生物形态

编辑:广大网互动百科 时间:2019-12-13 10:19:20
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经过了亿万年的进化,生物的形态是最优的。形形色色的生物结构中,有许多巧妙最佳利用力学原理的实例,让我们从静力学的角度出发,来观察一下生物形体结构对人类工程设计产生的影响。。
中文名
生物形态
外文名
Biological morphology
自然界
种    族
植物
年    份
亿万年
工程称
薄壳结构 

生物形态工程结构

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自然界有许多高大的树木,其挺直的树干不但支撑着本身的重量。而且还能抵抗大风及强烈的地震。这除了得益于它的粗大树干外,还靠其庞大根系的支持。一些巨大的建筑物便模仿大树的形态来进行设计,把高楼大厦建立在牢固可靠的地基上。

生物形态种族延续

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植物的果实担负着延续种族的任务,亿万年的进化使其果实多呈圆形。圆的外形使它们在较小的空间占用最大的体积来存贮营养,同时使它们对外界的压力如风力等有较大的抵抗力。如花生、核桃等还有着坚硬的外壳,可以保护里面相对娇嫩的果仁。同样地,动物也具有对自然力的适应性,如蛋壳、乌龟壳和贝壳等,都巧妙利用了一定的力学原理。如果你握住一个鸡蛋,即使加力挤压,也很难把它弄破。原来蛋壳的拱形结构与其表面的弹性膜一起构成了预应力结构。在工程上称为薄壳结构
自然界中巧妙的薄壳结构具有各种不同形状的弯曲表面,不仅外形美观,还能够承受相当大的压力。在建筑工程上,人们已广泛采用这种结构,如大楼的圆形屋顶、模仿贝类制造的商场顶盖等。

生物形态进化原因

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人类在水上航行的历史十分悠久,但活动能力却非常有限,远远不如人类在空中飞行和陆地上行走所取得的成就。许许多多鱼类的航速可轻而易举地超过目前世界上最先进的舰艇。其原因也是来自于大自然无所不在的进化改革,是亿万年来鱼儿为了适应水中生活,便于追逐食物和逃避敌害的进化结果。
首先,鱼类的航行速度得益于其理想的流线型体形。这种体形使得它们受到摩擦阻力和形状阻力的共同作用尽可能的减小。另外人们还发现,鱼在水中运动时,由于尾部的摆动,产生一种弯曲波,使鱼的运动速度大为提高。另外,有些鱼的身体表面还附有一种粘液,这种粘液也能降低鱼在水中运动的摩擦阻力。
目前,有许多新型船只是按照和海豚的体形轮廓及其身体各部比例而建造的,据称航速大为提高。
另外,最新的研究成果表明,海豚之所以游得快,不仅仅是因为其流线型体形,还由于其特殊的皮肤构造。
大家知道,物体在水中运动时受到的阻力的大小,与流经运动物体表面的水的流动形式有关,若水接触的是钢铁等坚硬牲的表面,则由于水流产生混乱现象,水的阻力会随之增加;若水接触的是柔软且具有极微细凹凸面的物体表面,则由于物体表面本身具有吸收和消除产生水流混乱的现象,所以水的阻力会下降。
海豚的皮肤可分为三层。第一层是光滑柔软的表皮层;第二层是白色的真皮层,它生有无数的乳头状、中空的突起物。且伸向黑色的表皮里面;第三层是很厚的脂肪层,很有弹性。由于这种构造,使海豚在水中游泳时,皮肤能顺从水的压力而波动,阻力小,摩擦力也小,其航速就快。人们模仿海豚的皮肤构造,用橡胶制成人造海豚皮——片流膜。装在潜水艇上,使湍流减少了50%,大大提高了潜水艇航行的速度。

生物形态生物仿生

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动物界中,辛勤的蜜蜂被称为昆虫世界里的建筑工程师。它们用蜂蜡建筑极规则的等边六角形蜂巢,无论从美观和实用角度来考虑,都是十分完美的。它不仅以最少的材料获得了最大的利用空间,而且还以单薄的结构获得了最大的强度。
在蜂巢的启发下,人们仿制出了建筑上用的蜂窝结构材料,具有重量轻、强度和刚度大、绝热和隔音性能良好的优点。同时这一结构的应用,已远远超出建筑界,它已应用于飞机的机翼,宇宙航天的火箭,甚至于我们日常的现代化生活家具中。

生物形态运动条件

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现代的各种交通工具,如汽车、飞机、舰船等,均需要一定的工作条件,若在崇山峻岭或沼泽中则无法工作。但自然界中有各种各样的动物,在长期残酷的生存斗争中,它们的运动器官和体形都进化得特别适合在某种恶劣环境下运动,并有着惊人的速度。
昆虫是动物界中跳跃的能手,许多昆虫的后腿特别发达,跳跃的本领异常高超。
就目前研究所知,叩头虫类为动物界跳跃的冠亚军获得者,它们的跳跃高度一般为其体长的几十倍、而且无须助跑,就会产生极高的加速度。
而集跑、跳、飞于一体的全能冠军,则非蝗虫莫属。它有着异常灵活、机动的运动能力,给农作物带来巨大灾害。但若抛开这一点,单独研究其运动形态,则会给我们以很大的启迪。如果研究出了它的运动奥秘,则对目前飞机的改进有很大的促进意义,倘若离开了跑道,喷气式巨型飞机是无法起飞的,但蝗虫则完全用不着这些。
动物界中的跳跃能手还有羚羊和袋鼠,这在非洲及澳大利亚的大草原上是非常著名的。带轮的汽车在沙漠上行走时会异常困难,但羚羊袋鼠却是如鱼得水。它们是依靠其强有力的后肢在沙漠上跳跃前进的,现在已研制出一种“跳跃机”,在坎坷不平的田野或沙漠地区均可通行无阻。它没有轮子,是靠四条腿有节奏的相互协调的起落来前进的。
但是世界上还有许多地方,即使你拥有强壮有力的腿,也是无法行进的,如南北极的茫茫雪原,杂草丛生的泥泞的沼泽地区等。漫步在南极茫茫雪原的绅士——企鹅,给了人类以极大的启示。它们在紧急情况时,可以以 30公里的时速飞跑,这是因为经过两千多万年的进化,企鹅的运动器官已变得非常适宜于雪地运行。它只要扑倒在地,把肚子贴在雪的表面上,蹬动双脚滑雪,便可飞速向前。受它的启发,人们已研制出一种越野汽车,可在雪地与泥泞地带快速前进,速度可达50公里/小时。

生物形态能量消耗

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目前飞机的燃料消耗非常大,一架“波音747”飞机在运输50吨货物时,要消耗100吨轻油,是所载货物重量的两倍。但鸟类在长途飞行中却能充分利用空气的浮力,有时滑翔,有时振翅飞行,非常节省动力、如果按照鸟类动力消耗的情况来计算,目前的轻便飞机在飞行32公里之后仅需0.5升的汽油,但实际上要消耗四升。
因此,对飞行生物飞行本领的研究还需要仿生学家做出进一步的努力,从它们身上可以发现一些尚未被人类掌握的空气动力学规律,这对于我们研制及改进飞器,是非常有益的。

生物形态极限借鉴

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随着航空知识和对飞行生物有关知识的增加,人们在长期的飞行实践中,对飞机的机身、机翼和发动机进行了不断的改进,并取得了较高水平。目前超音速飞机的时速已达到三千六百多公里,它已经接近声音传播速度的三倍;军用歼击机已能飞到30,000米以上的高空,爬升的速度也能达到200米/秒;军用轰炸机的航程可达I2,000公里以上。飞机载重能力也有了较大提高,大型运输机虽然自重已达250吨以上,还可以运载80多吨物资。
尽管如此,动物在千万年的自然淘汰和进化过程中所掌握的飞行本领,仍值得人类学习和借鉴。
现代飞机的起飞和降落都需要很长的跑道,即使是直升机也要像篮球场一样大小的空地,作为起飞和降落的基础。但飞行动物均不需任何空地和跑道,能在刹那间腾空而起远走高飞。
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生物 理学