КулЛиб электронная библиотека 

Бионика [Коллектив авторов] (pdf) читать онлайн

Книга в формате pdf! Изображения и текст могут не отображаться!


Настройки текста:



ў__і/__

Х
_

_ _%
Ё
__,Ґп
__1)

І_[І_
.
'_

_

мы

*_
І
г`

__/

Ёнцж
нъ____д
_“гг
Н І____
__

Мдмт

«_
14
[`__
д_,ш__І__г_
_
_
К_
___

___?К;
у__Ф_1_ _

Ъ_ %

З
1д____

_І__
`_Ц____
ІІ
1

1

__*___”__ _ _ ї_

___.

`
І_

__

ъ__

Б

К

І'__'
1
,_____
_чІІ
_

І І______'

"___
1_1__А
`.
_Ьц
Ъ]
_
___
_

________
_

“___Ц____'
__ь _

Ґ

_____`Ґ_____ _ _ _Ё_

1І_ _ _д_шҐ_4____?д._р_|_Ґ__А_`
“_Ґ__

*__
_ Г_

Ч*
__ ___д
дп
_|____

\_

1_ _

_І_
,Ґ___
1_І _І

тЦІЬ
_ _ __.
__'_А_д_'_ц

__
__ _
_-__

____л_:
НШцІ_ _ ЦҐг_1_

ЧТ
_

"“__
__]д_____І__

ТГ_ ___|

,І__

__т_І
_
__4_____

г___
_____П__

Ё_І_
г

*__

"_

_-Ііъ
_`_ _'ъ'_
_”

г____п_
__г_ _гд_ п
__и"_ ___А*
_ '_"_щ___`__
_”
“_
__

“_
____ п


.____
гг

__

гг*
____н
И

___
'____ІЧт
д__1л_
ІрІ___'

гє

41
__:

_ _ _ _' 1_ _
__

Ч*__
___:
1____-

_ь_____ц|
_ _ ш_

_

БИОНИКА

%
Ёольшая Серия Знаний

___4.
.и:І'_

Ч

-/'
,'“_.4"'
1,,

_
_

-.~

_;

_.-›~

-_-~›-_

-гч


БИОНИКА
@Ъльшая Серия Знаний

ЁЁ5

ННИГИ Ь4осква 2005

д
*

Природа дает человеку множество примеров для технических
изобретений. Бионика - это соединение биологии и
техники. Бионика рассматривает биологию
и технику с совершенно новои точки зрения, объясняя,
какие общие черты и какие различия существуют в природе
и технике. Новый том энциклопедии позволяет по-новому
взглянуть на гениальные открытия природы, которые
окружают нас.

СОДЕРЖАНИЕ
Предисловие

6

Инструменты 7
клвши и пинцвты 8
склмінывинстеументы
шАРниРы

10

12

экскдв/\тоРы и сверл/\ 14
кгюч ки и пеисоски 16
соединительные
мех/хнизмы 18

СТр0І×1ТЄЛЬН8Я ТЄХНИК3

постеойки из глины
Ф/ххввгк 22

19

20

подзвмновстгоитвльство 24
жизньподводой 26
подвижндязншитн 27
кРыши, оттихлкивдюшив воду 28
ндкопитвли воды 30

и

Охраняется законом РФ об авторском праве.
Воспроизведение текста, части текста или иллюстраций
Ё без разрешения правообладателя запрещено
и преследуется по закону.

Отопление и охлаждение
воздуха 31

ІЅВІЧ 5-486-00227-О

создмтив нужного климдтд
с помошью солнц/\ 32

у © Как/епЅЬиг3ег Высішегіад; Оно Маісг ОШЬН,
~

Ґ1аЧеп5Ьыг3 (Оегтапу), 2001

0 © ООО «ТД «Издательство Мир книги», 2005

4

3АЩитА 0т холода,

1

Шкурд И 0дЕЖдА

34

Как рождается движение

59

подвижные Цепочки звеньев 60
скрытые рычяги 62
вольшяя силн и короткий путь 64
пневмАтикА и гидрявликд 66
двигдтел ьння систем/м _ руки

охлдждение 36
зАшитА от морозА

70

Высокие технологии,
опираюшиеся
на принципы действия
нервной системы 71

38

регулируюшАя Цепь 74
«электроникд» в природе

БЄГЗТЬ, ПрЬІГ3ТЬ, ПЛЕІВЕІТЬ _

оптикд и световолны

по земле и под водой

оргАнычувств 80
чдстотное кодировлние

39

ьегдюшие мяшины и роьоты
ш и рокие подошвы
оьлегчдют движение 42
устройствАдля прыжков

40

Естественные материалы

76

`

78

энергии 104
энергия зявтрдшнегодня 106
водород - чудо вудушего 107
, тр/кдиционный мАтериАлдерево 108
известковые соли 110

84

43

отличные пловцы 44
движение с помошью
кол ее/хний 45
Большой и Быстрый

строительный

мАтериАл - известь 112
А хитин-строительный
Ф мАтериАл ндсекомых 113
легкие мдтеридлы 114

46

1

Н3П8ДЄН1×1ЄИОб0р0Н21

/1*_--ь-

Ч

ПОЛЄТЬІ И ПЛЕІНИРОВЕІНИЄ

47

48

выносливыелетчики

злАстичнАя резинА

1

116

Эволюция и развитие
рост и изменение

117

118

91

от кокосового орехи
до конфетной коровки 92
эконом ное испол ьзовАн ие
прострАнствА 94
виологическиеспосоьы
упдковки 96

вороздки уменьшмот
сопротивление 50

85

инъекционныешприцы 86
снАряды 87
злшитныепянцири 88
подвижные пАнцири 89
мокрицыилинкор 90

Упаковка и очистка

унесенные ветром

103

природныеисточники

упАковкА и реклАмА

0

3

1
11

98

51

сАмол ет подним/-хется в неео
движение с помошью ветрд
с ветром вокруг светА 58

53
56
ТЕХНИЧЕСКАЯ ЭВОЛЮЦИЯ

САМООЧИЩАЮЩИЕСЯ
поверхности 100
использовдниевоскд

102

реАкция нд условия
~ окруждюшей среды

120

от яйЦА к Цыпленку

122

119

предвнрительнаыя
знготовкд и рнзвитие 124
создАвАть знново
или ремонтиров;-хть 125
перернвоткнмусорн 126
комплексные взаимосвязи

127

РЕДИСЛОВИЕ
Взаимосвязь природы и техники. в прь; 6
0%

шлом отношение человека к природе было потребительским, техника эксплуатировала и разрушала природные
ресурсы. Но постепенно люди начали
бережнее относиться к природе, пы-

таясь присмотреться к ее методам, с тем
чтобы разумно использовать их в технике. Эти методы могут служить образцом
для развития промышленных средств,
//1 безопасных для окружающей среды.
Природа как эталон - и есть бионика.
Это понятие состоит из частей слов
,›

1

ДЛИННСС. І

РЬІЧЕІЖНЗЯ МСХЕІНИКЗ У ЦВЄТК8 ШЭЛФСЯ.
Цветок шалфея с помощью «рычага» с неодинаковой
длиной коромысла дает возможность пыльце попасть на
пчел и шмелей, которые потом стряхнут ее на пестик
другого цветка и, таким образом, опылять цветок.
Если шмель подлетает к цветку лугового шалфея и выпускает свой хоботок, чтобы добраться до сладкого нектара у основания цветка, то он ударяет по нижней пластине. Она представляет собой более короткую сторону.
При прикосновении шмеля эта пластина идет вниз. На более длинной стороне рычага вниз движется тычинка и посыпает пыльцой
заднюю часть тельца шмеля. Когда шмель улетает и не давит больше на
пластину, все возвращается на свои места. І

Карандаш в качестве хоботка шмеля. каждый может

Р

Шмель летит к цветку
шалфея. Рычажная механика
находится в состоянии покоя.
___...-аі-__

_

Ё*
-

_..~

“тк

_/

При всасывании
шмель попадает на
пластину рычага.
опускается вниз и
шмеля пыльцой.

нектара
нижнюю
Тычинка
осыпает

ПООНЗОЛЮДЕІТЬ В ПрИрОДС УСТРОЙСТВО ЦВСТК3 ШЕІЛФСЯ, ПОСКОЛЬКУ ЭТОТ ВИД
ЧЗСТО ВСТРСЧЗСТСЯ В НЗШИХ ШИРОТЗХ. ГОЛУООВЗТЬІС ЦВСТКИ РЕІСТСНИЯ, ВЬІСОТ8
КОТОрОГО ДОСТИГЕІСТ Пр!/1МСрНО МСТр8, ПОЯВЛЯЮТСЯ С МЗЯ ПО ЕІВГУСТ.
ТОТ, У КОГО ССТЬ ТСРПСНИС, ПОСТОИТ И ПОДОЖДСТ ПОДЛСТСВШИХ ШМСЛСЙ,

которые высасывают из цветков сладкий нектар и при этом приводят в
действие «рычаг» шалфея. То же самое мы можем сделать сами, если одной рукой удерживая стебель шалфея, а другой держа хорошо заточенный
карандаш, попробуем действовать так же, как шмель своим хоботком. Так
РЬІЧЕІЖНЗЯ МСХЗНИКЗ ЦВСТК21 ПРИВОДИТСЯ В ДСЙСТВИС. ПІЭОВОДЯ ЭТОТ ОПЫТ,
СЛСДУСТ ДСИСТВОВЗТЬ ОЧСНЬ ОСТОРОЖНО, ТНК КЗК ТОНКИС ЧЗСТИ МОГУТ ОЬІТЬ
ЛСГКО р&ЗрУШСНЬ1. ДЛЯ ТОГО ЧТООЬІ ТЫЧИНК3 ПСрСВСрНУЛ3СЬ, ДОСТЕІТОЧНО
ЛСГКОГО НЕІЖЗТИЯ На НИЖНЮЮ ПЛНСТИНКУ ЦВСТК3. НСЖНСЙШНЯ ПЬІЛЬЦ3 ЦВСТКЗ ОКЗЖСТСЯ ТОГД8 На ЗЗОСТРСННОЙ ЧЗСТИ КЗРЗНДЗШЕІ, И СС МОЖНО ОУДСТ ЛСГ-

ко увидеть. І

22

2

2

(2

Представленный здесь цветок
абрезан по бокам, чтобы лучше
была видна механика.
а) Цветок шалфея: рычажная
механика находится в состоянии покоя.
6) Кончик карандаша приводит в
действие рычажную механику.

,

2
КАК РОЖДАЕТСЯ ДВИЖЕНИЕ

63

Большая сила
и коготкии путь
Производителями действия являются подвижные части приводящего механизма. Чаще всего они работают с большой силой, но

проходят при этом короткий путь.

Как рождается действие. техника знает
много возможностей приведения механизма в действие, как, например, паровые машины, электромоторы
или двигатели внутреннего сгорания. Все они работают
по принципу вращения, или ротации, но только у электромотора вращающееся магнитное поле возникает непосредственно, в остальных случаях необходимо преобразование. У двигателя внутреннего сгорания, например, поднимаются и опускаются поршни. Эго движение вверх-вниз преобразуется посредством волны
коленчатой рукоятки во вращательное движение. Подобно этому функционирует паровая машина. Части,
которые при этом движутся, называют производителями действия. І

Ж

_
"

Ь
(ї.____

€?._______

У двигателя внутреннего сгора-

ния поршень движется вверхвниз. Посредством коленчатого
вала это движение преобразу-

ется во вращательное.

БИОЛОГИЧССКИС ПрОИЗВОДИТСЛИ ДСЙСТВИЯ. Если металлический шарик поднимают рукой, горизонтально образующей угол, мускул бицепса сильно сокращается. Он действует как биологический производитель действия. Легко заметить, что
кость предплечья в данном случае представляет собой рычаг с неравными рукавами. Здесь можно наблюдать ту же систему, что у цветка шалфея. Для такой деятельности мускулу, конечно, нужна довольно
большая сила.
Становится ясно, как действуют, мускулы. Они расположены в человеческом теле таким образом, что работают с большой силой, но при этом проходят короткие пути. Для этого им нужна значительная рычажная передаЧа. І

а) Входной вентиль; 6) Поршень; в) Шатун; г) Коленча-

2/

тый вал; д) Выходной винтиль.

"1

Механика предплечья человека функционирует с помощью
производителя действия.

д,,ЪІ
ц_,

.Ь\
ь

'.

-

`\.
\_а`^\

64

БИОНИКА

_
1

1
.*;_.*'-'
.

Ґ

И

Мускул бицепса сгибает руку.
Ему необходимо развить дополнительную силу, если рука
несет вес.

'

.-

В-

'”
Мускул в покое.

Мускул активен

і

КРИСТЗЛЛЬІ. Пьезоэлектрические производители действия работают практически по принципу мускула нашей плечевой кости. Кристаллы
изменяют свою длину, когда к ним прикладывают
электрическое напряжение. Происходящее изменение настолько незначительно, что его нельзя заметить невооруженным глазом. Однако кристаллы
работают с большой силой.
Подобные кристаллы применяются, например,
в кварцевых наручных часах. Разработаны такие
пьсзоэлектрические системы, с помощью которых
клещи сдвигаются и раздвигаютея, открываются и
закрываются. Размер этих клещей составляет всего
лишь 0,1 миллиметра! Это является первым шагом
в направлении микроэлектроники. І

Техника все больше использует
способность некоторых кристаллов расширяться и сжиматься под электрическим напряжением. Такие кристаллы
применяются в кварцевых часах.

Ж

Инструменты, имеющиеся во рту клонов, превращаются в сосущий хоботок.

І

І

2% ті ,



ЁВ
^'\

1

1 =\

›' 1
Здесь находится слюнный насос клана.

3

\\'
\'

_

Фаза накопления: жидкость вкачивается.
1) цилиндр, 2) уплотнение,
3) поршень, 4) выходной
вентиль закрыт, 5) входной вентиль открыт.

Фаза выброса: жидкость откачивается.
1) цилиндр, 2) уплотнение,
З) поршень, 4) выходной
вентиль открыт, 5)вшдшй вентиль закрыт.

1
Н,
Если сосущий хоботок не нунсе

то клоп отводит его в сторону д
своего брюшка.

І'[рнрода создает микроскопические
соединения: техника тоже работает с
конструкциями
маленьких
размеров. Уже известны миниатюрные приборы, которые. например. но кровеносной системе человека проплывают к тому месту, где они
разрезают сгустки крови. Для
таких мельчайших технических измерений примером может служить природа. Например, издавна существуют насекомые размером в миллиметр, однако их строение достаточно совершенно.
Длина клопа составляет лишь
3-4 миллиметра. Однако в
маленькой головке находится
технический шедевр: слюнный «насос», длина которого
составляет 0,1 миллиметра.
Эта микроскопическая часть
имеет такие органы, которые
в поршневом насосе действуют как цилиндр, поршень,

привод, уплотнение, входной
и выходной вентиль. І

КАК РОЖДАЕТСЯ ДВИЖЕНИЕ

65

Пнввмдтика
и гидгавликь
С помощью воздушного и водяного давления создается движение,
очень быстрое или медленное.

/гіііг

Дирижабли приобретают свою
форму за счет давления изнутри.

Пакет используется в качестве «пневматического производителя действия».

12

Надутый пакет поднимает закрывающую пластину.

1

1
66

БИОНИКА

ВОЗДУШНОС ДЗВЛСНИС. В технике имеются конструкции, подобные надувным шарам, как, например автомобильные шины или некоторые типы воздушных кораблей, которые туго надуваются. С помощью воздушного давления можно создать движение. Если положить пластиковый
пакет под доску и надуть пакет, то доска поднимется. Если выпустить воздух, то она опять опуститься. Это и называют «пневматической системой
движения». Она используется, например, при торможении грузовых автомобилей под действием воздушного давления. Воздух под давлением выходит из компрессора, который и приводится в действие мотором. Шофер
управляет давлением в системе с помощью вентиля. І

Слегка сжиженное масло
накачивается насосом в
цилиндр, в котором находится поршень. Он выталкивается маслом и приводит в движение стрелу
эскаватора, которая вращается вокруг сочленения.

Вбольшинстве строительных машин многие части
приводится в движение с помощью гидравлики. То есть
подъем и опускание частей
происходит с помощью жидкостей. Они идеально подходят для передачи электричества, так как, в противоположность газам, не могут
сжиматься. Важнейшей жидкостью здесь является масло,
которое не замерзает и смазывает все части. І

Если масло откачивается,
то поршень опять задвигается в цилиндр. Стрела
эскаватора движется при
этом в противоположном
направлении.

ДЕІВЛСНИС ПОСРСДСТВОМ ЖИДКОСТСЙ. Часто для того чтобы
создать движение, в технике вместо воздуха применяют жидкости. В этом
случае говорят о гидравлической системе. В автомобгшьной и авиатехнике часто применяют масла. При этом в цилиндр под давлением помещается определенное количество масла, через трубки его можно связывать с
другой системой поршневых цилиндров. С помощью гидравлики масла
самолет может выпустить подкрылки, клапаны приземления и торможения. І
КАК РОЖДАЕТСЯ ДВИЖЕНИЕ

67

ГИДРЗВЛИКЭ. У ДОЖДСВОГО ЧСрВЯ.
Систему гидравлического движения природа
изобрела очень давно. Дождевой червь, например, состоит из отдельных колец. Эти кольца
содержат жидкость. Если эта жидкость благодаря движению мышц подвергается давлению, она вызвает движение. Если давлению
подвергаются кольца, следующие друг за
другом, мускулы, расположенные вокруг
них, сокращаются, и тогда дождевые черви движутся вперед. Посредством изменения давления
они продвигаются по траве и земле. І

Ко л ь ч а т а я

передняя часть дождевого

КЕІК ПрЬІГ8СТ ПЗУК-СКЗКУН. Пауки-скакуны со светлыми темными полосками обычно сидят на стенах домов и прыгают на мух,
так как они активные охотники и им не нужны сети. Если рассматривать
их под лупой, можно увидеть огромные глаза, с помощью которых они высматривают свою добычу, прежде чем напасть на нее.
2
У паука-скакуна в лапках есть мышцы, с их помощью паук может
только сгибать лапки, но не вытягивать их. Только когда жидкость быстро закачивается в ножки, он их вытягивает. (То же происходит с оболочкойдлинного воздушного шарика, которая при надувании расправляется).
У паука это происходит молниеносно. Давление создается в задней части
туловища, которая сжимается мускулами, и действие доходит тогда до самых ножек. Они вытягиваются и позволяют пауку сделать стремительный
прыжок и застать врасплох свою добычу. І

ртпггг

_ '..4пъЁ'~Ф-цдд-^< , "

Паук-скакун

*тд

д_

"

-ща»

--_.

"'\д.
1 --

а::,ді~

«ї

Фазы прыжка паука-скакуна
__

1-чІІ'с?{:__

БИОНИКА
Ч

ПрСКр2ІСНЬІС СТРСЛКИ. Рак-стрелок, длина которого составляет
лишь 2-3 см, живет на побережье Средиземного моря. Маленький рак,
прячущийся под камнями, способен на очень коварный трюк, для получения добычи. Под высоким давлением он выпускает тончайшую струйку
воды, стреляет ею в свою добычу, отчего та теряет сознание. Если такого
рака посадить в стакан воды, то он может разбить его силой своей струйки
воды. Такой принцип применяется при производстве игрушек, например,
водных пистолетов. І
КАК РОЖДАЕТСЯ ДВИЖЕНИЕ

ВИҐАТЕЛЬНАЯ
СИСТЕМА - РУКА
Рука - плечевой сустав, плечо, локтевой сустав, предплечье,

ля шарнирного сочленения, примером которого

лучезапястный сустав и кисть = самая подвижная часть тела

может служить локоть, нужно
лишь две мышцы. Первая сги-

ЧЄЛОЄЄКП.

бает руку, уменьшая таким об-

разом угол между плечом и

Человеческая рука. Раооиотрим отдель-

предплечьем. Это бицепс. Дру-

ные суставы нашей руки несколько подробнее.
С помощью плечевого сустава мы можем вращать рукой и двигать ею в любом направлении.
Плечевой сустав - это вид шаровидного сустава, который можно сравнить с шарниром

гая мышца выполняет противоположную задачу и разгибает руку, увеличивая угол. Это

делает мускул, который находится на другой стороне плеча
и не является таким сильным,

`

как бицепс. Он называется
Трицепс. Трицепс и бицепс ра-

штатива, на который ставят фотокамеру.

Иным является локтевой сустав. С его помощью можно двигать предплечьем только
в одном направлении или в одной плоскости. Этот сустав можно сравнить с шарнирными соединениями, какие мы видим у дверей и сундуков. Лучезапястный сустав позволяет нам сгибать руку
и даже немного вращать ею. Таким обра-

ботают вместе. Когда один сокращается, другой вытягивается и наоборот. Эта пара образу-

ет одно целое. В шаровидных
суставах, как в плечевом суставе, или комбинированных сочленениях, как в лучезапястном суставе, недостаточно двух
групп мускулов. Необходимо
несколько групп мускулов, которые могуг двигать соответствующую часть тела во всех на-

1

ЗОМ, МЬІ ИМССМ ДСЛО С КОМОИНИРОВЗННЬІМ
СУСТЗВОМ. У НСГО ССТЬ ПРИЗНЗКИ НС ТОЛЬКО
ШЕІРНИРНОГО, НО И ШЕІРОВИДНОГО СУСТЭВЗ. І

правлениях. І

РУКЕІ рОООТ21. Руки и ноги роботов чаще всего деЛЯТСЯ НЗ ЧНСТИ, ПОДООНО ЧСЛОВСЧССКИМ КОНСЧНОСТЯМ.

У них тоже есть части, подобные плечу и предплечью,
кисти руки и трем суставам. Можно сконструировать руки роботов, которые состоят и из других составляющих. Мы не можем бесконечно долго
производить вращательные движения рукой в
одном направлении. Рука же робота может
быть снабжена ротором, который может
приводить к вращению детали, совершая это движение длительный

, (



период времени. В этом она превосходит руку человека. І

д

дв»-~_`_
/_

_ _



_,-1--.

_;

Ґ

_ 4
'_
1
Ґ
і

_-.

Є