Fizikai Szemle MAGYAR FIZIKAI FOLYÓIRAT

Átírás

1 Fiziki Szemle MAGYAR FIZIKAI FOYÓIRA A Mthemtiki és ermészettudományi Értesítõt z Akdémi 1882-ben indított A Mthemtiki és Physiki pokt Eötvös oránd 1891-ben lpított XIII évfolym 5 szám 2013 május OGYAN FOGAÓ NAPEEMME BÖGÖY? I RÉSZ Fénypolrizációr és fotoelektromosságr épülô új rovrcspd, vgy lpkuttásból gykorlti hszon Blhó Miklós, Egri Ádám, orváth Gábor Környezetoptik bortórium, EE Biológii Fizik nszék, Budpest Brt András Estrto Kuttó és Fejlesztő Kft, Budpest Antoni Györgyi EE Pályázti és Információs Központ, Budpest Krisk György EE Biológii Intézet, Biológii Módszertni Csoport, Budpest és Dunkuttó Intézet, MA Ökológii Kuttóközpont, Vácrátót A bögölyök (Dipter: bnide) számos problémát okoznk z embereknek és z álltállománynk egyránt, mivel vérszívó nôstényeik betegségek kórokozóit terjesztik [1] A vérszívó bögölyök folymtosn zkltják z álltokt, különösen lovkt és szrvsmrhákt, minek következtében zok nem tudnk eleget legelni, s így hús- és tejtermelésük jelentôsen csökken, mi komoly gzdsági károkkl jár [2] ovábbá, bögölyök csípései mrdndó hegeket okoznk gzdálltok bôrén Minél ngyobb heges terület mrhbôrön, nnál inkább csökken bôrükért trtott mrhák értéke Ezért bögölycspdák iránt különösen hszonálltok trtóink körében ngy kereslet gyományosn fekete cslitárgykkl ellátott sátrs cspdákt hsználnk rutinszerûen bögölyök elfogásár [3, 4] Szintén gykori kék-fekete vászonból készült sátorcspdák lklmzás, milyen például z úgynevezett Nzi cspd is [5] E bögölycspdákbn z közös, hogy egy sátorból és sátor lá fölfüggesztett cslitárgyból állnk A csli feldt, hogy optiki tuljdonságivl ( visszvert fény intenzitásávl és színével, tárgy mozgásávl) ngy távolságból odvonzz bögölyöket Mikor nôstény bögölyök rászállnk cslitárgyr s érzékelik, hogy z nem vérszívásr lklms gzdállt, fölfelé kezdenek repülni, és fölfelé szûkülô sátor tölcsérszerûen bevezeti ôket egy üveg vgy mûnyg tárolób, hol cspdáb esnek E sátorcspdák szinte kizárólg olyn nôstény bögölyöket fognk, melyek gzdálltot keresnek vérszívás céljából [1] Korábbn megmutttuk [6, 7], hogy hím és nôstény bögölyök egyránt vonzódnk vízszintesen poláros fényhez, számos más vízirovrhoz hsonlón [8 13] Ennek ok, hogy bögölyöknek vizet kell tlálniuk, mivel petéiket vízközeli növények leveleire rkják Vízre pedig vízfelszínrôl visszvert vízszintesen poláros fény segítségével bukknnk E pozitív polrotktikus viselkedés hsználhtó föl új bögölycspdák kifejlesztésére Cikkünkben egy ilyen merôben új típusú bögölycspdát ismertetünk [14] E cspdábn vizuális cslitárgy egy vízszintes npelemtábl, mi felületérôl visszvert erôsen és vízszintesen poláros fénnyel vonzz mgához polrotktikus bögölyöket A npelemtáblár rászállni próbáló bögölyöket egy gyorsn kszálj el, mit npelemtábl áltl termelt villmos energiávl forgtott elektromotor hjt Részletesen bemuttjuk ezen új bögölycspdát, melynek htékonyságát terepkísérletekkel bizonyítottuk, mjd megvittjuk e cspd elônyeit és hátrányit Képlkotó polrimetriávl mértük cspd BAÓ M, EGRI Á, ORVÁ G, BARA A, ANONI GY, KRISKA GY: OGYAN FOGAÓ NAPEEMME BÖGÖY? I RÉSZ 145

2 fénypolrizáló sjátságit, melyek mgyráztot szolgálttnk rr, hogy e cspd miért oly vonzó bögölyök számár Kuttásunk jó példáj nnk, hogy egy tisztán tudományos eredmény bögölyök pozitív polrotxisánk fölfedezése hogyn hsznosulht gykorltbn egy új rovrcspd kifejlesztésénél [14] Npelemes bögölycspd és terepkísérletek forgástengely sim fekete mûnyg korong elektromotor Az 1 bögölycspd cslifelülete egy vízszintes, kör lkú, sim, fekete mûnyg lp (sugár = 30 cm, vstgság = 5 mm) volt, mit egy 15 cm mgs és 25 cm sugrú lumínium keretre erôsítettünk (1 ábr) A fekete körlp ltt egy elektromotort helyeztünk el úgy, hogy nnk függôleges forgó tengelye vízszintes körlp közepét szúrt át A motortengelyhez vízszintesen egy vékony (0,5 mm vstg), 60 cm hosszú fém drótot erôsítettünk közepénél fogv Így drót fekete körlp fölött (3 cm) foroghtott, nnk közepe körül, felülettel párhuzmosn Az elektromotort egy 12 V egyenfeszültségû utókkumulátor táplált úgy, hogy z egyenármot potenciométerrel lehetett változttni, mivel egyúttl drót forgásánk szögsebességét is be lehetett állítni A 2 bögölycspd két tégllp lkú (30 60 cm) vízszintes npelemtáblából (Omnitron F 10/12) állt, melyeket egy lumínium vázr ( cm) erôsítettünk A vízszintes, négyzet lkú (60 60 cm) felületet egy lumínium sáv ( cm) osztott ketté E sávot metszette át egy elektromotor függôleges forgástengelye E tengely hengeres (átmérô = 2 cm, mgsság = 1 cm) fejrészébe egy 60 cm hosszú (0,5 mm vstg) drótot erôsítettünk úgy, hogy z npelem felületével párhuzmosn, fölött 3 cm mgsn foroghtott A két npelemtábl közti lumínium sávot és npelemtáblák kereteit feketére festettük Így cspd teljes vízszintes felülete fényes fekete lett (2 ábr), miáltl erôsen (ngy polrizációfokú) és vízszintesen poláros fényt vert vissz, ezzel vonzv mgához polrotktikus bögölyöket Az elektromotort egy szbályzó elektronikán keresztül npelemtáblák termelte egyenárm hjtott Az elektronik biztosított például, hogy bekpcsolás után z elektromotor tengelyforgás csk fokoztosn érte el mximális szögsebességet Enélkül felpörgô drót föltekeredett voln z elektromotor forgástengelyére Kikpcsolásnál e föltekeredés nem jelentkezett, így ilyenkor z elektronik nem vtkozott be forgás tengelysúrlódás mitti lssulásáb Npos idôben és Np kellôen ngy θ elevációszögénél (> 29 ) két npelemtábl áltl termelt villmos energi elegendô volt z elektromotor tengelyének kkor szögsebességgel történô forgtásához, hogy minden odvonzott bögölyt elkszáljon Mikor Np elevációj lcsonybb volt, mint 29, két további, kiegészítô npelemtábl (Omnitron F 10/12, 2 ábr) szükségeltetett, hogy drót kellôen gyorsn pöröghessen A két kiegészítô npelemtábl lumínium kereteit nem festettük feketére, mert zok szerepe b c forgás szögsebességét szbályzó potenciométer fekete, mûnyg korong forgástengely elektromotor kkumulátor 1 ábr () Az 1 kísérletben lklmzott 1 bögölycspd vázltos rjz (b) A cspd keresztmetszeti képe (c) A cspd terepen készült fényképe csk z elektromotor forgtásához szükséges villmos energi elôállítás volt, nem pedig bögölyök vonzás Korábbn megmutttuk [15], hogy z erôsen fénypolrizáló, fényes, fekete felületek megfelelôen sûrû, fehér vonlkkl történô rácsozássl elvesztik polrotktikus rovrokr kifejtett vonzó képességüket A bögölycspd drótszálánk forgtásához szükséges teljesítmény számítás Vegyünk egy 2R hosszúságú és vstgságú drótot, mit közepén rögzítünk! Forgssuk meg drótot középpontj körül ω szögsebességgel vízszintes síkbn! Szemeljünk ki drót közepétôl r távolságr egy + _ 146 FIZIKAI SZEME 2013 / 5

3 elemi dr hosszúságú drbkát (3 ábr)! Ezen elemi drbk kerületi sebessége r ω, rá htó elemi közegellenállási erô pedig df = 1 2 k ρ ( dr)(r ω)2 = 1 2 k ρ ω 2 r 2 dr, (1) erô forgtónyomték ellensúlyozásához szükséges teljes P teljesítmény meghtározásához drót elemi dr drbkáihoz trtozó elemi dp teljesítményeket össze kell dnunk, vgyis integrálnunk drót teljes hosszár: hol ρ levegô sûrûsége, k pedig drót lktényezôje (mi hengeres drótnál megegyezik egy kör keresztmetszetû henger lktényezôjével) A dr elemi drótdrbkár htó elemi df közegellenállási erô elemi forgtónyomték: Az elemi ds = r dϕ ívdrbkán df közegellenállási erô áltl végzett elemi munk: 2 ábr () A 2 4 terepkísérletekben hsznált 2 bögölycspd Jobbr: két vízszintes npelemtáblából és e npelemek felszíne fölött forgó vékony drótból álló cspd Blr: ferde síkú két kiegészítô npelemtábl (b e) A cspd vízszintes npelemfelszínére leszálló bögölyök dm = r df = 1 2 k ρ ω 2 r 3 dw =df ds =df r dϕ = b c d e dr =(df r) ω dt =dm ω dt (2) (3) Azon elemi teljesítmény, mi drót dr drbkájánk ω szögsebességgel történô forgtásához szükséges: dp = dw dt = ω dm = 1 2 k ρ ω 3 r 3 dr (4) Ekkor elemi teljesítmény szükséges hhoz, hogy z ω szögsebességgel elemi dr drbkájár htó elemi df közegellenállási erô elemi dm forgtónyomtékát ellensúlyozzuk Az ω szögsebességgel forgó, 2R hosszúságú drótr htó közegellenállási r = R P =2 r =0 dp =2 1 2 k ρ ω 3 = k ρ ω 3 r 4 R 4 0 r = R r =0 = k ρ ω 3 R 4 4 r 3 dr = (5) Az 1 kísérletet 2009 július 12 és 30 között 5 npon át Szokolyán (47 52 N, E), egy lovstnyán végeztük E kísérlet célj nnk vizsgált volt, hogy (i) z 1 bögölycspd drótjánk forgás, (ii) szál zúgás és/vgy z áltl keltett légmozgás (szellô) lerontj-e cspd vízszintesen polrizáló felszínének bögölyvonzó htását A kísérlet során npos és meleg idô volt, ezért füves tljr helyezett 1 bögölycspd környezetében ngyszámú bögöly röpködött Az 1 kísérlet minden np 10:00-tól 15:30- ig trtott (helyi nyári idô = UC + 2 ór) Az 1 bögölycspd drótj 30 percig mozdultlnul állt, mjd 30 percig forgott, s ez ismétlôdött npont négyszer A félórás forgás után cspd felszínét 70%-os etnolll megtisztítottuk z elkszált bögölyök testfolydékitól és petéitôl Mikor drótszál mozdultln volt, bögölyöknek cspd fényes, fekete körlpjánál muttott két tipikus rekcióját figyeltük meg és számoltuk: (i) felületérintést, mi természetben elôforduló jellegzetes viselkedés, mikor bögölyök vizet isznk, vgy fürdôznek, hogy testüket lehûtsék, és (ii) cspdfelszínre vló leszállást (néh járkálást) A bögölyök nem szállnk le vízre és nem is járkálnk nnk felszínén bögölyök tipikus viselkedése z erôsen és vízszintesen poláros mesterséges felületeken [6, 7, 11, 13, 15] Annk ellenére, hogy drótszál gyorsn forgott, néhány bögölynek sikerült forgás közben rászállni cspdfelszínre Drótforgás közben következô bögölyrekciókt számoltuk: és (mint korábbn), vlmint, mi egy bögöly áltli elkszálás, mikor próbálj megérinteni cspdfelületet, vgy rászállni rr Egy bögöly elkszálásánál fémszál jól hllhtó, pengô hngot dott, így bögölykszálásokt könnyen lehetett szá- BAÓ M, EGRI Á, ORVÁ G, BARA A, ANONI GY, KRISKA GY: OGYAN FOGAÓ NAPEEMME BÖGÖY? I RÉSZ 147

4 R { 3 ábr Egy vstgságú és 2R hosszúságú drót levegôbeli ω szögsebességgel vló forgtásához szükséges P teljesítmény számításához A drót középpontjábn vn rögzítve forgástengelyhez molni A kísérlet során számos elkszált bögölyt begyûjtöttünk cspd környékérôl A mozdultln drótnál bögölyök rekciói tehát és voltk egyen és cspdfelületet megérintô () és rr rászálló () bögölyök szám, mikor drót mozdultln drót forgott, és forgás nem risztott el vízszintesen poláros fény áltl odvonzott bögölyöket, cspd + bögölyt pusztíthtott el egyen, és szál áltl elkszált (), cspdfelületet megérintô () és rr rászálló () bögölyök szám, mikor drót forgott (minek idôtrtm megegyezett zzl, mikor drót nem forgott) drót mozgás és/vgy nnk zúgás és/vgy forgás keltette légármltok megzvrták vizuálisn odvonzott bögölyöket, kkor várhtón A áltli zvrás mértékére következô mennyiséget definiáljuk: Q zvrás =1 r df { < dr w (6) drót forgás z összes polrotktikusn odvonzott bögölyt elrisztj (ekkor + + = 0), kkor Q zvrás = 1 (100%), míg h drót forgás egyáltlán nem risztj bögölyöket (tehát + + = +, kkor Q zvrás =0 (0%) Mivel z 1 bögölycspdából csupán egyetlen példányunk volt, z és, vlmint z, és mennyiségeket csk egymás után, nem pedig egyidejûleg tudtuk mérni ogy z 1 bögölycspd környezetében lévô bögölyök számánk idôbeli változásából eredô elkerülhetetlen htást minél kisebbre csökkentsük, drót forgását, illetve mozdultlnságát vlmennyi kísérleti npon 30 percenként váltogttuk A 2 kísérletet z 1 kísérlet helyszínén végeztük 2010 július 11-én és 12-én A 2 kísérlet célj nnk megvizsgálás volt, hogy 2 bögölycspd drótját képes-e cm méretû npelemtábl termelte villmos energi kkor szögsebességgel forgtni, hogy z npelemet megérinteni próbáló minden bögölyt elkszáljon A kísérlet során npos és meleg idô volt, ezért füves tljr helyezett 2 bögölycspd környezetében ngyszámú bögöly röpködött Az 1 kísérlethez hsonlón jártunk el, csk most 2 bögölycspdávl A bögölyzvrásánk (6) szerinti mértékét itt is számoltuk A 3 kísérletet z 1 kísérlet helyszínén végeztük 2010 július 13 és 20 között E kísérlet célj 2 bögölycspd tesztelése és Q fogás bögölyfogó htékonyságánk mérése volt, kiegészítô npelemtáblák nélkül A kísérletet minden np 10:00-tól 17:30-ig végeztük A kísérlet során 2 bögölycspd drótj folymtosn, 7,5 órán át forgott A drótforgás ellenére néhány bögölynek sikerült cspd npelemfelszínét megérintenie, vgy rr rászállni A npelemek felszínét minden np végén megtisztítottuk z elkszált bögölyök ottmrdt testfolydékitól és petéitôl A 2 cspd bögölyfogó htékonyság: Q fogás = (7) hol, és, és rekciók szám, miközben drót forgott A 4 kísérletet z 1 kísérlet helyszínén végeztük 2010 ugusztus 2 és 6 között E kísérlet célj nnk tesztelése volt, hogy kiegészítô npelemtáblák mennyivel tudják megnövelni zon idôtrtmot, mikor 2 bögölycspd htékonyn képes mûködni A kísérlet npont 9:00-tól 19:00-ig trtott A kísérlet során 2 bögölycspd drótj 10 órán át folymtosn forgott A 2 bögölycspd vízszintes npelemtábláin kívül egy további, 2 npelembôl (Omnitron F 10/12) álló tábl (60 60 cm) termelte drót forgtásához szükséges villmos energiát A kiegészítô npelemtáblát vízszinteshez képest 45 bn megdöntöttük, hogy fénygyûjtését minél htékonybbá tegyük, kiegészítô npelemtáblát óránként forgttuk Np ktuális zimutirányáb Az elôzô kísérletekhez hsonlón, és bögölyrekciókt számoltuk A bögölyök egyszer sem érintették, vgy szálltk rá kiegészítô npelemtáblár Megint meghtároztuk 2 cspd (7) szerinti bögölyfogó htékonyságát A fénypolrizációs mintáztokt képlkotó polrimetriávl [9] mértük spektrum vörös (650±40 nm = polriméter CCD detektor mximális érzékenységének hullámhossz ± nnk félértékszélessége), zöld (550±40 nm) és kék (450±40 nm) trtományábn A polrimetrii méréseket tiszt, npsütéses idôben végeztük, 148 FIZIKAI SZEME 2013 / 5

5 Cikkünk II részében npelemes bögölycspdánk terepen igzolt htékonyságát muttjuk meg, vlmint tárgyljuk e cspd elônyeit és hátrányit Irodlom 1 ehne, M J: he Biology of Blood-Sucking in Insects 2nd edition, Cmbridge University Press, Cmbridge, UK, rris, J A; illerton, J E; Mornt, S V: Effect on milk production of controlling muscoid flies, nd reducing fly-voidnce behviour by the use of Fenvlerte er tgs during the dry period Journl of Diry Reserch 54 (1987) Mlise, R: A new insect-trp Entomologisk idskrift Stockholm 58 (1937) ribr, J; eprince, D J; Foil, D: Ammoni s n ttrctnt for dult ybomitr lsiophthlm (Dipter: bnide) Journl of Medicl Entomology 29 (1992) Mihok, S; nge, K: Synergism between mmoni nd phenols for ybomitr tbnids in northern nd temperte Cnd Medicl nd Veterinry Entomology 26 (2012) orváth, G; Mjer, J; orváth, ; Szivák, I; Krisk, G: Ventrl polriztion vision in tbnids: horseflies nd deerflies (Dipter: bnide) re ttrcted to horizontlly polrized light Nturwissenschften 95 (2008) orváth, G; Blhó, M; Krisk, G; egedüs, R; Gerics, B; Frks, R; Åkesson, S: An unexpected dvntge of whiteness in horses: the most horsefly-proof horse hs depolrizing white cot Proceedings of the Royl Society of ondon B 277 (2010) Schwind, R: Polriztion vision in wter insects nd insects living on moist substrte Journl of Comprtive Physiology A 169 (1991) orváth, G; Vrjú, D: Polrized ight in Animl Vision Polriztion Ptterns in Nture Springer-Verlg, eidelberg Berlin New York (2004) p Krisk, G; Bernáth, B; Frks, R; orváth, G: Degrees of polriztion of reflected light eliciting polrotxis in drgonflies (Odont), myflies (Ephemeropter) nd tbnid flies (bnide) Journl of Insect Physiology 55 (2009) orváth, G; Krisk, G: Polriztion vision in qutic insects nd ecologicl trps for polrotctic insects In: Aqutic Insects: Chllenges to Popultions (ncster, J nd Briers, R A, eds) CAB Interntionl Publishing, Wllingford, Oxon, UK (2008) Chpter 11, erner, A; Meltser, N; Spir, N; Erlick, C; Shshr, N; Broz, M: Reflected polriztion guides chironomid femles to oviposition sites Journl of Experimentl Biology 211 (2008) orváth, G; Krisk, G; Mlik, P; Robertson, B: Polrized light pollution: new kind of ecologicl photopollution Frontiers in Ecology nd the Environment 7 (2009) Blhó, M; Egri, Á; Brt, A; Antoni, G; Krisk, G; orváth, G: ow cn horseflies be cptured by solr pnels? A new concept of tbnid trps using light polriztion nd electricity produced by photovoltics Veterinry Prsitology 189 (2012) orváth, G; Blhó, M; Egri, Á; Krisk, G; Seres, I; Robertson, B: Reducing the mldptive ttrctiveness of solr pnels to polrotctic insects Conservtion Biology 24 (2010) electronic supplement ESSZÉ A MÉRÉSEKRÔ, AMEYEK A PANCK-ÖRVÉNY FEFEDEZÉSÉEZ VEZEEK 5 RÉSZ Vrg Péter KFKI Elvrrtln szálk Az optikábn Elsô kérdés: Miért feleltek meg izotermák (7, 8, 10 és 12 ábr) Wien törvényének, h zt mérések, kpott c 2 mennyiség változási és 12 ábr izokromátái cáfolták? Idézzük sorozt 2, februári részébôl (15) formulát: u(λ, ) = c 1 1 λ 5 exp c 2 λ c 1 λ 5 c 2 1 exp λ 1 exp c 2 λ átszik, hogy z intenzitás Plnck-törvény szerint felülmúlj zt, mennyit Wien törvénye lpján várnánk A reltív többlet nnál ngyobb, minél hoszszbb hullám, vgy minél mgsbb hômérséklet 1646 K hômérsékletnél és 1 μm hullámhossznál számított eltérés mindössze 0,02%, míg 5 μm hullámhossznál már +22% Miért mértek mégis kevesebbet? ehetséges oknk zt trtom, hogy Δλ hullámhosszintervllum, mely mérhetô intenzitást meghtározó (7) formulábn I (λ,) =i(λ,) ΔF ΔΩ Δλ szerepel, nem volt állndó ummerék sehol sem fogllkoznk belépô rés szerepével, feltehetôen állndónk trtották Pschen is csk z izokromátméréseknél [7] közli ezt z dtot, hol éppen ez állndó lévén, nem játszott szerepet A 2 részben láttuk, hogy kilépô difrgm kivág egy trtományt spektrumból Minél ngyobb diszperzió (dn/d λ) nnál kisebb fix szélességû rés áltl befogdott hullámhossz-intervllum, zz Δλ A diszperzió (dn/d λ) mérésekben hsznált klcium-fluorid prizm esetében 1 μm hullámhossznál μm, míg 5 μm-nél μm, tehát Δλ sávszélesség hosszbbik hullámhossznál közel fele A (7) összefüggés lpján ennek mért teljesítményben is ugynilyen ránybn meg kellett jelennie ehet, hogy ezért mértek ummerék kevesebbet? ehet, hogy Pschen erre gynkodott? Ô intenzíven fogllkozott klcium-fluorid törésmuttójánk meghtározásávl z infrvörösben Már 1894-ben [28] közli z dtokt, mjd 1901-ben megismétli mérést VARGA PÉER: ESSZÉ A MÉRÉSEKRÔ, AMEYEK A PANCK-ÖRVÉNY FEFEDEZÉSÉEZ VEZEEK 5 RÉSZ 149