Гармония Севера. Чум. Исследовательская работа по физике

Материал данной работы может быть использован всеми субъектами образовательного процесса с целью повышения этнографических знаний, как через элективные курсы, так и через проведение внеклассных мероприятий.

Авторы проекта ученицы 9 класса Дьяконова Евгения и Малахова Дарья. Работа выполнена в 2005 году под руководством учителя физики высшей квалификационной категории МОУ СОШ №9 г. Ноябрьска Бушуевой Людмилы Геннадьевны.

Предметом исследования является изучение жилища чум. Для выживания и сосуществования человека в северной природе нужно чувствовать её гармоничные законы, которые имеют современные научные обоснования. Это позволило сформулировать ведущую идею (гипотезу): опыт проживания в суровых условиях севера помог коренным жителям создать такое жилище, оптимальная и удобная конструкция которого (его форма и функции) объясняется строгими научными законами.

Главная цель: увидеть гармонию чума в северной природе с точки зрения современной физики и математики.

В основной части работы дается и нформация о чуме, проводится исследование чума в соответствии с законами физики.

В работе доказывается, что коническая форма чума способствует наименьшей теплоотдаче через площадь его поверхности, что у конуса наименьший коэффициент подверженности влияниям климата, проводится эксперимент по исследованию зависимости изменения температуры воздушной прослойки между нюками от времени при различном расположении в них меха, рассматриваются теплозащитные свойства короткого меха покрышек чума, спального полога.

В работе сделана попытка, раскрыть роль и место очага в чуме на основе научного подхода. Приведены примеры механических свойств жилища (ветроустойчивость, опорный шест).

В заключение сделан вывод о том, что существование в гармонии с природой – это создание уникальной модели экологически чистых взаимоотношений с окружающим миром, который необходимо и возможно объяснять с точки зрения научных знаний.

Материал данной работы может быть использован всеми субъектами образовательного процесса с целью повышения этнографических знаний, как через элективные курсы, так и через проведение внеклассных мероприятий.

Оглавление

I. Введение.
1. Актуальность вопроса и ведущая идея проекта.
2. Цели и задачи.
II. Основная часть.
1. Описание чума в источниках информации.
2.Исследование чума в соответствии с тепловыми законами.
2.1. Форма чума и теплоотдача.
2.2. Форма чума и северный климат.
2.3. Теплозащитные свойства оленьего меха.
2.3.1. Ориентация меха в покрышках.
2.3.2.Короткий мех.
2.3.3. Чум в чуме.
2.4. Пусть не гаснет ваш огонь.
2.4.1. Тепло огня.
2.4.2. Дым.
3. Механика чума.
3.1. Ветроустойчивость.
3.2. Шест.
III. Выводы.
IV. Используемая литература.

Введение

Природа создала много удивительного, прекрасного, упорядоченного. Жизнь в природе – это жизнь в гармонии с ней, с ее законами. Это актуально для людей, живущих в суровых климатических условиях. Для выживания и сосуществования человека в северной природе нужно чувствовать её гармоничные законы.

Существует ли логическая дорога к этим законам, или к ним можно прийти только с помощью интуиции, основанной на чем-то таком, что подобно любви к объектам опыта?

Жилище – место жизни человека, место, где он рождается, растет, обзаводится семьей и потомством, творит и уходит в мир предков. Из жилища человек отправляется активно действовать: добывать пищу, находить жену, осваивать мир. Это кров. Укрытие, место покоя и порядка. Жилище как центр человеческой вселенной осознается почти повсеместно. Но в зависимости от образа жизни и места на земном шаре оно имеет большую или меньшую значимость для человека.

Когда на Земле появились люди, стал Нуми-Торум думать, чем кормиться они будут, чем от холода тела свои прикроют. Решил он в тайге сохатого зверя поселить, а на болота оленей пустить. Туда и люди на промысел пойдут, там жить станут. Из веток сделают остов жилища, накроют его шкурами оленей. С тех пор, рассказывает мансийская легенда, люди промышляют оленей, лесных зверей, а живут в чумах...

Ненецкое жилище – чум, по праву считается одним из самых удобных и самых оптимальных жилищ в тундре. Конструкция его выверена веками, она предельно проста, в ней нет ничего лишнего, а все детали – незаменимы. До пятидесяти длинных (от пяти до восьми метров) шестов, расставляются по кругу на утрамбованном снегу, и скрепляются вверху сухожилием оленя. Остов чума затем покрывается четырьмя нюками (покрышки чума, сшитые каждая примерно из пяти десятков шкур оленей) – и всё, пристанище тундровика готово.
Актуальность данного вопроса позволила увидеть и попытаться объяснить противоречие между интуитивным подходом и современными научными обоснованиями в строительстве жилища.

Это позволяет сформулировать ведущую идею (гипотезу) : опыт проживания в суровых условиях севера помог коренным жителям создать такое жилище, конструкция которого (его форма и функции) объясняется строгими научными законами.

Предметом исследования является жилище коренных народов севера – чум.
Главная цель: увидеть гармонию чума в северной природе с точки зрения современной физики и математики.

Решаемые задачи:
1. Изучить теоретический материал по данной тематике.
2. Исследовать форму и функции чума в соответствии с тепловыми законами.
2.1. Сравнить формы жилищ по площади поверхностей, соприкасающихся атмосферой в зависимости от теплоотдачи.
2.2. Рассмотреть олений мех, как материал с высокими теплозащитными свойствами.
2.3.Роль и место огня, как источника тепла в чуме.
3. Исследование чума с точки зрения законов механики. Устойчивость чума (ветроустойчивость).
4. Проанализировать и обобщить полученные результаты, сделать выводы.

Основная часть

1. Информация о чуме

Энциклопедический словарь Ф.А.Брокгауза и И.А. Ефрона так определяет объект исследования: чум (= шалаш) – конический шалаш из жердей, покрываемый берестой, войлоком или оленьими шкурами; форма жилища, распространенная по всей Сибири от Уральского хребта до берегов Великого океана, у финских, тюркских и монгольских племен. Историки жилища признают эту форму первым опытом искусственно создаваемого жилья, к которому человек обратился от полых, дуплистых деревьев и пещер. При дальнейшем поиске информации по данному вопросу мы столкнулись с проблемой недостаточного объёма литературы. В работах А.П. Володина, Л.В. Хомича, Г.П. Харючи, Е.Г. Сусой, в статьях журналов «Северные просторы», «Ямальский меридиан», в основном описываются условия жизни, быт и традиции ненцев. Нам в данном исследовании хотелось сделать попытку объяснить простоту (гармонию) конструкции чума с научной точки зрения.

2. Исследование чума в соответствии с тепловыми законами

2.1.Форма чума и теплоотдача

Жилища, в которых живут аборигены, чрезвычайно разнообразны и по конструкции, и по форме, и по материалам, из которых они построены. Образ жизни народностей определяется хозяйственными занятиями: связанными с кочеванием. Оленеводы и скотоводы перевозят свои дома на оленях (чум, яранга) или лошадях (юрта); охотники и рыболовы зимой живут полуоседло: в постоянных стационарных, а летом в сезонных или переносных постройках.

Примеры жилищ коренных народностей, в основе конструкций которых лежат различные геометрические тела

яранга(разборный цилиндро-конический шатер из оленьих шкур.)

Юрта (цилиндро-уполообразное жилище.)

Чум (простое, конусообразное сооружение.)

Иглу (жилище из снежных кирпичей в виде полусферы.)

Изба (срубная жилая постройка.)

Типи – переносное жилище североамериканских индейцев, шалаш конической формы, покрытый бизоньими или оленьими шкурами.

Основной вид жилища оленеводов – чум, коническая переносная постройка диаметром от пяти до восьми метров. Почему народы севера сооружают чум, имеющий конусообразную форму?
По закону физики: количество отданной теплоты с поверхности, нагретой на температуру t по отношению к окружающему воздуху, равно

Q = kSt,
где k – коэффициент теплоотдачи,
S – площадь поверхности, соприкасающейся с атмосферой,
t = t 2 – t 1
t 1 – температура внутри чума,
t 2– температура окружающей среды.

Форма жилища Конус Усечённый конус Куб Пирамида

Исходные данные H = 4 м R = 4 м L = 5,7 м p = 3,14 R 1 = 4 м R = 2 м H = 4 м L = 5 м p= 3,14 а = H = 4 м p = 3,14 А = 5,7 м р = 32 м

Формулы S= p RL S = p (R 1 + R 2) L + p R 1 2 S = 5 а 2 S = ? p A

Площадь поверхности 71,6 м 2 157,6 м 2 320,0 м 2 182,4 м 2

Используя зависимость Q( S), при прочих равных условиях, мы получили следующий результат:
Из диаграммы видно, что наименьшая площадь поверхности у конусообразного жилища. Таким образом, несложные математические расчёты доказывают, что коническая форма чума способствует наименьшей теплоотдаче через площадь поверхности, соприкасающейся с атмосферой.
2.2.Форма чума и северный климат

В статье Чарльза Скотта, редактора журнала « Architectus», «Проектирование дома для северного климата» от 13 марта 2004 года вводится понятие коэффициента подверженности, как отношения поверхностной площади жилища к его объёму ( S/ V) доказывается, что, чем меньше отношение площади к объёму, тем менее подвержено здание влияниям климата. Мы решили проверить это для северных жилищ (коническая, кубическая и полусферическая формы). Взяв одинаковый объём жилищ, равный 268 м 3, и рассчитав для него площади поверхности конуса, куба и полусферы, были получены следующие коэффициенты подверженности климату:

Форма жилища Коническая Кубическая Полусферы

Площадь поверхности 244,9 249,6 342,0

Объём жилищ 268,0 268,0 268,0

Коэффициенты подверженности S/ V 0,91 0,93 1,28

Таким образом, у конуса наименьший коэффициент подверженности, значит, он менее подвержен влияниям климата.

2.3. Теплозащитные свойства оленьего меха

2.3.1.Ориентация меха в покрышках

Чум покрывается двумя слоями покрышек, сшитых из оленьих шкур с подстриженной шерстью. Внутренние покрышки укладываются шерстью внутрь чума, верхние – шерстью наружу. Зимние покрышки сшиваются из крупных зимних шкур взрослого оленя нитками из сухожилий оленя. Зимних покрышек бывает четыре: две нижние – поднючья, покрывающие остов чума мехом внутрь, и две наружные – мехом наружу. Все четыре покрышки шьются примерно одинакового размера (несколько превышающего половину поверхности чума) и имеют форму усеченных секторов. Наружные покрышки шьются из новых шкур (от 25 до 40), внутренние – из несколько вытертых шкур. Внутренние покрышки предохраняют нюки от жары, а также улучшают теплозащитные свойства чума, создавая воздушную прослойку чума. Спланировав и поставив эксперимент по исследованию зависимости изменения температуры воздушной прослойки между нюками от времени при различном расположении в них меха, мы получили следующий результат:

Следовательно, положение шкур, покрывающих чум, оптимальное в случае их расположения мехом наружу.

Рассматривая теплозащитные свойства оленьего меха, нам показалось неразумным, что ненцы подстригают олений волос на покрышках-нюках, оставляя лишь треть его длины. По законам теплофизики, укорачивая мех, мы уменьшаем теплозащитные свойства стенок. На самом деле все иначе – действия кочевников выверены до мелочей. Дело в том, что зимой во время стоянок в длинный мех набивается снег, который подтаивает и образует тонкую ледяную корочку. Нарастая, она утяжеляет нюк, излишне обременяет шесты. Корка не дает покрытию «дышать», в результате внутренняя сторона нюка отсыревает. Покрышка размокает, провисает, а если она еще старая или плохо прокопченная, то приходит в негодность. В самом жилище нарушается влажностный и температурный режим. К тому же выбивать снег из густой шерсти очень сложно – а женщинам приходится делать это на стоянке каждое утро. Не снимая покрышек с каркаса, они очищают их от снега специальной палкой. Меховые покрышки сравнительно хорошо сохраняют тепло, но при условии тщательного ухода и своевременного ремонта.

2.3.3. Чум в чуме

Спальный полог, который опускается в чуме на ночь, делит внутреннее пространство на «комнатки», которые в точности повторяют форму конуса – образуется как бы чум в чуме. Замеряя температуру на улице, внутри чума с остывшим очагом и в пологе, получается соотношение: – 30 ° C , – 20 ° C , – 15 ° C , – 10 ° C , + 10 ° C . Так, создавая оболочку в оболочке, можно сохранять тепло, не прибегая к его дополнительному источнику. Кроме этого дополнительная оболочка создаётся спальным местом («спальным мешком»), температура внутри которого колеблется от + 13 0 до + 20 0 C.

2.4. Пусть не гаснет ваш огонь
2.4.1. Тепло огня

Каждая хозяйка чума знает, до какой степени можно развести огонь в очаге. И не только потому, чтобы экономить топливо. Если перегреется воздух и покрышка отсыреет, то тепловой комфорт в жилище нарушается. Из интервью с коренными жителями Пуровского района на празднике оленевода (март 2005, пос. Ханымей) мы составили такую картину распределения тепла в чуме.Температура рядом с внутренней стенкой нюка, даже в хорошо прогретом чуме стабильно показывали температуру около нуля – не выше, что способствует долговечности покрышек-нюков.

Нередко приходится слышать о дымных и грязных чумах. Не во всех и не везде. А дым... – он как бы висит над головами у самого отверстия в верхней части – макодаси.

Форма конуса способствует оптимальному распределению тепла, наилучшему распространению дыма и быстрой стабилизации тяги. В момент разжигания очага дым заполняет все внутреннее пространство, весь объем жилища равномерно. Спустя несколько минут, когда устанавливается прогретый воздушный столб, соединяющий источник тепла и макодаси – своеобразная «труба», тогда дым устремляется вверх. Но поднимается он не по вертикали, а по наклонной, вдоль стенок чума. Причем с каждым метром дым уплотняется и, достигнув определенной высоты (чуть выше человеческого роста), так и повисает на этом уровне до тех пор, пока горит очаг.

Подобным образом ведут себя и тепловые потоки. Дойдя до макодаси, они образуют зону повышенного давления. Она служит своеобразной запирающей «пробкой» и не позволяет холодному воздуху с улицы прорваться в чум. Летом ее не могут преодолеть комары, гнус. «Пробка» препятствует образованию сквозняков. Даже когда очаг остывает перепад температуры наружного воздуха и внутреннего сохраняется.

3. Механика чума

3.1. Ветроустойчивость
Зимний чум тундровики стараются ставить в укрытых от ветра местах. Хорошим местом считается такое, где рядом есть река для ловли рыбы, где под снегом много ягеля: олени будут сытые и далеко от чума не уйдут, и где есть заросли тальника и ольхи: топливо для очага.

В конструкции чума нет мелочей. Взять хотя бы его внешний облик. Коническая форма хорошо приспособлена к особенностям ландшафта открытой тундры. Она придает чуму исключительную устойчивость при метелях и сильных ветрах. С крутой поверхности легко скатывается снег. Воздушные же потоки, огибая конус, прижимают его к земле по всему периметру. Потому чум при сильных порывах ветра никогда не перевернется и не рассыплется. Он настолько устойчив, что нет надобности даже прижимать камнями края покрышки (как это делается в яранге). Правильно поставленному чуму не страшны северные бураны, даже такие, что легко переворачивают грузовики и автобусы, опрокидывают опоры высоковольтных линий.

Главный элемент чума – шест. К его изготовлению относятся серьезно. Заготовку из ровной тонкоствольной ели или сосны подбирают долго и тщательно. За летний сезон редко набирают их более десяти. Обрабатывают шест так, чтобы он утолщался от обоих концов к середине и на всем протяжении сохранял овальную (эллипсоидную) форму сечения. Выходит, что неграмотные, незнакомые с математикой люди изготавливали шест в строгом соответствии с законами сопротивления материалов (продольное его сечение соответствует эпюре распределения сил). Шест ставится «ребром» к нагрузкам (весу покрышки-нюка и направлению ветра), на каждой же стоянке при новом монтаже поворачивается на 180 градусов.

Тундровики берегут шесты. Они служат семье многие годы. Правда, их трудно защитить от влаги – концы подгнивают от частого соприкосновения с влажной, мерзлой даже летом, землей. Единственный способ сохранить шест – удалить подгнившую часть. По вершине каркаса можно легко установить возраст жилища. Если концы шестов еле видны в верхней части – чум старый, если же вершинки длинные – чум новый.

Выводы

В последнее время существует мода на этнографическую экзотику. Это действительно так, если речь идет о китайской, индийской, ирландской культуре. Да будь это хоть австралийские аборигены – чем дальше живет народ, тем моднее. Но если вы попробуете разузнать что-нибудь о культуре коренных народов нашего Севера, то вас могут не понять.

Работая над проектом, мы узнали много любопытного: почему чум конической формы, как распределяется в нем тепло, какую функциональную нагрузку несет каждая его деталь, будь то покрышки, шест, огонь или спальный полог; для чего меховую одежду надевают на голое тело, почему к полозьям нарт не прилипает снег.
Существовать в гармонии с природой на Севере это значит – выжить. На протяжении веков здесь, в арктических районах, складывалась уникальная модель экологически чистых взаимоотношений с окружающим миром, которую можно объяснить с научной точки зрения. Это и особый хозяйственный уклад, своеобразные традиции, материальная культура. Любой предмет кочевого быта – будь то нарта или чум, малица или пимы – доведен народным опытом до совершенства.
Этот опыт нельзя сбрасывать со счетов, его надо изучать и понимать. В нем бесценная подсказка для тех, кто сегодня создает для Севера технику, строит жилье, проектирует одежду.
В работе мы сделали небольшую попытку не только увидеть гармонию севера, но и объяснить ее научными законами. Пути решения данной проблемы, предложенное в данном проекте, лишь малая часть того огромного материала, который ждет новых исследований и исследователей. Уникальные особенности чума, рассмотренные с точки зрения современной физики, позволяют сделать новое предположение, выйти на тему нового проекта: «Кочевники Севера много веков назад научились управлять холодом!».

Литература

Арктика – мой дом. Народы севера земли. Культура народов севера. Полярная энциклопедия школьников. – М.: Северные просторы, 2001. – С.116 – 124,200 – 206.
Володин А.П. Ительмены. Серия Народы Севера. – СПб.: Дрофа, 2003.
Гарина Н Чум //Северные просторы. – 1991. – №1.
Кулемзин В.М., Лукина Н.В. Знакомьтесь: ханты. /Отв. Ред.В.И. Володин – Новосибирск, ВО Наука, 1992.
Лебедев А. «Чумовая жизнь» //Интернет-газета ЯНАО Ямал-Информ. – 2004. – 22июня. http://www.neelov.ru/2/2004/06/22/798/.
Лебедев Ю.С. Архитектурная бионика – М.: Стройиздат, 1990. – С. 269.
Скотт Ч. Проектирование дома для северного климата // Architectus. – 2004. – 13 марта.
Соколова З. // Родина. – 2000г. – №5.
Сусой Е.Г. Из глубины веков. – Тюмень: ЯНОИУУ, 1994. – С.12 – 46.
Харючи Г.П. Традиции и инновации в культуре ненецкого этноса. – Томск: Изд-во университета, 2001.
Хомич Л.В. Ненцы. Серия Народы Севера. – СПб.: Дрофа, 2003.
1Хэно И. Хранительница очага // Северный луч. – 2004. – 5 марта.