Бионика
Тип урока: изучение нового материала
(урок — устный журнал).
Цели: познакомить с бионикой как наукой, исследующей принципы биологических систем для решения инженерных проблем, создания приборов и устройств; развивать умения работать в команде, находить и использовать информацию на заданную тему; воспитывать навыки самообразования, научного исследования, интерес к живой природе.
Оборудование: мультимедийный проектор, таблицы с изображением различных тканей растений, осиные гнезда, фотографии инженерных конструкций и т. д.
Предварительная подготовка: вместе с учащимися разрабатываются названия страниц устного журнала (можно подготовить и другие дополнительные страницы); каждая страница делается в виде презентации; учащиеся делятся на группы в зависимости от количества страниц, оформляют название страниц, подбирают к каждой странице рисунки, фотографии животных, растений, которые были использованы для создания того или иного прибора, здания, сооружения, а также подбирают дополнительный материал.
Бионика и строительство.
Морские суда.
Эхолокация животных.
Зрение животных и бионика.
Бионика в самолетостроении.
Использование в бионике исследований в области нервной, системы.
Природные конструкционные материалы.
Ход урока
I. Работа над новым материалом
Биология - наука, которая имеет связь с большим количеством пограничных областей: биофизикой, биохимией, космической биологией, психологией, молекулярной биологией и др.
Младшей сестрой этих наук можно назвать бионику. Название «бионика» происходит от греческого слова «бион», что означает «элемент жизни». Это название раздел биологии получил в 1960 г на международном симпозиуме в Дейтоне (США).
Энциклопедический словарь дает такое определение бионики:
«Бионика - одно из направлений кибернетики, изучающее особенности строения и жизнедеятельности организмов для создания новых приборов, механизмов, систем».
Изучая принципы строения животных и растительных организмов, исследуя закономерности того или иного строения, ученые создают приборы, новые датчики, оборудование для навигации, локации и ориентирования.
Области использования бионики очень обширны. На сегодняшнем уроке мы узнаем, как и где человек использует достижения бионики.
Страница 1. Бионика и строительство
Ученик 1. В природе часто встречаются конструкции из повторяющихся структур. Примером могут служить пчелиные соты, початок кукурузы, они являются самыми экономичными с точки зрения расходования строительного материала. Кроме того, подобные конструкции являются весьма устойчивыми.
Принцип устройства таких конструкций используется человеком при строительстве многоэтажных домов, при сооружении плотин.
Трубчатые кости человека и животных, стебель-соломина у злаковых обладают большим запасом прочности. Это свойство используется строителями при создании тонкостенных железобетонных конструкций, арматуры в блоках и перекрытиях.
Проводящие ткани, клетки которых имеют форму трубочек, послужили примером для создания отопительной системы и водоснабжения в многоэтажных домах.
Расположение жилок листьев, лепестков цветов дали возможность создать крытые стадионы, крупные строительные комплексы, выставочные сооружения, аквапарки.
В 1889 г. во Франции была построена 330-метровая башня по проекту инженера Гюстава Эйфеля, которая стала символом Парижа. Инженер пользовался теми же законами, какие лежат в основе прочности и легкости структуры губчатого вещества кости.
Человек всегда восхищался совершенством природы. Мельчайшие одноклеточные радиолярии предлагают архитекторам удивительные по красоте, экономии материала и прочности сооружения.
(Докладчик показывает фотографии.)
[pic] [pic]
[pic]
[pic]
[pic]
[pic]
Страница 2. Морские суда
Ученик 2. Одна из важных задач бионики — изучение функционирования надежных свойств живых организмов и использование этих принципов в технике.
Современные подводные лодки и подводные части судов имеют форму тела китов и дельфинов. Изучение гидродинамических свойств рыб, китов и дельфинов позволило увеличить скорость движения судов и торпед на 20—25%. У китов и дельфинов, помимо хорошо работающей мускулатуры хвоста и спины, специфичное строение кожи, которое помогает им достигать большой скорости в воде — до 55 км/ч. Их кожа обладает гидрофобными антитурбулентными и демпферными (гасящими) свойствами. Благодаря этому несмачиваемая кожа уменьшает вихревые потоки, которые возникают вокруг быстро движущегося в воде тела, и снижает трение. Все эти качества достигаются благодаря тому, что эпидермис кожи имеет два слоя: наружный, более тонкий, и внутренний, шиловидный или ростковый, в который входят зубцы дермы. Особенно это сложное строение хорошо развито на голове, в передних частях плавников, т. е. там, где возникает наибольшее давление воды на тело животного.
[pic]
[pic]
Страница 3. Эхолокация животных
Ученик 3. Современная радарная техника создана человеком благодаря изучению локационных способностей некоторых животных, помогающих им ориентироваться при полете или плавании в воде. Такие животные безошибочно обходят препятствия, обнаруживают добычу.
Благодаря эхолокации маленькая летучая мышь весом в 7 г за 1 ч отлавливает и съедает 1 г насекомых. Компактный, легкий аппарат эхо- и звуколокации летучей мыши обладает высокой чувствительностью. При полете она издает ультразвуковые сигналы, которые слышит, если впереди находится препятствие, и не только это. Мышь узнает направление, расстояние до препятствия и среди препятствий определяет летящее насекомое. Подобными, но только гидролокационными способностями обладают дельфины. Издавая звуки-щелчки, которые, по сути, представляют собой колебания высоких и низких частот, дельфин слышит отраженный сигнал. Эхолокация для китообразных - основной способ распознавания объектов даже в мутной воде. Локационные способности дельфинов весьма совершенны, они дают возможность добывать пищу, преодолевать препятствия, находить собратьев, ориентироваться в пространстве.
Во время миграции киты преодолевают от 5 до 10 тыс. км, проходя это расстояние ежегодно, они возвращаются на те же места благодаря эхолокации, с помощью которой они определяют расстояние до берега, до дна, подводные хребты и впадины.
[pic]
[pic]
Страница 4. Зрение животных и бионика
Ученик 4. Знание способов ориентации животных — обширное поле для создания новых приборов.
Дневной свет помогает животным найти пишу: растительноядным — отличить съедобные растения от ядовитых, хищникам - незаметно подкрасться и схватить добычу. Но в природе есть большое количество животных, которые ведут ночной образ жизни. Как ориентируются комары, ночные бабочки, гремучие змеи? Такие животные обладают способностью видеть инфракрасные лучи.
Эти способности животных человек использует в технике. Так, инфракрасные радиометры имеют большое сходство с оптической системой ночных бабочек, которая помогает находить им цветы растений, раскрывающих свои лепестки ночью. Приборы ночного видения устроены по принципу работы органа зрения гремучей змеи, которая хорошо «видит» тепло, исходящее от животных.
Создание приборов, способных определять в организме человека участки с повышенной температурой, позволяет зафиксировать заболевание на самой ранней стадии его появления: онкологические болезни, предынфарктное состояние. Работа этих приборов основана на том, что при возникновении патологии в определенных участках органов человека повышается температура. Такая форма исследования получила название «термодинамика».
Кроме этого, подобные приборы неоценимы при проверке теплотрасс с целью предупреждения крупных аварий. В настоящее время они используются в Москве.
[pic] [pic]
Страница 5. Бионика в самолетостроении
Ученик 5. Человека всегда завораживал полет птиц, он стремился преодолеть земное притяжение.
Леонардо да Винчи, изучив строение крыла птицы, составил чертежи летательного аппарата. Он писал: «Птица — действующий по математическому закону инструмент, сделать который в человеческой власти со всеми его достижениями...»
Претворить мечту да Винчи в жизнь удаюсь основоположнику современной аэродинамики Н. Жуковскому, который положил в основу самолетостроения принцип полета птиц. Он определил, как при полете птиц возникает подъемная сила, как она удерживает в воздухе птицу, которая значительно тяжелее его.
Но способности к полету у насекомых значительно выше. Ведь есть бабочки, которые, подобно птицам, улетают перед наступлением зимы из Европы в Африку. Устройство их крыльев, способность резко изменять направление или зависать над цветком человек еще не может повторить в самых современных конструкциях самолетов. А «топливо» бабочек - жиры, углеводы - не имеют себе равных в авиационной технике.
Человеку предстоит еще многое исследовать, узнать секреты насекомых и сконструировать новые летательные аппараты.
Страница 6. Использование в бионике исследований в области нервной системы
Ученик 6. В бионике сравнительно недавно появился раздел, который называется «нейробионика». Он изучает работу головного мозга животных и человека, механизмы процессов запоминания и памяти в целом, моделирует деятельность нервных клеток.
Исследования в области нейробионики позволили увеличить производительность компьютеров, расширить область их функционирования. Все это ученые осуществили благодаря внедрению в компьютеры принципов функционирования нервной системы. Моделирование деятельности нервной системы дало возможность создания систем, способных распознавать образы и тексты. Это используется при исследованиях причин авиакатастроф («черным ящик» самолета).
Исследование систем, которые отвечают за саморегуляцию, самонастройку в условиях окружающей среды, а порой в условиях ее изменения, дает возможность совершенствовать вычислительную технику, приборы автоматики, телемеханики. Принципы работы опорно-двигательной системы человека и животных послужили для создания робототехники, которая поможет человеку при полетах на другие планеты, для освоения труднодоступных районов горной местности, дна глубоких водоемов.
Страница 7. Природные конструкционные материалы
Ученик 7. Механические ткани, находящиеся в стеблях растений, нити паутины — очень прочные материалы, они послужили образцами для создания материалов при строительстве моста через ущелье в Калифорнии (США), длина которого составляет 137 м.
Как известно, иглы розы, боярышника, барбариса, кактусов служат растению защитой от поедания животными. Такую же защитную функцию выполняют иглы рыб, ежей, дикобразов. Их прочность при нажатии значительно выше, чем у конструкционных металлов. Удивительной конструкцией обладают птичьи перья. Они выдерживают огромные деформации, превосходя самые лучшие авиационные материалы. Строение крыла птицы по своим техническим характеристикам превосходит конструкции всех современные планеров и самолетов. Здесь мы пока отстаем от природы.
В природе есть масса материалов, имеющих пористое строение: кости птиц, кора деревьев, стебли некоторых растений. Используя эти природные свойства, человек создал пеноматериалы для теплоизоляции, герметизации, строительства легких перекрытий, декоративной облицовки, для упаковочных материалов.
II. Подведение итогов урока
Учитель. Сегодня вы познакомились с наукой бионикой, которая имеет самую непосредственную связь с биологией. Бионика использует особенности строения и функционирования органов животных и растений для создания новых приборов и механизмов. Эта наука делает первые шаги, и предстоит еще много узнать, провести массу исследований, чтобы сделать более совершенными самолеты, автомобили, морские суда, приборы для определения изменений погоды, для ориентации в космическом пространстве, для строительства зданий, мостов, дорог.
Домашнее задание
Прочитайте параграф, посвященный новой теме.
