Физика в мире животных

Презентация на тему: Физика в живой природе

ФИЗИКА В ЖИВОЙ ПРИРОДЕ

МОУ БСОШФизика в живой природе Проект по физике выполнили ученики 7б класса Пильченков Андрей и Королёв Алексей. Руководитель-учитель физики Филипченкова С.В. г.Белый. 2010г.

Физика-наука о природе, а в ней столько интересного!

Введение Физика-это наука понимать природу.Природа многообразна. Это наша планета и всё живое и неживое, что есть на ней.Вокруг очень много интересного: восходы и закаты, осадки и разнообразие цветов, многочисленные популяции животных, птиц и насекомых. Всё это полно тайн, загадок и вопросов. Приоткрыть хотя бы несколько из них мы и хотим сегодня.

Цель работы Провести исследование физических явлений в живой природе и возможности их использования в повседневной жизни.

Задачи работы 1.Расширить кругозор по наукам о природе и межпредметных связях этих наук. 2.Найти сведения о физических явлениях в окружающем мире.3.Подобрать интересные факты из жизни животных, птиц и насекомых, подтверждающих, что в природе всё взаимосвязано.4.Показать применение этих фактов для более полного понимания живой природы.

Возможность использования 1.В качестве дополнительного материала на уроках физики, биологии, географии.2.Материала для внеклассной работы, проведения конкурсов, викторин, олимпиад 3.Для расширения кругозора учащихся всех возрастов.

Актуальность исследования Природа многообразна и интересна. Если мы научимся понимать её, находить связи с другими науками и применять знания в повседневной жизни, то очень многому сможем научиться у природы. Если интересно нам, то мы сможем заинтересовать других и сделать любой урок физики, биологии и географии интересным, познавательным и информативным.

Выдвинутая гипотеза В живой природе можно найти все физические явления: механические, оптические, звуковые, электрические, магнитные и тепловые.Если внимательно наблюдать, можно очень многое узнать и использовать.

МЕХАНИЧЕСКИЕ ЯВЛЕНИЯ Движение- основное свойство живой материи. Движутся молекулы и атомы, движутся насекомые и животные, движется наша планета Земля и практически всё на ней.СКОРОСТИ ДВИЖЕНИЯ В ЖИВОТНОМ МИРЕ, КМ/ЧАкула- 40 Лосось-27Меч-рыба-80 Тунец-80Майский жук-11 муха-18Пчела-25 стрекоза-36Гепард-112 жираф-51Кенгуру-48 лев-65Лось-47 грач-41Ворона-25-32 воробей-35Черепаха-0,5 улитка-0,00504

Интересно Первое впечатление в жизни жирафа- падение с двухметровой высоты. Через час жирафёнок способен бегать и способен следовать за мамой со скоростью 50 км/ч

Эти лица всем знакомы

Догонит ли волк зайца? За 10 минут заяц-русак пробегает путь 10 километров, а волк- за 30 минут пробегает 20 километров. Отсюда волк может догнать зайца. Средняя скорость волка- 55-60 км/ч, а зайца 60км/ч. И всё-таки у зайца есть возможность УДРАТЬ от волка.

А волосы растут У человека 95% поверхности кожи покрыто волосами. На голове- от 90 тыс.волос у рыжих до 140 тыс. у блондинов. На каждой брови около 700 волосков, на веке -около 80 ресничек. В день на голове взрослого человека вырастает 35м волоса (каждый волос на0,35 мм).Волос длиной в 1м должен расти 8 лет. Мировой рекорд длины волос- 7.93 м.

Тепловые явления Всё, что происходит в природе, так или иначе связано с теплотой. Меняется температура окружающей среды, каждое тело имеет свою температуру. Солнце отдаёт своё тепло нашей планете. Тают сосульки и образуется туман. Всё это тепловые явления.

Крокодилы ,находясь на суше, разевают пасть, чтобы увеличить теплоотдачу путём испарения. Если становится очень жарко, они уходят в воду. Ночью погружаются в воду для того, чтобы избежать воздействия более прохладного теперь воздуха.

Дом из снега Белая медведица устраивает берлогу в сугробе среди ледяной пустыни. Мощными лапами она выкапывает в твёрдом слое снега туннель длиной до 12 метров, где рожает детёнышей и прячется с ними от холода до весны.Снаружи температура может снижаться до -30-40 градусов Цельсия, а в берлоге не ниже 20 градусов Цельсия.

В условиях сильнейшего мороза пингвины согревают и яйцо, и птенцов на своих лапах под жировой складкой.

Электрические явления 26 сентября 1786г. Итальянский врач- Луиджи Гальвани сделал важное открытие о существовании >.Про-фессор физики из города Павии Алессандро Вольта сделал вывод, что контакт двух разных металлов ,соприкасающихся с жидкостью в лягушачьей лапке, является источником электричества.

Живые электростанции Скаты являются живыми электростанциями, вырабатывающими напряжение около 50-60 вольт и дающими разрядный ток 10 ампер. Все рыбы, дающие электрические разряды, используют для этого специальные электрические органы.

Электрические рыбы Самые сильные разряды производит южно американский электрический угорь. Они достигают 500-600 вольт. Такое напряжение способно свалить с ног лошадь.

КРАСКИ ПРИРОДЫ- РЕЗУЛЬТАТ ОПТИЧЕСКИХ ЯВЛЕНИЙ

ОПТИЧЕСКИЕ ЯВЛЕНИЯ Существует очень много примеров оптических явлений в природе: свечение моря(свечение живых организмов в нём), светлячки, личинки комаров, грибы, медузы также светятся в темноте.

Глаза воспринимают свет Глаза бывают двух видов: простые и сложные (фасеточные), состоящие из тысяч отдельных зрительных единиц.У стрекозы их около 30000.

Глаза бывают разные

ЗВУКОВЫЕ ЯВЛЕНИЯ Мир полон звуков. Поют птицы и работает радио, шумит трава и лает собака. Мы слышим только малую часть из всех звуков (ухо человека воспринимает звуки частотой от16 до 20000Герц).Инфразвук и ультразвук мы не слышим.Чего не скажешь о других. Дельфин способен воспринимать очень слабые эхо-сигналы. Например ,он прекрасно «Замечает» маленькую рыбку, появившуюся на расстоянии 50м.

Живые эхолокаторы Летучие мыши охотятся ночью, вслушиваясь в темноту. Посылая ультразвуковые сигналы, частота которых до 200 Герц, они определяют размеры, скорость и направление полёта добычи.

Живые пеленгаторы Европейские водомерки находят пищу, исследуя рябь на воде, создаваемую упавшим в неё насекомым. Кашалоты издают звуки и, анализируя эхо, находят добычу. Они оглушают добычу своими сигналами.

Птицы всегда знают, куда надо лететь Птицам компас не нужен. Они очень чётко ориентируются по магнитному полю Земли.

Живые компасы Самки синей акулы спариваются у восточного побережья США, а производят потомство у берегов Европы. Они ориентируются под водой по магнитному полю Земли геомагнитной информации. Так называемые ампулы Лоренцини, расположенные на рыле, улавливают электромагнитные колебания и определяют направление магнитного поля донных пород. Акулы пользуются этим как компасом.

Внимание! Магнитное поле! Магнитное поле влияет на всё живое. Оно может задерживать развитие живых организмов, замедлять рост клеток, изменять состав крови. Для человека безопасно поле в 300-700 эрстед. Сильное неоднородное магнитное поле (около 10килоэрстед) может убить молодые особи живых организмов. Изменение магнитного поля влияет на метеочувствительных людей. Магнитные бури известны многим.

Будет хорошая погода

ВЫВОД Наша гипотеза верна. Все физические явления нашли своё отражение в живой природе. Мир этих явлений интересен, загадочен, многообразен. Изучайте и узнавайте о нём больше. Удивляйтесь, любите жизнь и всё в ней.Удивляйся, удивляйсяНебу, грому и дождю,Червяку и бегемоту,Звёздам, снегу и коту!Удивляйся и влюбляйсяВ мир, подобный хрусталю.Хрупкий он, нужна заботаГорам, морю и цветку.Жизнь люби и удивляйся-Интересное кругом!Человеком оставайся,И добро войдёт в твой дом!

Рубрика «физика в мире животных»

Физика в мире животных: жираф и его «насос»

Для человека многие животные кажутся привычными, они вроде как уже и не могут нас ничем удивить. Но на самом деле, любой живой организм на Земле — это целая биохимическая лаборатория, которая содержит ряд интереснейших механизмов. О многих животных уже публиковались материалы на Geektimes, но, конечно, далеко не о всех.

Задумывались ли вы, каким образом жираф пьет воду? Может быть, кто-то даже видел, как животное делает это, в зоопарке? На самом деле, с такой длинной шеей, как у жирафа, просто попить не получится. В его организме есть несколько приспособлений, которые позволяют без особых проблем утолить жажду, когда хочется. Внешне все просто — животное раздвигает передние конечности и наклоняет шею, прикасаясь к поверхности воды губами. Самое интересное скрыто от глаз человека.
Читать полностью »

Физика в мире животных: морские губки и их «оптоволокно»

Краб, вероятно, пришел полюбоваться на совершенную структуру скелета стеклянных губок вида Корзинка Венеры

Морские губки — примитивные организмы. Это беспозвоночные животные, которые проводят практически всю жизнь, прикрепившись к скалам или дну. Губки встречаются практически повсеместно, от прибрежных зон до самых глубоких мест в океане. Представлены губки примерно 8000 видов. У них нет настоящих тканей и органов, их функции выполняют отдельные клетки и пласты клеток. Питаются губки, прогоняя воду через собственное тело. Фильтрат, куда попадают мелкие существа и различные органические частицы, и служат питанием для губки.

Есть и хищные губки — их насчитывается около 140 видов. Эти хищники питаются рачками и другими мелкими животными. Для охоты губки семейства Cladorhizidae используют длинные липкие нити клеточного строения. Когда жертва приклеивается к нити, она укорачивается, подтягивает жертву к губке, которая постепенно обволакивает жертву и переваривает. Фильтрацию воды губки используют не только для получения пищи, но и для того, чтобы получить кислород для тканей тела. По словам специалистов, каждый день многие виды губок прокачивают через себя объем воды, в 20000 превышающий их собственный объем тела. Одним из самых необычных видов губок — Cladorhizidae. Этих существ можно назвать живым оптоволокном.
Читать полностью »

Физика в мире животных: дятел и его «отбойный молоток»

Источник: audubon.org

Дятлы (лат. Picidae) — крупное семейство птиц, в которое входит 233 вида. В большинстве случаев дятлы обитают в лесах. Это лазающие древесные птицы, которые летают, хотя и не очень хорошо. Подавляющее большинство представителей семейства отличаются от других птиц необычным долотообразным клювом. С его помощью дятлы долбят кору и сердцевину дерева, стараясь найти основную свою пищу: насекомых и их личинок.

Свой крепкий клюв дятлы используют не только для добычи пищи, но и для создания гнезд, которые обычно устраивают в дуплах деревьев. Стучат по дереву дятлы и для связи друг с другом. Весной самцы многих видов дятлов барабанят клювом по сухим деревьям. Такие трели, наверное, слышали многие читатели. Тело дятла практически идеально адаптировано к его образу жизни. Благодаря этому дятел может выдерживать значительные нагрузки, которые смертельно опасны для многих других живых организмов.
Читать полностью »

Физика в мире животных: колибри и ее полет

Колибри — небольшие по размеру птицы, которые живут и в Северной и в Южной Америке. Существует 330 видов колибри, причем подавляющее большинство — это ярко окрашенные птицы очень небольшого размера. Весят колибри всего лишь несколько граммов. Максимальный размер одного из видов колибри почти равен размеру обычного скворца. Самая маленькая колибри весит 2 грамма, длина ее тела всего лишь несколько сантиметров.

Колибри примечательны не только размером. Дело в том, что эти птицы — мастера полета высокого класса. Они могут летать практически в любом направлении, зависать в воздухе, совершать вертикальный взлет и посадку. Зависать на месте могут и некоторые другие птицы, но колибри превосходят все прочие виды, останавливаясь на одном месте надолго и без видимых усилий.
Читать полностью »

Физика в мире животных: тукан и его клюв

Даже те люди, кто совсем не ориентируется в видах птиц, и не знает, какая птица как выглядит, без труда узнают представителя семейства тукановых. Живут туканы в равнинных и горных тропических лесах Северной и Южной Америки, обычно в дуплах деревьев. У большинства птиц этого семейства непропорционально большой клюв. Обычно оно очень ярко окрашен.

Клюв тукановых достигает примерно половины длины тела птицы. Выглядит этот «инструмент» очень тяжелым и неудобным, но на самом деле это не так. Внутри огромного клюва много пневматических полостей, поэтому он легкий. Но клюв тукана не только легкий, но еще и очень крепкий. Этот настоящее чудо природы, один из лучших инженерных «проектов» в мире животных.
Читать полностью »

Физика в мире животных: жук-бомбардир и его «орудие»

Жук-бомбардир вида Brachinus crepitans (фото: beatlename.ru)

Жуки-бомбардиры представлены подсемействами Brachininae и Paussinae (семейство жужелицы). Встречаются бомбардиры повсеместно, их нет разве что в Антарктиде. Более известным является подсемейство Brachininae. Его представителей ученые изучили лучше всего.

Размер жуков этого подсемейства самый разный. Максимальный размер жука-бомбардира составляет 3 см. Выглядят они обычно, нет ни ярких надкрылий, ни особенно больших жвал. Зато есть нечто другое — способность стрелять во врага ядовитой жидкостью, температура которой достигает 100 °C. При этом жидкость сама по себе примечательна, не говоря уже о процессе «выстрела».
Читать полностью »

Физика в мире животных: электрический угорь и его «энергостанция»

Экология жизни: Рыба вида электрический угорь (Electrophorus electricus) — единственный представитель рода электрических угрей (Electrophorus). Встречается он в ряде приток среднего и нижнего течения Амазонки. Размер тела рыбы достигает 2,5 метра в длину, а вес — 20 кг. Питается электрический угорь рыбой, земноводными, если повезет — птицами или мелкими млекопитающими.

Рыба вида электрический угорь (Electrophorus electricus) — единственный представитель рода электрических угрей (Electrophorus). Встречается он в ряде приток среднего и нижнего течения Амазонки. Размер тела рыбы достигает 2,5 метра в длину, а вес — 20 кг. Питается электрический угорь рыбой, земноводными, если повезет — птицами или мелкими млекопитающими. Ученые изучают электрического угря десятки (если не сотни) лет, но только сейчас начали проясняться некоторые особенности строения его тела и ряда органов.

Причем способность вырабатывать электричество — не единственная необычная черта электрического угря. К примеру, дышит он атмосферным воздухом. Это возможно благодаря большому количеству особого вида ткани ротовой полости, пронизанной кровеносными сосудами. Для дыхания угрю нужно каждые 15 минут всплывать к поверхности. Из воды кислород брать он не может, поскольку обитает он в очень мутных и мелких водоемах, где очень мало кислорода. Но, конечно, главная отличительная черта электрического угря — это его электрические органы.

Электрический угорь (Источник: youtube)

Они играют роль не только оружия для оглушения или убийства его жертв, которыми угорь питается. Разряд, генерируемый электрическими органами рыбы, может быть и слабым, до 10 В. Такие разряды угорь генерирует для электролокации. Дело в том, что у рыбы есть специальные «электрорецепторы», которые позволяют определять искажения электрического поля, вызываемые его собственным телом.

Электролокация помогает угрю находить путь в мутной воде и находить спрятавшихся жертв. Угорь может дать сильный разряд электричества, и в это время затаившаяся рыба или земноводное начинает хаотично дергаться из-за судорог. Эти колебания хищник без труда обнаруживает и съедает жертву. Таким образом, эта рыба является одновременно и электрорецептивной и электрогенной.

Интересно, что разряды различной силы угорь генерирует при помощи электрических органов трех типов. Они занимают примерно 4/5 длины рыбы. Высокое напряжение вырабатывают органы Хантера и Мена, а небольшие токи для навигационных целей и коммуникационных целей генерирует орган Сакса. Главный орган и орган Хантера размещаются в нижней части тела угря, орган Сакса — в хвосте. Угри «общаются» между собой при помощи электрических сигналов на расстоянии до семи метров. Определенной серией электрических разрядов они могут привлекать к себе других особей своего вида.

Как электрический угорь генерирует электрический разряд?

Угри этого вида, как и ряд других «электрифицированных» рыб воспроизводят электричество тем же образом, что и нервы с мышцами в организмах других животных, только для этого используются электроциты — специализированные клетки. Задача выполняется при помощи фермента Na-K-АТФазы (кстати, этот же фермент очень важен и для моллюсков рода наутилус (лат. Nautilus)).

Благодаря ферменту образуется ионный насос, выкачивающий из клетки ионы натрия, и закачивающий ионы калия. Калий выводится из клеток благодаря специальным белкам, входящих в состав мембраны. Они образуют своеобразный «калиевый канал», через который и выводятся ионы калия. Внутри клетки скапливаются положительно заряженные ионы, снаружи — отрицательно заряженные. Возникает электрический градиент.

Разница потенциалов в результате достигает 70 мВ. В мембране той же клетки электрического органа угря есть и натриевые каналы, через которые ионы натрия могут снова попасть в клетку. В обычных условиях за 1 секунду насос выводит из клетки около 200 ионов натрия и одновременно переносит в клетку приблизительно 130 ионов калия. На квадратном микрометре мембраны может разместиться 100- 200 таких насосов. Обычно эти каналы закрыты, но в случае необходимости они открываются.

Если это произошло, градиент химического потенциала приводит к тому, что ионы натрия снова поступают в клетки. Происходит общее изменение напряжения от -70 до +60 мВ, и клетка дает разряд в 130 мВ. Продолжительность процесса — всего 1 мс. Электрические клетки соединяются между собой нервными волокнами, соединение — последовательное. Электроциты составляют своеобразные столбики, которые соединяются уже параллельно. Общее напряжение генерируемого электрического сигнала достигает 650 В, сила тока — 1А. По некоторым данным, напряжение может достигать даже 1000 В, а сила тока — 2А.

Электроциты (электрические клетки) угря под микроскопом

После разряда снова действует ионный насос, и электрические органы угря заряжаются. По мнению некоторых ученых, насчитывается 7 типов ионных каналов мембраны клеток электроцитов. Расположение этих каналов и чередование типов каналов влияет на скорость производства электричества.

ПОДПИСЫВАЙТЕСЬ на НАШ youtube канал Эконет.ру, что позволяет смотреть онлайн, скачать с ютуб бесплатно видео об оздоровлении, омоложении человека. Любовь к окружающим и к себе, как чувство высоких вибраций – важный фактор

Разряд электрической батареи

По результатам исследования Кеннета Катания (Kenneth Catania) из Университета Вандербильта (США), угорь может использовать три типа разряда своего электрического органа. Первый, как и упоминалось выше — это серия низковольтных импульсов, которые служат для коммуникации и навигационных целей.

Второй — последовательность из 2-3 высоковольтных импульсов продолжительностью несколько миллисекунд. Этот способ используется угрем при охоте на спрятавшуюся и затаившуюся жертву. Как только дано 2-3 разряда высокого напряжения, мышцы затаившейся жертвы начинают сокращаться, и угорь может без труда обнаружить потенциальную еду.

ПОДПИСЫВАЙТЕСЬ на НАШ youtube канал Эконет.ру, что позволяет смотреть онлайн, скачать с ютуб бесплатно видео об оздоровлении, омоложении человека. Любовь к окружающим и к себе, как чувство высоких вибраций – важный фактор

Третий способ — ряд высоковольтных высокочастотных разрядов. Третий способ угорь использует при охоте, выдавая за секунду до 400 импульсов. Этот способ парализует практически любое животное небольшого и среднего размера (даже человека) на расстоянии до 3 метров.

Кто еще способен вырабатывать электрический ток?

Из рыб на это способны около 250 видов. У большинства электричество — лишь средство навигации, как, например, в случае слоника нильского (Gnathonemus petersii).

Но электрический разряд чувствительной силы способны генерировать немногие рыбы. Это электрические скаты (ряд видов), электрический сом и некоторые другие.

Электрический сом (Источник: Wikipedia)

Джейсон Гэллент с коллегами провели секвенсирование генома ряда рыб с электрическими органами, и выяснили, что многие из изученных ими видов не являются родственниками. «Изобретение» природой электрических органов у рыб шло параллельно, но строение батарей очень схоже у всех.

uCrazy.ru

Навигация

МИНИ ЧАТ

26 января 2020 11:51
Бухарик

С праздником, студенты и Татьяны!

Всяко разно +25

25 января 2020 03:47
Олдман

Николаев, на середину февраля прогноз, был. Уже сменили на +8

Где?

25 января 2020 01:07
Олдман

+4, на следующую неделю до +17 обещают.

24 января 2020 23:36
Михась

Вечер в хату.А у нас в Ртищево -10 сейчас,вчера метель небольшая была.

В питере не зима- а весна. Был морозец 3 градуса. А так все дни плюс 3-5. Снега нет, цветут цветы, зеленеет трава.

Дима, завязывай! Болеть надо после бурных выходных и то, только до апохмелки)

24 января 2020 17:25
NikoniX

Привет!
Да что-то не знаю, давно не болел и решил поностальгироват ь.

ПРИВЕТИЩЕ, ГОСПОДА. ))))
В Колпашево тоже снегопад, утром -1 было)))
Как житуха, крэйзивчане?))))

И что ты, Дмитрий, такое интересное “что-то&quo t; приобрел?))

Диман, дык живём то рядом. Хули тут 250 верст расстояния

24 января 2020 15:15
NikoniX

Да-да, аналогично, Жень.

0 градусов и снега навалило как в заполярье.

24 января 2020 14:35
NikoniX

Алексей, привет!
У нас 0 градусов, идет снег и ветрено.
Как у вас в Петербурге?
А ещё я что-то приболел.

24 января 2020 12:28
Михась

Вечер в хату,чаёк в сладость,часик в радость.

23 января 2020 20:25
NikoniX

Доброе утро и хорошего дня 🙂

23 января 2020 10:06
Олдман

Шайтан аднака- https://www.yout ube.com/watch?v= oE15yG8hCpc&t=35 s

Ссылка почему-то неправильная.

Всем привет ))) Всем кто выжил после НГ )))) А я до сих пор

22 января 2020 11:09

ЛУЧШЕЕ ЗА НЕДЕЛЮ

ОПРОС

СЕЙЧАС НА САЙТЕ

КАЛЕНДАРЬ

Сегодня день рождения

Физика в мире животных: лапа геккона

Гекконы – обитатели тропических и субтропических областей Старого и Нового Света. Эти ящерицы живут и на континентах, и на островах, ареал их распространения обширен. У гекконов есть одна особенность – они умеют удерживаться практически на любой поверхности. Вес тела животного удерживает даже одна лапа. Поверхность может быть любой – дерево, скальная порода, даже полированное стекло.

На способность геккона крепко держаться за что угодно обращали внимание еще древние греки. Аристотель пытался понять принцип закрепления лапы ящерицы, интересовались гекконами и средневековые ученые. Изучают их и в наше время. Есть несколько теорий, объясняющих выдающиеся способности этих ящериц в “альпинизме”.

Присоски на пальцах. Одно из первых объяснений, которое выглядело вполне логичным. Правда, после изучения лапы геккона под микроскопом оказалось, что присосок на пальцах нет. К сожалению, миф о присосках живет и по сей день.

Электростатика. Еще одно правдоподобное объяснение, которое удалось опровергнуть (хотя есть и некоторые подтверждения этой теории, о них поговорим ниже), создав условия, при которых заряда на лапах геккона просто не могло быть. Животное все равно крепко держалось на гладкой поверхности.

Опровержение было получено еще в 30-х годах прошлого века. Немецкий ученый Вольф-Дитрих Деллит (Wolf-Dietrich Dellit) направил поток ионизированного воздуха в сторону лап геккона, который держался на металлической поверхности. Ионизация, по мнению Деллита, должна была нейтрализовать или значительно уменьшить силу сцепления лап с поверхностью, если бы механизм сцепления имел электрическую природу. Этого не произошло, поэтому был сделан вывод, что гекконы используют что-то еще.

Канадский ученый Александр Пенлидис считает, что этот эксперимент был некорректным. Дело в том, что контакт между лапами геккона и поверхностью чрезвычайно тесен, вследствие чего ионизированные молекулы просто не в состоянии проникнуть между сверхмалыми структурами лап и поверхности и нейтрализовать взаимодействие.

Сцепление лап геккона с неровностями поверхности. Это объяснение тоже не подходит, поскольку гекконы могут передвигаться по вертикальной поверхности из полированного стекла. Более того, они могут передвигаться и по потолку из того же материала.

С появлением электронного микроскопа лапу геккона удалось изучить во всех деталях. Как оказалось, она покрыта чрезвычайно тонкими щетинками, длина которых составляет до сотни микрометров. Концентрация щетинок на единицу площади поверхности лапы очень высока: более 14 000 волосков на 1 мм^2. Каждая щетинка, в свою очередь, не является монолитным образованием, а делится на конце на 400-1000 еще более мелких волокон. Толщина таких волокон составляет 0,2 мкм. На 1 см^2 контакта с поверхностью приходится около 2 млрд волокон, каждое из которых к концу расширяется.

Американские ученые выяснили, что сила сцепления лапы геккона токи составляет 10 Ньютон на 1 см^2. Такое сцепление возможно лишь для гладких поверхностей, где задействованы практически все волокна на лапах животного. Если речь идет о поверхностях, часто встречающихся в местах обитания гекконов – скалы, деревья, здесь задействована лишь часть волокон на лапах (в силу большого числа неровностей на этих поверхностях), но и этого достаточно для удержания животного на месте.

Как оказалось, микроскопические волоски на лапах геккона сцепляются с опорной поверхностью посредством ван-дер-ваальсовых сил. Ван-дер-ваальсовы силы – силы межмолекулярного (и межатомного) взаимодействия с энергией 10-20 кДж/моль. Основу ван-дер-ваальсовых сил составляют кулоновские силы взаимодействия между электронами и ядрами одной молекулы и ядрами и электронами другой. На определенном расстоянии между молекулами силы притяжения и отталкивания уравновешивают друг друга, и образуется устойчивая система. Именно такую систему и составляет лапа геккона с поверхностью, с которой она соприкасается.

Сложное строение лапы обеспечивает и еще одно ее свойство – гидрофобность. Лапа отталкивает воду и грязь, благодаря чему геккон может неплохо передвигаться и по влажным поверхностям.

Геккон без проблем открепляет лапу от поверхности, на которой она закреплена. Для этого используется специальный механизм. Дело в том, что прикрепившаяся к какому-либо материалу щетинка может без труда открепиться, если угол между волокном и поверхностью составит более 30°. При движении, изменяя угол соприкосновения лапы и поверхности, геккон без труда закрепляет и открепляет лапы. Затраты энергии на этот процесс минимальны.

Силы Ванд-дер-ваальса или что-то еще?

Два года назад канадский ученый Александр Пенлидис (Alexander Penlidis) решил самостоятельно изучить механизм прилипания лап геккона к поверхностям. Как оказалось, при соприкосновении лапы и поверхности возникает обмен электрическими зарядами. В итоге образуется положительный электростатический заряд у лапы и отрицательный – у поверхности.

Пенлидис ставил эксперимент с двумя типами полимерных поверхностей – тефлоном AF и полидиметилсилоксаном. Согласно выводам, сделанным ученым по результатам исследования, сила адгезии коррелировала с величиной электростатического заряда лапы и поверхности. А из этого следует, что именно электрический заряд играет главную роль в сцеплении лапы с поверхностями.

Исследование интересное, но оно не отвечает на важный вопрос – каким образом геккон держится на очень неровных поверхностях, где обеспечить адгезию с использованием электрического заряда гораздо сложнее, чем на ровной поверхности. Возможно, лапы геккона имеют двойной механизм сцепления – и силы ван-дер-ваальса, и электрический заряд.

В подавляющем большинстве случаев ученые проводили эксперименты с гекконами в сухой среде. Ученые из Акронского университета решили проверить, насколько хорошо ящерица может перемещаться по увлажненным поверхностям. Как оказалось, если распылить на стеклянную пластину воду, то животное держится на такой поверхности гораздо хуже, чем на той же пластине без капель воды.

Тем не менее, удержаться на влажной поверхности геккону удается. Но если пластину погрузить на небольшую глубину в воду, а геккона снова поместить на пластину, то ящерица не может удержаться на поверхности в таких условиях. Если погрузить лапы геккона в воду на полтора часа, а затем посадить его на стекло, он соскальзывает, не в силах закрепиться.

По мнению Алиссы Старк (Alyssa Stark) из Акронского университета, это объясняется тем, что вода мешает силам ван-дер-ваальсового взаимодействия, и лапы геккона не могут закрепиться на поверхности.

В механизме закрепления лап на поверхности участвует все тело геккона, утверждают ученые из Массачусетского университета в Амхерсте. Тело рептилии, по словам Альфреда Кросби (Alfred Crosby), играет роль пружины, которая прижимает лапы к поверхности. И чем больше масса тела геккона, тем сильнее эта пружина. Благодаря этому механизму в любой поверхности отлично держатся и крупные виды гекконов, а не только их мелкие родственники.

Несмотря на то, что Александр Пенлидис смог доказать влияние электрического заряда на адгезионную способность лап геккона, большинство специалистов поддерживают все же точку зрения о механизме сцепления на основе сил ван-дер-ваальса. Сейчас ученые пытаются объяснить еще одну интересную проблему – происхождение этого механизма в процессе эволюции.

С тех пор, как механизм работы лапок геккона в целом стал понятен, люди пытаются воcпроизвести его искусственно. В частности, агентство DARPA создало альпинистское оборудование, позволяющее человеку с массой 122 кг (масса тела + полезная нагрузка) взобраться на стеклянную отвесную стену на высоту в 7,6 м. Инженер из Стэнфорда создал робота, который может взбираться по практически отвесным гладким поверхностям. Манипуляторы робота тоже созданы по образцу лапы геккона. А специалисты из Пенсильванского университета разработали новый тип высокоточного захвата, который можно использовать на производстве для работы с мелкими деталями. Ведется и разработка сверхклейкого скотча, который может выдержать много циклов использования и поверхность которого не загрязняется при длительном использовании. В NASA разработали специальное крепление, которое можно использовать как условиях Земли, так и в условиях невесомости в космосе. Оно позволяет крепить грузы к поверхностям при помощи специальной “липучки”, созданной по образу и подобию поверхности лапки геккона.

Физика в мире животных

Даже те люди, кто совсем не ориентируется в видах птиц, и не знает, какая птица как выглядит, без труда узнают представителя семейства тукановых. Живут туканы в равнинных и горных тропических лесах Северной и Южной Америки, обычно в дуплах деревьев. У большинства птиц этого семейства непропорционально большой клюв. Обычно оно очень ярко окрашен.

Клюв тукановых достигает примерно половины длины тела птицы. Выглядит этот «инструмент» очень тяжелым и неудобным, но на самом деле это не так. Внутри огромного клюва много пневматических полостей, поэтому он легкий. Но клюв тукана не только легкий, но еще и очень крепкий. Этот настоящее чудо природы, один из лучших инженерных «проектов» в мире животных.

Такой клюв выглядит даже немного угрожающе. Но сама птица никакой угрозы ни для кого не представляет (разве что для зверя, напавшего на птенцов). Туканы — растительноядные птицы, которые питаются ягодами и фруктами. Большой клюв нужен тукану для того, чтобы срывать плоды с тонких веток, которые вес птицы не выдержат. Благодаря длинному клюву тукан может дотянуться до плода, который висит недосягаемо далеко для большинства других растительноядных птиц. Туканы занимаются еще и тем, что перебрасываются ягодами — и здесь большой и цепкий клюв приходится как нельзя кстати.

Для того, чтобы плоды было легче удерживать и вскрывать, на конце клюва расположены зазубрины. Помогает в этой «работе» и длинный и липкий язык. Ряд специалистов полагает, что большой и яркий клюв тукана помогает ему находить сородичей, заявляя о собственном присутствии.

Когда человек видит тукана, чаще всего возникает вопрос о том, как же эта птица спит. Как вообще можно спать с таким клювом? Ответ прост. Отдыхает птица в глубоком дупле, закину клюв на спину. Помещается он там идеально. Хвост складывается на груди, и большой тукан превращается в средних размеров пернатый шарик.

Как уже говорилось выше, клюв тукана вовсе не так тяжел, как это могло бы показаться. Клюв очень прочный, но он создан из легкого материала с большим количеством пневматических полостей. Изучением клюва тукана занимаются не только орнитологи, но также и ученые других специальностей, например, материаловеды. Лучше всех клюв изучил Марк Андрэ Мейерс [Marc A. Meyers], специалист по материаловедению из Калифорнийского университета.

Он обнаружил, что верхняя часть клюва состоит из костной ткани и мембран. Нечто подобное можно было бы создать из пены, которая умеет быстро застывать. Эта костная «пена» расположена между внешними слоями кератина. Это вещество, к примеру, входит в состав наших ногтей. «Пенообразная» структура клюва тукана обеспечивает его прочность и легкость. Внешний слой костной ткани представляет собой набор большого количества слоев небольших шестиугольных плиток. Ширина плитки составляет около 50 мкм, а толщина — около 1 мкм. Костный материал закрыт сверху кератиновыми чешуйками, скрепленными вместе.

Поверхность клюва тукана покрыта несколькими слоями кератиновых пластин

Специалист по материаловедению Марк Мейерс провел компьютерное моделирование, и выяснил, что конструкция клюва тукана является почти идеальной. «Это как если бы тукан владел глубокими познаниями в сфере машиностроения», — говорит Майерс. «Большим сюрпризом является еще и то, что двухслойная структура клюва создает систему поглощения энергии удара высокой эффективности». Структура клюва немного напоминает внутреннюю структуру костей человека. Но в костях нет той «костной пены», которая есть в клюве птицы.

Недавно также выяснилось, что клюв тукана помогает птице регулировать температуру своего тела. Он действует по принципу автомобильного радиатора. Когда становится жарко, клюв тукана очень быстро нагревается, принимая на себя тепло тела. Избыточная тепловая энергия затем рассеивается в воздухе.

В клюве туканов большое количество кровеносных сосудов. Используя особый механизм, птица может увеличивать или ограничивать приток крови. В результате в жару тело птицы охлаждается, а когда становится холодно — тепло тела сохраняется.

Изучив особенности строения клюва туканов, специалисты занялись разработкой прочных и легких материалов со структурой, схожей на структуру клюва тукана. Такие материалы можно будет с успехом применять в промышленности. Например, сделать удароустойчивый бампер для автомобиля или легкую и прочную деталь для самолета.

Изучение особенностей строения клюва туканов еще и продолжается. И кто знает, возможно, ученые смогут раскрыть еще не один секрет этого чудесного инструмента.

Физика в мире животных: жираф и его «насос»

Для человека многие животные кажутся привычными, они вроде как уже и не могут нас ничем удивить. Но на самом деле, любой живой организм на Земле — это целая биохимическая лаборатория, которая содержит ряд интереснейших механизмов. О многих животных уже публиковались материалы на Geektimes, но, конечно, далеко не о всех.

Задумывались ли вы, каким образом жираф пьет воду? Может быть, кто-то даже видел, как животное делает это, в зоопарке? На самом деле, с такой длинной шеей, как у жирафа, просто попить не получится. В его организме есть несколько приспособлений, которые позволяют без особых проблем утолить жажду, когда хочется. Внешне все просто — животное раздвигает передние конечности и наклоняет шею, прикасаясь к поверхности воды губами. Самое интересное скрыто от глаз человека.

Немного о самой шее

Шея жирафа усложняла бы животному жизнь, если бы не ряд компенсирующих механизмов. Например, для того, чтобы поднимать кровь к голове на несколько метров, сердце животного увеличилось в размерах, стенки его стали гораздо толще, чем, к примеру, у окапи, близкого родственника жирафа. Давление крови у этого животного в два или даже три раза больше кровяного давления человека. Это сердце пропускает около 60 литров крови в минуту, его вес — 12 килограммов. Кровь жирафа более густая и имеет вдвое более высокую плотность кровяных телец, чем у человека. По мнению некоторых ученых, этот показатель один из наиболее высоких среди всех существующих животных.

И здесь появляется еще несколько проблем. Например, если бы не ряд компенсирующих механизмов, высокое давление крови просто убивало бы жирафа, когда тот опускает голову вниз. В мозг его вкачивалось бы большое количество крови. Но у сосудов шеи есть специфические клапаны, которые предохраняют мозг животного. Аналогичная проблема, только обратная по знаку, если так можно выразиться, возникает, когда жираф поднимает голову. Это происходит быстро, и если бы не другая группа компенсирующих механизмов, то давление крови в этот момент бы сильно падало. Может быть, это и не убило бы животное, но сознание бы оно теряло каждый раз при поднимании головы на исходную высоту. Здесь приходят на помощь все необычные по структуре сосуды, способные держать давление животного примерно на одном и том же уровне.

Жираф — очень большой. Это самое высокое животное в мире. В процессе движения возникают перегрузки, которые в обычной ситуации, без адаптации организма под такие нагрузки, просто медленно бы убивали это животное. Например, в его конечностях постоянно накапливалась бы вода. Для того, чтобы предотвратить это явление при перегрузках у человека, используются специальные костюмы особой конструкции. У жирафа есть собственный «костюм» такого типа, созданный самой природой в ходе эволюции. У него прочная и эластичная эпителиальная ткань и необычно эластичная соединительная ткань.

Жирафы умеют быстро бегать, в случае острой необходимости они достигают галопом скорости 55 км/ч, то есть на коротких дистанциях они могут перегнать скаковую лошадь. Однако, как правило, эти животные ходят не спеша, передвигая одновременно оба правых копыта, затем оба левых. Из-за своего большого веса и тонких ног жирафы могут ходить только по твёрдой поверхности.

Как жираф пьет?

Но вернемся к воде и процессу утоления жажды у этих гигантов. Продолжительное время считалось, что животным удается пить воду благодаря тому, что они создают область низкого давления в пищеводе и желудке. Таким образом, рассуждали ранее ученые, вода поднимается из источника по горлу и далее вливается в пищевод и желудок. На самом деле, жираф неспособен создать область низкого давления таким образом.

То есть она создается, но иным путем — благодаря синхронным действиям различных элементов в шее животного. В этом процессе участвует надгортанник, с одной стороны, и губы животного с другой. Склоняясь к воде, жираф особым образом сжимает губы и начинает всасывать воду, причем «клапан» надгортанника при этом закрыт. Потом губы закрываются, а «клапан» в надгортаннике открывается, что позволяет воде перемещаться в пищевод.

Этот процесс повторяется снова и снова. На каком-то этапе животное поднимает голову и шею, и вода переходит в желудок. Так повторяется несколько раз, пока жираф не напьется. По оценке исследователей, закачка воды в организм животного происходит примерно со скоростью 10 км/ч. Этого достаточно для того, чтобы поток воды создавал давление на входе в пищевод, с тем, чтобы уже находящаяся там вода не вытекала обратно. Всего в пищеводе может находиться одновременно около 5 литров воды. Каждый цикл закачки обеспечивает попадание в пищевод 300 миллилитров воды. За 25 секунд жираф может осуществить до 17 таких циклов.

Интересно, что все эти данные получены физиком Филиппом Биндером, который в прошлом году поехал в один из национальных парков ЮАР. Он наблюдал за животными довольно долго, с близкого расстояния, так что смог за время наблюдений понять, что именно происходит в шее жирафа, когда тот пьет. Одно из видео, сделанных в зоопарке Phoenix Zoo в Аризоне показывает процесс утоления жажды жирафом с близкого расстояния.

Для того, чтобы обеспечивать нормальную жизнедеятельность организма, природе пришлось увеличить в ходе эволюции легкие жирафа, чтобы он мог дышать на высоте 3-х метров, перекачивая воздух в легкие. Такие изменились кости, мышцы и соединительная ткань — ведь, как и говорилось выше, жираф постоянно испытывает перегрузки.

Жирафы обитают в саваннах Африки. Сегодня их можно встретить только к югу и юго-востоку от Сахары, прежде всего в саваннах Восточной и Южной Африки. Популяции севернее Сахары были искоренены человеком ещё в древности: во времена Древнего Египта они существовали в дельте Нила и на берегах Средиземного моря. К сожалению, в XX веке ареал жирафов вновь значительно сократился. Наиболее крупные популяции жирафов сегодня обитают в заповедниках и резерватах.

Оценка статьи:

(пока оценок нет)

Загрузка...

Сохранить себе в: