Учебный проект по физике "Бионика" , выполненный ученицей 11 класса Жиляковой Еленой

Министерство общего и профессионального образования  Свердловской области Уполномоченный орган местного самоуправления в сфере образования «Управление образования Североуральского городского округа» Муниципальное автономное общеобразовательное учреждение средняя общеобразовательная школа №1 Учебный проект по физике БИОНИКА Исполнители:                                                                    Жилякова Елена,  учащаяся 11А класса  МАОУ СОШ №1 Руководители:                                                                          Леоненко Анна Николаевна,                                                                        учитель физики высшей категории,  Шапкина Светлана Вениаминовна, учитель биологии первой категории Североуральский городской округ 2015 Учебный проект по физике "Бионика"   Птица   –   действующий   по математическому   закону   инструмент, сделать который в человеческой власти. Леонардо да Винчи Учебный предмет (дисциплины, близкие к теме): физика,  биология. Возраст учащихся: 11 класс. Тип проекта:  поисковый. Продукты проекта: Презентация, выполнена в программе Power Point . Основополагающий вопрос:  Что лучше – изобретения, созданные природой или человеком? ПРОБЛЕМНЫЕ ВОПРОСЫ:  Что такое бионика?  Какова история развития бионики?  Почему человек начал использовать природные конструкции?  Где применяется бионика?  Проблемный вопрос: Что такое бионика? С   давних   пор   человек   стремился   заглянуть   в   мир   живых   систем,   разгадать   их секреты. Природа ­ гениальный конструктор, инженер, художник и великий строитель. Любое   творение   природы   представляет   собой   совершенное   произведение, отличающееся   поразительной   целесообразностью,   прочностью, экономичностью   расхода   строительного   материала   при   разнообразии   форм   и конструкций.   надёжностью, Бурный рост технической мысли, начавшийся в XX столетии, развитие биологии и вторжение   в   неё   таких   точных   наук,   как   физика,   химия,   математика   и   особенно кибернетика ­ всё это привело к взаимосвязи биологических и технических дисциплин и обусловило развитие нового научного направления, получившего название бионики. βίον Бионика   (от   др.­греч.     —   живущее)   —   прикладная   наука   о   применении   в технических   устройствах   и   системах   принципов   организации,   свойств,   функций   и структур   живой   природы,   то   есть   формы   живого   в   природе   и   их   промышленные аналоги.   Проще   говоря,   бионика   —   это   соединение   биологии   и   техники.   Бионика рассматривает биологию и технику совсем с новой стороны, объясняя, какие общие черты и какие различия существуют в них. В исследованиях по бионике можно наметить три этапа, которые выполняются специалистами различного профиля: 1. Биологическая   бионика.   Изучаются   процессы,   происходящие   в биологических системах; 2. Теоретическая   бионика. биологических процессов;   Строятся   математические   модели 3. Техническая   бионика.   Модели   теоретической   бионики   применяются для решения инженерных задач. Первый этап представляет собой поиск и обнаружение биологического феномена, его тщательное изучение с применением современных экспериментальных методов и наиболее совершенных технических средств, то приоритет принадлежит биологу. Для обнаружения феномена, представляющего интерес в качестве модели будущей технической системы, применяются исследования в различных отраслях биологии. На первом этапе большое значение имеют экологические исследования в самом широком смысле   слова   и   исследования   поведения   животных:   изучение   способов   движения, миграций животных и ориентации, функции рецепторов, сигнальной системы связи и других сторон поведения животных в природе. Эти   исследования   дают   зачастую   результаты   типа   «черного   ящика»,   то   есть становится известным только, каким сигналам на входе соответствуют те или иные реакции на выходе системы. Расшифровать внутренний механизм «черного ящика» можно   с   помощью   исследований   по   физиологии   (особенно   надо   выделить электрофизиологические   исследования   центральной   нервной   системы,   проводящих нервных   путей   и   рецепторов   с   применением   микроэлектродов   (биохимии, функциональной морфологии)). Второй  этап  –   разработка   математической   или   физической   модели   принципов организации и функционирования изученных процессов и особенностей организации и функционирования   биологического   прототипа.   В   зависимости   от   направления биологических   исследований   этот   этап   выполняется   математиком,   физиком   или специалистом по механике.  На  третьем этапе  работы вступает в действие инженерное проектирование. Для его   осуществления,   безусловно,   требуется   точное   описание   структур   и   функций организма,   химических   реакций,   физических   особенностей   организмов   или   частей тела,   выраженных   языком   математических   формул.   Вместе   с   тем,   создавая технические модели, инженер далеко не всегда просто копирует природу – часто это нецелесообразно   (так   как   не   исключается   улучшение   ряда   характеристик   при техническом моделировании), а иногда и невозможно. Проблемный вопрос: Какова история развития бионики? Прародителем бионики считается Леонардо да Винчи. Именно ему принадлежит идея применения знаний о живой природе для решения инженерных задач. Леонардо да Винчи пытался построить летательный аппарат с машущими крыльями, как у птиц: орнитоптер. Первой попыткой к новому объединению биологии и техники явилась кибернетика, основным   интеграционным   принципом   которой   стала   всеобщность   методов управления живым и неживым и их связи.  Бионика же во многом является логическим продолжением кибернетики, но она устраняет противоречия, ставшие результатом специализации наук и их разобщения, и интегрирует разнородные сведения в соответствии с единством живой природы, или биологическим принципом.  Первые элементы бионики появились в первой половине 20­го века. К примеру, в 1920 году австриец Рауль Франсе, взяв за основу коробочку макового цветка, создал солонку. В 1951 году швейцарец Джордж де Местраль создал застёжки­липучки на основе свойств репейника. Формальной же датой рождения бионики принято считать 13 сентября 1960 г. ­ день открытия первого американского национального симпозиума на тему «Живые прототипы   искусственных   систем   ­   ключ   к   новой   технике».   Сразу   же   возникли эмблема и девиз, несущие в себе символическое изображение научной сути бионики, ­ синтезировать накопленные в различных науках знания. Эмблемой бионики являются скальпель и паяльник, соединенные знаком интеграла, а девизом стало название самого симпозиума.   В   последние     десятилетия   бионика   получила   значительный   импульс   к   новому развитию.   Это   связано   с   тем,   что   современные   технологии   позволяют   копировать миниатюрные природные конструкции с небывалой ранее точностью. Единого мнения о содержании бионики ­ едва ли не самой популярной из молодых наук, возникших в ХХ в., ­ до сих пор нет. Многие специалисты считают бионику новой ветвью кибернетики, другие относят ее к биологическим наукам, но, судя по всему, наиболее правы те, кто выделяет бионику в самостоятельную науку. Проблемный   вопрос:   Почему   человек   начал   использовать   природные конструкции? Главное   отличие   человеческих   инженерных   конструкций   от   тех,   что   создала природа, состоит в невероятной энергоэффективности последних. Совершенствуясь и эволюционируя   в   течение   миллионов   лет,   живые   организмы   научились   жить, передвигаться и размножаться с использованием минимального количества энергии. Этот   феномен   основан   на   уникальном   метаболизме   животных   и   на   оптимальном обмене   энергией   между   разными   формами   жизни.   Таким   образом,   заимствуя   у природы инженерные решения, можно существенно повысить  энергоэффективность современных технологий. Природные материалы сверхдешевы и распространены в огромном количестве, а их   «качество»   значительно   лучше   тех,   что   сделанных   человеком.   Так,   материал оленьего рога значительно крепче самых лучших образцов керамического композита, которые   удается   разработать   людям.   При   этом   человек   использует   достаточно «тупые» энергоемкие процессы для получения тех или иных сверхпрочных веществ, а природа  делает  их гораздо более  интеллектуальными   и эффективными  способами. Для этого используются окружающие натуральные вещества (сахара, аминокислоты, соли),   но   с   применением   «ноу­хау»   —   оригинальных   дизайнерских   и   инженерных решений, сверхэффективных органических катализаторов, которые во многих случаях пока   не   доступны   пониманию   человека.   Бионика,   в   свою   очередь,   занимается изучением и копированием природных «ноу­хау». Дизайн природных конструкций тоже не идет ни в какое сравнение с попытками человека   сконструировать   что­либо   претендующее   на   природную   эффективность. Форма   биологического   объекта   (например,   взрослого   дерева)   обычно   создается   в результате длительного адаптивного процесса, с учетом многолетнего воздействия как дружественных   (например,   поддержка   со   стороны   других   деревьев   в   лесу),   так   и агрессивных   факторов.   Процессы   роста   и   развития   включают   интерактивное регулирование   на   клеточном   уровне.   Все   это   в   совокупности   обеспечивает невероятную   прочность   изделия   на   протяжении   всего   жизненного   цикла.   Такая адаптивность   в   процессе   формообразования   приводит   к   созданию   уникальной адаптивной структуры, называемой в бионике интеллектуальной системой. В то же время   нашей   промышленности   пока   недоступны   технологии   создания интеллектуальных систем, которые взаимодействуют с окружающей средой и могут приспосабливаться, изменяя свои свойства. В   настоящее   время   ученые   пытаются   конструировать   системы   хотя   бы   с минимальной   приспособляемостью   к   окружающей   среде.   Например,   современные автомобили оборудованы многочисленными сенсорами, которые измеряют нагрузку на отдельные узлы и могут, например, автоматически изменить давление в шинах. Однако разработчики и наука только в начале этого длинного пути. Перспективы   интеллектуальных     Идеальная интеллектуальная   система   сможет   самостоятельно   совершенствовать   собственный дизайн и менять свою форму самыми разнообразными способами, например, добавляя недостающий   материал   в   определенные   части   конструкции,   изменяя   химический состав отдельных узлов и т.д.  систем   завораживают. Проблемный вопрос: Где применяется бионика? 1. Архитектурно­строительная бионика. Архитектурная   бионика   —   новое   явление   в   архитектурной   науке   и   практике. Сейчас  рано говорить о всех ее возможностях, однако имеющийся практический опыт в   этом   направлении   у   нас   и   за   рубежом   открывает   широкие   горизонты   решения различных интересных архитектурных проблем с помощью патентов живой природы. Здесь   и   возможности   поиска   новых,   функционально   оправданных   архитектурных форм,   отличающихся   красотой   и   гармонией,   и   создание   новых   рациональных конструкций с одновременным использованием удивительных свойств строительного материала живой природы, и открытие путей реализации единства конструирования и создания   архитектурных   средств   с   использованием   энергии   солнца,   ветра, космических лучей. Наиболее важным ее результатом может быть активное участие в создании   условий   сохранения   живой   природы   и   формировании   гармоничного   ее единства с архитектурой. Одним из самых первых примеров использования бионики в архитектуре считается Эйфелева   башня.   Конструкция   Эйфелевой   башни   основана   на   научной   работе швейцарского профессора анатомии Хермана фон Мейера. За 40 лет до сооружения парижского   инженерного   чуда   профессор   исследовал   костную   структуру   головки бедренной кости в том месте, где она изгибается и под углом входит в сустав. И при этом кость почему­то не ломается под тяжестью тела. Фон   Мейер   обнаружил,   что   головка   кости   покрыта   изощренной   сетью миниатюрных   косточек,   благодаря   которым   нагрузка   удивительным   образом перераспределяется  по  кости. Эта  сеть имела  строгую геометрическую  структуру, которую профессор задокументировал. В 1866 году швейцарский инженер Карл Кульман  подвел теоретическую базу под открытие фон Мейера, а спустя 20 лет природное распределение нагрузки с помощью кривых суппортов было использовано Эйфелем. Яркий пример архитектурно­строительной бионики — полная аналогия строения стеблей   злаков   и   современных   высотных   сооружений.   Стебли   злаковых   растений способны   выдерживать   большие   нагрузки   и   при   этом   не   ломаться   под   тяжестью соцветия. Если ветер пригибает их к земле, они быстро восстанавливают вертикальное положение. Их строение сходно с конструкцией современных высотных фабричных труб — одним из последних достижений инженерной мысли. Обе конструкции внутри полые.   Склеренхимные   тяжи   стебля   растения   играют   роль   продольной   арматуры. Междоузлия   (узлы)   стеблей —   кольца   жесткости.   Вдоль   стенок   стебля   находятся овальные   вертикальные   пустоты.   Стенки   трубы   имеют   такое   же   конструктивное решение. Роль спиральной арматуры, размещенной у внешней стороны трубы в стебле злаковых растений, выполняет тонкая кожица.  Именно привлечение в архитектуру знаний бионики сделало возможным начало реализации   самого,   пожалуй,   грандиозного   строительного   проекта   современности, шанхайского «Города­башни». По заявлениям архитекторов, примерно к 2023 году в Шанхае должна быть сооружена содержащая все объекты городской инфраструктуры «башня», население которой составит не менее 100 тысяч человек. «Город­башня» приобретёт форму кипариса высотой более 1200 метров с шириной основания 133 на 100 метров.    Тщательно продуманная конструкция аналогична строению ветвей и всей кроны кипариса. Стоять башня будет на свайном фундаменте, рассчитанном по принципу гармошки, точно так же, как развивается и корневая система дерева. Устойчивость верхних этажей к воздействию ветра будет обеспечена тем, что воздух должен будет проходить сквозь конструкцию башни, не встречая сопротивления. Власти Шанхая, перед которым уже сейчас остро стоит проблема перенаселения, заявляют, что если опыт «Города­башни» окажется успешным, подобных сооружений будет построено несколько. 2.Бионика на службе в медицине. Рассмотрим применение методов и решений бионики в медицине ­ той отрасли биологических наук, с которой каждый человек не раз сталкивается за свою жизнь. Многие медицинские инструменты имеют прообраз среди представителей живого мира. Игла­скарификатор, служащая для забора периферической крови (например, с целью выполнения общего анализа крови), сконструирована по принципу, полностью повторяющему строение зуба­резца летучей мыши, укус которой, с одной стороны, отличается   безболезненностью,   а   с   другой   ­   всегда   сопровождается   достаточно сильным кровотечением. Привычный всем поршневой шприц во многом имитирует кровососущий аппарат насекомых   ­   комара   и   блохи,   с   укусом   которых   гарантированно   знаком   каждый человек.   Применяемая   во   время   хирургической   операции   игла,   используемая   для наложения   швов   на   внутренние   органы   и   ткани   человека,   за   несколько   веков   не изменила   своей   первоначальной   формы  ­  формы  реберных  костей   крупных  рыб,  а скальпель до сих пор повторяет форму тростникового листа с его природной режущей кромкой.  Но   это   лишь   самые   простые   примеры,  дошедшие   до   нас     из   глубины   веков,   а современное   развитие   бионики   касается   множества   высокоразвитых   медицинских технологий. Типичным примером является современная технология реконструкции и наращивания зубной эмали, являющаяся одним из «китов» нынешней стоматологии и применяющаяся в косметологии технология наращивания ногтей и волос.  Благодаря бионике стало возможным создание протезов   рук, ног, глаз, а также искусственного сердца и органов слуха. Особый интерес вызывают новейшие аппараты, способные слышать. Потеря слуха является существенной и опасной для человека. Сравнительно недавно многие глухие люди получили реальную возможность слышать с помощью аппарата, созданного на основе   новейшего   открытия   ученых­физиологов:   низкочастотные   колебания, воспринимаемые человеческим ухом, могут восприниматься и живым нервом зуба, и передаваться в мозг. Радиоинженеры создали так называемый «радиозуб» ­ систему, с помощью которой ранее не слышавшие люди могут слышать. Для установления такого прибора необходимо наличие одного­единственного живого зубного нерва, а полное отсутствие   живых   зубных   нервов   не   характерно   даже   для   тотально   пораженной ротовой полости.  Конструкцию   аппарата   можно   описать   приблизительно   следующим   образом: миниатюрный микрофон, который можно носить на руке как часы, связан с таким же миниатюрным   передатчиком,   преобразующим   звук   в   радиосигналы,   которые улавливает приемник, вмонтированный в зуб. Приемник представляет собой тонкий слой   полупроводникового   сплава,   наложенного   на   свободные   нервные   окончания, находящиеся   в   зубном   канале.   Этот   полупроводниковый   сплав   образует пьезоэлектрический  элемент, сверху покрытый слоем золота или серебра, который служит   антенной.   По   внешнему   виду   такая   конструкция   практически   ничем   не отличается   от   привычных   в   современной   ортопедической   стоматологии металлизированных пломб и коронок.  Сигнал радиопередатчика, принятый такой антенной, попадает в пьезоэлемент; в нем возникают колебания, которые возбуждая свободные нервные окончания в зубе, передаются в виде нервных импульсов в корковые и подкорковые слуховые центры головного мозга. Таким образом, человек, который до этого момента жил в мире без звуков,   начинает   слышать.   Конечно,   в   реальной   жизни   для   человека,   снабженного таким   аппаратом,   остается   значительное   количество   ограничений,   например   в использовании   мобильных   телефонов,   а   также   при   работе   с   так   называемыми генераторами шума, но что значат эти ограничения в сравнении с полной глухотой, не дающей человеку полной социальной реабилитации. Достижения   бионики   во   многом   подают   надежды   некоторого   улучшения состояния   или   практически   полной   компенсации   качества   жизни   для   больных, положение которых ранее расценивалось как практически безнадежное. 3. Бионика в транспорте. Природа не создала ни колеса, ни гребного винта, ни пропеллера, ни многих других устройств в том виде, в котором мы привыкли их наблюдать в различных современных нам моделях транспорта. И все же ни одна отрасль техники так не обязана природе своим возникновением и стремительным развитием, количеством заимствованных у нее идей и методов, как транспортная промышленность во всем разнообразии. Наземный транспорт. Бесчисленное количество видов транспорта существует в современном нам мире техники, и стоит отметить, что к большинству из них «приложила руку» Природа. Идея создания снегоходов также заимствована у нее. В основу конструкции снегохода положен принцип передвижения пингвинов по рыхлому снегу. Значительные снеговые преграды пингвины преодолевают достаточно своеобразным способом ­ скользя на брюхе и отталкиваясь от снега ластами, что спасает птицу от проваливания в снежную толщу и одновременно позволяет развивать весьма приличную скорость ­ до 20 км/ч. Сконструированная по этому принципу машина­снегоход достигает большей скорости ­ до 50 км/ч. Три года назад корпорация Mercedes Benz разработала бионическое транспортное средство,   скопированное   с   тропической   рыбы­кузовка.   Несмотря   на   свою чемоданообразную форму, машина имеет крайне низкое сопротивление воздуха. Водный транспорт. Внимательное   исследование   приспособлений   у   быстроплавающих   водных животных может является источником изобретений, позволяющих увеличить скорость судов без повышения мощности основных механизмов. С этой точки зрения наиболее перспективны для изучения китообразные, способные стремительно двигаться как в одиночку, так и целыми стадами. Японским ученым профессором Тако Инуи было доказано, а потом и на опыте показано, что грушеобразная форма головы кита более приспособлена к перемещению в   воде,   нежели   ножевидная   форма   носовой   части   современных   судов.   Испытания доказали, что «китообразный» корабль экономичен ­ мощность его двигателей на 25 % меньше, а скорость и грузоподъемность обычные.  Таким   образом,   изучение   гидродинамических   особенностей   строения   китов   и дельфинов   помогло   создать   особую   обшивку   подводной   части   кораблей,   которая обеспечивает   повышение   скорости   на   20–25%   при   той   же   мощности   двигателя. Называется эта обшивка «ламинфло» и, аналогично коже дельфина, не смачивается и имеет   эластично­упругую   структуру,   что   устраняет   турбулентные   завихрения   и обеспечивает скольжение с минимальным сопротивлением.  Воздушный транспорт. Долгое время проблемой скоростной авиации был флаттер — внезапно и бурно возникающие   на   определенной   скорости   вибрации   крыльев.   Из­за   этих   вибраций самолет разваливался в воздухе за несколько секунд. После многочисленных аварий конструкторы нашли выход — крылья стали делать с утолщением на конце. Через некоторое   время   аналогичные   утолщения   были   обнаружены   на   концах   крыльев стрекозы. В биологии эти утолщения называются птеростигмы.  Бесшумного полета  позволило  добиться использование в конструкции принципа строения   кромки   крыла   совы.  Особые   эластичные   и   пористые   кончики   перьев   на задней кромке крыльев совы умеют поглощать и подавлять большую часть звуковых колебаний,   возникающих   во   время   полета,   что   делает   этих   ночных   хищников бесшумными во время охоты.  Если  скопировать этот звукопоглощающий механизм, присутствующий в крыльях совы, то появится возможность в создании новых типов покрытий из волокон с переменной жесткостью, которые можно будет использовать в качестве   основы   для   обшивки   крыльев   и   фюзеляжа   самолетов,   а   также   бортов кораблей. 4.Бионика в быту. С   достижениями   бионики   мы   встречаемся   каждый   день   в   нашей   повседневной жизни. Застежки­липучки.   Это   знаменитое   изобретение   сделал   швейцарский   инженер Джордж де Местраль в 1955 году. Он часто гулял со своей собакой и заметил, что к ее шерсти   постоянно   прилипают   какие­то   непонятные   растения.   Устав   постоянно чистить собаку, инженер решил выяснить причину, по которой сорняки прилипают к шерсти. Исследовав феномен, де Местраль определил, что он возможен благодаря маленьким крючкам на плодах дурнишника (или репейника). В результате инженер осознал   важность   сделанного   открытия   и   через   восемь   лет   запатентовал   удобную «липучку» Velcro, которая сегодня широко используется при изготовлении не только военной, но и гражданской одежды. Застежка­молния (зиппер). Принцип работы такой застежки основан на строении птичьего пера. Птичье перо имеет соединения, очень похожие на соединения застежки­ молнии. Вот только, к сожалению, разглядеть их можно только под микроскопом. От стержня  пера в  обе  стороны  отходят  бородки,  образуя  опахало  пера.  От  бородок также в обе стороны отходят ответвления – бородочки. В устройстве этих бородочек таится   главный   секрет   прочности   птичьего   оперения:   часть   бородочек   имеет крючочки, которые цепляются за другие бородочки без крючочков, но с желобком на краю. Таким образом, отдельные бородки прочно сцепляются друг с другом, образуя густую и прочную пластинку­сетку. Получается, что отдельные элементы птичьего пера прочно соединяются друг с другом, практически также как и части застежки­ молнии. Солонка.  Основой   стала   коробочка   макового   цветка.   Она   имеет   шаровидную форму   и   прикрыта   сверху   пирамидальным,   выпуклым   или   плоским   диском. Непосредственно под диском расположены небольшие поры. Созревшие семена мака могут высыпаться на ветру из отверстий коробочки, как соль из солонки. Заключение. Таким   образом,   теперь   я   могу   дать   ответ   на   основополагающий   вопрос: несомненно, «изобретения», созданные природой, являются более совершенными, в отличие   от   изобретений,   придуманных   человеком.   Природа   открывает   перед инженерами   и   учеными   бесконечные   возможности   по   заимствованию   природных технологий и идей.  Почему при современном уровне развития техники природа настолько опережает человека?   Все   дело   в   естественном   отборе,   эволюционном   развитии.   Все   живые организмы   находятся   в   динамическом   равновесии,   что   дает   им   возможность приспосабливаться, перестраивая свои конструкции в соответствии с изменяющимися условиями. Благодаря   бионике,   мы   можем   понять,   насколько   удивительно   утроен окружающий нас мир. В ходе проекта я узнала, что такое бионика, об истории этой науки и об основных её достижениях. Поставленные   цели   были   выполнены:   я   закрепила   навыки   работы   с   большими объемами   информации,   а   также   узнала   много   интересной   и   нужной   для   меня информации. Источники информации: 1. 2. 3. 4. 5. 6. 7. Бионика. http://goo.gl/0TCa9O Бионика – техника, скопированная у природы. http://goo.gl/G4UqF8 Бионика и транспорт. http://goo.gl/qfBeK3 Биопротезирование в медицине. http://goo.gl/tuhU3o Бионика в архитектуре. http://goo.gl/BUKqBx Принципы бионики на службе у медицины. http://goo.gl/8cRFrN Интересное о бионике. http://goo.gl/YbJExn