МУНИЦИПАЛЬНОЕ АВТОНОМНОЕ ОБЩЕОБРАЗОВАТЕЛЬНОЕ УЧРЕЖДЕНИЕ «ГИМНАЗИЯ № 1 г. БЛАГОВЕЩЕНСКА»

Итоговый индивидуальный проект

Тема: «Оптическая голография в современной жизни человека»

Предметная область: «физика»

Выполнила: Бегун Ксения

Александровна,

ученица 9Г класса

МАОУ «Гимназия № 1

г.Благовещенска»

                          Руководитель: Юдина Татьяна Анатольевна,

 учитель физики

МАОУ «Гимназия № 1

г.Благовещенска»

                        г.Благовещенск – 2019г

Оглавление

Введение        4

I. Теоретическая часть

I.1. История голографии        5

I.2. Теория голографии        7

I.3. Принципы работы голографмческой пирамиды и её создание         8

I.4. Применение и реализация голограмм        9

I.5. Развитие голографии в будущем        10

II. Практическая часть        12

Заключение        14

Список литературы        15

ВВЕДЕНИЕ

Оптика — раздел физики, в котором изучаются оптическое излучение (свет), его распространение и явления, наблюдаемые при взаимодействии света с веществом, — относится к числу наиболее старых и хорошо освоенных областей науки. Интерес к оптическим явлениям понятен. Около 85% информации об окружающем мире человек получает через зрение. Оптические явления воспринимаются совершенным оптическим прибором — человеческим глазом, который является основным орудием познания мира. Оптические явления всегда наглядны и поддаются количественному анализу. Очень многие основополагающие понятия, такие, как интерференция, дифракция, поляризация  пришли в физику из оптики и в настоящее время широко используются в областях, далеких от оптики. Одним из таких разделов оптики является голография.

Цель проекта: Изучить феномен голографии с научной точки зрения и воссоздать псевдоголографическое  изображение с помощью четырехугольной усеченной призмы, собранной в домашних условиях.

Задачи проекта:

1.        Изучить теорию голографии

2.        Изучить принципы работы голографической пирамиды

3.        Создать голографическую пирамиду в домашних условиях

Актуальность

С развитием науки и техники человечество прошло путь от использования голографических изображений в кино и индустрии развлечений до создания полноценных голографических лекториев, в которых один человек может вести трансляцию с эффектом присутствия на многомиллионную аудиторию, находящуюся в разных концах света. Оцифровать разрушающиеся объекты культурного наследия для потомков, создать объемные изображения внутренних органов для будущих врачей - все это возможности голографии. Количество объектов дополненной реальности, которые окружают нас в повседневной жизни, растет с каждым днем. Чтобы взаимодействовать с этими объектами важно понимать их сущность и происхождение, знать как они работают. В своем проекте мы хотим исследовать истоки появления первых голографических изображений, понять принципы их работы и воссоздать собственное голографическое изображение в экспериментальных условиях.

I. Теоретическая часть

I.1. История голографии

Примерно до середины XX столетия казалось, что оптика как наука закончила развитие. Однако в последние десятилетия в этой области физики произошли революционные изменения, связанные как с открытием новых закономерностей (принципы квантового усиления, лазеры), так и с развитием идей, основанных на классических и хорошо проверенных представлениях. Здесь, прежде всего, имеется в виду голография,  которая значительно расширяет область практического использования волновых явлений и дает толчок теоретическим исследованиям.

Первая голограмма была получена в 1947 году Денешом Габором в ходе экспериментов по повышению разрешающей способности электронного микроскопа. Габор придумал само слово «голография», от греческого слова "holos" — «полный» и "graphe" — «пишу», которым хотел подчеркнуть полную запись оптических свойств объекта. Голограммы Габора отличались низким качеством, поскольку в качестве когерентного источника света Габор использовал единственно доступные ему газоразрядные лампы с очень узкими линиями в спектре испускания. Но это никак не уменьшает значения его работы, за которую автор получил Нобелевскую премию по физике в 1971 году.

Известный российский учёный Юрий Денисюк разработал метод записи отражающих 2-D голограмм на прозрачных фотопластинках, позволяющих записывать голограммы самого высокого качества.

В 1977 году Ллойд  Кросс, американский ученый,  создал мультиплексную голограмму – или, как мы говорим сегодня, изображение в 3-D формате. Такая голограмма принципиально отличается от всех остальных голограмм тем, что состоит из десятков или даже сотен отдельных плоских ракурсов, видимых под разными углами.

Мультиплексная голография превосходит по качеству все остальные способы создания объёмных изображений на основе отдельных ракурсов.

I.2. Теория голографии

Голография — это один из способов регистрации информации. С ее помощью можно записывать, а потом воспроизводить изображения трехмерных объектов, которые похоже на реальные.

Голограмма фиксирует не само изображение предмета, а структуру отраженной от него световой волны, ее амплитуду и фазу.  Для получения голограммы необходимо, чтобы на фотографическую пластинку одновременно попали два когерентных световых пучка: предметный, отраженный от снимаемого объекта, и опорный – приходящий непосредственно от лазера. Свет обоих пучков интерферирует, создавая на пластинке чередование очень узких темных и светлых полос – картину интерференции.

На экспонированной и проявленной, таким образом, пластинке отсутствует какое-либо изображение, однако его в зашифрованном виде содержит система интерференционных полос, и если голограмму просветить, как диапозитив, лазерным светом той же частоты, что была использована при записи, возникнет «восстановленная голограмма» – объемное изображение снятого предмета, словно висящего в пространстве. Меняя точку наблюдения, можно заглянуть за предметы на первом плане и увидеть детали, ранее скрытые от взгляда. Свет, проходя сквозь систему черно-белых полос голограммы, испытывает дифракцию и воспроизводит волновой фронт, исходивший от снятого предмета. Аналогичным образом лазерный луч, пропущенный сквозь отверстие очень малого диаметра, даст на фотопластинке, поставленной за отверстием, систему колец, так называемые «кольца Френеля». А световой пучок, проходящий сквозь их изображение - «зонную пластинку», сойдется в точку. Кольца Френеля представляют собой простейшую голограмму – голограмму точки.

I.3. Принципы работы

голографической пирамиды и ее создание

Для того чтобы изготовить голографическую картину своими руками, требуется современное дорогостоящее, труднодоступное оборудование.  Поэтому мною было решено изготовить мультиплексную 3D-голограмму с помощью самодельной пирамиды.

Голографическая пирамида - это устройство, которое позволяет создавать трёхмерные изображения внутри прозрачного визора - пирамиды. Принцип её действия основан на псевдоголографии - отражении изображения, созданного по специальной раскладке по количеству сторон пирамиды на черном фоне. Голографическая 3D-пирамида представляет собой проекционную поверхность, на которую проецируется созданное по специальной раскладке видео или изображение.

Пирамида дает плоское отображение действительных предметов, когда ее прозрачная поверхность преломляет попадающий на него свет, так получается эффект объемности. В голографической пирамиде можно продемонстрировать любой объект, предварительно спроектировав его в 3D.

Голограмма, которую мы получаем в собранной мною голографической установке, представляет собой четыре плоских изображения одного объекта, созданные с четырех различных сторон. Эти четыре изображения, попадая в одну точку, воспринимаются человеческим глазом как единое объемное изображение. Процесс получения одного из этих четырех изображений аналогичен процессу получения изображения в плоском зеркале.

Большинство зеркал делают из листов стекла, задняя сторона которых покрыта тонким слоем отражающих материалов или металлов, в том числе серебра. Мы видим все вокруг, потому что световые волны отражаются от объектов и попадают нам в глаза, создавая образы, которые распознает наш мозг. Но такое двойное отражение создает странный эффект – все кажется повернутым в обратную сторону. Если мы, например, поднесем к зеркалу раскрытую книгу, то увидим напечатанный в ней текст не слева направо, а, наоборот, справа налево. Таким же образом создается голограмма: четыре части видео отражаются в четырех гранях призмы, сливаясь в одно объемное изображение. Наилучшего качества изображения можно достичь, когда голограмма рассматривается в затемненном помещении.

В сети Интернет я нашла несколько готовых видео, обработанных с помощью компьютерных программ для создания мультиплексных голограмм и представляющих собой четыре изображения одного объекта с разных сторон. Изображения для голограммы должны быть исключительно на черном фоне.

I.4. Применение и реализация голограмм

Наиболее широкое применение голография находит в науке и технике. Голографическими методами контролируют точность изготовления изделий сложной формы, исследуют их деформации и вибрации. Для этого деталь, подлежащую контролю, облучают светом лазера, и отраженный свет пропускают сквозь голограмму эталонного образца. При отклонении размеров от эталонных, искажении формы и появлении поверхностных напряжений возникают полосы интерференции, число и расположение которых характеризует степень отличия изделия от образца или величину деформаций. Аналогичным образом исследуют обтекание тел потоками жидкости и газа: голограммы позволяют не только увидеть в них вихри и области уплотнений, но и оценить их интенсивность.

Голографическими методами можно распознавать образы, т.е. искать объекты, идентичные заданному,  среди множества других, похожих на него. Такими объектами могут быть геометрические фигуры, фотографии людей, буквы или слова, отпечатки пальцев. На пути лазерного луча устанавливают сначала кадр, на котором может находиться искомый объект, а за ним – голограмму этого объекта. Появление яркого пятна на выходе говорит, что объект в кадре присутствует. Такая оптическая фильтрация может производиться автоматически и с большой скоростью.

Методами акустической голографии удается получать объемные изображения предметов в мутной воде, где обычная оптика бессильна.

Голограммы музейных редкостей уже стали довольно обыденной вещью: они не только экспонируются на выставках, но и продаются в сувенирных ларьках. Начинают появляться объемные книжные иллюстрации.

Разновидность пропускающих голограмм, изобретенных американцем Стивеном Бентоном, называют радужными, потому что трехмерные изображения на таких голограммах наблюдаются на фоне радуги. Они ориентированы на массовое производство. Их используют в рекламе, из них делают акцизные марки, пломбы сохранности. Вообще радужные голограммы используют для защиты от подделок, потому что мошенники пока плохо освоили метод голографии (в отличие от полиграфического способа нанесения рисунков).

I.5. Развитие голографии в будущем

Активнее всего развивается область голографии, связанная с head-up дисплеями. Их устанавливают в шлемах, самолетах, автомобилях (технологии HMD (head-mounted дисплей) — это размещение дисплея непосредственно на голове зрителя или лобовом стекле автомобиля или самолета — это HUD (Head-Up Display).   Когда человека полностью изолируют от окружающей обстановки — это дисплеи VR, виртуальной реальности (virtual reality). Голографические дисплеи уже делают для пилотов, чтобы датчики целеуказания находились перед глазами. Но их конструируют на базе объемной оптики и обычного плоского зеркального бим-сплиттера. Это громоздкая система, и на новом этапе разрабатываются более простые конструкции, которые можно было бы применять и в быту.

Есть разработки дисплея для автомобилей с голографическим и оптическим бим-сплиттером. Такой дисплей прозрачный и наклеивается на лобовое стекло. Сейчас изображение монохромное, но скоро появится и многоцветное. Габаритную и точную оптику заменяют голограммами, чтобы снизить финальную стоимость изделия, к тому же это гораздо безопаснее.

II. Практическая часть

Цель: Собрать голографическую пирамиду и продемонстрировать её работу за счет показа псевдоголографического изображения с заранее подготовленным видео контентом

Оборудование: Органическое стекло, прозрачный клей, на основе цианоакрилатов, в качестве проекционного аппарата был использован школьный планшет.

Ход работы:

Пирамида состоит из четырех идентичных друг-другу частей в форме трапеции. Размер оснований  трапеции зависит от длин сторон источника видеоизображения и от формата этого видеоизображения. А по закону отражения света в плоском зеркале:

1. Лучи — падающий и отражённый, а также перпендикуляр к отражающей поверхности, проведённый в точку падения, лежат в одной плоскости.

2. Угол отражения равен углу падения.

По этому закону, проводим следущие расчеты для того, чтобы изображение проецировалось под углом  90 °:

Из этого следует что угол наклона пирамиды относительно источника изображения должен составлять 45 °. Далее из имеющихся данных составляем схему для конструирования пирамиды:

Затем переносим получившеюся схему на органическое стекло, вырезаем и склеиваем.

Вывод: Мы изучили и объяснили способ создания голографических пирамид, спроектировали и собрали собственный образец, продемонстрировали его работу.

Заключение

В ходе выполнения проектной работы мы изучили историю появления голографии, принципы создания голографического изображения, направления развития голографии в будущем. А также выяснили,  что голограмма является крайне перспективным носителем информации. Голографические технологии внедряются в различных отраслях, в частности в машиностроении, телевидении, связи. Выполнили своими руками псевдоголографическую модель в домашних условиях и продемонстрировали ее работу.

Список литературы

Андреева О.В., Парамонов А.А., Андреева Н.В. Прикладная голография. Санкт-Петербургский государственный университет информационных технологий, механики и оптики, 2008 г. С.-152.

Алексеев В.Е. Малгаров И.И. Самодельная голографическая 3D пирамида. Юный ученый № 4, 2016 г. С.107-109

Кольер, Р., Беркхарт К., Лин Л. Оптическая голография. М.: Мир, 1973.–686 с.

Слабко В.В. Принципы голографии. Соросовский обозревательный журнал № 7, 1997 г. С.-87-94.

Технологии экранов псевдоголографии.  https://habr.com/ru/post/158231/  Электронный ресурс. Дата обращения 20.09.2019 г.

Муниципальное Автономное Общеобразовательное Учреждение

"Гимназия №1 г.Благовещенска"

Индивидуальный Итоговый Проект

Тема: "Выработка энергии при помощи ГЭС"

(предметная область - физика)

 Выполнил: Пикалов Михаил Андреевич, 

  Обучающийся 9 Б класса  

МАОУ "Гимназия №1 г. Благовещенска" 
Руководитель: Юдина Татьяна Анатольевна, 

Учитель физики 

 МАОУ "Гимназия №1 г. Благовещенска"

Содержание

I  Введение  

II  История Гидроэнергетики

III Гидроэлектростанции. Виды, назначение, принципы работы, основное оборудование.

IV Место гидроэнергетики в экономическом развитии страны.

V  Перспективы развития гидроэнергетики. 

Введение  

Тема энергетики в современном мире для обывателя крайне мало освещается. Электричество для многих берется просто из розетки. Кто-то что-то знает про «сжигают нефть» или «сжигают газ», может быть «сжигают уголь». Еще есть разговоры про «страшный атом» и кто-нибудь может вспомнить про гидроэлектростанции. Да, безусловно, в моде разговоры о солнечных батареях и ветряках, которые к слову, меньше всего участвуют в выработке всей энергии в мире, но крайне сильно (и красиво, чего уж там) разрекламированы.

А между тем, на фоне сокращающихся дешевых запасов угля, нефти и газа, необходимости в переработке ядерного топлива и все-таки его потенциальной опасности, гидроэнергетика совершенно незаслуженно не получает должной похвалы и внимания. Давайте восполним этот пробел прямо сейчас.

Как вполне логично указано на сайте РусГидро: гидроресурсы — возобновляемый и наиболее экологичный источник энергии, использование которого позволяет снижать выбросы в атмосферу тепловых электростанций и сохранять запасы углеводородного топлива для будущих поколений.

И действительно. Мощные реки текут каждый день, независимо от погоды, курса валют, выборов или проведения музыкальных конкурсов. Отметим вполне себе реальные и очевидные вещи: у российской гидроэнергетики огромный потенциал. Сейчас на территории РФ функционируют 102 гидростанции, общая установленная мощность гидроагрегатов на ГЭС в России занимает 5 место в мире. Такое же место в мире мы занимаем и по выработке энергии с помощью гидроэлектростанций. Актуальность!

Гидроэлектростанция (ГЭС) — электростанция, использующая в качестве источника энергии водный поток.

История гидроэнергетики

История гидроэнергетики берет свое начало с конца 19 века. Характерно, что наиболее весомый вклад в развитие гидроэнергетики внесли именно русские инженеры, которые и руководили первыми стройками. В 1891 г. в местечке Лауфен на р. Неккар, Германия под руководством русского инженера М.О. Доливо-Добровольского была построена первая промышленная ГЭС, в 1892 г. под руководством инженера Кокшарова была построена гидроэлектрическая установка на р. Березовке на Алтае для электроснабжения Зыряновского рудника, в 1896 г. под руководством В.Н. Чиколева и Р.Э. Классона была построена гидроэлектрическая установка на р. Охте для электроснабжения Охтинского порохового завода, в 1903 г. – ГЭС на Северном Кавказе на р. Подкумок, в 1909 г. – Гиндукушская ГЭС на р.Мургаб мощностью 1590 л.с..

Справедливости ради, нужно отметить, что в Европе и США также активно развивалась гидроэнергетика, где старались строить более мощные установки: ГЭС мощностью 16,8 тыс.кВт в Рейнфельде (1898 г., Германия), Ниагарская ГЭС Адамс мощностью 500 тыс.л.с. (1900 г., США), ГЭС Ксокук мощностью 180 тыс.л.с. (1912 г. США), ГЭС Жонаж мощностью 11,2 тыс.л.с. (1901 г., Франция) и др.

Несмотря на наличие проектов крупных ГЭС, в начале ХХ века в России сооружались только небольшие ГЭС. Кроме того, в этот период строились в основном ТЭС (теплоэлектростанции), обеспечивавшие более быстрое получение доходов и требовавшие меньших капиталовложений по сравнению с ГЭС. Так, в 1913 г. общая мощность ГЭС составляла около 16 МВт с выработкой 35 млн. кВт·ч, а суммарная мощность всех электростанций – около 1100 МВт с выработкой 1945 млн. кВт·ч. Мощность самой крупной ГЭС равнялась 1,3 МВт, а ТЭС – 40 МВт.

Наиболее активно гидроэнергетика развивалась во времена Советского Союза. Первой крупной гидроэлектростанцией России стала Волховская ГЭС. Её строительство было начато в период 1917 - 1926 г.г. Волховская ГЭС стала первой электростанцией, строительство которых было предусмотрено планом ГОЭЛРО, окончательно принятым в 1921 году. В 1935 году было начато строительство Угличской и Рыбинской ГЭС. Угличская ГЭС мощностью 110 МВт была запущена в 1940 году, Рыбинская ГЭС — в конце 1941 года, уже после начала Великой Отечественной Войны. В 1948—1950 годах было начато строительство сразу нескольких крупных гидроэлектростанций, на Волге, Каме, Дону. Одновременно строились пять гидроэлектростанций: Цимлянская, Камская, Горьковская (Нижегородская), Куйбышевская (Жигулёвская), Сталинградская (Волжская). В 1950-х годах было положено начало развитию гидроэнергетики в Сибири — были построены Иркутская ГЭС на Ангаре и Новосибирская ГЭС. В 1960-х годах основной объем нового гидроэнергетического строительства переместился в Восточную Сибирь, а также в горные районы Кавказа. В 1961 году был пущен первый гидроагрегат Братской ГЭС, на тот момент крупнейшей в мире. В 1967 году заработал первый гидроагрегат Красноярской ГЭС, ещё одного мирового рекордсмена. В 1974 были запущены  Усть-Илимская ГЭС и Чиркейская ГЭС. В 1975 году заработала крупнейшая на тот момент на Дальнем Востоке Зейская ГЭС, в 1978 году начала вырабатывать электроэнергию Саяно-Шушенская ГЭС — крупнейшая электростанция Советского Союза (а впоследствии и России). Была разработана и начала реализовываться программа по строительству гидроаккумулирующих электростанций, в рамках которой в 1987 году был пущен первый гидроагрегат крупнейшей в России Загорской ГАЭС..

Политические преобразования конца 1980-х привели к резкому замедлению гидроэнергетического строительства. Экономические сложности привели к отмене находящихся на начальных этапах реализации проектов крупных Туруханской, Средне-Енисейской и Катунской ГЭС. В 1998 году падение энергопотребления прекратилось и начался его рост. Это, а также в целом улучшение экономической ситуации, позволило активизировать строительство ряда электростанций, начатых еще в советское время. В 2003 году заработал первый гидроагрегат Бурейской ГЭС  — крупнейшей электростанции на Дальнем Востоке России. В 2012 году была запущена Богучанская ГЭС.

Более 110 лет минуло с тех пор, как наши соотечественники заставили воду работать для электроэнергетики. И в сентябре 2019 года произведен пуск Нижнебурейской ГЭС - первой гидроэлектростанции спроектированной и построенной в новейшей России.

Гидроэлектростанции. Назначение, виды, принципы работы, основное оборудование

Основное назначение гидроэлектростанции это конечно выработка электроэнергии, однако немаловажна и ее противопаводковая функция, за счет регулирования пропуска воды в реках.

Гидроэлектростанции разделяются в зависимости от максимального использования напора воды: высоконапорные — более 60 м; средненапорные — от 25 м; низконапорные — от 3 до 25 м. Гидроэлектрические станции также могут быть разделены в зависимости от принципа использования природных ресурсов. плотинные ГЭС приплотинные ГЭС деривационные ГЭС гидроаккумулирующие электростанции(ГАЭС).

Принцип работы ГЭС достаточно прост. Цепь гидротехнических сооружений обеспечивает необходимый напор воды, поступающей на лопасти гидротурбины, которая приводит в действие генераторы, вырабатывающие электроэнергию.

Необходимый напор воды образуется посредством строительства плотины, и, как следствие, концентрации реки в определённом месте, или деривацией — естественным потоком воды. В некоторых случаях для получения необходимого напора воды используют совместно и плотину, и деривацию.

Непосредственно в самом здании гидроэлектростанции располагается всё энергетическое оборудование. В зависимости от назначения, оно имеет своё определённое деление. В машинном зале расположены гидроагрегаты, непосредственно преобразующие энергию потока воды в электрическую энергию. Есть ещё всевозможное дополнительное оборудование, устройства управления и контроля работы ГЭС, трансформаторная станция, распределительные устройства и многое другое.

Принцип работы используемых в ГЭС турбин един. 

Вода, находящаяся под давлением (напор воды), поступает на лопасти турбины, которые начинают вращаться. Механическая энергия, передается на гидрогенератор, который вырабатывает электроэнергию. Турбины отличаются некоторыми техническими характеристиками, а также камерами - стальными или железобетонными, и рассчитаны на различный напор воды. 

Основным энергетическим оборудованием ГЭС являются гидротурбины и гидрогенераторы.

Гидротурбины

Гидравлической турбиной называется машина, преобразующая энергию движения воды в механическую энергию вращения ее рабочего колеса. Существует большое число различных видов турбин, однако в практике гидроэнергетического строительства широко используется лишь четыре вида турбин: осевые, диагональные, радиально–осевые (представлен экспонат рабочего колеса гидротурбины Зейской ГЭС) и ковшовые. На высоконапорных ГЭС применяются ковшовые и радиально-осевые турбины с металлическими спиральными камерами. На средненапорных ГЭС применяются поворотно - лопастные и радиально-осевые турбины. На низконапорных ГЭС применяются поворотно - лопастные турбины в железобетонных камерах. 

Разнообразие природных условий, в которых сооружаются ГЭС, определяет разнообразие конструктивного исполнения турбин. Мощности турбин изменяются от нескольких киловатт до 640 МВт, а частота вращения – от 16,6 до 1500 об/мин.

Гидрогенераторы

Гидравлическим генератором называется машина, преобразующая механическую энергию вращения гидротурбины в электрическую энергию.

Эти машины приводятся во вращение, как правило, сравнительно тихоходными гидравлическими турбинами, частота вращения которых составляет 50–500 об/мин. Поэтому гидрогенераторы выполняют с большим числом полюсов и явнополюсными роторами. Диаметр ротора достигает у мощных машин 16 м при длине 1,75 м (в генераторах мощностью 590–640 МВА), т.е. для таких генераторов отношение длины к диаметру составляет 0,11–0,20.

Для производства электрической энергии используются возобновляемые природные ресурсы, поэтому конечная стоимость получаемой электроэнергии ниже, чем при использовании других видов электростанций, и нет вредных выбросов в атмосферу. 

Преимущества и недостатки

Преимущества:

- Гибкость. Гидроэнергетика является гибким источником электроэнергии, поскольку станции могут адаптироваться к изменяющемуся количеству энергии. Гидротурбины имеют время запуска порядка нескольких минут. Занимает около 60 до 90 секунд, чтобы завести устройство от холодного пуска до полной нагрузки; это намного меньше, чем для газовых турбин или паровых электростанций.

- Низкие затраты на электроэнергию. Стоимость эксплуатации гидроэлектростанции почти невосприимчиво к увеличению стоимости ископаемого топлива, такого как нефть, природный газ или уголь. Операционные затраты на рабочую силу также, как правило, низки, так как весь процесс автоматизирован и требуется небольшое количество персонала для нормальной работы.

- Другие виды использования водохранилища. Водоемы, созданные, гидроэлектростанциями часто предоставляют возможность для занятий водными видами спорта, а сами становятся туристическими достопримечательностями. В некоторых странах аквакультура в водоемах является распространенным явлением.

Недостатки: Повреждение экосистем и потеря земли. Большие резервуары, связанные с традиционными ГЭС приводят к разрушению биологически богатой и производительной низменности и речных долин лесов, болот и лугов. Станции прерывают поток рек и могут нанести вред местной экосистеме, а строительство крупных плотин и водохранилищ часто включает в себя вытеснение людей и диких животных.

Принципиальный момент заключается в том, что степень влияния энергетики на экологию напрямую зависит от самого источника этой энергии. Специалисты считают, что гидроэлектростанции наносят экологии гораздо меньший ущерб, нежели традиционные электростанции. Это одно из главных преимуществ гидроэнергетики.

Место гидроэнергетики в экономическом развитии страны

Еще в 1912 году Глеб Кржижановский, инженер-энергетик по образованию, написал одну из первых своих научных статей, вывод которой не удается оспорить и до нынешних дней. Для развития экономики и социальной жизни любого региона электрификация должна иметь приоритетный характер. Другими словами: если руководство страны желает развития того или иного региона, то планирование этого развития должно начинаться с проектирования электростанции, которые станут базой для всего остального – для новых заводов и фабрик, для развития сельского хозяйства, для строительства поселков, городов, автомобильных и железнодорожных трасс. Сходство ситуации начала 20-х годов прошлого века и нынешней очевидно: в обоих случаях руководство страны планирует развитие регионов, в обоих случаях энергетикой занимаются государственные компании.

Каскады ГЭС с крупными водохранилищами комплексного назначения образуют водохозяйственные комплексы, участниками которых являются энергетика, коммунально-бытовое, промышленное, сельско-хозяйственное водоснабжение, орошение, водный транспорт, рыбное хозяйство, рекреация. Они также обеспечивают защиту природной и социальной среды от наводнений, гарантированные санитарно-экологические пропуски. При этом на основе создаваемой инфраструктуры, энергетических и водных ресурсов резко ускорилось экономическое развитие многих ранее отсталых или удаленных регионов, были созданы мощные территориально-производственные комплексы.

Важной экономической особенностью гидроэнергетических ресурсов является их возобновляемость, не требующая в дальнейшем дополнительных капиталовложений. Электроэнергия, вырабатываемая на ГЭС, в среднем почти в четыре раза дешевле электроэнергии, получаемой от тепловых электростанций. Поэтому использованию гидроэнергетических ресурсов придается особое значение при размещении электроемких производств. Традиционно к крупным ГЭС тяготеют алюминиевые производства — так, около 70% выработки второй по мощности в России Красноярской ГЭС потребляется Красноярским алюминиевым заводом. Братский алюминиевый завод использует электроэнергию Братской ГЭС, Саянский и Хакасский — Саяно-Шушенской ГЭС и т. п. Крупные гидроэлектростанции — своего рода форпосты освоения территории. В ходе их строительства создается необходимая инфраструктура (дороги, ЛЭП, жилье, связь, строительные мощности), что в совокупности с обилием дешевой электроэнергии способствует быстрому развитию вблизи ГЭС промышленности. ГЭС являются основой нескольких территориально-производственных комплексов — Братского, Усть-Илимского, Саянского. В результате строительства гидроэлектростанций возникли такие города, как Братск, Усть-Илимск, Саяногорск, Тольятти, Волжский и ряд других. Строительство ГЭС является крупнейшими инвестиционными проектами для ряда регионов, в частности для республик Северного Кавказа (Зарамагская ГЭС-1 в Северной Осетии, Зеленчукская ГЭС-ГАЭС в Карачаево - Черкесии, Гоцатлинская ГЭС в Дагестане).

Отсутствие необходимости в топливе и более простая технология выработки электроэнергии приводят к тому, что затраты труда на единицу мощности на ГЭС почти в десять раз меньше, чем на тепловых электростанциях (с учетом добычи топлива и его транспортирования). Высокая производительность труда на ГЭС является одной из основных ее экономических особенностей

Гидроэлектростанции являются важнейшим фактором надежности энергосистемы. В отличие от тепловых и особенно атомных электростанций, ГЭС имеют высокую маневренность. В течение нескольких минут или даже секунд гидроэлектростанция или отдельные ее гидроагрегаты могут уменьшить или увеличить мощность, компенсируя колебания нагрузки в энергосистеме. Многие ГЭС работают преимущественно в пиковом режиме: они включаются при прохождении энергосистемой суточных максимумов нагрузки (утром и вечером) и выключаются ночью, когда нагрузка в энергосистеме резко падает

Перспективным направлением можно считать экспорт электроэнергии, вырабатываемой на ГЭС. Уже сейчас в Китай поставляется электроэнергия с Зейской и Бурейской ГЭС, в Финляндию — с Вуоксинского каскада ГЭС, в Норвегию — с Пазских ГЭС. Особенно перспективна продажа электроэнергии в Китай, учитывая большие потребности быстрорастущей экономики Китая в электроэнергии и очень низкую освоенность гидропотенциала Восточной Сибири и Дальнего Востока.

Еще один стимул — нарастающие изменения климата, невооруженным глазом заметные в нашем Приамурье и ДФО. В результате ежегодных наводнений вышедшие из берегов реки затапливают населенные пункты, сотни домовладений и земельных участков, тысячи гектаров сельскохозяйственных земель, разрушаются. дороги и мосты. Наводнение 2013 года, которое стало настоящей катастрофой, обошлось России в 569 млрд рублей (на фоне того, что стоимость Нижне - Бурейской ГЭС обошлась в чуть менее 45 млрд рублей).

Перспективы развития гидроэнергетики в России

Фактическое потребление электроэнергии в Российской Федерации в 2018 г. составило 1076,2 млрд кВт∙ч (по ЕЭС России 1055,6 — млрд кВт∙ч), что выше чем в 2017 г. на 1,6% (по ЕЭС России — на 1,5%).

В 2018 г. увеличение годового объема электропотребления ЕЭС России из-за влияния температурного фактора (на фоне понижения среднегодовой температуры относительно 2017 года на 0,6°С) оценивается величиной около 5,0 млрд кВт-ч.

Кроме температурного фактора на положительную динамику изменения электропотребления в ЕЭС России в 2018 г. повлияло увеличение потребления электроэнергии промышленными предприятиями. В большей степени этот прирост обеспечен на металлургических предприятиях, предприятиях деревообрабатывающей промышленности, объектах нефте-газопроводного и железнодорожного транспорта. В течение 2018 г. значительный рост потребления электроэнергии наблюдался на крупных металлургических предприятиях (ПАО «Северсталь», ПАО «НЛМК», АО «Уральская сталь», АО «Кузнецкие ферросплавы») - от 2 до 3 %. Крупные промышленных предприятий деревообрабатывающей промышленности (АО «Соликамскбумпром», АО «Монди СЛПК» и др.) увеличили потребление электроэнергии от 1 до 2,5 %. Предприятия нефтепроводного транспорта, увеличили в 2018 г. годовые объемы потребления электроэнергии в среднем на 2,5 %, предприятиями газотранспортной системы - в среднем на 2%. При этом на Дальнем Востоке увеличение потребления связано с функционированием магистрального нефтепровода ВСТО, предприятиями ПАО «РЖД», в 2019 году с вводом в эксплуатацию газопровода «Сила Сибири». Для достижения плановых показателей реализуемого ПАО «РЖД» проекта Восточный полигон, необходимо дополнительно 4 ГВт мощности на территории Дальнего Востока (это ~ если Зейская, Бурейская и Нижне - Бурейская ГЭС могут вырабатывать вместе при максимальной нагрузке).

Таким образом развитие промышленного производства, как внутри страны, так и общемирового, а также климатические изменения, неукоснительно влекут за собой рост потребления энергии (об этом же свидетельствует рост спроса на российский газ со стороны наших зарубежных партнеров). Как отмечалось ранее одним из перспективных направлений считается экспорт электроэнергии зарубеж. Особую актуальность это приобретает в разрезе реализации проекта т.н. «азиатского энергетического кольца», который предусматривает поставку электроэнергии не только к Китай, но и в Японию и Южную Корею, другие страны АТР.

На этом фоне наша страна обладает по истине богатейшим ресурсом: общий (теоретический) гидроэнергетический потенциал рек России оценивается в 2900 млн кВт·ч в год, в том числе крупных и средних рек — 2400 млрд кВт·ч. Технически возможный к использованию гидропотенциал оценивается в 1670 млрд кВт·ч (без малых рек), экономически целесообразный к использованию — в 850 млрд кВт·ч. Размещение гидропотенциала по территории страны неравномерно, 80 % экономического потенциала приходится на азиатскую часть страны и 20 % — на европейскую. Степень освоения составляет около 20 %, в том числе на Дальнем Востоке — 6 %.

Большая часть гидропотенциала России сосредоточена в Восточной Сибири и на Дальнем Востоке — в бассейнах Енисея, Лены и Амура. На Енисее и его крупнейших притоках Ангаре, Нижней и Подкаменной Тунгуске возможно строительство более чем десятка мощных ГЭС совокупной мощностью более 30 ГВт и выработкой более 100 млрд кВт-ч, электроэнергия с которых может быть выдана на Урал и далее в европейскую часть страны по линиям постоянного и переменного тока сверхвысокого напряжения.

В Европейской части России наиболее перспективным является освоение гидропотенциала рек Северного Кавказа, где возможно строительство деривационных ГЭС без затопления значительных территорий и переселения населения. В Сибири возможно строительство новых ГЭС в верховьях Оби и Енисея, а также на Нижней Ангаре. Существуют проектные проработки по строительству одной из крупнейших в мире гидроэлектростанций на реке Нижняя Тунгуска, мощностью не менее 12 ГВт. На Дальнем Востоке возможно сооружение крупных ГЭС на Витиме, Алдане, Учуре, Тимптоне, Верхнем Амуре, нижней Зее, Гилюе. Строительство ГЭС на Дальнем Востоке увязано с развитием проектов по добыче и переработке полезных ископаемых, модернизации транспортной инфраструктуры, а также экспорта электроэнергии в Китай.

Рассматривая вопросы экологии, общемировой тенденции в развитии т.н. «зеленой экономики» гидроэлектростанции также находятся в более выигрышном положении относительно других производств. Они экономят огромное количество ископаемого топлива и предотвращают выбросы большого количества углекислого газа и других загрязняющих веществ. В частности, если бы вырабатываемую ГЭС России электроэнергию производили тепловые электростанции на угле, то ежегодно пришлось бы сжигать около 63 млн тонн угля, в атмосферу было бы выброшено около 180 млн тонн СО2, образовалось бы более 4 млн тонн золы. Более экологично сжигание природного газа, но оно также сопровождается значительными выбросами углекислого газа и других загрязняющих веществ, а широкомасштабная газодобыча, прокладка газопроводов длиной в тысячи километров наносят немалый экологический ущерб. Об экологичности атомных электростанций после Чернобыля и Фукусимы говорить не приходится, в ряде стран их строительство запрещено. Не стоит забывать и о том, что эксплуатация АЭС неизбежно приводит к образованию радиоактивных отходов, а процесс добычи и обогащения урана также не идеален с экологической точки зрения. Кроме того, в силу конструктивных особенностей АЭС не могут быстро изменять нагрузку и требуют наличия в энергосистеме высокоманевренных мощностей, таких как ГЭС.

Дальнейшее развитие ГЭС намечено в «Программе развития гидроэнергетики России до 2030 года и на перспективу до 2050 года», которая была подготовлена по заданию ПАО «РусГидро» Институтом энергетической стратегии в сотрудничестве с рядом научно-исследовательских и проектных организаций. В целевом сценарии предлагаемой программы гидростроительства предусмотрен ввод до 2030 г. 15,5 ГВт новых мощностей на ГЭС, в период с 2030 по 2050 гг. – 25,0 ГВт. Суммарные вводы новых мощностей в целевом сценарии до 2050 г. составят 40,6 ГВт на ГЭС и 12,3 ГВт на гидроаккумулирующих электростанциях (ГАЭС). В консервативном сценарии предусмотрен ввод 12,2 ГВт новых мощностей на ГЭС до 2030 г., и в период с 2030 по 2050 гг. – 18,8 ГВт. Суммарные вводы новых мощностей в консервативном сценарии до 2050 г. – 31,0 ГВт на ГЭС и 12,3 ГВт на ГАЭС. Программа обозначила горизонты развития отрасли, но насколько успешно они будут реализованы, учитывая заложенные в программу инвестиции (около 5 трлн руб.), неизвестно.

Оглавление

1        История каблуков        3

2        Социологический опрос        4

3        Зависимость давления на стопу от высоты каблука        4

4 Физиологическая высота каблука с точки зрения ортопедии        7

5 Идеальная высота каблука        8

6 С медицинской точки зрения        9

7 Определение энергозатратности человека по частоте сердечных сокращений        9

8 Последствия ношения высоких каблуков        11

Приложение 1        13

1. История каблуков

История моды писалась веками. Обувь, как и другие предметы имиджа, отражала эпоху. Высокий каблук завоевал своих почитательниц ещё с давних лет. Сегодня женскую обувь без этой неотъемлемой части представить трудно. Семьдесят процентов мужчин, согласно социологическим опросам, предпочитают женщин, носящих высокий каблук.

Однако знают ли нынешние красавицы, что сначала каблуки имели совсем другую функцию? В древнем Египте земледельцы обували ботинки с каблуком, когда шли в поле. Точную дату рождения каблука история для потомков не сохранила. Поэтому первенство Египта оспаривает и Греция. Упоминания о прообразе высокой платформы можно найти у древних греков: актеры театра использовали такую обувь (котурны) для зрительного увеличения роста. Подошвы делались из дерева или пробки. Чем выше были котурны, тем более знатного и значительного персонажа изображал актер.

Существует много версий происхождения каблука. По одной из них впервые его прикрепили к сапогам для верховой езды, чтобы обувь не проваливалась в стремя. Однако считается, что современный каблук ведет свою историю с эпохи Барокко. А придумали его мужчины. Кстати, турецких одалисок обували в обувь на высокой платформе, чтобы они не могли сбежать из гарема. Хотя в Японии своя история: «гета», сандалии на деревянной подошве появились там еще в конце 8 века нашей эры. Такая обувь защищала кимоно от грязи. Катерина Медичи, особа маленького роста, надела туфли на каблуках на свадьбу с принцем, будущим королем Франции. Подобные туфли стали носить при французском дворе, ввелась мода на обувь c каблуком для мужчин и женщин. Кстати, до этого века не было разницы между ботинком на правую и левую ноги — колодки делали одинаковыми. И именно благодаря каблукам, которые требовали устойчивости, обувь стали делать на разные ноги. В XVIII веке каблуки становятся исключительно женским видом обуви.
Знаменитая изящная шпилька появилась лишь в 1950 году.  Это стало фурором в мире моды. 

Сейчас, так же, как и много лет назад, женщины носят каблуки, чтобы зрительно удлинить ноги, подчеркнуть свое изящество. История моды на каблуки еще не дописана, она еще ждет своих восторженных поклонников.

2. Социологический опрос

Мы провели опрос, в котором было опрошено 53 человека разных возрастных групп, с разными вкусами и предпочтениями (Приложение 1). В опросе участвовали две возрастные группы девушек и женщин:

1. От 13 до 17
2. От 35 до 44

 Мы  выяснили:  

• большинство женщин считает, что носить обувь на высоком каблуке вредно;
• женщины больше предпочитают носить обувь на каблуках, но не намного больше, чем спортивную или обувь на плоской подошве;
• большинство выбирает обувь по удобству, меньшинство по правилам моды, но никто не обращает внимания на информацию о вреде или пользе  данной обуви;
• 60% женщин начали носить обувь на каблуках с 18 лет, 40% -до 17 лет;
• 60% опрашиваемых надевают каблуки только по праздникам. Постоянно же носят обувь на каблуках только 10% женщин;
• Ходить на высоких каблуках трудно, но терпимо, так считает большинство женщин.   

3. Зависимость давления на стопу от высоты каблука

Мы установили зависимость давления на стопу от наличия каблука и  рассчитали давление, которое оказывает женщина массой 52 кг на твердую опору одной стопой  в обуви на высокой шпильке (высотой 10см), на высоком толстом каблуке (высотой 10см) и на низком широком каблуке (высотой 4 см).

                                S = (В + С/2) · Sк , где

S - площадь поверхности, на которую оказывается давление одной стопой

В - число полных клеток;

С - неполных клеток ;

Sк - площадь одной клетки .

                                    p =   , где

         р– давление, оказываемое на твердую опору одной стопой;

m –масса;

g – константа, равная 9,8 Н/кг;

          S – площадь поверхности на которую оказывается давление.

Рисунок 1- Шпилька 10 см

Дано:

Шпилька 10 см

m = 52 кг

g = 9,8 Н/кг

Решение:

          S = (В + С/2) • Sк = (252+23,5)*0,000025=0,0068875≈0,0069 ()

p =  - давление, оказываемое на твердую опору одной стопой,

 
        p = ≈ 73855 (Па) ≈ 74(кПа)

Ответ:  р≈ 74  кПа.

Рисунок 2 - Толстый каблук 10 см

Дано:

Толстый каблук 10 см

m =52кг

g = 9,8 Н/кг

Решение:

 S = (В + С/2) • Sк =(308+38,5)*0,000025=0,0086625≈0,0087 ()

p=- давление, оказываемое на твердую опору одной стопой,

р =  ≈ 58574 (Па) ≈ 58,6 (кПа)

Ответ: р≈58,6 кПа.

Рисунок 3 - Широкий каблук  4 см

Дано:

Широкий каблук 4 см

m = 52 кг

g = 9,8 Н/кг

Решение:

S = (В + С/2) • Sк = (437+37.5)*0.000025=0.0118625≈0,0119 ()

p=- давление, оказываемое на твердую опору одной стопой,

p = ≈42823 (Па) ≈43 (кПа)

Ответ: р ≈ 43 кПа

Вывод: В результате исследования мы увидели, что чем больше площадь опоры, тем меньше давление, производимое одной и той же силой на эту опору. А также что давление, оказываемое на стопу в обуви на высокой шпильке высотой 10 см, почти в два раза превышает давление, оказываемое на стопу в обуви на маленьком каблуке высотой 4 см и сравнимо с давлением, которое оказывает гусеничный трактор на почву. По расчетам ученых при ходьбе это давление еще увеличивается более чем в два раза!

Таблица 1 – Зависимость давления на стопу от высоты каблука

Диаграмма 1 – Зависимость давления на стопу от высоты каблука

4 Физиологическая высота каблука с точки зрения ортопедии

            k=*10 , где

k –  идеальная высота каблука (см);

l – рост (см);

h – длина ног (см)

m – коэффициент идеального соотношения между ростом и длиной ног (= 1,61).

Решение:

k=*10= 1.1 (см)

Ответ: 1,1 см

Решение:

k=*10=1.4 (см)

Ответ: 1,4см

Решение:

k=*10=5.1 (см)

Ответ: 5,1 см

Диаграмма 2 -  Зависимость высоты каблука от роста

Вывод: Из данного эксперимента мы выявили, что чем больше рост у девушки, тем меньше каблук она должна носить.

5 Идеальная высота каблука

1. Нахождение идеальной высоты каблука по формуле:

h=  , где

h – идеальная высота каблука(см);

l – длина стопы (см).

Решение:

 h=≈3,4 (см)

Ответ: 3,4 см

2. Нахождение идеальной высоты каблука по формуле: h= , где

h- идеальна высота каблука(см);

l- рост (см).

Решение:

h=≈ 7(см)

Ответ: 7 см

6 С медицинской точки зрения

С медицинской точки зрения в повседневной обуви идеальная высота каблука должна быть в пределах 2- 4 см. Если носить более высокий каблук, то нагрузка на ноги распределяется не физиологично, и получается, что каждый шаг отдает по позвоночнику. Через какое-то время это чревато заболеваниями вен, суставов и позвоночника.

Если вы предпочитаете каблуку платформу, то и здесь есть свои недостатки. Не каждая  знает, что длительное и частое хождение на платформе может привести к плоскостопию. Особенно вредна платформа, юным девушкам, даже если её высота соответствует норме. Именно из-за платформы мышцы ступней почти перестают работать.

7 Определение энергозатратности человека по частоте сердечных сокращений

Мы рассчитали, сколько кДж потратили женщины на физическую работу по формуле Травина:

Е=0,014 G t (0.12 f – 7), где

Е- энергозатраты (кДж);

G- масса тела (кг);

t-время (мин);

f-число сердечных сокращений в мин.

В исследовании нам  помогла провести мама (вес - 59 кг). Она прошла 200 метров в обуви на шпильке. Измерили число ее сердечных сокращений. Повторили то же самое с толстым каблуком и с низким каблуком. Результаты записали в таблицу и вычислили энергозатратность при ходьбе в обуви на шпильке, толстом и низком каблуке.

Таблица 2- Энергозатратность человека по частоте сердечных сокращений

1. Е=0,014*59*2,4*(0,12*69-7)=2,5 (кДж) –Шпилька
2. Е=0,014*59*2,3*(0,12*67-7)=1,9 (кДж) –Толстый каблук
3. Е=0,014*59*2,25*(0,12*65-7)=1,4 (кДж) –Низкий каблук

Диаграмма 3- Энергозатратность

Вывод: Из данного эксперимента мы выяснили, что при ходьбе на низком толстом каблуке энергозатратность меньше, чем энергозатратность при ходьбе на 10-тисантиметровой шпильке.

8 Последствия ношения высоких каблуков

Коленный сустав

Ходьба на высоких каблуках на 26% увеличивает нагрузку на коленные суставы. Это способствует развитию остеоартрозу коленных суставов - частого недуга среди женщин.

Осанка

При ходьбе на высоких каблуках центр тяжести тела перемещается вперед, бедра и позвоночник уходят с одной линии.

Давление

Ноги визуально удлиняются, но с увеличением высоты каблука возрастает и давление на носок стопы:

7,5 см    +76%

5см        +57%

2,5см     +22%

Икры

Чем выше каблук, тем сильнее напрягаются мышцы икр – они укорачиваются и уплотняются.

Натоптыши

Хождение в узких туфлях может спровоцировать не только образование натоптышей  (уплотнение кожи стопы). В области сустава у основания большого пальца появляются костные разрастания, палец искривляется, образуется «шишка», развивается болевой синдром.

Молоткообразная деформация

В туфлях с узкими носами пальцы сгибаются в среднем суставе. Мышцы 2,3 и 4-го пальцев теряют способность расслабляться и возвращаться в исходное состояние даже после снятия обуви.

Травмы пятки

Жесткие ремешки  и задники туфель в сочетании с высоким каблуком вызывают постоянное раздражение области пятки.

Травмы лодыжек

На высоких каблуках сложнее держать равновесие. Это повышает риск падения и перелома лодыжек, а также других травм.

Приложение 1

1.Считаете ли вы что ходить на высоких каблуках вредно?

А) да

Б) нет

2. Возраст

3. Какую обувь вы  предпочитаете?

А) кроссовки

Б) кеды, балетки

В) обувь на каблуке

4. Как вы выбираете обувь?

А) по удобству

Б) по моде

В) по информации об обуви

5. Если вы носите обувь на каблуках, то высота вашего каблука?

А) 2-4 см

Б) 5-7 см

В) 7-9 см

Г) 10 см и больше

6. С какого возраста вы начали носить каблуки?

7. Сколько по времени вы ходите на каблуках?

А) только по праздникам

Б) постоянно

В) рабочие дни

8. Как вы чувствуете себя в обуви на высоком каблуке?

А) легко, комфортно

Б) терпимо

В) невыносимо

9. Заметили ли ухудшение здоровья?

А) мозоли

Б) боль

В) дефекты стопы

Г) нет

10. Почему женщины носят каблуки?