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伽利略設計或制作的儀器主要有哪些

來源:環保設備     添加時間:2023-03-01 06:54:13

伽利略設計或制作的儀器主要有哪些

伽利略溫度計: 伽利略想:能不能發明一種可以精確地測出病人體溫的儀器呢? 于是,伽利略開始構思這種新儀器的使用原理。他想了許多辦法,可一個個都被他自己否認了。 一天,他在沉思之中,看到一位小孩正在玩一種玩具。這種玩具據說是古希臘人發明的。它的結構很簡單:在U形的玻璃管里裝一半水,將彎管的一端用鉛球密封,另一端用玻璃球密封,使管中的空氣跑不出來。玩的時候,在鉛球下加熱,U形管中的水就會向回退縮;移開鉛球下的火源,鉛球冷卻,水就會升到原來的位置。 伽利略看著看著,產生了一個新的想法:“為什么不根據熱脹冷縮的現象來制作呢?” 于是,伽利略便對熱脹冷縮現象進行進一步的研究,并在此基礎上設計了許多方案。然而,科學發明不可能一賦而就,他的方案又一次次的失敗了。 寒來暑往,10余年的時間過去了。1593年,伽利略發明了第一支空氣溫度計。這種氣體溫度計是用一根細長的玻璃管制成的。它的一端制成空心圓球形;另一端開口,事先在管內裝進一些帶顏色的水,并將這一端倒插入盛有水的容器中。在玻璃管上等距離地標上刻度。這樣,當外界溫度升高時,玻璃球內氣體膨脹,使玻璃管中水位降低;反之,溫度較低時,玻璃球內氣體收縮,玻璃管中的水位就上升。 空氣溫度計的發明,導致了體溫計的問世。 伽利略的一位朋友、帕多瓦大學醫學教授??送辛羲?,一直在關注著伽利略研制溫度計的進展。當他看到世界上第一支空氣溫度計后,按照自己的設想和診病需要,對氣體溫度計進行了改進,在1600年制成了世界上第一文體溫計。 第一支空氣溫度計雖能測定溫度,但人們發現它的測定結果并不精確,因為氣體溫度計下端是與大氣相通的,玻璃管中的水位高度不僅受到空心球中空氣溫度的影響,而且還受到大氣壓強的影響。也就是說,即使溫度不變,玻璃管內的水的高度也會有所差異。

有哪些儀器、機械是仿生學的成果?

蒼蠅與宇宙飛船

令人討厭的蒼蠅,與宏偉的航天事業似乎風馬牛不相及,但仿生學卻把它們緊密地聯系起來了。

蒼蠅是聲名狼藉的“逐臭之夫”,凡是腥臭污穢的地方,都有它們的蹤跡。蒼蠅的嗅覺特別靈敏,遠在幾千米外的氣味也能嗅到。但是蒼蠅并沒有“鼻子”,它靠什么來充當嗅覺的呢? 原來,蒼蠅的“鼻子”嗅覺感受器分布在頭部的一對觸角上。

每個“鼻子”只有一個“鼻孔”與外界相通,內含上百個嗅覺神經細胞。若有氣味進入“鼻孔”,這些神經立即把氣味刺激轉變成神經電脈沖,送往大腦。大腦根據不同氣味物質所產生的神經電脈沖的不同,就可區別出不同氣味的物質。因此,蒼蠅的觸角像是一臺靈敏的氣體分析儀。

仿生學家由此得到啟發,根據蒼蠅嗅覺器的結構和功能,仿制成一種十分奇特的小型氣體分析儀。這種儀器的“探頭”不是金屬,而是活的蒼蠅。就是把非常纖細的微電極插到蒼蠅的嗅覺神經上,將引導出來的神經電信號經電子線路放大后,送給分析器;分析器一經發現氣味物質的信號,便能發出警報。這種儀器已經被安裝在宇宙飛船的座艙里,用來檢測艙內氣體的成分。

這種小型氣體分析儀,也可測量潛水艇和礦井里的有害氣體。利用這種原理,還可用來改進計算機的輸入裝置和有關氣體色層分析儀的結構原理中。

從螢火蟲到人工冷光

自從人類發明了電燈,生活變得方便、豐富多了。但電燈只能將電能的很少一部分轉變成可見光,其余大部分都以熱能的形式浪費掉了,而且電燈的熱射線有害于人眼。那么,有沒有只發光不發熱的光源呢? 人類又把目光投向了大自然。

在自然界中,有許多生物都能發光,如細菌、真菌、蠕蟲、軟體動物、甲殼動物、昆蟲和魚類等,而且這些動物發出的光都不產生熱,所以又被稱為“冷光”。

在眾多的發光動物中,螢火蟲是其中的一類。螢火蟲約有1 500種,它們發出的冷光的顏色有黃綠色、橙色,光的亮度也各不相同。螢火蟲發出冷光不僅具有很高的發光效率,而且發出的冷光一般都很柔和,很適合人類的眼睛,光的強度也比較高。因此,生物光是一種人類理想的光。

科學家研究發現,螢火蟲的發光器位于腹部。這個發光器由發光層、透明層和反射層三部分組成。發光層擁有幾千個發光細胞,它們都含有熒光素和熒光酶兩種物質。在熒光酶的作用下,熒光素在細胞內水分的參與下,與氧化合便發出熒光。螢火蟲的發光,實質上是把化學能轉變成光能的過程。

早在40年代,人們根據對螢火蟲的研究,創造了日光燈,使人類的照明光源發生了很大變化。近年來,科學家先是從螢火蟲的發光器中分離出了純熒光素,后來又分離出了熒光酶,接著,又用化學方法人工合成了熒光素。由熒光素、熒光酶、ATP(三磷酸腺苷)和水混合而成的生物光源,可在充滿爆炸性瓦斯的礦井中當閃光燈。由于這種光沒有電源,不會產生磁場,因而可以在生物光源的照明下,做清除磁性水雷等工作。

現在,人們已能用摻和某些化學物質的方法得到類似生物光的冷光,作為安全照明用。

電魚與伏特電池

自然界中有許多生物都能產生電,僅僅是魚類就有500余種 。人們將這些能放電的魚,統稱為“電魚”。

各種電魚放電的本領各不相同。放電能力最強的是電鰩、電鯰和電鰻。中等大小的電鰩能產生70伏左右的電壓,而非洲電鰩能產生的電壓高達220伏;非洲電鯰能產生350伏的電壓;電鰻能產生500伏的電壓,有一種南美洲電鰻竟能產生高達880伏的電壓,稱得上電擊冠軍,據說它能擊斃像馬那樣的大動物。

電魚放電的奧秘究竟在哪里?經過對電魚的解剖研究, 終于發現在電魚體內有一種奇特的發電器官。這些發電器是由許多叫電板或電盤的半透明的盤形細胞構成的。由于電魚的種類不同,所以發電器的形狀、位置、電板數都不一樣。電鰻的發電器呈棱形,位于尾部脊椎兩側的肌肉中;電鰩的發電器形似扁平的腎臟,排列在身體中線兩側,共有200萬塊電板;電鯰的發電器起源于某種腺體,位于皮膚與肌肉之間,約有500萬塊電板。單個電板產生的電壓很微弱,但由于電板很多,產生的電壓就很大了。

電魚這種非凡的本領,引起了人們極大的興趣。19世紀初,意大利物理學家伏特,以電魚發電器官為模型,設計出世界上最早的伏打電池。因為這種電池是根據電魚的天然發電器設計的,所以把它叫做“人造電器官”。對電魚的研究,還給人們這樣的啟示:如果能成功地模仿電魚的發電器官,那么,船舶和潛水艇等的動力問題便能得到很好的解決。

水母的順風耳

“燕子低飛行將雨,蟬鳴雨中天放晴?!鄙锏男袨榕c天氣的變化有一定關系。沿海漁民都知道,生活在沿岸的魚和水母成批地游向大海,就預示著風暴即將來臨。

水母,又叫海蜇,是一種古老的腔腸動物,早在5億年前,它就漂浮在海洋里了。這種低等動物有預測風暴的本能,每當風暴來臨前,它就游向大海避難去了。

原來,在藍色的海洋上,由空氣和波浪摩擦而產生的次聲波 (頻率為每秒813次),總是風暴來臨的前奏曲。這種次聲波人耳無法聽到,小小的水母卻很敏感。仿生學家發現,水母的耳朵的共振腔里長著一個細柄,柄上有個小球,球內有塊小小的聽石,當風暴前的次聲波沖擊水母耳中的聽石時,聽石就刺激球壁上的神經感受器,于是水母就聽到了正在來臨的風暴的隆隆聲。

仿生學家仿照水母耳朵的結構和功能,設計了水母耳風暴預測儀,相當精確地模擬了水母感受次聲波的器官。把這種儀器安裝在艦船的前甲板上,當接受到風暴的次聲波時,可令旋轉360°的喇叭自行停止旋轉,它所指的方向,就是風暴前進的方向;指示器上的讀數即可告知風暴的強度。這種預測儀能提前15小時對風暴作出預報,對航海和漁業的安全都有重要意義。

-- 結構構件

對于構件,在截面面積相同的情況下,把材料盡可能放到遠離中和軸的位置上,是有效的截面形狀。有趣的是,在自然界許多動植物的組織中也體現了這個結論。例如:“疾風知勁草”,許多能承受狂風的植物的莖部是維管狀結構,其截面是空心的。支持人承重和運動的骨骼,其截面上密實的骨質分布在四周,而柔軟的骨髓充滿內腔。在建筑結構中常被采用的空心樓板、箱形大梁、工形截面鈑梁以及折板結構、空間薄壁結構等都是根據這條結論得來的。

-- 斑馬

斑馬生活在非洲大陸,外形與一般的馬沒有什么兩樣,它們身上的條紋是為適應生存環境而衍化出來的保護色。在所有斑馬中,細斑馬長得最大最美。它的肩高140-160厘米,耳朵又圓又大,條紋細密且多。斑馬常與草原上的牛羚、旋角大羚羊、瞪羚及鴕鳥等共外,以抵御天敵。人類將斑馬條紋應用到軍事上是一個是很成功仿生學例子。。

補充( 最新發展):

仿生學與遺傳學的整合是系統生物工程(systems bio-engineering)的理念,也就是發展遺傳工程的仿生學。人工基因重組、轉基因技術是自然重組、基因轉移的模仿,還天然藥物分子、生物高分子的人工合成是分子水平的仿生,人工神經元、神經網絡、細胞自動機是細胞系統水平的仿生,跟隨單基因遺傳學、單基因轉移發展到多基因系統調控研究的系統遺傳學(system genetics)、多基因轉基因的合成生物學(synthetic biology),以及納米生物技術(nano-biotechnology)、生物計算(bio - computation、DNA計算機技術的系統生物工程發展,仿生學已經全面發展到一個從分子、細胞到器官的人工生物系統(artificial biosystem)開發的時代。

人類的發明來自動物的靈感科學家根據火野豬的鼻子測毒的奇特本領制成了世界上第一批防毒面具?;鸺绽玫氖撬?、墨魚反沖原理??蒲腥藛T通過研究變色龍的變色本領,為部隊研制出了不少軍事偽裝裝備??茖W家研究青蛙的眼睛,發明了電子蛙眼。美國空軍通過毒蛇的“熱眼”功能,研究開發出了微型熱傳感器。人類還利用蛙跳的原理設計了蛤蟆夯(hang)。人類模仿警犬的高靈敏嗅覺制成了用于偵緝的“電子警犬”。

仿生與高科技 科學家通過對海豚游泳阻力小的研究發明了能提高魚雷航速的人工海豚皮;以及模仿袋鼠在沙漠運動形式的無輪汽車(跳躍機)等。

前蘇聯科學院動物研究所的科學家在企鵝王的啟示下,他們設計了一種新型汽車--“企鵝王”牌極地越野汽車。這種汽車的寬闊的底部,直接貼在雪面上,用輪勺撐動著前進,行駛速度可達50公里/小時。

科學家模仿昆蟲制造了太空機器人。

澳大利亞國立大學的一個科研小組通過對幾種昆蟲的研究,已經研制出一個小型的導航和飛行控制裝置。這種裝置可以用來裝備用于火星考察的小型飛行器。

英國科學家在仿生學啟發下,正在研制一種可以靠尾鰭擺動以S形“游水”的潛艇新式潛艇的主要創新之處是使用了被稱為“象鼻致動器”的裝置?!跋蟊恰庇梢唤M用薄而柔軟的材料做成的軟管組成,模仿肌肉活動,推動鰭的運動。這種新式潛艇可以充當水底掃雷潛艇,用來對付最輕微的聲響或干擾便會引爆的水雷。

 


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