Автор конспекта:
Автор(ы): — Илларионова Юлия Алексеевна

Место работы, должность: — Г.Чебоксары Техникум «Транспортных и строительных технологий»

Регион: — Республика Чувашия

Характеристики урока (занятия) Уровень образования: — среднее профессиональное образование

Целевая аудитория: — Учащийся (студент)

Класс(ы): — 11 класс

Предмет(ы): — Биология

Цель урока: —

БИОНИКА и ТЕХНИКА.

Может ли человек достичь того, чего достигла живая природа?Идея применения знаний о живой природе для решения инженерных задач принадлежит Леонардо Да Винчи который пытался построить летательный аппарат с машущими крыльями, как у птиц — орнитоптер. Появление кибернетики,рассматривающей общие принципы управления и связи в живых организмах и машинах, стало стимулом для более широкого изучения строения и функций живых систем с целью выяснения их общности с техническими системами. Полученные сведения о живых организмах можно применять для создания новых приборов, механизмов, материалов . В 1960 в Дайтоне (США) состоялся первый симпозиум по Бионике который официально закрепил рождение новой науки.Преимущество человека в том, что способности мозга уникальны, человек способен мыслить Появилось самостоятельное направление в науке и в технике, цель которого — использовать биологические знания для решения инженерных задач и развития техники. Природа даёт человеку множество примеров для технических изобретений. Бионика — это соединение биологии и техники.Различают:

• биологическуюбионику, изучающую процессы, происходящие в биологических системах;
• теоретическуюбионику, которая строит математические модели этих процессов;
• техническуюбионику, применяющую модели теоретической бионики для решения инженерных задач.

Бионика рассматривает биологию и технику совсем с новой стороны, объясняя, какие общие черты и какие различия существуют в природе и в технике. Человек, наблюдая за окружающей природой, извлекал из нее некоторые уроки, помогавшие ему создавать полезные устройства. Элементы бионики вложены в изобретение колеса, ножа и других инструментов. Арабские врачи задумались об использовании хрусталя или стекла для увеличения изображения подобно тому, как это происходит в хрусталике глаза. Русский ученый Н.Е. Жуковский разработал методику расчета подъемной силы крыла самолета на основе изучения полета птиц.

Шарниры.

Самое простое в природе и технике сочленение — шарнирное. Оно позволяет вращаться одной части вокруг другой и при этом не сдвигаться с места. Тихоокеанские сердцевидки-великаны, для того чтобы сложить две свои створки, ракушки используют шарниры. Левая створка, имеющая выступ, попадает в углубление правой , и наоборот. Это шарнирное соединение состоит только из двух частей, которые очень прочно смыкаются друг с другом, выполняя свою задачу наилучшим образом. Если в технике шарнир может состоять из трех частей, то в природе он состоит только из двух. Этот более компактный вид шарнира был со временем разработан и в технике. Вспомним защелкивающуюся крышку, например крышку шампуня, для шарнира которой необходимы только две части.

Технические шарниры.Технические шарниры можно приобрести на любом строительном рынке. Их применяют, например, для того, чтобы прикрепить крышку к ящику. При этом крышка легко открывается и закрывается. Шарнирами снабжено большинство футляров. Их крышка плотно соединяется с нижней частью и не может соскочить, поэтому, когда такой футляр кладут в карман, очки не выпадают. Технические шарниры обычно состоят из двух частей, которые соединяются друг с другом с помощью стержня. При этом возможно единственное движение — вращение двух половинок вокруг соединительного стержня.

Экскаваторы.

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

Лапы 290 видов ловчих птиц имеют свои различия: природа позаботилась о том, чтобы «захватывающий аппарат» был приспособлен для охоты на определенный вид добычи. Таким образом, птица всегда может добыть пропитание.

Присоски.

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.Если выстрелить из рогатки присасывающейся стрелой в стекло окна, то стрела прикрепится и останется на нем. Присоска слегка закруглена и расправляется при соприкосновении с преградой. Затем эластичная шайба опять стягивается; так возникает вакуум, и присоска прикрепляется к стеклу.

ПИНГВИНЫ и СНЕГОХОДНАЯ МАШИНА.

Пингвиныпередвигаются по снегу, отталкиваясь ластами, подобно лыжникам, использующим для этой цели палки. Основанная на этом принципе снегоходная машина «Пингвин», лежа на снегу широким днищем, способна двигаться со скоростью до 50 км/ч. В подобных машинах нуждаются исследователи Арктики и Антарктиды, а также жители наших северных регионов – охотники, оленеводы . Здесь тягачи, тракторы и снегоходы при своем движении по снегу образуют глубокую колею, буксуют и увязают. Подобные машины могут использоваться и на мелководных озерах, где обычные плавательные средства чаще всего не могут применяться.

Ты не смейся над судьбой пингвиньей,

Ведь не каждый был рождён орлом.

Пинцеты.

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

Веретенники. Своим длинным 15-сантиметровым клювом веретенник ощупывает землю, втыкая его в мягкую почву. При этом кончик клюва птица в нужный момент открывает и закрывает. Таким образом ей легко хватать маленьких червяков и другую добычу. Ее тонкий клюв родит довольно глубоко в землю, и оттуда птица достает себе пищу.

—

Клюв — это комбинированный инструмент. До захвата пищи клюв сжат и служит в качестве 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.

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 мелкие 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. Тоже самое мы наблюдаем, когда работаем ножницами. Если удерживать одну их половину и двигать только другой, можно быстро заметить, насколько труднее режется бумага.

СУДОСТРОЕНИЕ.

Судостроители во всем мире давно уже обратили внимание на грушеобразную форму головы кита, более приспособленную к перемещению в воде, нежели ножеобразные носы современных судов. Японский ученый Тако Инуи учел это при создании модели пассажирского парохода. По сравнению с обычными судами китообразный пароход оказался более экономичным. При уменьшении мощности двигателей на 25% он сохранил прежнюю скорость и грузоподъемность. Американская подводная лодка «Скипджек», корпус которой по форме напоминает белого кита, имеет более высокую скорость, повышенную маневренность по сравнению с другими подводными судами.

Турбулентность дельфина и автомобильных шин.

Дельфины способны развивать в воде скорость до 56 км/ч, сопровождая часами и даже днями быстроходные корабли. Расчеты показали, что для достижения такой скорости мышцы дельфинов должны быть в 10 раз мощнее, чем они есть на самом деле. Было замечено, что вокруг живого дельфина возникает струйное течение, не переходящее в вихревое. Обтекаемая форма дельфина способна преодолевать турбулентность воды. Его эпидермис очень эластичен. Антитурбулентность дельфина применяется в конструкции автомобильных шин. Кожа дельфина состоит из тонкого наружного и лежащего под ним росткового (шиловидного) слоев. В ячейки росткового слоя входят упругие сосочки дермы, точно зубцы резиновой щетки для замшевой обуви. Эпидермис и сосочки дермы особенно развиты в лобной части головы и на передних краях плавников, где давление воды максимальное. Ниже сосочков дермы располагаются коллагеновые и эластиновые волокна, а между ними – жир.

Лодка с «плавниками».

В технике использует принцип вращения, природа использует принцип колебания. Инженеры рассчитали, что тяга при колебании плавников эффективнее, чем тяга судового винта, и при этом затрачивается меньше энергии. Недавно удалось создать настоящие подводные «лодки-рыбы», хотя и небольшого размера. Они приводятся в действие колеблющимся плавником, который похож на плавник тунца.

Как серебряная птица в небе утреннем кружится самолет.

Долгое время проблемой скоростной авиации был флаттер — внезапно и бурно возникающие на определенной скорости вибрации крыльев. Из-за 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. Новые принципы полета,

разрабатываются на основе изучения птиц и насекомых.

Природа даёт человеку множество примеров для технических изобретений.

Еще 3000 лет назад китайцы пытались перенять у насекомых способ изготовления шелка. Но в конце ХХ века бионика обрела второе дыхание, современные технологии позволяют копировать миниатюрные природные конструкции с небывалой ранее точностью. Так, несколько лет назад ученые смогли проанализировать ДНК пауков и создать искусственный аналог шелковидной паутины — кевлар. В этом обзорном материале перечислены несколько перспективных направлений современной бионики и приведены самые известные примеры.

Фрагменты тканевополимерного бронежилета из кевлара, использованного для поглощения энергии взрыва ручной гранаты.

Камеры наблюдения и тропическая рыба-кузовок

Но не всегда и не всё так просто. К примеру, в 70-х годах учёным понадобилось несколько лет и растровый электронный микроскоп, чтобы понять, почему листья лотоса никогда не пачкаются. После нескольких лет дополнительных исследований и экспериментов открытые водоотталкивающие микро- и наноструктуры были перенесены в техническую сферу. Так возникли непачкающиеся краски для фасадов и самоочищающееся стекло, применяемое на камерах наблюдения за дорожным движением.

Три года назад корпорация Mercedes Benz разработала бионическое транспортное средство, скопированное с тропической рыбы-кузовка. Несмотря на свою чемоданообразную форму, машина имеет крайне низкое сопротивление воздуха.Сегодня бионика уже не разменивается на мелочи. Это установившаяся наука, которая получает выгоду от всё более быстрых компьютеров и расширяющихся возможностей микротехники: теперь учёные могут исследовать даже мельчайшие структуры растительного и животного мира.

В 1963 г. на Всесоюзной конференции по бионике академик А.И. Берг, один из создателей и идеологов бионики, отметил, что в природе существует много лишнего и несовершенного, избыточного и с технической точки зрения неоправданного. Поэтому бионика не слепо копирует природу, она лишь заимствует у нее совершенные конструктивные схемы и механизмы биологических систем, обеспечивающие в сложных условиях существования особую гибкость и живучесть, выработанные живыми системами. На протяжении многих миллионов лет биологической эволюции на Земле в процессе естественного отбора возникало огромное количество самых разнообразных видов живых организмов. Изучение существующих и вымирающих в далекие геологические эпохи видов живых организмов показало, что и в древности существовали формы жизни, изучение организации которых может пригодиться для создания или усовершенствования некоторых машин и механизмов. Перечислить все, чем занимается бионика, нелегко; трудно также охарактеризовать все живые объекты, принципы организации которых могут помочь человеку в решении разнообразных научно- технических задач. Проблемы , связанные с бионикой , можно разделить на три группы. К первой относятся те , для решения которых достаточно имеющихся знаний биологии . Ко второй группе относятся вопросы, решение которых нужно искать , изучая живую природу и совершенствуя биологические знания. Может быть , есть вопросы самые увлекательные , которые природа пока еще таит в себе.

Задачи бионики решаются сегодня силами ученых многих специальностей физиков, химиков, математиков, кибернетиков, инженеров различных специальностей.

ЛИТЕРАТУРА

• Вопросы бионики. Сб. ст., отв. ред. М.Г.Гаазе-Рапопорт, М., 1967.
• Мартека В., Бионика, пер. с англ., М., 1967.
• Крайзмер Л. П., Сочивко В. П., Бионика, 2 изд., М., 1968.
• Брайнес С. Н., Свечинский В. Б., Проблемы нейрокибернетики и нейробионики, М., 1968.
• Библиографический указатель по бионике, М., 1965.
• Игнатьев М. Б. «Артоника» Статья в словаре-справочнике "Системный анализ и принятие решений"изд. Высшая школа, М., 2004.
• Мюллер, Т. Биомиметика: National Geographic Россия, май 2008, с. 112—135.
• Архитектурная бионика. Под редакцией Ю.С.Лебедева.-М.:Стройиздат, 1990. 26

Тип урока: — Урок изучения и первичного закрепления новых знаний

Краткое описание: — Интересный информационный материал по профессии "Автомеханик"