сили и. и. теоретический анализ процесса
взаимодействия радиоимпульсов с колорадскими жуками в растительной среде картофеля
Решена задача по распределению радиоимпульсного излучения в растительной среде картофеля с колорадскими жуками, модель которой может быть представлена в форме параллелепипеда, заполненного изотропной диэлектрической средой с диэлектрической проницаемостью и проводимостью. Изучение распределения радиоимпульсного электромагнитного излучения в растительной среде с колорадскими жуками и их личинками позволит определить необходимые биотропные параметры энергоинформационного радиоимпульсного электромагнитного излучения для угнетения репродуктивной способности жуков и уничтожения их личинок.
ключевые слова: радиоимпульсное излучение, колорадский жук, энергоинформационное излучение, биотропные параметры электромагнитного поля.
ИНФОРМАЦИОННО-УПРАВЛЯЮЩИЕ СИСТЕМЫ
УДК 621.374
Б01: 10.15587/2312-8372.2015.47944
1. введение
В сельскохозяйственном производстве Украины важное место занимает выращивание картофеля, который используется как для питания человека, так и для нужд промышленности [1]. Поэтому с повсеместным выращиванием картофеля возрастают и требования по защите его от насекомых-вредителей, которые влияют на качество и количество урожая. Самым опасным вредителем картофеля является колорадский жук. При средней численности от 20 до 40 личинок жуков на куст картофеля листья уничтожаются полностью, урожай снижается в 15-20 раз, либо совсем отсутствует [2]. Следовательно, для сохранения и повышения урожайности картофеля нужны не только химические средства уничтожения колорадских жуков, но и современные электрофизические методы [3].
2. Анализ литературных данных и постановка проблемы
В настоящее время в Украине для уничтожения колорадского жука применяют только химические препараты: хлорофос, полихлорпинен, полихлоркамфен, гамма-изомер, дилор, фталофос и другие [4]. Применение химических препаратов вызывает обеднение биоценоза, загрязнение биосферы, появление устойчивых к пестицидам вредителей, повышение плодовитости отдельных насекомых, хрущей и др. Химические препараты, попадая в организм человека через клубни картофеля, снижают иммунитет, поражают печенку и другие органы, что приводит к разным заболеваниям, раннему старению [5].
Производство чистых продуктов питания, в том числе и картофеля, возможно только при полном отказе от применения ядохимикатов для уничтожения колорадского жука. Следовательно, для сохранения и повышения урожайности картофеля нужны другие подходы, основанные на применении информационно-энергетической электромагнитной технологии для уничтожения колорадского жука [6].
Установление биологической значимости информационных электрических и магнитных полей невозможно без разработки моделей и их математического описания [7].
Информационные электромагнитные поля характеризуются не только количественными параметрами, но и модуляционными. Должные подходы к таким сложным процессам могут быть достигнуты в результате теоретических работ [8]. Проследить за результатом действия информационных электромагнитных полей на биологические объекты на уровне биохимических реакций или биофизических структур невозможно без теоретических исследований их моделей [9]. Следует отметить, что действие сверхслабых (информационных) полей — это фундаментальная научная проблема, разрешаемая теоретическим и экспериментальным путем [10].
В то же время, проведенный анализ литературных источников показывает, что в них недостаточно изучен вопрос создания моделей и проведения теоретических исследований процессов, происходящих в среде с биологическими объектами [11-13].
3. объект, цель и задачи исследования
Объектом исследования является процесс распределения напряженности электрического поля в растительной среде картофеля с колорадскими жуками.
Целью работы является получить выражения для расчета электрической напряженности радиоимпульсного излучения внутри растительного слоя картофеля с колорадскими жуками.
Для достижения поставленной цели были поставлены следующие задачи:
1. Разработать модель взаимодействия радиоимпульсного электромагнитного излучения с растительной средой картофеля.
2. Нестационарные уравнения Максвелла свести к нестационарным волновым уравнениям.
3. С помощью преобразований Лапласа нестационарные волновые уравнения свести к уравнениям Гемгольца.
ТЕСНЫОЮСУ дипгг АЫП РИОПиСТШМ RESERVES — № 4/2(24], 2015, © Сили И. И.
ИНФОРМАЦИОННО-УПРАВЛЯЮЩИЕ СИСТЕМЫ ISSN 2226-3780
4. Общее решение уравнений Гемгольца получить методом разделения переменных.
4. Распределение напряженности радиоимпульсного излучения в растительной среде с колорадскими жуками
Будем предполагать, что слой растительной среды находится на поверхности земли. Обозначим через h — среднюю толщину слоя. С электродинамической точки зрения слой растительной среды будем считать изотропной диэлектрической средой с относительной диэлектрической проницаемостью 2 и удельной проводимостью о. Введем декартовую систему координат xyz с осью z перпендикулярной поверхности земли (рис. 1). Плоскость z = 0 совпадает с поверхностью земли. В плоскости у = 0 находится источник радиоимпульсов, а в плоскости у = L — металлический отражатель радиоимпульсов.
удовлетворяющие начальным условиям:
Е\ = 0, H = 0,
Ii <0 lt<0
dE ~dt
dH
= HF
= 0,
(6) (7)
и краевым условиям:
4=0 = U() 4-=L = 0
(8)
На границах раздела сред (z = 0 и z = h) должны выполняться условия непрерывности тангенциальных компонент электрического и магнитного полей. Здесь £0 и т0 — диэлектрическая и магнитная проницаемости вакуума:
1, z > h, £, 0 < 2 < h, ö = £1, 2 < 0,
0, 2 > h, ö, 0 < 2 < h, ö1, 2 < 0,
где £1 и о1 — относительная диэлектрическая проницаемость и удельная проводимость почвы, на которой находится слой растительной среды. Функция и О имеет вид:
U (t ) = Eq
sin rat, 0 < t < t,
0,
t < t < T,
(9)
Рис. 1. Электродинамическая модель растительной среды картофеля
с колорадскими жуками: 1 — излучающая апертура источника радиоимпульсов; 2 — отражатель радиоимпульсов; 3 — облучаемый участок
Предположим, что источник радиоимпульсов создает нестационарное электромагнитное поле с векторами напряженности электрического и магнитного полей, имеющих следующие компоненты относительно декартовой системы координат xyz:
где Е0 — максимальная амплитуда радиоимпульса, т и Г — длительность и период повторяемости радиоимпульса (и( + Т) = и()), ю = 2л/, / — частота заполнения радиоимпульса.
Далее будем предполагать, что электромагнитное поле, возбуждаемое последовательностью радиоимпульсов (9) практически не зависит от координаты х (рис. 1). Такое предположение согласуется с распределением поля на излучающей апертуре источника радиоимпульсов.
Учитывая (1), представим уравнения (2)-(5) в скалярной форме:
дНг
ЭЕ„
Е — Eyey + Е2е2 , H — Hxex ,
(1)
_=ее°_+öEy,
(10)
где ех, еу и ег — единичные вектора.
Задача состоит в нахождении решения нестационарной системы уравнений Максвелла:
- ЭЕ rotH = ££0 — + öE,
dt
- dH
rotE = mo -df, divH = 0, divE = 0,
(2)
(3)
(4)
(5)
dHx _ dE2 _ .__ = ££q_ + öE2,
dE2
dy dEy
dy
dEy
d2
dE2 ~~d2
=-mo-
= 0.
dt
(11) (12) (13)
Из уравнений (10)-(13) можно исключить компоненту Нх и получить уравнения только для компонент напряженности электрического поля Еу и Ez. Действительно, продифференцируем уравнения (10) и (11) по временной переменной t:
ISSN 222Б-3780
ИНФОРМАЦИОННО-УПРАВЛЯЮЩИЕ СИСТЕМЫ
J
э
dz
dHx > dt
/
ЭН
d2Ey
dt
= ££q-
a2Ez W
-ЭЕу
_ЭEz dt
Применим преобразование Лапласа к уравнениям (14) (18) и (19), используя известные формулы [2]:
(15)
Подставим в (14) и (15) выражение для из (12) получим:
J
дЕу ш —
dt = РЕу -Еу
"Э2Е
-ptdt = P2Еу - PEy
ЭЕу dt
d dt
э д
ЭЕу dEz
dz Эу
dEz ЭЕу
Эу dz
Э2Еу
= ££оЦо■
ЭЕу
Э2Е7
= ££оЦо■
dEz
(16) из (18) и (19) получаем:
Му - д 2Ёу = 0,
аё2 - д 2Ег = 0,
(17)
(22) (23)
Теперь достаточно воспользоваться уравнением (13). где Тогда окончательно получаем:
££оЦо
ЭЕ
dt2
Э 2Е,
££оЦо
ЭЕу
-om^-gt—АЕу = о,
dEz
dt 2 '-0то1Г-AEz = ^
(18) (19)
q 2 =
£оЦоФ2, z > h, /
o
££оЦоР £1£оЦоР
££о
o1 +-
£1£о
, о < z < h, , z < о.
(24)
Э2 Э2
где А = ——2 + — оператор Лапласа.
Эу2 Эz2
Таким образом, исходная задача (2)-(8) сведена к интегрированию уравнений (18), (19) с начальными условиями (6), (7) и краевыми условиями (8). Суть предлагаемого алгоритма решения состоит в следующем. Прежде всего, с помощью преобразования Лапласа по временной переменной t исходные нестационарные волновые уравнения (18) и (19) сводятся к уравнению Гельмгольца. Общее решение уравнения Гельмгольца строится методом разделения переменных [1]. После удовлетворения краевым условиям получаем преобразование Лапласа искомого решения. Следующий шаг состоит в применении преобразования обратного к преобразованию Лапласа и использовании метода вычетов [2]. В результате имеем формулу для расчета напряженности электрического поля внутри растительного слоя, которая позволяет определить оптимальные параметры радиоимпульсов для эффективного воздействия электромагнитного излучения на личинки колорадского жука, находящиеся в растительном слое картофеля.
Введем преобразование Лапласа для компонент Еу и Ez вектора напряженности электрического поля согласно [2]:
Еу (Р ) = J Еу (t )e-Ptdt,
о
Ег (Р ) = j Ег (t )e-ptdt,
При вводе (22), (23) учтено, что Еу и Ez удовлетворяют начальным условиям (6) и (7).
Рассмотрим теперь краевые условия (8) и применим к ним преобразование Лапласа. В результате преобразований получим:
,=U(p), EzL=г=о
(25)
где через и (Р) обозначено преобразование Лапласа функции и () из (9). Эта функция является периодической с периодом Т . Поэтому ее преобразование Лапласа можно представить в следующем виде:
j nT+z
U (P) = Ео £ J sin rate-ptdt.
п=о nT
(26)
Далее, не ограничивая общности, будем предполагать,
что выполняется соотношение:
rat = N 2n,
(27)
(20)
(21)
где N — целое число.
Кроме того, в (26) ограничимся конечным числом N членов ряда. Это соответствует случаю излучения в растительную среду конечного числа радиоимпульсов в течение заданного промежутка времени.
Учитывая сделанные предположения, из (26) получаем формулу для преобразования Лапласа функции и ():
где Р — параметр преобразования Лапласа, комплексное число.
U (Р ) =
Еога(1 - e-л)(1-е-РТ N+1)) (р 2 + ra2 )(1 - е-РТ) .
(28)
д
t=о
t=о
TECHNOLOGY AUDiT AND PRODUCTiON RESERVES — № 4/2(24], 2015
ИНФОРМАЦИОННО-УПРАВЛЯЮЩИЕ СИСТЕМЫ
ISSN 222Б-37В0
Таким образом, в терминах изображений Еу, Ег преобразования Лапласа искомых функций Еу, Ег исходная нестационарная задача сведена к следующей задаче. Требуется найти решение уравнений Гельмгольца (22) и (23) в трех областях: при г >h (воздушная среда):
где
ß2 = p4omo
£■ p + 0 / £о (£ +1> p + 0/ £о
а2 = q2-ß2
ß2
D - —. а
DEyo -qlEyo = 0, AEzo -q%Ez0 = 0, (29)
при 0 < z < h (слой растительной среды):
AEy -q2Ey = 0, AEz - q2Ez = 0, (30)
при z < 0 (почва):
AEyi - q2Ey1 = 0, AEzi -q^ = 0, (31)
удовлетворяющих условиям сопряжения на границах раздела сред:
Ey\z - h = Ey
E = E
Ey\z=0~ Ey1 \z=0'
'dEy dEz 4 /
h' dz \ dy / z-h V
9E,„ dE„
/9Ey dE^ dz dy
dz dy
/9Ey1 dEz^
=0 V
dz dy
' (32)
' (33)
краевым условиям при y = 0, y = L:
Ez| 0 = U(P), Ez| L = 0, (34)
ly=0 4 ' ly=L
и условию излучения в полупространствах z > h и z < 0:
limEz0 - limEy0 - 0, lim Ez1 - lim Ey1 - 0. Здесь введены обозначения:
(35)
qo - £0^0^2' q2 - ££0^0^ qf - £t£0^0P
о
££0
о
£1£0
(36)
Для решения уравнений Гельмгольца в каждой из областей применим метод разделения переменных [1].
После ряда преобразований были получены уравнения составляющих напряженности электрического поля для растительного слоя картофеля с колорадскими жуками:
E-
y
U (P )a2h (ea z + e2a he-а ■ zD) ■ (2ß- Leß ■ у + e~ß ■ 5 ß(1 -e-2ß ■ L)■(■h -1+D(eah -e2a■h))
-' (37)
_ U(P)a■ h(eaz -e2ahDe-а■ z) ■(eу -e~2ß ■ Leß ■ у)
Ez - (T^ '(38)
5. Выводы
1. Для анализа распределения электрической напряженности радиоимпульсов в растительном слое картофеля следует использовать модель в виде параллелепипеда, заполненного изотропной диэлектрической средой.
2. Для последующих исследований вместо нестационарных уравнений Максвелла необходимо использовать нестационарные дифференциальные уравнения (18), (19).
3. Для преобразования нестационарных дифференциальных уравнений к уравнениям Гельмгольца следует использовать преобразования Лапласа.
4. Выражения (37) и (38), полученные на основании решения уравнений Гельмгольца методом разделения переменных, являются основными для анализа распределения электрической напряженности радиоимпульсов в растительном слое картофеля.
Литература
1. Hare, J. Ecology And Management Of The Colorado Potato Beetle [Text] /J. Hare // Annual Review of Entomology. — 1990. — Vol. 35, № 1. — P. 81-100. doi:10.1146/annurev.ento.35.1.81
2. Танский, В. И. Вредность насекомых и методы ее изучения. Обзорная информация [Текст] / В. И. Танский. — Москва: ВНИИТЭСХ МСХ, 1975. — 70 с.
3. Козак, А. В. Применение ЭМП для уничтожения в почве биологических вредителей корневой системы растений [Текст] / А. В. Козак // Вестник НТУ «ХПИ». — 2012. — № 14. — С. 13-15.
4. Григорьев, И. В. Опыт борьбы с особо опасными вредителями [Текст] / И. В. Григорьев // Защита и карантин растений. — 2004. — № 1. — С. 12-14.
5. Адамова, С. В. Анализ взаимодействия импульсных электромагнитных полей с вредителями плодовых культур [Текст] / С. В. Адамова // Вестник НТУ «ХПИ». — 2009. — № 44. — С. 3-8.
6. Дубик, В. Н. Защита плодовых культур от насекомых-вредителей [Текст] / В. Н. Дубик // Вестник НТУ «ХПИ». — 2011. — № 12. — С. 121-129.
7. Козак, О. В. Аналiз методiв знищення бюлопчних шкщни-гав коренево! системи саджанщв плодових дерев [Текст] / О. В. Козак, Н. Г. Косулша, О. М. Мороз // Энергосбережение, энергетика, энергоаудит. — 2010. — № 10(92). — С. 68-72.
8. Carpenter, D. O. Bioloqical Effects of Electric and Maqnetic Fields [Text] / D. O. Carpenter, S. Ayraetyan // Sources and Mechanisms. — New York: Academic Press, 2006. — Vol. 1. — 372.
9. Berg, H. Electrostimulation in cell biology by low-frequency electromagnetic fields [Text] / H. Berg, L. Zhang. — Bioelec-toch. Bioener. — 2005. — Vol. 31. — Р. 1-25.
10. Binhi, V. N. Maqnetobioljqy: Underlyinq Physical Problems [Text] / V. N. Binhi. — San Ditgo: Academic Press, 2005. — 473 p.
11. Думанский, А. В. Анализ управляющего воздействия информационных электромагнитных излучений на физико-химические процессы в биологических объектах [Текст] / А. В. Думанский, Л. Н. Михайлова // Вюник Харгавського национального техшчного ушверситету сшьського господарства iм. П. Ва-силенка. Проблеми енергозабезпечення та енергозбереження в АПК Украши. — 2013. — Вип. 142. — С. 83-86.
12. Никольский, В. В. Электродинамика и распространение радиоволн [Текст] / В. В. Никольский. — М.: Наука, 1978. — 544 с.
13. Лаврентьев, М. А. Методы теории функций комплексного переменного [Текст] / М. А. Лаврентьев, Б. В. Шабат. — М.: ГИФМЛ, 1958. — 692 с.
z
ISSN 222Б-3780
ИНФОРМАЦИОННО-УПРАВЛЯЮЩИЕ СИСТЕМЫ
теоретИЧНИЙ АНАЛ1З ПроЦЕСУ БЗАЕМоДП РАДЮ1МПУЛЬС1в з колорадськими жуками в рослинному середовищ| картопл1
Розв'язана задача з розподiлу радгампульсного випромь нювання в рослинному середовищi картоплi з колорадськими жуками, модель яко! може бути представлена у формi пара-лелепiпеда, заповненого iзотропним дiелектричним середови-щем з дiелектричною проникнiстю i провiднiстю. Вивчення розподшу радгампульсного електромагнiтного випромiнювання в рослинному середовищi з колорадськими жуками та !х личинками дозволить визначити необхщш бiотропнi параметри енергоiнформацiйного радгампульсного електромагнiтного ви-промiнювання для пригшчення репродуктивно! здатностi жукiв i знищення !х личинок.
Kлючовi слова: радгампульсне випромiнювання, колорад-ський жук, енергошформацшне випромiнювання, 6ioTponHi параметри електромагнiтного поля.
Сили Иван Иванович, аспирант, кафедра технотроники и теоретической электротехники, Харьковский национальный технический университет сельского хозяйства им. П. Василенко, Украина, e-mail: tte_nnekt@ukr.net.
Cmi 1ван 1ванович, астрант, кафедра технотротки i тео-ретично1 електротехтки, Хартвський нащональний техтчний утверситет сыьського господарства 1м. П. Василенка, Украта.
Sealy Ivan, Kharkiv Petro Vasylenko National Technical University of Agriculture, Ukraine, e-mail: tte_nniekt@ukr.net
УДК 621.374
001: 10.15587/2312-8372.2015.47942
теоретический анализ процесса взаимодействия радиоимпульсного излучения животными, больными маститом
Решена задача по распределению радиоимпульсного излучения внутри вымени овцематок, модель которой может быть представлена в форме усеченного кругового конуса, заполненного изотропной диэлектрической средой с различной диэлектрической проницаемостью. Изучение распределения радиоимпульсного электромагнитного поля в вымени овцематок животных позволит определить необходимые биотропные параметры радиоимпульсного электромагнитного излучения (частота, среднее значение напряженности, длительность импульсов) для лечения мастита овцематок.
Ключевые слова: радиоимпульсное излучение, мастит животных, модели внутренних органов животных, информационно-волновая терапия.
Мазур В. А.
1. введение
Среди отраслей животноводства Украины особое место занимает овцеводство. Овцеводство — единственная отрасль животноводства, которая поставляет народному хозяйству незаменимую разнородную продукцию с целебными свойствами: диетическую ягнятину, молоко, деликатесные сыры и брынзу, а также шерсть, овчины, смушки и кожу, изделия из которых не имеют аналогов по гигиеническим свойствам.
В последние годы овцеводство Украины переживает глубокий экономический кризис, что привело к сокращению поголовья овец в 4...5 раз и лишению текстильной, трикотажной, фетровой, шубномеховой и других отраслей незаменимого сырья. Производство шерсти на душу населения снизилось до 150 г при норме 1 кг. Поэтому одной из актуальнейших задач, которая стоит перед аграрным комплексом Украины, есть сохранение и увеличение поголовья овец с повышением их продуктивности. В современных условиях решение этой задачи зависит от своевременного и эффективного лечения молочной железы овец [1, 2].
2. Анализ предшествующих исследований
Болезнь молочной железы у овец приводит к ухудшению качества молозива и молока, заболеваемости и падежу ягнят, к гибели и выбраковки овцематок. В настоящее время для лечения мастита у овец, в основном, используют медикаментозные способы лечения [3, 4]. Применение антибиотиков и других медикаментов для лечения мастита, в большинстве случаев, является малоэффективным и небезопасным, блокирует симптомы заболеваний. Антибиотики, попадая в организм человека через продукты животноводства (мясо, молоко), угнетают иммунитет, способствуют размножению более сильных и мутированных вирусов и бактерий, поражают печень и другие органы, что приводит к различным заболеваниям, раннему старению и преждевременной смерти.
Поэтому, разработка эффективных немедикаментозных способов лечения мастита у овец является актуальной задачей.
В настоящее время для лечения мастита овец пытаются использовать метод квантовой терапии. Однако, из-за большого затухания лазерного излучения в коже
TECHNOLOGY AUDiT AND PRODUCTiON RESERVES — № 4/2(24], 2015, © Мазур В. А.