XVI Международный конкурс научно-исследовательских и творческих работ учащихся
Старт в науке. Летняя площадка 2022
Поговорим о бионике
Автор работы награжден дипломом победителя I степени
Полная версия работы доступна во вкладке "Файлы работы" в формате PDF
Введение
С давних пор человек стремился заглянуть «внутрь живых моделей», разгадать «секреты» действия биологических систем, созданных в мастерской природы.
Бурный рост технической мысли, развитие биологии и вторжение в нее таких точных наук, как физика, химия, математика и особенно кибернетика, перебросившая мост от биологии к технике — все это привело к взаимосвязи биологических и технических дисциплин и обусловило развитие нового научного направления, получившего название «бионика» (от слова «бион» — элемент, ячейка жизни).
Бионика занимается изучением аналогий в живой и неживой природе, то есть изучением принципов построения и функционирования биологических систем и их элементов и применением полученных знаний для коренного усовершенствования существующих технических систем, созданием принципиально новых машин, аппаратов, строительных конструкций и т. д.
Актуальность данного исследования определяется бурным развитием науки и техники, инженерной мысли, появлением высокотехнологичных материалов с заданными свойствами, развитием смежных дисциплин: биофизики, биохимии, молекулярной биологии, кибернетики для внедрения новейших конструкторских решений в технику. Идеи для новых разработок часто подкидывает природа, раскрывая секреты удивительной гармонии и целесообразности своих живых объектов. Мне стало интересно разобраться в такой науке как бионика.
Цель:
-изучить и выявить взаимосвязь строения и функционирования живых объектов с физическими свойствами и особенностями конструкций технических устройств.
Задачи:
1. Проанализировать научную литературу.
2.Выделить основные направления бионики и перспективы их развития.
3.Провести эксперименты по изучению световых и звуковых явлений в живых организмах и технических устройствах.
2.Опорные конструкции.
Тургор.
Чуть увядшее растение, поставленное в воду, спустя некоторое время расправляет листья и лепестки. Происходит это под давлением жидкости в клетках растения. Вода, проникая в клетки, увеличивает в вакуолях объем клеточного сока, вакуоли начинают давить на цитоплазму, цитоплазма – на клеточную оболочку, которая от этого растягивается и напрягается. Напряжение клеточных оболочек, вызванное внутриклеточным давлением, получило название тургор. Благодаря тургору растения приобретают упругость. Особенно это ярко проявляется у растений суккулентов, ткани которых обогащены водой: у кактуса, алоэ, агавы, очитка.
Обычное внутриклеточное давление у растений – 5 – 10 атмосфер, но в отдельных случаях оно сильно возрастает. Этим и объясняется то «чудо», когда нежные стебельки растений, хрупкие грибы взламывают асфальт, пробираясь к свету. Тургор активно влияет на формообразование в природе. Так, как под действием тургора развёртывается и принимает вид упругой сетки «вуаль» гриба диктиафора. Набирая внутрь себя воздух или воду, раздуваются и становятся похожими на колючие шары рыбы иглобрюхи, спасаясь таким образом от врагов. Особенно важна роль тургора в формообразовании при отсутствии у организма арматурной ткани, как у помидоров, патиссонов, гусениц, медуз.
Использование в технике
Принцип тургора живых моделей привел к появлению в архитектуре совершенно новой области строительной техники – созданию пневматически напряженных конструкций. Пневматическое напряжение, создаваемое избыточным давлением газа и жидкости, обеспечивает гибкой герметичной оболочке несущую способность и устойчивость при любых видах нагрузок. Важнейшими преимуществами надувных систем являются экономичность, малый вес, транспортабельность, компактность, быстрота монтажа, поэтому принцип тургора получил сейчас широкое применение особенно при сооружение временных построек: выставочных и ярмарочных павильонов, спортивных залов, туристических лагерей и пр.
Наиболее распространенными формами надувных построек пока являются цилиндрический свод и сферический купол. Хотя принцип тургора допускает огромное разнообразие форм пневматических конструкций.
Сетчатые, решетчатые и ребристые конструкции
Широкое распространение в природе имеют плоские и пространственно-изогнутые ребристые, сетчатые и перекрестные (решетчатые) конструкции, в которых основной материал концентрируется по линиям главных напряжений. Тонкий лист растения или прозрачное крылышко насекомого обладают достаточной механической прочностью благодаря разветвляющейся в них сетке жилок.
тот каркас выполняет основную (несущую) роль, тогда как другие элементы конструкции, например, пленка листа или мембрана крыла, могут достигать минимального сечения.
Это также один из примеров достижения прочности при минимальной затрате материала. Тонкие крылышки стрекозы коромысла делают до 100 взмахов в секунду, шмеля - более 200, комнатной мухи - до 300, а комара дергуна - до 1000 взмахов.
Заинтересовал архитекторов и принцип конструкции листьев растений. Лист растения обладает достаточной механической прочностью, которая в значительной степени зависит от жилок, пронизывающих его плоскость от основания до верхушки. Особенно привлек к себе внимание лист тропического растения Виктории регии, встречающегося в водах Амазонки и Ориноко. Плавающие листья этой крупной водяной кувшинки вырастают до 2-х метров в диаметре и выдерживают, не погружаясь в воду, вес до 50 кг. С нижней стороны этот лист как бы укреплен толстыми и прочными прожилками, похожими на канаты. Продольно изогнутые жилки скреплены между собой серповидными поперечными диафрагмами. Такая конструкция создает прочную основу для размещения между жилками тонкой полупрозрачной пленки листа.
Использование в технике
Взяв за основу жилкование листа Виктории регии, итальянский архитектор П. Нерви сконструировал плоское ребристое покрытие фабрики Гатти в Риме и покрытие большого зала Туринской выставки, добившись большого конструктивного и эстетического эффекта.Принцип построения листа Виктории регии использовали наши архитекторы при сооружении потолка фойе Тульского драматического театра. Они протянули по потолку железобетонные нервюры, которые несут огромный пролет.
Используется в архитектурной практике и принцип построения природных пространственно-решетчатых систем: радиолярий, диатомовых водорослей, некоторых грибов, раковин, даже микроструктура головки тазобедренной кости. В этих моделях особенно ярко проявляется принцип распределения материала с расчетом на самые случайные и разнонаправленные действия нагрузок. Например, структура головки тазобедренной кости построена так, что никогда не работает на излом, а только на сжатие и растяжение. Подобная система может быть использована в конструировании опорных рам, ферм, подъемных кранов.
Оптические системы.
Мозаичное видение
Глаза насекомых и других членистоногих – сложные органы. При сильном увеличении можно увидеть, что такой глаз состоит из многих крошечных «окошечек» - фасеток. Каждая фасетка является концом структурной единицы глаза – омматидия. Таким образом, сложные глаза состоят из многих тысяч омматидиев – изолированных друг от друга простых глазков. Например, глаз речного рака состоит из 3 тыс. омматидиев, глаз комнатной мухи – из 4 тыс., а глаз стрекозы – из 28 тыс.! Каждый омматидий одновременно воспринимает свет и создает изображение. В результате совместной работы всех омматидиев сложный глаз дает не единое изображение предмета, а разлагает его на тысячи отдельных кусочков, то есть создает мозаику, в которую каждый элемент глаза вносит свое, отдельное изображение. Малейшее смещение предмета смещает и изображение с одного омматидия на другой. Поэтому сложный глаз исключительно точно реагирует на движение, и поскольку движущийся предмет последовательно появляется в разных глазах, это дает возможность насекомому определить скорость перемещения предмета. Основываясь на этом принципе, конструкторы создали прибор, способный мгновенно измерять скорость самолетов, попавших в поле его зрения. Бионики создали измеритель путевой скорости самолета относительно Земли. Была разработана фотокамера «мушиный глаз» для особо точных репродукций с оригиналов. Такая камера отличается высокой разрешающей способностью и большой с
коростью съёмки.
Сложные глаза могут воспринимать ультрафиолетовую часть спектра, кроме того бабочки, пчелы, шмели, жуки и другие насекомые, посещающие цветы, различают цвета. Наземные и водные членистоногие различают также поляризованный свет, то есть световые лучи, электромагнитное колебание которых совершается в одной плоскости. Омматидии имеют своеобразные фильтры, которые пропускают поляризованный свет солнца с разной интенсивностью в зависимости от направления движения насекомого, что позволяет насекомым ориентироваться по солнцу даже тогда, когда оно закрыто плотными облаками.
Использование в технике
Используя этот принцип сложного глаза, бионики создали прибор «небесный компас, определяющий положение солнца по поляризованному свету и служащий средством навигации.
Камерный глаз у животных
Для всех позвоночных, головоногих моллюсков и пауков характерны глаза так называемого камерного типа, то есть сходные с устройством фотоаппарата. И хотя по сравнению с глазом человека глаза животных устроены не столь сложно, некоторые из них обладают уникальными свойствами.
Так, глаза хищных птиц отличаются большой зоркостью. Например, зрение канюка в 8 раз острее, чем у человека. Многие птицы способны видеть сквозь дымку и туман, а голубь может не мигая смотреть на солнце. Глаз голубя обладает также необыкновенной способностью избирательно воспринимать объекты, движущиеся в определенном направлении. Не раз использовали этих птиц на конвейерах для обнаружения почти микроскопического брака, невидимого глазом человека. На основе изучения механизма глаза голубя проектируется оптический прибор (оптический решающий фильтр) для опознавания объемных предметов.
Удивительны по своему избирательному видению и глаза лягушки. Лягушка видит только движущиеся предметы, причем только те, которые ее интересуют, то есть которые по форме, размерам, характеру движения ассоциируются у нее с пищей (насекомыми) или врагом (тенью от быстро надвигающегося предмета). Изображение того, что видит лягушка, возникает в результате наложения в ее мозге четырех тонких слоев нервных клеток, соответствующих четырем стадиям трансформации изображения. Глаз лягушки — это превосходная биологическая информационная система, перерабатывающая всю поступающую информацию и выбирающая из нее только ту, которая представляет для лягушки интерес.
Привлекает внимание биоников и механизм глаз животных, которые видят в темноте. На дне таких глаз имеются своеобразные зеркальца из мелких серебристых кристаллов. Отражаясь от них, свет дважды проходит через сетчатку, благодаря чему животные улавливают большее количество света: кошка, например, видит предметы при освещенности в 6 раз меньшей, чем человек. В зависимости от формы и размера кристаллов глаза животных светятся в темноте различными цветами: у крокодилов, например, красным, у кошек — зеленым.
Использование в технике
По принципу работы глаза лягушки уже создано несколько типов электронных моделей, которые нашли широкое применение на аэродромах для обнаружения летящих самолетов и контроля за их движением.В настоящее время на основе свойства некоторых животных видеть в темноте создан прибор — «кошачий глаз».
4. Мастера камуфляжа
Природа наделила многих животных способностью изменять свою внешнюю окраску. Это свойственно рыбам камбалам, морским собачкам, морским конькам, многим рыбам кораллового рифа. Меняют цвет некоторые креветки, квакши, пауки, ящерицы. Большими «мастерами» камуфляжа являются также головоногие моллюски: осьминоги и особенно каракатицы, которые мгновенно маскируются под грунт любого цвета и рисунка. Такая покровительственная окраска помогает животным добывать пищу и спасаться от врагов.
Каракатицы, осьминоги и ящерицы хамелеоны изменяют свой цвет и в зависимости от своего внутреннего состояния. Раздраженный осьминог из обычного пепельно-серого очень быстро превращается в черного. Страх, угроза, симпатия и прочие «чувства» отражаются на кожном покрове этих животных сменой.
Кроме того хамелеоны и некоторые другие ящерицы изменяют цвет кожи в зависимости от температуры, влажности, освещенности и пр. Например, ящерица мадагаскарский дневной геккон из светло-оливкового при повышении температуры превращается в зеленого.
Изменение окраски у животных — это сложный биологический процесс. Происходит он под влиянием раздражений извне, которые воспринимаются, главным образом, органами зрения и передаются через нервную систему кожным клеткам, поэтому если такого животного ослепить, то он теряет способность менять окраску. Под кожей у животных расположены особые эластичные клетки-хроматофоры, заполненные красящим веществом. По сигналу животного одни хроматофоры растягиваются (увеличиваются), а другие сокращаются (уменьшаются), в результате чего начинает преобладать какой-то один цвет. Под хроматофорами лежат другие клетки-иридиоцисты, заполненные рядами «зеркал» и системой «призм», которые отражают и преломляют свет, разлагая его на цвета спектра. Благодаря иридиоцистам кожа животных приобретает металлический блеск, «окрашивается» в серебристые и мягкие полутона.
Использование в технике
Изучая процесс изменения окраски у животных, бионики заимствовали идею изменения цвета в зависимости от изменения температуры. Ученым удалось создать особые термометрические краски, с помощью которых легко узнать, как нагреваются во время работы различные детали машин и механизмов.
5.Живой свет
В природе существуют организмы, отличающиеся изумительным свойством излучать свет. Распространены они повсеместно – от экватора до полярных широт и от поверхности воды до предельных глубин. Среди сухопутных жителей таких организмов немного, это некоторые грибы и насекомые. Основная масса живых светящихся моделей живет в море и состоит представителей простейших организмов, кишечнополостных, червей, моллюсков, ракообразных и рыб.
Свечение организмов является характерным признаком их жизнедеятельности. Например, жгутиконосец ночесветка, медуза пелагия, веслоногий рачок эуфаузида или оболочник пиросома вспыхивают разным светом в ответ на механическое раздражение. У червей – донных полихет – светящиеся органы развиваются лишь в период размножения. Ракушковый рачок циприна зажигает свой «фонарь» в ответ на сигнал другой особи. Глубоководные креветки, кальмары и даже некоторые рыбы, спасаясь от врагов, выбрасывают в воду светящуюся слизь, используя ее как световую завесу.
Использование в технике
Живой свет привлекает внимание многих ученых, в том числе и биоников. Установлено, что в «светильниках» живых организмов почти вся химическая энергия при окислении превращается в свет, тогда как в обычной электрической лампе 70% энергии уходит не на освещение, а на образование тепла. Специалистами ведутся исследования по созданию вычислительных машин на световодах, более экономичных и надежных, чем электрические. Работают ученые и по созданию искусственного «живого света», который может быть применен в тех случаях, когда нежелательно пользоваться светом, излучающим тепло, например, в операционных, во взрывоопасных шахтах.
Электричество в живых организмах
В конце XVIII века знаменитые ученые Гальвани и Вольта обнаружили электричество у животных. Первыми животными, на которых ученые делали опыт, чтобы подтвердить свое открытие, были лягушки.
Электрическая активность оказалась неотъемлемым свойством живой материи. Электричество генерирует нервные, мышечные и железистые клетки всех живых существ, однако наиболее развита эта способность у рыб.
В настоящее время известно, что из 20 тыс. современных видов рыб около 300 способны создавать и использовать биоэлектрические поля. По характеру генерируемых разрядов такие рыбы делятся на сильноэлектрические и слабоэлектрические. К первым относятся пресноводные южноамериканские электрические угри, африканские электрические сомы и морские электрические скаты.
Эти рыбы генерируют очень мощные разряды: угри, например, напряжением до 600 вольт, сомы — 350. Напряжение тока крупных морских скатов невысоко, поскольку морская вода является хорошим проводником, но сила тока их разрядов, например ската торпедо, достигает иногда 60 ампер.
Рыбы второго типа, например, мормирус, гнатонемус, гимнарх и другие представители отряда клюворылообразных не излучают отдельных разрядов. Они посылают в воду серии почти непрерывных и ритмичных сигналов (импульсов) высокой частоты, создавая вокруг своего тела электрическое поле. Конфигурация этого поля проявляется в виде так называемых силовых линий. Если в электрическое поле попадает объект, отличающийся по своей электропроводности от воды, конфигурация поля изменяется: предметы с большей проводимостью сгущают вокруг себя силовые линии, а с меньшей — рассредоточивают. Рыбы воспринимают эти изменения с помощью электрических рецепторов, расположенных у большинства рыб в области головы, и определяют местонахождение объекта. Таким образом эти рыбы осуществляют подлинную электрическую локацию.
Клюворылообразные рыбы живут в Африке, в медленно текущих илистых мутных водах рек, а также в озерах и болотах, почти все они охотятся преимущественно ночью. Некоторые из них обладают плохим зрением, поэтому в процессе длительной эволюции и выработался у этих рыб такой совершенный способ для обнаружения на расстоянии пищи, врагов, различных предметов.
Использование в технике
Приемы, используемые электрическими рыбами при ловле добычи и обороне от врагов, подсказывают человеку технические решения при разработке установок для электролова и отпугивания рыб. Исключительные перспективы открывает моделирование электрических систем локации рыб. В современной подводной локационной технике пока не существует систем поиска и обнаружения, которые работали бы по образцу и подобию электролокаторов, созданных в мастерской природы. Учеными многих стран ведется упорная работа по созданию подобной аппаратуры.
7.Акустические решения.
7.1Гидролокация в природе
Почти все рыбы, миноги и водные амфибии (шпорцевые лягушки, прибрежные саламандры и тритоны в период икрометания) имеют особый орган чувства — боковую линию.
У рыб, например, она действительно располагается на боку и тянется от головы до хвоста в виде прободенных чешуек, вдоль которых проходит канал с чувствительными органами. Если около рыбы возникли токи воды, боковая линия тотчас же шлет информацию в мозг рыбы. Приемное устройство необыкновенно чувствительно, представляя, по сути, для рыб гидроакустическую антенную систему, настоящий локатор. Когда рыба плывет, впереди бежит волна. Отражаясь от встречных предметов, она возвращается к боковой линии и улавливается ее рецепторами, которые информируют рыбу об окружающих препятствиях, помогая таким образом обнаружить добычу или врагов. С помощью боковой линии рыбы ориентируются в мутной воде, в темноте и даже будучи слепыми.
Еще более чувствительна система ориентации в воде у таких морских млекопитающих, как зубатые китообразные, калифорнийские львы и особенно дельфины.
Эхолокация у дельфинов — основной способ ориентации в различных жизненных ситуациях: при добывании пищи, преодолении препятствий, распознавании различных объектов в водной среде. Принцип работы локатора у дельфина основан на излучении животным звуковых сигналов и улавливании их отражения, эха. Излучает сигналы дельфин при помощи клапанов и сложной системы воздухоносных полостей, получивших название мешков.
Определенную роль в передаче сигналов играют стенки черепа, служащие как бы рефлектором, и лобный выступ (мелон), играющий роль своеобразной акустической линзы, фокусирующей звуковой пучок. Для приема низкочастотных сигналов у дельфина служат слуховые проходы, а для высокочастотных — нижняя челюсть. Обработку сигналов производит развитый мозг этих животных. Эхолокатор дельфина поражает необыкновенной точностью. На расстоянии, например, 20—30 м дельфин безошибочно указывает место, где упала дробинка диаметром 4 мм. Кроме месторасположения предмета дельфины могут различать форму предмета, их величину, структуру, а также скорость и направление движения. Животные без труда отличают свои сигналы от множества посторонних шумов и помех.
Использование в технике
Принцип устройства и функционирования локаторов дельфинов еще недостаточно исследован. И, несмотря на созданные человеком многие высокочувствительные технические системы гидроакустического поиска и обнаружения, гидролокаторы дельфинов остаются пока непревзойденными образцами гидролокационной техники.
7.2Живые радары. Эхолокация.
У некоторых животных слух «заменяет» зрение. Издавая звуки и чутко прислушиваясь к их отражению, они обнаруживают таким образом на расстоянии или в темноте добычу, врага, препятствие и прочее.
С помощью эха выискивают личинок жуков-короедов дятлы. Выстукивая длинным носом стволы деревьев, дятел «на слух» отыскивает внутри ствола ходы короеда. И прослеживая по звуку извилистый лабиринт, долбит именно в том месте, где прячется личинка. Таким же способом ищет себе личинок и жуков ночной житель мадагаскарских джунглей лемур аи-аи (руконожка). У руконожки очень длинные пальцы, особенно третий. Этим пальцем лемур тихонько выстукивает старые деревья и на слух определяет местоположение личинок.
С помощью только одного слуха в полной темноте летает и добывает пищу ночная сова сипуха. Особое устройство слухового аппарата позволяет ей не только улавливать малейшие шорохи, но и определить местонахождение источника звука, то есть ориентироваться.
Звуковой способ ориентации обнаружен и у птиц «вечной ночи»— гуахаро, живущих в темных пещерах Южной Америки. Кормиться эти птицы вылетают ночью. Во время полета гуахаро издают серию щелчков и по отраженной звуковой волне определяют местонахождение отдаленных предметов, а по времени между началом сигнала и возвращением эха — расстояние до них. Используют эхолокацию и широко распространенные в Юго-Восточной Азии стрижи саланганы, когда возвращаются после дневной охоты к своим гнездам, расположенным в темных пещерах. Ученые предполагают также возможность существования звуковой локации у некоторых насекомоядных животных и грызунов.
Использование в технике
Радары (радиолокационные установки) были созданы несколько десятков лет назад. С их помощью по эхо-сигналу, отраженному от удаленного объекта, устанавливают местонахождение объекта, направление и скорость его движения.
Крылатые эхолокаторы
Долгое время оставалась загадочной способность летучих мышей летать в абсолютной темноте и ловить «на ходу» насекомых, не задевая встречные предметы. Лишь в наше время благодаря специальной аппаратуре было установлено, что природа, создавая живые модели, наградила некоторые из них, в том числе летучих мышей, способностью издавать звуки, с частотой колебаний выше 20 тыс. герц, то есть ультразвуки, недоступные слуху человека. Беспрестанно издавая в полете ультразвуковые сигналы (импульсы) и воспринимая их эхо, отраженное от окружающих предметов, летучие мыши как бы ощупывают в темноте окружающее пространство, осуществляя ультразвуковое «видение». Рупором для распространения звука у летучих мышей семейства гладконосых служит рот, а у подковоносых — ноздри. Важную роль в распространении ультразвука у подковоноса играют причудливые образования вокруг ноздрей. Они действуют как отражатели, концентрируя ультразвуковые сигналы в узкий, расходящийся пучок, в то время как у гладконосых сигналы распространяются во всех направлениях. «Приемником» отраженного звука у летучих мышей являются их необыкновенно чуткие уши, которые у некоторых видов, например, ушанов, достигают значительных размеров.
Локатор летучих мышей высокоточен, надежен, ультраминиатюрен. Он всегда находится в рабочем состоянии и во много раз эффективнее всех локационных систем, созданных человеком. С помощью такого ультразвукового «видения» летучие мыши обнаруживают в темноте натянутую проволочку диаметром 0,12— 0,05 мм, улавливают эхо, которое в 2 тыс. раз слабее посылаемого сигнала, на фоне множества звуковых помех могут выделять полезный звук, то есть только тот, который им нужен.
Интересно, что некоторые ночные бабочки из семейства совок и златоглазки оказались также чувствительны к ультразвуковым сигналам. Они воспринимают импульсы летучих мышей на гораздо большем расстоянии, чем сама мышь, то есть несколько раньше, чем та их может обнаружить, и таким образом могут избежать опасности. А некоторые бабочки сами способны издавать ультразвуковые импульсы, которые отпугивают летучих мышей, предупреждая о несъедобности насекомого.
Использование в технике
На основе принципа эхолокации летучих мышей конструируются модели приборов-поводырей, фонарей, ультразвуковых очков-локаторов для слепых и т. п.
8.Практическая часть. Проведение экспериментов.
Я решила пойти по пути ученых и провести эксперименты по изучению акустических и оптических явлений.
Цель: изучить основные аспекты акустических и оптических явлений для понимания процессов восприятия звука и света в живых объектах.
Задачи:
-изучить строение и принцип работы зрительного и слухового анализаторов;
-собрать установки для изучения и демонстрации акустических и оптических явлений;
-рассмотреть влияние различных факторов на прохождение звуковых и световых волн в живых системах;
-выявить технические системы, в которых применяются закономерности строения и функционирования живых объектов.
8.1Эксперименты с оптическими явлениями.
Как возникает изображение.
Материалы и оборудование: коробка фотокамеры, линза f=+50 мм, свеча таблетка, зажимные движки, кювета, профильный рельс на ножках.
Результат: собрала установку, имитирующую распространение и преломление световых лучей, зажгли свечу и получили изображение на экране. Пучки света, исходящие от свечи, проходят в маленькое отверстие в стенке камеры, попадают на экран и формируют изображение. Изображение действительное, уменьшенное, перевернутое. После установки линзы между свечой и камерой и настройки фокусного расстояния, изображение становится резким.
Вывод: я смоделировала устройство и работу глаза позвоночного животного. Отверстие на камере-зрачок, линза-хрусталик, внутренняя стенка камеры-сетчатка. Регуляция фокусного расстояния и применение линз различного преломления позволяет добиться резкого изображения на экране камеры. Такое свойство нашего глаза называется аккомодация.
Для чего нужны очки
Материалы и оборудование: линза f=+100мм, линза f=-100мм, линза f=+200 мм, свеча таблетка, держатель для экрана и зеркала, экран из матового стекла, кювета, профильный рельс с зажимами.
Собрала конструкцию, демонстрирующую работу глаза при нормальном зрении. Линза имитирует хрусталик, а экран-сетчатку глаза.
Если расстояние между хрусталиком и сетчаткой не соответствует идеальным пропорциям, глаз не может четко видеть. Плоскость резкого изображения находится четко на экране. В живых системах это сетчатка, где расположены рецепторы, палочки и колбочки, преобразующие световые раздражители в нервные импульсы, там же возникает проекция изображения.
Некоторые глаза устроены иначе. При увеличении расстояния между экраном и линзой, а это возникает при удлинении глазного яблока (близорукости), изображение перестает быть отчетливым, плоскость резкого изображение лежит перед экраном.
Установив линзу с фокусом -100, мы вновь получаем резкое изображение на сетчатке.
В случае маленького расстояния между линзой и экраном (хрусталиком и сетчаткой), изображение тоже теряет четкие очертания, плоскость резкого изображения лежит теперь за экраном.
Установив линзу с фокусом +200, вновь возвращаем четкое изображение на экран.
Результат: научилась получать резкое изображение при разном фокусном расстояние, исправлять его с помощью рассеивающих и собирающих линз.
Вывод: людям с нарушениями зрения, связанными с анатомическими изменениями в глазном яблоке, могут помочь очки с выпуклыми (дальнозоркость) или вогнутыми (близорукость) линзами, возвращающими изображение на сетчатку глаза.
Все эти особенности строения и функционирования глаза использованы в конструкции оптической фототехники. Диафрагма-зрачок-регуляция светового потока, объектив-хрусталик-наведение резкости. Аккомодация-получение резких снимков на разном расстоянии от объекта.
Увеличение изображений.
Материалы и оборудование: оптическая лампа, держатель для диапозитива и диафрагмы, линза f=+50 мм, линза f=+100 мм, свеча таблетка, держатель для экрана и зеркала, диафрагма с отверстием в виде стрелки, белая пластмассовая пластина, экран из матового стекла, профильный рельс, держатели.
Собрала конструкцию, настроили изображение стрелки на диафрагме на белой пластине, выполняющей роль экрана. Используя линзы, добились четкого увеличенного изображения.
Проделала те же манипуляции с круглым отверстием на диафрагме.
Результат: я смогла получить увеличенное изображение на пластине. Для этого диафрагму со стрелкой нужно вставлять в держатель вверх ногами и в зеркально перевернутом положении. Человеческий глаз тоже фиксирует изображение на сетчатке в перевернутом виде, и только работа нашего мозга, зрительной доли коры больших полушарий переворачивает изображение в привычный для нас ракурс. Увеличенное изображение получилось при использовании линзы с большим фокусным расстоянием.
Вывод: любое изображение, в отличие от реального объекта, перевернуто, зеркально и имеет другой размер. Изменение фокусного расстояния позволяет получить увеличенное изображение.
Данный принцип увеличения изображения человек использовал в создании микроскопа. Линзу, обращенную к объекту, называют объектив, линзу, обращенную к глазу, окуляр.
Принцип увеличения и переворачивания изображения использовали при создании проекторов для показа слайдов.
Разложение света
Материалы и оборудование: оптическая лампа, держатель для диапозитива и диафрагмы, линза f=+100 мм, , столик на ножке, диафрагма с одной и тремя щелями, призма, профильный рельс, держатели, лист белой бумаги.
Собрала установку. Поместила призму в пучок света. Держа лист белой бумаги в качестве экрана на расстоянии примерно 30 см от рельса, попыталась уловить им цветное изображение с двух сторон от столика. Путем поворота или перемещения призмы добились четкого изображения цветных полос.
Результат: на экране можно различить красный, оранжевый, желтый, зеленый, синий, фиолетовые цвета в виде тонких полосок, это цвета спектра.
Вывод: Белый свет состоит из различных цветовых составляющих, волн разной длины. Эти волны по-разному преломляются призмой. Разложение белого света на цвета спектра называют дисперсией, это явление мы наблюдаем в радуге, в водопаде.
У многих животных покровы тела способны преломлять белый свет на разные части спектра, что позволяет им менять окраску и адаптироваться к изменениям среды. Человек использует эту особенность для создания особых покрытий для механических конструкций, которые будут менять цвет в зависимости от интенсивности работы участка конструкции.
8.2 Эксперименты с акустическими явлениями.
Возникновение и обнаружение звуковых волн.
Материалы и оборудование: штативный стержень, зажимный движок, профильный рельс, пружина, двойная муфта, столик на ножке, кювета, камертон, вода.
Собрали установку по схеме. Плоскую пружину устанавливаем в зажим на разном расстоянии, слегка нажимаем на головку пружины и отпускаем, наблюдаем. Укорачиваем свободный конец пружины до 4,3,2 и 1 см.
Результат: свободная часть пружины после нажатия совершает многократные колебательные движения. Чем короче свободный конец пружины, тем больше колебаний в секунду происходит. Начиная с длины края пружины примерно 5 см, движения воспринимаются как звук. При укорочении длины звук становится выше.
Вывод: колебания пружины распространяются в воздухе в виде звуковых волн. Источник звука производит звуковые тоны и шумы. Тон это слышимые колебания с определенной высотой звука. Шум не имеет определенной высоты звучания.
На столик, присоединенный к профильному рельсу, поставили кювету с водой. Сильно ударяли по камертону, затем, держа его наклонно, медленно приближали к поверхности воды одним концом. Снова сильно ударяли по камертону, и опускали оба его конца в воду.
Результат: в месте прикосновения камертона к воде начинают расходиться круги. Чем сильнее был удар по камертону, тем отчетливее видны круги.
Вывод: колебания камертона передаются в воде в виде поверхностных волн, если прикасаться к воде обоим концами камертона одновременно, то образующиеся волны перекрывают друг друга.
Подобным образом от слуховых косточек (молоточка, наковальни, стремечка) передаются звуковые колебания в улитку, далее распространяясь через жидкость улитки до слуховых рецепторов (волосковых клеток на внутренних мембранах улитки).
Человек применяет эту особенность при создании технических систем в гидроакустике, навигационных системах, эхолокаторах.
Давление звуковых волн
Материалы и оборудование: свеча таблетка, штативный стержень, зажимной движок, муфта, кювета, профильный рельс, фильтровальная трубка, воздушный шар.
Собрали установку. Перед большим отверстием трубы несколько раз ударяли в ладоши. Затем на широкий конец трубки надели отрезанный фрагмент воздушного шара наподобие мембраны барабана. Несколько раз щелкали по мембране, наблюдали за пламенем свечи.
Результат: в момент хлопка ладонями пламя сильно колеблется. После резких щелчков по мембране пламя резко колебалось, почти гасло.
Вывод: хлопок ладоней и удар по мембране вызывает резкое колебание воздуха, которое передается через трубку и достигает пламени свечи, возникает ударная волна.
Подобным образом передаются звуковые колебания через слуховой проход, вызывая уже механические колебания барабанной перепонки.
Слишком сильное звуковое давление (взрыв, выстрел, работа реактивного двигателя, громкая музыка) может вызвать повреждение чувствительных поверхностей (разбить оконные стекла, разорвать барабанные перепонки, повредить внутренние органы).
Распространение и передача звуковых волн.
Материалы и оборудование: штативный стержень, зажимной движок, муфта, профильный рельс, фильтровальная труба, камертон, фиксирующий зажим, столик на ножке, переговорная труба, ушные оливы.
Собрали установку по схеме. Ударили по камертону и поднесли его к уху, затем ударили еще раз и вплотную поднесли к верхнему отверстию в трубке. Оценивали изменение ощущений.
Ударили по камертону, поднесли его к уху, затем ударили еще раз и, держа его за ручку, осторожно поставили на поверхность столика. Оценивали изменения в воспринимаемом звуке.
Ударили по камертону и подержали его у уха, затем вставили оливу с переговорной трубкой в ухо, снова ударили по камертону и поднесли его к широкому отверстию фильтровальной трубы. Следили за изменениями в воспринимаемом звуке.
Результат: при поднесении камертона к отверстию в трубке звук слышится отчетливее. При установке камертона на столик звук стал гораздо громче.
Звучание камертона через переговорную трубу слышится гораздо громче и отчетливее.
Вывод: благодаря полому пространству внутри трубы большое количество частиц воздуха участвует в резонансных колебаниях и звук камертона усиливается. Крышка столика воспринимает звуковые колебания камертона, передает их, отсюда и возникает усиление звука. Переговорная труба также передает возникающие резонансные колебания, что приводит к усилению звука.
Лягушки надувают пузыри, резонаторы, для усиления звука. Тело, получающее импульс извне, начинает производить вынужденные колебания (мембрана микрофонов, громкоговорителей, барабанная перепонка и слуховые косточки). Передавать и усиливать колебания могут не только частицы воздуха, но и вода, благодаря этому киты, дельфины переговариваются в воде. Человек использует эту особенность при создании переговорных устройств, эхолотов, конструировании зданий с особой акустикой.
9. Заключение и выводы.
Мастерская природы — нерукотворный источник всего живого на нашей планете. Природа — гениальный конструктор, инженер, художник и великий строитель. Любое творение природы представляет собой высокосовершенное произведение, отличающееся поразительной целесообразностью, надежностью, прочностью, экономичностью расхода строительного материала при разнообразии форм и конструкций.
Мы постарались проанализировать некоторые направления развития бионики.
Основные направления работ по бионике охватывают следующие проблемы:
- изучение нервной системы человека и животных и моделирование нервных клеток (нейронов) и нейронных сетей для дальнейшего совершенствования вычислительной техники и разработки новых элементов и устройств автоматики и телемеханики (нейробионика);
- исследование органов чувств и других воспринимающих систем живых организмов с целью разработки новых датчиков и систем обнаружения;
- изучение принципов ориентации, локации и навигации у различных животных для использования этих принципов в технике;
- исследование морфологических, физиологических, биохимических особенностей живых организмов для выдвижения новых технических и научных идей.
Провели серию экспериментов, позволивших понять закономерности световых и звуковых явлений в живых системах и способы их перенесения в технические устройства.
Список литературы
под ред. Н. А. Бернштейна «Моделирование в биологии», пер. с англ., «Мир» , М., 1963.
Баевский Р. М., Парин В. В. «Кибернетика в медицине и физиологии», М., 1963.
Брайнес С. Н., Свечинский В. Б., «Проблемы нейрокибернетики и нейробионики», М., 1968.
Сб. ст., отв. ред. М. Г. Гаазе-Рапопорт, М., 1967.
Емельянов В.В., Курейчик В.В., Курейчик В.Н. «Теория и практика эволюционного моделирования». – М: Физматлит, 2003.
Игнатьев М. Б. «Артоника» Статья в словаре-справочнике «Системный анализ и принятие решений» изд. Высшая школа, М., 2004.
Крайзмер Л. П., Сочивко В. П., Бионика, 2 изд., М., 1968.
Мюллер, Т., Биомиметика: National Geographic Россия, май 2008, с. 112-135.
Интернет-ресурсы
- http://ru.wikipedia.org/ wiki/Бионика
- www.zipsites.ru/matematika_estestv_nauki/fizika/astashenkov_bionika/
-http://factopedia.ru/publication/4097
-http://roboting.ru/uploads/posts/2011-07/1311632917_bionicheskaya-perchatka2.jpg
-http://school-collection.edu.ru/catalog