CC BY
86
Андреева Ю. В.
МБОУ «СОШ № 15» г. Калуга,
аспирант Калужского Государственного Университета им К.Э. Циолковского ЗАДАЧИ ПО ФИЗИКЕ И ТЕХНИКЕ С ЭЛЕМЕНТАМИ БИОНИКИ.
Аннотация:
Задачи с элементами бионики по истории создания вещей привлекут внимание школьников, как только приступающих к изучению физики, так и старшеклассников, помогут заинтересовать их и помогут показать, что за многими интересными открытиями стоят не только знания, но и любопытство и наблюдательность. Возможно применение на уроках для связи физики с другими науками и техникой, на дополнительных занятиях, на вечерах физики.
Ключевые слова: задачи по физике, бионика, история вещей и механизмов. Keywords: problems in physics, bionics, the history of things and mechanisms.
Решение задач с техническим содержанием достаточно часто встречается в курсе физики. Задачи по истории создания того или иного устройства достаточно редки. Задачи с техническим содержанием интересны учащимся всех возрастов, задачи по бионике вызывают у учащихся не только интерес, но и удивление.
Науку, занимающуюся изучением строения и функционирования живых организмов, чтобы использовать это для решения инженерных задач, создания новых приборов и механизмов, называют бионикой (от греческого bios «жизнь»). Этот термин впервые прозвучал 13 сентября 1960 г. в Дайтоне на американском национальном симпозиуме «Живые прототипы — ключ к новой технике» и обозначил новое научное направление, возникшее на стыке биологии и инженерного искусства. Основоположником бионики считается Леонардо да Винчи. Его чертежи и схемы летательных аппаратов основаны на строении крыла птицы.
Задачи бионики не только создать новые механизмы, похожие внешне на элементы живой природы, но исследовать свойства, которыми обладает данный природный элемент, и выяснить, как эти свойства могут повлиять на работу новых приборов подобных форм.
Природа открывает перед учеными, инженерами новые возможности и с развитием техники все новые элементы становятся заметными. О чем свидетельствует все большее количество изобретений деталями,
повторяющими природные элементы. Для учащихся, которые все чаще теперь задают вопрос: «Зачем мне все это нужно?» такие задачи позволят задуматься о механизмах появлений новых машин и их элементов, путях их развития, позволит понять, что каждое открытие - это многолетний труд,
огромное количество знаний, но и бесконечное любопытство человека, его бесконечные «как это работает» и «почему так, а не иначе». Приведенные ниже задачи можно использовать на отдельном уроке, посвященном научнотехническому прогрессу, знакомству с современными технологиями и истории их становления, или же взять за основу для игры-соревнования, как для учащихся только начинающих изучать физику, так и для старшеклассников. Такие задачи покажут взаимосвязь наук - физики, биологии с техникой, опровергнут мнение школьников об изолированности физики и оторванности знаний от современной науки.
Задача № 1.
Как-то, возвратившись с прогулки с собакой по предгорьям Альп, Жорж де Местраль инженер из Швейцарии, обнаружил на своих штанах и на шерсти своей собаки множество репейников. Снимая с себя и со своего пса колючих гостей, он задумался о репейнике, так появилось это изобретение, потребительская популярность к которому пришла позже, когда нашла свое применение в костюмах космонавтов НАСА, а позже и в нашей жизни.
Ответ: В 1948 году была создана застежка -липучка, которую тогда называли ворсистой молнией, лентой Velcro, ворсовкой, лентой-контактом,
репейником. Застежке-липучке в англоязычных странах дали название «hook and loops», в переводе - «крючки и петли»[1].
Задача 2.
Современные самоочищающиеся поверхности и самоочищающиеся полироли появились благодаря этому растению, известному своим свойством оставаться всегда чистым благодаря гидрофобному покрытию листьев в виде ворсинок и пупырышков, в некоторых странах это растение - символ частоты.
Ответ: «Эффект лотоса» - уникальное природное свойство цветка. середине 1970-х гг. профессора ботаники Боннского университета В. Бартхлотт и К. Найнюс обнаружили, что листья и цветки некоторых растений почти не загрязняются. Данный эффект наблюдается на многих других листьях растений, таких как капуста, камыш, тюльпан, а также у животных (крылья стрекоз и бабочек). Они наделены природой свойством защиты от различных загрязнений (сажи, пыли, микробов). Большую опасность для растений представляют органические формы в виде бактерий, спор грибов или водорослей. «Лотос-эффект» предотвращает появление патогенных
субстанций на таких поверхностях: споры легко смываются при каждом дожде, а при отсутствии дождя нет и влаги для прорастания спор [2,1].
Задача 3.
Создание этого предмета, который есть у большинства из вас дома, связано с созреванием семян мака. Глядя на то, как из коробочки высыпаются созревшие семена, было создано это. Что?
Ответ: В 1920 г. австриец Рауль Франсе создал солонку, привычную для нас коробочку с дырочками в крышке, созданную по образцу коробочки мака[3].
Задача 4.
Их создание позволило улучшить мировые рекорды, а создатель вдохновился кожей акулы. Что было создано фирмой «Speedo»?
Ответ: Фирмой было предложено на спортсменов-пловцов надевать
плавательные костюмы Aquablade, созданные из ткани по образцу кожи акулы: множество чешуек настолько плотно прилегает друг к другу, что позволяет спортсмену свободно скользить в воде[4].
Задача 5.
Новинка изготовлена из подвижного полимера, и состоит из
нескольких микроскопических кармашков, каждый из которых наполнен прозрачной жидкостью, похожей по составу на человеческие слёзы. Кармашки соединены друг с другом узкими каналами, через которые происходит сообщение для обмена раствором. Меняя количество жидкости в каждом из кармашков, исследователи научились регулировать форму и свойства этого приспособления, что позволит применять его во многих цифровых устройствах. Что это за приспособление и часть тела какого существа была взята за основу?
Ответ: Это гибкая линза для цифровых камер и устройств, которая может менять фокус и форму для фокусировки разноудаленных объектов с одинаковой точностью. За основу были взяты фасеточные глаза насекомых, в частности мух [5].
Задача 6.
Тропическая рыбка- кузовка, известная своей маневренностью, поделилась формой своего тела для создания этого средства передвижения одной очень известной фирмы. Несмотря на кажущуюся неуклюжесть это средство передвижения имеет очень низкое сопротивление воздуха. О каком средстве передвижения идет речь?
Ответ: Корпорация Mercedes Benz разработала бионическое транспортное средство, скопированное с тропической рыбы-кузовка, что позволило сильно уменьшить аэродинамическое сопротивление. Корпус автомобиля Bionic Car очень точно повторяет формы рыбы[6].
Задача 7.
При постройке этого известного сооружения, символа одной из стран, использовались наработки из работы швейцарского профессора анатомии Хермана фон Мейера, в которой он исследовал костную структуру головки бедренной кости в том месте, где она изгибается и под углом входит в сустав. Природное распределение нагрузки с помощью кривых суппортов было использовано для строительства. О каком сооружении идет речь?
Ответ: В 1866 году швейцарский инженер Карл Кульман подвел
теоретическую базу под открытие фон Мейера, а спустя 20 лет это было использовано Эйфелем[7].
Задача 8.
Это медицинское приспособление полностью повторяет строение зуба-резца летучей мыши, укус которой безболезнен и сопровождается сильным кровотечением. О чем идет речь? Объясните принцип работы с ним.
Ответ: Игла-скарификатор, служащая для забора крови. Имеет очень маленькую площадь острия, вследствие этого производит очень большое давление. Из-за этого прокол получается тонкий, но глубокий, это приводит к свободному вытеканию крови[8,16].
Задача 9.
Пальцы человека покрыты сложным узором складочек и углублений. После долгого пребывания в воде эти складочки обеспечивают лучшее сцепление с предметами, которые мы держим в руках. Инженерами были созданы приспособления для автомобиля, работающие точно по такому принципу. О чем идет речь?
Ответ: речь идет о рисунке на шине колес автомобиля. Рисунок протектора дорожных шин предназначен для выталкивания воды из площади контакта резины с дорожным покрытием, что обеспечивает лучшее сцепление[9]. Задача 10.
Это медицинское приспособление «подсмотрено» у комара.
Определите, как оно называется и опишите принцип его работы.
Ответ: это шприц. Перемещая поршень, передаем давление жидкости, и она выходит в месте укола.
Задача 11.
Внимательно рассмотрев перо, можно увидеть, что отдельные ворсинки держатся достаточно крепко за счет миниатюрных крючков. Крючочки соседних ворсинок тесно переплетаются, чередуясь между собой. Такой способ соединения частей пера подтолкнул к созданию этой детали одежды. О чем идет речь?
Ответ: Идет речь о застежке молнии, при застегивании крючки соседних частей соединяются между собой.
Задача 12.
С острой кромкой осоки знакомы из нас все те, кто ходил когда-либо по лугу и особенно около воды. В какой профессиональной сфере могло пригодиться это свойство осоки?
Ответ: Форма скальпеля для хирургических операций повторяет форму листа осоки с острым режущим краем. А тонкое лезвие обеспечивает хорошие режущие свойства даже при небольшом нажатии. Скальпель стал одним из символов науки бионики.
Задача 13.
Придумайте природный аналог фабричной трубы, если известно, что продольная арматура придает ей прочность, пустоты в стене облегчают конструкцию. Центральное круглое отверстие в срезе - дымоотвод, поддерживается спиральной арматурой.
Ответ: аналог-стебель травянистого растения. Стебель полый и в воздухоносные полости предназначены для циркуляции воздуха, арматура трубы подобна сосудам стебля. Пример: пухонос.
Заинтересовав учащихся примерами, можно сообщить, что с появлением нанотехнологий внедрение элементов бионики не ограничится архитектурой, техникой и медициной. Все дело в том, природные конструкции наиболее энергоэффективны, чем те, что создает человек. Совершенствуясь и эволюционируя в течение миллионов лет, живые организмы научились жить, передвигаться и размножаться с использованием минимального количества энергии.
Современная наука различает теперь три раздела бионики: биологическую бионику, изучающую процессы, происходящие в биологических системах;
теоретическую бионику, которая строит математические модели этих процессов;
техническую бионику, применяющую модели теоретической бионики для решения инженерных задач.
Уже появились первые бионические наноматериалы имитирующие ворсинки на лапках геккона, что позволило создать многоразовый клей на молекулярной основе, шагающие роботы копирующие движение таракана и много новых материалов.
Литература.
1. Застежка-липучка// История вещей [Электронный ресурс]. - Режим доступа: Шр://история-вещей.рф/оёе7Ьёа/7а81е7Ька-НрисЬка.Ыт1
2. Лазарева Т.А. «Эффект лотоса» и самоочищающиеся покрытия. Донецк, ДонНТУ. — 2011.
3. Коробочки мака. [Электронный ресурс]. - Режим доступа: http://www.fito.nnov.ru/specia1/a1ka1oids/papaver_somniferum/
4. Плавательные костюмы// Потребитель. Экспертиза и оценка [Электронный ресурс]. - Режим доступа:
http://sport.potrebite1.ru/?action=mode1_1ist&num_id=17&cat_id=147
5. Г орина Ася. Глаза человека и мухи объединили в одной линзе.// Вести.ру [Электронный ресурс]. - Режим доступа:
http: //og1aze.1ivej ourna1 .com/3 0875 .htm1
6. Кузовок: как рыба помогла создать сверхсовременный автомобиль.//
Anima1 reader. [Электронный ресурс]. - Режим доступа:
http://anima1reader.ru/kuzovok-kak-ryiba-pomog1a-sozdat-sverhsovremennyiy-
avtomobi1.htm1
7. Интересное о бионике [Электронный ресурс]. - Режим доступа: http://www.bioinformatix.ru/bionika/interesnoe-o-bionike.htm1
8. Мартека В. Бионика, М.:Мир, 1967.
9. Сцепление с дорогой// Статьи. [Электронный ресурс]. - Режим доступа: http://www.auto-quiet.ru/stati/scep1enie-s-dorogoie.htm1
