Конструкторское бюро природы и человек

Муниципальная научно-практическая экологическая конференция

«Природу сохранят дети!» обучающихся образовательных организаций

городского округа Луховицы Московской области

Муниципальное бюджетное общеобразовательное учреждение

«Фруктовская средняя общеобразовательная школа имени Героя Российской Федерации Малочуева Олега Григорьевича»

Конструкторское бюро природы и человек

Автор Селивёрстова София Андреевна,

8 класс

Руководитель Мещерякова Светлана Николаевна,

учитель биологии и химии

п. Фруктовая, 2022

СОДЕРЖАНИЕ

1. Введение                                                                           с. 3

2. Методика исследования                                                   с. 3 – 4

3. Практическая часть                                                          с. 4 – 6

4. Заключение и выводы                                                      с. 6 – 7

5. Библиография                                                                   с. 7

6. Приложения                                                                      с. 8

1. Введение

Человек разумный Homo sapiens sapiens, внимательно присматриваясь к окружающей его природе, находит в ней прекрасные образцы различных конструкций и использует их в своей жизни. На протяжении всего человеческого существования птицы, звери, рыбы подавали человеку идеи для решения инженерных задач. Леонардо да Винчи предлагал построить летательный аппарат с машущими крыльями – орнитоптер – по принципу строения крыльев птицы.

Раскрывая секреты  внешнего и внутреннего строения живых организмов, человек научился применять их в архитектурном строительстве, в самолётостроении и т.д.

Идея возврата к природе остаётся актуальной и в настоящее время. Так родилась бионика.

Био́ника (от др.-греч. βίον «живущее», «ячейка жизни») — прикладная наука, которая  изучает биологические системы и процессы с целью применения полученных знаний для решения технических задач. Бионика помогает человеку создавать оригинальные технические системы и технологические процессы на основе идей, найденных и заимствованных у природы.

В качестве темы проекта мы выбрали тему «Конструкторское бюро природы и человек». Автор проекта Селивёрстова София Андреевна, обучающаяся 8 класса МБОУ «Фруктовская СОШ». Руководитель проекта Мещерякова Светлана Николаевна, учитель биологии МБОУ «Фруктовская СОШ»  

2. Методика исследования

Одним из направлений современной бионики является исследование морфологических, физиологических, биохимических особенностей живых организмов для выдвижения новых технических и научных идей. Так создаются модели в архитектуре, строительстве, авиации и так далее.

Чтобы создать модели, отвечающие современным требованиям, инженеры изучают то, что уже создано и успешно используется живыми организмами в природе. Вот и мы решили провести исследование микроскопического строения и химического состава костей птицы и рыбы.

Методика исследования включает следующие этапы:

1.     проанализировать литературу, уточнить тему исследования;

2.     определить цель и задачи;

3.     выдвинуть гипотезу;

4.     провести эксперимент по изучению химического строения костей на примере костей птицы и рыбы;

5.     обобщить материал по теме исследования и соотнести выводы с выдвинутой гипотезой.

Цель исследования: на основании изучения химического состава и микроскопического строения костей показать применение человеком «конструкций» природы в повседневной жизни.

Гипотеза: особенности строения и формы живых организмов возможно использовать в технологических решениях нового направления инженерных сооружений.

3. Практическая часть

Вес скелета человека составляет всего 14 – 20% от его общей массы. Костная ткань – разновидность соединительной ткани, состоит из костных пластинок (остеонов), представляющих неклеточное вещество кости, и костных клеток. Остеоны в костях располагаются концентрическими кругами. Костные пластинки формируют сводчатые конструкции, ориентированные по линиям сжатия и растяжения.

Известно, что костная ткань содержит минеральные соли и органические вещества, главным образом белок коллаген. Подтвердить химический состав костей можно на опытах. Предлагаем видео ролик демонстрации экспериментов по определению минеральных и органических веществ в костях.

Опыт 1. Определение минеральных солей в костях.

Небольшие куриные косточки помещаем в фарфоровую чашку, закреплённую в кольце штатива, и поджигаем.  Через некоторое время отмечаем появление характерного запаха жжёной кости. Она чернеет от углерода. И если продолжить сжигание, выгорает весь углерод кости и остаётся белый хрупкий осадок минеральных солей.

Вывод: минеральные соли придают костям твёрдость и прочность.

Опыт 2. Определение органических соединений в костях.

Очищенные от мышц и сухожилий бедренные куриные кости опускаем в 10% раствор соляной кислоты. Через сутки промываем кости и проверяем их на прочность. Кости после обработки их раствором кислоты становятся гибкими, их можно сгибать и при этом они не ломаются.

Вывод: минеральные соли костей растворились в кислоте, оставшиеся органические вещества придают костям упругость.

Таким образом, сочетание твёрдых неорганических веществ и эластичности органических веществ делают кости прочными и упругими, обеспечивая опорно-защитную функцию скелета. Именно эта особенность строения костей используется в бионике.

Примером  использования конструкторских решений природы в архитектуре является Эйфелева башня в Париже. Строительство башни основано на научной работе швейцарского профессора анатомии Германа фон Мейера. Он исследовал структуру головки бедренной кости в том мечте, где она изгибается и под углом входит в тазобедренный сустав. Фон Мейеру удалось обнаружить, что внутренняя часть головки кости представлена сетью миниатюрных костных пластинок, которые изощрённо перекрещиваются. Такое строение кости придаёт ей дополнительную прочность и возможность выдерживать большие нагрузки за счёт перераспределения по кости.

Эту костную сеть со строгой геометрической природной структурой задокументировал профессор Герман фон Мейер.

Спустя 40 лет Густав Эйфель воспользовался документами и создал чертеж 300-метровой башни, которая  была представлена в виде пространства между железными нитями.  Несмотря на величественные размеры, башня оказывает давление на землю, равное давлению сидящего на стуле человека. Такое архитектурное решение позволяет высокой башне выдерживать значительную силу ветра.

Учёные установили, что скелет лебедя состоит из своеобразных продольных и поперечных костей, способных выдерживать существенные нагрузки. Особенности строения скелета лебедя подсказали учёным и инженерам использовать их в архитектуре современных лёгких и прочных железобетонных конструкций.

Великий изобретатель Леонардо да Винчи был убеждён, что «… человек, преодолевающий сопротивление воздуха с помощью больших искусственных крыльев, может подняться в воздух». Он изучал анатомию птичьего крыла, учитывая функции и распределение его перьев. И предлагал построить летательный аппарат орнитоптер с машущими крыльями. И развитие современной авиации начиналось с подражания птицам. Крылья современных самолётов имеют сходное строение с крыльями птиц.

4. Заключение и выводы

Бионика заимствует конструкторские идеи из живой природы, чтобы внедрять их в инженерные и архитектурные сооружения. Мы рассмотрели на примере микроскопического строения и химического состава костей, как человек применил в своей деятельности эти особенности. В настоящее время по подобной технологии строят спортивные стадионы, рассчитанные на несколько сот тысяч зрителей. Причём они выдерживают значительные шумовые и ветровые нагрузки без разрушений.

При строительстве других башен также заимствованы конструкторские идеи из природы. Например, Владимир Шухов (1890-е годы) изобрёл первые в мире гиперболоидные конструкции и металлические сетчатые оболочки по образу плетёных крестьянских корзин. Нагрузка распределяется равномерно и тонкие прутья не гнутся. В. Шухову удалось избежать перерасхода металла, а типовые металлические стержни было легко изготовить и смонтировать. Этот метод используется и при строительстве маяков, корабельных мачт, линий электропередач.

Идеей для воплощения формы Останкинской телебашни (1960 г.) стал обычный цветок. Архитектор Л. И. Баталов взял за образец лилию, перевёрнутую лепестками вниз: утолщённый стебель переходит в лепестки-опоры.

Таким образом, гипотеза проекта-исследования получила своё подтверждение. Конечно, у природы есть ещё много конструктивных находок, которые человек использует в своей жизни. Но это можно представить в следующих проектах.

5. Библиография

1.     https://ru.wikipedia.org/wiki/Бионика

2.     https://architectureguru.ru/eiffel-tower-in-paris/

3.     https://chydesa-mira.ru/eifeleva-bashnya-v-parise/

4.     https://ru.wikipedia.org/wiki/Останкинская_телебашня

5.     https://chydesa-mira.ru/eifeleva-bashnya-v-parise/

6.     https://ds04.infourok.ru/uploads/ex/11db/000d313a-890981ba/img5.jpg

7.     https://i.pinimg.com/736x/1c/f1/9a/1cf19a567a78806c325088fde011a64f--conceptual-architecture-architecture-student.jpg

8.     https://exterium.ru/upload/users/11619/upload/5bf2e9326cc60slide-3.jpg

Приложение 1. Фотоотчёт по определению химического состава костей

Опыт 1. Определение органических          Опыт 2. Определение минеральных солей

веществ в костях                                                           в костях

Скачано с www.znanio.ru