"Живая мастерская природы"

Урок – исследование

«Живая мастерская природы»

Цель урока:

1. Выяснить, как человек использует «естественные» изобретения животных и растений при создании искусственных устройств на благо человека.

2. По доступным источникам информации изучить особые качества и свойства живых организмов, воплощенные в искусственных устройствах.

3. Формирование умений анализа, сравнения и прогнозирование результатов.

4. Стимуляция познавательной деятельности обучающихся.

За 1 неделю до урока дать задание обучающимся: найти данные о моделях летательных аппаратов разработанных Леонардо да Винчи.

Ход урока:

1.Вводное слово учителя:

С незапамятных времён мысль человека искала ответ на вопрос: может ли человек достичь того же, чего достигла живая природа? Сможет ли он, например, летать, как птица, или плавать под водой, как рыба? Сначала человек мог только мечтать об этом, но вскоре изобретатели начали применять особенности организации живых организмов в своих конструкциях.

Ещё крупнейший греческий философ материалист Демокрит (около 460-370гг.до н.э.) писал:

«От животных мы путем подражания научились важнейшим делам. Мы ученики паука в ткацком и портняжных ремеслах, ученики ласточки в построении жилищ ...»

Прочитав высказывание Демокрита можно задуматься, а что же человек для улучшения своей жизни взял у природы.

Характерной чертой современной науки является интенсивное взаимопроникновение идей, теоретических подходов и методов, присущих разным дисциплинам. Особенно это относится к физике, химии, биологии и математике. Так, физические методы исследования широко используются при изучении живой природы, а своеобразие этого объекта вызывает к жизни новые, более совершенные методы физических исследований.

К примеру:

• Все знают, что стрекоза способна зависать в воздухе, передвигаться в боковом направлении или резко подаваться назад. Причем все маневры она проделывает на большой скорости. Однако мало кому известно, что подъемная сила стрекозы втрое больше, чем у современного самолета. Используя особенности аэродинамики стрекозы, ученые полагают, что можно значительно повысить эффективность и безопасность летательных аппаратов. Самолеты, разработанные с учетом способностей стрекоз, смогут совершать более крутые развороты и будут менее восприимчивы к порывам ветра, которые, к сожалению, еще бывают причиной аварий.

• Гремучая змея улавливает разницу в температуре, равную тысячной доле градуса? 

• ...Некоторые рыбы ощущают стомиллиардную долю пахучего вещества в одном литре воды? Это все равно, что уловить присутствие 30 г такого вещества в целом Аральском море. 

• ...Крысы ощущают радиацию? 

• ...Отдельные виды микробов реагируют даже на слабое изменение радиации? 

• …Обыкновенный черный таракан радиацию видит? 

• …Комар развивает при укусе удельное давление до I миллиарда кг/см2? Сравнение с 16-килограммовой гирей, имеющей основание 4 см2 и дающей удельное давление всего 4 кг/см2, показывает, как велика “комариная сила”. 

• …Глубоководные рыбы улавливают изменение плотности тока менее чем на одну стомиллиардную часть ампера? 

• …Нильская рыба мормирус с помощью электромагнитных колебаний “прощупывает” свой путь в воде? 

Не правда ли, удивительный перечень? И его можно еще и еще продолжить не менее удивительными примерами. Узнав все это, мог ли человек пройти мимо заманчивой идеи — создать своими руками то, что уже создала природа?

искусственных устройств на благо человека.

Учитель: Расскажите мне об истории создания науки «Бионика».

Ученик: Что такое «Бионика»?

Прародителем бионики считается Леонардо да Винчи.

Его чертежи и схема летательных аппаратов

были основаны на строении крыла птиц

Первым инженером, попытавшимся «похитить» у природы хитрую задумку, был Леонардо да Винчи. Он пытался построить летательный аппарат с машущими крыльями, как у птиц.

Чертежи Леонардо да Винчи..

В 1960 году в Дайтоне (США) состоялся первый симпозиум по бионике, который официально закрепил рождение новой науки и название, предложенное американским инженером Джеком Стилом.

Биология + электроника = Бионика.

Бионика (от греческого слова «bion» -элемент жизни, буквально- живущий), наука пограничная между биологией и техникой, решающая инженерные задачи на основе моделирования структуры и жизнедеятельности организмов.

Девиз бионики: « Живые прототипы – ключ к новой технике»

У бионики есть символ: скрещенные скальпель, паяльник и знак ин­теграла. Этот союз биолога, техника и математика позволяет надеяться, что наука бионика проникает туда, куда не проникал еще никто, и уви­деть то, что не видел еще никто.

Учитель биологии:

Рассмотрим семейство рукокрылых, как они приспособились к полету.

Летательный аппарат и полет — первая особенность, отличающая рукокрылых от прочих зверей. Развернутое крыло зверька — мягкое (эластичное) и сплошное (без щелей) полотнище, натянутое между длинными пальцами (как спицами зонтика), крупными костями конечностей и боками тела. Плоскость крыла не ровная, а в виде пологоскатного купола. При опускании крыла воздух, наполняющий купол, создает временную опору, под давлением вытесняется из-под купола и оказывает неодинаковое воздействие на разные части крыла. Передний край перепонки, укрепленный на плечевой и лучевой костях, втором и среднем пальцах, оказывается прочно фиксированным, а задний край ее под давлением воздуха отгибается кверху и, упираясь в уплотненную полосу вытесняемого из-под купола воздуха, сообщает зверьку поступательное движение вперед. Это прослежено на последовательном сравнении кадров киноленты, на которой были засняты зверьки во время обычного гребного полета.

Особую форму гребного полета представляет порхающий полет, при котором зверек на некоторое время задерживается в одной точке воздуха, подобно кобчику или пустельге, но при этом держит свое тело почти в вертикальном положении. Иногда зверек переходит на скольжение в воздухе при почти неподвижном положении крыльев. Такой полет рукокрылых называют планирующим или скользящим. Только длительного парения в воздухе и у них не наблюдали. В ходе исторического развития этих животных летательный аппарат и полет совершенствовались.

Устройство крыла летучих мышей сильно отличается от крыла птиц, у которых основная несущая плоскость - маховые перья, крепятся к костям предплечья. Жесткость птичьего крыла обеспечивается упругими стержнями маховых перьев. У летучих мышей удлиненные передние конечности и пальцы служат ребрами жесткости, а натянутая на них перепонка образует несущую поверхность крыльев. Перепонкой покрыты все пальцы, за исключением больших, которые значительно короче остальных четырех и, как обычные пальцы млекопитающих, имеют острые коготки. Впрочем, у многих видов крыланов когтями снабжен еще и «указательный» палец. Сзади перепонки прикрепляются к «ногам» рукокрылых, оставляя при этом свободными фаланги пальцев. Задние конечности соединены межбедренной перепонкой. Размеры и строение ее у разных семейств рукокрылых различны и могут служить систематическим признаком.
Крылья летучих мышей в полете испытывают значительные нагрузки, величина которых зависит от размеров тела зверька, относительной площади крыльев и скорости полета. С увеличением размеров животных и скорости их передвижения возрастает и нагрузка на крылья.

Изучая способы передвижения летучих мышей в воздух можно выделить три основных типа полета. Самым обычным для рукокрылых является так называемый гребной полет. В этом случае движения крыла зверька сходны с движениями крыла птицы и напоминают чередование взмахов лодочных весел. Сначала крыло опускается вперед и вниз, а потом поднимается назад и вверх. Особую форму гребного полета представляет порхающий или трепещущий полет. Зверек при этом держится в воздухе на одном месте или перемещается по вертикали.
К порхающему полету хорошо приспособлены рукокрылые, питающиеся пыльцой и нектаром. Среди представителей нашей фауны летучих мышей техникой порхающего полета прекрасно владеют ушаны. Благодаря этому они часто отыскивают и ловят насекомых, сидящих на ветках и листьях деревьев.
Летучие мыши, как и птицы, способны к планирующему полету. Правда, они не могут парить подобно птицам в потоках восходящего воздуха. Планирующий полет у рукокрылых - это, скорее, пассивное скольжение по воздуху, сходное с тем, которое совершают белки-летяги во время прыжков. Для того чтобы спланировать, животному вначале необходимо приобрести некоторую скорость. Если летяги набирают эту скорость, отталкиваясь лапами от веток, то летучая мышь - в гребном полете. Сочетание планирующего полета с активным движением позволяет рукокрылым более экономно расходовать свои силы. При этом зверьки часто применяют скольжение по воздуху даже в ответственные моменты лова насекомых. Рыжая вечерница, например, в погоне за майским жуком, пикируя, может пролететь несколько десятков метров, а затем, ухватив добычу и используя приобретенную во время падения большую скорость, взлететь вверх.

У крыланов и наиболее древних и примитивных рукокрылых крылья широкие с почти округленными концами.

У большинства современных кожановых летательный аппарат стал совершеннее.

Принцип полёта рукокрылых существенно отличается от принципа полёта птиц. Главная особенность заключается в гибкости и податливости крыла рукокрылых. Сильный изгиб крыла во время его хода вниз даёт гораздо большую подъёмную силу и сокращает затраты энергии, если сравнивать рукокрылых с птицами.

Во время каждого движения крыла вниз у передней кромки образуется завихрение воздуха, которое обеспечивает до 40 % подъёмной силы крыла. Поток воздуха начинается у передней кромки крыла, а затем обходит его и снова возвращается во время движения крыла вверх. Таким образом, давление воздуха над крылом снижается этим потоком, позволяя рукокрылым эффективнее использовать мускулатуру крыльев. Контроль завихрений, возможно, достигается за счёт чрезвычайной гибкости крыла. Изгиб его позволяет держать завихрение вблизи поверхности крыла.

Выполняя махи, рукокрылые прижимают крылья к себе значительно сильнее, чем другие летающие существа. Это сокращает сопротивление воздуха, то есть улучшает их аэродинамику.

Гибкость крыла значительно увеличивает количество способов использования его в полёте и позволяет, в частности, совершить разворот на 180° на дистанции меньше половины размаха крыла.

Рукокрылые способны зависать в воздухе подобно колибри и насекомым. Механизм этого зависания аналогичен тому, который используют насекомые. При зависании рукокрылые делают около 15 взмахов в секунду (для сравнения, насекомые — порядка 200 взмахов в секунду).

Учитель физики:

Расчет аэродинамических конструкций очень сложное дело. Недаром этим занимаются целые НИИ. Но существует метод работать со слишком сложными для расчета явлениями, для этого надо построить упрощенную модель.

Как уже говорилось, Леонардо Да Винчи придумал много моделей летательных аппаратов подсмотрев способ полета у животных и насекомых. Но мы с вами рассмотрим только один его проект, тот, где используется планирование (скользящий полет). Постараемся разобраться, мог ли Леонардо воплотить его в жизнь.

Сначала построим физическую модель планирования. Сразу оговорюсь, наша модель будет очень упрощенная.

Наше крыло, как и у рукокрылых, как и в проекте Да Винчи, будет представлять из себя некоторый материал (пленку) натянутый на каркас. Скажите, от чего зависит подъемная сила такого крыла?

Ученики: От площади крыла, скорости полета, формы крыла.

Подъемная сила зависит от площади крыла, все остальные факторы (а их много) мы рассматривать не будем. Будем считать, что подъемная сила выражается следующей формулой:

F_под=S*K где S – площадь крыла, K – некоторый подъемный коэффициент зависящий от материала пленки.

Пленка сама что-то весит, кроме того разные материалы по разному пропускают воздух, поэтому коэффициент подъемной силы для разных материалов разный.

Таблица коэффициента подъемной силы для некоторых материалов.

Давайте вспомним, что необходимо, с точки зрения сил, чтоб тело, в нашем случае крыло с грузом, летело и не падало?

Ученики: Необходимо чтоб сила тяжести, действующая на крыло уравновешивалась подъемной силой крыла

F_под=F_тяж=M*g где М – масса груза

Можно посчитать площадь крыла

S_крыла=M*g/K

Учитель: Пленку крыла необходимо закрепить на каркасе. От чего зависит прочность каркаса?

Ученики: От количества ребер, от их размера, от их формы

Опять же упростим нашу модель. Пусть в каркасе везде используются одинаковые ребра. Прочность каркаса зависит от сечения ребра, чем толще стержни каркаса, тем он прочнее.

Таблица прочности и массы различных материалов для каркаса.

(Все приведенные таблицы рассчитаны под нашу модель, но используемые для этих расчетов методы лежат за рамками школьной математики.)

Но чем толще стержни каркаса, тем он больше весит. Массу каркаса m(кг) в зависимости от площади крыла можно узнать из таблицы:

Сможет ли лететь крыло рассчитанной нами площади S_крыла?

Ученики: Нет, потому что к массе груза добавилась еще масса крыла

А значит, нам потребуется увеличить площадь крыла.

S_нов=S+m*g/K где m – масса каркаса

Вообще-то теперь надо пересчитать массу каркаса, потому что площадь крыла изменилась, затем снова уточнить площадь крыла и т.д.

Такой метод расчетов называется метод последовательного приближения. Мы шаг за шагом уточняем площадь крыла. С каждым шагом это уточнение будет все меньше и меньше. Поэтому когда разница становиться незначительна, мы просто прекращаем расчет. В нашем случае мы сделаем всего одно уточнение.

Теперь можно узнать какой же подъемной силой обладает новое крыло

F_нов=S_нов*K

И сравнить эту силу с прочностью каркаса. Если она не превышает предельную силу нагрузки, то мы можем собрать такое крыло. Оно будет летать и не сломается.

Предлагаю Вам рассчитать, будут ли летать крылья сделанные из следующих материалов:

Для человека массой 60кг

Сможет ли летать птеродактиль с массой туловища 10кг

Ученики производят расчеты

Хотя наша модель очень грубая, но даже по расчетам сделанным по ней можно сделать вывод, что Леонардо да Винчи для осуществления проекта просто не хватило современных материалов. На самом деле, в наши дни, в точном соответствии с чертежами Леонардо да Винчи, из материалов доступных в средние века, был построен аппарат, и он пролетел некоторое небольшое расстояние.

Модель орнитоптера.

Вывод:

Природа открывает перед инженерами и учеными бесконечные возможности по заимствованию технологий и идей. 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.

В прошлом отношение человека к природе было потребительским. Техника эксплуатировала и разрушала природные ресурсы. Но постепенно люди начали бережнее относиться к природе, пытаясь присмотреться к ее методам с тем, чтобы разумно использовать их в технике. Эти методы могут служить образцом для развития промышленных средств, безопасных для окружающей среды.

Природа как эталон - это и есть бионика.