Наука подражать

II муниципальная научно – практическая конференция   «Интеллектуалы XXI»

Номинация «Биология и физика»

Исследовательская работа

Наука подражать

                                                   Работу выполнила

ученица 9 б класса

МОУ «Гимназия №2»                                     Корсакова Антонина Андреевна  

                                                                                                         Руководители:

учитель физики

Каменева Анна Викторовна,

учитель экологии

Корюкова Ирина Валентиновна

г. Балаково 2011г

Оглавление

    Введение……………………………………………………………………..3                                                                                                    

1. «Наука подражать»                                                                          

1. Содержание и основные направления бионики…………….4        
2. «Конструкторское бюро живой природы»…………………..5                
3. Моделирование живых организмов………………………….8                            

2. Полет насекомых

1. Мухолет и стрекозокрыл…………………………………….10                                            
2. Практическая работа………………………………………...11                                                  

    Заключение…………………………………………………………………14                                                                                        

         Список литературы………………………………………………………...16                                                                          

Введение

Природа — гениальный конструктор, художник, инженер и гениальный строитель. Любое творение природы представляет собой высокосовершенное произведение, отличающееся поразительной надежностью, прочностью, целесообразностью, экономичностью расхода строительного материала при разнообразии форм и конструкций.

        С давних пор человек стремился заглянуть «внутрь живых моделей», разгадать «секреты» действия биологических систем, созданных в мастерской природы. Бурный рост технической мысли, начавшийся с середины прошлого столетия, развитие биологии и вторжение в нее точных наук, как химия, физика, математика и особенно кибернетика, перебросившая мост от биологии к технике, - все это привело к взаимосвязи биологических и технических дисциплин и обусловило развитие нового научного направления, получившего название БИОНИКА.

        В последнее десятилетие бионика получила сильный импульс к новому развитию, поскольку современные технологии позволяют копировать миниатюрные природные конструкции с небывалой ранее точностью. В то же время, современная бионика во многом связана не с ажурными конструкциями прошлого, а с разработкой новых материалов, копирующих природные аналоги, робототехникой и искусственными органами.

        Целью моей работы является исследование одного из направлений взаимодействия биологии и техники, а именно, влияния формы крыла насекомого на энергетические затраты полета

Работая над данной темой, я поставила такие задачи:

1. рассмотреть  развитие и содержание бионики, как современной науки;
2. исследовать принципы бионики в технике;
3. исследовать зависимость частоты оборотов вертушки от формы ее лопастей в восходящих конвекционных потоках.

1. НАУКА ПОДРАЖАТЬ

1. Содержание и основные направления бионики

Притом, что человек, хоть и не без основания, считает себя венцом творения, ничего из того, что он изобрел, не было сделано с чистого листа, без подсказки матери-природы. Бионика способна это подтвердить.

Чем глубже человек проникает в уникальные «изобретения» животного мира, тем очевиднее становится необходимость использования их в практической деятельности. Свершения homo sapiens впечатляют, но вряд ли стоит забывать о том, что природа хитрее и мудрее нас.

Науку, занимающуюся изучением строения живых организмов для создания новых приборов и механизмов, называют бионикой (от греческого bios - жизнь). Этот термин впервые прозвучал в 1960 году для обозначения нового научного направления, возникшего на стыке биологии и инженерного искусства.

Единого мнения о содержании бионики — едва ли не самой популярной из молодых наук, возникших в ХХ в., — до сих пор нет. Многие специалисты считают бионику новой ветвью кибернетики, другие относят ее к биологическим наукам, но, судя по всему, наиболее правы те, кто выделяет бионику в самостоятельную науку.

Обращаясь к наиболее устоявшемуся определению, можно сказать, что бионика — это наука, занимающаяся изучением принципов построения и функционирования биологических систем и их элементов и применением полученных знаний для коренного усовершенствования существующих и создания принципиально новых машин, приборов, аппаратов, строительных конструкций и технологических процессов. Бионику также можно назвать наукой о построении технических устройств, характеристики которых максимально приближены к характеристикам живых систем.

        Различают:

1. биологическую бионику, базирующуюся на самых разных разделах биологии и медицины, использует их достижения для выявления определенных принципов живой природы, которые могут быть положены в основу решения тех или иных проблем инженерного плана.
2. теоретическую бионику, которая разрабатывает математический аппарат биологического моделирования, а также математические модели явлений и процессов, протекающих в живых организмах, живых системах или даже в обществах организмов.
3. техническую бионику, которая реализует математические модели или иные стороны деятельности живых организмов, часто полученных в ходе исследований биологической и теоретической бионики, с целью усовершенствования существующих и создания совершенно новых технических средств и систем, превосходящих по своим техническим характеристикам уже созданные ранее и действующих по биологическому принципу.

        Бионика тесно связана с биологией, физикой, химией, кибернетикой и инженерными науками: электроникой, навигацией, связью, морским делом и другими. Примеры: мы все знаем самолёт, подводную лодку. А его придумали так: люди увидели птицу и решили собрать свою птицу. Люди увидели рыбу и решили создать подводную лодку.

        Основные направления работ по бионике охватывают следующие проблемы:

1. изучение нервной системы человека и животных и моделирование нервных клеток (нейронов) и нейронных сетей для дальнейшего совершенствования вычислительной техники и разработки новых элементов и устройств автоматики и телемеханики (нейробионика);
2. исследование органов чувств и других воспринимающих систем живых организмов с целью разработки новых датчиков и систем обнаружения;
3. изучение принципов ориентации, локации и навигации у различных животных для использования этих принципов в технике;
4. исследование морфологических, физиологических, биохимических особенностей живых организмов для выдвижения новых технических и научных идей.

К праотцам бионики  можно причислить великого Леонардо да Винчи. «Природа полна бесчисленных причин, которые никогда не были в опыте», - говорил он своим ученикам, показывая им чертежи только что изобретенного летательного аппарата. На его рисунках были изображены точные  копии птичьих крыльев, разобранные подробнейшим образом, в прямом смысле «по косточкам».  Эти схемы стали  первой ступенью к изобретению дельтаплана, да и авиационного крыла в целом.

2. «Конструкторское бюро живой природы»

Знаете ли вы, что:  

1. Гремучая змея улавливает разницу в температуре, равную тысячной доле градуса?
2. 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.
3. Крысы ощущают радиацию?
4. Отдельные виды микробов реагируют даже на слабое изменение радиации?  Обыкновенный черный таракан радиацию видит?  
5. Комар развивает при укусе удельное давление до I миллиарда кг/см2? Сравнение с 16-килограммовой гирей, имеющей основание 4 см2 и дающей удельное давление всего 4 кг/см2, показывает, как велика «комариная сила».  
6. Глубоководные рыбы улавливают изменение плотности тока менее чем на одну стомиллиардную часть ампера?  
7. Нильская рыба мормирус с помощью электромагнитных колебаний «прощупывает» свой путь в воде?  

Не правда ли, удивительный перечень? И его можно еще и еще продолжать не менее удивительными примерами. Узнав все это, мог ли человек пройти мимо заманчивой идеи — создать своими руками то, что уже создала природа? Здесь придется сделать некоторое историческое отступление.

Вид человеческий существует около ста тысяч лет. Что видел первый человек? Всплеск воды, полет птицы, бег животного, дуновение ветра. И, естественно, в начале своей творческой деятельности человек учился строить у природы. Звери, рыбы, птицы «подсказывали» тогда человеку, что и как надо делать, чтобы решить насущные для него «инженерные задачи». А современный человек? Окружив себя множеством сложных машин, живя в мире больших скоростей, он снова идет «на поклон» к природе. Почему? Потому что и теперь, человек подмечает много преимуществ в творениях природы перед своими собственными созданиями. Ведь у живой природы наиболее сложные материалы, устройства, технологические процессы по сравнению со всеми известными в науке. Именно с целеустремленного «подглядывания» за природой родилась новая наука — бионика.  Результатами бионических исследований и были те удивительные данные, которые приведены в самом начале. Такое внимательное, придирчивое хрупкое наблюдение очень нужно и науке, и технике, нужно для умения строить неживое как живое.

Обращали ли вы внимание на то, что чем сложнее сооружение, тем резче понижается его устойчивость? Наверное, обращали. За примерами далеко ходить не следует. Каждый понимает, что построить одноэтажный дом проще, чем, допустим, «Атомиум», стоявший в Брюсселе на Всемирной выставке. Не вызывает сомнения и то, что один кирпич в здании устойчивее, крепче, чем все гигантское здание, собранное из многих кирпичей. А в живой природе? Сам организм в целом выше каждого своего кирпичика в отдельности. Вот почему живое способно к выживанию. Чем это объяснить? Ученые пока до конца не знают. Но с разных сторон всё чаще и все чувствительнее атакует бионика этот издавна неприступный бастион — единицу живого. При этом стремятся не к слепому подражанию, к заимствованию всех характеристик биологических объектов, а к критическому, строгому отбору полезных для техники свойств. Бионика, отталкиваясь от биологического «прототипа», разрабатывает такие модели, которые имеют конкретное практическое применение. Моделировать интересно и нужно, говорят специалисты, лишь те функции, которые повышают гибкость, надёжность, экономичность системы или процесса.  

Самой сложной биологической системой, выполняющей разнообразные и, казалось бы, непохожие функции по правлению и переработке сигналов, издавна признана нервная система. На протяжении развития биологической науки нервную систему изучали и изучают буквально со всех сторон. В результате выяснили, что многие ее особенности связаны со структурными особенностями нервных клеток — нейронов. Почему бы не попытаться и бионике создать техническую систему управления, которая приближалась бы по режиму работы к нервной системе?

Какие же результаты дала бионика? Чем помогла технике? Специалистов в этой области науки поражают, например, необыкновенные способности птиц к навигации. Всем известно, что почтовые голуби, где бы они ни были, обязательно вернутся в свой «родной дом». Доказано, что вроде бы ничем не примечательная птаха золотистая ржанка без посадки может пересечь Атлантический океан от Новой Шотландии до Южной Америки (около 4 тысяч километров). И из года в год летают  стаи золотистых ржанок, летают по одним и тем же воздушным трассам. Как ориентируются они в пространстве? Как находят свои невидимые дороги и в небе? Что за «навигационные приборы», точные и высокочувствительные, «работают» внутри у этих рекордсменов навигации? Пока ученые не в силах объяснить устройство и принцип действия этой высокоорганизованной системы ориентации. Но мы вправе надеться, что вопрос не останется без ответа. Залогом этой уверенности служит уже первые результаты интересных экспериментов с птицами, которые ведут ученые.

А вот удивительная способность летучих мышей безошибочно ориентироваться в самых темных уголках пещер, проноситься сквозь кроны деревьев безлунной ночью уже не секрет для биоников. Они знают, что беспорядочное, на первый взгляд, «ныряние», «кручение» и другие неожиданные «выверты» и «трюки» летучих мышей в погоне за добычей — не что иное, как чрезвычайно точный метод, названный эхолокацией. Это она помогает животным не приблизительно, а строго определенно узнавать расстояния до своей жертвы. Летучие мыши во время охоты необычайно «болтливы»; они «выстреливают» в насекомых «заряды» ультразвуков и тут же принимают их отраженными от насекомых.

Эхолокация животных, в частности летучих мышей, помогла разгадать и природу «локационной системы» у слепых людей. Оказывается, ориентация по звуку своего голоса, позволяет слепым не только находить дорогу без палки, но и различать «по звуку» материалы: дерево, металл, ткани.

Не удивляйтесь, что бионики в течение многих лет изучали, какую скорость развивают некоторые степные животные, птицы, насекомые, рыбы. Ведь известно — человек давно «перекрыл» скоростные рекорды и голубой акулы, делающей до 70 км/час, и самых быстроногих кузнечиков, которые могут скакать со скоростью в пределах от 10 до 60 км/час!

Но инженеров-транспортников интересуют задачи маневренности, гибкости управления, которые «мимолетно» решают и птицы, и рыбы, и насекомые.

Японские инженеры и биологи установили в результате многочисленных экспериментов, что форма кита лучше, совершеннее формы современных судов. Было построено большое океанское «китоподобное» судно, и преимущества новой конструкции сказались тут же. При мощности двигателя, уменьшенной на четверть, скорость и грузоподъемность остались теми же.

Бионический принцип положен и в основу отечественной снегоходной машины «Пингвин». Она полностью оправдывает свое название. Как движутся по рыхлому снегу пингвины? На брюхе, отталкиваясь от снега ластами, как лыжными палками, Так же, лежа на снегу днищем и отталкиваясь от снега колесными спицами, будет скользить по поверхности и «Пингвин» механический. Конструкторы рассчитали, что машина при весе в 1300 кг. будет двигаться со скоростью 50 км/час.

Помогает бионика и химикам. Химики-органики, изучающие и создающие полимерные материалы, большое внимание уделяют «технологии» природы, когда она создает чрезвычайно сложные химические соединения. И на основе опять-таки примера природы сейчас работают «живые фабрики». Здесь получают антибиотики, витамины, белки, жиры, аминокислоты.

А сколько ведется поисков в бионике! Ученые усиленно ищут биологические средства защиты от опасных излучений. Надеются построить живые фильтры для очистки воды и почвы от радиоактивности.

Пришли к мысли и о биологизации производства: незачем пропадать «даровым» машинам и приборам природы. Давно известно, что химический состав растений может указать на присутствие полезных ископаемых. Мед пчел — «сладкая карта», говорящая геологам о залежах руд в районе сбора нектара. В морях и океанах животные, водоросли, бактерии, микробы накапливают в своих организмах химические элементы. Нельзя ли это «морское население» заставить добывать ценные вещества для человека?

Очевидно, что ученым-бионикам предстоит еще решение огромного количества вопрос и задач.

1.3.   Моделирование живых организмов

Создание модели в бионике — это половина дела. Для решения конкретной практической задачи необходима не только проверка наличия интересующих практику свойств модели, но и разработка методов расчёта заранее заданных технических характеристик устройства, разработка методов синтеза, обеспечивающих достижения требуемых в задаче показателей. И поэтому многие бионические модели, до того как получают техническое воплощение, начинают свою жизнь на компьютере. Строится математическое описание модели. По ней составляется компьютерная программа — бионическая модель. На такой компьютерной модели можно за короткое время обработать различные параметры и устранить конструктивные недостатки. Именно так, на основе программного моделирования, как правило, проводят анализ динамики функционирования модели; что же касается специального технического построения модели, то такие работы являются, несомненно, важными, но их целевая нагрузка другая. Главное в них — изыскание лучшей основы, на которой эффективнее и точнее всего можно воссоздать необходимые свойства модели. Накопленный в бионике практический опыт моделирования чрезвычайно сложных систем имеет общенаучное значение. Огромное число её эвристических методов, совершенно необходимых в работах такого рода, уже сейчас получило широкое распространение для решения важных задач экспериментальной и технической физики, экономических задач, задач конструирования многоступенчатых разветвлённых систем связи.

Особенно следует подчеркнуть значение рождённого в практике бионических исследований специального подхода к организации и ведению научного исследования - бионического подхода. Он возможен в любом техническом исследовании. Бионический подход - это искусство применения биологии для небиологических целей.  В научном исследовании в современных условиях он лучше всего осуществляется тогда, когда над общей проблемой работают сообща биологи и инженеры. Дружная работа различных специалистов, преодоление профессиональных "перегородок", выработка понимания друг друга с полуслова, создание единых методов работы - всё это, как правило, помогает решать трудные задачи. Постоянные поиски сравнений интересующего объекта, явления, процесса, свойства, характеристики и т.д. с чем-то подобным в живой природе, скрупулёзный анализ найденных аналогий и связей, границ их применимости - в этом существо бионического подхода. Работа на стыке наук и особенно в непосредственной связи с биологией - столбовая дорога развития всех разделов современной науки, техники и практического производства.

2. ПОЛЕТ НАСЕКОМЫХ

1. Мухолет и стрекозокрыл

Полет насекомых — процесс сложный и во многом еще не изученный. Однако идея создания летательного аппарата, в основе которого лежал бы принцип полета насекомых, ждет своего разрешения. Изучение способности насекомых к полету открывает перед человеком бесконечное разнообразие оригинальных решений в конструкции летательных аппаратов. Там, где удается раскрыть их секреты, конструкторы стремятся создать аналогичные системы.

По экономичности полета, относительной скорости и маневренности насекомые не имеют себе равных в современной авиационной технике. Изучение летных особенностей насекомых открывает перед человеком бесконечное разнообразие оригинальных устройств в авиаконструкции.

Хорошо бы сконструировать летательный аппарат, который бы имел весьма экономный бесшумный двигатель, мог взлетать и садиться без разбега, с одинаковой легкостью летать в любом направлении и зависать в воздухе неподвижно, за минуту одолевать не менее чем десять тысяч длин своего корпуса и обладать дальностью полета в несколько тысяч километров...

    Но такой аппарат уже есть, он имеется у мух и стрекоз. Муха, как и многие другие насекомые, обладает уникальными летными качествами. Даже птицы - эти прирожденные летуны - не способны проделывать те фигуры высшего пилотажа, без труда выполняемые мухами, стрекозами, бабочками... А уж о самолетах и говорить не приходится. Сравните: гиперзвуковой перехватчик пролетает в минуту не более 5 - 6 тыс. длин своего корпуса, стрекоза же - свыше 100 тыс.!

Полет насекомых - чрезвычайно сложный процесс. Он таит в себе множество загадок; некоторые из них решены лишь недавно, другие ещё только ждут своих первооткрывателей.

До недавнего времени считалось, что во время полета крылья насекомых погружены в слой воздуха, который как бы сглаживает их поверхность. Теперь эту точку зрения приходится пересматривать: результаты исследований говорят о том, что на крыльях насекомых пограничный слой воздуха отсутствует. Оказывается, что сложный рельеф крыла насекомых делает поток воздуха более упорядоченным.

Благодаря работе мышц и нервов крылья насекомого выписывают в полете сложные фигуры. Это позволяет насекомым двигаться вперед и назад, неподвижно зависать в воздухе или лететь боком. А каков двигатель у насекомого! Целый день висеть, не уставая в воздухе, развивать скорость до 150 км/ ч  покрывать в сутки расстояние 1200 км. Сколько бы горючего потребовали на это современные авиационные моторы! Бабочки же, стрекозы, мухи обходятся лишь несколькими каплями нектара и крохами с нашего стола.

Сейчас мы можем только мечтать о полетах с такими же возможностями, как и у насекомых. А может, пора уже переходить к созданию мухолетов и стрекозокрылов?

2.2.   Практическая работа

Как уже было сказано выше, полет насекомых сопровождается малым расходом энергии. В своей работе я решила выяснить, какая форма крыла позволяет наиболее эффективно использовать энергию восходящих потоков воздуха. Цель практической части моего проекта: исследовать зависимость частоты вращения лопастей в восходящих конвекционных потоках  воздуха от их формы. В качестве образцов формы лопастей я взяла форму крыла комара, мухи, стрекозы и пчелы.

Для проведения эксперимента использовалась установка для демонстрации конвекции:

Частоту вращения можно рассчитать по формуле ν = N/t, где N – число оборотов, t – время вращения.

Результаты измерений и вычислений представлены в таблице:

Итак, как показывают мои измерения, наиболее эффективно  использует конвекционные потоки вертушка, лопасти которой имеют форму крыла мухи.

Применить результаты моего исследования можно не только в конструировании летательных аппаратов, но и например, при конструировании ветряной мельницы.

Изучив данный вопрос, я выяснила, что лопасти ветряных мельниц имеют форму прямоугольника или трапеции.

        Согласно результатам моей практической работы, можно было бы рекомендовать конструкторам обратить внимание на форму крыла мухи.

        Именно такое исследование я планирую провести в своей следующей работе.

Заключение

Почему же при современном уровне развития техники природа настолько опережает человека?

Во-первых, чтобы понять устройство и принцип действия живой системы, смоделировать ее и воплотить в конкретных конструкциях и приборах, нужны универсальные знания. А сегодня, после длительного процесса дробления научных дисциплин, только начинает обозначаться потребность в такой организации знаний, которая позволила бы охватить и объединить их на основе единых всеобщих принципов. И бионика здесь занимает особое положение.

А во-вторых, в живой природе постоянство форм и структур биологических систем поддерживается за счет их непрерывного восстановления, поскольку мы имеем дело со структурами, которые непрерывно разрушаются и восстанавливаются. Каждая клетка имеет свой период деления, свой цикл жизни. Во всех живых организмах процессы распада и восстановления компенсируют друг друга, и вся система находится в динамическом равновесии, что дает возможность приспосабливаться, перестраивая свои конструкции в соответствии с изменяющимися условиями. Основным условием существования биологических систем является их непрерывное функционирование. Технические системы, созданные человеком, не имеют внутреннего динамического равновесия процессов распада и восстановления, и в этом смысле они статичны. Их функционирование, как правило, периодично. Эта разница между природными и техническими системами очень существенна с инженерной точки зрения.

Живые системы значительно многообразнее и сложнее технических конструкций. Биологические формы часто не могут быть рассчитаны из-за их необычайной сложности. Мы просто еще не знаем законов их формирования. Тайны структурообразования живых организмов, подробности происходящих в них жизненных процессов, устройство и принципы функционирования можно узнать лишь с помощью самой современной аппаратуры, что не всегда доступно. Но даже при наличии новейшей техники очень многое остается "за кадром". Бионика наступает. Быстрее, выше, сильнее!

У бионики есть символ: скрещенные скальпель, паяльник и знак интеграла.

Этот союз биолога, техника и математика позволяет надеяться, что наука бионика проникает туда, куда не проникал еще никто, и увидеть то, что не видел еще никто.

Самые неожиданные сюрпризы ждут нас в разработке различных приборов обнаружения, методах добычи полезных ископаемых и производства веществ. А в технике — и этого ожидают — появятся такие системы управления, куда будут «встроены» новые, биологические машины. Заглядывая далеко вперед, ученые предсказывают наступление подлинной биоэры. Контуры ее пытаются обрисовать уже сегодня, основываясь на первых успехах бионики. В большой книге, рассказывающей о состоянии новой науки, говорится, что в будущем, по примеру живой природы, мы начнем строить орнитоптеры, быстроходные подводные лайнеры, вездеходы для путешествий по Луне, Марсу, Венере и другим планетам; воздвигать на Земле лучезарные города из домов - деревьев и сказочной красоты поселения на дне морей и океанов; свободно ориентироваться в космосе, как птицы в воздухе; точно прогнозировать изменения погоды, наступление землетрясений и вулканических извержений; выращивать различные радиоэлектронные устройства, невиданные биомеханизмы, искусственные нейроны; строить белковые вычислительные машины... Прямое превращение солнечного света в одежду и продукты питания по образцу фотосинтеза, происходящего в каждом зеленом листе... Вместо громоздких машин — искусственные мышцы... Управление самолетами, станками, автомобилями и ракетами простым усилием воли, мысли, без всяких штурвалов и рулей.

Список использованных источников

1. http://dic.academic.ru/dic.nsf/bse/69413/Бионика
2. http://letopisi.ru/index.php/Бионика
3. http://ru.wikipedia.org/wiki/%C1%E8%EE%EC%E8%EC%E5%F2%E8%EA%E0
4. http://www.bestreferat.ru/referat-42944.html
5. http://otherreferats.allbest.ru/culture/00007180_0.html