XXI Международный конкурс научно-исследовательских и творческих работ учащихся
Старт в науке
Бионика – природные аналоги своими руками
Автор работы награжден дипломом победителя II степени
Полная версия работы доступна во вкладке "Файлы работы" в формате PDF
Введение
В современном мире все больше и больше ученых и инженеров обращаются к природе в поисках вдохновения для создания различных изобретений. Одним из таких направлений является бионика - наука, изучающая природные процессы и явления с целью создания аналогичных решений и устройств. Развитие бионики с каждым годом приобретает все большую популярность. Неудивительно, ведь принципы, используемые природой для решения сложных задач, часто оказываются гораздо более эффективными и простыми в реализации, чем принятые в технике.
Основная идея бионики заключается в том, чтобы изучать природу, ее устройство и работу, и применять полученные знания для создания технических решений. Бионика открывает перед современной наукой и техникой новые горизонты. В будущем, благодаря развитию бионики, мы, возможно, увидим еще больше изобретений и технологий, вдохновленных природой.
Выбирая тему исследовательской работы, мы узнали много нового и интересного о науке - бионике. Мы предположили, что если изучить природные подсказки, то можно создавать на основе их различные конструкции.
Поэтому целью нашей работы стало – познакомиться с наукой, изучить идеи природы и применить их в жизни.
Для достижения цели были поставлены следующие задачи:
-
Изучить информацию о науке - бионике.
2. Узнать историю развития науки и основные направления.
3. Найти примеры бионических моделей.
4. Создать свою бионическую модель на основе полученных знаний.
5. Сформулировать выводы.
6. Подтвердить или опровергнуть гипотезу.
Объект исследования: природные подсказки.
Предмет исследования: предметы и конструкции, созданные на основе природных подсказок.
В основу исследования положена гипотеза, что если изучить природные подсказки, то можно на основе них создать предметы и разные конструкции.
Для подтверждения гипотезы и решения поставленных задач использовались следующие методы исследования:
1. Анализ литературы;
2. Анкетирование;
3. Проведение практических занятий;
Практическая значимость: результаты проекта могут быть использованы на уроках технологии и окружающего мира в начальной школе.
Глава 1. Бионика – наука великих возможностей
1.1 Что такое бионика?
С каждым днем мир науки и технологий все более удивляет нас своими новинками и достижениями. Одной из таких сфер является бионика – наука, изучающая природу и использующая ее принципы для создания новых технических решений.
Бионика – это наука, сочетающая в себе биологию и технику. Она изучает природу и стремится применить ее принципы и механизмы в различных областях человеческой деятельности. Бионика помогает ученым создавать новые технологии, которые могут работать более эффективно и экономно, как это делает природа. Природа в течение миллионов лет эволюции отбирала наиболее эффективные решения для выживания и размножения. Бионика использует эти решения для создания новых технологий.
Девиз бионики: «Живые прототипы – ключ к новой технике».
Эмблема бионики – скальпель и паяльник, соединенные знаком интеграла. Скальпель - символ биологии, паяльник – символ техники, а интеграл объединяет обе науки (Приложение 1).
-
-
История развития науки
-
В древности человек очень зависел от природы. Древние люди очень внимательно наблюдали за животными и явлениями природы. У животных учились ловкости, хитрости, формам защиты и нападения, методам охоты и рыболовства. Древние люди переняли у животных «одежду», они укрывались шкурами зверей от холода. Также использовали клыки и когти убитых хищников для защиты или нападения (Приложение 2).
Основоположником бионики по праву считается ученый – изобретатель - Леонардо да Винчи. Он был мечтателем с хорошей фантазией, не боялся реализовывать порой немыслимые идеи. Найденные его дневники и чертежи иллюстрируют его стремление создать разные конструкции, на основе идей природы. Леонардо разработал как минимум 3 вида летательных аппаратов — вертолет, орнитоптер (махолет) и дельтаплан (Приложение 3).
Утверждение бионики, как самостоятельной науки произошло в 1960 году. С тех пор, благодаря бионике, в нашей жизни появилось множество замечательных вещей.
1.3 Основные направления бионики
Бионика является актуальной и востребованной наукой, так как позволяет находить эффективные и инновационные решения для различных областей человеческой деятельности.
Различают три основных направления в бионике:
-
биологическая бионика - изучает процессы, происходящие в
биологических системах.
-
теоретическая бионика – разработка и создание математических моделей для явлений и процессов.
-
техническая бионика - применении в технических устройствах и системах принципов организации, свойств, функций и структур живой природы.
1.4 Примеры бионических моделей
Давайте рассмотрим самые интересные примеры применения бионики, чтобы стало наглядно понятно, что это за наука:
-
в основе конструкции Эйфелевой башни лежит принцип строения
человеческих костей (Приложение 4, рис.5)
-
застёжка-липучка подсмотрена у репейника (Приложение 4, рис.6)
-
высокая скорость кораблей – заслуга дельфинов и китов. Ученые создали обшивку, аналогичную коже этих морских жителей (Приложение 4, рис.7)
-
изобретение шарниров позаимствовано у морских ракушек (Приложение 4, рис.8)
-
с помощью строения клюва веретенника человек изобрёл пинцет (Приложение 4, рис.9)
-
изобретение присоски взято у осьминогов и лягушек (Приложение 4, рис.10)
-
паутинные нити положили начало строительству прочных красивых подвесных мостов (Приложение 4, рис.11)
-
игла для забора крови полностью повторяет строение зуба-резца летучей мыши (Приложение 4, рис.12)
-
поршневой шприц имитирует кровососущий аппарат комара (Приложение 4, рис.13)
-
принцип действия парашюта взят у пушистых «парашютиков» одуванчиков (Приложение 4, рис.14)
Таких примеров можно привести тысячи.
Глава 2. Практическая часть
Исследование состояло из двух этапов:
-
-
Анкетирование;
-
Проведение ряда опытов и мастер классов по принципам бионики.
-
2.1 Анкетирование
Анкетирование было проведено путем опроса жителей на улицах города Копейска Челябинской области. В анкетирование приняли участие 25 человек (Приложение 5).
Результаты анкетирования:
Диаграмма 1
-
Знаете ли вы о существовании науки - бионики?
60 % опрошенных (15 человек) не знают, что существует наука «бионика», 20% (5 человек) с уверенностью сказали, что слышали об этой науке и достижениях, 20% (5 человек) слышали это слово, но не знают, что именно изучает данная наука.
Диаграмма 2
-
Хотите ли вы узнать, что такое бионика?
78 % (20 человек) опрошенных хотели бы узнать об этой науке и рассмотреть примеры, 18% (4 человека) хотели бы узнать, но не хватает времени все изучить, 4% (1 человек) не хотят познавать новое.
Диаграмма 3
-
Как вы думаете сможет ли помочь наука «бионика» ученым в разных областях?
48 % (12 человек) опрошенных думают, что наука поможет ученым в новых открытиях, 12% (3 человека) думают, что ученым нужно рассчитывать на свой опыт, 40% (10 человек) затрудняются ответить на данный вопрос.
Вывод: как и следовало ожидать мнение людей разделились. Большинство опрошенных людей слышали о бионике, но близко с ней не знакомы. Практически все опрошенные люди очень хотят узнать о науке больше и даже попробовать что – то изобрести самостоятельно.
2.2 Идеи природы на практике
После изучения литературы по направлению «Бионика» мы решили найти предметы в живой природе, которые могли бы повторить и использовать в дальнейшем.
-
Создания лёгких и прочных конструкций.
Идею для создания нам подсказал тутовый шелкопряд, а точнее его кокон. Кокон тутового шелкопряда состоит из тонких шелковых ниток, внутри этой конструкции происходит превращение гусеницы в куколку. Аналоги кокона уже пользуются популярностью у людей. Примером может служить подвесное кресло – кокон для загородного дома.
Попробуем воссоздать кокон своими руками и проверить его на прочность. Для этого нам потребуется: нитки для вязания, клей ПВА и воздушный шарик.
Ход работы: надуем воздушный шарик нужного размера. Начинаем наматывать нитки на шарик и одновременно пропитываем их клеем ПВА. После высыхания клея можно лопнуть наш шарик, и мы увидим, что нитки остались на месте – держат форму. Если положить небольшой груз внутрь кокона, то он не сломается. Мы убедились, что конструкция может быть очень легкой и при этом прочной (Приложение 6).
-
Создание прочных складчатых поверхностей.
Создать прочную складчатую поверхность можно на основе листьев хосты. Листья этого растения имеют ребристую поверхность, защищают растение от обильных осадков и выдерживают большие нагрузки. Эти свойства могут быть очень полезны в строительстве крыш домов. Проверим нашу теорию, для этого нам потребуется: лист бумаги, картон, клей ПВА.
Ход работы: возьмем обычный лист бумаги. Что мы увидели? Лист прогнулся под собственной тяжестью. Теперь сложим его «гармошкой». Мы наблюдаем устойчивую конструкцию, которая не прогибается, даже если положить на нее какой - то предмет. Однако, такая конструкция не выдержит тяжелого веса, для этого нужно ее укрепить. Для более прочной конструкции добавим ребро жесткости из картона. Теперь наша конструкция способна выдержать большой вес. Мы убедились, что подобная конструкция может быть очень прочной (Приложение 7).
-
Создание сетчатых конструкций.
Для создания мостов поначалу использовались тяжелые материалы, зачастую такие мосты были недолговечны и сами по себе они были не большие. Природа подсказала решение – кости птиц. Чем меньше вес птицы, тем дольше времени она сможет находится в полете – закон физики. Природа подарила птицам полые кости со множеством легких перегородок. Изучив внимательно строение костей птиц, ученые пришли к выводу, что это строение костей можно использовать на практике – в строительстве. Проверим нашу теорию, для этого нам потребуется: лист бумаги, картон, скотч, карандаш.
Ход работы: возьмем лист бумаги, разлинуем его не доходя до края, расстояние между линиями около 1 см. Аккуратно надрежем наши полоски и с помощью скотча закрепим конструкцию. Теперь мы можем менять угол наклона конструкции, тем самым удерживать предметы на нашей конструкции. Мы убедились, что подобная конструкция может быть легкой, прочной и удобной (Приложение 8).
-
Создание макета школы.
Создание макета школы на основе принципов бионики возможно путем объединения естественных и технических элементов, чтобы создать эффективную и инновационную обучающую среду.
Эти принципы бионики включают в себя:
-
Изучение и анализ природных систем: при создании макета школы на основе бионических принципов, исследовали и проанализировали природные системы, чтобы понять их уникальные характеристики, структуры и функции. Стены здания покрыты структурой, схожие с листом растения – хоста. Такая структура стен и крыши является водоотталкивающей и устойчивой ко многих внешним воздействиям.
-
Применение принципов эффективности: Школьное здание должно быть эффективным, как энергетически, так и функционально. Поскольку школа — это место большой проходимости, то мы просто обязаны использовать кинетическую плитку на полу, для выработки энергии, которое обеспечит наше здание светом и теплом. У нас получилось энергоэффективное здание с оптимальным использованием ресурсов.
-
Использование гибридных материалов: Природные системы часто объединяют различные материалы для достижения оптимальной функциональности. Мы использовали гибридные материалы при создании макета школы, чтобы объединить преимущества различных материалов и обеспечить долговечность и эффективность здания.
Учет этих принципов в создании макета школы на основе бионики позволит создать инновационное и эффективное обучающее пространство, подобное уникальным системам, которые мы находим в природе (Приложение 9).
Заключение
В процессе написания работы мы изучили множество природных аналогов, которые взяты в качестве источника вдохновения для технических разработок. Бионика предлагает нам обратить внимание на удивительные совершенные решения, которые искусное сотворение природы уже давно использует в своих механизмах.
Таким образом, бионика открывает перед нами огромные возможности для развития и улучшения технических решений, используя уникальные принципы и идеи, заложенные природой. Это может привести к созданию более эффективных, удобных и безопасных технологий, которые будут способствовать развитию человечества.
Однако, важно помнить, что бионика – это не только чисто техническая наука, но и область, которая требует бережного отношения к природе. При создании бионических устройств и механизмов мы должны учитывать экологические последствия и стремиться к сбалансированному взаимодействию с природной средой.
Итак, изучение бионики позволяет нам открывать новые горизонты в техническом прогрессе и находить вдохновение в самой природе. Это напоминает нам о том, как много удивительных решений мы можем найти в окружающем мире и как их можно применить в повседневной жизни. Бионика – это искусство учиться у природы и использовать ее знания для развития современных технологий.
Моя гипотеза подтвердилась: Если изучить подсказки природы, то можно создать различные конструкции.
Список литературы
-
Суслов Д.В. Бионика: от природы к технике. - М.: Издательство ЛКИ, 2014. - 192 с.
-
Калинина Н.С., Киселев А.М., Спорышев П.В. Бионика как инновационная наука. - М.: Издательство "Руда и Металлургия", 2017. - 144 с.
-
Кадирова Е.П. Бионика и её роль в современном мире. - М.: Книга по Требованию, 2020. - 120 с.
-
Горелов А.И. Бионика и человек. - М.: Румата, 2016. - 256 с.
-
Ханойдин А.Я. Бионика и новые материалы. - М.: Издательство "Оранжевый Октябрь", 2013. - 192 с.
-
Киреев Ю.Г. Бионика на каждый день. - М.: Гелиос-АРВ, 2018. - 288 с.
Приложение 1
Рис.1 Эмблема бионики
Приложение 2
Рис.2 Древние люди Рис.3 Древние люди
Приложение 3
Рис. 4 Летательные аппараты Леонардо да Винчи
Приложение 4
Рис.5 Эйфелева башня Рис.6 Застежка – липучка
Рис.7 Корабли и подводные лодки
Рис.8 Шарниры
Рис.9 Пинцет
Рис.10 Присоски
Рис.11 Подвесной мост
Рис.12 Игла – скарификатор Рис.13 Поршневой шприц
Рис.14 Парашют
Приложение 5
Рис. 15 Анкетирование
Приложение 6
Приложение 7
Приложение 8
Приложение 9