1. Використання природних аналогів в об'єктах проектної культури.
1.1. Біоніка. Біоморфологія. Біомеханіка.

Вивчення законів природи призвело до розуміння біологічних (природних)об'єктів як еталонів високого ступеня цілісних, інтегрованих систем.
Опора на біологічні прототипи і закони їх функціонування в данийчас визнається одним з напрямків науково-технічного прогресу.

Вивчення закономірності формоутворення організмів для побудови заїх подобою штучних об'єктів зазвичай однозначно відносять до областібіоніки [новий науковий напрям кінця 50-х років ХХ ст. Поява цієїнауки стало наслідком розвитку кібернетики, біофізики, біохімії,космічної біології, інженерної психології та ін Симпозіум в Дайтоні (США)у вересні 1960р. дав назву новій науці - біоніка (від грецьких слів --bios - життя і bion - елемент життя). Гасло симпозіуму: «Живі прототипи --ключ до нової техніки »добре визначає перспективи розвитку біоніки набагато років.] Насправді принципи побудови біоформ, біоструктур,біофункцій з метою їх використання при створенні технічних систем абоархітектурних об'єктів досліджує не один, а кілька біофізичних наук.

Будова форм організмів і генезис природного формоутвореннярозглядає біоморфологія.

Робота природних конструкцій і конструктивні властивості органічнихматеріалів вивчає біомеханіка.

Закономірності внутрішнього функціонування живих систем аналізуєбіоніка.

Поняття і термін «морфологія» введені в науковий обіг І.В. Гете.
Буквально «морфологія» означає «наука про форму».

З родинних морфології наук найближче стоять до неї семіотика іфізіологія.

У біологічних дослідженнях морфологічний підхід об'єднаний зфізіологічним відповідно до об'єктивних єдністю форми, структури іфункції організму.

Біоморфологія, що вивчає форму з точки зору біології, в данийчас розвивається як описова наука. Е.Н. Лазарєв запропонував включититри науки - біоніки, біоморфологію і біомеханіку на підставі спільностіоб'єктів і родинного характеру завдань у біономіку - науку про системнийвивченні принципів структурно-функціональної організації живого з метоювикористання цих принципів у творчій практиці людини.

Отже, вивчення біоморфологіческіх, біомеханічних і біонічноїзакономірностей дозволить при інженерно-дизайнерської розробкивикористовувати:

- способи побудови природних об'єктів;

- способи функціонування природних об'єктів (плавання, літання та ін);

- внутріорганізменние процеси для створення різноманітних предметно - технічних систем, що здійснюють функції переміщення та переробки речовини, енергії та інформації, а також естетично сприйняти та освоїти різноманітні біологічні форми і структури.

1.2. Біодизайну. Предмет і об'єкт біодизайну.

біодизайну - це течія в дизайні, метод оптимального проектуваннябіотехнічних систем та елементів, що мають антропоцентричноюспрямованістю, вираженої в їх естетичному досконало.

Зародився біодизайну в рамках традиційного дизайну, в періодінтенсивного біонічного проектування, коли стали з'являтися роботи, втією чи іншою мірою спираються на біологічні форми і структури.

Предмет біодизайну - проектування аспекти біотехнічних систем.

Об'єкт - біоподобні технічні пристрої - «механоорганізми».

Сфера об'єктів біодизайну визначається характером головних напрямківв технічній біоніка і залежить від видів проектованих структур і функцій,від видів створюваних «механоорганізмов» (схема 1).

1.3. Творчість Л. Колані.

В даний час відомі окремі дизайн-концепції і розробки наоснові вивчення особливостей формоутворення об'єктів природи.

Яскравий приклад освоєння природних аналогів - творчість самогоекстравагантного і незвичайного з дизайнерів італійця Луїджі Колані
(народився в 1928 році в Берліні). Його сміливі експерименти з формою предметівв тому числі і автомобілів, багатьма сприймається як божевілля. Вінвважає, що пластику природних об'єктів робить можливими взаємозв'язкирізнохарактерних виробів один з одним, з навколишнім середовищем, утворюючи прице єдиний предметно-просторовий комплекс. Колані захоплюють заняття заеродинаміки. Його ескізи транспортних засобів суворо підпорядкованіаеродинамічним законами, що перетікають одне в одного плавні обсяги виглядаютьдуже незвично для сучасників (ил. 1). Зразком оптимальних, з точкизору, аеродинаміки моделей служать обтічні тіла морських ссавців,про що свідчать його ескізи - ретельні замальовки пластичних ігідродинамічних особливостей тел мешканців водного середовища - дельфінів -касаток, зубастих китів та ін (ил. 2).

Для визначення цього стилю Колані вводить в обіг термін «біодизайну».
У цій новій концепції дизайну Колані реалізує найрізноманітніші предметапобуту, одягу, спортивного інвентарю та багато іншого.

2. Вплив природного морфології на формоутворення підводних транспортних засобів.

Цю роботу я хочу присвятити розгляду підводних транспортнихкоштів, навмисно виділивши їх серед інших об'єктів дизайну, тому щотака наука як біоморфологія отримала тут найбільш широке застосування.
Це виражається в 100% залежності форми і конструкції підводнихтранспортних засобів від морфології водних тварин (не виключаючи йвикористання принципів формоутворення представників флори і фауни).

Без застосування цих знань в техніці неможливе створення іплідне функціонування апаратів в гідросфері. Але перш, ніжперейти до більш детального і конкретного розгляду впливу окремихорганізмів на формоутворення тих чи інших апаратів, аргументуємоактуальність розвитку підводних транспортних засобів, їх значення длямайбутнього і проаналізуємо стан і будову водного середовища якнеобхідного фону і суми факторів, що впливають на життєдіяльністьорганізмів.

2.1. Проблематика розвитку підводних транспортних засобів та їхзначення для майбутнього.

Освоєння людством Світового океану велося ще з незапам'ятнихчасів, але на жаль, процес пізнання мав своєю єдиною метоюдомогтися військової переваги над ближнім. Тому історія появи ірозвитку підводних транспортних засобів пов'язана зі становленням силспеціальних операцій на морі. Довгий час підводні транспортні засоби
(надалі підводні засоби руху) не представляли особливого інтересудля дизайнера, так як в процесі їх розробки та створення конструкторамине розглядалася естетична сторона питання - розвиток перших підводнихчовнів йшло по шляху збільшення тактичних і експлуатаційних характеристик.
Вони повинні були лякати ворога своєї громіздкістю, надпотужнупідводного зброї.

Сьогодні, коли розвиток техніки досягла великих висот, передлюдиною відкрився казковий світ можливостей у галузі дослідженняморських глибин:

- пошукові та рятувальні роботи;

- підйом затонулих об'єктів аеросфери;

- розвідка океанського дна на нафту та інші копалини;

- океанографічні дослідження;

- морська археологія;

- підводне будівництво;

- екопроекти;

- і саме захоплююче - підводні прогулянки любителів підводного спорту - дайвінгу, підводна фото-і відеозйомка.

Для забезпечення виконання цих завдань необхідно мати в наявностіпідводні транспортні засоби «громадянського» призначення. Тут івідкривається необмежене поле діяльності для дизайнерів.

І хто знає, може в недалекому майбутньому людина вибере гідросферу, нанині дещо чужу і незвідану область землі - terra incognita - своїм місцем постійного проживання. Перші крокивже зроблені. Ще в 60-і роки випробовувалися досить успішно конструкціїпідводних будинків (підводний лабораторія «силабо-2», підводні лабораторії

Ж. Кусто «Преконтінент-І», «Преконтінент-ІI», «Преконтінент-ІII»);будівництво підводного тунелю під Ла Маншем.

Особливої згадки заслуговує висловлювання чудовогофранцузького вченого, давнього ентузіаста ідеї «заселення» морських глибин -
Жака-Іва Кусто. «Рано чи пізно, - говорить Кусто, - людствоосядуть на дні моря. Наш досвід - початок великого вторгнення »Ці слова,сказані багато років тому, виявилися пророчими. Все більшого розмахунабувають дослідження морських глибин у багатьох країнах, все більшефахівців і наукових колективів втягуються в цей дерзновенніпідприємство.

І якщо принесе успіх спроба Ж. Кусто створити можливість весь часжити в глибині океану, шляхом відмови від акваланга взагалі і отриманнякисню через спеціальний апарат типу «жабер», хірургічним шляхомпідключений до кровоносної руслу, насичує кров людини киснем,минаючи непотрібні при цьому легкі, то незабаром епізоди фантастичнихфільмів стануть реальністю - перед нами відкриється чудовий світ морськогоцарства, де людина і мешканці підводних глибин будуть співіснувати вгармонії, не завдаючи шкоди один одному. Дуже хочеться в це вірити

Зараз, у міру можливості, потрібно робити все, щоб нашатехнократичне початок не придушував духовне (це може бути масаекопроектов, спрямованих на надання допомоги собі і навколишнім насорганізмам - позбавлення від задушливих смогів промислових підприємств, відвеличезних звалищ сміття, шляхом його переробки, який, якщо ми несхаменемося, буде складати єдину пам'ятку нашоїпланети; від шкідливих стоків, які вбивають усе живе, від поховань у
Світовому океані шкідливих відходів. Будемо прагнути направляти технікусьогодення і майбутнього в добре, позитивне русло.

2.2. Аналіз особливостей водного середовища, її впливу на формоутворенняорганізмів.

Аналіз системи средовых умов дозволяє зменшити кількість факторів,що впливають на формо-та структуроутворення природних об'єктів, виключитималоефективні або випадкові чинники, а також дозволяє виявить кошти іприйоми, якими «користується» природа для формоутворення організмів,найкращим чином відображають вплив факторів середовищ існування. Саме ціприйоми та засоби можливо реалізувати в штучному об'єкті.

Отже, вода є середовищем, по суті, для всіх хімічнихпроцесів, що відбуваються в біосфері. Вміст води в тканинах організмівприблизно в 5 разів більше, ніж у всі річках земної кулі.

Особливості водної маси: величезний обсяг, перемешіваемость,теплоємність, ідеальна здатність розчиняти самі різні хімічніз'єднання, наявність солей (25 мінеральних солей), насиченість життям,хімічними та біологічними процесами, залишками і продуктамижиттєдіяльності живих організмів.

У воді міститься суворо обмежена кількість кисню,тваринам необхідного для дихання. Цього кисню достатньо лише дляхімічних перетворень, що супроводжують зростання, і для руху тварин упошуках їжі. На будь-якій глибині морським організмам потрібно менше енергії,щоб жити і рухатися, ніж представникам живої фауни. Щільність морськихтварин і рослин дуже близька до щільності води, в якій вони живуть.
Лише рідкісні живі організми живуть на поверхні: набагато зручніше жити всередовищі, що, підтримуючи тварину, позбавляє його від необхідності робитипостійні зусилля для того, щоб не спливти і не затонути. Тільки у дуженебагатьох мешканців водного середовища щільність тіла точно відповідаєщільності води. Існують, однак, різні способи, за допомогою якихтаким тваринам вдається регулювати свою плавучість так, щоб без особливихзусиль залишатися у воді в підвішеному стані.

Крім кухонної солі морська вода містить також цілий ряд іншиххімічних сполук.

У воді рослини (як і на суші) служать основою для всіх інших формжиття, тому вкрай необхідно, щоб у поверхневих шарах води, дезосереджена водна рослинність, був постійний запас нітратів,фосфатів, кальцію і кремнію. Всі процеси та явища у водному середовищівзаємопов'язані і взаємозумовлені.

Одним з фундаментальних принципів, якому підпорядковуєтьсяформотворний процес, є симетрія. Симетрія породжує середовищаяк би накладається на симетрію тіла, що утворюється в цьому середовищі.
Вийшла в результаті, форма тіла зберігає тільки ті елементи своєївласної симетрії, які співпадають з накладеними на нього елементамисиметрії середовища.

Замінимо організми спрощеної статичною моделлю і спроеціруем на неївплив факторів водного середовища. Ізотропності, як один із цих факторівзабезпечить цієї моделі форму кулі, а три взаємно перпендикулярні площинисиметрії додадуть шару форму овалоіда, або тривісного еліпсоїда. Такаформа морської гальки - окатанного хвилями каменів.

2.3. Аналіз особливостей формоутворення водних організмів івідображення цих особливостей у підводних засобах руху.

Ще зовсім недавно чоловік із заздрістю дивився на птахів, які злегкістю покривають великі відстані.

Але людина не даремно носить своє гучне ім'я. Він навчився літатишвидше і далі птахів.

Значно гірші справи з підводним плаванням. Тут створенілюдиною пристрої поступаються водним тваринам, як за абсолютною швидкості,так і за економічністю.

Наведемо деякі дані щодо швидкості плавання: дельфін - 15-18 м/с; тунець - 25 м/с; риба-меч - 35 м/с. Найсучасніша підводний човенз потужністю атомних двигунів в десятки тисяч кіловат розвиває швидкістьлише 15-16 м/с

Останнім часом проблема різкого підвищення швидкості ходу підводнихгідродинамічного опору цих тіл набула особливого значення. Длярозробки вказаних проблем вчені та інженери, крім залучення звичайнихметодів, все частіше почали звертатися до вивчення біології живих істот,що мешкають у водному середовищі, особливо до розкриття та використання законів їхруху.

У басейні Світового океану, який включає в себе всі солоні водиокеанів і морів, і прісні води озер і річок, міститься незліченнубезліч різноманітних водних тварин, таких як риби, китоподібні,головоногі молюски. Вони знаходяться у воді все життя, здійснюють триваліокеанські переходи по кілька тисяч миль і є справжнімпровідниками. У процесі естественноісторіческого розвитку впродовждесятків мільйонів років у цих тварин вироблялися свої особливіпристосувальні функції та органи для підводного руху і подоланнягідродинамічного опору води. У певному сенсі названихпідводних мешканців можна розглядати як об'єкти «природногогідродинамічної лабораторії ».

Оскільки вода в 800 разів щільніше за повітря, у що рухається в водіорганізму всякий виступ, будь-яка нерівність на тілі створюють опірще більш відчутне, ніж у птиці в повітрі. Тому у швидко плаваючихорганізмів - риб: тунця, скумбрії, марлина та інших - тіла дивнообтічної форми, спереду загострені, швидко товщають до максимальногодіаметру і потім витончено звужуються до двухпластному симетричноїхвостовий плавець.аналіз, у тунців профіль наближається до ламінарізованному навіть при маломувідносному подовженні тіла (без хвостового плавця - близько 3,6, тобто ззначною товщиною 28%) (ил. 3). Є підстави вважати, що два рядидодаткових малих плавців за міделевим перетином тунця утворюютьгідродинамічну грати, призначену для управління потоком вдіффузорной частині, де він вступає на потужний хвостовій плавник.

Будівельники сучасних підводних човнів повною мірою оцінили доситьвчинені обводи водних тварин і почали копіювати їх форму, створюючисвої апарати.

Американська фірма «Лора Електронікс» в 70-х роках випустилаодномісну автономну човен Т-14. Профіль човни близько контурузвичайного тунця. Її розміри відносно невеликі: довжина 2м 90см,ширина найбільша, включаючи стабілізатори, 1м 20см. (Для порівняння,максимальна довжина звичайного тунця складає 4 м). Корпус човна зробленийз алюмінієв-магнієвого сплаву, а прозорий ліхтар в носовій частині - зплексигласу.

За швидкісних характеристик Т-14 набагато відстає від тунця:швидкість човна Т-14 - 2м/сшвидкість звичайного тунця - 30м/с.
(Але з даною швидкістю звичайний тунець може п?? авать нетривалийчас).

Човен проходить під водою 12 км (запас в електроенергії вакумуляторної батареї забезпечує роботу електродвигуна та іншихпристроїв (фара, кінокамера) протягом приблизно 2 години).

Управління маневрами здійснюється за допомогою розташованих в кормівертикального і двох горизонтальних рулів ним двох похилих стабілізаторів.
Стабілізатори мають нахил в 45 (до горизонту і приблизно 30 (в корму івстановлені на амортизатори, відвідних їх назад, оберігаючи тим самим призіткненнях з перешкодами. Рульова система забезпечує високу човніманевреність, причому маневри можуть виконуватися на порівняно невеликійпросторі.

На човні Т-14 встановлена стаціонарна дихальна система,забезпечує легко водолазу нормальне дихання протягом 2,5-3 годин, атакож додаткове обладнання, до якого входять комплект приладів, фараі кінокамера.

Човен була створена в першу чергу для військових (розрахована набуксирування вантажу вагою до 500 кг).

Не хочеться залишити без уваги цікаву розробку інженерів
Массачусетського технологічного інституту. Вивчивши, як плавають риби, вонистворили робот, що імітує руху тунця. Його охрестили Чарлі.

- Подібно живому тунця з породи «блакитний плавник», Чарлі рухається,згинаючи хребетний стовп і створюючи імпульси, які доходять до хвоста, --пояснює механізм плавання робота інженер Девід Баррет. - Рухи Чарлізабезпечують 6 маленьких електромоторів, які передають крутний моментспинному хребту через сухожилля. Цей проект дуже важливий длякібернетичного переосмислення функцій живих організмів. Спробарозібратися у хвильовому рух риб приведе до створення нових, більшскоєних рушіїв підводних суден, що кардинальним чином відіб'єтьсяна їхній формі. Дизайнеру ж має завдання - довести їх до естетичногодосконалості. А тепер зануримося трохи в історію. Чималий інтереспредставляють підводні апарати Джевєцького і підводний човен Вадінгтона.

Починаючи з 1876 року російським винахідником Джевецький булирозроблені і випробувані два човни, які можна віднести до розглянутогонами класу підводних засобів руху.

Корпус першого човна мав чечевицеподібних форму і був виготовлений зметалу. Така форма ПЛ забезпечувала достатню керованість, швидкість іхорошу стійкість.

У корпусі човна на рівні плечей людини були зроблені спеціальніотвори, що закриваються зсередини, зовні до цих отворів булиприкріплені гумові рукавички, які дозволяли людині від'єднуватирозташований на зовнішній поверхні вантаж (міну), виконувати нескладніманіпуляції.

У рух човен наводилася грібним гвинтом з велосипедним приводом,який дозволяв човні досягати необхідної швидкості.

Не менший інтерес представляє і другий човен Джевєцького. У Її формімаксимально відображена морфологія риб. Екіпаж човна складався з чотирьохлюдей, які сидять спиною до спини по двоє. Голови екіпажу перебували вкруглому куполі, обладнаному ілюмінаторами з товстими стінками. У переднійчастини рульової вежі перебувала оптична труба з призмами ізбільшувальними стеклами в її нижній частині (цей прилад, попередникперископа, дозволяв рульовому орієнтуватися під водою).

Підводний човен Вадінгтона.

Вадінгтон - англійський винахідник - побудував підводний човен
«Porpoise» в Сікомбле поблизу Ліверпуля в 1886 році. Корпус рибообразной формибув 37 футів довжиною і 6,5 футів в діаметрі в самої широкої частини. Побудованавона була з тонких сталевих листів на міцному сталевому наборі. Для свогочасу це була одна з найбільш «практично розроблених» підводних човнів
(ил. ___).

Риби досить добре врівноважені. Більшість риб має плавучість,близьку до нейтральної. Зустрічаються риби з негативною плавучістю, щопов'язане з образом їхнього життя. Для надання нейтральної плавучості рибимають у своєму розпорядженні пристосуваннями гідростатичного і гідродинамічногодії (плавальний міхур, парні грудні плавці).

Плавальний міхур являє собою мішок, розташований міжхребтом і кишкою. Плавальні бульбашки бувають двох типів:

1. Відкритий плавальний міхур (наприклад, у золотої рибки,оселедцевих). Він сполучений протокою з горлом, так що повітря може надходитив міхур або видалятися з нього через рот.

2. Закритий плавальний міхур (наприклад, у тріски). Такий міхурповністю втратив зв'язок з горлом. Риба здатна зрівнювати щільність тілаз щільністю навколишнього води і зберігати нейтральну плавучість шляхомавтоматичного або зменшення кількості газу в міхурі (ил. ___).

Принцип використання «відкритого плавального міхура» можна спостерігатиу одномісній човни (проникною), створеної на базі носія «Пегас».

Відмінною особливістю описуваної човна є еластичніємності спливання, розташовані з боків корпусу. При плаванні під водоюємності складені вздовж бортів, коли ж човні необхідно надатидодаткову плавучість для плавання на поверхні, вони надуваютьсястисненим повітрям із спеціального балона, розташованого усередині човна вздовжкорпусу носія.

Може бути принцип роботи еластичних ємностей був почерпнуть в ходіспостереження за морськими пузань (іглобрюх). У відповідь на подразнення вонироздуваються, захоплюючи повітря в шлунок і відходить від нього повітряниймішок і стають у три рази більше звичайного.

Не менший інтерес для конструкторів підводних засобів рухупредставляють китоподібні (включаючи дельфінів). Характерною особливістювсієї групи китоподібних є відсутність черевних плавників, функціяяких у риб в основному зводиться до виконання ролі горизонтальних івертикальних керма. Абсолютно справедливо зазначає В.А. Земський (1960р.),що зникнення черевних плавців у китів пов'язано з утвореннямгоризонтально поставленого хвостового плавця. Вертикальні коливанняхвостовий лопаті створюють сили, обертають тіло у вертикальній площині, аущільнений латерально хвостовій стебло виконує функції вертикальногокерма. Такий тип рушія прийнято називати махають крилом. Далі мирозглянемо його застосування вже в підводному човні.

Підводні човни, що наводяться в рух пульсацією плавників, повиннівідкрити двері в майбутнє нових можливостей субмарин (ил. ___). Крістіан
Бутнер задумав зробити одноденну експедицію під кригою Північного
Льодовитого океану. Свій принцип гнучкого проштовхування він побудував наздатності тулуба риб, завдяки своїй пружності і гнучкості, зменшуватигідродинамічний опір на 60%, таким чином революціонізіровалконструкцію субмарин. Бутнер знімає для субмарини з екіпажем цінніпараметри та якості з «Robotunas» - штучної моделі риби, якаподала ідеї для обчислення руху групі вчених МІТ (Массачусетс). Вонапридумала двіжітельний елемент - гнучкий плавник (горизонтальнопоставлений, як у китоподібних).

Як і у риби, цей плавник становить приблизно третю частину всієї довжинисубмарини і являє собою сандвіч, утворений гумової прошарком іскловолокном з штучними м'язами - «Гнучкість москалів» (переклад зфранцузького Хоменко М.).

Ідея плавця в ролі рушія аж ніяк не нова, але її ніколи до кінцяне розробляли. Той же основний принцип закладений в ласти, але плавцікористуються ними недостатньо вміло. Багато років тому Манфред Каррі запропонувавчовен з плавникової рушієм. Різновид такого човна служилаавстралійським командос у Бірмі під час Другої світової війни. Приколиваннях з частотою, що збігається з нормальним ритмом дихання, плавникзабезпечує плавне стійкий рух (ил. ___).

Один з можливих варіантів гнучкого плавника представлений на мул. ____.< br>Рушій змонтований на звичайних балонах ємністю 70 фт3. Ребро атакиплавника рухається з боку в бік за допомогою пари хутра, де газвитрачає свою енергію. Меха укладені під допоміжний балон - робочийрезервуар.

Сумарний обсяг двох хутра перевищує максимальний обсяг вдиху плавця.
Повний хід плавника виявиться функцією обсягу газу, що поглинається за одинвдих, а швидкість руху плавника буде дорівнювати ритму дихання плавця. Такимчином, швидкість визначається сталим режимом дихання.

Власне плавець може бути виконаний з двох шарів прогумованоютканини, прошитих по краях.

Маючи в своєму розпорядженні плавникової рушієм, плавець може покласти на нього всюроботу і дати собі перепочинок або збільшити швидкість, працюючи ластами.

Але повернемося до китоподібних. Серед ряду біологічних видів дельфініві китів зустрічаються різні за гідродинамічним якостям. Одним здобре обтічних і високошвидкісних видів є кітовідний дельфін.
Аналіз форми його тіла показав, що контури дослідженого примірника увертикальної і горизонтальної проекціях близькі до відомих аеродинамічнимпрофілів (ил.). «Ах, якщо б прямо в небо, та з морських глибин!» У 70 --х роках американський винахідник Д. Рейд спробував в реальностіздійснити мрію Жуль-Верновский персонажа Робур - створити машину,здатну не тільки плавати у воді і підводою, але й злітає в небо. 9 липня
1964 апарат Д. Рейда (ил.) на очах у численної публікиопустився на воду і, занурившись на глибину 4 м, пройшов близько 4миль із середньою швидкістю 7,5 км/ч. Потім, позбувшись водного баласту,сплив, став на поплавці і злетів у небо зі швидкістю 100 км/ч. Однак іподібні показники не влаштували військових експертів.

«Все це добре хіба що для спортивних апаратів», - уклали вони івідмовилися фінансувати подальші роботи.