Разыскивается гениальный конструктор человек или природа.

Разыскивается гениальный конструктор человек или природа.

                                                Выполнена учеником

                                               11 класса МКОУ СОШ № 16

                                   г. Бирюсинска

                                                                    Поповым Дмитрием Сергеевичем

                                                   Научный руководитель-

                                                          Учитель физики МКОУ СОШ № 16

                                   г. Бирюсинска

                                                                       Соловьевой Татьяной Михайловной

Бирюсинск 2013г.

Содержание.

I. Введение                                                                                                                3

II. Природа учит инженеров (неживая)                                                                 4

   II.1) Стебель пшеницы                                                                                         4

   II.2) Куриное яйцо                                                                                                6

   II.3) Конусные конструкции                                                                                7

   II.4) Вьюнок                                                                                                           7

   II.5) Рёбра жёсткости                                                                                            8

III. Природа учит инженеров (живая)                                                                    9

   III.1) Реактивное движение                                                                                  9

   III.2) Чешуйчатая крыша                                                                                    10                                            

   III.3) Природные сонары                                                                                    11

   III.4) Пауки                                                                                                          13

            IV. Заключение                                                                                                       14

            V. Список используемой литературы                                                                  15

            VI. Аннотация                                                                                                        16

            VII. Приложения                                                                                                    17

I. Ведение

  Постигая законы природы и используя их в своей практической деятельности, человек становится всё более могущественным. Канули в вечность времена мистического страха перед природой. Современный человек всё шире использует эти силы, богатства природы для ускорения научно-технического прогресса. Но прогресс имеет и свою теневую сторону. Возрастает ущерб, наносимый человеком природе: загрязняется атмосфера, на поверхности морей и океанов появляется губительная для морской флоры и фауны плёнка нефти, всё меньше остаётся лесов. Более того, могущественный человек сегодня в состоянии уничтожить на Земле всё живое.

    Некогда Гёте призывал подходить к природе «почтительно и неторопливо», чтобы проникнуть в её тайны. Сегодня «почтительности» уже недостаточно. Обладающий огромным могуществом, современный человек обязан быть особенно внимателен к природе, обязан беречь её. Об этом страстно, с болью в сердце пишет Л.И.Мартынов:

Слышу я Природы голос,

Порывающийся крикнуть,

Как и с кем она боролась,

Чтоб из хаоса возникнуть,

Может быть, и не во имя

Обязательно нас с вами,

Но чтоб стали мы живыми,

Мыслящими существами.

И твердит Природы голос:

В вашей власти, в высшей власти,

Чтобы всё не раскололось

На бессмысленные части!

Важно так же помнить, что изучение природных явлений позволяет успешно решать различные технические проблемы. Достаточно вспомнить о таком научно- техническом направлении, как бионика. Человек издавна учился у природы. Однако, не понимая многого в природе, он, естественно, не мог быть слишком хорошим ее учеником.

  В наше время человек, вооруженный комплексом современных научных знаний и прекрасными измерительными приборами и устройствами, уже в состоянии заглянуть в самые сокровенные «тайники» природы. Поэтому именно теперь он способен многое взять от природы, многому у нее научиться. Наконец, не надо забывать, что понимание процессов, происходящих в природе, является залогом бережного отношения, что особенно важно в наше время, когда вооруженный мощной техникой человек в состоянии не только искалечить, но и вообще погубить земную природу.

С незапамятных времен и по сей день живет в человеке  неистребимая потребность «вскрыть таинства природы». Процесс познания никогда не прекращался и не прекратится. Чем глубже проникает человеческий ум в тайны природы, тем больше он встречает загадок, тем больше возникает вопросов.

II. Природа учит инженеров

II.1) Стебель пшеницы

     Приглядевшись повнимательней к окружающей природе, мы замечаем, что множество изобретений, которыми так гордится человечество, наша Великая Мать давным-давно раздарила своим неразумным детищам: ракету - головоногим, эхо- локацию- летучей мыши, бинарный газ- жуку- бомбардиру…и прочая! Доска для сёрфинга весьма смахивает на ряску, канаты и кабели- на лианы, а стойки строительных лесов- просто вылитые соломинки…
   «Роль стебля, главным образом, архитектурная: это твердый остов всей постройки», - говорил великий русский ученый К. А. Тимирязев. Природа в своей мастерской создавала растения по всем правилам строительной техники. Примером тому являются растение сухонос из семейства осоковых и фабричная дымовая труба. Их конструкции в поперечном сечении оказались удивительно похожими, хотя создавались независимо друг от друга. Высокие сооружения, созданные природой, по конструкции гораздо тоньше и намного совершеннее того, что умеет делать человек.

Немало в природе растений, отличающихся большой высотой при минимальной площади опоры. Они приспособлены к действию внешних нагрузок и гравитации. Так выдерживают тяжелые соцветия аконит, дельфиниум или борщовник, диаметр соцветия которого нередко в 50 раз превышает диаметр стебля. Величайшим достижением мастерской природы является стебель злаков - соломина. У тростника она, например, вырастает высотою до 3-х м, имея в поперечнике всего лишь 15 мм, у стебля ржи отношение диаметра стебля к его высоте (коэффициент стройности) достигает 1:500, причем соломина несет еще груз (колос), вес которого в 1,5 раза больше, чем вес стебля.

Большая прочность и устойчивость таких высотных природных конструкций обусловлены рядом особенностей растений: взаимным расположением в стебле прочных и мягких тканей, способностью их работать как на сжатие, так и на растяжение. В стеблях злаков большую роль играют его веретенообразная форма и расположенные на нем узлы, представляющие собой особо устроенные упругие шарниры-демпферы. И не случайно сильная буря вырывает с корнем деревья и лишь пригибает к земле тонкий стебель злака.

На основе принципов построения природных высотных конструкций строители проектируют высотные здания нового типа - типа стволовой конструкции. По принципу строения стебля пшеницы разработан проект высотного здания, у которого основание более узкое, чем средняя часть. Упругие демпферы, разделяющие здание по высоте на несколько элементов, снижают силу ветрового напора!! сокращают нагрузку на основание.

Будучи полым стержнем, 0,8- граммовый стебель пшеницы выдерживает огромные нагрузки, многократно превышающие его собственный вес: массам конструкции минимизирована её трубчатой формой, а прочность ей придают отлично работающие на растяжение волокна. Точно так же устроен, к примеру. 2- килограммовый лёгкоатлетический шест, забрасывающий нехилого спортсмена на 6- метровую высоту.

 Экспериментальная проверка стебля пшеницы действительно показала огромную прочность полого стебля пшеницы.  Пять соломинок длиной по 10 см , выдерживают нагрузку в 5 Н. Сами же имеют вес 0, 5 Н. (см. приложение 1)

II.2) Куриное яйцо.

Ещё одно чудо Природы- куриное яйцо! Нынче инженерам хорошо известно , что чемпионом стабильности при возведении огромного внешнего давления является овальновидная конструкция: согласно расчётам, очертания оптимального купола совпадают с конфигурацией провисшей сети, которой довольно точно соответствует верхняя часть яйца. А вот Вильям Торнтон, спроектировавший вашингтонской Капитолий в 1792-м, таких премудростей не ведал, но величественная полусфера его купола на самом-то деле опирается на яйцевидный стальной каркас.  .  И действительно, я нашел огромное количество сооружений различного назначения и светского и религиозного, у которых крыша завершается куполом . Но на что я еще обратил внимание, так это на их каркас. Он очень похож на паутину. Ее животные используют для изготовления ловчих сетей и убежищ. И, найдя паутину, тут же стал ее нагружать песком, мелкими камушками и пр. Масса нагрузки оказалась в сотни раз больше массы самой паутины!

  Мне удалось найти еще одно подтверждение моих мыслей о жесткости и прочности конструкции в виде яйца и паутины.         Когда в 1931г. Храм Христа Спасителя рушили большевики, он устоял после двух взрывов, и собравшиеся вокруг верующие возликовали: «Явил Господь силу свою! Уцелел Храм от козней антихристов!» Они не знали, что взрывы разрушили два пилона из четырёх и главный купол держался только на двух диаметрально противоположных опорах. Руководство Союзвзрывпрома после нахлобучки довершило своё дело. Храм все-таки был разрушен.

Я вновь  проверил, действительно- ли такая форма очень прочна. Скорлупу от четырех яиц распилил пополам, установил на них невесомый лист пенопласта и стал нагружать. Нагрузка выдерживается, действительно, огромная. 50 Н не предел. (см. приложение 2)

II.3) Конусные конструкции.

Рекорды высоты принадлежат конусным конструкциям… Секвойя 100-метровой высоты похожа на телебашню отнюдь не случайно, а потому, что этим гигантам приходится постоянно бороться с ветром: обе заметно сужаются к вершине и снабжены чрезвычайно мощной опорой, то бишь обширным фундаментом или разветвлённой корневой системой, что обеспечивает им необходимую устойчивость.

Итак, чтобы высокий предмет не опрокинулся, надо укрепить его основание! Этот принцип применяют, в частности, проектировщики железных дорог для установки матч силовой электроники: расширенная опора намертво привинчена к увесистому бетонному цоколю. Согласно тому же принципу, австралийский фикус- душитель раскидывает огромные древовидные корни, дабы удержать от падения загубленное его объятиями мёртвое дерево.  Такие громадные сооружения, как Эйфелева и Останкинская башни, действительно имеют в основании мощную опору.  (см. приложение3)

II.4) Вьюнок.

Что интересно, человек поначалу вовсе не собирался копировать Природу. Однако технические решения столь разных конструкторов, выработанные независимо друг от друга, зачастую не просто аналогично, но совпадают до деталей. Столь же часто люди только задним числом догадываются, что у «новинки» есть естественный прототип… Так витой телефонный шнур вошёл в обиход ещё в1940-х, но лишь десяток лет спустя инженеры обратили внимание на декоративный вьюнок Passiflora , который отращивает точно такие же «живые шнуры», чтобы цепляться за другие растения. 

Обвивающие опору фикус, лиана или вьюнок с успехом используют фундаментный закон трения, гласящий: чем больше витков, тем надёжнее сцепление! Истина эта с незапамятных времён известна рыбакам и мореходам: простой швартовый узел, выполненный быстрым движением руки, прекраснейшим образом удерживает целое судно. (см. приложение4)

II.5) Рёбра жёсткости.

Постигнув очередную техническую истину - «рёбра жесткости», - человечество не замедлило применить её в строительстве. Один из лучших примеров - Белемский собор в Лиссабоне: колоссальное давление крыши здания распределяется изящными рёбрами на стройные колоны, каковое архитектурное решение, несомненно, радует взоры прихожан. Изнутри свод собора чрезвычайно напоминает листья кувшинки, что неудивительно, поскольку в обоих случаях наличествует ажурный каркас, рассчитанный на очень большие нагрузки. Широкое распространение в природе имеют плоские и пространственно-изогнутые ребристые, сетчатые и перекрестные (решетчатые) конструкции, в которых основной материал концентрируется по линиям главных напряжений.

Тонкий лист растения или прозрачное крылышко насекомого обладают достаточной механической прочностью благодаря разветвляющейся в них сетке жилок. Этот каркас выполняет основную - несущую - роль, тогда как другие элементы конструкции, например, пленка листа или мембрана крыла, могут достигать минимального сечения. Это также один из примеров достижения прочности при минимальной затрате материала.

Тонкие крылышки стрекозы коромысла делают до 100 взмахов в секунду, шмеля - более 200, комнатной мухи - до 300, а комара дергуна - до 1000 взмахов. Заинтересовал архитекторов и принцип конструкции листьев растений. Лист растения обладает достаточной механической прочностью, которая в значительной степени зависит от жилок, пронизывающих его плоскость от основания до верхушки.

Особенно привлек к себе внимание лист тропического растения Виктории , встречающегося в водах Амазонки и Ориноко. Плавающие листья этой крупной водяной кувшинки вырастают до 2-х м в диаметре и выдерживают, не погружаясь в воду, вес до 50 кг. С нижней стороны этот лист как бы укреплен толстыми и прочными прожилками, похожими на канаты. Продольно изогнутые жилки скреплены между собой серповидными поперечными диафрагмами. Такая конструкция создает прочную основу для размещения между жилками тонкой полупрозрачной пленки листа. Взяв за основу жилкование листа Виктории , итальянский архитектор П. Нерви сконструировал плоское ребристое покрытие фабрики  в Риме и покрытие большого зала Туринской выставки, добившись большого конструктивного и эстетического эффекта.

Принцип построения Листа Виктории  использовали и наши архитекторы при сооружении потолка фойе Тульского драматического театра. Они протянули по потолку железобетонные нервюры, которые несут огромный пролет. Используется в архитектурной практике и принцип построения природных пространственно-решетчатых систем: радиолярий, диатомовых водорослей, некоторых грибов, раковин, даже микроструктура головки тазобедренной кости. В этих моделях особенно ярко проявляется принцип распределения материала с расчетом на самые случайные и разнонаправленные действия нагрузок. Например, структура головки тазобедренной кости построена так, что никогда не работает на излом, а только на сжатие и растяжение. Подобная система может быть использована в конструировании опорных рам, ферм, подъемных кранов. (см. приложение5)

III. Природа учит человека. (живая)

III.1) Реактивные  движение.

Реактивное движение, используемое ныне в самолетах, ракетах и космических снарядах, свойственно осьминогам, кальмарам, каракатицам, медузам – все они без исключения используют для плавания реакцию (отдачу) выбрасываемой струи воды. Именно это дало повод назвать кальмаров биологическими ракетами.В мышцах кальмара в результате сложных превращений химическая энергия превращается в механическую.

При реактивном способе плавания животное производит засасывание воды через широко открытую мантийную щель в мантийную полость. Сила, вызывающая движение животного, создается за счет выбрасывания струи воды через узкое сопло, которое расположено на брюшной поверхности кальмара. Это сопло снабжено специальным клапаном, и мышцы могут его поворачивать. Изменяя угол установки воронки, кальмар плывет одинаково хорошо вперед, назад и в сторону.

Инженеры уже создали двигатель, подобный двигателю кальмара. Его называют водометом. В нем вода засасывается в камеру. А затем выбрасывается из нее через сопло; судно движется в сторону, противоположную направлению выброса струи. Вода засасывается при помощи обычного бензинового или дизельного двигателя. У кальмара засасывание воды и ее выбрасывание происходит за счет сокращения мышц, возбуждаемых нервами. Чтобы увеличить скорость движения, т.е. число реактивных импульсов в единицу времени, необходима повышенная проводимость нервов, которой обладают кальмары вследствие большого диаметра нервов. Известно, что у кальмара самые крупные в животном мире нервные волокна (диаметр 1 мм) они проводят возбуждение со скоростью 25 м/с. Этим объясняется большая скорость движения кальмаров (до 70 км/ч).

Поиски инженеров направлены на создание конструкции такого гидрореактивного двигателя, который бы, как и кальмар, не нуждался в дополнительном засасывающем устройстве. Примеры реактивного движения можно обнаружить и в мире растений. Например, созревшие плоды “бешеного” огурца при самом лёгком прикосновении отскакивают от плодоножки и из образовавшегося отверстия с силой выбрасывается горькая жидкость с семенами; сами огурцы при этом отлетают в противоположном направлении. (см. приложение7) 

III.2) Чешуйчатая крыша.

Норвежские церкви могут похвастаться чешуйчатой крышей, прекрасно защищающие от снега и дождя: при уложенной внахлест дранке кровля получается совершенно герметичной, пусть даже отдельные дощечки очень малы. Змеиная чешуя, «уложенная»тем же способом, столь же прекрасно защищает свою владелицу от мелких паразитов. И так далее, и тому подобное! Структура компьютерного чипа сходна со строением костной ткани, а полая птичья кость, в свою очередь, напоминает косые жёсткие крепления стрелы подъёмного крана…

Каким образом природа совершенствует свои изделия? В живой кости наращиваются те участки, что испытывают наибольшие нагрузки, а ненагруженные постепенно разрушаются; сходным образом развиваются и деревья. Словом, конструкция становится легче, ничуть не теряя в прочности! применив в порядке эксперимента «метод дерева» к деталям механизмов, немецкие учёные доказали, что незначительные, казалось бы, изменения формы могут повысить их прочность… В 40 РАЗ.

Именно путём МИНИМАЛЬНОЙ ОПТИМИЗАЦИИ Природа шествует в своих поисках, и, сказать по чести, плоды эволюции во много превосходят аналогические творения рук человеческих… Признаков это, современные специалисты по бионике, вооружившись компьютерами, вполне сознательно идут по её следам.

III.3) КРЫЛАТЫЕ ЭХОЛОКАТОРЫ.

Создатели радиолокатора не думали, что многие технические задачи, с которыми им пришлось столкнуться, «решены» природой миллионы лет назад, что между одним из совершеннейших творений инженерного гения- радиолокатором и крохотным зверьком есть много общего. Не знали об этом и зоологи. Они только знали, что летучие мыши ориентируются в полной темноте. Но как?

  Оказалось, что во время полета мышь излучает короткие ультразвуковые сигналы на частоте 8х104Гц, а затем воспринимает эхо- сигналы, которые приходят к ней от пролетающих вблизи насекомых. Чем меньше длина волны излучения, тем более мелкими могут быть объекты, которые необходимо опознать при помощи эхо- сигналов. Поэтому летучие мыши не могут не восхищать исследователей и, в частности, они не могут не вызывать зависти у специалистов по радиолокации.  Сонар летучей мыши позволяет ей различать эхо от неподвижного препятствия и эхо от движущегося объекта. Сама мышь находится, заметим, в движении. И при этом она не только легко различает неподвижные и движущиеся объекты, но и способна воспринять слабенькое эхо  от летящего комара на фоне во много раз более сильного эха от поверхности земли, деревьев и т. п. Специалисты по радиолокации знают, как трудно подчас различить эхо от низко летящего  самолета  и от земной поверхности. Естественно, что их не может не заинтересовать природный сонар летучей мыши.

   Летучие мыши обычно живут в пещерах, где собираются  огромными стаями. Вылетая из пещеры или влетая в нее, каждая мышь пользуется, естественно, своим сонаром. Таким образом,  одновременно издают звуки тысячи и более летучих мышей. А между тем весь этот шум, по- видимому, нисколько не мешает каждой мыши  легко ориентироваться внутри пещеры         даже в полной темноте. Получается, по выражению специалистов, отстраиваться от паразитных сигналов.

Так со значительным опозданием, уже после того, как инженеры открыли принцип локации, был выявлен и исследован его «прототип»  в живой  природе. Но это не значит, что дальнейшее изучение локационного аппарата летучей мыши можно прекратить. Ибо этот аппарат не только высокоточный и надежный, но и энергетически экономичен, миниатюрен и чрезвычайно легок. Характерное для него изменение режима работы в зависимости от обстановки важно сточки зрения экономии и может служить хорошим прототипом для решения еще одной нелегкой задачи- создание локаторов с переменным режимом работы, т.е. своего рода адаптивных локаторов.

  Моделирование  живых локаторов открывает новые перспективы использования их конструкций в качестве чувствительных элементов различных технических систем. На основе принципа эхолокации летучих мышей конструируются модели приборов- поводырей, фонарей, ультразвуковых очков- локаторов для слепых и т. д. (см. приложение8)

                                             III.4)  Пауки

        Не так давно внимание ученых и инженеров привлёк обыкновенный паук. Их заинтересовало то, что этот представитель членистоногих не только ходит, но и довольно быстро бегает на длинных лапках, не имеющих мышц. Какая же сила движет лапки паука? Ученые установили, что движение лапок паука осуществляется посредством своеобразного гидравлического привода, жидкостью для которого служит кровь.

Природа действительно наградила пауков чудесным гидроприводом. если паук вытягивает лапки, давление крови повышается в них до такой степени, что отвердевают растущие на них щетинки. Даже в состоянии покоя давление крови в лапках паука на 0,05 атм выше давления воздуха. В момент прыжка оно мгновенно повышается до 0,5 атм! Таким образом, «искусственная гипертония» у паука служит источником той энергии, которая позволяет ему не только двигаться, но и прыгать.

Стало совершенно очевидно, что уникальный гидропривод паука является той моделью биологической системы, которая может послужить образцом для создания компактного, легко управляемого и неприхотливого в эксплуатации вездехода повышенной проходимости и маневренности. Можем ли мы сегодня точно воспроизвести гидросистему паука? Пока нельзя сказать, что эксперименты по её воспроизведению полностью увенчались успехом. Ни биологи, ни инженеры ещё не знают самого главного - каким образом пауки добиваются мгновенного изменения кровяного давления, как они автоматически регулируют его в сосудах.

  И все- таки  в зарубежной печати появились сообщения о том, что одна из американских фирм построила машину под названием «металлический паук», которая по внешнему виду и способу передвижения напоминает паука. Машина имеет четыре шарнирные «ноги», длиною более двух метров каждая. К «ногам» прикреплена кабина для водителя. С помощью серводвигателей водитель легко перемещает кабину и управляет движением ног «Металлического паука». При остановке машина «встает на колени», опуская кабину на грунт. По замыслу ученых и конструкторов, «Металлический паук»-один из вариантов лунного вездехода. Его длинные ноги нигде не увязнут, легко перешагнут трещины, одолеют крутые подъемы. (см. приложение9)

IV. Заключение

Разыскивается гениальный конструктор:

Человек или природа?

Ответ кажется очевидным. Миллиарды лет природа экспериментировала, что называется, наугад, покуда не ухитрилась породить, наряду со всем прочим, довольно слабосильного Homo sapiens. Чтобы завоевать место под Солнцем, человеку ничего не оставалось, кроме как резко поумнеть, с чем он справился недурно… и в качестве Homo sapiens за считанные тысячелетия научится и изобрести много интересного и нужного для своего существования!

  А природа продолжает  шествовать в своих поисках, и, сказать по чести, плоды эволюции во много превосходят аналогические творения рук человеческих… Признав это, современные специалисты по бионике, вооружившись компьютерами, вполне сознательно идут  по ее следам.

.                            

 Задумывались ли вы когда-нибудь о величии природы, ….                

Список литературы.

 1  Л.В. Тарасов Физика в природе: Книга для учащихся- М.: «Вербум-М».2002г

2 Авторский коллектив: Предметная неделя физики в школе. Ростов н/Д «Феникс» 2006 г.

3 Л. Меркулов. Раскрывая тайны природы… «Московский рабочий» 1972г.

4. Подписка журнала «Техника-  молодежи» за 1982г- 2009 г.

5. Интернет- ресурсы.

6. А.В. Перышкин      Физика- 9  «Дрофа» 2006г

                                  Аннотация.

         Тема работы: «Разыскивается гениальный конструктор: человек или природа?»  выполнил ее Попов Д, учащийся МОУ СОШ № 16.

  Исследовательская работа посвящена проблеме использования человеком опыта природы в создании  различных объектов. Поэтому автор ставит цель проанализировать  параллель плодов эволюции и творения рук человека и выяснить: Чье творение мудрее, эффективнее, оптимальнее? Для достижения цели автор определил задачи: определить,  какое изобретение человека уже существует в природе и рассмотреть его прототип. Метод исследования: сравнительный  анализ. В своей работе автор приходит к выводу, что плоды эволюции природы превосходят творения рук человека и ему еще многому нужно научиться у природы.                                

Приложение №1

Приложение №2

Приложение №3

Приложение №4

Приложение №5

Приложение №6

Приложение №7

Приложение №8

Приложение №9