Предмет исследования: наука бионика.
Цели исследовательской работы:
Расширить представление о бионики, ее развитии и значении.
Повысить интерес к изучению биологии, физики, химии.
Задачи:
1. Познакомиться с историей создания науки «Бионика».
2. Показать взаимосвязь биологии с физикой, техникой, другими науками.
3. Выделить основные направления бионики.
4. Обозначить важное практическое значение бионики.
5. Развитие мотивации изучения биологии, повышение интереса к предметам естественно-научного цикла.
6. Развивать умения работать в команде, находить и использовать информацию на заданную тему; воспитывать навыки самообразования, исследования.
Методы исследования:
Теоретические:
- изучение научных статей, литературы по теме.
Практические:
- наблюдение;
- анализ;
- обобщение.
Практическая значимость.
В процессе изучения биологии на уроках и во время дополнительных занятий мы очень много внимания уделяем внутреннему и внешнему строению, поведению, живых организмов. Иногда дети эти темы считают скучными, и даже ненужными. В то же время, именно благодаря изучению живых существ, были сделаны очень важные и значительные открытия в технике, медицине, электронике и других науках. Многие даже не догадываются, как многим они обязаны именно животным, и растениям. Собираясь утром мы не задумываясь застёгиваем молнии, «липучки». Что говорить про сотовый телефон, который стал важным предметом нашей повседневной жизни. И таких примеров можно привести немало.
Наша исследовательская работа способствует повышению интереса к изучению наук естественного цикла. Я считаю, что она будет интересна как кадетам, так и педагогам. В ней также учитывается военная составляющая работы нашего учебного заведения.
История создания 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.
Своё название бионика получила от древнегреческого слова " bion»- элемент жизни, ячейка, или элемент биологической системы.
Бионика является одним из направлений биологии, которое изучает особенности строения и жизнедеятельности организмов. Целью этого является создание более совершенных технических систем или устройств.
Основоположником бионики принято считать Леонардо да Винчи. С кадетами 5 классов мы познакомились с биографией Леонардо да Винчи, а также с его проектами. Ребята узнали, что было обнаружено огромное количество чертежей различных машин и устройств, созданные им. Все они по технической мысли опережали своё время. Лишь одно из его изобретений было воплощено в действительности при жизни. В своих работах Леонардо да Винчи часто основывался на знания о строении живых организмов. Среди его машин есть прототипы самолёта, вертолёта, танка, парашюта и мн.др. Кадеты увидели, что многие идеи для своих работ Леонардо да Винчи черпал у самой природы.
Датой рождения бионики принято считать 13 сентября 1960 года- день открытия первого американского национального симпозиума на тему " Живые прототипы искусственных систем- ключ к новой технике. К этому времени в научных кругах были получены уже значительные результаты в изучении принципов работы различных систем живых организмов.
Своей эмблемой бионики выбрали скальпель и паяльник, соединённые знаком интеграла, а девизом- " Живые прототипы-ключ к новой технике.
Мы все живем в обществе, но очень важно и необходимо понимать и учитывать законы, которые созданы природой. Изучая основы ботаники и зоологии в 6–7 классе мы часто говорим о совершенстве многих систем живых организмов, и отмечаем, что эти системы значительно многообразнее и сложнее технических сооружений и конструкций, созданных человеком. Очень важно увидеть и раскрыть тайны природы, научиться использовать эти знания в практической деятельности.
Взаимосвязь с другими науками.
Достижения бионики используются в различных сферах для усовершенствования уже существующих приборов, строительных конструкций, а также создания принципиально новых технологий и устройств.
Современная бионика объединяет знания, используемые в разных научных областях: ботанике, зоологии, анатомии, биохимии, архитектуре, электронике, механике, биофизике, химии, физиологии, др.
Ещё с древних времён знания о строении объектов природы помогало решить многие задачи. Например, изучая хрусталик глаза, арабские учёные пришли к мысли о создании линз. Первые линзы были изготовлены из хрусталя или стекла, они использовались для увеличения изображения.
В области физики в основу принципов учения об электричестве было положено исследование животного электричества.
В 18 веке Луиджи Гольвани проводил успешные опыты с лапкой лягушки, которые привели 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 тщательно изучил механизм полёта птиц и условия, позволяющие им парить. Он рассчитал подъёмную силу крыла, которая смогла удерживать самолёт в воздухе. 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.
И таких примеров уникальности живых систем сейчас обнаружено немало.
Направления бионики.
В настоящее время различают три основных направления в бионике:
- биологическое;
- математическое;
- техническое.
Темы, по которым идут исследования в разных странах, очень разнообразны:
- исследование и моделирование нейронов;
- исследование систем навигации, эхолокации;
- исследование биологических анализаторов;
- исследование методов кодирования и передачи информации у животных;
- изучение аэродинамических свойств птиц, гидродинамических особенностей рыб, дельфинов, китов,
- освоение биологических способов добычи полезных ископаемых, и многое другое.
Тема бионики очень увлекла и заинтересовала кадет. Сейчас идёт более подробное знакомство с этой наукой. Проводится исследовательская работа, в результате которой планируется создание тематических статей и презентаций. Кадеты занимаются очень увлечённо. Работа ведётся с различными источниками информации. Некоторые задания ребята выполняют самостоятельно, другие — в группе. Это помогает развивать чувство коллективного труда, взаимопомощи, взаимоуважения. Наша исследовательская деятельность включает работу по разным направлениям в бионике. Но все их объединяет военная направленность разработок. Эта тематика особенно близка и интересна кадетам, и непосредственно связана с профилем нашего учебного заведения.
В данной работе мы хотели несколько подробнее остановиться на некоторых достижениях в одном из направлений бионике-техническом. Т. к. в одной работе сложно охватить весь спектр успешных инноваций. Поэтому на этом этапе коснёмся некоторых из них, связанных с военно-морской и космической темой исследований.
Изучая особенности строения и поведения морских обитателей, их гидродинамические особенности- учёные стали использовать эти знания при строительстве подводных лодок и судов.
Американская подводная лодка «Скипджек» в точности повторяет форму тунца. Конструкторы добились хорошей обтекаемости, в результате у судна выросла скорость и поворотливость. Поворотливость- очень важное свойство, способность судна к быстрому изменению направления. Большому кораблю для разворота требуется описать полуокружность с радиусом в 4–5 длин корпуса.
Рис. 1. Американская подводная лодка 'Скипджек'. Форма корпуса подводной лодки точно такая же, как и у быстроходной рыбы тунца
Часто говорят: «плавает, как рыба». В действительности, все рыбы плавают по-разному. Угри и миноги не развивают большие скорости. Лучшими пловцами среди рыб считаются лосось, акула, тунец, скумбрия. Лосось плывет со скоростью 5 м/сек (18 км/час), скорость акул равна 36–42 км/час. Морское млекопитающее кит свободно плывет со скоростью 40 км/час. Но самой быстрой рыбой является рыба-меч. Она может развивать скорость, достигающую 130 км/час. Что позволяет рыбам так быстро перемещаться в воде?
На этот вопрос пытались ответить многие учёные в течение последних 40–50 лет. Были проделаны сотни экспериментов. Секрет скоростного движения рыб был раскрыт благодаря опыту. В аквариум с рыбами был заполнен не водой, а молоком. Это позволило проследить движения рыбы. Было установлено, что основная «движущая сила» возникает при колебательных движениях туловища рыбы. До этого времени считалось, что рыбы передвигаются под водой за счет движений хвоста и отчасти плавников.
Рис. 2. Завихрения жидкости, вызываемые перемещением в ней рыбы
Много исследований учёные посвятили изучению дельфинов. Дельфины развивают очень высокую скорость движения, до 30 узлов в час (около 56 км в час). Это также долго являлось загадкой, которую не могли объяснить. Английский учёный Грей установил, что для достижения такой скорости мышцы дельфина д. б. в 7–10 больше, чем есть на самом деле.
Ещё в 1936 году за изучение этого явления взялась группа русских учёных под руководством В. В. Шулейкина. Учёные выводили формулы движения отдельных животных и целой стаи. В результате этой работы было установлено, что дельфины испытывают меньшее сопротивление в воде, чем другие водные животные. Точно созданная механическая копия дельфина не давала таких результатов. Выяснилось, что при движении дельфина не возникает турбулентности, как у других животных или морских судов.
Учёные разных стран пытались раскрыть секрет необычайно высокой скорости дельфина. Было замечено, что вокруг движущегося дельфина возникает лишь незначительное струйное (ламинарное) течение, не переходящее в вихревое (турбулентное). Однако движение плывущей подводной лодки, сходная по форме с дельфином, вызывает высокую турбулентность. На преодоление сопротивления воды при наличии турбулентности тратится около 9/10 движущей силы лодки.
В чем же все-таки секрет необычайно высокой скорости движения дельфина? Исследователи выяснили, вся тайна «антитурбулентности» этого животного заключена в структуре его кожи.
В 1960 г. изучая природный кожный покров дельфина в США немецкий инженер Макс Крамер создал опытные образцы покрытий твердых тел в целях снижения силы трения. Мягкая оболочка — «дельфинья кожа» получила название «ламинфло» (от слов «laminar flow» — ламинарное течение т. е. без завихрения или турбулентности). Сначала она была изготовлена из двух, а затем из трех слоев резины толщиной около 2,5 мм. Она имитировала строение кожи дельфина. Первые же опыты с торпедой и катером, обшитыми такой мягкой оболочкой «ламинфло», были успешны. Торможение снизилось почти наполовину, а скорость увеличилась вдвое. Эксперименты, начатые М. Крамером, продолжались учеными в разных странах. Результаты многочисленных испытаний подтвердили возможность снижения сопротивления воды на 40–60 %.
Рис. 3. Искусственная кожа — обшивка «ламинфло»: а — боковой разрез; б —срез через слой палочекпо линии АБ; 1— верхний слои; 2 — средний слой; 3 —гибкие палочки среднего слоя; 4- пространство между палочками, заполненное жидкостью (черного цвета); 5 — нижний слой; 6 — корпус модели
Американский изобретатель Р. Пелт выстлал внутреннюю поверхность трубы имитатором кожи дельфина и получил снижение потерь от при перемещении жидкости на 35 %. Появилась возможность сделать более экономичным трубопроводный транспорт.
Ещё один пример изучения и применения знаний на практике явился очень важным этапом в развитии науки. Изучение реактивного движения живых организмов привело к созданию реактивных двигателей. Это сделало возможным освоение космического пространства.
Принцип реактивного движения находит широкое практическое применение в авиации и космонавтике. 12 апреля наша страна отмечает день Космонавтики, и, наверное, немногие знают, что большая заслуга в развитии космонавтики во многом принадлежит животным. На этот раз-головоногим моллюскам.
Мы живём на берегу Чёрного моря и часто, особенно летом, можем встретить медуз. Но редко кто задумывается, что медузы для передвижения пользуются реактивным движением. Такое движение используется многими моллюсками — осьминогами, кальмарами, каракатицами. Также передвигаются и личинки стрекоз.
Но наибольший интерес для учёных представляет реактивное движение кальмара. Кальмар является самым крупным беспозвоночным обитателем океанских глубин. Размер некоторых может достигать 20 м. Их тело даже внешними формами напоминает ракету. Точнее сказать — ракета копирует форму кальмара. При медленном перемещении кальмар пользуется большим ромбовидным плавником. Для резкого и быстрого броска он использует реактивный двигатель. Мышечная ткань — мантия окружает тело моллюска со всех сторон. Объем ее полости составляет почти половину объема тела кальмара. Вода засасывается внутрь мантийной полости животного, а затем струя воды резко выбрасывается наружу через сопло. Кальмар толчками движется назад, развивая большую скорость. При этом все десять щупалец собираются над головой, и он приобретает обтекаемую форму. Сопло снабжено специальным клапаном, что позволяет кальмару изменять направление движения. Он может двигаться и вертикальной, и в горизонтальной плоскости. Кальмар способен развивать скорость до 60–70 км/ч. (некоторые исследователи считают, что даже до 150 км/ч). Кальмара часто называют “живой торпедой”.
В мире растений также встречается реактивное движение. Например, при самом легком прикосновении к плодам созревшего “бешенного огурца” из образовавшегося отверстия с силой выбрасывается клейкая жидкость с семенами. Огурец при этом может отлететь в противоположном направлении на расстояние до 12 м. Этот принцип реактивного движения лежит в основе работы ружья. Выстрел из ружья сопровождается отдачей. Чем больше масса и скорость выходящих газов, тем больше реактивная сила и сила отдачи, которое испытывает плечо.
Итак, изучение реактивного движения живых организмов, привело к новому направлению в бионике- созданию реактивных двигателей.
Ещё в конце 1 тыс. н. э. в Китае приводились в действие «ракеты» с реактивным движением, созданные из бамбука и начинённые порохом.
Проект первого автомобиля на реактивном двигателе принадлежит И. Ньютону.
Автором первого в мире проекта реактивного летательного аппарата, предназначенного для полета человека, был русский учёный Н. И. Кибальчич.
Идея использования ракет с реактивным двигателем для космических полётов была предложена в начале 20 века русским учёным Константином Эдуардовичем Циолковским. Он работал преподавателем в г. Калуге. В 1903 году в печати появилась статья К. Э. Циолковского “Исследование мировых пространств реактивными приборами”. В ней содержалось важнейшее для космонавтики математическое уравнение, известное теперь как “формула Циолковского». Он показал, что единственный аппарат, способный преодолеть силу тяжести — это ракета, т. е. аппарат с реактивным двигателем, использующим горючее, находящееся на самом аппарате, и приобретающий скорость в обратном направлении.
Идея К. Э. Циолковского была успешно воплощена советскими учёными под руководством академика С. П. Королёва. 4 октября 1957 г. с помощью ракеты был запущен первый в истории искусственный спутник Земли.
12 апреля 1961 г. Юрий Алексеевич Гагарин облетел земной шар на корабле-спутнике «Восток». Он был первым человеком, который совершил полёт в космическое пространство.
Советские ракеты первыми достигли Луны, облетели Луну и сфотографировали её невидимую с Земли сторону, первыми достигли планету Венера и доставили на её поверхность научные приборы. В 1986 г. советские космические корабли «Вега-1» и «Вега-2» с близкого расстояния исследовали комету Галлея, приближающуюся к Солнцу один раз в 76 лет.
Одним из важных направлений в изучении систем живых организмов является исследование систем эхолокации, навигации и ориентации у птиц, рыб и других животных.
Исследователям известен факт, что морские черепахи уходят в море за тысячи километров, а затем всегда возвращаются к одному и тому же месту на берегу для кладки яиц. Учёные предполагают, что возможно они ориентируются по звёздам и по запаху. Самец бабочки малый ночной павлиний глаз отыскивает самку на расстоянии до 10 км. Пчёлы и осы хорошо ориентируются по солнечному свету.
Многие живые организмы имеют такие сложные анализаторные системы, которых нет у человека. Например, у кузнечиков на усиках есть бугорок, воспринимающий инфракрасное излучение. У акул и скатов есть каналы на голове и в передней части туловища, воспринимающие изменения температуры в 0,10 С. Улитки, муравьи и термиты способны воспринимать радиоактивное излучение. Некоторые животные реагируют на изменения магнитного поля (в основном птицы и насекомые, совершающие дальние миграции. Глаза пчелы реагируют на ультрафиолетовый свет, а таракана — на инфракрасный. Термочувствительный орган гремучей змеи различает изменения температуры в 0,0010 С.
Совы, летучие мыши, дельфины, киты и большинство насекомых воспринимает инфра- и ультразвуковые колебания.
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.
Особое направление бионики — исследования нервной системы. Они показали, что нервная система обладает целым рядом важных и ценных преимуществ перед всеми самыми современными вычислительными устройствами. Изучение этих особенностей очень важно для совершенствования электронных систем.
Современные биотехнологии помогают создавать различные виды защитных материалов. Подсматривая за самой природой и перенимая у нее лучшее, ученые пытаются создать новые образцы пуленепробиваемой защиты.
Повышенный интерес сейчас обращён ещё к одному обитателю морских глубин — миксине, или " слизистому угрю». Название связано с тем, что миксины вырабатывают огромное количество слизи на поверхности тела. Данный вид существует на нашей планете около 300 миллионов лет и за это время существенно не изменился. В случае опасности миксины выпускают очень крепкие нити слизи, которые тоньше человеческого волоса в 100 раз. Выяснилось, что ДНК этого живого организма может помочь в разработке защищающей от пуль одежды.
Ещё одним инновационным проектом является работа голландских ученых. Они провели удачные испытания пуленепробиваемой кожи. В разработке данного материала использовалось вещество, которое было получено из молока домашних коз специальной породы. Прочность материала объясняется наличием в его составе того же белка, который входит в состав паутины. По словам ученых, такую искусственную паутину можно вживить даже в человеческую кожу. В настоящее время эксперименты с человеческим геномом запрещены в мировой науке, по этой причине материал синтезирован в лабораторных условиях.
Вывод.
Со второй половине XX в. во всём мире произошёл резкий скачок в развитии многих отраслей научных знаний. Неуклонно растёт поиск новых открытий и идей в мире живой природы. Это способствует решению многих научных и технических задач.
Целью нашей работы является повышение интереса кадет к изучению биологии. Важно познакомиться с ролью и значением этой науки в современном мире. В результате исследований идёт создание кадетами ряда статей и презентаций по данной теме.
В нашем дальнейшем исследовании мы будем подробнее знакомится с разработками в различных направлениях бионики.
В настоящее время для важны и актуальны решения следующих задач:
1. способы восприятия и переработки информации нервной системой;
2. особенности строения и функционирования анализаторов;
3. принципы функционирования систем навигации, ориентации и локации, используемые животными;
4. особенности строения природных конструкций (растений и животных), обладающих особой прочностью;
5. биологические процессы у животных, происходящие с минимальными затратами энергии;
6. принципы работы нервной системы, позволяющие достичь высокой надежности и устойчивости биологических систем;
7. способность организмов к адаптации в окружающей среде;
8. принципы кодирования, хранения, передачи и обмена информацией в различных биологических системах.
Заключение.
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.
Интерес, проявленный кадетами к изучению бионики, позволит усилить мотивацию и углубить знания не только в биологии, но и в смежных дисциплинах, таких, как физика, химия, история. Это способствует укреплению и развитию метапредметных связей.
В дальнейшем проведении исследовательской работы планируются совместные проекты. Работа предполагает поиск и анализ информации, что способствует развитию у кадет взаимопомощи, созданию благоприятной психологической атмосферы в процессе познавательной деятельности.
Литература:
1. Википедия.
2. И. И. Гармаш. Тайны бионики. К.: Рад. шк., 1985 г.
3. В. Д. Ильичёв. Бионика. Синтез биологии и техники. http//dokus.me
4. И.Б Литинецкий. Беседы о бионике. М.: Наука, 1968г.
5. А. Рийо, Ж. А. Мейе. Бионика. Когда наука имитирует природу. М.: Техносфера,2013.
6. В. Фрадкин. За гранью. Бионика. Обратный эффект. Документальный фильм.
7. http//bio-nika.narod.ru
