Бионика тесно связана с биологией, физикой, химией, кибернетикой и инженерными науками: электроникой, навигацией, связью, морским делом и другими.
Основные направления работ по бионике охватывают следующие проблемы:
· изучение нервной системы человека и животных и моделирование нервных клеток (нейронов) и нейронных сетей для дальнейшего совершенствования вычислительной техники и разработки новых элементов и устройств автоматики и телемеханики (нейробионика);
· исследование органов чувств и других воспринимающих систем живых организмов с целью разработки новых датчиков и систем обнаружения;
· изучение принципов ориентации, локации и навигации у различных животных для использования этих принципов в технике;
· исследование морфологических, физиологических, биохимических особенностей живых организмов для выдвижения новых технических и научных идей. [https://biologylib.ru/books/item/f00/s00/z0000017/st009.shtml]
Накопленный в бионике практический опыт моделирования чрезвычайно сложных систем имеет общенаучное значение. Огромное число её эвристических методов, совершенно необходимых в работах такого рода, уже сейчас получило широкое распространение для решения важных задач экспериментальной и технической физики, экономических задач, задач конструирования многоступенчатых разветвлённых систем связи и т. п. [https://ru.wikipedia.org/wiki/Бионика]
Архитектурно-строительная бионика изучает законы формирования и структурообразования живых тканей, занимается анализом конструктивных систем живых организмов по принципу экономии материала, энергии и обеспечения надежности. Яркий пример архитектурно-строительной бионики — полная аналогия строения стеблей злаков и современных высотных сооружений. Стебли злаковых растений способны выдерживать большие нагрузки и при этом не ломаться под тяжестью соцветия. Если ветер пригибает их к земле, они быстро восстанавливают вертикальное положение. В чём же секрет? Оказывается, их строение сходно с конструкцией современных высотных фабричных труб — одним из последних достижений инженерной мысли. Обе конструкции внутри полые. Склеренхимные тяжи стебля растения играют роль продольной арматуры. Междоузлия (узлы) стеблей — кольца жесткости. Вдоль стенок стебля находятся овальные вертикальные пустоты. Стенки трубы имеют такое же конструктивное решение. Роль спиральной арматуры, размещенной у внешней стороны трубы в стебле злаковых растений, выполняет тонкая кожица. Однако к своему конструктивному решению инженеры пришли самостоятельно, не «заглядывая» в природу. Идентичность строения была выявлена позже. В последние годы бионика подтверждает, что большинство человеческих изобретений уже «запатентовано» природой. [https://architecture-styles.com/book/export/html/12]
|
|
В архитектурно-строительной бионике большое внимание уделяется новым строительным технологиям. Например, в области разработок эффективных и безотходных строительных технологий перспективным направлением является создание слоистых конструкций. Идея заимствована у глубоководных моллюсков. Их прочные ракушки, например у широко распространенного «морского уха», состоят из чередующихся жестких и мягких пластинок. Когда жесткая пластинка трескается, то деформация поглощается мягким слоем и трещина не идет дальше. Такая технология может быть использована и для покрытия автомобилей. [https://ru.wikipedia.org/wiki/Бионика]
|
|
Глава 2. Практическая часть
Насекомые как объект архитектурной бионики
Часто в бионике применяют жизнедеятельность насекомых. Особенно часто в бионике применяют строение и жизнедеятельность насекомых. Возьмите любой орган насекомых. Множество вариантов исполнения, один лучше другого, предстанут перед вами. Рассмотрим хотя бы ротовые аппараты. Среди них — тонкие кинжалы комаров, беспрепятственно пронзающие кожу и добирающиеся до крови, острые с зазубринками челюсти жуков и гусениц, способные выгрызать «живые куски». Сворачивающиеся в спираль хоботки-насосы бабочек и многие другие.
Пчелиные соты
Довольно часто среди строений бионики встречаются здания в форме пчелиных сот. Затраты труда при этом сокращаются вдвое, на треть меньше уходит бетона. Опыт пчел перенимают гидротехники. Прямо в реке собирают из однотипных элементов корпуса плотин, шлюзов, опор. Кто знает, может в в будущем люди будут жить в шестистенных комнатах? В них между прочим, удобнее располагать мебель, они лучше освещаются.
Рассмотрим пчелиные соты более подробно. Миллионы лет пчелы строят соты правильной шестиугольной формы. Почему пчелами была выбрана именно эта форма, а не восьмиугольная, к примеру, или, скажем, не пятиугольная геометрическая форма, а именно шестиугольная? Ответ на этот вопрос дают математики: как оказалось, шестиугольник самая оптимальная геометрическая форма для максимально полезного использования единицы площади и минимального расхода строительного материала.
Шестиугольник близок к кругу - идеальной естественной фигуре, но у него есть преимущество: вплотную примыкая друг к другу, шестиугольники позволяют использовать всю полезную площадь сот, максимально заполняя ее медом. Совсем не так было бы, если бы ячейки имели круглую форму, -между ними неизбежно оставалось бы много пространства, которое невозможно использовать.
|
|
Естественно строенные соты имеют следующие типы ячеек: пчелиные (для вывода рабочих пчел, складывания и хранения меда и перги), трутневые (для вывода трутней), маточники (особые ячейки для вывода маток), а также переходные и медовые.
Постройки пчел всегда поражали воображение людей. На редкость прекрасен кусок чистых сотов во всей их молочной белизне и геометрической четкости. Реомюр предлагал принять ширину ячейки за единицу меры длины (впрочем этот эталон был бы не совсем точен, ведь размеры ячейки меняются в зависимости от породы пчел; существуют различия и в размерах ячеек, предназначенных для рабочих пчел или трутней). Когда математику Маральди предложили задачу: найти форму сосуда, который обладал бы наибольшей вместимостью при наименьшей затрате материала, он ответил: шестигранник. Мы решили изучить соты с математической точки зрения.
Оказалось, что невозможно поделить площадь на правильные многоугольники без остатка, количество сторон которых больше 6-ти. Однако и правильные пятиугольники не являются разрешением этой проблемы.
При сложении «стенка к стенке» трех правильных пятиугольников, образуется свободное место в виде угла 36º, а при сложении правильных шестиугольников свободного места не остается. (Приложение 2).
Задача 1. Даны две равные по площади фигуры - квадрат и правильный шестиугольник. Какая из данных фигур имеет наименьший периметр?
Кроме того, если сравнить квадрат и правильный треугольник, то окажется, что последний обладает наименьшим периметром при одинаковой площади. Обратимся к расчетам.
S=a24 – площадь квадрата,
S= 
– площадь правильного шестиугольника,
P = 4a – периметр квадрата,
P = 6a – периметр шестиугольника.
· Возьмем квадрат со стороной а = 4 см. S квадрата = 16 см²
· Возьмем шестиугольник с такой же площадью. Зная формулу площади шестиугольника, высчитаем его сторону. Она равна = 2.482 см.
· P квадрата = 16 см.
· Соответственно P шестиугольника = 14,892 см.
Таким образом, только используя данный подход, можно максимально сократить расходование воска.
Задача 2. Рассмотрим соты с точки зрения их пространственной конфигурации. Соты в улье свешиваются сверху вниз наподобие занавесок: пчелы прикрепляют их к потолку смесью воска и пчелиного клея. Ячейки уложены в пласты и соприкасаются общими донышками. Надо сказать, что донышки ячеек не плоские, а представляют собой части трехгранных углов, гранями которых являются ромбы.
Это связанно с тем, что имея тот же объем, что и правильная шестиугольная призма, пчелиная ячейка обладает поверхностью, которая меньше поверхности правильной шестиугольной призмы на величину.
Соты в улье свешиваются сверху вниз наподобие занавесок: пчелы прикрепляют их к потолку смесью воска и пчелиного клея (прополиса). Ячейки уложены в пласты и соприкасаются общими донышками. Надо сказать, что донышки ячеек не плоские, а представляют собой части трехгранных углов, гранями которых являются ромбы.
Изобразим правильную шестиугольную призму AВCDEFA1B1C1D1E1F1. Проведем диагонали F1B1,B1D1,F1D1 верхнего основания призмы и на оси призмы OO1 возьмем некоторую точку S Через F1B1,B1D1,F1D1 и точку S проведем три плоскости, которые отсекают от призмы три равные треугольные пирамиды МВ1F1A1, LB1D1C1, KD1E1F1. Получившийся многогранник AВCDEFF1МВ1LD1К и является пчелиной ячейкой.
Таким образом, имея тот же объем, что и правильная шестиугольная призма, пчелиная ячейка обладает поверхностью, которая меньше поверхности правильной шестиугольной призмы на величину 
a2(
). Благодаря такой "математической" работе расчетливые пчелы экономят около 2% воска. Количество воска, сэкономленное при постройке 54 ячеек, может быть использовано еще для одной такой же.
И еще одна интересная особенность. Пчелиные соты представляют собой пространственный паркет, поскольку они заполняют пространство так, что не остается просветов. Приходится только удивляться мудрости пчелы, которой ее наградила природа.
Выводы
1. В своей практической деятельности человек использует в качестве моделей для конструирования сооружений и механизмов наиболее удачные приспособления живых организмов к среде обитания.
2. Природные закономерности, открытые человеком активно используются в архитектуре при постройке современных зданий и гидротехнических сооружений.
3. Среди природных шестигранных конструкций наиболее замечательное творение – пчелиные соты. Это самая экономная и самая емкая форма, единственным элементом которой является шестигранная призма.
Заключение
Познакомившись лишь с некоторыми результатами бионики, мы поняли, что почти любая технологическая проблема, встающая перед дизайнерами или инженерами, была уже давно успешно решена другими живыми существами.
С незапамятных времен первостепенная задача архитектуры — защищать человека от природы, задача города будущего — примирить город и экосистему. Фасады дома будущего становятся умным органическим эпидермисом, способным к регенерации. Дома будущего — это зачастую объекты в движении: они либо частично, либо полностью энергетически автономны и поэтому не обязаны быть привязанными к земле. Также в таком доме все поверхности, все конструкции мультифункциональны, а сад не разбивают за пределами дома — он сам заходит в дом. Архитектура дает человеку новые площадки для разведения растений. Биоархитектура создает, по сути, новую экологию.
Список используемой литературы
1. Архитектурная бионика. Под редакцией Ю. С. Лебедева.-М.:Стройиздат, 1990. 269с.
2. Ц.Н.Феодосиевич, Г.И. Иванович. Бионика в школе. Киев: 1990.
3. Доктор Карл Шукер. Удивит. способ. животных. О. В.. Иванова, И. Г. Лебедев, перевод на русский язык, 2000. ООО «ТД Изд-во Мир книги», 2006.
4. https://www.youtube.com/watch?v=3DP9FdAQdKo
5. https://biologylib.ru/books/item/f00/s00/z0000017/st009.shtml
6. https://www.mn.ru/society/20130603/347963465.html
7. https://www.noviyegrani.com/archives/title/266
8. https://www.euro-honey.com/modules.php?name=News&file=article&sid=62
9. https://paseka.pp.ru/zagadka-pchelinogo-roya/442-shestiugolnaya-geometriya-sot.html
10. https://novikov-architect.ru/bio-tech.html
11. https://ru.wikipedia.org/wiki/Бионика
12. https://architecture-stiles.com/book/html/12
Приложение 1
Queen B - проект марсианской космической базы, построенной по принципу пчелиных сот
Приложение 2.
Пятиугольники
Шестиугольники