Партнерка на США и Канаду по недвижимости, выплаты в крипто
- 30% recurring commission
- Выплаты в USDT
- Вывод каждую неделю
- Комиссия до 5 лет за каждого referral
Информационный проект по физике
«Физика в живой природе».
Выполнил : ученик 7 класса Чулин Максим
Руководитель : учитель физики
2012г
Содержание:
1. Вступление.
2. Физические закономерности в живой природе:
а) Природные барометры.
б) Звуки в живой природе (ультразвуки, инфразвуки).
в) Птицы и физика.
г) Трение в жизни животных и растений.
д) Реактивное движение.
е) Светящиеся животные.
ж) «Живое электричество.
3. Литература.
Введение.
Когда мы начали изучать физику, у меня возникло множество вопросов, одним из них был вопрос о том, что же помогает человеку создавать всё новые и новые приспособления и механизмы. Одним из помощников человека в этом является сама природа. Я решил создать проект, который поможет мне и моим друзьям увидеть, что если внимательно наблюдать за природой, то можно сделать удивительные открытия.
Физические закономерности в живой природе.
Изучение физикой природных явлений позволяет успешно решать различные технические проблемы. Человек издавна учился у природы. В наше время человек, вооруженный современными научными знаниями и прекрасными измерительными приборами и устройствами, в состоянии заглянуть в самые сокровенные « тайники» природы, способен многому у неё научиться.
Физика - основная наука естествознания о формах движения материи, ее свойствах и о явлениях неорганической природы, состоящая из ряда дисциплин (механика, термодинамика, оптика, акустика, электромагнетизм и т. д.).
Физика зародилась очень давно. Еще до нашей эры ученые Древней Греции пытались объяснить наблюдаемые явления природы – восход и заход Солнца и звезд, плавание мелких предметов и кораблей и многое другое. В сочинениях одного из древнегреческих ученых, Аристотеля, впервые и появилось слово "физика" (от греч. "фюзис" – природа). В русский язык это слово ввел в XVIII веке русский ученый , когда в переводе с немецкого он издал первый учебник физики. Что же изучает физика?
В окружающем нас мире все время происходят различные изменения или, как говорят, явления. Таяние льда, гром, свечение раскаленных предметов, образование тени или эха – все это примеры физических явлений в неживой природе.
В живой природе тоже постоянно происходят физические явления. Влага поднимается из земли к листьям по стеблю растения, кровь течет по сосудам в теле животного, морская рыба скат наносит ощутимые удары электрическим током, температура тела птицы выше, чем температура тела рыбы, животное хамелеон способно изменять цвет своего тела, а некоторые бактерии или насекомые могут даже светиться. Все эти явления и изучает физика.
Но как же физика связана с биологией? Оказывается есть даже отдельная наука, изучающая биологические явления, которая называется биофизика.
Этому разделу наук датируются 800 лет. Можно сказать, что у истоков биофизики как науки стояла работа Эрвина Шрёдингера «Что такое жизнь с точки зрения физики» (1945), где рассматривалось несколько важнейших проблем, таких как термодинамические основы жизни, общие структурные особенности живых организмов, соответствие биологических явлений законам квантовой механики и др.
НЕ нашли? Не то? Что вы ищете?
Уже на начальных этапах своего развития биофизика была тесно связана с идеями и методами физики, химии, физической химии и математики и использовала в исследовании биологических объектов точные экспериментальные методы (спектральные, изотопные, дифракционные, радиоспектроскопические).
Основной итог этого периода развития биофизики — это экспериментальные доказательства применимости основных законов физики к биологическим объектам.
Нас окружает живой мир. Из этого мира мы черпаем идеи и воплощаем их в своей жизнедеятельности. Как же устроен этот мир? Как действуют в нем законы физики? Эти вопросы всегда волновали нас. Поэтому я выбрал тему проекта « Физика в живой природе». Созданная мною презентация к проекту может быть использована на уроках природоведения в 3-5 классах и уроках биологии и физики в 6-9 классах. При построении обучающей презентации мы использовали следующую структуру :
1. Определение физического явления.
2. Примеры проявления его в природе.
3. Объяснение примеров проявления явлений природы с точки зрения физических понятий.
Цели и задачи проекта
· дать представление о физике как одной из основных наук о природе;
· подчеркнуть взаимосвязь всех наук, изучающих природу;
· рассмотреть физические законы, лежащие в основе живой природы;
· проиллюстрировать эти законы примерами из физики и биологии, доказав тем самым универсальность этих законов и принципов;
· создать презентацию для лекций о взаимосвязи физики и биологии, как наук о природе.
Пиявки и медицина, а также действие присосок.
Рассмотрим действие присосок, которыми обладают пиявки, головоногие и другие.
Пиявка – это кольчатый червь, длина которого достигает в среднем от 12 до 15 см. Она имеет зеленоватую окраску спины с оранжевыми полосками и черными точками.
Рассмотрим строение пиявки - пиявка представляет собой пищеварительную трубку, покрытую чувствительной кожей. Через кожу пиявка дышит, и кожа защищает ее от внешних раздражителей. Кожа выполняет еще одну функцию – она является органом чувств пиявки. На голове у пиявки пять пар глаз. У пиявки всё тело состоит из кольцевых мышц, которые образуют ее присоски.
Физическое объяснение.
Края их прилипают к добыче, либо к опоре, затем объем присоски при помощи мускул увеличивается, а давление внутри ее падает, вследствие этого атмосферное давление (или давление воды) сильно прижимает присоску к поверхности – пиявки используют в медицине.
Сина, известный под именем Авиценна (), в своем классическом труде «Каноны врачебной науки», обосновывая действие на организм пиявок и банок в качестве «средств извлечения дурной крови», писал: «Если тело чисто, то очищать следует только больной орган с помощью банок или припускания пиявок».
Рыба – прилипало, например, присасывается так прочно, что ее легче разорвать, чем отцепить. В этих примерах определяющее действие принадлежит разности давлений внутри и вне присосок.
Все эти наблюдения привили к созданию в медицине - медицинских банок.
Природные барометры.
Метеорологи много работают над совершенствованием приборов и аппаратов, действующих на принципах физики и механики. Они широко используют ЭВМ, применяют на спутниках сложную оптическую аппаратуру. И хотя по радио и телевидению мы часто слышим прогноз погоды, на самом деле это скорее ее расчет или вычисление.
Известно, что некоторые представители животного мира способны предсказывать погоду.
Ученые называют сейчас около 600 видов животных и 400 видов растений, которые могут выступать как барометры, индикаторы влажности и температуры, предсказатели штормов, бурь или хорошей безоблачной погоды.
Известно, например, что бактерии реагируют на солнечную активность. Чем активнее солнце, тем больше на нем бушует протуберанцев, тем быстрее размножаются бактерии. Отсюда порой и вспышки эпидемий.
Перед сменой погоды, особенно перед грозой, происходят изменения электромагнитных колебаний в атмосфере. На эти изменения откликаются некоторые простейшие организмы, например, хламидомонады. Улавливая радиоволны от электрических разрядов, хламидомонады располагаются перпендикулярно к идущим волнам. Посмотрев на хламидомонад в микроскоп, можно не только судить о приближении грозы, но и приблизительно определить, откуда движутся грозовые тучи, хотя небо может быть еще чистым.
Рыбы, воспринимают блуждающие токи, обусловленные электризацией воздуха (об этом свидетельствует уход рыб на глубину перед грозой.
В наших пресных водоемах раки перед дождем выползают на берег. Сходную картину можно увидеть и в море. Если маленькие крабики, раки-отшельники, бокоплавы ушли на берег - значит, быть шторму.
Еще при ясном небе муравьи стремительно закрывают все входы в муравейник.
Пчелы перестают летать за нектаром к цветам, сидят в улье и гудят. Стараются укрыться перед грозой и бабочки крапивницы. Если их не видно над цветами, значит, через несколько часов начнется дождь.
Полет стрекоз может многое сказать о состоянии погоды. Если высоко над кустами плавно летит стрекоза, останавливаясь порой на месте, можно быть спокойным - погода будет хорошая. Если посмотреть на барометр, стрелка показывает "ясно".
А теперь у того же куста летают не одиночные стрекозы, а небольшие стайки, летают нервно, скачками. Стрелка барометра остановилась у надписи "переменно". Небо почти чистое, а стайки стрекоз увеличились, у них при полете сильно шуршат крылья, летают совсем низко. Не надо даже смотреть на барометр - скоро будет дождь. И действительно через час-два он начинается.
О хорошей погоде могут сообщить кузнечики. Если они вечером сильно стрекочут, утро будет солнечное.
Пауки не хуже насекомых знают о приближении дождя или установлении сухой погоды.
Если паук сидит, забившись в середину паутины, и не выходит - жди дождя. К хорошей погоде он выходит из гнезда и плетет новые паутины. Когда в воздухе только начинает собираться сырость, мы ее и не чувствуем, для нас погода еще ясная. Для паука уже идет дождь. А еще раньше он, видимо, замечает изменения атмосферного давления и увеличение электростатического атмосферного электричества перед грозой.
Очень чувствительны к перемене погоды лягушки.
Если вечером от небольшого болота или прудика несется громкое кваканье - настоящий лягушачий концерт, на следующий день будет хорошая погода.
К непогоде лягушки тоже квакают, но не заливистой трелью, а глухо.
Если же лягушки до этого громко квакали, а потом вдруг замолчали, то надо ждать холодную погоду.
У лягушек, по многим наблюдениям, даже цвет кожи меняется в зависимости от надвигающейся погоды: перед дождем они приобретают сероватый оттенок, а перед тем, как установиться ведру, немного желтеют. Вполне объяснимая примета, ведь лягушки заранее готовятся к непогоде или солнечным дням и соответственно будущему световому спектру выдвигают в клетках кожи ближе к ее поверхности необходимые пигментные зерна.
Как они узнают об изменении погоды за несколько часов вперед - тоже пока остается загадкой.
Видимо, на их теле есть чувствительные точки, с помощью которых лягушки улавливают изменения зарядов атмосферного электричества.
Как медуза узнает о приближении шторма?
На краю купола медузы расположены примитивные глаза, статоцисты и слуховые колбочки. Размеры их сравнимы с размерами булавочной головки.
Это, так называемое инфраухо, которое улавливает недоступные слуху человека инфразвуковые колебания частотой 8-13 Гц.
Захлопывание воды на гребне волны порождает акустический удар, создаются инфразвуковые колебания, расходящиеся на сотни километров, их улавливает медуза. Купол медузы усиливает инфразвуковые колебания как рупор, и передаёт на слуховые колбочки.
Эти колебания хорошо распространяются в воде и появляются на 10–15 часов раньше шторма. Восприняв этот сигнал, медузы уходят на дно за несколько часов до начала шторма на данной местности.
Учёные создали технику, предсказывающую бури, работа которых основана на принципе работы инфрауха медузы. Такой прибор может предупредить о готовящейся буре за 15 часов, а не за два, как обычный морской барометр.
Перед морозом кошка упирается носом в батарею центрального отопления.
Даже поза ее во время сна - метеорологический показатель. Свернулась калачиком - к холоду; спит крепко, брюхом вверх - к теплу. Растения не уступают в точности прогноза животным.
Барометром могут служить посаженные перед домом ноготки и мальвы. Они плотно складывают лепестки цветков перед дождем. Сходным образом ведут себя различные сорные растения, например, чистотел с его желтенькими цветками, мокричник и луговой сердечник.
Деревья наших лесов дают прогноз не только на лето, но и на зиму. Подмечено, что перед холодной зимой урожаи ягод, яблок и семян резко возрастают. Например, обильный урожай рябины сулит суровую зиму, а появись на дубе множество желудей - ждите особо сильные морозы.
А вот прогноз, который можно сделать и дома:Возьмите несколько луковиц, отделите кусочек кожуры и разорвите ее. Если кожура тонкая - зима будет с частыми оттепелями и морозов сильных не ждите, а вот грубая и плохо рвущаяся кожура - к суровой зиме.
Опытному пасечнику самую точную информацию дадут пчелы. Леток в улье на зиму они заделывают воском. Большое отверстие оставят - теплая зима будет, ну а если только маленькую дырочку - не миновать сильных морозов.
Осенью в лесу полезно обращать внимание на муравейники. Чем выше они, тем суровее будет зима. Живые организмы безошибочно определяют грядущие изменения погоды, на что не способен ни один созданный руками человека прибор.
А пока многовековой опыт учит нас пользоваться биологическими индикаторами. Они надежно подскажут, когда какие сельскохозяйственные работы производить. Сев и посадку овощей целесообразнее проводить не по числам, а по живому календарю природы. Появились подснежники - пора начинать пахоту. Зацвела осина - веди ранний сев моркови. Душистые цветы белой черемухи показывают, что наступило время посадки картофеля. Таких примет в народной агрономии можно набрать несколько сотен. Ими не следует пренебрегать.
Звуки в живой природе.
Комары двигаются по замкнутым маршрутам в пределах искусственного магнитного поля. Некоторые животные хорошо чувствуют инфра - и ультразвуковые колебания. Летучие мыши испускают ультразвуковые колебания в диапазоне 45—90 кгц, мотыльки же, которыми они питаются, имеют органы, чувствительные к этим волнам. Совы также имеют «приёмник ультразвука» для обнаружения летучих мышей.
Известно, что морские черепахи уплывают в море на несколько тысяч км и возвращаются для кладки яиц всегда к одному и тому же месту на берегу. Полагают, что у них имеются две системы: дальней ориентации по звёздам и ближней ориентации по запаху. Самец бабочки малый ночной павлиний глаз отыскивает самку на расстоянии до 10 км. Пчёлы и осы хорошо ориентируются по солнцу.
Исследование этих многочисленных и разнообразных систем обнаружения может многое дать технике.
Перспективно, вероятно, устройство не только технических аналогов органов чувств животных, но и технических систем с биологически чувствительными элементами (например, глаза пчелы — для обнаружения ультрафиолетовых и глаза таракана — для обнаружения инфракрасных лучей).Создаются приборы для чтения и распознавания текста, чертежей, анализа осциллограмм, рентгенограмм.
У двукрылых насекомых имеются придатки — жужжальца, которые непрерывно вибрируют вместе с крыльями. При изменении направления полета направление движения жужжалец не меняется, черешок, связывающий их с телом, натягивается, и насекомое получает сигнал об изменении направления полёта. На этом принципе построен жиротрон - вильчатый вибратор, обеспечивающий высокую стабилизацию направления полёта самолёта при больших скоростях. Самолёт с жиротроном может быть автоматически выведен из штопора. Полёт насекомых сопровождается малым расходом энергии. Одна из причин этого — особая форма движения крыльев, имеющая вид восьмёрки.
Мормирус или нильский длинорыл, обладает «радаром», обеспечивающим ему безопасность жизни в мутных придонных водах. Его «радар» расположенный у хвоста, излучает электрические сигналы с амплитудой в несколько вольт.
Как только вблизи рыбы появляется инородное тело, электрическое поле вокруг меняется, а нервные окончания особого органа, находящегося у основания спинного плавника, улавливает эти мельчайшие изменения. Кроме того, по – видимому, улавливаются отраженные импульсы и изменения магнитного поля.
На основе изучения «радара» у рыб, были созданы приборы – эхолоты.
Физика птицы.
Понятия «физика» и «птица» тесно взаимосвязаны – с одной стороны, процессы в организме птицы, поведение птиц объясняются законами физики, а с другой – птицы помогают человеку решать научно-технические вопросы.
Как объяснить тот факт, что водоплавающие птицы мало погружаются в воду? Каким законом физики описывается это явление?
Это проявление закона Архимеда.
Выталкивающее действие жидкости (величина силы Архимеда) зависит от объема тела – чем больше объем тела, тем больше выталкивающая сила.
У водоплавающих птиц имеется толстый, не пропускающий воды слой перьев и пуха, в котором содержится значительное количество воздуха. Благодаря этому своеобразному воздушному пузырю, окружающему всё тело птицы, её объем увеличивается, а средняя плотность оказывается очень малой.
Водоплавающие птицы из воды выходят практически сухими. Как объясняется это явление? Вспомните поговорку по этому поводу.
Поговорка «Как с гуся вода». Это явление несмачиваемости. Перья и пух водоплавающих птиц всегда обильно смазаны жировыми выделениями особых желез. Молекулы жира и воды не взаимодействуют, поэтому жирная поверхность остается сухой.
Почему утки и гуси ходят, переваливаясь с ноги на ногу?
У гусей и уток лапы расставлены широко, поэтому, чтобы сохранить равновесие при ходьбе, им приходится переваливать тело так, чтобы вертикальная линия, проходящая через центр тяжести, проходила через точку опоры, то есть лапу.
Почему мы не воспринимаем как звук те колебания воздуха, которые создаются крыльями пролетающей птицы?
Частота колебания, создаваемая крыльями птицы, ниже нашего порога слышимости, поэтому полёт птицы как звук мы не воспринимаем.
Почему птицы обладают очень острым зрением, превосходящим зрение животных? Почему сокол может видеть на громадном расстоянии?
В любом глазу есть фокусирующий аппарат (хрусталик) и аппарат светоизоляции. У птиц глазное яблоко очень больших размеров и своеобразного строения, благодаря которому увеличивается поле зрения. У птиц, имеющих особенно острое зрение (грифы, орлы), глазное яблоко удлиненной «телескопической» формы. Глаз сокола устроен таким образом, что хрусталик может стать почти плоским, вследствие этого изображение отдаленных предметов падает на сетчатку.
Почему утки и другие водоплавающие птицы могут долгое время находиться в холодной воде и при этом не переохлаждаются?
Грудь и брюшко, т. е. части тела, которые бывают погружены в воду, одеты у утки густым пухом, который сверху плотно прикрыт перьями, защищающими пух от воды.
Пух обладает низкой теплопроводностью и не смачивается водой.
В сильный мороз птицы чаще замерзают на лету, чем сидя на месте. Чем это можно объяснить?
При полете оперение птицы сжато и содержит мало воздуха, а вследствие быстрого движения в холодном воздухе происходит усиленная отдача тепла в окружающее пространство. Эта потеря тепла бывает настолько большой, что птица на лету замерзает.
Птицы знают законы физики.
Вопрос-ответ
Почему куропатка, рябчик, тетерев ночуют в снегу? Эти птицы хорошо «знают» законы молекулярной физики. Снег обладает низкой теплопроводностью, поэтому служит своеобразным одеялом для птиц. Тепло, вырабатываемое телом птицы, не уходит в окружающее пространство. Почему белая куропатка резко меняет цвет оперения весной? Куропатка «знает» законы оптики. Тела приобретают тот цвет, какую компоненту белого света отражает вещество данного тела. Это определяется свойствами атомов и молекул. Меняя цвет оперения, куропатка «сливается» с окружающей средой и создает для себя безопасные условия. Как известно, некоторые птицы во время далеких перелетов размещаются цепочкой или косяком. В чем причина такого расположения? Ответ. Перелетные птицы «знают» зависимость сопротивления от формы тела и «умеют» пользоваться явлением резонанса. Наиболее сильная птица летит впереди. Воздух обтекает её тело так, как вода нос и киль корабля. Этим обтеканием объясняется острый угол косяка. В пределах данного угла птицы легко продвигаются вперед. Они инстинктивно угадывает минимум сопротивления и чувствуют, находится ли каждая из них в правильном положении относительно ведущей птицы. Расположение птиц цепочкой, кроме того, объясняется еще одной важной причиной. Взмахи крыльев передней птицы создают воздушную волну, которая переносит некоторую энергию и облегчает движение крыльев наиболее слабых птиц, летящих обычно сзади. Таким образом, птицы, летящие косяком или цепочкой, связаны между собой воздушной волной и работа их крыльев совершается в резонанс. Это подтверждается тем фактом, что если воображаемой линией соединить концы крыльев птиц в определенный момент времени, то получится синусоида.
Некоторые крупные морские птицы часто «сопровождают» суда, преследуя их часами, а то и сутками. При этом обращает на себя внимание тот факт, что эти птицы преодолевают путь совместно с теплоходом с малой затратой энергии, летя большей частью с неподвижными крыльями.
За счёт какой энергии перемещаются в этом случае птицы?
Ответ. При выяснении этого явления было обнаружено, что в штиль парящие птицы держатся несколько позади судна, а при ветре – ближе к подветренной стороне. Также было замечено, что если птицы отставала от корабля, например, охотясь за рыбой, то, догоняя пароход, она большей частью должна была энергично махать крыльями. Эти загадки имеют простое объяснение: над кораблем от работы машин образуются потоки восходящего теплого воздуха, которые прекрасно удерживают птиц на определенной высоте. Птицы безошибочно выбирают себе относительно судна и ветра такое местоположение, где восходящие потоки от паровых машин бывают наибольшие. Это дает птицам возможность путешествовать за счет энергии корабля. Эти птицы прекрасно «знают» явление конвекции
Почему перед дождем ласточки летают низко?
Ответ. Перед дождем влажность воздуха увеличивается, в результате чего у мошек, мотыльков и других насекомых крылышки покрываются мелкими капельками влаги и тяжелеют. Поэтому насекомые опускаются вниз, а следом летят и птицы, питающиеся ими, например, ласточки. Можем утверждать, что ласточки знают зависимость силы тяжести от массы тела: F=mg
Почему птицы безнаказанно садятся на провода высоковольтной передачи? Ответ. Птицы «знают» особенности параллельного соединения проводников и закон Ома для участка цепи. Тело сидящей на проводе птицы представляет собою ответвление цепи, включенное параллельно участку проводника между лапками птицы. При параллельном соединении двух участков цепи величина токов в них обратно пропорциональна сопротивлению. Сопротивление тела птицы огромно по сравнению с сопротивлением небольшой длины проводника, поэтому величина тока в теле птицы ничтожна и безвредна. Следует добавить ещё, что разность потенциалов на участке между ногами птицы мала.
Почему птицы слетают с провода высокого напряжения, когда включают ток?
Ответ. При включении высокого напряжения на перьях птицы возникает статический электрический заряд, из-за наличия которого перья птицы расходятся, как расходятся кисти бумажного султана, соединенного с электростатической машиной. Это действие статического заряда и побуждает птицу слететь с провода.
Во время сильных морозов птицы нахохливаются. Почему при этом они легче переносят холода?
Ответ. «Зная», что воздух обладает низкой теплопроводностью, птицы нахохливаются. Слой воздуха между перьями увеличивается и вследствие плохой теплопроводности задерживает отдачу тепла телом птицы в окружающее пространство.
Немало легенд о крылатых героях оставили нам поэты и сказочники далекого прошлого. Наиболее известен миф об Икаре, сыне Дедала. Этот миф вам знаком по урокам истории. Познавая природу, человек не мог не обратить внимание на уникальное явление – полет птицы. Поэтому не случайно крылья в первую очередь были выбраны им в качестве возможного средства для полетов. Воздействие живого примера на сознание человека оказалось столь мощным, что на протяжении многих веков все помыслы о воздушном полете неразрывно связывались с машущими крыльями.
Многолетние наблюдения Леонардо да Винчи за полетом птиц и строением их крыльев позволили ему обосновать принцип аэродинамического управления. Леонардо принадлежит ряд замечательных конструктивных идей. Например, создание фюзеляжа (корпуса летательного аппарата) в форме лодки, использование поворотного хвостового оперения и убирающегося шасси.
Калифорнийские специалисты-текстильщики пришли к своеобразному решению проблемы конструирования одежды. На основании исследования перьевого покрова птиц они создали двухслойный материал, у которого наружный слой из синтетических перьев.
Почему одежду, сшитую из этого материала, можно носить летом и зимой?
Ответ. Одежда из такого материала годится для любого времени года. Дело в том, что внутренний слой материала электризуется в зависимости от температуры тела в большей или меньшей степени, а это влияет на положение перьев. Зимой одежда становится пушистой, а летом гладкой.
Трение в жизни животных и растений.
В жизни многих растений трение играет положительную роль.
Например, лианы, хмель, горох, бобы и другие вьющиеся растения благодаря трению могут цепляться за находящиеся поблизости опоры, удерживаются на них и тянутся к свету. Между опорой и стеблем возникают достаточно большое трение, т. к. стебли многократно обвивают опоры и очень плотно прилегают к ним.
Что, например, представляет собой гонимое ветром растение перекати-поле? Колесо, хоть и довольно сложное. Сторонники такого взгляда даже утверждают, что на других планетах, где могла бы зародиться жизнь, конструкция в виде колеса вполне могла быть создана в ходе эволюции.
У насекомых нет голосового аппарата, для производства звуков они обычно используют трение. Саранча водит лапкой по своим жестким крыльям. Кузнечики извлекают звук трением надкрылий друг о друга.
У сверчков на трущейся поверхности крыла около 150 треугольных призм и четыре перепонки, вибрация которых усиливает звук. Не удивительно, что и уши у насекомых не на голове. У сверчка звуковоспринимающий аппарат расположен на коленке, у саранчи - при основании ножки.
При действии органов движения у животных и человека трение проявляется как полезная сила.
Изучение конструкторами движения насекомых по вертикальным поверхностям способствовало созданию шагающих по стенам многоногих роботов. Аппараты подобного типа предполагается использовать при обследовании ядерных реакторов и небоскребов.
После многочисленных попыток создания так называемых стопоходящих машин был выбран иной, но тоже подсказанный природой вариант. Наиболее подходящей «моделью» оказались шестиногие насекомые, например тараканы, или восьминогие пауки.
Попеременное передвижение лапок таракана «по три» позволяет опирающимся на землю конечностям поддерживать необходимое равновесие.
Именно над созданием подобных многоногих управляемых человеком или автономных машин-роботов работают сегодня конструкторы. Одной из них, вполне удачной и очень необходимой, стала модель робота, способного передвигаться внутри ядерных установок или трубопроводов. Еще одна сфера применения многоногих устройств — их использование вместо саперов для обезвреживания огромного количества мин, остающихся в зонах военных конфликтов.
Рыбы извлекают звуки при трении жаберных пластин.
Карповые скрежещут глоточными зубами. Очень интересно устроен звуковой аппарат окуневых, особенно развитый у поющих рыб и морского петуха - триглы. Звуки издаются с помощью плавательного пузыря, благодаря сокращению особых барабанных мышц, которые вызывают колебания его стенок. Многие звуки животные издают во время движения.
Блеяние бекаса, несущееся с неба, возникает от вибрации рулевых перьев хвоста во время полета. Писк комара, от которого невольно замираешь, ожидая укуса, вовсе не является предупреждением. Комариный писк возникает от движения крыльев, и, видимо, в некоторые моменты комар и рад бы замолчать, да не может.
Некоторые моллюски при закапывании в грунт нагнетают кровь в ногу и этим придают ей твердость, которая нужна при закапывании моллюсков в грунт. Эта заимствованная у природы идея привела к созданию гидравлической модели ножных суставов, а затем — и их протезов.
Известно, что раньше бегуны на короткие дистанции начинали бег с так называемого «высокого» старта. Однако при наблюдениях за кенгуру обнаружилось, что те «стартуют», низко пригнувшись к земле, — при этом начальная скорость становится намного выше. Вскоре этим приемом стали пользоваться и спортсмены.
Некоторые одноклеточные животные применяют «бактериальный» принцип движения себе «на спину» множество бактерий и пользуясь их жгутиками-моторчиками.
Эту ситуацию ученые сравнивают с перемещением океанского лайнера, плывущего за счет винтов облепивших его моторных лодок.
Ясное представление о действии законов механики позволило понять, почему наземные животные не достигают «великанских» размеров.
Из-за своей неповоротливости они оказались бы нежизнеспособными. Подсчеты современных ученых говорят, что животное массой больше 100 тонн не может существовать в условиях земной гравитации. Мы видим, что самым крупным сухопутным животным оказывается не такой уж огромный слон.
А как же кит, масса которого во много раз превышает массу слона?
Дело в том, что на тело, погруженное в воду, действует выталкивающая (архимедова) сила. То есть вода как бы ослабляет действие земной гравитации, позволяя киту и другим обитателям морей и океанов достигать огромных габаритов при относительно тонких костях скелета.
Среди множества изобретений Леонардо да Винчи, идеи которых заимствованы им у природы, есть и «плавательные перчатки», то есть ласты для рук. На мысль о них его навели наблюдения за гусями и утками.
Изучение конструкторами движения насекомых по вертикальным поверхностям способствовало созданию шагающих по стенам многоногих роботов.
Аппараты подобного типа предполагается использовать при обследовании ядерных реакторов и небоскребов.
Когда-то физик Роберт Вуд засунул в длинную трубу своего спектроскопа кошку, чтобы она проползла по ней и очистила ее внутреннюю поверхность от паутины. Даже сейчас, в эпоху Интернета, способностям животных находят столь же неожиданные применения.
Например, чтобы протянуть кабели компьютерных сетей по узким шахтам, используют дрессированных крыс, которые, двигаясь на запах пищи, тащат за собой провода.
Константина Эдуардовича Циолковский, размышляя над обеспечением безопасности и комфорта обитателей межпланетных кораблей, предлагал помещать их в жидкость. «Природа давно пользуется этим приемом, — писал он, — погружая зародыш животных, их мозги и другие слабые части в жидкость. Так она предохраняет их от всяких повреждений».
Безусловно, в жидкости космонавт сможет выдержать значительно большие перегрузки, чем в специальном кресле.
Известно, сколько в свое время бились инженеры над проблемой загадочной вибрации крыльев самолетов, часто приводившей к авариям.
А когда проблема была решена, обнаружилось, что уже миллионы лет подобная вибрация устраняется у стрекоз с помощью специального утолщения в крыле.
Чтобы увеличить сцепление с грунтом, стволами деревьев, на конечностях животных имеется целый ряд различных приспособлений: когти, острые края копыт, подковные шипы.
Изучение способов перемещения разных животных, помогло создать новые полезные механизмы (Например, в снегоходе «Пингвин» воплощен принцип перемещения плавающих птиц.
Перемещаясь на «брюхе», отталкиваясь ластами от снежного покрова, он достигает скорости 50км/ч).
Принцип передвижения бесколесно-прыгающего автомобиля скопирован у кенгуру (эти млекопитающие перемещаются прыжками высотой до 3м и длиной до 10м). Прыгающая машина одновременно является трактором, автомобилем, тягачом, ей не нужна дорога.
В основу создания ряда землеройных машин могут быть положены идеи, подсказанные живой природой.
Дело в том, что личинки, обитающие в почве, имеют прекрасные приспособления для прокладывания ходов в почве, рыхления и раздвигания частиц грунта.
У одних видов насекомых органы расположены спереди и работают как клин или отбойный молоток, а у других рыхлящий и сгребающий аппараты объединены в систему сложного скребка.
Тщательное изучение этих приспособлений и их моделирование может оказаться полезным.
Таким образом, был создан подземоход, который может быть назван «железным крабом», так как в его конструкции отражены особенности строения и передвижения живого краба.
В Японии, например, построили судно, напоминающее по своей форме кита. Оказалось, что оно примерно на 15% экономичнее кораблей такого же водоизмещения, но обычной формы. Корпус одной из подводных лодок подобен телу быстроходной рыбы – тунца. Судно хорошо обтекаемо и маневренно.
Тело пресмыкающихся покрыто бугорками и чешуйками.
Ведь предмет или живое существо будет тем прочнее схвачено, чем больше трение между ним и органом хватания. Величина же силы трения находится в прямой зависимости от прижимающей силы.
Поэтому органы хватания устроены так, что могут либо охватывать добычу с двух сторон и зажимать ее, либо обвивать несколько раз и за счет этого стягивать с большой силой.
Спасаясь от хищников, летучая рыба с большой скоростью поднимается к поверхности воды. В это время она плывет — ее грудные плавники прижаты к телу, а хвост энергично работает. Резко выскочив из воды, рыба раскрывает грудные плавники, превращающиеся в крылья. Подхваченная воздушными потоками, она, как выпущенная из лука стрела, пролетает порой 150—200 метров.
Прислушиваясь к природе, человек, в конце концов, находил эффективные решения.
Приведем лишь один пример:
Считалось, что на водном велосипеде не угнаться за спортивной лодкой. Однако благодаря умелому сочетанию движений в воде и в воздухе и использованию подводных крыльев с заимствованной у животных формой, удалось на водном велосипеде пройти дистанцию быстрее, чем при установлении мирового рекорда в академической гребле!
Известна большая скорость движения дельфинов. Ее достижению способствует особое строение кожи животных.
Ученым недавно стало известно, как устроена кожа дельфинов, и почему они меняют свою кожу каждые 2 часа. Кожа дельфина обладает особым демпфирующим действием, позволяющим гасить турбулентность. Эта гипотеза высказана в 1957 г. немецким инженером Крамером и в настоящее вpeмя подтверждена экспериментально. Передняя часть тела дельфина обтекается ламинарно, а позади спинного плавника пограничный слой становится турбулентным.
Немецкий инженер М. Крамер создал для судов специальное покрытие – «ломинфло», похожее на кожу кита, которое снижает сопротивление движению. Применение этого покрытия позволяет увеличить скорость судов почти вдвое.
Для того чтобы производить какие-либо работы под водой на большой глубине, оператору, находящемуся внутри подводного аппарата, необходимы вынесенные наружу «руки» манипуляторы. Их создание — довольно хитрая задача. Аналогом таких манипуляторов обладает кальмар, имеющий два длинных щупальца с присосками, с помощью которых он охотится за рыбой.
Реактивное движение.
Большой интерес для ученых представляет реактивный двигатель кальмара, являющийся своеобразным и чрезвычайно экономичным водометом, который позволяет этому морскому моллюску совершать 1000 – мильные переходы, развивать скорость до 70км/ч.
Кальмар способен всплывать на поверхность с такой скоростью из глубины моря, что может пролететь над волнами свыше 50м в длину, поднимаясь на высоту до 7- 10м. Быстроходность и маневренность кальмара объясняется прекрасными гидродинамическими формами тела животного, за что его и прозвали «живой торпедой».
Оказывается, во время движения давление обтекающей туловище кальмара воды меняется таким образом, что в области, отделяющей голову от туловища, где и происходит всасывание, оно ниже, чем у хвоста. И вода как бы сама втягивается внутрь. Это помогло при конструировании подводных машин.
В борьбе с такими вредными явлениями в авиации, как флаттер (колебания крыла в полете), конструкторам помогло изучение строения крыла стрекозы. Оно показало, что на передней части крыла имеется хитиновое утолщение, которое «уничтожает» флаттер. Аналогичные утяжеления крыла самолета позволило устранить опасные вибрации в полете.
С помощью специального микроскопа удается разглядеть, как устроены жгутики некоторых бактерий, к примеру, кишечной палочки, помогающие им передвигаться. Один из концов жгутика словно бы вставлен в мембрану — оболочку бактерии. Электрические заряды колец, расположенных на конце жгутика и на мембране, взаимодействуют друг с другом так, что жгутик начинает вращаться вокруг своей продольной оси, напоминая обычный электромотор.
Кручение жгутика обеспечивает несколько типов его движений, причем скорость вращения «моторчика» достигает десятков оборотов в секунду.
Конечно, такое открытие и само по себе было чрезвычайно интересным.
Светящиеся животные.
Очень многие организмы растительного и животного мира способны излучать свет. Сказочный царь Берендей, узнав о существовании Жар-птицы, захотел иметь эту диковинку у себя дома. Пользоваться живым светом для собственных нужд повелось еще с древних времен.
Глубоководный кальмар «Чудесная лампа».
Обитает на глубине метров. Он буквально усеян фотофорами различных размеров, большая часть которых располагается на глазах (на веках и даже в глазном яблоке). Иногда они сливаются в сплошные светящиеся полосы, которые окружают глаз. Он может регулировать интенсивность свечения своих «фар». Питается рыбой и различными позвоночными. Имеет чернильный мешок.
Креветки. Фотофоры у них располагаются на теле и на специальных участках печени, которые просвечивают сквозь покровы тела. Эти креветки способны выбрасывать светящуюся жидкость, которая отпугивает противников. У каждого вида этих креветок определенные светящиеся участки. Это помогает им различать друг друга.
Идиакант или черная рыба-дракон.
Идиакант наряду с удильщиками является глубоководной рыбой и плавает на глубине от 500 до 2000 метров. Местами обитания являются тропические и умеренные воды Атлантического, Тихого и Индийского океанов. У нее длинное змеевидное тело. Длина самок в несколько раз превышает длину самцов. У идиаканта светится не только чешуя, но и длинные острые зубы.
На морском дне, среди камней и водорослей, копошатся светящиеся черви и моллюски. Их голые тела усеяны блестящими полосками, пятнами или крапинками, точно алмазной пылью; на уступах подводных скал красуются залитые светом морские звезды; тут же шныряет во все концы своей охотничьей территории рак, освещая лежащий перед ним путь огромными, похожими на подзорную трубу, глазами.
Но великолепней всех один из головоногих моллюсков: он весь купается в лучах ярко-синего цвета. Одно мгновение - и свет погас: точно выключили электрическую люстру. Затем свет появляется вновь - сначала слабый, потом все более и более яркий, сейчас он отливает уже пурпуром - красками закатной зари. А там вновь гаснет, чтоб вспыхнуть опять на несколько минут цветом нежной зеленой листвы.
Среди микроскопических организмов есть бактерии, которые излучают свет. Они живут свободно или в качестве паразитов в теле различных животных и на гниющих трупах. Размножаясь в огромных количествах, эти микроорганизмы вызывают свечение: светятся ночью гнилые пни и кучи гнилой рыбы, выброшенные бурей на берег.
Внутри каждой ночесветки при помощи микроскопа можно увидеть множество желтоватых крупинок - это светящиеся бактерии, живущие в теле ночесветок. Излучая свет, они делают светящимися и этих микроскопических животных.
То же надо сказать и о рыбе, у которой глаза, словно горящие фонари: свечение их вызывают светящиеся бактерии, поселившиеся в клеточках светящегося органа этой рыбы. Но не всегда свечение животных связано с деятельностью светящихся бактерий. Иногда свет производится особыми светящимися клеточками самого животного.
Свечение живых организмов - биолюминесценцию - называют "холодным" светом, в отличие от более привычного излучения нагретых тел (например, Солнца или спирали электрической лампочки). Возникает "холодное свечение" за счет энергии химических реакций.
На основе биолюминесценции разработано несколько высокочувствительных методов исследования.
Например, с помощью люциферин-люциферазной системы светляка определяют очень низкие концентрации АТФ, а поскольку АТФ сопутствует любой жизнедеятельности, то таким способом можно легко обнаружить бактериальное заражение любой среды. В другом методе, используя белок экворин, измеряют низкие концентрации ионов кальция.
В тропических лесах Бразилии растут грибы, у которых светится нижняя сторона шляпки.
Местные жители давно используют их вместо карманных фонариков. Хоть свет и не очень яркий, но достаточный, чтобы ночью не спотыкаться на лесных тропинках. Морских светящихся рачков использовали во время войны в японской армии. Каждый офицер носил коробочку с этими рачками. Сухие рачки не светятся, но стоит смочить их водой, и фонарь готов. Где бы ни находились солдаты: на бесшумно всплывшей в ночной тишине подводной лодке, в густых дебрях тропических джунглей или на бескрайних степных равнинах, всегда может возникнуть необходимость зажечь свет, чтобы рассмотреть карту или написать донесение. Но делать этого нельзя. Ночью свет электрического фонарика или даже зажженной спички виден издалека, а слабый свет фонарика из морских рачков нельзя различить уже за несколько десятков шагов. Это очень удобно, нисколько не нарушает маскировки.
Можно использовать светящиеся организмы и для освещения домов. Для этого придумали специальные бактериальные лампы. Устройство ламп незамысловато: стеклянная колба с морской водой, а в ней взвесь микроорганизмов. Чтобы лампа давала свет, равный одной свече, в колбе должно находиться не менее 000 микроорганизмов. Такими лампами в 1935 году во время международного конгресса был освещен большой зал Парижского океанографического института.
« Живое электричество ».
С электрическими явлениями древние египтяне были знакомы еще четыре с половиной тысячи лет назад. Об этом свидетельствует надгробный памятник в Соккаре, на котором изображен электрический сом, живущий в верховьях Нила.
В Европе с электричеством познакомились благодаря наблюдениям Фалеса Милетского еще за 600 лет до нашей эры. Он обнаружил, что кусочек янтаря, если его потереть, приобретает способность притягивать, а затем и отталкивать разные мелкие предметы.
Болонский профессор анатомии Луиджи Гальвани проводил много опытов с лягушками.
Форма опыта была проста. Нерв одной лягушачьей лапки отрезался и сгибался в дугу. Нерв второй лапки отделялся вместе с мышцей и накладывался на первый так, чтобы касаться его в двух местах: у места перерезки и где-нибудь в неповрежденной части. В момент соприкосновения нервов мышца сокращалась. Существование «животного электричества» было доказано.Его опыты продолжили другие ученые, и лягушка в руках физиков очень скоро превратилась в удобный источник тока и в наичувствительнейший измерительный прибор. Александр Вольта, создав гальваническую батарею, назвал ее искусственным электрическим органом. Многие рыбы имеют особые электрические органы, своего рода батареи, «вырабатывающие» напряжение. Значения напряжения у рыб различно. Так угорь испускает импульсы частотой 25 Гц, мормирус – частотой около 100 Гц, гимпарк – около 300Гц. Сила электрического удара так велика, что рыба может оглушить даже крупных зверей. Мелкие животные погибают мгновенно. Южноамериканские индейцы очень хорошо знают опасную рыбу и не рискуют переходить вброд реки, где она обитает. Многие выдающиеся врачи Римского государства, такие, как Клавдий Гален, лечили людей электричеством, пользуясь живыми электростанциями обитателей морских глубин – рыб.
