Презентация по физике. Физика в живой природе

Физика в живой природе

Природа - некий храм, где от живых колонн Обрывки смутных фраз исходят временами. Как в чаще символом мы бродим в этом храме, И взглядом родственным глядит на смертных он. (Ш.Бодлер)

Благодаря этой рекламе сайт может продолжать свое существование, спасибо за просмотр.

Введение Кто-то сказал, что изучение природы напоминает чтение сложной книги, притом не с начала, а где-то с середины. Прочитав из середины этой книги несколько страниц, человек старается отыскать в них внутреннюю логику, понять, о чем же шла речь раньше, и таким образом разгадать очередные «тайны природы». При этом неизбежны ошибки, неточные «прочтения» отдельных мест, которые будут уточняться впоследствии – при чтении последующих страниц «книги природы»

С незапамятных времен и по сей день живет в человеке неистребимая потребность «вскрыть таинства природы». Процесс познания никогда не прекращался и не прекратится. Чем глубже проникает человеческий ум в тайны природы, тем больше он встречает загадок, тем больше возникает новых вопросов. Неудивительно поэтому, что время от времени его посещают сомнения. В отчаянии восклицает Фауст:

«Не смейтесь надо мной деленьем шкал, Естествоиспытателя приборы! Я, как ключи к замку, вас подбирал, Но у природы крепкие затворы. То, что она желает скрыть в тени Таинственного своего покрова, Не выманить винтами шестерни, Ни силами орудья никакого».

«Крепкие затворы» природы заставляют человека подчас усомниться в самой возможности познать все ее законы. Человек размышляющий – это всегда человек сомневающийся. Не сомневается лишь тот, кто ничего не хочет знать, ни о чем не задумывается. Существует старинная притча о мудреце и юноше. Юноша спросил мудреца : «Ты знаешь много больше меня, почему же, отвечая на вопросы, ты сомневаешься гораздо чаще чем я?» И тогда мудрец нарисовал палкой на песке два круга: малый внутри большого. «Посмотри, - сказал он юноше, - внутри малого круга заключено все, что знаешь ты, а внутри большого все, что знаю я. Разве не ясно, что чем больше круг, тем длиннее ограничивающая его окружность, а значит, и больше соприкосновение с областью непознанного?»

Многие физики сомневались временами в познаваемости природы. С первого взгляда непонятно, при чем физика и ее законы к биологии. Но эту туманность можно развеять.

Живая природа, в том числе и мы, люди, казалось бы, свободна от ограничений, но это не так. Мы постоянно подчиняемся определенным законам из различных наук, и физика является одной из таковых. Физические явления часты в природе. Они определяют ритм нашей жизни, и без этих явлений жизнь может стать очень тяжелой.

Живой свет Наверное все знают сказку Ханса Кристиана Андерсена «Старый уличный фонарь». Старый фонарь много лет служил людям, и вот его решено отправить на покой. Сегодня у него последний вечер, поэтому он вспоминает всю свою жизнь. А рядом, на мостике через водосточную канаву, стоят три кандидата на его место. Правильнее сказать, что они сами считают себя кандидатами. Вот как их описывает Андерсен: «Одним из этих кандидатов была селёдочная головка, светящаяся в темноте, она полагала, что её появление на фонарном столбе значительно сократит расход ворвани. Вторым была гнилушка, которая тоже светилась и, по её словам, даже ярче, чем вяленая треска, к тому же она считала себя последним остатком дерева, которое некогда было красой всего леса. Третьим кандидатом был светлячок, откуда он взялся — фонарь никак не мог догадаться, но светлячок был тут и тоже светился, хотя гнилушка и селёдочная головка клялись в один голос, что он светит только временами, а потому его и не следует принимать во внимание».

Итак, селедочная головка, гнилушка, светлячок. Можно подивиться столь удачному выбору писателя – ведь все три кандидата на место фонаря являются «родственниками»: все они светят «живым светом» или, правильнее сказать, светом, который испускают живые организмы. Свечение гнилушки – это свечение некоторых видов грибов, растущих на пнях и старых деревьях. Что же касается селедочной головки, то здесь мы имеем дело с колониями светящихся бактерий, развивающимися на гниющей рыбе. Еще Аристотель обратил внимание на то, что гниющая рыба может светиться. Светлячок – одна из разновидностей жуков. Например, в Бразилии и Уругвае водятся красновато-коричневые светлячки с рядами ярко-зеленых огоньков вдоль туловища и ярко-красной лампочкой на голове. Известны случаи, когда эти природные светильники – обитатели джунглей – спасали жизнь людей: во время испанско-американской войны врачи оперировали раненых при свете светлячков, насыпанных в бутылку.

А другой случай произошел в XVIII в. в Кубе: на побережье высадились англичане, а ночью увидели в лесу мириады огней. «Островитян слишком много, - решили захватчики,- нужно отступать, пока не поздно!»Куба в тот день была спасена от колонизаторов. На самом деле испугали англичан светлячки.

В лесной чаще светляки светятся одинокими огоньками, которые представляются беспомощными и слабыми. Но иное дело морская стихия. Здесь светящиеся организмы образуют гигантские скопления.

Набегает впотьмах И узорною пеною светится И лазурным сиянием реет у скал на песке... О божественный отблеск незримого - жизни, мерцающей В мириадах незримых существ! Ночь была бы темна, Но все море насыщено тонкою Пылью света, и звезды над морем горят. В полусвете все видно: и рифы, и взморье зеркальное, И обрывы прибрежных холмов. В полусвете ночном Под обрывами волны качаются - Переполнено зыбкое, звездное зеркало волн! Но, колеблясь упруго, лишь изредка складки тяжелые Набегают на влажный песок. И тогда, фосфорясь, Загораясь мистическим пламенем, Рассыпаясь по гравию кипенью бледных огней, Море светит сквозь сумрак таинственно, тонко и трепетно, Озаряя песчаное дно. И тогда вся душа У меня загорается радостью: Я в пригоршни ловлю закипевшую пену волны - И сквозь пальцы течет не волна, а сапфиры, - несметные Искры синего пламени, Жизнь! И.А.Бунин

Свечение моря имеет две важные особенности. Во-первых, оно возникает не само по себе, а как ответ на какие-либо воздействия возбуждающего характера. Возбуждающими факторами могут быть всевозможные волнения морской поверхности, прибой, прохождение судна, и уж тем более землетрясения и образование волн цунами. Море светится, как правило, зеленоватым и голубым светом. Реже наблюдается желто-зеленое и желтое свечение. Очень редко можно видеть свечение остальных цветов – фиолетового, оранжевого, красного. Особенно красиво ночное море в тропиках. Полное впечатление: море горит. Полыхает. Переливается красками. Бывает, что за кормой идущего судна на воде вспыхнет яркий зеленовато-белый свет. Пылающее пятно растет и постепенно окружает теплоход кольцом. Затем оно отделяется от судна, и тогда кажется, что это зарево большого освещенного города. Отчего же светится море? Источником такого свечения являются живые микроорганизмы.

В настоящее время известно более 800 видов светящихся морских организмов. В прибрежных зонах морей распространены светящиеся одноклеточные жгутиконосцы – ночесветки. Отдыхающие на берегу Черного моря могут любоваться свечением воды у берега, создаваемым ночесветками. На рисунке 1 показана отдельная ночесветка, а на рисунке 2 показано свечение, создаваемое этим организмом. На рисунке 3 показан светящийся мелководный кальмар ватасения, обитающий в Японском море. Хорошо видны многочисленные световые органы (фотофоры) кальмара. Особенно ярко светятся фотофоры на концах щупалец. Основу фотофора составляет ткань из излучающих клеток. Излучение клеток отражается в нужном направлении специальным отражателем и может фокусироваться линзой.

Свечение рыб бывает трех видов: внеклеточное (будучи раздражена, рыба выбрасывает облако светящейся слизи), внутриклеточное (создаваемое специальными световыми органами, содержащими излучающие клетки), бактериальное (создаваемое светящимися бактериями, живущими в определенных местах на теле рыбы). Фотофоры рыб с внутриклеточным свечением весьма разнообразны, часто имеют довольно сложное строение. Они снабжены отражателями, линзами, диафрагмами, светофильтрами. Фотофоры могут устилать рядами тело рыбы снаружи, как, например, у некоторых видов акул, но могут находиться и внутри, как, например, у рыбы рабдамии. Существенно, что свечение организмов возникает лишь при наличии определенного внешнего раздражения и является своеобразным откликом на него. Характер раздражения может быть различным. Раздражители могут быть химическими, механическими, тепловыми, электрическими. Свечение живых организмов - холодное свечение(люминесценция). Будучи раздражены, они выделяют энергию исключительно в виде света, нисколько не нагреваясь.

Светящиеся организмы оказываются очень рациональными излучателями. Они совсем не расходуют энергию на невидимое, и в частности тепловое, излучение. Для сравнения заметим, что даже самые совершенные лампы дневного света примерно половину энергии излучают в инфракрасной области. Исследования последних лет показали, что организмы испускают не непрерывное излучение, а световые импульсы. С точки зрения физики, свечение живых организмов - особый вид хемилюминесценции. Хемилюминесценции - люминесценции за счет энергии, выделяющейся при некоторых химических реакциях. Для него существует специальный термин - биолюминесценция.

Биолюминесцентный процесс можно представить себе следующим образом. В ответ на внешнее раздражение организм вырабатывает люциферазу. В присутствии люциферазы начинается окисление молекул-излучателей, в результате чего они переходят в возбужденные состояния. Возбужденные молекулы-излучатели возвращаются в исходное состояние, высвечивая фотоны синей или зеленой области спектра. Механизм биолюминесценции таит в себе еще много загадок. Разгадать их важно не только для того, чтобы лучше понимать биолюминесценцию, но и для того, чтобы научиться искусственно воспроизводить биолюминесцентные процессы и тем самым осуществлять управляемое высокоэффективное преобразование химической энергии в световую. Это задача будущего, ее огромная практическая важность очевидна. Для решения данной задачи необходимо прежде всего расшифровать физико-химический механизм работы люциферазы.

Зачем они светятся? Даже у самых простых светящихся организмов (бактерий и жгутиконосцев) свечение является довольно сложным процессом - оно связано с выработкой специального фермента (люциферазы) при наличии внешнего возбуждения. Еще более сложен этот процесс у высокоорганизованных живых существ - рачков, головоногих моллюсков, рыб и др., недаром у них имеются специальные светящиеся органы или специальные устройства для культивирования светящихся бактерий. Все это указывает на то, что способность излучать свет является для них жизненно важной. Почему? Ответ на этот вопрос кажется, на первый взгляд, очевидным.

В темных глубинах моря свечение организмов позволяет им ориентироваться, охотиться, опознавать друг друга. Световые сигналы помогают встретиться самке с самцом. Они могут служить для отпугивания или обмана хищников. Скажем, рачок, вспыхнув, быстро отскакивает в сторону, а хищник бросается на световую вспышку и, естественно, промахивается. Таким образом, представляется вполне очевидным, что свечение живых организмов есть не что иное, как сигнализация. Однако вряд ли дело только в этом. Как известно, большой (если не основной) вклад в свечение моря вносят одноклеточные организмы. А ведь у одноклеточных нет ни пола, ни преследующих хищников, ни скрывающихся жертв. Так что им вроде бы нет никакого рона подавать световые сигналы. В настоящее время вопрос о биологическом смысле свечения моря все еще продолжает оставаться открытым.

Чтобы разгадать эту загадку природы, необходимо провести серьезные исследования по изучению поведения светящихся обитателей морских глубин, их взаимодействия друг с другом и с окружающей средой.

Природные сонары А дельфины черные, А дельфины добрые - На тебя глядят умными глазами. А дельфины теплые, А дельфины мокрые - Просят, чтобы им сказку рассказали. (Песенка из мультфильма «Мы пришли сегодня в порт») Поговорим о двух удивительных животных - о летучей мыши и о дельфине. И летучие мыши, и дельфины - млекопитающие. Но волей судьбы, а точнее говоря - эволюции, они приобрели способности, которые для млекопитающих являются необычными. Летучие мыши - это летающие звери, а дельфины - плавающие звери. Первые живут в мире птиц, а вторые в мире рыб. Вполне понятно, что человек не мог остаться равнодушным к ним. Летучих мышей он откровенно невзлюбил, зато безоговорочно полюбил дельфинов.

«Летучая мышь - это химера, чудовищное, невозможное существо, символ грез, кошмаров, призраков, больного воображения,- писал во второй половине XIX в. французский натуралист А. Туссенель.- Всеобщая неправильность и чудовищность, замеченная в организме летучей мыши, безобразные аномалии в устройстве чувств, допускающие гадкому животному слышать носом и видеть ушами,- все это, как будто нарочно, приноровлено к тому, чтобы летучая мышь была символом душевного расстройства и безумия». С давних времен человек считал, что летучие мыши сродни «нечистой силе». И в наше время сохранилась неприязнь к этим удивительным животным, которые в абсолютном своем большинстве, право же, совершенно не заслуживают такого отношения.

А вот дельфины всегда нравились людям. Надо заметить, что и человек нравится дельфинам, так что любовь эта взаимная. Дружелюбие дельфинов по отношению к человеку поразительно. Дельфины хорошо поддаются дрессировке, проявляя при этом исключительную смышленость. Добавьте сюда, что они необычайно игривы. Резвящиеся дельфины напоминают жизнерадостных ребятишек - они любят гоняться друг за другом, пускаться вперегонки, кувыркаться в волнах. Все это прекрасно объясняет нашу любовь к этим милым животным. Итак, летучие мыши и дельфины. Омерзительные чудища и умные, ласковые, жизнерадостные звери. Что у них общего?

Сонары летучих мышей Почему летучие мыши могут уверенно летать в полнейшей темноте? Этот вопрос настолько заинтересовал в конце XV П1 в. Ладзаро Спалланцани, что тот проделал над летучими мышами ряд опытов. Спалланцани установил, что летучие мыши, лишенные зрения, продолжают спокойно порхать в тесном помещении, по-прежнему прекрасно ориентируясь в темноте. При этом они полностью сохраняют способность охотиться за насекомыми. В то же время мыши, у которых уши залеплены воском, становятся беспомощными - они теряют ориентировку и все время натыкаются на разные препятствия. Спалланцани сделал правильный вывод: летучие мыши ориентируются в темноте при помощи слуха. Он предположил, что мыши издают во время полета какие-то звуки и улавливают эхо от препятствий, а также от насекомых. По эхо-сигналам они и ориентируются в полете. В те времена подобное предположение многим казалось несерьезным, поскольку было известно, что летучие мыши летают совершенно бесшумно. Тогда еще не знали, что наряду со слышимыми звуками бывают звуки, которые человеческое ухо не воспринимает,- инфразвуки и ультразвуки. Неудивительно, что после смерти Спалланцани опыты с летучими мышами надолго прекратились.

Они возобновились лишь в начале нашего века. В 1938 г. американские исследователи Г. Пирс и Д. Гриффин, применив специальную аппаратуру (ультразвуковые микрофоны), установили, что великолепная ориентировка летучих мышей в пространстве и, в частности, в полной темноте в самом деле связана с их способностью воспринимать эхо. Оказалось, что во время полета мышь излучает короткие ультразвуковые сигналы на частоте около 8 10 Гц, а затем воспринимает эхо-сигналы, которые приходят к ней от ближайших препятствий и от пролетающих вблизи насекомых. По аналогии с радиолокацией Гриффин назвал способ ориентировки летучих мышей по ультразвуковому эху эхолокацией. Использование для эхолокации именно ультразвука вполне естественно. Чем меньше длина волны излучения, тем более мелкими могут быть объекты, которые необходимо опознать при помощи эхо-сигналов. Кроме того, следует принять во внимание тот факт, что с уменьшением длины волны легче реализуется направленность излучения, а это очень важно для эхолокации.

Летучие мыши - обладатели весьма совершенных природных звуковых радаров, или, иначе говоря, природных сонаров. Устройство сонаров различно у разных видов летучих мышей. Например, остроухая ночница (как, впрочем, и многие другие виды мышей) излучает ультразвуковые волны через рот, а большой подковонос через ноздри, которые у него окружены кожистыми выростами, наподобие рупоров. На рисунке 13.1а изображена мордочка ночницы, а на рисунке 13.1 б - подковоноса. Там же приведены диаграммы направленности ультразвука, излучаемого этими мышами. Длина красных отрезков на диаграммах пропорциональна интенсивности звука в соответствующем направлении. Видно, что ночница испускает звуковой луч с углом раствора около 40°, а подковонос - около 80°.

Отраженные от объекта ультразвуковые волны летучая мышь воспринимает ушами, имеющими сравнительно большие размеры (см. рисунок). Слуховой аппарат у летучих мышей значительно совершеннее, чем у человека. Дело здесь не только в том, что мыши улавливают ультразвуковые частоты. Они способны улавливать крайне слабые звуки, например звук, отраженный пролетающим комаром. Кроме того, летучая мышь удивительно точно определяет направление на объект, который отразил звуковой сигнал.

Природные сонары летучих мышей не могут не восхищать исследователей и, в частности, они не могут не вызывать зависти у специалистов по радиолокации. Мы уже отмечали их очень высокую чувствительность, позволяющую улавливать крайне слабые эхо-сигналы от комара, который пролетает на расстоянии нескольких метров. Еще более удивительно то, что сонар летучей мыши позволяет ей различить эхо от неподвижного препятствия и эхо от движущегося объекта. Сама мышь находится, заметим, в движении. И при этом она не только легко различает неподвижные и движущиеся объекты, но способна воспринять слабенькое эхо от летящего комара на фоне во много раз более сильного эха от поверхности земли, деревьев и т. п. Специалисты по радиолокации знают, как трудно подчас различить радиоэхо от низко летящего самолета и от земной поверхности. Естественно, что их не может не заинтересовать природный сонар летучей мыши. Удивительные свойства природных сонаров

Летучие мыши обычно живут в пещерах, где собираются огромными стаями. Вылетая из пещеры или влетая в нее, каждая мышь пользуется, естественно, своим сонаром. Таким образом, одновременно издают звуки тысячи и более летучих мышей. А между тем весь этот шум, по-видимому, нисколько не мешает каждой мыши легко ориентироваться внутри пещеры даже в полной темноте. Получается, что природные сонары обладают завидной способностью, по выражению специалистов, отстраиваться от паразитных сигналов. Известно, что в радиолокации проблема такой отстройки является очень важной и острой.

Пока мы не знаем достаточно хорошо, чем объясняются столь удивительные свойства природных сонаров. Ясно, что они связаны с особенностями устройства природных звукоизлучателей и звукоприемников летучих мышей.  Не исключено, что сонары летучих мышей способны улавливать и соответствующим образом оценивать подобные изменения частоты. Одним словом, природные сонары заслуживают самого тщательного изучения. Нет сомнения. что они подскажут людям немало интересных и полезных технических решений.

Сонары дельфинов Как и летучие мыши, дельфины обладают великолепным природным сонаром. Эхолокацию дельфинов обнаружили сравнительно недавно - в начале 50-х годов нашего столетия. Естественно, что интерес к дельфинам сразу же резко повысился, во многих странах начались серьезные исследования образа жизни, поведения, способностей этих удивительных животных. Эхолокация у дельфинов, как и у летучих мышей, осуществляется на ультразвуковых частотах. Дельфины используют главным образом частоты от 8-10* до 10 Гц. Мощность излучаемых дельфинами локационных сигналов может быть очень большой, известно, что они могут обнаруживать косяки рыбы на расстояниях до километра. Дельфин способен воспринимать очень слабые эхо-сигналы в сильнейшем шуме. Например, он прекрасно замечает маленькую рыбку, появившуюся на расстоянии 50 м.

Два типа слуха дельфинов В слуховом аппарате дельфина есть два типа входных ворот. Ворота первого типа вытянутая нижняя челюсть. Через эти ворота к внутреннему уху дельфина поступают ультразвуковые волны, направление которых совпадает с направлением челюсти. Именно по этому направлению и осуществляется эхолокация. Ворота второго типа - те места по бокам головы дельфина, где когда-то у далеких предков дельфинов, живших на суше, были обыкновенные уши. Ушей, как таковых, у дельфинов нет, наружные слуховые отверстия почти заросли, однако звуки они пропускают прекрасно. Через эти входные ворота к внутреннему уху дельфина поступают со всевозможных сторон звуковые волны относительно низких частот (10..10* Гц). Таким образом, можно говорить о двух типах слуха дельфинов.

Первый тип - остронаправленный эхолокационный слух на ультразвуковых частотах. Благодаря своей направленности этот слух предназначен для восприятия лишь ультразвуковых сигналов, отраженных от объектов, просматриваемых (правильнее сказать, прослушиваемых) дельфином. В известном смысле он подобен трубке фонендоскопа, при помощи которой врач прослушивает больного. Второй тип слуха - слух кругового обзора,- он предназначен для восприятия дельфином обычных звуков, заполняющих окружающее пространство. Сказанное иллюстрирует рисунок 13.5. Длина красных отрезков на рисунке характеризует способность дельфина слышать звуки, приходящие к нему в соответствующем направлении. Чем длиннее отрезок, тем больше указанная способность. Отрезки, ограниченные кривой 1, относятся к эхо-локационному слуху, а кривой 2 - к слуху кругового обзора. Рисунок хорошо иллюстрирует острую направленность слуха первого типа и слабо выраженную направленность слуха второго типа. Эхо-сигналы отличаются от остальных звуков, приходящих к дельфину, во-первых, по степени направленности и, во-вторых, по частоте. Поэтому они воспринимаются разными устройствами слуха (проходят через разные входные ворота). В результате и оказывается возможным выделение даже очень слабых эхо-сигналов на фоне сильного шума.

Другие природные сонары Сонары имеются также и у ряда других видов животных. Они есть у ближайших родственников дельфинов - кашалотов. Кашалоты используют свои сонары для поиска скоплений глубоководных кальмаров, которыми они кормятся. Сонар кашалота - своеобразная дальнобойная пушка , имеющая длину до 5 м и занимающая почти треть тела животного. Эхолокация обнаружена также у обитающих в Америке птиц гуахаро. Это очень странные птицы. Они гнездятся не на деревьях, а в темных пещерах и, хотя обладают хорошим зрением, предпочитают почему-то кормиться по ночам. В темноте птицы ориентируются по эхо-сигналам. Надо признать, что их сонары гораздо менее совершенны, чем у летучих мышей и дельфинов. Они работают на относительно низких частотах, а именно в интервале от 1500 до 2500 Гц (эти частоты воспринимаются человеческим слухом). Поэтому гуахаро не замечают в темноте объектов, имеющих небольшие размеры. Как показали специальные исследования, птицы, вспугнутые в темной пещере, обнаруживают препятствия размером более 20 см, но натыкаются на препятствия меньших размеров. Напомним, что летучая мышь с помощью эхолокации способна обнаружить бабочку и даже комара. Издаваемые гуахаро звуки, естественно, попадают в интервал частот, на которых работают их сонары, т. е. в интервал слышимых частот. По этой причине в пещерах гуахаро очень шумно. Птицы издают зловещие пронзительные . крики, напоминающие плач и стоны, трудно переносимые для непривычного уха. Недаром их назвали гуахаро, что в переводе с испанского означает плачущий.

Эхолокацией пользуются и стрижи-саланганы, обитающие в Индонезии и на островах Тихого океана. У разных видов саланганов сонары работают на разных частотах: от 2-10 до 7-10* Гц. Любопытно, что когда птица сидит, ее эхолокационный аппарат не работает, локационные импульсы посылаются только в полете (при взмахивании крыльями). Не работает сонар саланганов и на свету.

Температура и жизнь Без тепла нет жизни. Известно, что слишком сильные холод и жара разрушают всё живое. И живые организмы научились поддерживать температуру тела в приемлемых для себя интервалах. Теплокровные организмы (млекопитающие и птицы) имеют постоянную температуру тела, которая почти не зависит от изменений температуры внешней среды. Например, белая куропатка нормальную для неё температуру тела 45°С сохраняет даже при сорокаградусном морозе. Белый цвет перьев сокращает теплоотдачу и предохраняет птицу от обмораживания. Человек – тоже млекопитающее животное, нормальная температура тела которого 36,6°С сохраняется вне зависимости от того, находимся ли мы в прохладном бассейне или под палящим солнцем.

Животные с холодной кровью (пресмыкающиеся и земноводные) не имеют постоянной температуры тела, она колеблется у них в зависимости от внешних температурных условий, но зимой их температура может быть выше температуры окружающей среды. Насекомые, обитающие в полярных областях и высокогорных районах, всегда имеют окраску. Тёмное тело насекомого хорошо поглощает солнечное излучение и имеет более высокую температуру, чем окружающий воздух. У некоторых земноводных и пресмыкающихся имеются специальные пигментные (окрашенные) клетки, находящиеся в коже. В тёплую погоду пигментные клетки малы и цвет кожи светлый, следовательно, она почти не поглощает солнечное излучение. Если становится холодно, расширяясь, пигментные клетки сливаются, окраска кожи темнеет, поглощение лучистой энергии увеличивается, и тело животного нагревается.

Известно, что мощность теплоотдачи пропорциональна поверхности тела, поэтому размеры ушей, хвоста, лап животного играют важную роль в экономии тепла. Например, уши у животных холодных областей всегда меньше, чем у животных, обитающих в тёплых местах. Так, уши арктической лисицы малы по сравнению с ушами лисицы, живущей в умеренном климате, а их родственник из пустыни Сахара – фенек имеет огромные ушные раковины. Важнейшую роль в поддержании нужной температуры тела животного имеет защитный покров – жировой слой, мех и перья. Толстый слой жира способствует сохранению тепла пингвина, белого медведя, тюленя и моржа, которые могут часами плавать в ледяной воде. Теплоизолирующая способность меха и перьев вам хорошо известна. Но они не только плохо проводят тепло путём теплопередачи, но и задерживают конвекционные потоки и ослабляют излучение телом тепла. Посмотрите, чем отличается внешний вид воробья зимой и летом?

Нижняя поверхность лап животных не покрыта мехом, но лапы не замерзают даже на снегу, так как их температура поддерживается током крови. Кровь – прекрасный теплоноситель, она на 75 – 80% состоит из воды, удельная теплоемкость которой очень велика. Разработанные природой механизмы для восстановления тепла в незащищенных местах тела животных похожи на те, которые ныне употребляются человеком в различных теплообменниках. Тепло артериальной крови, идущей изнутри тела, обогревает венозную кровь, возвращающуюся от конечностей, которые были в соприкосновении с «ледяной» водой или снегом. Этот теплообмен посредством противотока происходит в пучке капилляров, где вены и артерии соприкасаются. Температура лапы или носа животного постепенно снижается и приближается к температуре окружающей среды. Благодаря таким приспособлениям жизнь существует в самых неблагоприятных для нее условиях.

Интересные факты Мышки дрожат не только от холода, но и для того, чтобы согреться. При дрожании скелетных мышц тепла выделяется не много, но биохимические реакции выделения тепла резко ускоряются. Подрожит мышка, постучит зубками и запустит на полную мощность свою отопительную систему. Почему же изменяется внутренняя энергия мышки? Все дело в том, что механическая энергия превращается во внутреннюю. Лохматая шубка позволяет шмелям собирать нектар и пыльцу даже в Заполярье. Под такой одежкой тело шмеля при усиленной работе мышц нагревается до 40 градусов. И чем севернее летает шмель, тем он крупнее и лохматее. В тропиках шмелей нет — перегреваются. Как же шубка спасает шмелей от вымерзания? Все дело в том, что шубка шмеля плохо проводит тепло, т.к. между ворсинками находится воздух, у которого теплопроводность мала.

Как только устанавливаются холода, пчелы скучиваются на сотах и образуют плотный шар. Прижавшись друг к другу, они всю зиму поддерживают температуру около 12°С. Таким образом, пчелы сами себя греют. А вот вентиляция им необходима, ведь в противном случае вся влага выдыхаемая пчелами, оседает внутри улья в виде инея. Как объяснить поведение пчел? Все просто: между пчелами остается воздух, который плохо проводит тепло и предохраняет от вымерзания. Теплоизоляция   тела   летящей   птицы обеспечивается   прослойкой неподвижного воздуха над поверхностью кожи(пограничный слой), а затем кожным и подкожным жиром. Перья, мех и одежда сохраняют пограничный слой воздуха. Степень достигаемой при этом теплоизоляцией зависит от толщины воздушной прослойки.   Почему же воздух служит теплоизоляцией? Дело в том, что воздух   является плохим проводником тепла и предохраняет кожу от перегрева и переохлаждения.

Началось все с лягушки… Во второй половине XVIII в. многие врачи проводили разнообразные опыты, выясняя действие электричества на организм животных и человека. Например, под действием разряда электрических машин наблюдалось сокращение мышц, даже если это были мышцы лапок не живой, а мертвой лягушки. Такие опыты с лапками лягушек в 1786 г. проводил итальянский анатом Луиджи Гальвани. В первой части Трактата о силах электричества при мышечном движении, вышедшего из печати в 1791 году, он пишет: Я разрезал и препарировал лягушку и, имея в виду совершенно другое, поместил ее на столе, на котором находилась электрическая машина при полном разобщении от кондуктора последней и довольно большом расстоянии от него. Когда один из моих помощников острием скальпеля случайно очень легко коснулся внутренних бедерных нервов этой лягушки, то немедленно все мышцы конечностей стали так сокращаться, что казались впавшими в сильнейшие тонические судороги. Другой помощник заметил, что это удается тогда, когда из кондуктора машины извлекается искра. Удивленный новым явлением, он тотчас же обратил на него мое внимание, хотя я замышлял совсем другое и был поглощен своими мыслями. Тогда я зажегся невероятным усердием и страстным желанием исследовать это явление и вынести на свет то, что было в нем скрыто.

Обнаружив влияние электричества на лягушачьи лапки, Гальвани предположил, что все дело в электрических искрах. Но если слабая искра электрической машины заставляет лягушачью лапку вздрагивать, то что должно произойти во время грозы, при блеске молнии? Надо только дождаться грозы. И когда желаемая погода наступила, ассистенты синьора профессора тотчас же отправились к соседнему пруду, откуда обычно черпали материал для опытов. Правда, злые языки утверждали, что после показа студентам мясистые лапки частенько шли в кастрюльку, обеспечивая не только духовную пищу. Так или иначе, но к началу грозы на железной ограде балкона лаборатории висела впечатляющая гирлянда лягушачьих лапок, насажденных на медные проволочки. Наконец подул ветер. Забарабанил дождь, и блеснула первая молния. Отрезанные лапки исправно задергались, правда, не сильнее, чем в лаборатории, и совсем не в такт с разрядами небесного электричества. Все же эксперимент удовлетворил Гальвани.

Гальвани решил попробовать, как действует на мышцу атмосферное электричество, когда нет грозы. Он всадил в спинной мозг препарированной лягушки медный крючок и повесил ее на железную решетку своего балкона. Ничего не случилось. Устав от ожидания, Гальвани стал давить на крючок, прижимая лягушку к решетке. К немалому изумлению, ибо дело было при ясном небе, он заметил, что лягушка начинала дергаться. Тогда он решил, что атмосферное электричество скопилось в лягушке, а потом вышло из нее при соприкосновении с металлом. Описание опыта изложенное самим Гальвани:  После успешных опытов во время грозы я пожелал обнаружить действие атмосферного электричества в ясную погоду. Поводом для этого послужило наблюдение, сделанное над заготовленными лапками лягушки, которые, зацепленные за спинной нерв медным крючком, были повешены на железную решетку забора моего сада: лапки содрогались не только во время грозы, но иногда, когда небо было совершенно ясно. Подозревая, что эти явления происходят вследствие изменения атмосферы в течение дня, я предпринял опыты. В различные часы в продолжение ряда дней я наблюдал нарочно повешенную на заборе лапку, но не обнаружил каких-либо движений в ее мускулах. Наконец, утомленный тщетным ожиданием, я прижал медный крюк, который был продет в спинной мозг, к железной решетке, желая посмотреть, не возникнут ли благодаря этому приему мышечные движения и не обнаружат ли они в чем-нибудь отличия и изменения, смотря по различному состоянию атмосферы и электричества.

Гальвани перенес эксперименты в помещение. Он помещал лягушачьи лапки на подставки из различных металлов. В одних случаях сокращения были сильнее, в других - слабее. Он пытался экспериментировать с деревянной дощечкой в качестве подложки, со стеклом, смолой. Эффект не наблюдался. Казалось бы, все подталкивало к тому, чтобы исследовать роль разнородных металлов в обнаруженном явлении. Но Гальвани по этому направлению не пошел. Анатом и физиолог, он решил, что лягушачьи лапки сами являются не чем иным, как источником особого вида электричества, неким подобием лейденской банки. В своем дневнике Гальвани написал: Это было несколько неожиданно и заставило меня предположить, что электричество находится внутри животного. Металлы же в его понимании были попросту проводниками открытого им нового животного электричества. Эксперименты Гальвани повторяли буквально во всех странах. Лягушки погибали тысячами во славу новой науки.

Со временем от лягушачьих лапок экспериментаторы переключились к конечностям кроликов и овец, испытывали действие электричества на ампутированной человеческой ноге. Английский врач из Глазго на публичной лекции приложил электроды от батареи лейденских банок к нервам и мышцам трупа повешенного и воспроизвел у него дыхательное движение грудной клетки. А когда мертвец под действием электрического разряда открыл глаза и лицо его стало вздрагивать, многие из присутствующих лишились сознания от ужаса. Казалось, оставалось совсем чуть-чуть до исполнения вековечной мечты человечества. Для этого надо было только тщательно исследовать животное электричество Гальвани, отыскать его источник в теле и научиться заряжать этот источник, когда он иссякает со смертью.

Утверждая, что он обнаружил именно новый вид электричества, Гальвани приводил в пример электрических рыб. Их способность наносить ощутимые удары была известна с глубокой древности. Есть свидетельства, что уже римские врачи помещали парализованных больных с целью излечения в бассейны с электрическими скатами. А когда испанские мореплаватели достигли берегов Америки и худо-бедно познакомились с природой Нового Света, то в XVII веке были сделаны описания электрического угря. Когда выяснилось, что электрический удар от разряда лейденской банки такой же, как от прикосновения к электрическому скату, французский ботаник Марсель Адансон сделал предположение, что и то и другое имеет одинаковую природу.

Проверяя высказанную гипотезу, английский физик Дж. Уолш выяснил, что удар электрического ската передается по металлическому проводнику, но не передается через стекло, дерево и прочие изоляторы. Он даже наблюдал искры, проскакивающие между полосками фольги, наклеенными на теле ската, при разряде, и повторил опыт аббата Нолле, пропустив разряд (теперь уже не удар, а разряд) электрической рыбы через нескольких добровольцев. Этим была почти доказана электрическая природа явления. Еще за десять лет до экспериментов Гальвани гениальный ученый-одиночка Кавендиш присоединил проволочки к брюху и спине ската и с помощью электроскопа с бузинными шариками измерил заряд на теле рыбы. Но Кавендиш никогда не публиковал результаты своих экспериментов.

Занимался электрическими рыбами и Гальвани. Одна из них даже носит сегодня его имя - торпедо Гальвани. Эти опыты лишь утвердили его во мнении, что если скаты могут вырабатывать электричество, то его должны давать и мышцы любого иного животного. При этом болонский профессор подчеркивал в своем трактате, что считает электричество, появляющееся при трении, так же как атмосферное и электричество скатов, сходным с животным электричеством, которое открыл он. Сначала Гальвани вел только дневники собственных опытов. Но через десять лет он решил объединить результаты исследований и выпустил Комментарий о силах электричества в мускульном движении. Книга возбудила большой интерес среди физиков и врачей, наперебой повторявших описанные эксперименты. Уже давно было известно, что электрические разряды от машин и лейденских банок вызывают конвульсии у людей, подвергавшихся их ударам. И хотя природа таких явлений оставалась неисследованной, медики-практики широко пользовались электрической жидкостью для лечения своих больных от всевозможных недугов. В самый разгар триумфа гальванизма появилась в итальянском Физико-медицинском журнале статья профессора физики Павийского университета Алессандро Вольты. Тот утверждал, что для объяснения опытов Гальвани не нужно предполагать существование какого-то особого животного электричества. Дело совсем не в бедной лягушке и не в ее отрезанной ноге. Просто Гальвани, сам того не подозревая, привел во взаимодействие два различных металла. Они и породили электрическую силу. А лягушка послужила только проводником.

Вольта обнаруживает, что еще лучше сокращение происходит, когда проволока, состоящая из двух разных металлов, замыкает не мышцу и нерв, а два участка препарированного нерва. Не значит ли это, что вовсе не в мышце скапливается животное электричество, а сам нерв передает в мышцу электрический флюид. В те времена электричество считалось некой невесомой жидкостью - флюидом. И почему замыкающий проводник должен состоять из двух разных металлов? Не в них ли дело? Вольта начинает изучать сочетания разных пар металлов и приходит к выводу, что не мышца лягушки, а два металла являются в настоящем смысле слова возбудителями электричества, между тем как нервы играют чисто пассивную роль. Естественно, что Гальвани не мог оставить такой выпад без внимания. В присутствии свидетелей он препарировал лягушек железным ножом, положив их на железную же подставку, соединял мышцу и нерв проводом из одного металла. Лапки все равно дергались. Если это происходит и при одном металле, значит, источник электричества находится в животном! - убеждал Гальвани. Отнюдь! - возражал Вольта. - Даже единый кусок проволоки нельзя считать абсолютно однородным. В нем могут быть примеси. Он может быть по-разному закален по длине. И демонстрировал электричество, которое рождалось вообще без участия животных, из одних лишь разнородных металлов. Вольта окрестил его металлическим электричеством.

Ошибался ли Гальвани в собственных взглядах на животное электричество? Ни в коем случае! Итальянский ученый по праву считается одним из основателей учения об электричестве. И его опыты с животным электричеством составляют основу нового научного направления - электрофизиологии, исследующей электрические явления в живом организме. Электрические процессы лежат в самой основе жизни. Тут и возбуждение нейронов, например, в процессах зрения, и передача нервного импульса, электрические процессы в мозге - энцефалография, и так хорошо знакомое нашему веку электрическое исследование работы сердечной мышцы - электрокардиография... Нет, лягушки болонского профессора, как и собаки Павлова, вполне заслужили памятник. А сам Луиджи Гальвани навсегда останется в памяти человечества.

Интересные факты 1. Одиночная клетка обладает потенциалом покоя 60 мВ, а при возбуждении имеет амплитуду всего порядка 120 мВ. Между тем электрический угорь умеет создавать напряжение 800 – 900 В, а нильские щука и сом – 200 -350 В, что обеспечивается последовательным соединением многих клеток. 2.  С 1971 года в некоторых клиниках стали успешно применять электрическое поле для лечения костных переломов у людей. Так как этот метод связан с вживлением под кожу специальных электродов, его применяют только тогда, когда обычное лечение не дает положительного эффекта в течение нескольких лет. Результаты электролечения превзошли все ожидания. У 84% больных пропускание постоянного тока (10-20 мкА) через 3 месяца приводило к интенсивному срастанию кости в месте перелома. 3. У мраморного ската, достигающего 1,5 метра длины, «аккумуляторные батареи» способны выдавать электрический разряд напряжением 70-80 В с частотой 250-300 раз в секунду. Состоят батареи из разряда вертикальных мышечных призм, разделенных перегородками из соединительной ткани, и подходящих к ним головных нервов. С каждого бока «крепится» по батарее. А электрический разряд у угря способен зажечь более 200 неоновых ламп.

Как видит кошка Устройство глаза кошки похоже на строение глаза человека. Но зрачок у кошки не круглый, а вертикально-овальный, вытянутый сверху вниз, щелевидный. Природа сделала его таким, чтобы кошка обладала острым зрением, была способна видеть в полумраке, и яркий свет не ослеплял бы животное. Величина зрачка тоже, как у человека, может меняться от освещения. Глаз кошки, как и человеческий глаз, способен к аккомодации – приспособлению к ясному видению предметов, находящихся от него на различных расстояниях, путём изменения преломляющих свойств его оптической среды, сосредоточенной в хрусталике.

Глаза – важнейший “инструмент” кошки: ведь в своей жизни она полагается в основном на зрение, в то время как у большинства млекопитающих решающую роль в опознании, поиске пищи и предупреждении об опасности играет обоняние. В связи с такой ответственной функцией зрения глаза кошки велики по сравнению с размерами её черепа, они расположены так, что поле зрения обоих глаз накладывается одно на другое в отличие от других животных, у которых Ее глаза могут приспосабливаться к источникам света различной яркости. При ярком освещении ее зрачки похожи на узкие щелочки. В темноте они становятся широкими, почти во весь глаз. Это не означает, что кошка может видеть в абсолютной темноте, просто ей нужно намного меньше света, чем остальным животным. Глаза кошек выпуклые, что позволяет собирать световые лучи с более широкого пространства. Когда ее глаза отражают весь этот свет, они как будто светятся, глаза расположены так, что регистрируют два разных изображения). Угол зрения кошки каждого глаза 2050, это помогает ей точно оценивать расстояние, форму и взаимное расположение предметов в пространстве. Кошка, как и человек, обладает бинокулярным зрением. У кошки в отличие от человека есть третье веко, известное под названием мигательная перепонка. Оно уменьшает интенсивность очень яркого света и немного предохраняет глаза от травм.

Ее глаза могут приспосабливаться к источникам света различной яркости. При ярком освещении ее зрачки похожи на узкие щелочки. В темноте они становятся широкими, почти во весь глаз. Это не означает, что кошка может видеть в абсолютной темноте, просто ей нужно намного меньше света, чем остальным животным. Глаза кошек выпуклые, что позволяет собирать световые лучи с более широкого пространства. Когда ее глаза отражают весь этот свет, они как будто светятся. Глаза у кошки обладают удивительным свойством: они светятся в темноте. Светящиеся в темноте глаза кошек нанесли большой ущерб репутации этих животных. На протяжении веков черные кошки считались спутниками ведьм, а убеждение, что глаза кошек светятся сами, дожило до наших дней.

Однако простой опыт убеждает в обратном. Если посадить кошку в комнату без окон, то в полной темноте ее глаза светиться не будут. Сияние кошачьих глаз объясняется просто - они отражают свет исключительно от внешнего источника. Секрет же свечения глаза - в тонком отражающем слое, состоящем из прозрачных клеток. Когда луч света через роговицу и хрусталик достигает светочувствительной сетчатки, он поглощается не целиком. Часть света достигает внутренней сосудистой оболочки. У животных со светящимися глазами этот свет отражается прозрачными клетками назад, пронизывает сетчатку, увеличивая светочувствительность глаза, и узким пучком излучается наружу, что, собственно, и позволяет животному ночью видеть гораздо лучше.

Причем свечение глаз, проявляющееся как у кошек, так и у других животных, ведущих ночной образ жизни, свойственно любому глазу. Его можно наблюдать и у человека, если осветить глаз ярким источником света. Подобный эффект наблюдается при использовании лампы-вспышки. Вот почему на цветных снимках у людей иногда глаза сияют зловещим красным светом.

Использование в технике принципов движения живых существ Изучение способов перемещения разных животных, помогло создать новые полезные механизмы (Например, в снегоходе «Пингвин» воплощен принцип перемещения плавающих птиц. Перемещаясь на «брюхе», отталкиваясь ластами от снежного покрова, он достигает скорости 50км/ч). Принцип передвижения бесколесно – прыгающего автомобиля скопирован у кенгуру (эти млекопитающие перемещаются прыжками высотой до 3м и длиной до 10м). Прыгающая машина одновременно является трактором, автомобилем, тягачом, ей не нужна дорога.

В основу создания ряда землеройных машин могут быть положены идеи, подсказанные живой природой. Дело в том, что личинки, обитающие в почве, имеют прекрасные приспособления для прокладывания ходов в почве, рыхления и раздвигания частиц грунта. У одних видов насекомых органы расположены спереди и работают как клин или отбойный молоток, а у других рыхлящий и сгребающий аппараты объединены в систему сложного скребка. Тщательное изучение этих приспособлений и их моделирование может оказаться полезным. Таким образом, был создан подземоход, который может быть назван «железным крабом», так как в его конструкции отражены особенности строения и передвижения живого краба.

Для судостроителей проблемой №1 является преодоление большого сопротивления, которое испытывают при движении, погруженные в воду, корпуса судов. По мере увеличения скорости, сопротивление очень быстро растет, что требует значительного и резкого повышения мощности двигателей. Поэтому судостроители вместе с учеными изучают особенности строения тех обитателей морей и океанов, которые обладают хорошими гидродинамическими качествами, в надежде четко выявить их и скопировать, т.е. воплотить в конструкциях новых типов кораблей. В Японии, например, построили океаническое судно, напоминающее по своей форме кита. Оказалось, что оно примерно на 15% экономичнее кораблей такого же водоизмещения, но обычной формы. Корпус одной из подводных лодок подобен телу быстроходной рыбы – тунца. Судно хорошо обтекаемо и маневренно. Известна большая скорость движения дельфинов. Ее достижению способствует особое строение кожи животных. Немецкий инженер М. Крамер создал для судов специальное покрытие – «ломинфло», похожее на кожу кита, которое снижает сопротивление движению. Применение этого покрытия позволяет увеличить скорость судов почти вдвое.

Большой интерес для ученых представляет реактивный двигатель кальмара, являющийся своеобразным и чрезвычайно экономичным водометом, который позволяет этому морскому головоногому моллюску совершать 1000 – мильные переходы, развивать скорость до 70км/ч. Кальмар способен всплывать на поверхность с такой скоростью из глубины моря, что может пролететь над волнами свыше 50м в длину, поднимаясь на высоту до 7- 10м. Быстроходность и маневренность кальмара объясняется прекрасными гидродинамическими формами тела животного, за что его и прозвали «живой торпедой».

Реализация идей полета человека началась с изучения механизма полета птиц, летучих мышей и насекомых. Еще в трудах Леонардо да Винчи есть схемы и зарисовки летательных аппаратов с машущими крыльями. А.Ф.Можайский также тщательно изучал строение птиц, прежде чем построил свой первый самолет с неподвижно раскрытыми крыльями. И это не случайно, так как действительно крыло птицы – чудо конструкции. Оно поражает прочностью и легкостью.

Прогресс в самолетостроении привел к тому, что воздушные лайнеры – детище ума и рук человека, превзошли птицу по скорости, высоте и дальности полета. Однако, по экономичности даже самые лучшие из них отстают от птиц. Например, летательный аппарат аиста в 10 раз экономичнее, чем у самолета ИЛ –18 или ТУ –144. есть еще чему поучиться у птиц. В борьбе с такими вредными явлениями в авиации, как флаттер (колебания крыла в полете), конструкторам помогло изучение строения крыла стрекозы. Оно показало, что на передней части крыла имеется хитиновое утолщение, которое «уничтожает» флаттер. Аналогичные утяжеления крыла самолета позволило устранить опасные вибрации в полете.

Заключение Изучение физики природных явлений имеет, прежде всего, огромную познавательную ценность. Природа - эта гигантская физическая лаборатория - наглядно демонстрирует относительность всевозможных перегородок в предмете физика , условность разделения физики на отдельные самостоятельные разделы, единство физической картины мира, взаимосвязь физических явлений. Возьмем хотя бы грозу - здесь мы встречаемся с проявлением одновременно законов механики, гидростатики, термодинамики, молекулярной физики, электростатики, электродинамики, акустики, оптики. Хочется особенно подчеркнуть, что достаточно глубокое изучение физики природных явлений стало возможным, в основном, лишь в наше время - благодаря успехам современной физики (а также химии и биологии). Человек издавна учился у природы. Многое не понимая в природе, он, естественно, не мог быть слишком хорошим ее учеником. В наше время человек, вооруженный комплексом современных научных знаний и прекрасными измерительными приборами и устройствами, уже в состоянии заглянуть в самые сокровенные тайники природы. Поэтому именно теперь он способен многое взять от природы, способен многому у нее научиться. Мы учимся видеть красоту в физике и, более того, учимся вообще более глубоко чувствовать прекрасное. В этом состоит эстетическая ценность изучения физики природы. Наконец, не надо забывать, что понимание процессов, происходящих в природе, является залогом бережного отношения к природе, что особенно важно в наше время, когда вооруженный мощной техникой человек в состоянии не только искалечить, но и вообще погубить земную природу.