, наиболее благоприятна для эволюции и продвижения пчел в северные регионы.
  4. Если пчелы живут в гнездах, имеющих небольшой объем, то они не могут обеспечить равномерность температурного поля — больше роятся, как, например, в Йемене.
  5. В определенной степени этим же можно объяснить и так называемые слеты пчелиных семей.
  6. Разумеется, перегрев в центре клуба не единственная неприятность неравномерного температурного поля. На внешней поверхности при определенных условиях температура может и опуститься ниже минимальной — 12°С, что вынудит пчел прибегать к локомоциям и растрачивать свои энергетические ресурсы.

Необходимо отметить, что приведенными выше соотношениями не регламентируются все аспекты теплового режима в пчелиных семьях. Например, температура поверхностного клуба в формулах складывается в результате баланса семьи с окружающей средой, а здесь должны быть задействованы условия теплообмена на границах клуба, или, как их принято называть, условия однозначности. Понадобятся исследования теплозащитных качеств улья, сотов, теплопроводности слоя самих пчел, их объемных тепловыделений.

Из вышеизложенного можно сделать следующие выводы:

  1. Основная причина, побуждающая пчел к образованию зимнего клуба, — поведенческая реакция, направленная на создание определенного температурного режима в семье.
  2. Сокращение энергетических затрат пчелиной семьей, обусловленных образованием клуба, хотя и происходит, но не является определяющим.
  3. Биофизической основой образования зимнего клуба служит концентрация тепловой энергии в ограниченном объеме.
  4. Образовавшаяся в результате концентрации энергии агрегация представляет собой систему тел с внутренними источниками метаболического тепла, температурное поле которого складывается в соответствии с закономерностями теплофизики.
  5. Поведение отдельных особей в клубе зимующих пчел определяется местными локальными условиями, в которых находится каждая особь.

В.И.ЛЕБЕДЕВ,
А.И.КАСЬЯНОВ, Е.П.ЛАПЫНИНА
ГНУ «НИИ пчеловодства»
ж-л «Пчеловодство» №8, 2014 г.

Литература

1. Кипятков В.Е. Мир общественных насекомых. — Л., 1991.

2. Коптев B.C. Образование зимнего клуба в пчелиной семье//Пчеловодство. — 1959. — №9.

3. Линдауэр М. Процессы регулирования в сообществах насекомых // Процессы регулирования в биологии/ пер. с нем. — М., 1960.

4. Слоним А.Д. Температура среды обитания и эволюция температурного гомеостазиса // Физиология терморегуляции. — Л., 1984.

5. Халифман И.А. Пчелы. — М., 1963.

6. Armbruster L. Der Warmehaushalt in Bienenvolk. — Berlin, 1923.





Организация и оборудование любительской пасеки
Ваше имя: *
Ваш e-mail: *

Понравилась статья? Расскажите друзьям:

Общайтесь со мной:

Google Bookmarks Digg Reddit del.icio.us Ma.gnolia Technorati Slashdot Yahoo My Web News2.ru БобрДобр.ru RUmarkz Ваау! Memori.ru rucity.com МоёМесто.ru Mister Wong

Хотите получать новые статьи на почту? Введите свой Email

 

 

«С этой статьей также смотрят:»

Ваш отзыв


    Обо мне

    E-mail: petr9921()yandex.ru

    Skype: Petr_MS

    HitMeter - счетчик посетителей сайта, бесплатная статистика