Евдокимова наталья Геннадьевна

Исследовательская работа «Бионика - учимся у природы»

Материал опубликован 6 December 2020

открытый конкурс проектов и учебно-исследовательских работ

«ИЗЫСКАТЕЛЬ»

Секция: экология и биология

«Бионика - учимся у природы»

Содержание

Вводная часть: ……………………………………………………...

Актуальность ……………………………………………………….

Гипотеза……………………………………………………………..

Цель………………………………………………………………….

Задачи………………………………………………………………..

Основная часть:……………………………………………………..

Наука бионика…………………………………………………….

Гениальные изобретения природы ………………………………

Опыты и эксперименты……………………………………………

Заключение………………………………………………………....

Выводы………………………………………………………………

Практическая значимость…………………………………………..

Источники……………………………………………………

Вводная часть.

Я очень люблю читать. Недавно меня заинтересовала книга Олега Роя «Джинглики Олимпиада», в которой говорилось, что сани для Бобслея были придуманы по подобию семян растений семейства бобовых. Папа мне объяснил, что много вещей, изобретений, сооружений созданы по природным образцам. Природа хранит множество загадок, её творения всегда удивляли, и будут удивлять человека. Существует целая наука, которая использует знания о живой природе для решения технических задач. Ей занимаются люди самых разных профессий: биологи, врачи, физики, инженеры, математики. Они учатся у природы, наблюдая за ней. У меня возникло много вопросов. Как называется такая наука? Что интересного подсказала нам природа? Как человек использует эти знания?

Мы предположили, что если человек будет внимательно наблюдать за природой, то она подскажет много интересных изобретений.

Нами была поставлена цель: изучить, как наука бионика помогает человеку достичь успехов в изучении природы и применении этих знаний на благо человека.

Цель предполагает решение следующих задач:

с помощью литературы и возможностей интернета познакомиться с наукой бионика;

выяснить опытным путем практическое применение некоторых достижений бионики;

создать альбом «Природа открытий» и кроссворд для одноклассников.

Основная часть

Природа - гениальный конструктор, инженер, художник и строитель. Любое творение природы представляет собой совершенное произведение, отличающееся поразительной целесообразностью, надежностью, прочностью, экономичностью расхода строительного материала. С незапамятных времен пытливая мысль человека искала ответ на вопрос: может ли человек достичь того же, чего достигла живая природа, разгадать «секреты» действия биологических систем, созданных в мастерской природы? Этим и занимается бионика. Бионика – это самая молодая наука, которая получила в настоящее время широкое распространение и приобрела важное значение в современном мире. В отличие от других наук она имеет точную дату официального рождения – 13 сентября 1960 года. Название происходит от древнегреческого слова «бион» – элемент жизни, буквально живущий. Понятие «бионика» состоит из частей слов «БИОлогия» и «техНИКА». Наука, которая позволяет соединить живую природу с техникой. Цель этой науки, сделать мир людей еще более удобным, при помощи техники, созданной подглядыванием за живой природой. Сейчас на Земле насчитывается около 1,5 млн. видов животных и не менее 500 тыс. видов растений, что составляет ничтожную долю общего числа видов, населявших нашу планету со времени ее существования. Одной из причин быстрого исчезновения живых организмов на Земле явилась и деятельность человека. С 1600 года вымерло более 90 видов птиц и более 60 видов млекопитающих. Установлено, что только четверть из этого числа исчезла по естественным биологическим и эволюционным причинам. Бионика — одна из тех наук, которая теснейшим образом связана с живой природой и которая остро ощущает необходимость в сохранении оставшихся видов на Земле. Не исключено, что среди исчезнувших с лица нашей планеты видов были и такие, которые могли бы помочь науке решить не одну техническую проблему. Оттого, насколько разумно и бережно мы будем сегодня пользоваться созданиями мастерской природы, зависит не только материальное благополучие людей на планете, но и развитие творческой мысли человека, развитие техники, искусства и всего прогресса на Земле.

Отцом бионики считается Леонардо да Винчи. Именно он, впервые, решил смастерить летальный аппарат, вдохновившись полетом птиц. 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.

Современная бионика объединяет знания, используемые в разных научных областях: ботанике, зоологии, анатомии, биохимии, архитектуре, электронике, механике, биофизике, химии, физиологии, др. В настоящее время различают три основных направления в бионике: - биологическое; - математическое; - техническое.

Многие даже не догадываются, как многим они обязаны именно животным, и растениям. Раньше люди были не способны увидеть то, что находится у них буквально перед носом, но современные технические средства и компьютерное моделирование помогает хоть немного разобраться в том, как устроен окружающий мир, и попытаться скопировать из него некоторые детали для собственных нужд. Изучение «языка» животных и овладение им сегодня является одной из важнейших проблем науки. Решить ее - значит приобрести в мире животных новых помощников на все случаи жизни. Познавая «язык» зверей, мы тем самым, восстанавливаем связи наших далеких предков с миром животных, утраченные в ходе эволюции.

Я решила узнать у одноклассников, что они знают об изобретениях, подсказанных природой, и задала им несколько вопросов: 1. Вы знакомы с наукой - Бионика? 2. Кто натолкнул людей на идею создать самолет? 3. У кого заимствована идея создания снегохода? Ответы моих одноклассников отражены в схемах в Приложении №1. На основании ответов можно сделать вывод, что большая часть моих одноклассников никогда не слышали о такой науки как Бионика, несколько одноклассников знают, что человек заимствует свои идеи у природы, но не знали как называется эта наука.

Природа является великим изобретателем. Многие животные и растения наделены природой удивительными способностями и возможностями. Порой их организмы служат образцом для людей, создающих высокоточные приборы и устройства. Наблюдая, человек придумал различные приспособления. Вот некоторые из них. (Приложение № 2)

От репейника к застёжке – липучке

В 1957 году обыкновенный репейник вдохновил швейцарского инженера Жоржа де Местраля на изобретение «липучки». Однажды он обратил внимание на репейник, приклеившийся к его одежде. Растение было покрыто крохотными крючочками, ими он цеплялся за шерсть животных и одежду людей. Потратив на своё изобретение целых восемь лет, Жорж де Мираль создал «липучку» - синтетический материал, сделанный из двух нейлоновых полосок. Одна полоска покрыта крошечными петельками, а вторая – мельчайшими крючочками. Когда их соединяют вместе, они крепко прилипают друг к другу, но могут легко снова разделиться. Название «велькро» происходит от французских слов, обозначающих вельвет (velours) и крючок (crochet)

От сусликов к туннелю

Животные, которые обитают в норах, надёжно спрятаны от множества хищников. Строительство подземных сооружений требует особого мастерства. Норные ходы-туннели должны идти горизонтально и параллельно поверхности земли, вентилироваться, не затопляться и не разрушаться. Суслики образуют сообщества и выкапывают длинные лабиринты соединённых между собой туннелей. Главное в этих конструкциях – хорошая циркуляция воздуха, поэтому они сооружают вулканоподобные вентиляционные башни. По принципу их песчаных сооружений построен туннель под Ла-Маншем. Туннель под Ла-Маншем – один из самых гигантских инженерных проектов XX века. Он предназначен для скоростной железнодорожной перевозки пассажиров и грузов между Великобританией и Францией. Вентиляционные системы гарантируют безопасность от ядовитых веществ и взрывоопасных газов, а также делают воздух сухим и чистым.
Воздух продувается через туннель путём создания в определённом месте зоны пониженного давления. В туннелях, построенных людьми, для сквозного движения воздуха используются вентиляторы. Суслики и термиты возводят башни, поскольку движение воздуха над верхушкой этих насыпей создаёт внутри воздушные потоки. Возведение крупных сооружений, больших дамб и высотных зданий стало возможным только в XX веке, когда были изобретены способы создания особо прочных бетонных конструкций.

От роз к колючей проволоке.

Острые шипы сдерживают многих хищников от нападения, поскольку возрастает риск получить ранение во время атаки. В болезненные, причиняющие страдания раны часто попадает инфекция, и они могут даже стать причиной смерти, поэтому хищники приближаются к животным, защищённым колючками, с большой осторожностью. Длинные шипы защищают от нападающих, но в то же время сковывают движения их обладателей. Розы не могут убежать от своих врагов, поэтому они защищаются от травоядных шипами. Если стебли растений с шипами срезаны, то выросшие им на смену побеги ещё гуще покрыты колючками, чтобы усилить защиту от будущих нападений. Колючки сформировались из видоизменившихся листьев, которые одеревенели и заострились. Колючки имеют и кактусы. Они содержат влагу в стебле и поэтому служат источником пищи и воды для обитателей пустыни. Они защищают себя от травоядных животных игловидными колючками, которые заменяют им листья. Эффект колючей проволоки схож с эффектом шипов на розах или колючек на кактусах. Раньше колючая проволока предназначалась для того, чтобы не разбредался домашний скот, поэтому сначала она использовалась в качестве легкодоступной дешёвой изгороди. Сейчас колючую проволоку применяют и для охраны жилища от непрошеных гостей; она ловит в западню и ранит всякого, кто попытается через неё перебраться.

От осы к предупредительным знакам.

Если животное ядовитое и может жалить или кусать, то его яркая окраска действует, как предупреждение. Возможные недруги рискуют получить ранение или даже погибнуть, если приблизятся слишком близко. Хищники быстро учатся связывать определённые легко узнаваемые цветные орнаменты с опасностью. Люди часто используют цвет в аналогичных целях, чтобы предупреждать о возможном риске, устанавливая, например, полосатые заграждения на железнодорожных переездах и развешивая ярко раскрашенные предупредительные знаки на опасных объектах или веществах. Птицы знают, что божьи коровки, имеющие красный цвет, вырабатывают горький яд. Все водители знают, что значит красный свет светофора. Осы вооружены ядовитым жалом. Пи этом они окрашены в чёрно-жёлтые полосы. Предупредительные цвета привычны для животных. Даже далёкие друг от друга виды имеют схожие узоры и комбинации чёрного и жёлтого и красного цветов. Хищники всегда ассоциируют эти знаки с опасностью, даже если их обладатели безобидны. Некоторые мухи хотя и не имеют жала, но окрашены в те же цвета, что и осы, и это действует, как защита. Расцветка осы использована как международный сигнал, предупреждающий о радиоактивной опасности. Он установлен повсюду в тех местах, где есть радиация. Предупредительные знаки должны быть чётко видны и распознаваться каждым, независимо от языка, на котором он говорит.

От одуванчика к парашюту.

Уже в течение миллионов лет растения используют «парашютики» для распространения своих семян. Пушинки одуванчика тормозят падение семян, и ветер относит их очень далеко от того места, где они выросли. Струи тёплого воздуха поднимают семена одуванчика. Вот почему их можно увидеть даже на парапетах высоких зданий. Парашюты, изобретённые человеком, повторяют этот же принцип. Когда ветер подхватывает парашют, его купол создаёт эффект торможения и скорость падения замедляется. Современные парашютисты могут парить в воздухе подобно планеру и управлять парашютом, «сбрасывая» воздух с разных частей купола.

Эйфелева башня.

К 100-й годовщине Великой французской революции в Париже была организована всемирная выставка. На территории этой выставки планировалось воздвигнуть башню, которая символизировала бы и величие Французской революции, и новейшие достижения техники. На конкурс поступило более 700 проектов, лучшим был признан проект инженера-мостовика Александра Гюстава Эйфеля. В конце XIX столетия башня, названная именем своего создателя, поразила весь мир ажурностью и красотой. 300-метровая башня стала своеобразным символом Парижа. Ходили слухи, будто бы построена башня по чертежам неизвестного арабского ученого. И лишь спустя более чем полстолетия биологи и инженеры сделали неожиданное открытие: конструкция Эйфелевой башни в точности повторяет строение большой берцовой кости, легко выдерживающей тяжесть человеческого тела. Совпадают даже углы между несущими поверхностями.

От пингвина к снегоходной машине.

В научно-исследовательской лаборатории механизации Горьковского политехнического института разработали под руководством А.Ф. Николаева оригинальную снегоходную машину, в основе которой лежит принцип передвижения пингвинов по рыхлому снегу. Эти забавные птицы передвигаются своеобразным способом - на брюхе, отталкиваясь от снега ластами, словно лыжники палками. Точно так же, лежа на снежной поверхности широким днищем и отталкиваясь от нее колесными плицами, легко скользит по рыхлому снегу новая снегоходная машина «Пингвин», развивая скорость до 50 км/час. В таких машинах давно нуждаются многие отрасли народного хозяйства на Севере нашей страны; они окажут неоценимую услугу отважным исследователям Антарктиды.

От дождевого червя к лифту.

Некоторые беспозвоночные имеют своего рода гидростатическое строение. Жидкость внутри полостей тела определяет их формы. Когда мускульное усилие передается от одного элемента к другому, тело меняет форму. Гидравлические силы также перегоняют жидкости по сосудам внутри тела. Сердце качает кровь по всему нашему организму.
Например, дождевой червь использует внутреннее давление жидкости для изменения своей формы. Мышцы, расположенные вдоль его тела, сокращаются, делая хвост толще и закрепляя его в стенах норы благодаря щетинкам. Затем, продвигая жидкость вперед, делает хвост снова тонким, а передняя часть разбухает и прикрепляется к стенкам. Червь укорачивается, подтягивая хвост к голове, и повторяет весь цикл сначала.
Гидравлическое давление передается через маленькие трубы малого диаметра для передвижения тяжелых предметов, например лифтов. Жидкость накачивается в цилиндр через отверстие снизу, чтобы поднять лифт наверх. Затем она откачивается, и лифт опускается. Гидравлический принцип используется и в таких машинах, как домкраты, которые позволяют поднимать автомобили для смены колес. Гидравлические прессы обладают достаточной мощностью для того, чтобы сдавить старую машину в сплошной металлический блок.

От моллюска-блюдечка к присоскам.

Умение держаться на поверхности необходимо всем наземным животным. Нам нужна сила сцепления для того, чтобы ходить по ровным поверхностям либо держать в руках гладкие или мокрые предметы. Для этого мы создаем углубления на подошве обуви и шинах, ребристые ручки инструментов и на руле велосипеда, нескользкие поверхности на ребристых ступеньках. Наши пальцы покрыты мелким узором складок и углублений, которые помогают нам удерживать мокрые или гладкие предметы. Узоры на покрышке шины – это увеличенный вариант того же приспособления – они гарантируют, что шины не будут скользить на мокрой дороге. Острые шипы на подошвах шиповок – обуви, предназначенной для бега, - придают спринтеру дополнительную устойчивость на беговой дорожке. Точно также как длинные, постоянно выпущенные когти помогают животным при беге держаться на рыхлой земле. Лапы американских зайцев – беляков на ступнях окружены пушистыми «ковриками», благодаря чему их вес лучше распределен и они могут ступать по мягкому снегу. Абсолютно по такому же принципу созданы снегоступы – обувь для охотников в Арктике. Присоски, которые идеально подходят для перемещения каких – либо трудно транспортируемых предметов подобны моллюскам – блюдечкам, которые для того, чтобы их не смыло волной, прилипают к скалам. Это им удается благодаря широкой, мускулистой стопе, которая способна крепко присасываться к поверхности скалы.

От зуба к долоту.

Животные разрезают, обрабатывают, и сверлят материалы, либо используя естественные орудия, например, ровные, острые зубы или шершавые языки, либо изгибаясь и вращаясь так, чтобы проталкивать заостренные предметы в отверстия. Наши долота, напильники и сверла обеспечивают весьма схожее решение аналогичных проблем. Большие резцы бобра – созданный природой эквивалент долота – инструмента, которым пользуются плотники при обработке древесины. Но инструмент плотников со временем стирается и требует замены, в то время как зубы бобра даже после непрерывного перегрызания и валки деревьев и через 20 лет остаются в прекрасном состоянии.

От медузы к парусу.

Парусник велелла – «ветром носимый моряк» - это медуза, которая плавает на поверхности океана. Ее несет туда, куда захочет ветер, раздувая ее вертикальный «парус», возвышающийся над водой. Может, именно медуза подтолкнула человека к созданию паруса, а, может быть, птичье крыло. Парус подобен крылу, расположенному вертикально. Лодка плывет по ветру, благодаря различному давлению воздуха на противостоящие поверхности паруса.

Изучив различную литературу, мы решили провести несколько опытов и экспериментов.

Мы взяли семена репейника, рассмотрели их через лупу и заметили, что они имеют «крючки», которыми цепляются за одежду людей и шерсть животных. Вот поэтому репейник вдохновил швейцарского инженера на изобретение застежки – «липучки». (Приложение №3)

Я заметила, что у моей кошки в темной комнате при небольшом источнике света, светятся глаза. Это наблюдение вдохновило создать светоотражающие элементы на одежду и портфели учеников. (Приложение №4)

Я занимаюсь плаванием в бассейне. Дистанцию в 10 метров я преодолеваю за 49 секунд. Это же расстояние в ластах я проплываю за 30 секунд. Наблюдая за дельфинами, китами, человек изобрел ласты .

Одуванчик вдохновил человека создать парашют. (Приложение №5)

Наши пальцы покрыты мелким узором складок и углублений, которые помогают нам удерживать мокрые или гладкие предметы. Узоры на покрышке шины – это увеличенный вариант того же приспособления – они гарантируют, что шины не будут скользить на мокрой дороге. (Приложение №6)

Мы познакомились с некоторыми примерами использования открытий бионики в жизни человека. Узнали об изобретениях, которые создал человек, наблюдая за природой. Своими знаниями и открытиями я поделилась с одноклассниками на уроке Окружающий мир. Ребята заинтересовались этой темой. Мы изготовили красочный альбом «Природа открытий», с помощью которого можно больше узнать о природе-изобретателе. Ребята охотно пополняют его находками изобретений. (Приложение №7)

3. 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. Во всём мире произошёл резкий скачок в развитии многих отраслей научных знаний. Бионика — одна из тех наук, которая теснейшим образом связана с живой природой. Оттого, насколько разумно и бережно мы будем сегодня пользоваться созданиями мастерской природы, зависит не только материальное благополучие людей на планете, но и развитие творческой мысли человека, развитие техники, искусства.

Из различных источников мы узнали о изобретениях, которые создал человек, наблюдая за природой. Мы провели эксперименты, где использовали некоторые открытия бионики. Наша гипотеза подтвердилась, что если человек будет внимательно наблюдать за природой, то она подскажет много интересных изобретений. Мы считаем, что изучение данной темы будет интересно как педагогам, так и обучающимся. С помощью бионики можно расширить и углубить школьные курсы не только по биологии, но и по физике и химии. В дальнейшем мы планируем продолжение исследовательской работы по изучению науки бионики.

Источники.

Голова А.М. «Тайны живой природы» - М.: РОСМЭН, -2000. -200 с.

Нахтигаль В. «Бионика» - М.: Мир книги, - 2005. – 128с.

Леонович А.А. «Я познаю мир: Детская энциклопедия: Тайны природы» – М.: издательство АСТ – 2004г. - 461с.

Цойх Мартин. "Бионика: Энциклопедия" – М.: Мир книги, -2007 г. – 48с.

«Я открываю мир» – М. : Астрель, : АСТ, -2002.– 288 с.

Приложение №1

Схема 1. Вы знакомы с наукой - Бионика?

Схема 2. Кто помог людям изобрести самолет?

Схема 3. У кого заимствована идея создания снегохода.

Приложение №2

От репейника к липучке

От сусликов к туннелю

От роз к колючей проволоке

От осы к предупредительным знакам

От одуванчика к парашюту

Эйфелева башня

От пингвина к снегоходной машине

От медузы к парусу

Приложение №3

От репейника к липучке

От репейника к конструктору Банчемс

Приложение №4

Благодаря свойству глаз кошки и других животных отражать свет, учёные изобрели множество полезных вещей. Например, отражающие элементы на одежде, портфеле, дорожные знаки, номера на машинах.