ПРИРОДА И ИНЖЕНЕР

II Международный конкурс научно-исследовательских и творческих работ учащихся
Старт в науке

Личный портфель

ПРИРОДА И ИНЖЕНЕР

Серяков В.В. 1
1МБОУ Курно-Липовская СОШ
Ткачева М.В. 1
1МБОУ Курно-Липовская СОШ
Автор работы награжден дипломом победителя III степени
Диплом школьникаСвидетельство руководителя
Текст работы размещён без изображений и формул.
Полная версия работы доступна во вкладке "Файлы работы" в формате PDF

  ВВЕДЕНИЕ

Живая природа – гениальный инженер, технолог, конструктор, строитель и великий зодчий. Миллионы лет она совершенствовала и отрабатывала свои творения. С незапамятных времен природа служила человеку источником вдохновения в его стремлении к научному и техническому прогрессу. В течение всей истории человечества люди учились у природы, копировали ее «изобретения». Еще древнегреческий философ Демокрит отмечал: «От животных мы путем подражания научились важнейшим делам, а именно, мы ученики паука в ткацком и портняжном ремеслах, мы ученики ласточек – в построении жилищ и певчих птиц – в пении. Природа сама научает нас сельскому хозяйству…».

Прочитав это высказывание, я задумался, интересно насколько общи законы управления и связи в сложнейших машинах и в живом организме.

Многие сотни лет человек задавал природе миллионы вопросов. Это точно было подмечено поэтами:

Гоняет, как собак,

В ненастье, дождь и тьму

Пять тысяч «что», семь тысяч «как»,

Сто тысяч «почему».

«Почему так устроено?», «Как повторить принцип?» - стали основными, важнейшими вопросами бионики – науки, изучающей живую природу с целью получения знаний для практической деятельности человека. Бионика объединяет старания физиков и математиков, проникающих вместе с биологами в тайны живых организмов, чтобы открывать новые технические принципы и на их основе создавать новые инженерные устройства. Творцы сложнейших приборов заимствовали идеи конструирования у живых «приборов», созданных природой и отлаженных веками безжалостной борьбы за жизнь.

Физические методы исследования широко используются при изучении живой природы, а их своеобразие вызывает к жизни новые, более совершенные методы исследований.

  • ...Некоторые рыбы ощущают стомиллиардную долю пахучего вещества в одном литре воды? Это все равно, что уловить присутствие 30 г такого вещества в целом Аральском море.

  • ...Отдельные виды микробов реагируют даже на слабое изменение радиации?

  • …Обыкновенный черный таракан радиацию видит?

  • …А как велика «комариная сила»! Комар развивает при укусе удельное давление до 1 миллиарда кг/см2? Сравнение с 16-килограммовой гирей, имеющей основание 4 см2 и дающей удельное давление всего 4 кг/см2.

  • …Нильская рыба мормирус с помощью электромагнитных колебаний «прощупывает» свой путь в воде…

Не правда ли, удивительный перечень? И его можно еще и еще продолжить не менее удивительными примерами.

Задача моего исследования: показать на примерах, чему учился человек у природы, как копировал «естественные» изобретения и использовал при создании искусственных устройств на благо человека.

  1. ПРИРОДА И ИНЖЕНЕР
    1. МЕДУЗА И ПРЕДСКАЗАТЕЛЬ БУРЬ

В качестве первого объекта рассмотрим медузу, которая по многочисленным наблюдениям ученых, задолго до приближения шторма старается уйти в безопасные места.

Как это простое животное, узнает о приближении шторма задолго до его начала? Оказывается, у медузы есть инфраухо – это стебелек, расширяющийся на конце. В этом расширении, похожем на колбу и наполненном жидкостью, плавают камешки, которые опираются на кончик нерва. Жидкость в колбочке колеблется с определенной частотой. Когда приближается шторм в океане, частота колебаний воды океана изменяется, и в какой-то момент времени совпадает с частотой колебаний жидкости в колбочке. Наступает резонанс. В итоге: камешки приходят в движение, раздражают нервные окончания. Возбуждение передается в нервный центр. Медуза торопиться уйти в открытое море, чтобы не разбиться о скалы или не быть выброшенной на берег.

На основе принципа действия «уха» медузы был разработан прибор – предсказатель бурь (разработчик – кафедра биофизики МГУ им. М.В.Ломоносова).

Прибор состоял из рупора, который улавливал колебания воздуха частотой около 10 Гц; резонатора, пропускающего именно эти частоты; пьезодатчика, превращающего пойманные сигналы в импульсы электрического тока; усилителя и измерительного прибора. С помощью этого прибора о приближении шторма можно было узнать за 15 часов до начала. Вскоре в СКБ ЛГПИ им. Герцена был создан сейсмограф – прибор, позволяющий определять колебания почвы.

  1.  
    1. ЛЕТУЧАЯ МЫШЬ И ЭХОЛОКАТОР

Перед второй мировой войной инженеры разработали и реализовали принцип радиолокации. Они даже не подозревали, что технические проблемы, с которыми им пришлось столкнуться, были «разрешены» природы. Даже зоологи знали только, что крохотные летучие зверьки могут ориентироваться в темноте. Но как? Это оставалось загадкой, пока над ней не задумался биолог и физиолог Ладзаро Спалланцани (XVIII в.). Именно он установил, что ночное видение у летучих мышей связано с функцией органа слуха и ротовой полостью. Каким образом это происходит, он объяснить не смог. Дональд Гриффин – американский ученый, основываясь на принципах локации, разработанных инженерами, а также физических понятиях звука и ультразвука объяснил, что летучи мыши обладают совершенными органами эхолокации.

У мышей сильная мускулатура гортани создает натяжение тонких и тугих голосовых связок, в гортани возникают высокочастотные колебания воздуха – ультразвук. При полетах зверьки непрерывно излучают ультразвуковые импульсы, направленные в сторону полета. Эти ультразвуки хорошо отражаются от совсем малых препятствий, ввиду небольшой длины волны. В открытом пространстве эти импульсы сравнительно долгие и редкие. Мышь не рискует столкнуться с препятствием, и в то же время это способствует обнаружению добычи. Но стоит локационному импульсу отразиться от какого-либо препятствия: ветви дерева или крохотного комара, как локатор тотчас же меняет режим работы: чем ближе объект, тем выше частота излучения и короче импульсы. К сожалению, иногда ультразвук становится причиной того, что сами мыши становятся добычей сов, которые также хорошо его воспринимают.

Так со значительным опозданием, когда принцип локации уже был открыт, был обнаружен и исследован «прототип» в живой природе. Конечно, это не значит, что дальнейшее изучение локационного аппарата летучей мыши было прекращено. Ясно, что он не только высокоточен и надежен, но и энергетически экономичен, миниатюрен и чрезвычайно легок. Для него характерно изменение режима работы в зависимости от обстановки, - что важно с точки зрения экономии энергии и может служить хорошим прототипом для решения проблемы создания локаторов с переменным режимом работы, т.е. своего рода адаптивных локаторов.

  1.  
    1. ЗМЕЯ И ТЕРМОЛОКАТОР

Уже давно люди заметили, что гадюка, кобра и другие виды ядовитых змей даже ночью без промаха нападают на свою жертву. Ученые, тщательно изучив строение головы змеи, выяснили, что на ее морде есть микроскопические отверстия, которые ведут в терморецепторный орган, расположенный несколько ниже глаз. С помощью такого приспособления ей удается чувствовать разность температур буквально на одну тысячную долю градуса, в сравнении с терморецепторами кожи человека способной различать только десятые доли. Термолокатор гремучей змеи высокочувствителен: он реагирует на сигналы мощностью порядка миллионной доли ватта.

Ученые и инженеры подробно изучили принцип термолокации змей и создали приборы термолокаторы, подобные природным.

Простейшей моделью термолокатора является термопара.

Еще более чувствительный прибор можно изготовить на основе свойств полупроводников, способных изменять свое сопротивление при нагревании. Термистор очень чувствителен: человека, закурившего сигарету, он обнаруживает на расстоянии полкилометра.

Надо заметить, что инженерам удалось сконструировать инфракрасные детекторы, обладающие гораздо большей чувствительностью, чем детекторы змей. Принцип термолокации все шире используется в технике и быту. На его основе была создана специальная служба тепловидения. Она необходима в том случае, если использование обычных приборов для определения происшествия затруднено. Например, под слоем дерна горит торф. Вот и приходит на помощь служба тепловидения.

  1.  
    1. БАРОМЕТРЫ: ПРИРОДА И ТЕХНИКА

«Идеальными барометрами» служат мелкие рыбки, которые обитают в глубинах у берегов Японии. Они безошибочно и заранее реагируют на всякое даже маломальское изменение погоды. Капитаны океанских лайнеров, зная об особенностях этих красивых рыбок, держат их у себя аквариуме и с целью предвидения погоды следят за их поведением.

Очень интересен с этой точки зрения и вьюн, который отличается большой восприимчивостью к изменениям барометрического давления. Эта рыба за сутки до ненастья поднимается к поверхности воды.

В чем секрет этого умения? Оказывается, у всех них оригинально устроен плавательный пузырь, который воспринимает малейшие атмосферные изменения. Чувствительность рыбок находится на пределе возможностей технических систем.

Еще одно животное также является природным синоптиком. Это – лягушка. Земноводное располагает тонкой и чуткой системой определения малейших перепадов давления. Эту особенность заметили жители африканских племен. Местные жители увидели, что древесные лягушки выходят из воды и взбираются на деревья перед началом сезона дождей. Ошибки в лягушачьем предвидении бывали крайне редкими, т.к. если бы их «прогноз» оказался ошибочным – икра бы высохла, и потомство погибло. Кроме того, у лягушки кожа очень легко испаряет влагу. Если сухой воздух - то кожа быстро обезвоживается, поэтому лягушка сидит в воде, когда дело идет к теплу. Иначе, если собирается дождь, она вылезает на поверхность: обезвоживание ей не грозит.

О приближении холодной погоды заблаговременно сигнализируют пчелы. Если предстоящая зима ожидается холодной, они залепляют леток, оставляя еле заметное отверстие, а если теплая – оставляя его открытым.

Опираясь на знания обо всех этих «живых приборах» человек создал различные устройства: гигрометр, психрометр, барометр и т.п.

  1. БИОЛОГИЯ И ПРОБЛЕМЫ ТЕХНИКИ

Природа не "изобрела" ни колеса в том виде, в котором мы его привыкли видеть, ни гребного винта, ни пропеллера, ни многих других устройств, широко применяемых в настоящее время в различных видах транспорта. Ни одна отрасль техники так не обязана природе своим возникновением и стремительным развитием, количеством заимствованных у нее идей и методов, как современный транспорт во всем его многообразии.

Научившись летать, человек превзошел птиц по скорости полета в 1912 году, по высоте – 1916 г. и по дальности – в 1924 году.

Экономичность же воздушных лайнеров, переносящих за несколько часов сотни пассажиров через моря и океаны, все еще отстает от птичьей. Их особенности полета особенно хорошо проявляются во время длительных миграций. Например, чибисы перелетают из Англии в Ньюфаундленд через Атлантический океан, покрывая расстояние в 3500 км без остановки. Удивительным кажется перелет кроншнепов, гнездящихся на Аляске и зимующих на Гавайских островах, на островах Таити и т. п. Весь путь протяженностью в 9500 км (кроме того, более 3000 км над морем), они проделывают без отдыха. Некоторые буревестники, гнездящиеся на островах Тристак-да-Кунья, отстоящих от ближайшей суши на 2400 км, проделывают путь в одну сторону более 10 000 км. За время своего "беспосадочного" перелета они проделывают огромную мышечную работу. Так, например, перелет мелких певчих птиц через Сахару длится 30-40 час. За это время каждая пернатая путешественница при 4 - 5 взмахах крыльев в секунду поднимает и опускает их около 500 тысяч раз!

Для пассажирских "тяжеловесов", таких как, скажем, "Боинг-777" или «А-340», 10 тысяч километров не предел, а гигант «А-380» в состоянии без промежуточной посадки доставить почти шестьсот человек даже на 15 тысяч км. Но какой ценой достается этот комфорт? Рассчитали, что на каждый килограмм топлива, необходимый для полета на большую дальность, нужно брать еще 1 кг, чтобы его довезти. Другими словами, если в баки заправлено 100 тонн топлива, то 50 тонн - это плата за беспосадочный полет.

Совершенствуясь в полете на протяжении многих миллионов лет, птицы превзошли созданные людьми первоклассные летательные аппараты и в маневренности. Этому, прежде всего, способствуют их прекрасные аэродинамические формы. Клюв, голова, шея плавно выгнуты в полете, ноги поджаты и почти не выступают из корпуса, напоминая убранное шасси самолета. Известна, например, порода голубей, которые во время полета неоднократно перекувыркиваются и при этом не теряют равновесия. Оригинально летает альбатрос. Он может летать несколькими способами: махая крыльями, паря в восходящем потоке воздуха и подпрыгивая на встречных "волнах" (двигаясь с порывами ветра). Все это благодаря совершенной аэродинамической форме крыльев.

Сокол-сапсан имеет скорость около 90 км/час, но, увидев жертву, немедленно бросается на нее с высоты и, пикируя, достигает скорости 360 км/час. Промахнувшись, он короткой дугой, без взмаха крыльями снова поднимается в небо. Небезынтересно отметить, что пикирование сапсана долго не давало покоя всем ученым, пытавшимся разрешить проблемы бомбометания с пикирования. Некоторые фигуры высшего пилотажа выполняют и ласточки, полет которых отличается значительной быстротой (до 120 км/час!) и маневренностью. Хорошо летают летучие мыши. В полете они мастерски маневрируют, а некоторые из них даже могут "висеть" в воздухе на одном месте. Такими же способностями обладают жаворонок, зимородок и пустельга. Но, пальму первенства в маневренности следует, пожалуй, отдать самым маленьким представителям пернатого мира - колибри. Эти птички-невелички в погоне за насекомыми развивают скорость до 100 км/час. Некоторые из колибри поднимаются в горы до высоты 4000 м и выше, где из позвоночных животных встречаются лишь одни могучие кондоры. Стремительная в полете птичка-невеличка может останавливаться в воздухе и, не переставая работать крыльями, подолгу "висеть" неподвижно в одной точке, словно крохотный вертолет. Она может даже летать "боком" и "задним ходом". Такая высокая маневренность полета достигается большой частотой взмахов крыльев (более 50 взмахов в секунду) и тем, что колибри машут крыльями не вертикально, как все птицы, а горизонтально (это позволяет им, в частности, летать хвостиком вперед!).

Заманчиво творцам современных воздушных лайнеров, располагая столь блестящими примерами природы, довести экономичность и маневренность своих кораблей до уровня, достигнутого птицами. На сей счет, думается, двух мнений быть не может.

Оказывается, для повышения экономичности полета современных самолетов нужно, прежде всего, перейти к машущему полету.

В середине XX века в Германии много говорили и писали о некоем Эрихе фон Хольсте, который изготовил несколько механических птичек. Они летали! Окрыленный успехом, он задался целью построить орнитоптер - летательный аппарат с машущими крыльями. За Хольстом последовали многие изобретатели различных стран. Строили махолеты (птицелеты) самых различных конструкций. Одно из таких устройств весило больше полутонны, площадь его крыльев достигала 30 м2, они делали от 25 до 90 взмахов в минуту. Однако взлететь ему так и не удалось: не хватило подъемной силы. Другие махолеты, едва оторвавшись от земли, тотчас же падали... Слепо копируя природу, нельзя строить искусственные летательные аппараты. Одно дело - аэродинамика обычного самолета с неподвижным крылом, другое - аэродинамика машущего крыла.

Несмотря на то, что человечество начало изучать полет птиц со времен Леонардо да Винчи, до сих пор тайна этого феномена еще полностью не разгадана.

  1. «РАСТИТЕЛЬНЫЕ» ПАНТЕНТЫ

А что же растения? Не менее интересны прототипы и среди представителей растительного мира.

Деревья – это мощнейшие растительные насосы. Большое значение для перемещения воды имеют корневое давление и транспирация (испарение воды листьями), а также сила сцепления между молекулами воды и стенками сосудов. Как дерево корнями обеспечивает себя питательными веществами и влагой, так люди пытаются добывать из земли полезные ископаемые.

Гидрометаллургический метод прост и экономичен по сравнению с огневым (в доменных печах). В залежи урановой руды накачивают карбонат натрия. Затем по шлангам, как растение корнями, насосом отсасывают из шахты жидкую смесь, содержащую уран. После того, как жидкость отстоится, получают уран в более чистом виде, чем добытый иными способами. Так же извлекают уран и из медных руд, в которых он содержится в очень малых количествах.

Такое изобретение ХХ века, как удобные застежки «липучки», были изобретены на основе строения плодов репейника и дурнишника.

Известно, что растения – это «зеленые фильтры». Они очищают воздух и воду от вредных примесей. Растения пополняют атмосферу кислородом, увлажняют и ионизируют воздух, снижают количество микробов. По функциям подобным природным зеленым фильтрам созданы бытовые и промышленные электровоздухоочистители.

Группа испанских ученых разработала проект «Вертикального бионического города-башни», который по прогнозам должен будет появиться в Шанхае. Он будет иметь форму кипариса высотой 1128 м с обхватом у основания 133 на 100 м. В башне будет 300 этажей, 12 вертикальных кварталов. Это тщательно продуманная конструкция аналогична строению ветвей и всей кроны кипариса. По замыслу авторов город будущего сможет решить проблему многочисленного населения, сможет располагаться не только на земле, но и на воде.

ЗАКЛЮЧЕНИЕ

В прошлом отношение человека к природе было потребительским. Техника эксплуатировала и разрушала природные ресурсы. Но постепенно люди начали бережнее относиться к природе, пытаясь присмотреться к ее методам с тем, чтобы разумно использовать их в технике. Эти методы могут служить образцом для развития промышленных средств, безопасных для окружающей среды. Природа стала как эталон.

Все знающая и все умеющая щедрая природа научила человека строить самолеты, сделала его крылатым, как птица, и быстрым, словно мысль. Она же научила его плавать и мастерски сооружать речные, морские и океанские корабли. И очень может быть, что идею изобретения колеса человеку также подсказала природа.

Она открывает перед инженерами и учеными бесконечные возможности по заимствованию технологий и идей. Раньше люди были не способны увидеть то, что находится у них буквально перед носом, но современные технические средства и компьютерное моделирование помогает хоть немного разобраться в том, как устроен окружающий мир, и попытаться скопировать из него некоторые детали для собственных нужд.

Исследование систем обнаружения, навигации и ориентации у птиц, рыб и других животных могут помочь в совершенствовании приборов, используемых в авиации, морском деле и др. Исследование морфологических особенностей живых организмов также даёт идеи для технического конструирования.

Новые принципы полёта, бесколёсного движения, построение различных манипуляторов разрабатываются на основе изучения полёта птиц и насекомых, движения прыгающих животных и т.п. Заимствуя у природы инженерные решения, можно существенно повысить энергоэффективность современных технологий. Как мы видим, мир природы неистощимый на творчество. Задача человека выбирать все полезное, целесообразно, перенести его в свою жизнь, но так, чтобы не навредить ни себе, ни потомкам, ни природе

Человек, благодаря современным технологиям, может создать аналог биологического решение за несколько лет, в то время как в самой природы на это пошли тысячелетий. Природа открывает перед инженерами и учеными бесконечные возможности по заимствованию технологий и идей. Раньше люди были не способны увидеть то, что находится у них буквально перед носом, но современные технические средства и компьютерное моделирование помогает хоть немного разобраться в том, как устроен окружающий мир, и попытаться скопировать из него некоторые детали для собственных нужд. Бионика следует принципам жизни природы, которые учат нас: стройте из возобновляемого; используйте свою силу и свободную энергию; приспосабливайте и развивайте способности натуральных материалов. Следуя этим принципам, на самом деле очень легко создавать продукты и осуществлять процессы, которые были бы максимально приспособленными к существованию в современных условиях и позволили бы сохранить планету здоровой.

Когда ученые сталкиваются с некоей инженерной или дизайнерской проблемой, то ищут решение в «научной базе» неограниченного размера, которая принадлежит животным и растениям. Например, ученые выяснили, что паутина в пять раз прочнее стали и на 30% эластичнее нейлона. Из нового материала, "позаимствованного" у пауков, они предполагают делать ремни безопасности, невесомые провода, пуленепробиваемые ткани, медицинские нити, автомобильные шины и даже искусственные связки, ведь паутина необычайно прочная, лёгкая, долго не разрушается под воздействием окружающей среды, почти не подвержена поражению микроорганизмами и грибками.

Природа – постоянный источник новых идей! Она всегда, во все века и тысячелетия, была другом и помощником людей, ученых и практиков. С ее помощью человек открывал, открывает и будет открывать все новые и новые завесы над многочисленными тайнами.

СПИСОК ИСПОЛЬЗОВАННЫХ ИСТОЧНИКОВ И ЛИТЕРАТУРЫ

  1. Бионика в школе. Ц.Н. Феодосиевич, Г.И. Иванович, Киев, 1990.

  2. Бионика. Мартека В., пер. с англ., М., 1967.

  3. Бионика. Крайзмер Л. П., Сочивко В. П., М., 2-е издание, 1978.

  4. Вопросы бионики. Сборник статей, отв. ред. М. Г. Гаазе-Рапопорт, М., 1987.

  5. Живые приборы. Ю.Г. Симвков, М., 1986

  6. Моделирование в биологии, пер. с англ., под ред. Н. А. Бернштейна, М., 1963.

  7. Тайны бионики. И.И. Гармаш, Киев, 1985.

  8. Удивительные способности животных. О. В. Иванова, И. Г. Лебедев, перевод на русский язык, 2000. ООО “ТД Изд-во Мир книги”, 2006.

Просмотров работы: 1907