Презентация по ознакомлению с окружающим миром "Бионика"

1. Предисловие.
Взаимосвязь природы и техники. 3

2. Инструменты:
клещи и пинцеты 5-9
складные инструменты 10-12
экскаваторы и сверла 13-17
крючки и присоски 18-22
соединительные механизмы 23-25

3. Строительная техника:
постройки из глины 27-29
подземное строительство 30-32
жизнь под водой 33-35
крыши, отталкивающие воду 36-42

4. Отопление и охлаждение воздуха:
защита от холода, шкура и одежда 44-46

5. Движения – по земле и под водой:
бегающие машины и роботы 48-50
широкие подошвы для облегчения движения 51-53
устройства для прыжков 54-56
отличные пловцы 57-59
движения с помощью колебаний 60-62

6. Полеты и планирование:
унесенные ветром 64-68
с ветром вокруг света 69-71
движение с помощью ветра 72-74
двигательная система – рука 75-77

7. Нападение и оборона:
инъекционные шприцы 79-81
защитные панцири 82-84
мокрицы и линкор 85-87

8. Упаковка и очистка:
биологические способы упаковки 89-91
самоочищающиеся поверхности 92-94
использование воска 95-97

9. Переработка мусора.
Круговорот материала в природе. 98-100

10. Заключение 101

В прошлом отношение человека к природе было потребительским, техника эксплуатировала и разрушала природные ресурсы. Но постепенно люди начали бережнее относиться к природе, пытаясь присмотреться к ее методам, с тем чтобы разумно использовать их в технике. Эти методы могут служить образцом для развития промышленных средств, безопасных для окружающей среды. Природа как эталон – и есть бионика. Это понятие состоит из частей слов «БИОлогия» и «техНИКА», что означает «учиться у природы технике завтрашнего дня», которая принесет большую пользу человеку и природе, чем техника, существующая сегодня. Явления природы побуждают улучшить технические методы, а это может положительно повлиять на окружающую среду и принести пользу человеку.
Понимать природу и брать ее за образец – не означает копировать. Бионика будет иметь большое значение для конструкторов будущего. Биологи делают открытия природы нашим достоянием, а инженеры пытаются перенести принципы этих открытий на технические разработки. Сегодня человечество должно продолжать исследования до того, как природа строит, конструирует и заставляет действовать свои методы, и учиться переносить это на технику. В ближайшие годы бионика будет помогать ученым в выборе верного решения и нужной стратегии.
Эта презентация описывает этапы развития бионики. Здесь природа и техника сопоставляются друг с другом, и это является первым шагом на пути к перенесению открытий природы в область техники.

Это клещи, молотки, расчески, щетки и многое другое. Природа также имеет множество инструментов, только они выполнены значительно лучше и являются более точными, чем инструменты техники. Они изготовлены не из металла, а, например, из хитина, как у насекомых.

Клещи и пинцетыТехника использует специальные инструменты: клещи и пинцеты. Природа же работает с многочисленными «комбинированными приборами».

Клещи муравьиного льва

Муравьиный лев питается личинками насекомых. Он разрывает воронки в песке и ждет свою добычу. Если в эту ловушку попадает муравей, то муравьиный лев бросает ему вслед песок и, таким образом, мешает выбраться обратно. При этом он использует свои клещи в качестве совка для песка. Когда муравей вновь попадает в воронку, лев хватает его острыми кончиками клещей. Он вдавливает их в муравья и вливает в его тело пищеварительную жидкость, которая растворяет организм муравья изнутри. Затем муравьиный лев втягивает этот «бульон» своими всасывающими челюстями и выбрасывает из воронки пустую оболочку муравья. Клещи муравьиного льва могут сыпать песок, хватать добычу и впиваться в нее; они действуют как шприц, маленький всасывающий насос или инструмент для броска. Т.о., они представляют собой вид комбинированных клещей, обладающих шестью функциями.

Комбинированные клещи

Существуют разные клещи. Кусачками можно, например, обкусывать гвозди. Некоторые кусачки имеют сбоку плоский участок, благодаря чему могут служить молотком. Обладая двумя функциями, они являются комбинированным инструментом.
Чаще всего при работе используются клещи, способные выполнять четыре функции. Их захватывающие концы имеют рифленые контактные поверхности и поэтому могут, например, удерживать лист жести. В выемке этих клещей есть зубчики, которые позволяют вращать трубку. С боков изгибы инструмента пересекаются, и это делает возможным перекусывание проволоки. Такими клещами можно также заколачивать гвозди.

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. Т.о. ей легко хватать маленьких червяков и другую добычу. Ее тонкий клюв уходит довольно глубоко в землю, и оттуда птица достает себе пищу.
Клюв – это комбинированный инструмент. Тонкий клюв веретенника является, как и клещи муравьиного льва, одним из видов комбинированного инструмента. До захвата пищи клюв сжат и служит в качестве ковыряющего и ищущего инструмента. Только глубоко в земле он открывается, словно две створки пинцета, выполняя в этом случае функцию точно работающего хватающего механизма. Природа создала инструмент, который способен решить большое количество задач.

Пинцет

Человек изобрел инструмент, который выполняет те же функции, что и клюв веретенника. Это пинцет. Его острые концы легко проникают под верхний слой предметов. Сжав пальцами обе половинки пинцета, можно захватить даже самые маленькие предметы. Если отпустить их, пинцет разожмется и выпустит предмет.
Преимущество инструмента, обе половинки которого движутся навстречу друг другу, состоит в том, что захватить предмет довольно легко.
То же самое мы наблюдаем, когда работаем ножницами. Если удерживать одну половину и двигать только другой, можно быстро заметить, насколько труднее режется бумага.
Клюв веретенника послужил образцом при создании специальных операционных ножниц. Большинство операционных ножниц имеют ассиметричную форму и часто бывают изогнуты. Они облегчают хирургу работу с труднодоступными органами живого организма и позволяют захватывать или отделять только необходимые ткани от тела.

Складные инструментыИнструменты, которые могут складываться, позволяют экономить место. Это гениальное открытие также подсказано природой.

Навозный жук

Навозный жук живет в мягкой земле и навозе. Для своего продвижения он использует специальные лопатки, которые находятся на его голени. Когда они не нужны жуку, он может разместить свою ножку в желобке голени и затем голень вложить в нишу бедра. Т.о., его инструменты размещаются, экономя место.

Складной нож

Складной нож состоит из множества отдельных частей: большого и малого лезвий, ножниц, штопора, ножа для открывания бутылок, отвертки, зубочистки и т.д. Все эти элементы размещены в небольшом пространстве. Если нужно что-то разрезать ножом, то большое и малое лезвия легко и просто вынимаются, а затем также легко убираются обратно в свою «нишу». Такой нож положить в карман брюк, при этом не поранившись им. Т.о. человек разработал целую систему, экономящую пространство, как это сделал маленький навозный жук со своими копающими лопатками.

Экскаваторы и сверлаДля 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.
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.

Экскаватор

В технике тоже известно много различных «захватывающих аппаратов». Наибольшее впечатление производят так называемые грейферные экскаваторы. Они могут захватить и поднять большое количество земли, песка или гальки. Для подачи отходов в мусоросжигательные установки часто используют размагничивающийся грейфер большого захвата. Подобно ловчей птице, он забирает порцию металлолома или мусора своим сильным грейфером и перекладывает ее на другое место.

Яйцеклад осы рогохвоста хвойного большого

Когда рогохвост хвойный большой готовится отложить яйца, он ползет по ветке до самого ствола дерева, поворачивает к нему заднюю часть своего туловища, выпускает из неге яйцеклад и удобно устанавливает его. Насекомое «просверливает» в дереве мельчайшие дырочки примерно на глубину двух сантиметров. Если дерево хвойное, ему нужно для этого 20 минут. Когда дырка готова, оса через свой длинный полый яйцеклад, подобный сверлу, помещает туда яйца. Из них развиваются личинки, которые живут в древесине и питаются ею.
Яйцеклад рогохвоста хвойного большого имеет две функции: он служит в качестве «сверла» и канюли для откладывания яиц.

Дрели

Для того, чтобы высверлить дырки под дюбели, болты и винты, используют сверла, которые по виду и принципу действия напоминают яйцеклад рогохвоста хвойного большого. С помощью электрической дрели дырка просверливается за несколько секунд. В отличие от яйцеклада рогохвоста хвойного большого, технические сверла выполняют только одну функцию – они могут сверлить. Однако в дрели можно вставлять, в зависимости от материала, различные сверла – для металла, дерева, камня.

Крючки и присоски Плоды репейника показывают, как необходимы бывают крючки. Каракатицы благодаря своим присоскам могут прикрепляться к скользкой поверхности. Человек скопировал эти изобретения природы.

Плод репейника

Существует множество способов распространения семян самими растениями. Они могут просто развеиваться ветром или переноситься водой. Их могут разносить животные, как, например, в случае с репейником. Его плоды, которые имеют более 200 крючков, прикрепляются к шерсти животных. Животные уносят их с собой и затем стряхивают. Семена, попадающие на большие расстояния от материнского растения, имеют больше шансов развиться в новые растения.

Застежка - липучка

Принцип действия репейника был заимствован человеком для изготовления застежек – липучек. Первые липкие ленты появились в 50-х годах 20-го столетия. С их помощью можно, например, застегивать спортивные ботинки; в этом случае шнурки уже не нужны. Кроме того, длину липучки легко регулировать – в этом одно из ее преимуществ. В первые годы после своего изобретения такие застежки были очень популярны. Сегодня все уже привыкли к удобной застежке, и изготовители застежек – липучек теперь следят лишь за тем, чтобы липучки было хорошо спрятаны под клапанами.
Техника производит специальные ленты, где обе части прижимаются друг другу, и крючковатая щетковидная поверхность цепляется за многочисленные петли. Так обе части оказываются крепко связанными друг с другом.

Осьминог

Осьминог изобрел изощренный метод охоты на свою жертву: он охватывает ее щупальцами и присасывается сотнями присосок, целые ряды которых находятся на щупальцах. Присоски помогают ему также двигаться по скользким поверхностям, не съезжая вниз.

Технические присоски

Присоски – заимствование у природы. Там, где есть гладкая поверхность, часто применяются присоски. В быту их используют прежде всего на кухне и в ванной. Они служат, например, для того, чтобы прикреплять держатели полотенец кафельным плиткам. Когда крючок с присоской прижимают к кафельной плитке ванной комнаты, возникает вакуумное пространство, как в случае с детской стрелой, и крючок держится. Мыльницы тоже часто снабжаются присосками, что позволяет им не соскальзывать.

Соединительные механизмыСкрепление двух частей с помощью соединительных и защелкивающихся механизмов – обычное явление в технике. Природе этот метод известен давно.

Спаривание комаров

В конце лета появляются многочисленные комариные стаи, в которых насекомые передвигаются вперед и назад, как бы танцуя. Это самцы, которые обычно не кусаются. Если в стаю влетает самка, это ближайший к ней самец тотчас обрушивается на нее и соединяется с ней. Комары производят спаривание в воздухе, иногда для его завершения опускаясь на землю. Соединение задних частей туловищ происходит молниеносно. Необходимые элементы чрезвычайно малы, они располагаются на участке, составляющем миллиметры. При этом в процессе спаривания участвуют соединительные и удавливающие элементы, так же как и элементы, обеспечивающие втягивание и скручивание.

Сцепление в космосе

В международной космической станции ISS используется прикручивающий механизм, подобный комариному. Множество элементов гигантской станции доставлялись в космическое пространство на ракетах и там же монтируются.
Важно, чтобы ракета подводилась точно к космической станции. Когда она наконец соединится с ISS, защелкивающиеся элементы войдут друг в друга и удержат переднюю часть ракеты. Это произойдет полностью автоматически, соединительные части войдут друг в друга точно так же, как это происходит у комариной пары.

Строительная техника

Люди строят дома, чтобы защититься от ветра и непогоды. Эти дома большей частью массивны, строительство и содержание их стоит дорого. Когда животные строят укрытия, то те часто получаются прочными, надежными и водонепроницаемыми, но при этом затрачивается гораздо меньше энергии и материала.

Постройки из глиныИ люди и животные используют глину, укрепленную землей или соломой, в качестве строительного материала.

Гнездо ласточки

Многие виды ласточек строят гнезда из глины и земли, скрепляя их слюной. Городские и деревенские ласточки, например, располагают свои гнезда в нишах стен и под крышами домов. Т.о., они дополнительно защищены. Горные ласточки строят целые колонии из природного строительного материала.

Глиняная архитектура

Глину, укрепленную соломой, использовали как строительный материал еще исконные жители Северной Америки пуэбло, жители древней Персии и малоазиатских частей Турции. Этот строительный материал популярен повсюду, где есть глина. Она смешивается с кусочками соломы, навозом животных и другими материалами и утрамбовывается. Из этого строительного материала можно вручную построить прекрасные жилые дома. В некоторых регионах, глина высушенная на солнце и переработанная, применяется в виде кирпичей.
Глиняные здания очень полезны для здоровья, т.к. материал легко выравнивает перепады температур: в течение дня здесь относительно прохладно, а ночью относительно тепло, как в гнездах птиц. Кроме того, материал поглощает испарения человеческого тела. Т.о., глина является недорогим и при этом практичным строительным материалом.

Подземное строительствоЖизнь под землей обеспечивает прекрасную защиту от непогоды и врагов.

Крот

Под землей всегда влажно и никогда не бывает мороза. Животное, у которого есть соответствующие инструменты для того, чтобы копать, может соорудить там широко разветвленную систему ходов и выходов. Это важно для того, чтобы уйти от погони. Если враг поджидает у одного выхода, можно воспользоваться другим.
Крот использует все преимущества подземного строительства и превосходно оснащен для жизни под землей. Передние лапки, превратившиеся в копающие лопатки, очень сильны и снабжены длинными когтями. Глаза крота весьма малы – под землей они ему не нужны, зато его нос очень восприимчив к запахам. Его водоотталкивающая шкурка не имеет жесткого ворса, как например, шкура собаки. Т.о., крот может одинаково хорошо ползти вперед и назад, не цепляясь волосками за стенки ходов.
Крот – отличный строитель туннелей. Одни особи роют землю, другие отправляют ее назад к выходу и бегут по цепочке в обратную сторону. Здесь мы имеем дело с хорошо налаженной системой конвейера.

Подземные строительства

Человек не создан для жизни под землей. Чтобы хорошо себя чувствовать, нам нужен свет солнца и свежий воздух. Однако в прошлом люди часто строили подземные помещения и даже, города, например, для того, чтобы защититься от врагов.
Но, на протяжении многих столетий человек прокладывает системы подземных ходов, чтобы, например, добывать полезные ископаемые. Подземные железные дороги проходят под землей под домами, улицами и реками, разгружая центры городов от транспорта.

Жизнь под водойЖивотным и людям для дыхания нужен кислород. Если же они хотят жить под водой, то должны позаботиться  о достаточном количестве воздуха.

Воздушный колокол паука - серебрянки

Пауки –серебрянки живут под водой внутри наполненного воздухом образования из паутины. Туда они уходят, чтобы высосать добычу и переварить ее. Для того, чтобы обеспечить себя достаточным количеством воздуха, паук постоянно должен вносить в свою сеть воздушные пузыри. Для этого он плывет к поверхности. Когда же он опять ныряет в воду, на его длинных волосках повисает большой пузырь. Он приносит его в свое подземное жилище из паутины. Т.к. воздушный пузырь поднимается вверх, паук должен закреплять свою паутину, как крышу палатки. Создавая противовес подъемной силе, он т.о. удерживает паутину.

Водолазный колокол

Водолазные колоколы появились еще в 19 веке. Но только в последние несколько десятилетий были созданы конструкции, похожие на водолазные колоколы, в которых человек может жить и работать под водой. Шаровидные структуры, находящиеся под водой, открыты снизу. Т.к. воздух не может уйти вниз, он собирается пузырем в колоколе. В этот колокол снизу могут войти водолазы, так же как паук – серебрянка в свою сеть.

Крыши, отталкивающие водуВажную роль при строительстве домов играет крыша, которая должна защищать помещения здания от попадания воды.

Кокон яйца паука

Паук изготовляет тонкую «накидку» из водонепроницаемого материала, чтобы защитить отложенные яйца. Этот кокон величиной с кулак имеет форму колокольчика и открывается снизу. Он состоит из того же материала, что и нити паутины. Конечно, он не соткан из отдельных нитей, а представляет собой единую оболочку. Она прекрасно защищает яйцо от непогоды и влажности.

Плащ

Когда мы выходим на улицу в дождь, то надеваем водонепроницаемый плащ или берем с собой зонт. Когда с кокона яйца паука с защитной пленкой, с искусственного материала вода, в результате чего человек не промокает.

Шкура лисицы

Шкура лисиц состоит из волосков сре6дней длины, слегка покрытых жиром. Когда идет дождь, вода каплями стекает с такой шкуры и не доходит до кожи. Шкуры лисиц различны в зависимости от места обитания животного. Лисица, обитающая в пустыне, имеет короткий негустой мех, песец – длинный и густой, который лучше защищает от ветра и дождя.

Крыша из тростника

Подобно шкуре лисицы защищены от дождя и старые дома в Северной Германии. Крыши этих домов покрывали тростником. Отдельный стебель, однако, не может быть водонепроницаемым, но в совокупности они, накладываясь друг на друга, образуют плотное и не пропускающее воду полотно.

Споры грибов

Как в трубках, так и на пластинках грибов есть органы, которые вырабатывают так называемые споры – чрезвычайно маленькие очень тонкие частицы, с помощью которых грибы размножаются. Для того, чтобы они высыпались, вокруг должно быть совершенно сухо. Как только появляется хотя бы капля воды, споры превращаются в густую кашу и не могут выпасть. В этом случае гриб не сможет размножаться. Шляпка гриба, т. о., выполняет важную функцию: позволяет воде стекать и не пропускает ее. При этом она имеет гладкую поверхность. У более старых грибов верхняя пленка разрывается и образует чешуйки, которые располагаются друг над другим, как черепица на крыше. В этом случае шляпка гриба лучше всего отталкивает воду.

Купола церкви

Купола древнерусских церквей построены по принципу грибов. Они покрыты дранкой внахлест, подобно тому как располагаются чешуйки на шляпке гриба. Вода стекает с одной дранки на другую и не попадает внутрь здания.

Термиты используют тепло солнечных лучей, чтобы кондиционировать свои постройки. Человек использует для отопления и кондиционирования воздуха дорогое топливо, которое должен производить: электрический ток, газ, нефть и т.д. Однако сегодня для этого все больше и больше используются солнечная энергия и энергия ветра.

Защита от холода. Шкура и одежда.Животные постоянно носят свою одежду – оперение и шкуру. Люди меняют одежду в зависимости от температуры воздуха.

Шкура как изолятор

Множество диких животных разгуливают по снегу в разгар зимы при морозе и не мерзнут. Их защищает шкура, являющаяся хорошим изолятором. При этом волоски шкуры часто бывают не очень длинными. Это относится как к арктическим животным, например песцу, так и к волку, горностаю и зайцу-беляку. Волоски их шкуры располагаются друг над другом так, что получается множество мельчайших воздушных пространств. В действительности же изоляцию тепла, как в случае с белым медведем, не выпускает тепло, производимое самим животным, оно остается под поверхностью меха, и животное не охлаждается.

Одежда на смену

Если становится холоднее или теплее, люди надевают более теплую или более легкую одежду. А что делают животные? Они не в состоянии так легко приспособиться ко времени года, т.к. не могут просто снять свою шкуру. Но они могут ее поменять. К примеру, у горностая зимой длинный густой белый мех, летом – короткий коричневый, лишь кончик хвоста остается черным.

Животные передвигаются, бегая, прыгая или плавая. Для человека передвижение тоже является очень важным. Нет ничего удивительного в том, что в этой области наиболее часто можно обнаружить параллельные процессы в природе и технике.

Бегающие машины и роботыКонечности животных и человека, необходимые для движения, могут служить образцом для создания машин, умеющих ходить, и роботов.

Насекомые, бегающие на шести лапках

При беге насекомые передвигают каждую из своих шести лапок сначала вперед, а потом назад. Это может происходить очень быстро. Самые быстрые насекомые – тараканы. Однако насекомые могут передвигаться и очень медленно, как некоторые большие жуки. При этом все лапки обязательно должны работать. Ответственной за то, чтобы движение протекало плавно, является нервная система насекомого. Она пронизывает все мускулы ножек и определяет, в каком ритме следует вытянуть лапку вперед, поставить и продвинуть ее назад.

Роботы на шести ногах

Техника досконально изучила, какие движения совершают насекомые при продвижении, и создала ходящие машины, которые работают по тому же принципу. Точно так же, как насекомые, они имеют по шесть ног со всеми их составляющими и суставами. Задачу нервной системы выполняет компьютер, в который заложена программа ходьбы роботов. Шесть ног движутся согласованно.

Широкие подошвы облегчают движениеЧтобы можно было бегать по мягким материалам, например, снегу или песку, нужно сократить вес или распределить его по большей поверхности.

Лыжи или снежные ботинки

Если мы гуляем по мягкому снегу, то глубоко проваливаемся и вынуждены выбираться из снега. Идти таким образом очень тяжело, это требует много сил и энергии. Жители снежных северных стран, чтобы не проваливаться в снег, носят на ногах специальную обувь – овальные или круглые деревянные обводы с кожаным плетением. Как венок из перьев белой куропатки, эти обводы распределяют вес тела на большей площади. Благодаря этому уменьшается давление, и мы не проваливаемся в снег.

Бродить в дюнах

Песок, подобно свежему снегу, также является очень опасной почвой, ведь и в него можно легко провалиться. У верблюдов, идущих по пустыне, есть особенно широкие копытца. Они помогают сократить давление, так что животные могут бродить по дюнам, не проваливаясь.

Устройства для прыжковПрыжки в длину стоят огромных сил. Кенгуру, абсолютные чемпионы по прыжкам в длину, показывают нам, как лучше сэкономить энергию. 

Специалисты по прыжкам

К чемпионам мира по прыжкам принадлежат кенгуру, живущие в Австралии. Их задние лапы значительно сильнее и длиннее, чем передние. Эти ноги созданы специально для прыжков. Когда сумчатые животные приземляются после прыжка, это происходит очень мягко, так как их лапы действуют подобно пружине. Энергия, которая высвобождается при приземлении, накапливается в эластичных связках и мышцах лап, которые от этого вытягиваются. В несколько секунд они опять собираются как вытянутая и отпущенная пружина из стали, и переносят энергию в следующий прыжок. Т.о., кенгуру не всегда должен затрачивать равное количество энергии. Часть энергии последнего прыжка после промежуточного накопления в связках и мышцах используется для следующего прыжка.

Приспособление для прыжков

Принцип накопления энергии, которым в природе пользуются уже миллионы лет, взяла на вооружение техника. Примером этого является пружина. Если ее ловко бросить на пол, то она несколько раз подскочит, быстро сжимаясь и растягиваясь при этом.
В подражание принципу движения кенгуру были разработаны специальные приспособления для человека. Их можно пристегнуть к ногам и быстрее, чем обычный пешеход, «прыгать по улице».
Кроме того, существует такое спортивное приспособление, с помощью которого прыжки в длину совершаются один за другим. Уже созданы одноногие и двуногие роботы. Управлять ими непросто, их сложно регулировать, однако они используют энергию очень эффективно, точно также, как и кенгуру.

Отличные пловцыПри помощи сильного удара весел и изящного взмаха плавников по воде движутся жуки и рыбы. Может ли человек научиться их технике?

Плавунец

Некоторые виды жуков прекрасно приспособлены для жизни под водой. Чтобы иметь возможность лучше продвигаться вперед, плавунцы приспособили свои задние ножки для плавания. Когда они бьют ими, то из-за водяного давления возникает тяга, которая и толкает жука по воде.

Весельная техника

Гребцы весельных лодок опускают весла одновременно справа и слева и ударяют ими назад, держа их друг против друга. Весло лодочника состоит из длинной рукоятки, которая остается в воздухе, и ровной плоской пластины, которая опускается в воду.
Водные жуки двигают «рукоятку» под водой. Собственная же поверхность «весла» находится снаружи. Эти части ножек такие же плоские, как весла лодки, и покрыты волосками для плавания.

Движения с помощью колебанийЧтобы подводные лодки могли двигаться, они снабжены вращающимися корабельным винтом. Он создает силу тяги и приводит лодку в движение. В природе также есть подобные приспособления: лапки, плавники и крылья. При движении вперед, тунец машет своим хвостовым плавником слева направо. У дельфинов и китов, напротив, плавник движется вверх и вниз. При этом техника плавания существенно не меняется – в основе ее лежит колебание.

Лодка с «плавниками»

В то же время как техника использует принцип вращения, природа использует принцип колебания. Можно ли колебание применять в технике?
Инженеры рассчитали, что тяга при колебании плавников эффективнее, чем тяга судового винта, и при этом затрачивается меньше энергии.
С конца 19 – начала 20 столетия появилось множество патентов, в которых делались попытки приводить в действие лодки и даже субмарины с помощью колебаний. Но только недавно удалось создать настоящие подводные «лодки - рыбы», хотя и небольшого размера. Они приводятся в действие колеблющимся плавником, который похож на плавник тунца.

Двойные плавники

Тот, кто плавает с ластами, быстрее продвигается вперед, чем тот, кто плавает без них. Водолазы двигают обоими ластами поочередно. У рыбы же лишь один хвостовой плавник. Дает ли это ей преимущество? Этот вопрос не оставлял изобретателе, и они создали «двойной плавник», который надевается сразу на обе ноги. Чтобы двигать этим большим «плавником», водолазы должны использовать всю мускулатуру ног, живота и спины. Тот, кто научится этому, будет удивлен, как легко он продвигается вперед. Очевидно, что использование только одного большого плавника – лучшее решение проблемы быстрого плавания.

В небе кружатся птицы, по воздуху летают семена одуванчиков. Животный и растительный мир знает, как можно использовать для продвижения воздух и ветер. Наблюдательные люди взяли на вооружение изобретения природы. Так началось развитие авиационной техники.

Унесенные ветромТехника полетов в животном и растительном мире побудила начать исследования в области воздухоплавания. Ученые и инженеры и сегодня обращаются к природе, которая является неисчерпаемыми источником новых идей.

Взлет со стартовой дорожки

Человек тоже может летать на дальние расстояния. В огромных самолетах с несколькими сотнями посадочных мест ежедневно перевозят большое количество людей из Европы в Австралию, из Азии и Африку и обратно.
Транспортным самолетам при старте необходима взлетная полоса. Полностью заправленные самолеты имеют особенно большой вес. Чтобы подъемной силы хватило на то, чтобы самолет мог подняться вверх, нужна очень большая стартовая скорость. Двигателям необходимо создавать при этом очень большую силу тяги.

Планирование и  активный полет

Голубь сидит на краю крыши, смотрит вниз, распускает крылья и планирует без единого взмаха крылом по диагонали вниз. Ветра нет вообще. Если дать ему достаточно места, то голубь может с края крыши пролететь довольно большое расстояние, прежде чем опуститься на землю. При планировании высота теряется. Если планирующий полет совершается в воздухе, поднимающемся вверх, то планирующая птица может даже подняться. В этом случае говорят о планирующем полете в поднимающемся воздухе. В поднимающихся потоках теплого воздуха птицы могут парить кругами; в этом случае их может нести по воздуху несколько километров.

Стоять в воздухе

Вертолеты могут служить для перевозки грузов и пассажиров. Как известно, они могут стоять в воздухе и при этом сбрасывать и принимать грузы. При помощи вращающихся крыльев они создают подъемную силу. То же самое удается колибри, мухам-журчалкам, бабочкам и стрекозам с их ударными крыльями. Многие виды журчалок могут создавать очень большое ускорение с помощью двух крыльев, замирать в воздухе или лететь назад.

Человек завис в воздухе

Вертолеты могут лететь вперед и в сторону, а также парить на месте. Они способны стартовать и приземляться почти в любом месте.

С ветром вокруг светаУже несколько тысячелетий судоходство применяет паруса. Животные тоже используют для передвижения энергию ветра.

Крылья птицы

В 20-ом веке один студент исследовал полет птиц и установил, что птицы усиливают действие ветра и воздушных масс на свои крылья, растопыривая так называемую маховую часть крыла. При этом важную роль играют перья на передней части крыла, которую называют также передним крылом. Это удивительное открытие с большим успехом позаимствовала техника судоходства.

Парус яхты

Передний парус для яхты был разработан по принципу маховой части крыла. Он используется не столько для продвижения как такового, сколько для усиления действия ветра на главный парус, благодаря чему главный парус работает намного лучше и судно движется быстрее. Передние паруса яхт уже давно стали обычным явлением. Уже длительное время подобные устройства существуют и на других парусных судах.

Движение с помощью ветраЕсли растения, мельницы и турбины используют энергию ветра, то они должны большую поверхность.

Парашютики

Растениям необходимо распространять свои семена, чтобы обеспечить продолжение существования вида. В то время как некоторые из них прибегают к помощи животных, другие используют ветер. Например, семена одуванчика разносятся ветром. Одуванчик образует парашютики из тончайших волокон, на которых висит семечко. Скорость их падения очень мала. Ветер может подхватить такой парашютик для распространения с помощью ветра.
Деревья, которые роняют свои плоды или семена вниз, часто заботятся о том, чтобы они падали медленно. В таком случае их может подхватить и унести ветер. У плодов клена, например, есть вращающиеся крылья. Они падают на землю не по прямой, а вращаются, описывая спираль. Так возникают силы торможения, подобно тому как это происходит у одуванчика.

Старые мельницы

Старые мельницы, надежно закрепленные на своей основе, используют воздушные массы, а именно горизонтальный ветер. Коэффициент полезного действия этих старых мельниц просто потрясающ. Простые каркасы из грубых деревянных балок, на которые натянуты лоскуты из парусной материи, дают ветру большие площади действия и забирают у него энергию. В ветреных районах, например в прибрежной полосе, не играют большой роли последние технические достижения. Сегодня здесь для получения электрического тока в современных установках используется энергия ветра. Этот вид получения электрической энергии безопасен для окружающей среды, т. к. позволяет избежать попадания в атмосферу отработанных газов. Таким образом, ветер представляет собой неистощимый источник энергии.

Двигательная система – рукаРука – плечевой сустав, плечо, локтевой сустав, предплечье, лучезапястный сустав и кисть – самая подвижная часть тела человека.

Рука человека

С помощью плечевого сустава мы можем вращать рукой и двигать ею в любом направлении Плечевой сустав – это вид шаровидного сустава, который можно сравнить с шарниром штатива, на который ставят фотокамеру. Иным является локтевой сустав. С его помощью можно двигать предплечьем только в одном направлении или в одной плоскости. Этот сустав можно сравнить с шарнирными соединениями, какие мы видим у дверей и сундуков. Лучезапястный сустав позволяет нам сгибать руку и даже немного вращать ею. Т. о., мы имеем дело с комбинированным суставом. У него есть признаки не только шарнирного, но и шаровидного сустава.

Рука робота

Руки и ноги роботов чаще всего делятся на части, подобно человеческим конечностям. У них тоже есть части, подобные плечу и предплечью, кисти руки и трем суставам. Можно сконструировать руки роботов, которые состоят из других составляющих. Мы не можем бесконечно долго производить вращательные движения рукой в одном направлении. Рука же робота может быть снабжена ротором, который может приводить к вращению деталей, совершая это движение длительный период времени. В этом она превосходит руку человека.

Животные обладают удивительным оружием и высокоэффективными системами защиты от врагов-хищников.

Инъекционные шприцыНе техника, а природа создает самые эффективные и тончайшие инъекционные шприцы и наиболее миниатюрные по размерам, но очень быстрые снаряды.

Осиное жало

Длина жала пчелы или осы не превышает 3мм, а толщина 0,001мм. Если осе угрожает опасность, то она применяет его для защиты. Жало с легкостью впивается в кожу человека, превращаясь в крошечный кинжал. Одновременно оно является инъекционным шприцем. Пострадавшему причиняет боль не сам укол, ведь он практически незаметен. Жгучую боль вызывает яд, введенный этим маленьким шприцем.

Игла для инъекций

Если, применяя сильную систему увеличения, сравнить самые тончайшие медицинские иглы для инъекций с жалом осы или пчелы, то мы будем сильно удивлены несовершенством технического инструмента.
К сожалению, техника не создала еще игл, подобных жалу, которые не гнуться и не ломаются.
Если бы удалось создать такие инъекционные шприцы, то прививки, например, стали бы почти безболезненными. Множество людей перестали бы бояться уколов. Природа демонстрирует нам, что возможно создать чрезвычайно маленькие, но очень прочные структуры. Теперь от медицинской техники требуется создать соответствующие инструменты. Образцом здесь могут служить жала осы или пчелы, однако материал, из которого будут создаваться шприцы для инъекций, будет, конечно, техническим.

Защитные панцириМногие виды животных защищены панцирем, который обеспечивает их безопасность, у некоторых из них он даже образует часть скелета. Наблюдая за природой, человек пришел к мысли об использовании панциря.

Надежные панцири

Панцири в животном мире большей частью представляют собой окаменевшее образование, которое защищает тело животного от когтей и клювов. Часто эти панцири состоят из отдельных частей, например из костяных пластин, которые дополнительно покрыты твердым и гладким веществом. Панцирь черепахи устроен именно так.
В мире животных панцири часто состоят из хитина – очень интересного материала.
К самым толстым и прочным панцирям, созданным природой, относятся панцири гигантских черепах и вымерших гигантских броненосцев. Если бы на них поставили грузовой автомобиль, то они бы даже не треснули.

Рыцарские доспехи

Удивительную функциональную схожесть можно заметить, если сравнить панцири животных и рыцарские доспехи средневековья.
Во время поединков рыцари были защищены доспехами, которые состояли из множества отдельных скованных друг с другом пластин. Но эти пластины не были наглухо соединены друг с другом, а сцеплялись так, что могли двигаться. В своих доспехах рыцарь был защищен от вражеских ударов меча, но при этом он мог ускользнуть от нападения противника и ловко орудовать собственным мечем. Еще большую свободу движений давали кольчуги. Они состояли из большого количества маленьких скованных колец и надевались на верхнюю часть туловища.

Мокрицы и линкорЗащитное действие крепких панцирей может быть более эффективно: если голова имеет форму шара, то она почти не оставляет поверхности для атаки врага. Такой прием известен не только природе, но и оборонной технике.

Мокрицы и многоножки

Когда надвигается опасность, мокрица сворачивается в шар, состоящий из пластинок панциря, поэтому ее трудно ухватить. Благодаря этому она почти не оставляет площади для нападения. Многоножка точно также может свернуться в шарик. К этому замечательному принципу защиты пришли не только мокрицы и многоножки. В конечном счете к нему пришел и человек.

Линкоры

В американской гражданской войне участвовали первые линкоры. Деревянные суда были беспомощны перед ними. Ядра их пушек отлетали от брони. Линкоры же легко поджигали такие суда. Защита с помощью брони совершенствовалась, создавались более мощные пушки, которые смогли бы потопить противника. В результате этого была не только создана более прочная броня, но и найдена оптимальная форма, от которой отлетали ядра пушек.
Так стали создавать круглые и полукруглые линкоры. Они, как свернувшаяся в шарик многоножка, почти не оставляет площади для нападения. Такие круглые корабли имеют, однако, значительный недостаток: им трудно маневрировать.

Природа «упаковывает свои плоды» с наименьшим количеством отходов, соблюдая основной принцип: достижение основного эффекта при наименьших затратах. Человек же зачастую бездумно расходует упаковочный материал, создавая при этом груды мусора.
Природа и здесь может стать для нас образцом!

Биологические способы упаковкиПрирода имеет в запасе немало способ экономного расположения семян или цветков в одной оболочке. Тем самым она заботится о размножении. Чем больше семян поместилось,  тем выше вероятность распространения и сохранения вида.

Ас упаковки

Кокосовый орех – пример биологической упаковки, которая хорошо защищает и выдерживает большие нагрузки.

Идеальная форма упаковки…

Упаковочная промышленность часто пыталась подражать природе. Результатом ее попыток стала пакеты для молока и соков в форме тетраэдра, тела состоящего из четырех равносторонних треугольников .
Идея была верной, т.к. такие пакеты можно было сложить, не оставляя никакого места между ними, то есть экономя пространство. Несмотря на это, в упаковочных ящиках по краям остается много свободного места. Поэтому от этой идеи вскоре отказались и начали выпуск упаковки четырехугольных пакетов.

Самоочищающиеся поверхностиС помощью простых и эффективных приемов растения и животные очищают себя. Техника пользуется этими изобретениями природы.

Эффект лотоса

Индийский лотос растет в тинистой воде. Однако он остается очень чистым. Грязь, которая попадает на листья цветка, не задерживается на них. Небольшого количества воды достаточно, чтобы эта грязь смогла стечь. Этот процесс называют самоочисткой и говорят об «эффекте лотоса».
Если рассмотреть лепесток лотоса под микроскопом, то на его поверхности будут заметны чрезвычайно маленькие узелочки. Они состоят из растительного воска, который отделяется от листа. Эти узелки препятствуют тому, чтобы частицы грязи и воды приходили в соприкосновение с поверхностью листа. Т. о., они загрязняют только узелки. Если на лепесток падает капля воды, то она катится от узелка к узелку и собирает частицы грязи. Так лист очищается.

Эффекты самоочистки

Учеными и инженерами были разработаны самоочищающиеся поверхности: черепица, стекла окон, керамика. Например, умывальник, ванна, которые действуют по принципу лотоса. Все эти самоочищающиеся поверхности из микроструктур позволяют экономить время, энергию, воду и моющие средства. Например, автомобиль с таким покрытием не нужно часто мыть, т.к. дождь и роса смогут очистить его от грязи.

Использование воскаЗащитный воск делает кожуру яблока красивой и гладкой. Косметическая промышленность заимствовала это для своей продукции.

Яблочный воск

Свежие яблоки обычно покрыты блестящей гладкой кожурой. Защиту этой кожуре обеспечивает яблочный воск. Это легко установить с помощью небольшого опыта. Для этого необходимо обтереть яблоко ватным тампоном, смоченным алкоголем. Через несколько дней обработанная поверхность сморщиться, а мякоть станет рыхлой. Необработанная сторона яблока портится намного медленнее т.к. слой воска не дает яблоку морщиться и портиться.

Уход за волосами и кожей

Ученые – косметологи научились выделять воск кожуры из отходов яблок, оставшихся после их отжимки при изготовлении яблочного сока. Выделенный и очищенный воск можно примешивать, например, к средствам по уходу за волосами. Каждый волос окружается чрезвычайно тонким слоем воска, благодаря чему снижается опасность высыхания и контакта с вредными веществами. С помощью естественного средства волос получает защиту и сохраняется. Это натуральное вещество можно добавлять и в средства по уходу за кожей рук. Когда его втирают в кожу, оно надежно препятствует потере влаги. Кроме того, оно снижает возможность повреждений кожи, например при контакте с разъедающими химическими средствами. При этом оно не препятствует газообмену. Использование таких естественных веществ открывает перед косметической промышленностью большие перспективы. В настоящие время промышленность интенсивно исследует растительный мир, изучая вещества, которые могут быть использованы в косметологии.

Способам утилизации отходов человек должен учиться у природы.

Круговорот материала

«Утилизация», как это следует понимать в технике, в природе не существует, т.к. нет и мусора! Мертвый организм полностью разлагается и вновь участвует в общем круговороте. Что более не нужно одному, то пригодится другому. Мертвая мышь, которая лежит под яблоней, уничтожается бактериями; корни дерева забирают, например, соединения азота и включают его в свой обмен веществ.
Лучшим примером круговорота веществ в природе является тропический влажный лес. Тонкий слой перегноя используется, чтобы дать возможность вырасти новым деревьям и кустарникам, мхам и папоротникам. Когда они прекратят свое существование, продукты их распада попадут в перегной и будут снова использоваться. Так происходит бесконечный круговорот.

Переработка мусора

Техника могла бы многому научиться у природы, ей необходимо стремиться к безотходному производству. Сегодня уже существуют такие разработки. Техника все больше ориентируется на вторичную переработку материалов, что позволяет включить их в круговорот, подобный природному.
Например, стеклянная упаковка сохраняет свежесть и чистоту продуктов и напитков. Она не наносит вред окружающей среде, т.к. ее можно сдать как пустую тару и подвергнуть вторичной переработке.
Оптимальной формой упаковки является биологическая упаковка, создаваемая природой. Но принципы природы можно заимствовать, изменяя форму. А именно: каждый элемент упаковки в определенное время играет свою роль и устраняется, когда перестает быть нужным.

Природа дает человеку примеры для технических изобретений. Бионика – это соединение живого и искусственного. Нам удалось по-новому взглянуть на гениальные открытия природы, которые окружают нас.
Для человечества, которое научилось копировать на себя чудеса природы, главное не навредить ни себе, ни природе. Какие бы подарки не дарила нам она, мы, в первую очередь должны дать, а уж потом взять от природы.
И не нужно забывать, в век технического процесса,
что природа – мать наша!

Большая серия знаний. Бионика / Проф. В.Нахтигаль. – М.ООО «ТД «Издательство Мир книги», 2006