Биомимикрия или примеры повышения эффективности инженерных задач

24.03.2022 От Геннадий 0

В середине 1900-х Жорж де Местраль отправился на охоту в Швейцарию. Он и его собака были покрыты колючками во время похода, и он решил поместить колючие семена под микроскоп после того, как вытащил их. Сегодня мы рассмотрим что такое биомимикрия и выясним, как с ее помощью решается повышение эффективности некоторых инженерных задач.

 Как на одежде появились «липучки»?

Когда он понял, что заусенцы покрыты крошечными крючками, он решил создать закрывающий материал с таким же рисунком. Он назвал его в честь французских слов «бархат» (велюр) и «крючок» (вязание крючком). Сегодня мы знаем его как липучку.

Изобретение Местрала — блестящий пример биомимикрии. Природа удивительно эффективна и предлагает множество моделей для решения человеческих проблем. Когда ученые и изобретатели черпают вдохновение из естественных образцов, их работа известна как биомимикрия.

Когда люди сталкиваются с проблемой, у природы часто уже есть готовое решение. Фактически, имитация естественного дизайна часто повышает эффективность при решении инженерных задач. Вот пять примеров продуктов, вдохновленных и улучшенных природой.

Поезд Синкансэн в Японии

Японцы славятся своими сверхскоростными поездами, которые сегодня могут развивать скорость до 320 км/час. По американским меркам это почти 200 миль в час. Однако процесс создания поездов, способных двигаться с такой скоростью, был сложным.

В начале 1990-х годов инженер Эйдзи Накацу пытался решить проблему, возникающую при прохождении сверхскоростных поездов через туннели. Из-за своей скорости поезда создавали «тоннельный гул» — громкий звук, который беспокоил жителей и дестабилизировал туннели.

мимикрия

В ходе обсуждения с коллегами и благодаря своему опыту наблюдения за птицами Эйдзи Накацу изменил несколько частей поезда, чтобы более точно смоделировать аэродинамическую форму птиц. В частности, он изменил нос сверхскоростного пассажирского экспресса, чтобы он напоминал клюв зимородка.

Когда зимородок ныряет в воду, он почти не шумит. Он также преодолевает изменение плотности при переходе из воздуха в воду. Создание поезда по образцу клюва зимородка решило проблему туннельной стрелы и увеличило скорость поезда с 270 до 300 км / ч , даже при меньшей мощности.

Ветряные турбины в Канаде

Исследователи из Гарвардского университета подтвердили, что турбины становятся более эффективными, когда они сделаны по образцу китовых плавников. У китов есть шишки или бугорки на краю ласт. Эти небольшие гребни повышают их способность быстро рассекать воду и совершать крутые повороты.

Когда турбины гладкие, они испытывают остановку — увеличение сопротивления и уменьшение подъемной силы, вызванные сопротивлением воздуха или воды. Тем не менее, добавление угловых бугорков уменьшает общую остановку, делая турбины более эффективными и долговечными в ненастную погоду.

Исследование, проведенное в Гарварде, показало, что бугорки повышают эффективность, потому что их крутой угол изменяет характер давления на турбину. Это похоже на разрезание сильного ветра тонкой стороной доски, а не плоской стороной, хотя и в гораздо меньшем масштабе.

Канадская компания с большим успехом начала производить ветряные турбины по образцу китовых плавников. Турбины WhalePower способны генерировать такое же количество энергии от ветра со скоростью 10 миль в час, что и плоские турбины от ветра со скоростью 17 миль в час. Туберкулы также могут быть добавлены к водяным турбинам для повышения их эффективности.

Истгейт-центр в Зимбабве

Зимбабвийский архитектор Мик Пирс также известен своей биомимикрией. Когда его попросили спроектировать Истгейт-центр, большое здание в столице Зимбабве, он решил черпать вдохновение в царстве насекомых. Он посмотрел на конструкцию термитников.

Хотя курганы могут выглядеть деформированными снаружи, они остаются прохладными в жаркие дни и теплыми в холодные ночи. Здания в столице Зимбабве необходимо охлаждать круглый год, и Пирс искал способ снизить затраты на электроэнергию. Термитники были прекрасным примером естественного охлаждения.

Пирс построил Истгейт-центр из таких материалов, как кирпич, обладающих высокой теплоемкостью. Подобно почве, из которой состоят термитники, эти материалы сохраняют тепло в течение дня. Добавив дополнительную площадь снаружи здания, Пирс смог увеличить потери тепла в ночное время.

Термитники полны маленьких отверстий, которые позволяют теплому и прохладному воздуху циркулировать в пространстве и из него, подобно легким , которые вдыхают и выдыхают. Для достижения аналогичного эффекта Пирс установил внутри своего здания систему вентиляторов, которая втягивает холодный воздух внутрь ночью и выбрасывает теплый воздух наружу через дымоходы в течение дня.

Следуя природным образцам

Хотя природа может помочь решить человеческие проблемы, она работает и наоборот. Некоторые инженеры включают природные принципы в строительные материалы, чтобы защитить дикую природу, которая участвует в их строительстве.

Например, немецкая компания разработала стекло, покрытое паутиной ультрафиолетового материала. Хотя это покрытие невидимо для человеческого глаза, оно излучает тот же свет, что и паутина, и предупреждает птиц, чтобы они не летели прямо в стекло.

Предметные испытания с этим стеклом были многообещающими и показали, что большинство птиц хорошо реагируют на ультрафиолетовое покрытие. Если бы это стекло, покрытое ультрафиолетовой паутиной, было реализовано только в США, оно могло бы спасти миллионы птиц в год.

Поиск решений в природе экономит время и энергию инженеров. Обращаясь к природе, инженеры и ученые могут опираться на множество существующих исследований для создания продуктов, которые являются высокоэффективными и безопасными для окружающей среды.

(Visited 1 times, 1 visits today)