II Международный конкурс научно-исследовательских и творческих работ учащихся

Старт в науке

БИОНИКА В МОЕЙ СЕМЬЕ

• Авторы
• Руководители
• Файлы работы
• Наградные документы

Стадник Я.И. 1

---

1МБОУ СОШ № 10

Филиппова М.Н. 1

---

1МБОУ СОШ № 10

Работа в формате PDF

1.8 MB

Автор работы награжден дипломом победителя II степени

Диплом школьникаСвидетельство руководителя

 Содержание

1. План исследований…………………………………………………3

2. Введение…………………………………………………………….5

   1. Сравнение птицы и самолета………………………………....5

   2. Применение морфологических, физиологических и биохимических особенностей живых организмов……………………………...7

3. Методика проведения исследования……………………………..12

4. Анализ результатов исследования………………………………..14

5. Выводы……………………………………………………………...24

6. Список использованных источников Интернет………………….26

7. Приложение 1……………………………………………………….27

План исследований

Проблема:

Бионика прочно вошла в дом каждого человека, но далеко не все об этом знают. Как выявить примеры использования этой науки в повседневной жизни моей семьи?

Гипотеза:

Соединение биологии и техники можно найти в быту и работе любого взрослого и учащегося.

Цель:

Выявить примеры и доказать использование элементов бионики в моей повседневной жизни и жизни моей семьи.

Задачи:

1. Изучить общеизвестные источники по теме и отобрать исследуемый материал.

2. Провести сравнительный анализ исследуемых объектов.

3. Подтвердить опытным путем и методом цифровой фотосъемки выявленные свойства материалов.

4. Проанализировать полученные результаты, выявить закономерности, оформить выводы.

5. Подтвердить или опровергнуть гипотезу.

Методика исследования:

-визуальное наблюдение и сравнение биообъектов с объектами и предметами техники;

-отбор материала для опытов;

- подтверждение свойств опытных образцов;

-цифровая съемка объектов при малом и среднем увеличении цифрового микроскопа МХ5 (10× , 60×);

-сравнение полученных образцов с научной статьей;

-составление сравнительных таблиц;

-анализ результатов и оформление выводов.

Библиография:

http://aviaciaportal.ru/zakljuchenie-samolet-i-ptica/

https://ru.wikipedia.org/wiki/Бионика

http://dic.academic.ru/dic.nsf/bse/69413/Бионика

Введение

Бионика — прикладная наука о применении в технических устройствах и системах принципов организации, свойств, функций и структур живой природы, формы живого в природе и их промышленные аналоги. Наука бионика делится на биологическую, теоретическую и техническую. Меня особенно захватила техническая бионика, применяющая модели теоретической бионики для решения инженерных задач. Захотелось найти такие готовые объекты и подтвердить достоверность аналогов в природе и технике.

Доисторический человек, наблюдая за окружающей природой, извлекал из нее некоторые уроки, помогавшие ему создавать полезные устройства. Арабские врачи додумались использовать хрусталь для увеличения изображения подобно хрусталику глаза. В какой-то степени элементы бионики вложены в изобретение колеса, ножа и других инструментов. Датой рождения бионики принято считать 13 сентября 1960 г. – день открытия в США Международного симпозиума «Живые прототипы искусственных систем – ключ к новой технике».

Направлений исследования бионики много, но я остановился на двух: изучение принципов ориентации, локации и навигации у различных животных для использования этих принципов в технике и исследование морфологических, физиологических, биохимических особенностей живых организмов для выдвижения новых технических и научных идей.

С первым направлением меня познакомил отец, так как он летчик и хорошо разбирается в современных летательных аппаратах и их особенностях. Второе направление мы изучали вместе с мамой и научным руководителем.

Сравнительный материал представлен в Анализе результатов исследования в Таблицах 1-4.

2.1. Сравнение птицы и самолета. Так к боевому самолету мне доступ запрещен, я использовал сборную модель самолета в масштабе 1:10.

Летающие животные, особенно птицы, были единственным доказательством того, что на аппаратах тяжелее воздуха можно летать. Подобный полет мог быть осуществлен с помощью машущих крыльев. Первым инженером, попытавшимся это осуществить, был Леонардо Да Винчи. Он пытался построить летательный аппарат с машущими крыльями, как у птиц. Создание «самолётов» Леонардо начал с изучения поведения в воздухе стрекозы, затем придумал машущее крыло, как средство отталкивания от воздуха. Необходимо было рассчитать силу человека, необходимую для поднятия в воздух махолета, общий вес которого должен был составлять около 90 кг.

Подвижные, могущие складываться крылья — это наилучшее средство, которым позвоночное животное может осуществить полёт. Машущее крыло птицы - сочетание несущих поверхностей и источника тяги в одном органе. Сочетание неподвижных несущих поверхностей и отдельно работающего пропеллера улучшили полет авиационной техники.

Птицы и самолеты могут летать благодаря эффекту Бернулли. Разрез крыла у них практически одинаковый: за счет сложной формы крыла создается разница обтекающих его сверху и снизу воздушных потоков, что позволяет телу подниматься вверх. Воздушный поток разрезается надвое передней кромкой крыла, и часть его обтекает крыло вдоль верхней и нижней поверхности. По мере набора самолетом скорости, возрастает направленная вверх разность давлений, и на крылья самолета действует нарастающая по мере разгона подъемная сила. Как только она начинает превышать силу гравитационного притяжения самолета к земле, самолет в буквальном смысле взмывает в небо. Эта же сила удерживает самолет в горизонтальном полете. Подобным образом взмывают вверх самые крупные летающие птицы: лебеди, орлы, буревестники.

Основоположник современной авиации Н.Е. Жуковский тщательно изучил элементы полета птиц и условия, позволяющие им парить в воздухе, и на этом основании появилась авиация.

Птицы, как и другие летающие животные, обладают преимуществом перед самолётом, могут по желанию менять площадь несущих поверхностей, придавая им всегда выгоднейшую величину и изменять угол атаки. В самолётостроении изменение площади и профиля крыльев в полёте ещё в стадии экспериментальных работ. Лишь сравнительно недавно применили в авиации предкрылок и одновременно узнали, что соответствующее приспособление, служащее цели увеличения подъемной силы при больших углах атаки (крылышко), имеют и птицы. Недавно также сделано предположение, что длинный, вилообразно вырезанный хвост ласточки может действовать, подобно закрылку на крыле самолёта.

Эта технология применяется на самолетах СУ-24 и МиГ-31, базирующихся в нашей военной части, где служит и мой папа.

2.2. Применение морфологических, физиологических и биохимических особенностей живых организмов можно найти в современной одежде и используемых предметах быта.

Я решил остановиться на одежде и приспособлениях, облегчающих нашу жизнь. Поэтому, во втором направлении я выбрал вещи, которые использую чаще всего: осеннюю куртку с застежками-липучками, зонт и предметы моей секции плавания: материал плавок, шапочки для плавания и ласт.

А) Водоотталкивающая мембранная куртка с застежками-липучками.

Из литературных источников известно, паучья нить – самое прочное натуральное волокно. Паутина обладает упругостью (способна растягиваться до 40% от исходной длинны) и прочностью – в несколько раз прочнее стали. Паук изготавливает водонепроницаемую накидку, чтобы защитить свои яйца. Такой кокон величиной с кулак имеет форму колокольчика и открывается снизу. Он состоит из того же материала что и нити паутины. Он представляет собой единую оболочку и защищает будущее потомство от непогоды и влажности. Паучья паутина состоит из шёлка определённых белков. Чтобы воссоздать эти свойства волокон, учёные использовали настоящие гены садового паука — они содержат белок, известный как канатный шёлк. Получившиеся таким образом искусственные волокна стали в шесть раз прочнее нейлона и стального волокна того же самого диаметра. Уже созданы экспериментальные образцы пуленепробиваемых жилетов, хирургических нитей, микропроводников, оптических волокон, специализированной защитной одежды для спасателей и военных.

Б) В дождь все привыкли использовать зонт или водонепроницаемый плащ.

Как и с кокона паука с защитной пленкой, с искусственного материала стекает вода, человек не промокает. Такие водоотталкивающие свойства стали использовать, подсмотрев сразу у нескольких живых организмов: пауков, водомерок, водоплавающих птиц, а соединение сразу нескольких уникальных качеств нашли у водного растения лотоса.

В середине 70-х годов прошлого века немецкими учеными-ботаниками Вильгельмом Бартхлоттом и Кристофом Найнуйсом было открыто явление самоочистки листьев и цветков некоторых растений. Этот феномен объясняется особым наноструктурированным¹ состоянием их поверхности. Впоследствии это явление ими было запатентовано и названо эффектом лотоса. Явление самоочистки детально исследовалось учеными и позволило открыть удивительные возможности природы защищаться не только от грязи, но также и от различных микроорганизмов. Данный эффект наблюдается не только у лотоса, но и у других растений (листья кактуса, капусты, камыша, водосбора, тюльпана), а также у насекомых (например, крылья стрекоз и бабочек). Они наделены природой свойством защиты от различных загрязнений, в большей степени неорганического (пыль, сажа), а также биологического происхождения (споры грибков, микробов, водоросли и т.д.). С помощью электронных микроскопов исследователями было обнаружено, что листья и цветки некоторых растений выделяют воскоподобное вещество кутин, который образует на поверхности особую структуру – нанорельеф² в виде «шипов». На таких поверхностях (например, листке или цветке лотоса) проявляются супергидрофобные³ свойства, вещества не прилипают, а полностью стекают с такой поверхности.

Защитные водоотталкивающие свойства оперения водоплавающих птиц в основном обусловлены их особой ребристой структурой, а не наличием на перьях защитных жироподобных веществ, тогда как в случае с поверхностью листа лотоса, эти свойства только дополняют друг друга. Известные многим своими возможностями легкого перемещения (скольжения) по поверхности воды, водяные клопы-водомерки также используют это природное явление, так как их тело и кончики ног покрыты не смачиваемыми в воде волосками, обеспечивающими их удивительные способности.

Такие свойства получила ткань болонья, полученная в Италии в начале 60-х годов. А в 1969 году Уилберт Гором и его сын Роберт Гор в США создали тонкую мембрану из пористого политетрафторэтилена или тефлона, физическая структура которого похожа на многослойную паутину. Эта мембрана водонепроницаема, но пропускает воду в газообразной форме. Сегодня получены более совершенные аналоги этих тканей.

Мембрана - это либо тончайшая плёнка, которая ламинирована (приварена или приклеена по особой технологии) к верхней ткани, либо специальная пропитка, жёстко нанесённая на ткань горячим способом при производстве. С внутренней стороны плёнка или пропитка может быть защищена ещё одним слоем ткани. Из-за особой химической структуры в виде плёнки с порами размером в несколько тысяч раз меньше капли воды, но больше молекулы воды, капли просто не проходит сквозь них и, таким образом, обеспечивают водонепроницаемость. При этом молекулы водяного пара проходят через поры свободно. При появлении пота возникает разница в давлении водяных паров под курткой и снаружи, и пар удаляется наружу. Такие мембраны назвали микропорными⁴. Другой тип мембран представляет собой плотную плёнку без всяких пор, не пропускающую воду. Эта плёнка выводит молекулы водяного пара за счёт связей специальных химических соединений. Эти мембраны назвали гидрофильными⁵.

Технология тканей основана на покрытии и пропитывании водонепроницаемых веществ, из 2-4 слоёв, нанесённых на внутреннюю сторону основы. После нанесения этих слоёв изделие с обеих сторон подвергается обработке силиконом, обладающим водоотталкивающим действием. Применяется для изготовления специальной одежды и обуви. В армии РФ уже внедряется мембранная одежда нового поколения «ратник».

В) Текстильная застёжка (в просторечии липучка, лента-контакт, «репейник») — изобретена в 1948 году швейцарским инженером Жоржем де Местралем. Де Местраль привык после прогулки с собакой снимать с её шерсти головки репейника. Однажды он рассмотрел их под микроскопом, благодаря которому увидел крохотные крючки, цеплявшиеся за шерсть. Так у де Местраля появилась идея застёжки-липучки. Позже изобретатель понял, что липучки лучше всего делать из нейлона. В1955 году де Местраль запатентовал своё изобретение. Первыми текстильные застёжки начали использовать космонавты, аквалангисты и горнолыжники. Сегодня ее применяет каждый. Она стала обычной деталью в швейной и обувной промышленности для одежды и обуви.

Г) Ласты и шапочка для плавания

Морфологические особенности строения задней конечности земноводных и китообразных при движении в воде бионика воплотила в таком предмете, как ласты. В народе один из способов плавания так и называется “по-лягушачьи”.

Ласты — приспособление для плавания (движитель) в форме плавника или весла. Надеваются на ноги (хотя известны и ручные ласты). В подводном плавании используется два варианта: обычные ласты, по одной на каждую ногу и моноласта — это две ласты, «срощенные» в одну. По причине того, что обе ноги крепятся вместе, стиль плавания в моноласте напоминает дельфина или рыбу: продвижение вперёд осуществляется за счёт волнообразных движений всего тела.

Современная шапочка для плавания приобрела обтекаемую форму многих водных организмов, осуществляющих движение в более плотной, по сравнению с воздухом, среде.

Так как я занимаюсь в секции плавания, часто использую ласты и шапочку для увеличения скорости движения в воде.

____________________________________________________________

Наноструктурированные¹ – это молекулярные величины 10^-9 (чрезвычайно малы).

Нанорельеф ² – это рисунок неровности, видимый в электронный микроскоп.

Супергидрофобные³ – сверхнепроницаемые, нерастворимые в воде.

Микропорные⁴ поверхности – очень малые, пропускают пар.

Гидрофильные свойства⁵ – растворимые в воде.

Полартек, симпатекс, флис, винд-блок⁶ – названия современных мембранных тканей по фирме-производителю, автору или предназначению.

Наночастицы⁷ – это молекулярные частицы 10^-9 (чрезвычайно малы).

Методика проведения исследования

Изучив разнообразный теоретический материал по данной теме, я остановился на разделе техническая бионика, применяющая модели теоретической бионики для решения инженерных задач.

Оказывается, очень много полезных вещей и предметов быта мы давно используем в повседневной жизни, но не задумываемся об этом. Мой отец военный летчик, поэтому, в первую очередь, мне было интересно познакомиться с принципами ориентации, локации и навигации у различных животных, в частности – у птиц и сравнить их с полетом самолета.

Полетные характеристики птиц я нашел в источниках, а сравнить их с характеристиками крыла и плоскости самолета помог отец.

Морфологические, физиологические, биохимические особенности живых организмов сегодня воплотились в новых тканях и материалах.

Кусочки образцов ткани моей новой мембранной куртки с застежками-липучками и специальном материалом подкладки как нельзя кстати подошли для опытного подтверждения свойств материалов.

Ученые в исследованиях опираются на показания электронного микроскопа и сложные опыты с материалами. У нас таких возможностей нет, но школьный цифровой микроскоп помог приоткрыть некоторые невидимые тайны.

Так как к новому изделию известных торговых марок прилагаются образцы тканей, мне не составило труда использовать именно эти образцы.

Вместе с учителем данные образцы рассмотрели в цифровой микроскоп МХ5 при малом и среднем увеличении (10×, 60×), сфотографировали (Приложение 1), систематизировали, сравнили с аналогами, выявили интересные свойства и распределили его по подтвержденным показателям. В левой части я поместил объекты природы, в правой – источники применения бионики в современной жизни (Таблица 1-4).

Опытная часть работы состояла в подтверждении описанных свойств тканей и материалов.

Мы выбрали 4 свойства: водоотталкивание капель; несмачиваемость, непромокаемость; пропускание пара; отталкивание частиц пыли и грязи.

В опытные образцы материи попали: подкладочная шелковая ткань, полартек, симпатекс, флис винд-блок⁶.

Опытные образцы пропустили через струю воды в сухом виде и после обработки пропиткой-спреем от влаги и грязи. Затем, с помощью пинцета, в течение нескольких секунд держали над паром кипящего чайника.

Сравнительные показатели представлены в Анализе результатов.

Результаты фотосъемки представлены в Приложении 1(Фото 4-20) .

Анализ результатов исследования

I Сравнение принципов ориентации, локации и навигации:

Таблица 1

II Сравнение морфологических, физиологических, биохимических особенностей живых организмов с техническими новинками:

Таблица 2

III Сравнение морфологических и физиологических особенностей водных организмов со спорт-инвентарем

Таблица 3

IV Опыты – Подтверждение свойств ткани куртки

Таблица 4

Выводы

1. Я сравнил некоторые характеристики СУ-24 с полетом птицы и выявил более 10 общих признаков: крылья, способность к полету, хвост, обтекаемая форма, подъемная сила, несущая поверхность, предкрылок – закрылок и их свойства (Таблица I, Приложение 1, Фото 1). Летательные аппараты - самолеты, повторяют путь полета птицы.

1. Поверхность крыла самолета обладает эффектом водоотталкивания, самоочистки за счет шершавой поверхности (Приложение 1, Фото 2-3).

2. Строение застежки-липучки действительно повторяет крючочки репейника и является его прообразом.

3. Современные мембранные ткани: полартек, симпатекс, флис, силикон получили водоотталкивающие свойства благодаря природным аналогам: паутины паука, движения по воде водомерки, пера птицы.

4. Эффект лотоса частично проявился в ткани крупного плетения флиса, полностью – в мембранных тканях, силиконе.

5. Натуральная шелковая ткань, полученная из коконов насекомого шелкопряда, не обладает свойствами паучьих коконов.

6. При покрытии пропиткой-спреем от влаги и грязи ткани куртки и зонта, водоотталкивающие свойства изделия увеличиваются.

7. Обтекаемая форма ласт в точности повторяет лапку лягушки.

Методы сравнения, анализа и цифровой фотосъемки помогли точно установить особенности строения тканей, опыты - некоторые ее свойства.

Гипотеза подтвердилась: элементы бионики можно найти в повседневной жизни каждого члена моей семьи, и я с успехом применяю их в своей жизни.

Полагаю, что за этой современной наукой будущее.

Список использованных источников Интернет

http://aviaciaportal.ru/zakljuchenie-samolet-i-ptica/

https://ru.wikipedia.org/wiki/Бионика

http://dic.academic.ru/dic.nsf/bse/69413/Бионика

http://biofile.ru/bio/16450.html

http://scilib.narod.ru/Avia/Gladkoff/flights.htm

http://www.irbis.spb.ru/reviews.php?a=37

http://www.ski.ru/static/131/2_21964.html

https://ru.wikipedia.org/wiki/%D2%E5%EA%F1%F2%E8%EB%FC%ED%E0%FF_%E7%E0%F1%F2%B8%E6%EA%E0

http://festival.1september.ru/articles/614873/

http://www.nanometer.ru/2009/05/09/effekt_lotosa_155233.html

http://www.liveinternet.ru/users/4819082/post244146158/

https://ru.wikipedia.org/wiki/%D0%9F%D0%B0%D1%83%D1%82%D0%B8%D0%BD%D0%B0

http://seahunter.ru/news/fins_for_spearfishing/

http://bioword.ru/L/L047.htm

Приложение 1

Фото 1 Угол крыла модели самолета (увеличение ×10)

Фото 2-3 Поверхность крыла и плоскости модели самолета (увеличение ×60)

Фото 4-5 Шелковая ткань (увеличение ×10 и ×60)

Фото 5-6 липучка-застежка зонта (увеличение ×10)

Фото 7-8 липучка-застежка зонта (увеличение ×60)

Фото 9-10 липучка-застежка на куртке (увеличение ×10)

Фото 11-12 липучка-застежка на куртке (увеличение ×60)

Фото 13-14 флис (увеличение×10)

Фото 15-16 ткань симпатекс, 2 стороны (увеличение ×10)

Фото 17-18 ткань полартек, 2 слоя (увеличение ×10 и ×60)

Фото 19-20 ткань зонта (увеличение ×10 и ×60)