Технические основы создания машин

 
 

1. Использование  природных аналогов в объектах  проектной культуры. 

1.1. Бионика. Биоморфология.  Биомеханика. 

Изучение законов  природы привело к пониманию  биологических (природных) объектов как  эталонов высокой степени целостных, интегрированных систем. Опора на биологические прототипы и законы их функционирования в настоящее  время признается одним из направлений  научно-технического прогресса. 

Изучение закономерности формообразования организмов для построения по их подобию искусственных объектов обычно однозначно относят к области  бионики [новое научное направление  конца 50-х годов ХХ ст. Появление  этой науки явилось следствием развития кибернетики, биофизики, биохимии, космической  биологии, инженерной психологии и  др. Симпозиум в Дайтоне (США) в  сентябре 1960г. дал название новой  науке – бионика (от греческих  слов – bios – жизнь и bion – элемент  жизни). Лозунг симпозиума: «Живые прототипы  – ключ к новой технике» хорошо определяет перспективы развития бионики  на многие годы.] В действительности принципы построения биоформ, биоструктур, биофункций с целью их использования  при создании технических систем или архитектурных объектов исследует  не одна, а несколько биофизических  наук. 

Строение форм организмов и генезис естественного формообразования рассматривает биоморфология. 

Работа природных  конструкций и конструктивные свойства органических материалов изучает биомеханика. 

Закономерности внутреннего  функционирования живых систем анализирует  бионика. 

Понятие и термин «морфология» введены в научный  оборот И.В. Гете. Буквально «морфология» значит «наука о форме». 

Из родственных  морфологии наук ближе всех стоят  к ней семиотика и физиология. 

В биологических  исследованиях морфологический  подход объединен с физиологическим  в соответствии с объективным  единством формы, структуры и  функции организма. 

Биоморфология, изучающая  форму с точки зрения биологии, в настоящее время развивается  как описательная наука. Е.Н. Лазарев  предложил включить три науки  – бионику, биоморфологию и биомеханику  на основании общности объектов и  родственного характера задач в  биономику – науку о системном  изучении принципов структурно-функциональной организации живого с целью использования  этих принципов в созидательной  практике человека. 

Итак, изучение биоморфологических, биомеханических и бионических  закономерностей позволит при инженерно-дизайнерской разработке использовать: 

способы построения природных объектов; 

способы функционирования природных объектов (плавание, летание  и др.); 

внутриорганизменные процессы для создания разнообразных  предметно-технических систем, осуществляющих функции перемещения и переработки  вещества, энергии и информации, а также эстетически воспринять и освоить многообразные биологические  формы и структуры. 

1.2. Биодизайн. Предмет  и объект биодизайна. 

Биодизайн – это  течение в дизайне, метод оптимального проектирования биотехнических систем и элементов, обладающих антропоцентрической  направленностью, выраженной в их эстетическом совершенстве. 

Зародился биодизайн  в рамках традиционного дизайна, в период интенсивного бионического проектирования, когда стали появляться работы, в той или иной мере опирающиеся  на биологические формы и структуры. 

Предмет биодизайна – проектирование аспекта биотехнических систем. 

Объект – биоподобные  технические устройства – «механоорганизмы». 

Сфера объектов биодизайна определяется характером главных направлений  в технической бионике и зависит  от видов проектируемых структур и функций, от видов создаваемых  «механоорганизмов» (схема 1). 

1.3. Творчество Л.  Колани. 

В настоящее время  известны отдельные дизайн-концепции  и разработки на основе изучения особенностей формообразования объектов природы. 

Яркий пример освоения природных аналогов – творчество самого экстравагантного и необычного из дизайнеров итальянца Луиджи Колани (родился в 1928 году в Берлине). Его  смелые эксперименты с формой предметов  в том числе и автомобилей, многими воспринимается как сумасшествие. Он считает, что пластика природных  объектов делает возможными взаимосвязи  разнохарактерных изделий друг с  другом, с окружающей средой, образуя  при этом единый предметно-пространственный комплекс. Колани увлекают занятия  по аэродинамике. Его эскизы транспортных средств строго подчинены аэродинамическим законам, перетекающие друг в друга  плавные объемы выглядят очень непривычно для современников (ил. 1). Образцом оптимальных, с точки зрения, аэродинамики моделей  служат обтекаемые тела морских млекопитающих, о чем свидетельствуют его  эскизы – тщательные зарисовки пластических и гидродинамических особенностей тел обитателей водной среды –  дельфинов-касаток, зубатых китов  и др. (ил. 2). 

Для определения  этого стиля Колани вводит в обиход термин «биодизайн». В этой новой  концепции дизайна Колани реализует  самые различные предмета быта, одежды, спортивного инвентаря и много  другого. 

2. Влияние природной  морфологии на формообразование  подводных транспортных средств. 

Эту работу я хочу посвятить рассмотрению подводных  транспортных средств, преднамеренно  выделив их среди других объектов дизайна, так как такая наука  как биоморфология получила здесь  наиболее широкое применений. Это  выражается в 100% зависимости формы  и конструкции подводных транспортных средств от морфологии водных животных (не исключая и использование принципов  формообразования представителей флоры  и фауны). 

Без применения этих знаний в технике невозможно создание и плодотворное функционирование аппаратов  в гидросфере. Но прежде, чем перейти  к более детальному и конкретному  рассмотрению влияния отдельных  организмов на формообразование тех  или иных аппаратов, аргументируем актуальность развития подводных транспортных средств, их значение для будущего и проанализируем состояние и строение водной среды как необходимого фона и сумы факторов, влияющих на жизнедеятельность организмов. 

2.1. Проблематика  развития подводных транспортных  средств и их значение для  будущего. 

Освоение человечеством  Мирового океана велось еще с незапамятных времен, но к сожалению, процесс познания имел своей единственной целью добиться военного превосходства над ближним. Поэтому история появления и  развития подводных транспортных средств  связана со становлением сил специальных  операций на море. Долгое время подводные  транспортные средства (в дальнейшем подводные средства движения) не представляли особого интереса для дизайнера, так как в процессе их разработки и создания конструкторами не рассматривалась  эстетическая сторона вопроса –  развитие первых подводных лодок  шло по пути увеличения тактических  и эксплуатационных характеристик. Они должны были устрашать врага  своей громоздкостью, сверхмощностью подводного оружия. 

Сегодня, когда развитие техники достигло больших высот, перед человеком открылся сказочный  мир возможностей в области исследования морских глубин: 

поисковые и спасательные работы; 

подъем затонувших объектов аэросферы; 

разведка океанского дна на нефть и другие ископаемые; 

океанографические исследования; 

морская археология; 

подводное строительство; 

экопроекты; 

и самое увлекательное  – подводные прогулки любителей  подводного спорта – дайвинга, подводная  фото- и видеосъемка. 

Для обеспечения  выполнения этих задач необходимо иметь  в наличии подводные транспортные средства «гражданского» назначения. Здесь и открывается неограниченное поле деятельности для дизайнеров. 

И кто знает, может  в недалеком будущем человек  выберет гидросферу, на данный момент несколько чуждую и неизведанную область земли – terra incognita – своим  местом постоянного проживания. Первые шаги уже сделаны. Еще в 60-е годы испытывались довольно успешно конструкции  подводных домов (подводная лаборатория  «Силаб-2», подводные лаборатории  Ж. Кусто «Преконтинент-І», «Преконтинент-ІI», «Преконтинент-ІII»); строительство  подводного тоннеля под Ла Маншем. 

Особого упоминания заслуживает высказывание замечательного французского ученого, давнего энтузиаста идеи «заселения» морских глубин – Жака-Ива Кусто. «Рано или  поздно, - говорит Кусто, - человечество поселится на дне моря. Наш опыт – начало большого вторжения» Эти  слова, сказанные много лет назад, оказались пророческими. Все больший  размах приобретают исследования морских  глубин во многих странах, все больше специалистов и научных коллективов  вовлекаются в это дерзновенное предприятие. 

И если принесет успех  попытка Ж. Кусто создать возможность  все время жить в глубине океана, путем отказа от акваланга вообще и получения кислорода через  специальный аппарат типа «жабер», хирургическим путем подключенный к кровеносному руслу, насыщающий кровь  человека кислородом, минуя ненужные при этом легкие, то в скором времени  эпизоды фантастических фильмов  станут реальностью – перед нами откроется чудесный мир морского царства, где человек и обитатели  подводных глубин будут сосуществовать в гармонии, не нанося вреда друг другу. Очень хочется в это  верить 

Сейчас, по мере возможности, нужно делать все, чтобы наше технократическое начало не подавляло духовное (это  может быть масса экопроектов, направленных на оказание помощи себе и окружающим нас организмам – избавление от удушающих смогов промышленных предприятий, от громадных свалок мусора, путем  его переработки, который, если мы не опомнимся, будет составлять единственную достопримечательность нашей планеты; от вредных стоков, которые убивают  все живое, от захоронений в Мировом  океане вредных отходов. Будем стремиться направлять технику настоящего и  будущего в доброе, позитивное русло. 

2.2. Анализ особенностей  водной среды, ее влияния на  формообразование организмов. 

Анализ системы  средовых условий позволяет уменьшить  число факторов, влияющих на формо- и структурообразование природных  объектов, исключить малоэффективные  или случайные факторы, а также  позволяет выявит средства и приемы, которыми «пользуется» природа для  формообразования организмов, наилучшим  образом отражающих влияние факторов сред обитания. Именно эти приемы и  средства возможно реализовать в  искусственном объекте. 

Итак, вода является средой, по существу, для всех химических процессов, происходящих в биосфере. Содержание воды в тканях организмов примерно в 5 раз больше, чем во все  реках земного шара. 

Особенности водной массы: огромный объем, перемешиваемость, теплоемкость, идеальная способность  растворять самые различные химические соединения, наличие солей (25 минеральных  солей), насыщенность жизнью, химическими  и биологическими процессами, остатками  и продуктами жизнедеятельности  живых организмов. 

В воде содержится строго ограниченное количество кислорода, необходимого животным для дыхания. Этого кислорода  достаточно лишь для химических преобразований, сопутствующих росту, и для движения животных в поисках пищи. На любой  глубине морским организмам нужно  меньше энергии, чтобы жить и двигаться, чем представителям живой фауны. Плотность морских животных и  растений очень близка к плотности  воды, в которой они живут. Лишь редкие живые организмы обитают  на поверхности: гораздо удобнее  жить в среде, которая, поддерживая  животное, избавляет его от необходимости  делать постоянные усилия для того, чтобы не всплыть и не затонуть. Только у очень немногих обитателей водной среды плотность тела точно  соответствует плотности воды. Существуют, однако, различные способы, при помощи которых таким животным удается  регулировать свою плавучесть так, чтобы  без особых усилий оставаться в воде во взвешенном состоянии. 

Кроме поваренной соли морская вода содержит также целый  ряд других химических соединений. 

В воде растения (как  и на суше) служат основой для  всех других форм жизни, поэтому крайне необходимо, чтобы в поверхностных  слоях воды, где сосредоточена  водная растительность, имелся постоянный запас нитратов, фосфатов, кальция  и кремния. Все процессы и явления  в водной среде взаимосвязаны  и взаимообусловлены. 

Одним из фундаментальных  принципов, которому подчиняется формообразующий  процесс, является симметрия. Симметрия  порождающей среды как бы накладывается  на симметрию тела, образующегося  в этой среде. Получившаяся в результате форма тела сохраняет только те элементы своей собственной симметрии, которые совпадают с наложенными на него элементами симметрии среды.