Индивидуальный проект. Тема Молния - красивое, но опасное явление

Муниципальное бюджетное общеобразовательное учреждение
"Средняя общеобразовательная школа № 9 имени Михаила Ивановича
Баркова" муниципального образования города Братска.
Братск
2024
ТЕМА
ИНДИВИДУАЛЬНЫЙ ПРОЕКТ
«Молнии»
Учащийся
9Б
(класс)
Клемешев Руслан Янович
(Фамилия И. О.)
Руководитель
Учитель
физики
(должность)
Безденежных Ирина
Константиновна
(Фамилия И. О.)
(допуск к защите)
Содержание
Оглавление
Введение .........................................................................................................................................1
Глава 1. Молния .............................................................................................................................2
1.1. Возникновение молнии ..........................................................................................................2
1.2. Виды молнии ...........................................................................................................................2
1.3. Молния и деятельность человека ..........................................................................................3
1.4. Защита от молнии. ..................................................................................................................8
1.5. Можно ли использовать молнию в деятельности человека? ............................................8
Заключение...................................................................................................................................10
Список использованной литературы .........................................................................................11
Приложения .................................................................................................................................12
12-15
Введение
На протяжении миллионов лет воображение человечества будоражило
такое явление природы как молния. О ней создавались пугающие сказания, с
ней отождествлялись божества древнего мира у различных народов: Перун у
славян, Тор у германских народов, Зевс у греков, Юпитер у древних римлян,
Таранис у древних кельтов – внушающие ужас и восхищение, поклонение и
желание понять природу этого прекрасного и таинственного явления.
Развитие науки помогло человечеству понять происхождение молний, их
природу, расширило знания о ней. Но и в современном мире во время грозы
многие люди чувствуют в своей душе те же страхи и тоже восхищение, что и
наши далёкие предки.
Именно с ее помощью удалось приручить огонь, за счет чего люди стали
гораздо могущественнее по сравнению с животным миром. К сожалению,
человеку пока не удалось покорить это атмосферное явление, но он старается
максимально обезопасить себя от вредоносного воздействия молнии. Дело в
том, что чем совершеннее становится техника, тем сложнее защитить ее от
атмосферного электричества, к тому же молния может нанести серьезный
ущерб любому виду электрической техники.
Актуальность проекта
Выбор темы моего проекта обусловлен не только личным интересом, но и
актуальностью.
Итоговый проект на тему "молния" актуален, так как включает в себя
множество аспектов, включающих безопасность, энергетику, климатологию
и технологии. Он также предлагает возможность для дальнейших
исследований и разработок в этих областях. Как заявил один из ученых: ‘’Мы
знаем о молнии не больше, чем древние египтяне ведали о природе звезд’’.
Цель проекта: на основе подбора, систематизации и обобщения имеющихся
источников изучить явление природы – молния.
Задачи проекта:
1. Изучить литературу по данной теме.
2. Анализ и классификация типов молнии
3. Сделать Презентацию на тему “Правила безопасности при грозе”.
Этапы работы над темой:
1. Сбор и изучение теоретического материала о молнии.
2. Создание Презентации на тему “Правила безопасности при грозе”.
Объект исследования: молния
Гипотеза исследования: Опасна ли молния для человека?
1
Глава 1. Молния
1.1. Возникновение молнии
Молния — электрический искровой разряд в атмосфере, происходит во
время грозы, проявляющийся яркой вспышкой света и сопровождающим её
громом. Молнии также были зафиксированы на Венере, Юпитере, Сатурне,
Уране и др.[1] Сила тока в разряде молнии на Земле составляет в среднем 30
кА, иногда достигает 200 кА[2], напряжение — от десятков миллионов до
миллиарда вольт[1].Наиболее часто молния возникает в кучеводождевых облаках, тогда они называются грозовыми; иногда молния
образуется в слоисто-дождевых облаках, а также при вулканических
извержениях, торнадо и пылевых бурях.
Для возникновения молнии необходимо, чтобы в относительно маленьком
(но не меньше некоторого критического) объёме облака образовалось
электрическое поле напряжённостью, необходимой для начала
электрического разряда (~ 1 МВ/м), а в значительной части облака
существовало бы поле со средней напряжённостью, достаточной для
удерживания возникнувшего разряда (~ 0,1—0,2 МВ/м). В молнии
электрическая энергия облака преобразовывается в тепловую, световую и
звуковую.
Одним из первых, кто определил взаимодействие электрических разрядов в
небе, был американский ученый, который по совместительству занимал
важный государственный пост - Бенджамин Франклин. В 1752 году им был
проведен занимательный опыт с бумажным змеем. К его шнуру испытатель
закрепил металлический ключ и вовремя грозы кинул змея. через некоторое
время, молния ударила в ключ, испуская сноп искр. С тех пор молния начала
подробно исследоваться учеными. Это удивительное явление природы может
быть очень опасно, нанося сильные повреждения линиям электропередач и
прочим высоким постройкам.
1.2. Виды молнии
Внутриоблачные:
возникновение этого вида сопровождается изменением электрических и
магнитных полей, также излучаются радиоволны. Такой раскат с наибольшей
вероятностью возможно встретить поближе к экватору. В умеренных
широтах он возникает очень редко. Если в облаке находится молния, то
заставить ее выбраться наружу сможет и посторонний объект, нарушающий
целостность оболочки, скажем наэлектризованный самолет или
металлический трос. В длину может колебаться от 1 до 150 километров.
(Приложение 1)
В верхней атмосфере замечаются особые виды молний: эльфы, джеты
и спрайты.
2
Эльфы:
Эльфы представляют собой огромные, но слабосветящиеся вспышки-конусы
диаметром около 400 км которые возникают прямо из верхней части
грозового облака. Высота эльфов может достигать 100 км,
продолжительность вспышек в среднем 3 м/с. (Приложение 2)
Джеты:
Джеты представляют собой трубки-конусы синего цвета. Высота джетов
может достигать 40-70 км, длительность побольше чем у эльфов.
(Приложение 3)
Спрайты
Спрайты трудно различимы, они появляются в любую грозу на высоте от 55
до 130 км. Это некоторое подобие молнии, бьющей из облака вверх.
(Приложение 4)
1.3. Молния и деятельность человека
1.3.1 Люди, животные и молния
Молнии — серьёзная угроза для жизни людей и животных. Поражение
человека или животного молнией зачастую случается на открытых
пространствах, так как электрический ток идёт по каналу меньшего
электрического сопротивления, что в общем случае подходит кратчайшему
пути грозовое облако — земля».
Поражение обыкновенной линейной молнией внутри сооружения
невозможно. впрочем существует мнение, что так называемая шаровая
молния может проникать вовнутрь сооружения сквозь щели и открытые
окна.
В организме пострадавших отмечаются такие же болезненные изменения,
как при поражении электрическим током. Жертва теряет сознание, падает,
могут отмечаться судороги, зачастую останавливается судороги и
сердцебиение. На теле обычно можно заметить «метки тока», места входа и
выхода электричества. В случае смертельного исхода причиной прекращения
основных жизненных функций является внезапная остановка дыхания и
сердцебиения от прямого действия молнии на дыхательный и
сосудодвигательный центры продолговатого мозга. На коже часто остаются
так называемые знаки молнии, древовидные светло-розовые или красные
полосы, пропадающие при надавливании пальцами (сохраняются в течение
1—2 дней после смерти). Они — результат расширения капилляров в зоне
контакта молнии с телом.
Пострадавший от удара молнией нуждается в госпитализации, так как
подвержен риску расстройств электрической активности сердца. До приезда
3
квалифицированного доктора ему может быть оказана первая помощь. В
случае остановки дыхания показано проведение реанимации, в более лёгких
вариантах
помощь
зависит
от
состояния
и
симптомов.
По одним данным, каждый год в мире от удара молнии погибают 24 000
человек и около 240 000 получают травмы. По другим оценкам, в год в мире
от удара молнии погибает 6000 человек.
Первая помощь при ударе молнией:
1. Пострадавший от удара молнией нуждается в незамедлительной
медицинской помощи, поэтому нужно вызвать скорую помощь.
2. Тело пораженного молнией не находится под напряжением, в отличие
от других электротравм. Поэтому к человеку можно смело прикасаться,
резиновые перчатки и другая защита не нужны.
3. Если пострадавший не дышит, немедленно приступают к
искусственному дыханию, уложив человека на спину на твердую
поверхность.
4. Оценивают сердечную деятельность, прощупав пульс на сонной
артерии или приложив ухо к грудной клетке. Если сердцебиение не
выслушивается, начинают непрямой массаж сердца.
5. В случае кровотечения оказывается помощь в остановке кровотечения.
6. Если на теле пострадавшего есть обожженные участки, необходимо
оказать первую помощь при ожогах.
7. Если пострадавший находится в состоянии оглушения, не вступает в
речевой контакт, не двигается, пульс слабый, дыхание редкое,
постарайтесь привести его в чувство, поднеся к носу ватку,
пропитанную нашатырным спиртом.
8. Если пораженный в сознании, нужно успокоить его, напоить теплым
сладким чаем. До приезда скорой помощи постоянно находиться
рядом, контролируя пульс, дыхание, уровень сознания (разговаривая с
пострадавшим).
1.3.2 Деревья и молния
Высокие деревья — нередкая мишень для молний. На реликтовых деревьяхдолгожителях легко можно обнаружить многочисленные шрамы от молний
— громобоины. Считается, что одиночно стоящее дерево чаще поражается
молнией, впрочем в определенных лесных районах громобоины возможно
увидеть практически на любом дереве. Сухие деревья от удара молнии
загораются. Чаще удары молнии бывают направлены в дуб, реже всего — в
бук, что, по-видимому, зависит от разного количества жирных масел в них,
представляющих большое сопротивление электричеству.
Молния проходит в стволе дерева по пути наименьшего электрического
сопротивления, с выделением большого количества тепла, превращая воду в
пар, который раскалывает ствол дерева либо чаще отрывает от него участки
4
коры, показывая путь молнии. В следующие сезоны деревья просто
восстанавливают повреждённые ткани и могут закрывать рану целиком,
оставив только вертикальный шрам. Если вред является чрезвычайно
серьёзным, ветер и вредители в конечном итоге уничтожают дерево. Деревья
являются натуральными громоотводами, и, как известно, гарантируют
защиту от удара молнии для близлежащих зданий. Посаженные вблизи
здания, высокие деревья улавливают молнии, а высокая биомасса корневой
системы помогает заземлять разряд молнии.
По этой причине опасно прятаться от ливня под деревьями во время грозы,
особенно под высокими либо одиночными на открытой местности.
Из деревьев, поражённых молнией, мастерят музыкальные инструменты,
приписывая им уникальные свойства.
1.3.3 Молния и электрооборудование
Разряды молний представляют огромную опасность для электрического и
электронного оборудования. При прямом попадании молнии в провода в
линии возникает перенапряжение, активизирующее разрушение изоляции
электрооборудования, а большие токи вызывают термические повреждения
проводников. В связи с этим трагедии и пожары на сложном
технологическом оборудовании могут начинаться не мгновенно, а в период
до восьми часов после попадания молнии. Для защиты от грозовых
перенапряжений электрические подстанции и распределительные сети
оборудуются разными видами защитного оборудования такими как
разрядники, нелинейные ограничители перенапряжения, длинно искровые
разрядники. Для защиты от прямого попадания молнии применяются
молниеотводы и грозозащитные тросы. Для электронных устройств
представляет опасность также и электромагнитный импульс, создаваемый
молнией, который может повреждать оборудование на расстоянии до
нескольких километров от места удара молнии. Довольно уязвимыми к
электромагнитному импульсу молнии являются локальные вычислительные
сети. (Приложение 5)
1.3.4 Молния и авиация
Атмосферное электричество, а особенно молнии, представляют
значительную угрозу для безопасности авиации. Попадание молнии в
летательный аппарат может вызвать разрушение его конструкционных
элементов, возникновение пожара в топливных баках, отказ оборудования и
даже гибель людей. Для снижения таких рисков воздушные суда оснащаются
особыми мерами защиты, включающими тщательное электрическое
соединение металлических элементов обшивки и металлизацию
неметаллических элементов. Это позволяет обеспечить низкое электрическое
5
сопротивление корпуса и эффективное стекание тока молнии и другого
атмосферного электричества. Кроме того, летательные аппараты оснащаются
разрядниками для более безопасного отвода электрического тока от корпуса.
Важно отметить, что разряды молнии, попадающие в самолеты, находящиеся
в воздухе, обладают гораздо меньшей энергией, чем разряды между облаком
и землей. Однако наиболее опасными являются случаи, когда молния
поражает самолеты, находящиеся на низкой высоте или вертолеты, так как
летательный аппарат может служить проводником тока молнии, от облака до
земли. Хотя самолеты на больших высотах относительно часто подвергаются
поражению молнией, случаи катастроф по этой причине являются редкими.
Но, в то же время, известно множество случаев поражения самолетов
молнией во время взлета, посадки и на стоянке, которые заканчивались
катастрофами или полным уничтожением летательного аппарата.
Известные авиационные катастрофы, вызванные молнией:
Одна из первых случившихся авиакатастроф в российской авиации,
связанных с поражением электрическим разрядом в атмосфере, произошла во
время Великой Отечественной войны. В результате удара молнией, который
случился 30 мая 1943 года во время полета дальнего бомбардировщика Ил-4
через грозовой фронт, на борту возник пожар.
Перед модернизацией авиационной системы произошло несколько
аналогичных авиакатастроф. К примеру, 7 сентября 1958 года разбился
самолет Ил-14П в Актюбинской области, при этом 27 человек погибли.
Самая крупная авиакатастрофа, занесенная в книгу рекордов Гиннеса,
произошла 8 декабря 1963 года в штате Мэриленд, США. В силу сложных
погодных условий, самолет Boeing 707-121, который находился в зоне
ожидания, вынужден был задержаться. После краткого кругового полета
вокруг аэропорта, самолет подал сигнал бедствия и в итоге упал, охваченный
огнем, недалеко от городка Элктон. Результаты расследования показали, что
авиакатастрофа, которая унесла жизни более 80 человек, произошла из-за
попадания молнии в самолет, что привело к взрыву топливного бака и
разрушению левого крыла.
Большинство современных самолетов оснащены специальной системой
защиты от электрических разрядов. Вдоль обшивки самолета проложена
проводящая сетка, которая также экранирует системы борта; топливные баки
заполняются инертным газом, чтобы предотвратить возгорание, а на концах
крыльев устанавливаются электростатические разрядники для вывода
статического заряда. Несмотря на все эти меры предосторожности, даже
современные самолеты остаются подвержены ударам молнии.
6
14 августа 2010 года самолет колумбийской авиакомпании разорвался на
части при посадке после удара молнии. В 2014 году малазийский авиалайнер
Airbus A320-216 исчез с радаров и, как позднее выяснилось, потерпел
крушение. Самолет с 155 пассажирами на борту попал в грозовой фронт,
удар молнии фактически отключил автопилот, и пилоты не сумели
своевременно предотвратить резкое поднятие носа самолета, что привело к
его падению в плоском штопоре.
Таким образом, удары молнии в самолет происходят достаточно часто,
однако современные технологии позволяют избежать серьезных последствий
таких разрядов. Все же, полет на самолете в грозу является опасным. Во
время шторма сила потоков может буквально разорвать самолет на части.
1.3.5 Молния и корабли
Молния представляет значительную опасность для надводных кораблей,
особенно для тех, которые приподняты над поверхностью моря и имеют
большое количество острых элементов, таких как мачты и антенны. Эти
элементы являются концентраторами напряженности электрического поля,
что делает их особенно уязвимыми для ударов молнии.
В прошлом, когда корабли были изготовлены из дерева и имели высокое
удельное сопротивление корпуса, удар молнии часто заканчивался трагично
— корабль сгорал или разрушался, и люди погибали от электрического тока.
Даже стальные суда, которые появились позже, были уязвимы для молнии.
Их высокое удельное сопротивление вызывало значительное локальное
тепловыделение, что приводило к возникновению пожаров, разрушению
заклепок и проникновению воды в корпус.
Однако современные надводные корабли с сварным корпусом имеют низкое
удельное сопротивление, что обеспечивает безопасное растекание тока
молнии. Выступающие элементы надстройки судов надежно электрически
соединяются с корпусом, что также способствует безопасному растеканию
тока молнии. Кроме того, использование молниеотводов гарантирует защиту
людей, находящихся на палубах судов.
В связи с этим, для современных надводных кораблей молния больше не
является опасностью. Благодаря сварному корпусу с низким удельным
сопротивлением, прочно связанным с выступающими элементами
надстройки и молниеотводами, суда могут безопасно справляться с ударами
молнии и обеспечивать защиту для экипажа и пассажиров.
7
1.4. Защита от молнии.
Молнеотвод.
Эффективным средством защиты от молнии является молниеотводы.
Молниеотвод состоит из трех основных частей: молниеприемника,
воспринимающего удар молнии; токовода, соединяющего молниеприемник с
заземлителем, через который ток молнии стекает в землю. Окрест
молниеотвода образуется зона защиты, то есть пространство, в пределах
которого обеспечивается защита строения или какого-либо другого объекта
от прямого удара молнии. Степень защиты в указанных зонах составляет
более 95%. Это означает, что из 100 ударов молнии в защищенный объект
возможно менее 5 случаев попадания, остальные удары будут восприняты
молниеприемником.
Молниеотводы желательно устанавливать на возвышенностях, чтобы
сократить путь молнии и увеличить размеры зоны защиты. Дымовые трубы,
фронтоны, выступы на крыше, телевизионные антенны нужно заземлить с
помощью тоководов. Металлические водосточные трубы и лестницы,
ведущие на крышу, желательно соединить с тоководом или заземлить
отдельно.
Если человек оказался в зоне действия молнии, то:
Метод 1. Найти укрытие и оставаться в безопасности.
Быстро найти укрытие.
Не стойте у окон.
Не прикасайтесь к металлическим предметам и электрическим
приборам.
4. Оставайтесь в укрытии.
1.
2.
3.
Метод 2. Действия во время грозы на открытой местности
1.
2.
3.
4.
5.
6.
7.
Сократите риск.
Выйдите из воды.
Разделитесь, если вы находитесь в группе людей.
Снимите рюкзак.
Примите соответствующую позу.
Обращайте внимание на предвестники молнии.
Носите резиновые сапоги.
1.5. Можно ли использовать молнию в деятельности человека?
Проблема с использованием энергии молнии заключается в ее
кратковременности и высоком напряжении. Однако, китайские ученые
8
разработали новую технологию, которая позволяет захватывать молнию в
воздухе и перенаправлять ее на землю для дальнейшего использования.
Согласно сообщениям сотрудника института атмосферной физики Це-Сюшу,
эта разработка открывает новые возможности для научных и промышленных
целей. Энергия молнии, а также ее электромагнитное излучение будут
использоваться в генной модификации сельскохозяйственных пород и
производстве полупроводников.
Добавочным положительным эффектом новой технологии будет уменьшение
экономического ущерба от гроз, так как разряды будут убираться в
безопасные места. Кроме того, ученые пытаются найти способы
использования молний в энергетике. По сведениям исследователей, один
разряд молнии генерирует миллиарды киловатт электричества. Учитывая,
что по всему миру каждую секунду происходят 100 ударов молний, молнии
имеют огромный потенциал как источник электроэнергии.
Таким образом, новая разработка китайских ученых по использованию
энергии молнии имеет широкие перспективы и может принести
значительные выгоды научному и промышленному сообществу, а также
помочь в области сельского хозяйства и энергетики.
9
Заключение
Работая над проектом, я решил следующие задачи:
1. Сделан анализ и классификация типов молнии.
2. Получили молнию в лабораторных условиях.
Наконец, понимание природы молнии и ее воздействия на жизнь человека
позволяет нам разработать эффективные стратегии безопасности, обучение и
предупреждение населения, а также использовать ее энергию в производстве
электроэнергии через молниеприёмники и другие технологии.
Таким образом, молния является сложным и многогранным явлением,
которое требует внимания и управления для обеспечения безопасности и
благополучия человека и окружающей среды.
Практическая значимость данного исследования заключается в том, что
полученные результаты могут быть использованы на уроках физики,
особенно тем, связанным с "Электрическим током в газах". Эта тема может
быть интересной и увлекательной для учащихся, так как подходящие
демонстрации реальных научных фактов всегда привлекают внимание.
Кроме того, данные научные исследования могут быть также использованы в
географии, чтобы помочь школьникам лучше понять природные явления,
такие как грозы и молнии. Такие занятия могут быть проведены как на
уроках, так и во внеурочной деятельности, чтобы погрузить детей в
увлекательный мир науки и расширить их образовательные горизонты.
10
Список использованной литературы
1. Физика. 10 класс: учеб. для общеобразоват. организаций с прил. на
электрон. носителе: базовый уровень/ Г.Я. Мякишев, Б.Б. Буховцев,
Н.Н. Сотский; под ред. Н.А. Парфентьевой – М: Просвещение, 2014.
2. http://class-fizika.ru/10_a201.html
3. https://ru.wikipedia.org
4. 2. Савельев, И. В. Курс общей физики. В 3 т. Том 2. Электричество и
магнетизм. Волны. Оптика : учебное пособие для вузов / И. В.
Савельев. — 16-е изд., стер. — Санкт-Петербург : Лань, 2022. — 500 с.
— ISBN 978-5-8114-8926-8. — Текст : электронный // Лань :
электронно-библиотечная
система.
—
URL:
https://e.lanbook.com/book/185339
11
Приложения
Приложение 1
Приложение 2
12
Приложение 3
Приложение 4
Приложение 5
13