XVIII Международный конкурс научно-исследовательских и творческих работ учащихся
Старт в науке
Бионика. Стандарты природы.
Автор работы награжден дипломом победителя III степени
Полная версия работы доступна во вкладке "Файлы работы" в формате PDF
ВВЕДЕНИЕ
В жизни мы часто используем подсказки природы. Крылья самолета копируют крылья птиц. Корпуса лодок имитируют толстую кожу дельфинов. Нам стало интересно, какие ещё достижения прогресса так или иначе скопированы с природных объектов. (Приложение А).
Заглянув в источники информации, нам удалось узнать, что существует наука – бионика. Она изучает особенности строения и жизнедеятельности организмов с целью создания новых приборов, механизмов, систем, архитектурных объектов и совершенствования существующих.
Нами была выдвинута гипотеза – изучение природных подсказок и явлений помогает создавать различные архитектурные объекты.
Мы определили цель работы: изучение природных явлений в архитектурных объектах Калининского района г. Челябинска.
Для выполнения цели мы поставили задачи:
Изучить понятие «бионика».
Определить архитектурные объекты, где используется бионика.
Провести исследование по определению значимости бионики в жизни человека.
Выявить объекты исследования и создать 3д макет карты местности Калининского района г. Челябинска.
Разработать и собрать в домашних условиях модель здания бассейна в бионическом стиле.
Объект исследования: архитектурно-строительная бионика.
Предмет исследования: архитектурные объекты, находящиеся на территории Калининского района г. Челябинска, модель здания бассейна.
В ходе работы мы использовали методы: изучение научно-популярной литературы и средств Интернета, наблюдение в живой природе за природными объектами, создание 3д макета карты местности Калининского района, выявление объектов исследования на созданной карте, анализ собранной
3
информации, обобщение сведений, разработка объекта бионической архитектуры в домашних условиях.
Актуальность работы заключается в том, что человек с давних времен пользуется природными подсказками для создания определенных условий для своего существования. Природные подсказки используются в медицине, в проектировании и создании различных зданий и сооружений, в разработке военной техники и т.д. Цель бионики - улучшить качество жизни человека! Бионическая архитектура является перспективным направлением в развитии строительства, потому что, каждое живое существо на планете является совершенной работающей системой, приспособленной к окружающей среде. Жизнеспособность таких систем - результат эволюции многих миллионов лет. Раскрывая секреты устройства живых организмов, можно получить новые возможности в архитектуре сооружений. Бионика призвана решать инженерно-технические задачи, основываясь на результатах исследований живой материи. Так же в век экологических катастроф, бионика работает по принципу экономии материала и энергии, тем самым помогая сохранять экологию.
ОСНОВНАЯ ЧАСТЬ
1. Теоретическая часть
1.1. Что такое бионика?
Бионика — это наука о создании искусственных систем, обладающих некоторыми характеристиками живых систем.
Бионика — это применение биологических методов и систем, встречающихся в природе, для изучения и проектирования инженерных систем и современных технологий. [1]
Открыв словарь С. И. Ожегова, нам удалось выяснить, что бионика - (от греч. Biōn – элемент жизни, буквально – живущий) - это наука, пограничная между биологией и техникой, решающая инженерные задачи на основе моделирования структуры и жизнедеятельности организмов. Бионика тесно связана с биологией, физикой, химией, кибернетикой и инженерными науками – электроникой, навигацией, связью, морским делом и др. [4]
Соединение «БИОлогия» и «техНИКА» означает «учиться у природы технике завтрашнего дня», которая принесет большую пользу человеку и природе. Появление науки способствовало более широкому изучению строения и функций живых систем. Это помогло выяснить их сходства с техническими системами, а также использовать полученные сведения о живых организмах для создания новых приборов, механизмов, материалов, архитектурных объектов.
1.2. История развития науки
Датой рождения бионики принято считать 13 сентября 1960. В Дайтоне (США) состоялся первый симпозиум на тему «Живые прототипы искусственных систем – ключ к новой технике», который официально закрепил рождение новой науки. (Приложение Д). [2] [5]
Эмблемой бионики являются скальпель и паяльник, соединённые знаком интеграла. Скальпель — символ биологии, паяльник — техники, а интеграл объединяет обе отрасли науки. Девиз бионики – «Живые прототипы – ключ к новой технике». (Приложение Б).
Отцом бионики называют Леонардо да Винчи. В записях этого гения можно найти первые попытки технического воплощения природных механизмов. Чертежи да Винчи иллюстрируют его стремление создать летательный аппарат, способный двигать крыльями, как при полёте птицы. В своё время такие идеи были слишком дерзкими, чтобы стать востребованными. Они заставили обратить на себя внимание значительно позже. (Приложение В). [5]
Первым, кто стал применять принципы бионики в архитектуре, был Антони Гауди-и-Курнет. Архитектурные сооружения по проектам великого Гауди впечатляли в момент их сооружения, и такой же восторг они вызывают через много лет у современных наблюдателей. (Приложение Г).
Следующим, кто поддержал идею симбиоза природы и технологий, стал Рудольф Штайнер. Под его руководством началось широкое применение бионических принципов в проектировании зданий.
Год за годом бионические принципы все больше внедряются в наш быт. Современная бионика позволяет копировать миниатюрные природные конструкции с детальной точностью.
1.3. Архитектурно-строительная бионика
Одним из направлений бионики является архитектурно-строительная бионика. На протяжении всей истории человек сознательно или интуитивно обращался к живой природе, которая помогала ему решать самые различные проблемы. Например, хижина индейцев напоминает термитник, оформление колонн храмов Древнего Египта создавалось по аналогии с формами цветов лотоса и папируса, а знания о строении стеблей злаков человек использовал для строения современных высотных сооружений. Стебли злаковых растений способны выдерживать большие нагрузки и при этом не ломаться под тяжестью соцветия. Если ветер пригибает их к земле, они быстро восстанавливают вертикальное положение. В чем же секрет? Оказывается, их строение сходно с конструкцией современных высотных фабричных труб. (Приложение Е). [3]
Наука постепенно развивалась, все больше усложняя архитектурные строения. В каких же известных творениях была использована наука бионика? Примеры таких сооружений несложно отыскать. Взять хотя бы процесс создания Эйфелевой башни. Долгое время ходили слухи, что этот 300-метровый символ Франции построен по чертежам неизвестного арабского инженера. Позже была выявлена полная её аналогия со строением большой берцовой кости человека. Кроме неё во всём мире можно найти множество примеров бионических сооружений:
Пекинский национальный оперный театр - имитация водяной капли.
Плавательный комплекс в Пекине. Внешне повторяет кристаллическую структуру решётки воды. Удивительное дизайнерское решение совмещает и полезную возможность конструкции аккумулировать энергию солнца и в дальнейшем использовать её для питания всех электроприборов, работающих в здании.
Небоскрёб "Аква" внешне похож на поток падающей воды. Находится в Чикаго.
Дом основателя архитектурной бионики Антонио Гауди - это одно из первых бионических сооружений. До сегодняшнего дня он сохранил свою эстетическую ценность и остаётся одним из самых популярных туристических объектов в Барселоне. (Приложение Ж).[5]
Изучив примеры бионических сооружений, мы задались вопросом: так какие же основные элементы характерны для архитектурной бионики? Для современной архитектурной бионики характерно использование экологически чистых материалов и строительных конструкций, безопасных для человека. При этом во внешней форме строений используются плавные линии без острых углов, а элементы конструкций напоминают либо копируют структуры живых организмов.
ПРАКТИЧЕСКАЯ ЧАСТЬ
2.1. Создание 3д макета карты местности, определение объектов исследования, в архитектуре которых заимствованы природные подсказки
Для достижения цели работы мы использовали программу TinkerCAD
В ходе работы мы изучили карту местности и создали 3д проект карты архитектурных строений, расположенных в Калининском районе г. Челябинска (Приложение И).
Далее мы пронумеровали объекты исследования:
№ 1 – Челябинский государственный театр кукол им. В. Вольховского
№ 2 – Челябинский государственный цирк
№ 3 – Государственный исторический музей Южного Урала
№ 4 – Новая Набережная р. Миасс
2.2. Исследование выявленных объектов
№ 1 – Челябинский государственный театр кукол им. В. Вольховского
Здание имеет конусообразную форму крыши, которая встречается в конструкциях крон и стволов деревьев, грибов. Данная форма использована с целью сопротивления ветровым нагрузкам и действию силы тяжести. В интерьере холла театра используются обтекаемые формы, плавность линий, светящиеся шарики, напоминающие огромные дождевые капли, светодиодная лента, как своеобразный элемент сверчка, подсветка в виде веток, продолжающая тему сказочного леса, из водной глади берутся и гармонично вписываются зеркальные и глянцевые поверхности.
Таким образом, театр кукол – современный объект бионической архитектуры. (Приложение К).
№ 2 - Челябинский государственный цирк
Купол цирка напоминает радиолярию - одноклеточный организм, который обитает в теплых океанических водах. По типу решетки радиолярии выполняются проекты строительных конструкций с перекрытием большой площади, наглядный тому пример - Челябинский государственный цирк.
Таким образом, делаем вывод , что при строительстве здания использовались бионические идеи. (Приложение Л).
№ 3 - Государственный исторический музей Южного Урала
Музей построен в 2006 г на набережной реки Миасс. Музейное здание находится на том месте, где в первой половине XVIII века была основана крепость Челябинска. Поэтому не случайно внешний вид здания напоминает крепостные стены и башни.
Здание построено с использованием конусообразных форм, которые встречаются в строениях грибов и деревьев. Огромную площадь занимают витражные окна, как продолжение реки, светлые тона указывают на единение с природой, а зеленый отблеск окон, как олицетворение лесных просторов.
Изучив объект, делаем вывод, что и здесь нашли свое применение природные подсказки. (Приложение М).
№ 4 – Новая Набережная р. Миасс
Этот арт-объект с первого взгляда подтверждает своё «бионическое» происхождение:
Много дерева (лавочки, скамейки, качели), что характерно для бионических объектов
Плавные, округлые формы объектов на ее территории
Много растительности
Простое и понятное зонирование
Важная часть набережной — бульвар с газонами, детскими и спортивными площадками. Прогулочное пространство похоже на тропинку в лесу, по краям которой расположились огромные камни, как еще одно доказательство связи с природой. (Приложение Н).
Таким образом, изучив основные принципы бионики, мы смогли доказать, что подсказки природы так или иначе заимствованы при строительстве и реконструкции архитектурных объектов на территории Калининского района г. Челябинска.
2.3. Сборка объекта бионической архитектуры в домашних условиях
Я занимаюсь плаванием. Исходя из этого, мы решили в домашних условиях разработать и собрать здание бассейна, с использованием бионических идей в архитектуре.
Для работы нам понадобилось:
8 листов бумаги, картон формата А4, карандаш, ножницы, канцелярский нож, лист фанеры толщиной 20мм, рейка круглая диаметром 20мм, струбцина, шуруповерт, лобзик, наждачная бумага, саморезы 3,9*39, белая акриловая краска, кисть, клей ПВА, строительный степлер, зубочистки.
В ходе работы мы:
Выбираем форму будущего здания, наносим ее на бумагу, вырезаем шаблон, с помощью шаблона наносим разметку на фанеру. (Приложение П).
С помощью струбцины и лобзика выпиливаем заготовки, распиливаем круглую рейку по размерам планируемого крепления. Используя наждачную бумагу, шлифуем поверхность и углы заготовок. (Приложение Р).
Собираем будущее здание. Красим полученную конструкцию. (Приложение С).
Наносим на картон форму будущих окон бассейна (за основу взяли структуру воды). С помощью канцелярского ножа вырезаем оконные проемы. (Приложение Т).
Закрепляем строительным степлером витражное остекление.
Добавляем на крыше решетку, выполняющую функцию отвода влаги из помещения бассейна.
Наш архитектурный объект готов! Собранное здание не имеет привычной геометрической формы, он напоминает объект живой природы. Мягкие плавные линии стен, окон, перетекая друг в друга, создают ощущение движения, стены подобны живым мембранам. Игра меняющихся вогнутых и выпуклых поверхностей стен сооружения создает ощущение дыхания здания. (Приложение Ф).
ЗАКЛЮЧЕНИЕ
В ходе работы мы изучили науку под названием бионика.
Мы установили, что она имеет огромное значение в жизни человека.
В ходе исследования было выяснено, что идеи бионики находят широкое применение при строительстве архитектурных объектов.
Результатом нашей работы явился анализ собранной информации для последующего доказательства применения идей бионики в архитектуре нашего города, самостоятельно спроектированное и собранное здание бассейна с использование бионических идей.
Мое выступление в классе по данной теме очень заинтересовало одноклассников. Они подробно расспрашивали, где еще применяется бионика, откуда я узнал о данной теме и планирую ли дальше развивать ее. Здание бассейна стало украшением нашего класса.
Таким образом, цель и задачи нашей работы выполнены, гипотеза подтвердилась.
СПИСОК ЛИТЕРАТУРЫ
1. Гармаш, И.И. Тайны бионики / И.И. Гармаш. – Киев: Рад. шк., 1985. – 176 с., ил.
2. Литинецкий, И.Б. Беседы о бионике / И.Б. Литинецкий. - М.: Наука, 1968. – 592 с.
3. Моделирование в биологии, пер. с англ. / под ред. Н. А. Бернштейна. - М.: Иностранная литература, 1963. – 300 с.
4. Ожегов, С.И. Словарь русского языка / под ред. Н.Ю. Шведовой. — М.: Русский язык, 1989. – 924 с.
5. Интернет-ресурсы:
«АРХИТЕКТУРНАЯ БИОНИКА». - studbooks.net›2329823/nedvizhimost...
«Бионика: задачи, применение и перспективы». - https://medbe.ru/news/raznoe/bionika-zadachi-primenenie-i-perspektivy/
«Бионика в технике». - https://studfile.net/preview/9953639/page:7/
«Бионика - это какая наука? Что изучает бионика? Применение бионики». -https://fb.ru/article/188187/bionika---eto-kakaya-nauka-chto-izuchaet-bionika-primenenie-bioniki
«Примеры бионики в архитектуре. Научный и художественный подход». - papamaster.su›sovremennye-primery-..
Узнайте что такое архитектурная бионика». - spets-stroy-portal.ru›arhitektura/...
ПРИЛОЖЕНИЕА
Подсказки природы
ПРИЛОЖЕНИЕ Б
Эмблема бионики
ПРИЛОЖЕНИЕ В
«Отец» бионики
ПРИЛОЖЕНИЕ Г
Первый в бионике
ПРИЛОЖЕНИЕ Д
Становление науки
ПРИЛОЖЕНИЕ Е
Стандарты природы
ПРИЛОЖЕНИЕ Ж
Примеры бионических сооружений
ПРИЛОЖЕНИЕ И
З д макет карты местности, объекты исследования
ПРИЛОЖЕНИЕ К
Челябинский государственный театр кукол им. В. Вольховского
ПРИЛОЖЕНИЕ Л
Челябинский государственный цирк
ПРИЛОЖЕНИЕ М
Государственный исторический музей Южного Урала
ПРИЛОЖЕНИЕ Н
Новая Набережная р. Миасс
ПРИЛОЖЕНИЕ П
Определение формы будущего здания
ПРИЛОЖЕНИЕ Р
Подготовка заготовок
ПРИЛОЖЕНИЕ С
Сборка и покраска конструкции
ПРИЛОЖЕНИЕ Т
Подготовка оконных проемов
ПРИЛОЖЕНИЕ Ф
Архитектурный объект готов!