Školní biologické pokusy
Pedagogická fakulta Masarykovy univerzity
doc. RNDr. Zdeňka Lososová, Ph.D.

Extrémně lehcí a stabilní kluzáci (šíření plodů a semen)

A jiné bionicky relevantní příklady

E. Graf (z německého originálu přeložila a upravila Klára Drápalová)

Odborně vědecké podklady

V přírodě ovládají umění létat jen malá a středně velká zvířata. Největší, ještě dnes žijící letuschopný pták je albatros stěhovavý (Diomedea exulans), který váží až 10 kg a dosahuje rozpětí až 4 metry. Fosilní létaví dinosauři z řádu Pterosauria, kteří před více než 100 miliony let obydlovali Zemi, byli rozhodně ještě větší, s rozpětím křídel až 12 metrů a vážili pravděpodobně až 50 kg, jak jsme mohli zjistit z nalezených zbytků kostí. Ovšem jak známo, neměli vymřelí létaví dinosauři žádné peří jak ho známe u ptáků. Ptáci se tenkrát teprve vyvíjeli.

Nejmenší z nám známých letuschopných zvířat jsou nepatrní členovci (Arthropoda), z nichž někteří váží méně než jeden miligram. Tato zvířata jsou podobně jako pylová zrnka unášena větrem a prouděním vzduchu, nemůžeme tedy v tomto případě hovořit o pravých letcích, neboť si směr svého letu v podstatě sami nemohou určit.

Velcí letci snižují frekvenci mávání křídly a spíše provádějí klouzavý let. Je to pro ně totiž energeticky výhodnější.

Jak je již patrné z obr. 1, mávají létaví živočichové svými křídly za letu a to ať už více či méně. Délka křídel je přitom dána způsobem obživy a je proporcionálně přesně naopak k frekvenci mávání. Zemním ptákům, jako je káně, či luňák, kteří plachtí klouzavým letem mezi vrcholky stromů, jsou jejich úzká dlouhá křídla spíše nevýhodou. Jejich křídla jsou naopak prstovitě rozevřená,Dalším důležitým parametrem je plošné zatížení křídel, jež hraje významnou roli také při létání na rogalu, nebo u letadel. Jím se v minulém století velmi intenzivně zabýval Crawford H. Greenwalt.

Na obrázku 2 je znázorněna souvislost mezi plošným zatížením křídel a tělesnými rozměry u létavých živočichů. U kachen a dravců je plošné zatížení křídel opravdu velké, naproti tomu plošné zatížení křídel motýlů, jež mají křídla velká, je relativně malé.

Čím je větší rychlost, tím je i větší zatížení rozpětí křídel u ptáků. Je to pochopitelné, když uvážíme, čím je dán při létání odpor. Odpor se skládá v podstatě ze dvou komponent: ze škodlivého odporu (odpor při proudění) (povrchový nebo třecí odpor plus tlakový odpor) a indukovaného odporu (vytvořený vznikem přídatných vírů za křídly).

Velcí ptáci kompenzují, jak známo, své slabé letové schopnosti tím, že se nechají nést a plachtit stoupajícím prouděním vzduchu na návětrných stranách skal a pohoří. Zářným příkladem je např. albatros, jenž startuje z nejvyššího bodu útesu, vrhá se do vzdušného proudu a jím se pak nechá vynést a dále unášet.

Mimo to používají někteří relativně velcí ptáci jako např. krahujec (Accipiter nisus) při pomalém letu tzv. rohového křídla (palcového křídla), jež je umístěno před vlastním křídlem, aby při zvýšené letové rychlosti co možná nejúčinněji zabránilo tomu, že dojde k přerušení plynulého proudění nad křídlem a tím vlastně k propadu ptačího těla.

Na tom samém principu členěných křídel pracují také předkřídla letadel (srovnej obr. 3) a také čelní plachty plachetnic.

Příroda, jak je tedy patrné, již před miliardami let učinila „objevy“ v oblasti létání, nad nimiž, my lidé, nejen žasneme, ale sami je i v technice uplatňujeme a můžeme s nimi konat úžasné divy.

Plachtění jako koníček se v Německu rozšířilo hlavně po první světové válce, protože Versailleská smlouva prakticky zakazovala letání motorových letadel. (srov. Mc Mahon/Bonner 1985, S. 146 ff.)

U kluzáků je trup letadla sestrojen tak, aby odpovídal liniím proudění a nosné plochy jsou dlouhé a úzké, aby byl odpor vzduchu co možná nejmenší. Dlouhá úzká křídla mají i při stejné ploše výrazně menší odpor než křídla krátká a široká. Dlouhá křídla si rozdělují proud na větší ploše za letadlem. Pokud je konstrukce takového kluzáku stabilní, jsou kluzáky s delšími, užšími křídly lepší a výkonnější.

Podobně to platí i pro rychlé plachetnice, jež mají bez výjimky vysoký stěžeň a relativně úzké dlouhé plachty. Stejný princip bývá uplatňován u moderních větrných elektráren, kde se užívá rotorových listů koncentrujících vítr a tím se využívají copy vzdušných proudů. Posledně zmíněného principu využívají také tažní ptáci, zejména ti, kteří táhnou na dlouhých trasách v klínovitých, či stupňovitých formacích (kachny, husy, apod.)

Hodně jsme se naučili také od extrémně lehkých a přesto stabilních „kluzáků“ mezi rostlinami. Leonardo da Vinci prý sestrojil podle letícího plodu smetánky lékařské první padák. Podobně jako plod smetánky, vytvořila i rostlina kozí brada luční (Tragopogon pratensis) na svých plodech násadkovité padáčky, jejichž chloupky se vzájemně překrývají. Začnou-li tyto klesat, dochází k tomu, že jsou pomalu profukovány od spoda nahoru a díky jejich malé hmotnosti tak mohou urazit i dlouhé vzdálenosti a tím dochází k jejich rozšíření. Podobné mechanismy rozšíření semen a plodů, při kterém sehrává podstatnou roli vítr, vidíme i u břízy a javoru.

Víme, že odpor, jenž těleso klade, závisí kromě jiného také na tvaru a ploše povrchu. Jako u u větrem se rozšiřujících semen a plodů nebo u listů stromu, je pád bržděn odporem vzduchu. Známe-li například odpor proudění změřený v aerodynamickém tunelu F_w, můžeme spočítat hodnotu c_w.

Didaktické připomínky

U žáků na všech stupních se fenomén „strategie rozšíření semen a plodů“ setkává s velkým zájmem zejména tehdy, jsou-li zvoleny takové experimentální postupy, jež jim umožní, aby sami nalezli určité zákonitosti,což je vyučování metodou heuristickou.

Proto se nabízejí zvláštní, na problémy orientované učební koncepce za cíleného zohlednění fází automatického učení. Žáci by měli sami poznat, že například existují určité souvislosti mezi stavbou a funkcí, jež se dají dobře zkoumat nezřídka i ve škole dostupnými prostředky (srov. kopírovaná předloha)

Obzvlášť zajímavé a trvale účinné jsou zpravidla ty pokusy, při kterých žáci nejen rozpoznají technickou použitelnost, ale sami si ji aspoň v náznacích vyzkoušejí.

V 5. a 6. třídách základních škol se dají ve vyučování v oblasti přírodních fenoménů zpracovávat následující bionicky relevantní témata:

• rybovitý, člunovitý, resp. proudnicový tvar letadel
• let ptáka a letadla (tvar trupu letadla, tvar křídel) resp. rogala a aerodynamické tvary aut a letadel
• nehty, nebo zobák a pinzeta, či louskáček na ořechy
• ušní boltec a trychtýř k odposlouchávání
• biologické záseky (např. plody, jež se přichycují, zuby pstruha duhového)a technické záseky (lodní kotva, suchý zip, apod.)
• rostlinné kluzáky a padáky
• jazyk a dopravní pás
• průběh dýchání (vnější dýchání) a hustilka
• rostlinné vrtulky (semena javoru a habru) a rotor vrtulníku
• maskování v přírodě a jeho použití například v armádě (maskovací barvy, tvary atd.)
• krunýř některých živočichů a rytířské brnění
• lidská paže a paže robota v automobilovém průmyslu
• pohyb vpřed hmyzí housenky a pásové vozidlo, bagr, popř. tank
• obilné stéblo a televizní vysílač, či výškový dům
• ústní ústrojí hmyzu a pavoukovců a technické podávací nářadí (štípací kleště a bagr)

Ve třídách na druhém stupni (6. až 9 tř.) se nabízejí například následující bionicky relevantní tématické oblasti:

• pavoučí sítě a rybářské sítě, nebo sítě na ptáky
• vnější skelet hmyzu a Zepeliny, resp. letadla a výškové domy
• sací ústrojí komára resp. srdeční a technické pumpy
• srdeční a cévní chlopně a technické ventily
• bavlna, vlna, hedvábí a syntetická vlákna
• přírodní recyklace (např. trávení, syntéza proteinů), přírodní koloběhy látek, technické cykly, resp. technická recyklace
• palcové křídlo a předkřídlo u letadel, či plachetnice
• regulace hladiny krevní glukózy a regulace pokojové teploty
• oko a fotoaparát
• sluchové kůstky a napínáček
• stavba a konstrukce kostí a stavba mostu
• barevné vidění u člověka, facetové oči a barevný obraz televizoru
• přírodní kloub a kloub technický
• noha krtka uzpůsobená k hrabání, mravkolev a lžíce bagru
• ultra zvuk u delfínů, hmyzu a echolokace při rybolovu, resp. radar na měření rychlosti
• delfíní kůže a odpor snižující potah podvodních vozidel
• pár schisostom a uzavíratelný drážkový obal některých potravin

Pro středoškolské studenty jsou mimo rozšíření a prohlubování tématických oblastí z nižšího a středního stupně ještě zajímavá tato témata:

• osmotické děje v buňkách resp.ledviny a dialýza
• struktura proteinů a polyamidy
• přírodní kadeře a trvalá ondulace
• plástve a úchytná pomoc při transportu skleněných tabulí
• nitrifikace a syntéza Haber-Bosch
• kožní pigmenty a světelný ochranný faktor
• biosyntéza proteinů a práce u jezdícího pásu
• feromony v přírodě a jejich selektivní použití k hubení škůdců
• vibrační smysl pro určení polohy kořisti atd. a detektory v seismologii a geologii

Závěrečné připomínky

Zatímco se biologové snaží porozumět živé přírodě a mnohým jevům v ní a rovněž je vysvětlit, pozorují biotechnici, nebo bionici přírodu školeným okem, nebo pomůckami po stránce chemické, fyzikální, či technické a pokoušejí se technicky využít rafinovaných vynálezů přírody.

V hodinách biologie na druhém stupni i v hodinách prvouky na prvním stupni nejde jen o to, zprostředkovat žákům fundované všeobecné biologické vzdělání, ale také naučit žáky vidět a rozpoznávat biologicky relevantní přírodní fenomény, naučit je žasnout nad nimi a uznat, že, my lidé, jsme se již z přírody mnohému naučili a ještě se mnohému v budoucnu naučit můžeme. Výuka biologie tedy má přispět k tomu, že žáci budou přírodou procházet s otevřenýma očima a budou se učit využívat a přeměňovat vynálezů přírody tak, aby je využívat mohl také člověk.

Použitá literatura

• z německého časopisu: Praxis der Naturwissenschaften, Biologie in der Schule sešit 5/52, z 15. 7. 2003, 52 ročník nakladatelství Aulis Verlag Deubner. Koeln und Leipzig přeložila: Klára Drápalová, III. Ročník Bi-NJ 14. 10. 2003

Obrazová příloha

Materiály k nakopírování

Laboratorní práce 1: Měření odporu vody různých dřevěných těles

Zde je k nahlédnutí laboratorní list k tématu:

Pokud se nezobrazí prohlížeč s náhledem laboratorního listu, ale pouze prázdná oblast, je třeba nainstalovat FlashPlayer 10 nebo vyšší

Laboratorní práce 2: Sestrojení padáku pro slepičí vejce

Zde je k nahlédnutí laboratorní list k tématu:

Pokud se nezobrazí prohlížeč s náhledem laboratorního listu, ale pouze prázdná oblast, je třeba nainstalovat FlashPlayer 10 nebo vyšší