Водоросли в космосе. Котлобай А.Э.. Влияние шума на организм человека в условиях длительного космического полёта. Пути снижения этого влияния. Автор работы
 Скачать 64.37 Kb.
|
|
Муниципальное бюджетное общеобразовательное учреждение городского округа Королёв Московской области «Средняя общеобразовательная школа № 3» 141076, Россия, Московская область, г.о. Королёв, ул. Мичурина, д. 25. тел/факс (495) 512-92-73  Влияние шума на организм человека в условиях длительного космического полёта. Пути снижения этого влияния. Автор работы: Котлобай Алина, 8 класс Руководитель: Платова Елена Александровна КОРОЛЁВ 2022 СОДЕРЖАНИЕ Введение………………………………………………………………………...3 Шум………………………………………………………………………4 Влияние шума на организм человека……………………………5 Источники шума при космическом полёте……………………..6 Шумовое загрязнение на МКС…………………………………..9 Способы снижения уровня шумового загрязнения…………………...10 Вентиляторы………………………………………………………10 Звукоизоляция…………………………………………………….11 Исследование влияния шума на работоспособность человека……….………………………………………………………….12 Результаты работы………………………………………………………….13 Вывод……………………………………………………………………............14 Предложения……………………………………………………………………14 Источники информации………………………………………………………...14 Введение Пагубное влияние шума на организм человека было замечено еще в Древнем Риме. С развитием человеческого общества, и особенно, с развитием техники, проблема шумового загрязнения становится все более актуальной. Но если на Земле люди могут, при необходимости, переехать в более спокойное место, то во время космического полёта, или при пребывании на инопланетной базе это невозможно. Тем не менее, сохранить здоровье человека очень важно. Цель работы: Проанализировать основные источники шума на космическом корабле, МКС, и возможные источники шума на инопланетной базе, для поиска путей уменьшения их влияния на организм человека. Задачи работы: Провести анализ источников информации по заявленной теме. Познакомиться с технологией замеров уровня шума при помощи шумомера. Выявить основные источники шума на космическом корабле, МКС и планируемых инопланетных базах. Предложить пути снижения влияния шума на организм человека во время космического полёта или пребывании на инопланетной базе. Гипотеза: Предполагается, что использование высокооборотного двигателя на вентиляторах, а также применение звукопоглощающих и звукоизолирующих материалов, которые можно изготовить непосредственно во время космического полёта или на инопланетной базе, позволит существенно снизить уровень шумового загрязнения помещения, в котором вынуждены будут находиться люди в течение длительного времени. Методы работы: Анализ источников информации. Эксперимент. Моделирование. Анализ и обработка полученных результатов. Шум Шум — беспорядочные колебания различной физической природы, отличающиеся сложностью временной и спектральной структуры. Первоначально слово шум относилось исключительно к звуковым колебаниям, однако в современной науке оно было распространено и на другие виды колебаний (радио-, электричество). [3] По спектру шумы подразделяются на стационарные и нестационарные. По характеру спектра шумы подразделяют на широкополосный шум с непрерывным спектром шириной более 1 октавы; тональный шум, в спектре которого имеются выраженные тона. Выраженным тон считается, если одна из третьоктавных полос частот превышает остальные не менее, чем на 10 дБ. По частотной характеристике шумы подразделяются на: низкочастотный (<300 Гц) среднечастотный (300—800 Гц) высокочастотный (>800 Гц) По природе возникновения шумы подразделяют на Механический Аэродинамический Гидравлический Электромагнитный Для количественной оценки шума используют усредненные параметры, определяемыми на основании статистических законов. Для измерения характеристик шума применяются шумомеры, частотные анализаторы, коррелометры и др.[1;4] Уровень шума чаще всего измеряют в децибелах (20 дБ — звуковое давление в 10 раз выше стандартного порога слышимости; 40 дБ — в 100 раз…). Сила звука в децибелах: Разговор: 40—45 Офис: 50—60 Улица: 70—80 Фабрика (тяжелая промышленность): 70—110 Цепная пила: 100 Старт реактивного самолёта: 120 У раструба вувузелы: 130 [2] Для измерения акустического шума, Стивеном Орфилдом (Steven Orfield), была основана в Южном Миннеаполисе «Лаборатория Орфилд» (Orfield Laboratories). Чтобы достичь исключительной тишины, в комнате использованы стекловолоконные акустические платформы толщиной в метр, двойные стены из изолированной стали и бетон толщиной в 30 см. Комната блокирует 99,99 процентов внешних звуков и поглощает внутренние. Эта камера используется многими производителями для тестирования громкости своих продуктов, таких как клапаны сердца, звук дисплея мобильного телефона, звук переключателя на приборной панели автомобиля. Также её используют для определения качества звука. [4;5] Источниками акустического шума могут служить любые колебания в твёрдых, жидких и газообразных средах; в технике основные источники шума — различные двигатели и механизмы. Повышенная шумность машин и механизмов часто является признаком наличия в них неисправностей или нерациональности конструкций. Источниками шума на производстве является транспорт, технологическое оборудование, системы вентиляции, пневмо - и гидроагрегаты, а также источники, вызывающие вибрацию. [3;5] Влияние шума на организм человека Шум, каким бы он ни был, всегда будет оказывать различное воздействие на разных людей. Все зависит от индивидуальной восприимчивости людей. Одни очень восприимчивы, шумы их раздражают и вызывают желание покинуть помещение, а другие же способны продолжать заниматься своими делами, привыкнув к такому, пусть и неприятному, фону. Это зависит от внутренних параметров восприятия. Именно поэтому шум, который издает сам человек, может быть не раздражающим, а вот то, что доносится извне, может мешать. Разумеется, в этом вопросе не последнюю роль играет и то, какой это шум: если у соседей непрерывно плачет ребенок или раздается звук перфоратора, это, чаще всего, воспринимается наиболее беспокойно. Влияние на человека бытового шума может отличаться исходя из того, чем занят человек. Одно дело, если шум мешает читать книгу, и совсем другое – если из-за постороннего шума вам приходится просыпаться ночью. Кроме того, если вы работаете в стрессовой ситуации, или вообще склонны к переживаниям, имеете вредные привычки, то любой шум будет для вас более раздражающим. [2;5] Влияние шума на человека является не только психическим, но и физическим. Как уже было обосновано выше, эти симптомы будут проявляться в разной степени для разных людей, однако, все они возможны: изменяется частота сокращений сердечной мышцы; понижается или повышается артериальное давление; уменьшается приток крови к головному мозгу; Влияние шума на организм будет наиболее сильным, если оно имеет постоянный характер. Ученые провели исследования, и выяснили, что после 10 лет проживания в городе отмечается рост общей заболеваемости человека. 1.2. Источники шума при космическом полёте О влиянии на человека шумов имеется достаточное количество научных данных, которые позволяют надеяться, что при разработке космического корабля можно будет провести тщательную звукоизоляцию и снизить уровень шума в кабинах. При этом необходимо учитывать, что шумы будут наиболее интенсивными на активном участке полета, т. е. на участке разгона космического корабля до конца выведения его на орбиту. Влияние вибрации на космонавтов на активном участке выведения космического корабля на орбиту изучено достаточно хорошо. Имеется целый ряд конструктивных предложений амортизаторов, снижающих действие вибраций на человеческий организм. [2;4] Практически так же, как ускорение, вибрация и шум связаны главным образом с фазами запуска двигателей космического корабля или их работы во время полета. Их источниками являются работа ракетных двигателей, их сотрясение, перемещение топлива в цистернах-баках, атмосферные потоки и турбулентность атмосферы, а также аэродинамические удары при преодолении космическим кораблем звукового барьера. При полете с выключенными двигателями шум и вибрация почти исчезают, так как в этом случае их порождают лишь импульсные двигатели управления ориентацией космического корабля в пространстве, различные электромоторы и система радиосвязи. [1] Шум и вибрация вызывают ощущение дискомфорта, раздражение, тошноту и другие неприятные ощущения. Характерно появление чувства тревоги и страха, удушья, болей в области живота и позвоночника, общего утомления, затрудненного дыхания, головной боли, зуда и глухоты. Вредное действие вибрации на организм человека имеет механическую природу, по крайней мере, в диапазоне тех частот колебаний, которые возникают во время космического полета. Очевидно, нарушается нормальное протекание процессов как в отдельных клетках, так и в органах в целом. В частности, вибрация влияет на анафазу, т. е. на ту стадию деления клеток, во время которой начинается расхождение половинок хромосом. Советские биологи в своих экспериментах подвергали вибрации, характерной для работы ракетного двигателя, мышей и установили значительное возрастание количества анафазных формаций в спинном мозгу уже через день после опыта. Процент анафазных формаций достиг максимальной величины 9,79, в то время как у контрольной группы животных он составлял 2,61. Если бы механические повреждения на клеточном уровне происходили в большем масштабе, то вибрация во время космического полета стала бы серьезной проблемой. Дело в том, что человеческое тело и его отдельные органы имеют, к сожалению, собственные резонансные частоты, лежащие в том же диапазоне, что и частоты ракетоносителей. Так, космический корабль «Аполлон» с ракетоносителем «Сатурн-5» имеет основную резонансную частоту около 4,5 Гц. После отделения двигателей первой ступени резонансная частота космического корабля с двигателями второй и третьей ступеней составляет примерно 6 Гц, а частота третьей ступени ракетоносителя с космическим кораблем будет уже около 9 Гц. Это очень важно, так как резонансная частота тела человека в зависимости от его положения и способа фиксации лежит в диапазоне от 3 до 12 Гц. А отдельные органы имеют более высокие собственные резонансные частоты. Когда космический корабль вибрирует на какой-либо из этих частот, вибрация соответствующих органов человека резонансно увеличивается, эти органы деформируются, смещаются или теряют фиксацию, то есть происходит их механическое повреждение. Однако до этого в большинстве случаев возникает ощущение дискомфорта. Пилоты космического корабля «Джемини» при частоте колебаний 50 Гц не могли считывать показания приборов, так как именно при этой частоте начинают вибрировать глазные яблоки и глаза словно застилает пеленой.[3;5] О колоссальных уровнях шумов, генерируемых крупными космическими ракетами, дают представление некоторые цифры. Так, ракета «Сатурн-5» при тяге около 3 млн кг на уровне моря в течение 2 мин генерирует почти 200 млн Вт звуковой энергии. Вообще в звук обычно переходит 0,3-0,8% общей мощности ракеты. Показательно, что количество звуковой энергии, генерируемой реактивным самолетом «Боинг-707», в четыре с лишним тысячи раз меньше. Когда ракета набирает скорость, это вызывает дополнительный шум. После 60 сек полета основную часть шума снаружи корабля вызывает обтекающий его воздушный поток. При максимальном динамическом давлении, когда давление воздуха на носовую часть ракеты «Сатурн» достигает 3593 кг/м2, возникают дополнительные шум и вибрация. Это происходит на 78-й секунде полета на высоте около 13 км. [5] Шум в 160 дБ может вызывать механические повреждения и необратимую глухоту в результате разрыва барабанной перепонки и смещения слуховых косточек в среднем ухе. При 140 дБ человек ощущает сильную боль, а продолжительное воздействие шума в 90-120 дБ может привести к повреждению слухового нерва. [5] В пилотируемом космическом корабле шумы опасны не только тем, что воздействуют на органы слуха космонавта. При уровне шума 120 дБ наступают серьезные ухудшения в речевой связи и радиосвязи. Эксперименты показывают, что речь говорящего становится значительно менее разборчивой, если к вибрации в диапазоне 10-30 Гц добавляются хаотические шумы. Кроме того, шум в 60 дБ и свыше вызывает торможение нормальных сокращений желудка и кишечника, а также уменьшает выделение желудочного сока и слюны. Поэтому при создании космического корабля «Аполлон» стремились снизить шумы настолько, чтобы максимальный их уровень после окончания фазы полета с выключенными двигателями не превышал 55 дБ в диапазоне частот 300-3800 Гц. В лунном отсеке «Аполлона» уровень шума составляет 80 дБ, а в диапазоне частот 600-4800 Гц снижен до 55 дБ. [4;5] Шумовое загрязнение на МКС Проблема повышенного шума на МКС существует с самого начала ее постройки. Практически все космонавты, побывавшие на станции, в приватных беседах говорили о шуме механизмов, в которых присутствуют трущиеся детали. Некоторым экипажам приходилось спать в берушах, которые снижают уровень шума на 10-20 дБ. [3] Врачи из ИМБП, где проходят медкомиссии все наши космонавты и все кандидаты в космонавты, проводят послеполётное обследование экипажей МКС. Конечно, длительное пребывание в невесомости не обходится без последствий. Но на здоровье космонавтов влияют и другие факторы, не имеющие отношения к невесомости. В медицинских заключениях говорится, что аудиометрические тесты выявляют негативные изменения слуха у космонавтов. Анализ акустических изменений показал, что источниками шума в модуле являются вентиляторы пылесборников, а также многочисленные вентиляторы, обеспечивающие принудительную циркуляцию воздуха в условиях невесомости. Также исследования показали, что наряду с шумом, излучаемым непосредственно лопастной системой вентиляторов, значительный вклад в излучение звука вносит вибрация корпусов вентиляторов и вибрация панелей, расположенных в непосредственной близости от вентилятора. [1;4;5] Способы снижения уровня шумового загрязнения Разработка методов борьбы с шумом - одна из важнейших задач прикладной физики. Вентиляторы К вентиляторам предъявляются следующие требования: Длительное время безотказной работы (ресурс) агрегатов. Низкий уровень создаваемых агрегатами шумов. Можно выделить два основных источника шума в вентиляторах: шум шарикоподшипников, увеличивающийся в процессе их износа и воздушный шум от срывающихся с лопастей рабочего колеса вихревых потоков. Интенсивность производимого шума существенно зависит от окружной скорости лопастей, т.е. от частоты вращения ротора, а преобладающая частота шума пропорциональна частоте вращения ротора умноженной на число лопастей рабочего колеса. Так при числе лопастей 5 и частоте вращения ротора 3000об/мин частота генерируемого звука составит 250 Гц и будет находиться в области высокой чувствительности человеческого уха. Существуют способы понижения интенсивности акустического шума – снижение частоты вращения с переходом к двухступенчатым схемам, совершенствование профиля лопастей, применение пассивных глушителей и т.д. Однако полностью проблему шума они не решают. [3] Звукоизоляция Звуки – речь, музыка, шумы - определяются звуковыми волнами. В сплошной среде могут возникать два вида звуковых волн: продольные, когда частицы среды колеблются вдоль направления распространения волн, и поперечные, когда колебания частиц происходит поперек направления распространения волн. В акустике частицей среды называют такой ее участок, на котором состояние среды практически не меняется. Это – наименьший физически однородный макрообъект колебаний. Размеры частицы малы по сравнению с длиной звуковой волны, но в объеме частицы содержится очень большое число молекул. В газовой среде размеры этого участка велики еще и по сравнению с длиной свободного пробега молекул. Звуковые волны распространяются в средах посредством колебаний указанных однородных частиц. В вакууме звук распространятся, не может. Атмосферный воздух – среда, являющаяся почти универсальным проводником звуков. [2] Периодическое или любое другое переменное изменение давления в частице под действием звука по отношению к давлению в невозмущенной среде (в воздухе по отношению к постоянному атмосферному давлению) называют звуковым давлением. Звуковое давление – основная физическая характеристика звуковых волн. Второй такой характеристикой является колебательная скорость частицы в звуковой волне – величина также переменная. В то же время звуковая волна движется в среде без ускорения с постоянной скоростью звука. Это третья важнейшая характеристика звуковых волн. Кроме того, вся среда вместе со звуковыми волнами может двигаться с определенной постоянной или переменной скоростью. Звукоизоляция обычно рассматривается в условиях неподвижной среды. Главные акустические закономерности для газов и жидкостей и многие для твердых тел связаны с продольными звуковыми волнами. Теория продольных волн основывается на использовании волнового уравнения идеальной жидкости. Под идеальной жидкостью понимается такая упругая среда, в которой взаимодействие двух частиц, разделенных произвольной поверхностью, происходит только в нормальном направлении к этой поверхности. В связи с этим в идеальной жидкости давления во всех направлениях вокруг данной точки равны, а отсутствие тангенциальных составляющих свидетельствует о том, что в идеальной жидкости нет внутреннего трения или вязкости. [ 2] Таким образом, все материалы делят на звукоизолирующие, звукопоглощающие и звукопрозрачные. Наибольший эффект снижения шума обеспечивают звукоизолирующие материалы. В ряде случаев целесообразно применение комплекса различных материалов, в том числе и перфорированных, а также материалов различной плотности. Например, очень хорошими звукоизоляционными свойствами обладают металлы, особенно такие, как свинец. Но их применение не всегда возможно по причине их массы и занимаемого объема пространства. Хорошими звукопоглощающими свойствами обладают слоистые материалы со слоями различной плотности покрытые оболочкой из перфорированных материалов. Эффект звукопоглощения достигается за счет многократного переотражения звуковых волн с их последующим затуханием. Исследование влияния шума на работоспособность человека Для исследования влияния шума на работоспособность человека мы провели эксперимент. Для этого мы предложили ученикам 6-8-х классов решить небольшую математическую задачу из учебника математики за 5 класс: За 2 дня продали 40 кг овощей. В первый день продали 5/8 этих овощей. Сколько кг овощей продали в первый день? Группам ребят было предложено решить эту задачу в условиях практически полной тишины, условиях разговора одноклассников обычным голосом и в условиях коридора во время школьной перемены в начальных классах. При этом уровень шума был измерен при помощи онлайн-шумомера на мобильном телефоне. В исследовании принимали участия ученики с оценками по математике «4» и «5». При этом исследовании оценивалась скорость и правильность решения задачи. Результаты средних значений исследования представлены в таблице:
Как видно из проведённого исследования, уровень шума оказывает негативное влияние на работоспособность человека в независимости от его возраста и уровня знаний. Согласно литературным данным, шум оказывает крайне негативное влияние на состояние здоровья человека. Особенно это касается длительного воздействия. Поэтому в условиях космического полёта и пребывания экипажа на внеземной базе необходимо максимально избежать этого воздействия. К любому материалу, который предполагается использовать на МКС предъявляются высокие требования. Они должны быть устойчивы к действию кислот и щелочей, негорючи. Такими материалами являются гипсокартон и пенополиуретан (поролон), обработанный специальными противогорючими средствами. Недостатком гипсокартона является его низкая механическая прочность, поэтому его применение в космосе ограничена. Различные же марки пенополиуретана могут быть использованы как материал для изготовления шумопоглощающих панелей для изоляции жилых отсеков космического корабля от воздействия шума работающих систем жизнеобеспечения. Результаты работы Снизить уровень шума во время длительного космического полёта можно несколькими основными способами: Увеличением частоты вращения ротора электродвигателя с применением бесконтактных, например газодинамических подшипников. Применяя звукоизоляционные панели, некоторые из них можно изготовить в условиях космического полёта или во время пребывания на инопланетной базе. Использовать «Белый шум». Вывод Применение высокооборотных двигателей в вентиляторах, как наиболее шумных устройствах, а также применение звукопоглощающих и звукоизолирующих материалов, которые можно изготовить непосредственно во время космического полёта или во время нахождения на инопланетной базе будет способствовать снижению уровня шумового загрязнения. Предложения: 1 На обитаемых космических аппаратах применять только высокооборотные двигатели для вентиляторов. 2. Увеличить количество звукопоглощающих и звукоизолирующих панелей и покрытий. 3. Применить технологию «белого шума». Источники информации: Борьба с шумом: [ сборник статей]. –М.: НИИСФ Российские планы Марсианской экспедиции. – Новости космонавтики. - № 10 2002г. http://www.fos.ru/avia http://mars500imbp.ru http://www.pda.avia.ru | ||||||||||||||||||||||||||||||||||