VIII Международный конкурс научно-исследовательских и творческих работ учащихся
Старт в науке
Паук Серебрянка и Водолазный колокол
Автор работы награжден дипломом победителя III степени
Полная версия работы доступна во вкладке "Файлы работы" в формате PDF
Введение
Однажды мне довелось прочитать книгу Яна Лари «Необыкновенные приключения Карика и Вали», там описывалось фантастическое путешествие двоих ребят и профессора – ученого-орнитолога, уменьшившихся до размера маленького жука, в реальном мире природы. Книга содержала огромное множество интересных и познавательных фактов из жизни насекомых.
В одной из глав этой книги, которая называется «В плену у паука. Битва в подводной тюрьме», рассказывалось следующее: хищный паук – «Серебрянка» захватил героев книги и притащил в свое подводное жилище, из которого им чудом удалось выбраться.
Вот как это приключение описывает профессор: «… вы попали в лапы к подводному пауку аргиронету… Аргиронет – значит «Серебряная пряжа». Зовут его «паук Серебрянка»… Он строит под водой гнездо, похожее на водолазный колокол. В таких колоколах водолазы опускались когда-то под воду. Но этот колокол не больше грецкого ореха. А держится он, не всплывая, только потому, что с боков его удерживает паутина, прикрепленная к подводным растениям…» (см. Приложение №1, рисунок 1).
Я не поверил: как это воздух удерживается колоколом в воде? И почему колокол не заполняется водой?
Цель данной работы – сравнить воздушный колокол паука Серебрянки и водолазный колокол, провести эксперимент и узнать, почему вода не проникает внутрь колокола.
Объектом изучения данной работы является водолазное дело и подводное плавание, предметом исследования – водолазный колокол и воздушный колокол паука.
Для достижения цели работы мне необходимо решить следующие задачи:
Найти информацию о Пауке Серебрянке (Аргиронете) и его воздушном колоколе
По литературным источникам изучить водолазное дело, историю зарождения подводного плавания и создания водолазного колокола
Провести эксперимент «Водолазный колокол»
Выяснить, в чем сходство воздушного колокола паука Аргиронета и водолазного колокола
Методы
Анализ литературы по теме
Систематизация информации
Эксперимент
Сравнительный анализ
Глава 1. Паук Серебрянка
В «Большой энциклопедии эрудита» есть статья под названием «Подводный охотник», процитирую ее: «Паук-серебрянка строит паутинный воздушный колокол и поджидает проплывающую мимо добычу. Если небольшое животное оказывается рядом, паук бросается наружу, нападает и затаскивает добычу внутрь (см. Приложение №1, рисунок 2).
Паук-серебрянка также ловит насекомых, которые падают на поверхность, и собирает добычу на дне. Он обнаруживает большую часть своих жертв по вибрации воды.
Воздух паук приносит в свой колокол с поверхности пруда. Он поднимается наверх, выставляет наружу брюшко, покрытое очень тонкими волосками. Эти волоски и хватают воздух. Когда пространство между волосками наполнится воздухом, паук натягивает на брюшко паутину и несет воздушный баллон к себе в домик.»
Другие ученые утверждают, что пузырек воздуха паук увлекает с собой с помощью искусно сплетенной паутинки. Воздух вокруг паука блестит, поэтому паука и называют серебрянка (см. Приложение №1, рисунок 3). Кстати говоря, пузырек самки отличается от пузырька самца. Благодаря тому, что пузырь самца обволакивает только верхнюю часть тела, паук может плавать не только горизонтально, но и плыть вертикально вниз. Самка же перемещается только горизонтально.
Если паук здоров и сыт, то его колокол велик и хорошо наполнен воздухом. У голодающих, слабых животных колокол постепенно разрушается. Больные пауки понемногу теряют даже способность облекать свое тело воздухом, начинают смачиваться водой и тонут.
Очень интересен паук-серебрянка, прежде всего именно своей биологией. Ведь это поучительный пример того, насколько хорошо животное может приспосабливаться к условиям окружающей среды. Так, дыхание накопленным в колоколе атмосферным воздухом свидетельствует о том, что предками водяных пауков были нынешние сухопутные пауки.
Глава 2. Водолазный колокол
Водолазный колокол (см. Приложение №2, рисунок 1) — средство транспортировки водолазов в водолазном снаряжении на глубину к объекту работ и обратно, с последующим их переводом в декомпрессионную камеру.
Водолазный колокол исторически представлял собой примитивный инструмент для спусков человека под воду и был выполнен в виде короба или опрокинутой бочки. Колокол с находящимся внутри водолазом опускали под воду, и находящийся внутри воздух имел давление, равное давлению окружающей среды - воды. Внутреннее воздушное пространство колокола позволяло водолазу некоторое время дышать и совершать активные действия — выходить либо выплывать наружу для осмотра и ремонта подводной части судов, либо для поиска затонувших сокровищ. Выполнив работу, водолаз возвращался в колокол и устройство при помощи крана или лебёдки поднимали на поверхность моря (водоёма). В XIX веке ряд изобретателей (механик Гаузен, Зибе) усовершенствовали конструкцию водолазного колокола, создав конструкции, которые по праву считаются и примитивным водолазными скафандрами.
Первое исторически достоверное упоминание о применении водолазного колокола относится к 1531 году, когда Гульельмо де Лорена на озере вблизи города Рим на глубине 22 метров пытался найти сокровища с затонувших галер (см. Приложение №1, рисунок 2). В середине XVIII века шведские водолазы под руководством Альбрехта фон Трейлебена при помощи водолазного колокола сумели поднять на поверхность свыше 50 пушек с затонувшего корабля Ваза.
Все водолазные колокола имеют следующие общие недостатки: 1) воздух в них довольно скоро портится дыханием людей и горением ламп, 2) они очень тяжелы, трудно передвигаемы, и потому подводная работа ограничена весьма малым пространством, 3) для смены рабочих теряется очень много времени. Самое грандиозное видоизменение водолазного колокола как по величине, так и по важности применения — бесспорно составляют кессоны. В 1839 г. они были впервые применены изобретателем, инженером Триже, для выдавливания воды, просачивавшейся из Луары в каменноугольные копи в Challones. Только благодаря кессонам и удобству пребывания в них нескольким человекам многим врачам удалось произвести весьма интересные и важные наблюдения над действием сжатого воздуха, от 2-х до 4½ атмосфер давления, на организм человека; значение этого давления непосредственно применяется ко всем работающим в водолазных аппаратах, какой бы системы они ни были, хотя неравномерное давление в скафандре представляет особенности. В 1797 г. Карл Генрих Клингерт придумал одежду для водолазов. Она состояла из непромокаемой ткани, на плечах водолаза прикреплявшейся непосредственно к краю металлического колпака с двумя стеклами, который покрывал голову водолаза. Внутри двух дыхательных кожаных труб с распределительным клапаном для вдыхания и выдыхания вделана спиральная пружина для того, чтобы давлением воды не сплюснуло стенок этих труб. У пояса было 4 крючка для привешивания свинцовых грузов. При спуске водолазов они ощущали крайнее затруднение дыхания, а на глубине 6 фут. водолаз окончательно лишался возможности вдохнуть в себя наружный воздух через такую систему труб и клапанов вследствие того, что давление воды на грудь водолаза превосходит силу грудных мускулов. Для противодействия этому Клингерт прибавил к аппарату металлический цилиндр (кирасу), с приделанным к нему небольшим насосом для выкачивания воды, попадающей в аппарат. Несмотря на полное несовершенство прибора для дыхания, аппарат Клингерта долгое время считался одним из лучших.
Изобретение водолазного колокола дало сильный толчок развитию водолазного дела и подводного плавания человека. Подробнее о истории водолазного дела расскажу в следующей главе
Глава 3. История зарождения подводного плавания. Водолазное дело
Водолазное дело. Так как человек может пробыть под водою лишь очень короткое время, а именно столько, сколько он способен удерживать дыхание, то для различных подводных работ необходимы различные приспособления, которые позволяли бы водолазу дышать. В настоящее время существуют три рода таких приспособлений, употребляемых отдельно или совместно, сообразно цели работ, а именно: 1) скафандр - одежда водолаза, 2) водолазный колокол (описанный мною ранее) и 3) кессон для подводных работ.
История. В истории встречаются некоторые указания и намеки на существование водолазных аппаратов в весьма отдаленные времена. Роберт Вальтурий (см. ниже литературу Водолазного дела), писатель IV столетия, оставил чертеж, изображающий человека, защищенного от воды кожаным аппаратом. Юлий Цезарь посылал смельчаков под воду с кожаными поясами, надутыми воздухом. Воин, будучи принят неприятелем за рыбу, удачно пробирался через неприятельский флот. В VIII в. писатель Готье Винисоф упоминает о водолазе, который погиб, перенося в шкуре выдры греческий огонь на выручку осажденным соотечественникам. По другим источникам рассказывается такой же случай гибели водолаза, несшего по дну 1000 золотых монет для подкупа осажденных. Общее в обоих рассказах заключается в том, что водолаз должен был иметь с собою запас воздуха для дыхания. Вообще же до открытия Колумбом Америки в истории почти нет сведений о деятельности водолазов. Рожеру Бэкону приписывают мысль об устройстве водолазного колокола, но первое практическое устройство его принадлежит немецкому ученому XVI стол. Штурму; он же пытался устроить подводную лодку (см. это сл.). Спуская под воду водолазов, Штурм заметил, что самые сильные из них не могли пробыть более получаса в колоколе, страдая от жары и духоты, чего никак не удавалось устранить. Тем не менее употребление колоколов с тех пор сделалось довольно частым. В 1690 г. Денису Папину пришла в голову мысль, которая была осуществлена целым столетием позже, вгонять в водолазный колокол свежий воздух помощью большого и крепкого раздувательного меха.
На рисунке (Приложение №3, рисунок 1) изображен водолазный колокол Галлея (1715); это есть усеченный деревянный конус, к которому прикреплены свинцовые листы и повешены 3 гири, служившие подставками колоколу и для погружения его.
Современная водолазная техника включает снаряжение, технические средства и оборудование, применяемые для выполнения различных водолазных работ. Комплекс устройств, обеспечивающий жизнедеятельность человека под водой, называется водолазным снаряжением, которое подразделяется: по способу обеспечения дыхательными газовыми смесями — на автономное и неавтономное; по схеме дыхания — на вентилируемое, с открытой, полузамкнутой и замкнутой схемами дыхания; по составу дыхательных газовых смесей — на воздушное, кислородное, азотно-кислородное, гелио-кислородное и т.п. Часть водолазного снаряжения, образующая газо- и водонепроницаемую оболочку, изолирующая водолаза от внешней среды, называется водолазным скафандром. Наиболее распространённым в СССР был тип водолазного снаряжения — вентилируемое трёхболтовое снаряжение, в котором водолаз дышит сжатым воздухом, подаваемым по шлангу с поверхности. Глубина погружения в нём ограничена 60 м (на большей глубине может возникнуть так называемый азотный наркоз). Подводные работы на малых глубинах (до 20 м) обычно выполняются в двенндцатиболтовом вентилируемом снаряжении. Для погружения на глубину до 100 м применяется воздушно-кислородное снаряжение (при дыхании воздушно-гелиевой смесью), а более 100 м — гелиокислородное снаряжение (при дыхании воздушно-гелиевыми и гелиокислородными смесями), допускающее погружение на глубину 300 м и более. За рубежом и в СССР в начале 1930-х гг. появилось водолазное снаряжение с автономным кислородным дыхательным аппаратом, а в 40-х гг. — акваланг — водолазное снаряжение с воздушно-баллонным аппаратом, используемое как на лёгких водолазных работах, так и в подводном спорте.
Три типа водолазных аппаратов, а именно: воздушный колокол, кессон и скафандр (одеяние водолаза) употребляются в различных случаях, смотря по обстоятельствам работ.
Водолазный колокол – используется для подводных сооружений и установки фундаментов на дне открытых рейдов, когда большие тяжести передвигаются под водою лишь на малые расстояния и когда надо долго работать на небольшом пространстве.
Кессон — видоизмененный водолазный колокол; первоначально это была чугунная, очень широкая труба, опущенная на дно и подымающаяся над поверхностью воды; он имеет круглую или овальную форму — в разрезе, с клетчатой системой внутри; большею частью склепывается из железных и стальных листов (наподобие паровых котлов), а иногда (в Америке) устраивается из дерева, вроде громадного тяжелого ящика. Рабочие проходят внутрь кессона сверху, через особые камеры, цель которых, не разрежая воздуха в самом кессоне, перевести рабочих от обыкновенного атмосферного давления к сжатому воздуху кессона, или наоборот. Кессон отличается от предыдущих приспособлений тем, что по мере раскапывания под ним дна он сам оседает, пока не упрется в твердый грунт; только тогда начинают делать каменную кладку, причем кессон из воды не подымают, а оставляют его там, где он был поставлен; в некоторых исключительных случаях один железный кессон служил для постройки нескольких быков; но это оказывалось неэкономичным.
Скафандр — непромокаемое одеяние для водолаза, употребляется там, где достаточно силы одного человека и где требуются частые передвижения его под водою, как, напр., при осмотре и мелких исправлениях подводной части судов, доставании утопленных вещей, отыскании и подъеме мин, очистке фарватера, осмотре и хождении в затонувшем корабле, заделке в нем пробоин, приготовлениях к подъему судов и подведении под них цепей и воздушных мешков и различных портовых работах. В настоящее время водолазный аппарат, или скафандр, имеет самое широкое применение и распространен во всех приморских портах и на реках
Глава 4. Эксперимент «Водолазный колокол»
Для этого несложного опыта годится обыкновенный таз, но, если у вас есть глубокая и широкая банка, опыт проделать удобнее. Кроме того, вам понадобится еще высокий стакан или большой бокал. Это будет ваш водолазный колокол, а таз с водой представит уменьшенное подобие моря или озера.
Едва ли есть опыт проще этого. Вы держите стакан вверх дном, погружаете его на дно таза (см. Приложение №4, рисунок 1), продолжая придерживать рукой (чтобы вода его не вытолкнула). При этом вы легко можете заметить, что вода внутрь стакана почти не проникает: воздух не допускает ее. Это становится гораздо нагляднее, когда под вашим колоколом находится какой-нибудь легко намокающий предмет, например, кусочек сахара. Положите на воду пробковый кружок, на него сахар и прикройте сверху стаканом. Теперь опускайте стакан в воду. Сахар очутится ниже уровня воды, но останется сухим, так как вода под стакан не проникнет.
Тот же опыт можно проделать и со стеклянной воронкой если повернуть ее широким концом вниз, плотно закрыть пальцем узкое отверстие и тогда погрузить в воду. Вода под воронку не проникает. Но стоит вам отнять палец от отверстия и дать воздуху выход, вода быстро поднимается в воронке до уровня окружающей воды.
Вы видите, что воздух не есть «ничто», как мы привыкли думать; он занимает определенное место и не уступает его другим веществам, если ему некуда податься.
Эти опыты должны наглядно объяснить нам также, как люди могут находиться и работать под водой в водолазном колоколе или внутри тех широких труб, которые называются «кессонами». Вода не проникает внутрь водолазного колокола или кессона по той же причине, по какой не втекает она под перевернутый стакан в нашем опыте.
Также и Паук Серебрянка может комфортно «существовать» в своем подводном царстве – воздушном колоколе. НО он вынужден систематически совершать вылазки на поверхность воды, чтобы поддержать стабильное давление в доме. В то же время утечка азота из колокола происходит так медленно, что Серебрянке достаточно бывать на воздухе раз в сутки.
Позже, прочитав еще несколько книжек на тему – воздух и его свойства: «Большая книга экспериментов для школьников», «Что? Зачем? Почему? Большая книга вопросов и ответов», «Большая энциклопедия эрудита», «Зоологические экскурсии», я узнал, что на самом деле стакан не пустой – в нем находится воздух, который и препятствует проникновению воды в стакан. И не только паук Серебрянка использует данное физическое явление в своей жизнедеятельности. Оказывается, люди еще в древние времена придумали способ погружения под воду в специальном приспособлении – водолазном колоколе, по сути похожем на большой перевернутый стакан.
Заключение, выводы
В жизни любого современного государства огромную роль играет подводный флот. Подводный флот необходим для развития науки, техники, но самое главное - в военном деле. А как я уже сказал ранее, водолазный колокол – предмет исследования моей работы, лег в основу создания современного водолазного дела, подводного плавания человека и подводного флота (Приложение №5).
Из нашего эксперимента мы можем сделать выводы:
Воздух не есть «ничто», он занимает определенное место и не уступает его другим веществам, если ему некуда «податься»
Сравнение воздушного колокола паука и водолазного колокола показало, что эти «устройства» схожи по своему принципу действия и назначению
Истории неизвестно, придумал ли человек водолазный колокол своим опытным путем или подглядел идею у «паука серебрянки», несомненно одно – патент на водолазный колокол природа получила на миллионы лет раньше и паук Серебрянка – живой тому свидетель. Самым великим изобретателем является сама природа и людям всегда будет чему поучиться у неё!
Биология и физика взаимосвязаны между собой. Знание законов физики необходимо для понимания многих процессов, происходящих в живых организмах. В свою очередь, на биологических примерах наглядно можно объяснить протекание тех или иных физических явлений.
Список литературы
Большая книга экспериментов для школьников. - М.: ЗАО «РОСМЭН-ПРЕСС», 2007г.
Большая Российская энциклопедия, 1969-1978
Большая энциклопедия эрудита. - М.: ЗАО «РОСМЭН-ПРЕСС», 2007г.
Диомидов М. Н., Дмитриев А. Н., Покорение глубин, 2 изд., Л., 1964;
Дмитриев А. Н., Единые правила охраны труда на водолазных работах, М., 1965;
Лари Ян, Необыкновенные приключения Карика и Вали.- М.:
Изд-во Эксмо, 2006г.
Максименко В. П., Нехорошев А. С., Суровикин В. Д., Водолазное дело, М., 1971.
Орбели Р. А., Исследования и изыскания. [Материалы к истории подводного труда с древнейших времен до наших дней], М. — Л., 1947;
Освоение морских глубин. – М.: 2009г.
Райков Б.Е., Римский-Корсаков М.Н. Зоологические экскурсии. 1956.
Что? Зачем? Почему? Большая книга вопросов и ответов.- М.:
Изд-во Эксмо, 2004г.
Приложение №1
Рисунок 2
Рисунок 3
Приложение №2
Рисунок 1
Рисунок 2
Приложение №3
Рисунок 1
Приложение №4
Рисунок 1
Приложение №5 Музей Мирового Океана г.Калининград