Повторяем Двигатели и Космонавтику изучаем строение и работу мышц откуда берёт энергия живая клетка что такое искусственные мышцы, и как они помогают двигаться. - презентация

1 повторяем Двигатели и Космонавтику изучаем строение и работу мышц откуда берёт энергия живая клетка что такое искусственные мышцы, и как они помогают двигаться роботам 19 апреля 2008 года

2 Что такое двигатель и какие они бывают? От чего зависит мощность двигателя? Какие двигатели мощнее - бензиновые или дизельные? Какие двигатели мощнее - четырёхтактные или двухтактные? Краткие характеристики полёта Гагарина Наши достижения в космосе Кто руководил ракетными программами СССР и США? Когда и как американцы высадились на Луне? Какие бывают ракетные двигатели? Преимущества и недостатки твёрдо-топливного ракетного двигателя? Циолковский К.Э. и его формула Типы прямоточных реактивных двигателей и их применение Вопросы для повторения

3 сухожилие мышца пучок мышечных волокон волокно, мышечная клетка миофибрилла, сокращающийся элемент клетки кость мембрана От кости - к миофибриллам

4 пучки мышечных волокон жир Микрофотография поперечного сечения скелетной мышцы, сделанная с увеличением 200

5 мышца мышечная клетка, волокно миофибрилла - сокращающийся элемент клетки с диаметром 1 мкм саркомер - двигатель миофибриллы пучок мышечных волокон мышца в разрезе От мышцы к саркомеру

6 Микрофотография продольного сечения волокна поперечно-полосатой мышцы, сделанная с увеличением Z-полоса A-полоса I- полоса

7 тонкие нити толстые нити саркомер Z диск M линия актин миозин Соответствие полос и линий на фото поперечно-полосатой мышцы элементам саркомера

8 Структура саркомера I A M H A Z актиновые нити (тонкие) миозиновые нити (толстые) поперечное сечение саркомер

9 Строение тонких и толстых миофибриллярных нитей двойная спираль актина тропомиозин тропонин головки миозина Миозин и актин - сократительные белки Тропонин и тропомиозин - регуляторные

10 Как сокращается саркомер или теория скользящих нитей сокращение расслабление миозиновые (толстые) нити актиновые (тонкие) нити саркомер (1,3 - 3,6 мкм) Z Z ZZ Анимация

11 При соединении с АТР головка миозина отсоединяется от актина Что такое поперечный мостик, и как он работает актиновая нить В отсутствие Аденозин-Три- Фосфата (АТФ,ATP) головка миозина прикреплена к актину При расщепление АТР на Аденозин ДиФосфат (АДФ,ADP) и фосфат (P i ) головка поворачивается При отсоединении фосфата (P i ) головка миозина опять соединяется с актином (+Сa 2+ ) При отсоединении ADP головка миозина возвращается в исходное положение, толкая актин влево на 5 нм актиновая нить Анимация

12 Что такое АТФ АТФ : энергетическая валюта жизни клетки, используется всеми организмами (от бактерии до человека), вторая по значимости макромолекула (после ДНК), используется для построения сложных молекул, движения, создания электрического поля и даже света (у светлячков), плотность энергии, заключённой в АТФ, гораздо выше, чем энергия ковалентных связей продуктов питания, яды (например, цианиды), препятствующие образованию АТФ, смертельны

13 Что такое АТФ Аденозин трифосфат (АТФ) Аденозин дифосфат (АДФ) Аденозин монофосфат (АМФ) Аденозин Рибоза Аденин Фосфатные группы Мол.вес - около 500

14 Как АТФ освобождает энергию АТФАТФАДФАДФ углерод фосфор азот кислород АТФ > АДФ + фосфат + 7 ккал/мол (7 * 4,2 к Дж/мол)

15 АТФ - переносчик энергии в живой клетке Сразу после того, как АТФ расщепился на АДФ и фосфат, АДФ движется в митохондрии, где опять превращается в АТФ. Наша жизнь - это непрерывный распад АТФ (источник энергии) и его синтез в митохондриях. В каждой из миллиардов (10 14 ) клеток человека находится около 1 миллиарда (10 9 ) молекул АТФ, которых достаточно только на несколько минут жизни. Каждая молекула АТФ три раза в минуту отдаёт энергию там, где это необходимо, и три раза в минуту заходит в митохондрию, чтобы подзарядиться, превратившись из АДФ в АТФ. Организм человека содержит всего 50 г АТФ, и ежедневное потребление еды позволяет митохондриям выполнять свою задачу - превращать АДФ в АТФ (фосфорилирование).

16 Митохондрия - силовая станция клетки Митохондрии есть во всех клетках Чем больше энергетические затраты клетки, тем больше в них митохондрий Микрофотография митохондрии ( х 30000)

17 Внутренняя структура митохондрии внутренняя мембрана внешняя мембрана матрикс складки внутренней мембраны Анаэробный гликолиз в цитозоль + цикл Кребса + окислительное фосфорилирование в митохондрии = АТФ

18 Как работают искусственные мышцы

19 Электроактивные материалы (ЭАМ) изменяют свои размеры и форму в электрическом поле и могут служить датчиками внешних сил Диэлектрические эластомеры - один из видов ЭАМ: 50 мкм плёнка силикона или акрила с электропроводящей поверхностью (частички угля), резиновые конденсаторы, противоположные заряды на пластинах которого притягиваются друг к другу и сжимают плёнку, увеличивая её размеры, могут увеличивать свои размеры в 4 раза под действием электрического поля

20 удлиняется до 2 см, развивает силу до 30 Н с частотой до 50 Гц Мышцы из свёрнутых в рулон плёнок эластомера напряжение нет есть напряжение нет есть на левом однорулонная мышца двухрулонная мышца

21 Движущаяся кисть руки робота

22 Эластомеры позволяют изменять структуру поверхности напряжение есть нет

23 Эластомеры, встроенные в подошву, могут быть источниками электрической энергии плёнки эластомера эластичный наполнитель сжатый каблук не нагруженный каблук

24 резиновый брусок резиновый брусок, согнутый в дугу Брус изгибается под действием силы так, что его верхние слои сжимаются, а нижние растягиваются. А значит, в середине бруса существует слой (отмечен красным), длина которого не изменяется при изгибе балки. Материал, находящийся в этом слое, не работает (т.е. не деформируется), а лишь утяжеляет балку. Поэтому часть материала около этого нейтрального слоя можно удалить без большого ущерба для прочности балки, работающей в таких условиях… А если каким-то иным способом удлинить верхнюю часть пластинки, а нижнюю - укоротить? Очевидно, что пластинка ИЗОГНЁТСЯ!!! Брус изгибается под действием силы так, что его верхние слои сжимаются, а нижние растягиваются. А значит, в середине бруса существует слой (отмечен красным), длина которого не изменяется при изгибе балки. Материал, находящийся в этом слое, не работает (т.е. не деформируется), а лишь утяжеляет балку. Поэтому часть материала около этого нейтрального слоя можно удалить без большого ущерба для прочности балки, работающей в таких условиях… А если каким-то иным способом удлинить верхнюю часть пластинки, а нижнюю - укоротить? Очевидно, что пластинка ИЗОГНЁТСЯ!!! Как можно электричеством искривлять плёнку эластомера Вспомним былое...

25 Как можно электричеством искривлять плёнку эластомера U 0 0 Напряжение подаётся на нижнюю плёнку, она удлиняется, а пластинка изгибается вверх 0 0 0Напряжение не подаётся U 0 0 Напряжение подаётся на верхнюю плёнку, она удлиняется, а пластинка изгибается вниз

26 U = +U 0 U = -U 0 U = 0 Возможное применение электроактивных полимеров в космических исследованиях

27 микро летающие объекты сенсоры потоков воздуха с возможностью изменению структуры поверхности Возможное применение электроактивных полимеров в аэро-космических исследованиях