ГОСУДАРСТВЕННОЕ БЮДЖЕТНОЕ ОБРАЗОВАТЕЛЬНОЕ УЧРЕЖДЕНИЕ

СРЕДНЕГО ПРОФЕССИОНАЛЬНОГО ОБРАЗОВАНИЯ

ЛУГАНСКОЙ НАРОДНОЙ РЕСПУБЛИКИ

«АЛЧЕВСКИЙ МЕТАЛЛУРГИЧЕСКИЙ КОЛЛЕДЖ»

 

 

ИНФОРМАЦИОННО-ДИДАКТИЧЕСКИЙ

МАТЕРИАЛ

ДЛЯ ПРОВЕДЕНИЯ ЗАНЯТИЙ ПО ТЕМЕ:

«Бионика - одно из направлений биологии и кибернетики»

Профессия: 23.01.09 Машинист локомотива;

13.01.10 Электромонтер по ремонту и обслуживанию электрооборудования.

Учебная дисциплина общеобразовательного цикла: «Биология»

г. Алчевск

Содержание

Аннотация………………………………………………………………………...	3
1. Инфракрасное излучение…………………………………………………...	4
2. Ультрафиолетовое излучение………………………………………………	8
3. Рентгеновское излучение…………………………………………………...	11
4. Дифракция рентгеновских лучей…………………………………………..	14
Список использованных источников…………………………………………	16

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

Аннотация

Данный информационно-дидактический материал предназначен для изучения темы «Бионика - одно из направлений биологии и кибернетики», учебной дисциплины общеобразовательного цикла «Биология», для обучающихся первого курса обучения по профессиям: 23.01.09 Машинист локомотива; 13.01.10 Электромонтер по ремонту и обслуживанию электрооборудования.

Данный материал содержит информацию о: бионике, как интегрированной науке и ее видах; истории развития бионики; использовании достижений в промышленности; бионике в строительной технике и архитектуре; бионика в медицине.

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

1. Понятие бионики, как интегрированной науки

Бионика (от греч. biфn — элемент жизни, ячейка жизни или, точнее, элемент биологической системы) — одно из направлений биологии и кибернетики, изучающее особенности строения и жизнедеятельности организмов в целях создания более совершенных технических систем или устройств, характеристики которых приближаются к характеристикам живых систем.

В англоязычной и переводной литературе чаще употребляется термин биомиметика (от лат. bios - жизнь, и mimesis - подражание) в значении - подход к созданию технологических устройств, при котором идея и основные элементы устройства заимствуются из живой природы. Одним из удачных примеров биомиметики является широко распространенная "липучка", прототипом которой стали плоды растения репейник, цеплявшиеся за шерсть собаки швейцарского инженера Жоржа де Местраля.

Термин придумал в 1958 году американский врач и военный Джек Стил. А датой рождения бионики, как науки считается 13 сентября 1960 г. В этот день открылся первый международный симпозиум на тему «Живые прототипы искусственных систем — ключ к новой технике».

Своей эмблемой бионики выбрали скальпель и паяльник, соединённые знаком интеграла, а девизом – «Живые прототипы-ключ к новой технике».

БИОЛОГИЯ + ТЕХНИКА = БИОНИКА

Различают:

    биологическую бионику, изучающую процессы, происходящие в биологических системах;

    теоретическую бионику, которая строит математические модели этих процессов;

    техническую бионику, применяющую модели теоретической бионики для решения инженерных задач.

Бионика тесно связана с биологией, физикой, химией, кибернетикой и инженерными науками: электроникой, навигацией, связью, морским делом и другими.

Бионика - это наука, изучающая принципы организации и функционирования биологических систем на молекулярном, клеточном и популяционном уровнях.

Бионика - наука междисциплинарная, "наука-перекресток", в ней отражаются особенности научно-технической революции в форме интеграции различных по своему назначению и методам наук.

Бионика синтезирует знания в биологии и кибернетике, физике и радиотехнике, математике и электронике, ботанике и архитектуре, биохимии и механике, психологии и биофизике и т.д.

Появление кибернетики, рассматривающей общие принципы управления и связи в живых организмах и машинах, стало стимулом для более широкого изучения строения и функций живых систем с целью выяснения их общности с техническими системами, а также использования полученных сведений о живых организмах для создания новых приборов, механизмов, материалов и т.п.

Бионика соединяет разнородные знания в соответствии с законами единства живой природы.

 

 

2. История развития бионики

В процессе эволюции живая природа тысячелетиями совершенствовала формы и строение живых организмов. В результате борьбы за существование выживали и давали потомство только самые приспособленные и совершенные из них.

Ещё крупнейший греческий философ материалист Демокрит (около 460-370гг.до н.э.) писал:

«От животных мы путем подражания научились важнейшим делам. Мы ученики паука в ткацком и портняжных ремеслах, ученики ласточки в построении жилищ ...»

Идея применения знаний о живой природе для решения инженерных задач принадлежит Леонардо да Винчи, который при создании своего летательного аппарата с крыльями, как у птиц – орнитоптера – пытался воссоздать строение птичьего крыла и механизма, приводящего его в движение.

 

А три тысячи лет назад китайцы пытались перенять у шелкопряда секрет изготовления шелка.

Примером этому могут служить факты известные еще в глубокой древности. Так, например, арабские врачи уже много сотен лет назад, проводя глазные хирургические операции, получили представление о преломлении световых лучей при переходе из одной прозрачной среды в другую. Изучение хрусталика глаза натолкнуло врачей древности на мысль об использовании линз, изготовленных из хрусталя или стекла, для увеличения изображения.

Следует также упомянуть Джорджа де Местраля с его липучей лентой Velcro. Созданной по принципу репейника.

В области физики в основу принципов учения об электричестве было положено исследование животного электричества.

Опыты итальянского физиолога XVIII в. Луиджи Гальвани с лапкой лягушки привели в конечном итоге к созданию гальванических элементов — химических источников электрической энергии.

 

Долгое время проблемой при строительстве скоростной авиации было внезапно возникающие вибрации крыла. Из-за этого самолет мог развалиться в воздухе за несколько секунд. После тщательного изучения аварийных ситуаций конструкторы нашли необходимое решение— крылья стали делать с утолщением на конце. Похожие утолщения были обнаружены на концах крыльев стрекоз.

Русские учённые также внесли свой вклад в развитие бионики. Основоположник современной аэродинамики Н. Е. Жуковский исследуя полет птиц, открыл «тайну крыла» и условия, позволяющие им парить. Он разработал методику расчета подъемной силы крыла, той силы, которая держит самолет в воздухе. Результаты изучения особенностей полета птиц, которому так много времени уделял Жуковский, лежат в основе современной аэродинамики.

На основании проведённых исследований появилась современная авиация.

Очень высокой оказалась способности к полету у насекомых. Так, есть бабочки, которые, как и птицы улетают осенью из Европы в Африку. Устройство их крыльев и способность резко изменять направление, а также зависать над цветком - пока не удалось повторить учёным в современных конструкциях самолетов.

После того как бионика получила официальное признание как самостоятельная область знаний, ее позиции существенно укрепились, а область исследований расширилась. Потребителями и партнерами бионики становятся самолето- и кораблестроение, космонавтика, машиностроение, радиоэлектроника, навигационное приборостроение, инструментальная метеорология, архитектура и т.д.

3. Использование достижений бионики в промышленности

Еще в годы Первой мировой войны британский флот получил на вооружение гидрофоны — приборы для обнаружения германских подводных лодок по шуму их винтов в воде. Конструкция оказалась неудачной. Во время хода судна гидрофоны не воспринимали других звуков, так как все заглушалось шумом машины собственного корабля. На помощь пришли зоологи. Они напомнили, что тюлени прекрасно слышат в воде при любой скорости, и предложили придать гидрофонам форму ушной раковины тюленя. С тех пор англичане стали более успешно бороться с германскими подводными лодками.

Исследование биологических рецепторных и анализаторных систем (прежде всего изучение органов зрения, слуха и обоняния) в целях построения их технических моделей привело к ряду научных открытий. Так, изучив строение глаза кальмара, который приспособлен для видения предметов как при слабом, так и при сильном освещении (это его приспособление связано с наличием в клетках сетчатки бурого зернистого пигмента), ученым удалось разработать стекла, мгновенно темнеющие при попадании на них яркого света. Когда яркость уменьшается, стекла вновь приобретают прежнюю прозрачность.

Очень интересным и перспективным оказалось исследование аэродинамических свойств птиц и насекомых, гидродинамических характеристик головоногих моллюсков, рыб, китообразных. Результаты этого исследования используют в авиа- и судостроении, конструировании и изготовлении гидрореактивных двигателей для подводного транспорта.

 

Реактивное движение, используемое сейчас в самолетах, ракетах и космических снарядах, свойственно также головоногим моллюскам — осьминогам, кальмарам, каракатицам. Водометный двигатель на судах — это точная копия реактивного «механизма», используя который каракатица быстро движется, выбрасывая из себя струю воды с большой силой. Кальмаров можно назвать «спринтерами моря». Они способны стартовать из морских глубин в воздух с такой скоростью, что нередко пролетают над волнами более 50 м. Кальмарам присуща поразительная маневренность в воде, они производят чрезвычайно стремительные повороты не только в горизонтальной, но и в вертикальной плоскости. Изучение локомоторного аппарата кальмаров, гидродинамических показателей формы их тела может дать инженерам-кораблестроителям богатый материал для создания высокоманевренной морской ракеты, способной развивать под водой огромную скорость.

Итак, изучение реактивного движения живых организмов, привело к новому направлению в бионике - созданию реактивных двигателей.

Для того чтобы схватить предмет или просверлить дырку, в природе и в технике используются одинаковые методы. Ловчие птицы. Раньше орлов и их родственников относили к группе хищных птиц, сегодня их называют ловчими. Такое название объясняется самим принципом охоты птиц. Чтобы удержать добычу, они цепко обхватывают свою жертву и впиваются в нее острыми когтями. Из таких объятий вырваться невозможно. Беркут охотится на мелких млекопитающих и птиц. Своими сильными и цепкими когтями он, например, намертво впивается в шкуру молодых сурков. Скопа и орлан-белохвост питаются чаще всего рыбой, которую можно поймать на поверхности воды. Их удлиненные лапы с очень острыми загнутыми когтями и грубой жесткой чешуйчатой внутренней стороной позволяют им впиваться в скользкую, готовую в любой момент ускользнуть рыбу так, что та уже не может вырваться.

Начало изучению полёта летучих мышей положил итальянский ученый Ладзаро Спалланцани. Он провёл ряд экспериментов, доказывающих, что мышь видит преграды не глазами. Ослепленное им животное продолжало свободно летать, не сталкиваясь с препятствиями. Рукокрылые ориентируются при помощи отраженных звуковых импульсов. Их ноздри и рот также составляют части локационного аппарата. Изучением этих систем животных, способных преодолевать тысячи километров во время миграций и безошибочно возвращающихся к своим местам для нереста, зимовки, выведения птенцов, занимаются многие специалисты в различных областях.

Это способствует разработке и созданию высокочувствительных систем слежения, наведения и распознавания объектов. Такие инновационные разработки активно используется в оборонной промышленности, в совершенствовании приборов, используемых в авиации, морском деле и др.

Также внимание ученых привлекли пауки. Паутина паука толщиной в один простой карандаш может остановить «Боинг» на полной скорости. Знаменательно то, что в состав паутины входит всего 2 вида белков. Один из них отвечает за прочность нити, второй за её эластичность. В настоящее время научные лаборатории многих стран изучают этот удивительный природный материал. Создаются искусственные материалы, близкие по составу к паутине. Они используются в новейших разработках спецзащиты, военной промышленности.

На сегодняшний момент нити паутины применяются в основном в оптической промышленности, в качестве ниток в микрохирургии. За счет высокого содержания в себе бактерицидных свойств паутина может с успехом применяться в медицине в качестве шовного материала, искусственных связок и сухожилий, пленок для заживления ран, ожогов и пр. Наблюдение и изучение этих разнообразных систем обнаружения может помочь в создании новых технических приборов.

Техника использует специальные инструменты: клещи и пинцеты. Природа же работает с многочисленными «комбинированными приборами».
Веретенники. Своим длинным 15-сантиметровым клювом веретенник ощупывает землю, втыкая его в мягкую почву. При этом кончик клюва птица в нужный момент открывает и закрывает. Таким образом ей легко хватать маленьких червяков и другую добычу. Ее тонкий клюв родит довольно глубоко в землю, и оттуда птица достает себе пищу.

4. Бионика в строительной технике и архитектуре

Во все времена архитекторы вели поиск новых, более совершенных, архитектурных решений и форм. Этот процесс, на протяжении всей истории человечества был непрерывным: готика, ренессанс, барокко, романтизм, модерн, классицизм, неоклассицизм. Иногда этот поиск обращает наш взгляд к тому, что давно уже изобретено. Так, архитектурная бионика, устанавливая новые тенденции в архитектуре, возвращает нас к уже веками существующим формам и принципам, совершенство которых не смогло превзойти не одно техническое изобретение человека.

Глубокое и всестороннее исследование биологических процессов, природных конструкций и форм в целях их использования в строительной технике и архитектуре за короткий срок принесло немало открытий. Развитие архитектурной бионики во многом предопределено временем. Можно сказать, что это одно из самых актуальных на сегодняшний день направлений. А связано это с общей идеей возврата к природе, прослеживающейся сегодня во многих сферах человеческой деятельности.

Например, не так давно, во второй половине XX века, инженеры совершенно неожиданно открыли, что прочность Эйфелевой башни связана с тем, что изящная конструкция трехсотметровой металлической Эйфелевой башни в точности повторяет (совпадают даже углы несущих поверхностей) строение большой берцовой кости, легко выдерживающей тяжесть человеческого тела, хотя при создании проекта башни инженер Ж. Эйфель не пользовался живыми моделями. Большая берцовая кость человека при своих небольших диаметре и массе выдерживает сжатие в 1650 кг, что в 20 — 25 раз больше обычной нагрузки.

 

Как уже упоминалось, само понятие бионика появилось в начале двадцатого века.

Первые попытки использовать природные формы в строительстве предпринял еще Антонио Гауди.

Парк Гуэля, или как говорили раньше «Природа, застывшая в камне»,

Каса Батло

Каса Мила

Ничего подобного избалованная архитектурными изысками Европа, да и весь мир, еще не видели. Эти шедевры великого мастера дали толчок к развитию архитектуры в бионическом стиле. В 1921 году бионические идеи нашли отражение в сооружении Рудольфа Штайнера Гетеанум, и с этого момента зодчие всего мира взяли бионику на «вооружение».

Со времен Гетеанума и до сегодняшних дней в бионическом стиле было построено большое количество как отдельно взятых зданий, так и целых городов. Сегодня современное воплощение органической архитектуры можно наблюдать в Шанхае дом «Кипарис»

в Нидерландах – здание правления NMB Bank

Австралии – здание Сиднейской оперы

Монреале – здание Всемирного выставочного комплекса

Японии – небоскреб SONY и музей плодов

Изучение удивительного устройства листьев, имеющих ребристую структуру и форму веера, подсказало архитекторам так называемые «складчатые конструкции».

Используя принцип «складчатых конструкций», в США построили складчатые купола пролетом 100 — 200 м, во Франции произвели перекрытие павильона пролетом 218 м. Широкое применение получили тонкостенные пространственные складчатые конструкции и в России.

Кроме зданий, в конструкции которых используются принципы и структуры живой природы, к бионическом сооружениям относят и те, которые копируют не биологические структуры, а формы. Например, небоскреб в форме огурца в Лондоне.

С недавнего времени бионическую архитектуру можно увидеть и в России. В 2003 году в Санкт-Петербурге по проектам архитектора Бориса Левинзона были построен «Дом Дельфин»

Еще одна концепция бионической архитектуры – создание эко-домов, которые строятся из природных материалов, органично вписываются в природный ландшафт и являются автономными самообеспечивающимися системами. С этой точки зрения, к бионической архитектуре можно отнести все еще привычные нам деревенские дома, являющиеся частью вполне автономной системы отдельных сельских хозяйств.

 

Подражая природным структурам, ряд оригинальных сооружений создали и мостовики. Так, французские инженеры возвели мост, придав ему форму скелета морской звезды. Он имеет вид равностороннего треугольника, что значительно надежнее, чем арочные конструкции.

 

Трансформация формы листьев, когда они, свертываясь в трубку и образуя причудливые желоба, закручиваются в спираль, обеспечивая себе наибольшую прочность, подсказала инженерам и конструкторам идею моста через реку в виде полусвернутого листа. Его легкость поразительна, прочность необычайна. Красотой, экономичностью и долговечностью этот мост полностью обязан природе.

Еще одну конструкцию моста, подсказанную природой, разработал инженер Сэмюэль Броун. Выйдя в сад и рассматривая тысячи тонких нитей паутины, провисавших между деревьями, он увидел прообраз искомой им конструкции моста на гибких длинных нитях. Ветер раскачивал ее, но подвесные нити не рвались. Инженеру оставалось только рассчитать нагрузки и сечения. Так появились прочные и красивые подвесные мосты.

 

Мост волны Хендерсона в Сингапуре

6. Развитие бионики в медицине

Сегодня происходят быстрые улучшения в сфере использования машин и технологий, чтобы помочь пациентам оправиться от тяжелой травмы и болезней.

Так с 2009 года ведется разработка передовых протезов верхних конечностей, в первую очередь для ветеранов, которые потеряли двигательную функцию во время военной службы. Результат – самый продвинутый протез в мире. Он весит столько же и обладает почти такой же ловкостью, как человеческая рука, и, как естественная конечность, управляется сигналами от мозга.

 

Не менее потрясающие достижения существуют в восстановлении зрения у людей с поврежденной сетчаткой. Используя электроды, подключенные к глазным нервам, ученые смогли симулировать зрение для некоторых пациентов.

В еще более революционных исследованиях ученые уже экспериментируют с мозговыми имплантатами, которые дополняют потерянную функцию памяти.

Потенциал бионики практически безграничен. Её достижения очень важны для человека. Появляется всё больше областей ее исследования, постоянно расширяются перспективы в создании новых уникальных материалов и приборов. Наиболее продвинувшиеся исследования в бионике – это разработка биологических средств обнаружения, навигации и ориентации; комплекс исследований, связанных с моделированием функций и структур мозга высших животных и человека; создание систем биоэлектрического управления и исследования по проблеме «человек-машина».

7. Вопросы для закрепления

1.     Что такое бионика? Цели и задачи. Междисциплинарные связи.

2.     Причины возникновения, дата рождения бионики как науки.

3.     Прародители бионики, первые проекты.

4.     Направления бионики.

5.      

6.      

 

Список использованных источников

Основная литература

1.      Биология.10 класс: учеб. для общеобразоват. организаций: базовый уровень / [Д.К. Беляев, Г.М. Дымшиц, Л.Н. Кузнецова и др.]; под ред. Д.К. Беляева и Г.М. Дымшица. – 4-е изд. – М.: Просвещение, 2017. – 223с.: ил.

2.     Биология.11 класс: учеб для общеобразоват. организаций: базовый уровень / [Д.К. Беляев, П.М. Бородин, Г.М. Дымшиц, Л.Н. Кузнецова и др.]; под ред. Д.К. Беляева и Г.М. Дымшица. – 4-е изд. – М.: Просвещение, 2017. – 224с.: ил.

Дополнительная литература

1.     Алфимова М.М. Занимательные нанотехнологии. – М.: БИНОМ. Лаборатория знаний, 2011.

2.     Архитектурная бионика /Ю.С. Лебедев – М.: Стройиздат, 1990.

3.     Леонович А.А. Бионика: подсказано природой. - Москва : АСТ, Аванта, 2019. - 254, [1] с. : ил.; 22 см. - (Простая наука для детей).

4.     Литинецкий, Изот Борисович. Бионика - Москва : Просвещение, 1976. - 336 с., 8 л. ил. : ил.; 22 см. - (Пособие для учителей).

5.     Максимова В.Н., Груздева Н.В. Межпредметные связи в обучении биологии. – М.: Просвещение, 1987. – 192с. – ( Б-ка учителя биологии).

6.     Мамонтов С.Г. Общая биология: учеб. Для студентов средних проф.учеб.заведений/ М.: Высш.шк.; 2010

7.     А. Рийо, Ж. А. Мейе. Бионика. Когда наука имитирует природу. М.: Техносфера,2013.

8.     Рвсьева Т.Г. Дидактические игры и возможности их применения при изучении биологии и экологии в школе. Ижевск: Из.дом «Удмуртский университет», 2001.

9.     Скурлатова, М. В. Бионика как связь природы и техники / М. В. Скурлатова. — Текст : непосредственный // Молодой ученый. — 2015. — № 10 (90). — С. 1283-1289.

10. Чернова Н.М. и др. Общая биология: Учеб. для сред. ПТУ/ Н.М. Чернова, А.И. Никишов, Н.А. Топорнина. – 3-е изд., перераб. и доп. – М.: Высш. шк., 1985. – 223с., ил.

Интернет ресурсы:

1.     http//bio-nika.narod.ru

2.     http://www.mirf.ru

3.     http://ru.wikipedia.org

4.     http://letopisi.ru/index.php/Бионика

5.     www.biokon.net/bionik/beispiele.html

Видеоресурсы:

1.     Видеофильм Бионика: Технология от природы. Nature Tech / Bionik: Das Genie der Natur (2006)

2.     Видеофрагмент «Электричество в животном мире».

 

 

Скачано с www.znanio.ru