Данная статья посвящена изучению законов гидравлики и теплотехники в зоологии на примерах из животного мира. Разобраны и объяснены наиболее показательные приложения данных наук в живой природе.Показано, что в среднем на 14,6 % увеличивается количество правильных ответов при изучении гидравлики на зоологических примерах по сравнению с традиционной системой подачи учебного материала.
Ключевые слова: гидравлика, теплотехника, вентиляция, зоология
Значимость изучения зоологической гидравлики. Гидравлика — наука о законах движения и равновесия жидкостей, изучаемая в университетах и институтах студентами технических специальностей. Студенты — молодая и энергичная аудитория, и для объяснения им сложных инженерных наук необходим творческий подход. Мы предлагаем разнообразить учебную программу дисциплины более наглядным представлением технических явлений и закономерностей.
Термин «зоологическая гидравлика» введен нами в 2013 году [1, c. 240]. В нашей трактовке данный раздел изучает законы теплопередачи, движения и равновесия жидкостей в живых организмах. Мы предлагаем рассматривать зоологическую гидравлику на примере решения таких задач, как:
- Зоологические явления и процессы, объясняемые средствами гидравлики и теплотехники. (Наука описывает и объясняет животный мир).
- Перенесение и применение опыта живой природы зоологии в технике. (Животный мир помогает найти новое инженерное решение в сфере гидравлики и теплотехники).
Гидравлика. Изучение зоологической гидравлики мы условно разделили на два раздела: гидравлика кровеносной системы и гидравлика перемещения. В данной статье рассмотрены примеры обоих пунктов, а также их совмещение.
Гидравлика кровеносной системы подразумевает изучение особенностей сердечно-сосудистых систем разных животных. Кровеносная система — это замкнутая система эластичных сосудов, для функционирования которой необходим насос (сердце), выполняющий множество функций, в том числе: обеспечение необходимой для циркуляции скорости крови и преодоление сил тяжести при вертикальном направлении кровотока. В любом живом организме очень важно доставить кровь от сердца к мозгу, так как он наиболее чувствителен к нарушению кровоснабжения. В целях упрощения кровоснабжения мозга сердце относительно близко расположено к голове. Интересным исключением из этого правила является кровеносная система жирафов и змей, которую рассмотрим более подробно.
Жираф. Специфическая сердечно-сосудистая система жирафа обусловлена высоко расположенной головой, вследствие чего объём и мощность его сердца значительно увеличены (вдвое сильнее, чем у коровы). Несмотря на длину шеи в 2–3 метра, у жирафа не нарушена циркуляция крови благодаря очень высокому кровяному давлению, которое, в свою очередь, требует от природы определенных биолого-инженерных решений: система сосудов и артерий справляется со столь сильным кровотоком благодаря более плотным, утолщенным и эластичным сосудистым стенкам. Большая прочность кожи и внутренних связок жирафа, а также глубокое заложение вен и артерий в его теле удерживают или вовсе предотвращают кровотечение. При наклоне головы у жирафа не происходит резкого кровоизлияния в мозг благодаря комплексу клапанов, автоматически закрывающихся при наклоне головы, не давая крови резко ударить в голову. Далее, они же не дают крови мгновенно отступить от головы животного при поднятии головы.
Змея. Змеи бывают водоплавающие и древолазающие. Первые легко плавают в воде и влияния сил тяжести почти не чувствуют, чего нельзя сказать о последних. Взбираясь на дерево, тело змеи расположено практически вертикально, благодаря чему сердечно-сосудистые системы этих змей имеют некоторые особенности. Расстояние между сердцем и мозгом у них составляет примерно 17 % от длины тела, когда у водоплавающих это число достигает 33 % [2, c. 4]. Следовательно, чем вертикальнее положение тела змеи, тем сильнее она чувствует действие сил тяжести. Задранная голова змеи значительно влияет на её мозговое кровообращение. Причём у водоплавающих змей это влияние вдвое сильнее, чем древолазающих. Для них вертикальное положение тела (головой вверх) − смертельно: сосуды головы запустевают, мозг перестает снабжаться кровью, и змея погибает. Но когда змея находится в воде, изменения давления в кровеносной системе уравновешиваются давлением внешней среды. А древолазающие змеи, которым часто приходится ползать вертикально, выработали приспособления для борьбы с действием силы тяжести. У них при вертикальном положении (головой вверх) сжимаются сосуды нижней части тела, а сердце начинает биться чаще; в результате кровоснабжение мозга остается нормальным.
Гидравлика перемещения изучает особенности передвижения представителей животного мира с помощью гидравлических законов. Разные животные пользуются различными средствами передвижения — ногами (лапами), крыльями, плавниками и т. д. Рассмотрим примеры с использованием наиболее необычных.
Паук. Несмотря на то, что в ногах паука отсутствуют какие-либо мышцы, бегают эти насекомые с достаточно высокой скоростью, т. к. каждая нога паука — это гидравлический механизм, приводимый в движение кровью. Паук способен повышать давление крови в лапках до их затвердевания. Это объясняет, как паук может прыгнуть на 10 см, притом, что сам паук ростом не более 1 см. Для такого маневра пауку нужно мгновенно поднять кровяное давление почти на половину его собственного (равного атмосферному). Объяснение механизма «искусственной гипертонии» паука наукой пока не найдено.
Бобр. Как водоплавающее животное бобр имеет многие приспособления, необходимые для жизни в воде: плавательные перепонки между пальцами (позволяют быстро перемещаться в воде), мигательные перепонки на глазах (позволяют видеть под водой), большие лёгкие и печень (позволяют находиться под водой до 15-ти минут) и т. д. Значительную роль в плавании бобра играет его хвост, имеющий лопатовидную форму. Его бобр использует как руль при передвижении под водой. Кроме того, хвост для бобра — это терморегулятор, инструмент для строительства и добывания пищи, средство сигнализации для сородичей, хранитель запасов жира на зиму и многое другое.
Теплотехника основывается на использовании тепловой энергии. В мире животных есть яркие примеры, чья тепловая энергия используется наиболее эффективно, например, работа кровеносной системы как противоточный теплообменник.
Напомним, что противоточный теплообменник — конструкция для теплопередачи от нагретого теплоносителя к холодному, где теплоносители движутся навстречу друг другу по параллельно расположенным каналам (рис. 1).
Рис. 1. Схема противоточного теплообменника
Цапля. Теплообменник в теле этой болотной птицы — это система параллельно расположенных кровеносных сосудов, ведущих от сердца к ноге, чередующиеся с такими же сосудами, ведущими кровь в обратном направлении. Т. к. расположены они в шахматном порядке, такая система охлаждает тёплую кровь почти до температуры окружающей среды, до того как дойдёт до конечности в холодной воде, что сильно снижает теплопотери в ноге.
Кит. Киты всю жизнь плавают в холодных водах Земли. Теплоизоляция для кита — это его подкожный жир. Жировая прослойка залегает глубоко в теле кита, сводя к минимуму интенсивность теплоотдачи (температуры кожи и воды практически равны). А способствуют теплообмену плавники, т. к. там нет жировой прослойки. Кроме того, у китообразных артерия, несущая нагретую кровь в конечность, окружена сплетением вен, несущих охлажденную кровь из конечности. Образующийся противоточный теплообменник снижает потери тепла.
Вентиляция. Вэтом разделе рассматриваются примеры естественного движения воздуха в норах животных.
Луговая собачка. Первый пример связи вентиляции и зоологии — это норы луговой собачки [3, c. 84]. Высокая конусообразная конструкция насыпи на входе в норку луговой собачки улучшает тягу воздуха в норке. По такому же принципу работает дефлектор, тяга в котором улучшается, за счёт естественного снижения давления от ветра, пропорционального высоте конструкции (рис. 2).
Рис. 2. Аналогия дефлектора и норки луговой собачки
Крот. Естественная вентиляция кротовой норы происходит через поры в почве, оставленные корнями деревьев и других растений (рис. 3).
Чем больше выходов на поверхность земли, тем больше воздуха поступает в норы. В процессе копания необходимых вентиляционных каналов, кроты выбрасывают на поверхность земли грунт, образующий насыпь.
Рис. 3. Вентиляция норы у кротов
Апробация зоологической гидравлики. Для апробации разработанной методики на основании работы [4] нами составлен небольшой тест с открытым вариантом ответа. Тест был построен таким образом, чтобы в нем чередовались традиционные вопросы, составленные на примере типовых заданий из учебников по дисциплине «Гидравлика», и модифицированные вопросы, созданные на примерах из биологии и повседневной жизни.
Некоторые вопросы из теста приведены в таблице 1.
Таблица 1
Пример тестовых вопросов сэталонным ответом
|
Вопрос |
Эталонный ответ |
|
Студенты измеряли атмосферное давление барометром на 1 и 4 этаже главного корпуса ДВГУПС. Самое большое значение давления оказалось на _____ этаже. |
первом |
|
Кабина самолета внезапно разгерметизировалась. Воздух, находящийся в легких пилота, _______ объем. |
увеличивает |
|
Сила жидкого трения _______, чем сила сухого трения. |
меньше |
|
В руках трудно удержать живую рыбу, так как ее наружная поверхность имеет ______ с муцином, что уменьшает трение рыбы при ее плавании в воде. |
слизь |
Суммарно в тесте 22 вопроса, в т. ч. по 11 вопросов каждой категории. Для тестирования студентов мы применили автоматическую систему сбора и систематизации ответов — приложение «Форма», предлагаемую компанией Google.
Всего в опросе приняло участие 64 студента ДВГУПС направлений подготовки «Строительство», «Техносферная безопасность» и «Пожарная безопасность». Из общего числа 46,88 % опрошенных было женского пола и 53,12 % — мужского. Результаты тестирования приведены на рис. 4.
Рис. 4. Сводка результатов тестирования студентов по дисциплине «Гидравлика»
Из сводки видно, что по всей совокупности вопросов теста средний процент правильных ответов относительно невысок — 63,00 %. Тем не менее, можно отметить, что на вопросы, составленные с привлечением примеров из сферы биологии и повседневной жизни, было получено больше правильных ответов (в среднем, 70,31 %), чем на традиционного типа вопросы (в среднем, 55,68 %).
Далее проверим на статистическую значимость обнаруженную разницу в среднем проценте полученных правильных ответов. Обозначим категорией 1 — «биологические» вопросы; категорией 2 — традиционные вопросы. Фактически мы имеем дело с малыми выборками, для которых заранее неизвестны неравные дисперсии. Данное сопоставление проведем с помощью критерия Сатервайта [5, c. 391]. Статистика данного критерия определяется по формуле (1):
,(1)
где 
— средний процент правильных ответов по вопросам 1 категории; 
— средний процент правильных ответов по вопросам 2 категории; 
— среднеквадратич. отклонение по всей выборке, определяемое из формулы (2):
(2)
где 
— дисперсия процента правильных ответов по всей выборке; 
— дисперсия процента правильных ответов по вопросам 1 категории; 
— дисперсия процента правильных ответов по вопросам 2 категории; 
— число вопросов 1 категории (11 шт.); 
— число вопросов 2 категории (11 шт.).
В качестве нулевой гипотезы выдвигается предположение о равенстве средних по двум выборкам Н0: 
, а альтернативной гипотезой считается предположение о статистической значимости различия средних Н1: 
. Альтернативная гипотеза будет не отвергнута при выполнении неравенства 
, при котором табличное значение t-критерия Стьюдента 
будет иметь число степеней свободы, определяемое по формуле (3):
, (3)
В результате расчетов получились следующие значения:
= 8,25; табличное значение при α=0,05 составило = 2,43, следовательно, неравенство выполняется, что говорит о том, что при α=0,05 можно утверждать наличие статистической разницы между средним процентом правильных ответов, полученных на «биологические» и традиционные вопросы. По нашим данным, эта разница составила 14,6 %.
Заключение. Вданной статье рассмотрена лишь малая часть того, чем зоология может помочь науке: несколько ярких образцов зоологической гидравлики, теплотехники и вентиляции, рекомендуемые нами для использования в учебном процессе. Можно привести ещё немало примеров, способных заинтересовать студентов, вызвать у них познавательный интерес, развить стремление к науке и улучшить качество их обучения.
Разработанная нами методика прошла экспериментальную проверку в ДВГУПС среди студентов технических направлений подготовки. Отмечена высокая активность обучающихся в обсуждении затрагиваемых гидравликой зоологических вопросов.
Литература:
- Варламова Н. Н., Ковшун В. С., Михно Е. В., Сапрыкина Н. А., Бирзуль А. Н. Дополнительные главы гидравлики // материалы международной научной конференции ФАД ТОГУ «Новые идеи нового века». — Хабаровск: ТОГУ, 2013. — С. 238–244.
- Беркенблит М. Б., Жердев А. В. Сто задач по биофизике. — М.: ОЛ ВЗМШ, 1996. — 24 с.
- Уокер Дж. Физический фейерверк. — М.: Мир, 1989. — 299 с.
- Шаракшанэ А. С. Элементы физики, математики и информатики для студентов-медиков. — 3-е изд. — М.: Здравпросвет, 2004. — 212 с.
- Кобзарь А. И. Прикладная математическая статистика. Для инженеров и научных работников. — М.: ФИЗМАТЛИТ, 2006. — 816 с.
