(modelovanie zmyslového orgánu určeného na priestorovú orientáciu)
Motivácia:
Ako živočíchy počujú? Ako vidia? Existujú živočíchy, ktoré vidia zvukom? To sú niektoré otázky, ktoré by sme si mohli položiť a zároveň zodpovedať.
Všetky živočíchy nevidia tak ako my, napríklad chameleón môže sledovať zároveň korisť aj útočníka bez jediného pohybu, lebo jeho oči sú umiestnené na „výstupkoch“ a môžu sa pohybovať nezávisle od seba. Včely vedia pri videní používať polarizované svetlo a u väčšiny hmyzu sa vyvinuli zložené oči, ktoré vytvárajú mozaikové videnie. Vodné živočíchy majú inak prispôsobené oči kvôli inej refrakcii vo vode, a pod.
Rôzne živočíchy nielen vidia ale aj počujú rôznym spôsobom. Napríklad slony sa môžu dorozumievať svojimi žalúdkami a to tak, že vydávajú hlboké bručivé zvuky, ľudským uchom nepočujúce, ktoré sa šíria veľkými africkými pustatinami. Niektoré živočíchy majú „uši“ na svojich nohách, niektoré pod kolenami. Iné sluchové orgány sa vyvinuli u rýb iné u obojživelníkov, iné u stavovcov a pod. Rozsah počuteľnosti je u živočíchov tiež rôzny, počnúc zvukmi z oblasti infrazvukov a končiac zvukmi v oblasti ultrazvukov.
Existujú živočíchy, ktoré „vidia zvukom“? Aj na túto otázku sa pokúsime odpovedať prostredníctvom niekoľkých úloh (U), pozorovaní (P), doplnkových úloh (DU) a meraní (M).
Analógie:
U1: Z biologickej literatúry preštudujte problematiku zmyslových orgánov (sluch a zrak) u tých živočíchov, ktoré „vidia zvukom“ (využívajú sonar a echolokáciu na orientáciu vo svojom prirodzenom prostredí a na lovenie potravy) a vymenujte ich. Ide najmä o živočíchy, žijúce v tme (v jaskyniach, pod zemou, alebo vo veľkých morských hľbkach).
Netopier, delfín, veľryby, niektoré nočné mory, niektoré vtáky žijúce v jaskyniach apod.
U2: Urobte náčrtok niektorého z „biologických“ ultrazvukových vysielačov a prijímačov a stručne vysvetlite ako pracuje.
Obr. 1
U3: Formou tabuľky porovnajte jednotlivé časti technických a „biologických“ ultrazvukových vysielačov a prijímačov.
Ultrazvukový vysielač |
Delfín - vysielač |
Ultrazvukový prijímač |
Delfín - prijímač |
RC oscilátor |
dýchací otvor, nosné váčky, sústava chlopní |
elektromechanický menič (piezoelektrický kryštál) |
dutinky naplnené olejovitou kvapalinou |
elektromechanický menič (piezoelektrický kryštál) |
zvukové zrkadlo, zvuková šošovka (melón- guľovité teleso naplnené olejovitou kvapalinou), |
zosilňovač |
okrúhla kosť, vnútorné ucho |
registrácia (osciloskop) |
mozog |
U4: Vymenujte a zapíšte do tabuľky horné hranice počuteľnosti pre niektoré druhy živočíchov a zdôraznite tie živočíchy u ktorých sa hranica počuteľnosti posúva do oblasti ultrazvuku
Druh živočícha |
Frekvencia zvuku |
Ryby |
do 7 000 Hz |
Jašterice |
do 10 000 Hz |
Dieťa |
do 20 000 Hz |
35-ročný človek |
do 15 000 Hz |
Starec |
do 5 000 Hz |
Pes |
do 38 000 Hz |
Mačka |
do 50 000 Hz |
Potkan |
do 90 000 Hz |
Delfín |
od 250 Hz do 270 000 Hz |
Netopier |
do 160 000 Hz |
U5: Ľudský hlas má vlnovú dľžku okolo 75 cm, ale pre netopiera a delfína by bola táto dľžka nevhodná pri lovení koristi. Na základe vypracovanej tabuľky zistite, aké najmenšie vlnové dľžky môžu tieto živočíchy prijímať resp. vydávať (delfín, netopier) a ako ovplyvňuje vlnovú dľžku prostredie, v ktorom živočíchy žijú ( približne: vzduch v = 331 m/s, voda = 1500 m/s). Uvážte, prečo je pre nich výhodné použitie ultrazvuku a veľký rozsah vlnových dľžok (až po vlnovú dľžku niekoľko metrov)?
Menia vlnovú dľžku podľa potreby, pre skúmanie veľkých priestorov malá frekvencia a veľká vlnová dľžka, pre malé prekážky vysoká frekvencia a malá vlnová dľžka.
Druh živočícha |
Frekvencia zvuku |
Vlnován dľžka vo vzduchu |
Vlnován dľžka vo vode |
Ryby |
do 7 kHz |
21 cm |
|
Jašterice |
do 10 kHz |
3,30 cm |
15 cm |
Dieťa |
do 20 kHz |
1,65 cm |
7 cm |
35-ročný človek |
do 15 kHz |
2,20 cm |
10 cm |
Starec |
do 5 kHz |
6,60 cm |
30 cm |
Pes |
do 38 kHz |
0,90 cm |
4 cm |
Mačka |
do 50 kHz |
0,70 cm |
|
Potkan |
do 90 kHz |
0,35 cm |
1,6 cm |
Delfín |
0,25 kHz až 270 kHz |
132,00 cm až 0,12 cm |
600 cm až 0,5 cm |
Netopier |
do 160 kHz |
0,20 cm |
DU1: Prečo chvenie vzduchu pri lietaní hmyzu vnímame ako zvuk a pri lietaní vtákov nevnímame ako zvuk? Problematiku preštudujte z vhodnej literatúry a zapísaním do tabuľky porovnajte frekvencie kmitov krídel u rôznych druhov hmyzu.
Druh hmyzu |
Frekvencia kmitania |
vtáky |
pod 20 Hz |
mucha |
100 Hz |
osa |
150 Hz |
včela s nákladom peľu |
300 Hz |
včela bez nákladu peľu |
440 Hz |
trúd |
550 Hz |
malé mušky |
800 Hz |
komár |
900 Hz |
Cieľ: Pozorovaním odrazu zvukových vľn od „rovinného zvukového zrkadla“ modelovať jednu z činností „biologického“ ultrazvukového lokátora.
Pomôcky: Sklenný valec, tikajúce hodinky, doska,.
Pozorovanie: Na dno vysokého valca položte hodinky a nad otvorom valca upevnite do držiaku dosku. Potom dosku natáčajte tak, aby pozorovateľ raz počul a raz nepočul zvuk hodiniek.
Obr. 2
DU2: Popíšte a podrobne vysvetlite pozorovaný fyzikálny jav z akustiky (obr.2) a na jeho základe vysvetlite obr.3. Na akom princípe pracuje ultrazvukový echolokátor u netopiera pri zameraní koristi?
Obr. 3: Odraz ultrazvukových vľn
Cieľ: Jednoduchým fyzikálnym experimentom pozorovať zmenu výšky tónu pohybujúceho sa zdroja zvuku v závislosti od smeru pohybu vzhľadom k pozorovateľovi a tým modelovať princíp lovenia koristi u sledovaných živočíchov.
Pomôcky: zdroj zvuku (píšťalka, ladička, reproduktor pripojený k RC generátoru apod.), pripevnený na vozíčkovej dráhe, pozorovateľ stojaci približne v strede vozíčkovej dráhy, kolmo na ňu.
DU3: Popíšte a podrobne vysvetlite pozorovaný fyzikálny jav z akustiky a na jeho základe vysvetlite obr.4 a obr.5. Na akom princípe pracuje sonar u delfína a ultrazvukový echolokátor u netopiera pri lovení koristi?
Obr. 4: Dopplerov efekt u delfínov
Obr. 5: Dopplerov efekt u netopierov
DU4: Ako tieto živočíchy vedia či sa korisť k nim približuje alebo sa od nich vzďaľuje?
DU5: Tvrdí sa, že netopier vletí človeku do vlasov. Je toto tvrdenie správne? Môže ovplyvniť klbko vlasov šírenie ultrazvukovej vlny? Navrhnite a realizujte experiment, ktorým by sme overili toto tvrdenie.
DU6: Predstavte si, že počas letnej noci sluchom sledujete bzukot letiaceho komára. Niekedy sa Vám zdá, že komár bzučí vyšším tónom a inokedy, že komár bzučí nižším tónom a najvyšším tónom bzučí tesne pri vašom uchu. Vysvetlite a fyzikálne zdôvodnite toto pozorovanie.
DU7: V rozprávke o červenej čiapočke je takýto dialóg: Prečo máš také veľké uši (vlk)? Aby som ťa dobre počul. A prečo máš také veľké oči? Aby som ťa dobre videl. Platí toto tvrdenie aj o netopierovi, delfínovi, nočných morách, vtákoch žijúcich v jaskyniach a iných živočíchov? Odpoveď dokumentujte obrázkom a potvrďte experimentom, napr. počúvaním tikotu budíka pomocou lievika pri uchu a bez neho, alebo rozhovoru ľudí v susednej miestnosti priložením hrnčeka na stenu.
Úvod
Fyzikálny experiment i napriek svojmu nepopierateľnému významu, rôznorodosti a pestrosti si len veľmi ťažko udržuje svoje postavenie vo vyučovaní fyziky. Pozíciu si bez väčších problémov udržuje len na laboratórnych cvičeniach. Našou úlohou je udržať jeho miesto i pri výklade, objavovaní javov a získavaní nových poznatkov. V tejto časti príspevku chceme poukázať na experiment určený pre zaradenie do procesu získavania poznatkov, pri ktorom na jednej strane meriame a získavame kvantitatívne údaje, výsledok, záver a zovšeobecnenie je však skôr v kvalitatívnej rovine.
Súčasne chceme ukázať, ako sa môžeme od javov v prírode dostať k čisto fyzikálnym experimentom a pojmom, hľadať súvislosti javov a fyzikálnych pojmov, a na základe výsledkov fyzikálneho experimentu robiť závery a vysvetlenia v prírode. Obsahovo uvedené experimenty nadväzujú na predchádzajúce časti (modelovanie, motivácia, analógie, pozorovanie).
Netopier to má ťažké
Zaujímavými otázkami sú otázky typu: Ako živočíchy počujú? Ako vidia? Ako sa orientujú vo svojom okolí?
Jedným zo živočíchov, ktoré „vidia zvukom“ vo svojom prirodzenom prostredí je netopier. Žije v tme, v jaskyniach. Na orientáciu v priestore využíva sonar a echolokáciu. K tomu je vybavený „biologickým“ ultrazvukovým vysielačom a prijímačom.Ultrazvukový signál vyslaný netopierom určitým smerom po odraze registruje a vyhodnocuje.
Modelujme takéhoto netopiera jednoduchým technickým zariadením pozostávajúcim
z ultrazvukového vysielača a prijímača. Na realizáciu všetkých experimentov použijeme ultrazvukový senzor polohy TI CBR a hardvér a softvér COACH 5.
Jednoduchým experimentom získame informáciu o vzdialenosti určitého objektu. Schéma zariadenia je na obrázku. Hoci zariadenie ukazuje vzdialenosť objektu, v skutočnosti zariadenie registruje čas medzi vyslaným ultrazvukovým impulzom a odrazeným impulzom.
V princípe sme pri takomto meraní obmedzení vlastnosťami použitého zariadenia. Ale i netopiera charakterizujú určité vlastnosti, ktoré predstavujú konkrétne obmedzenia.
Urobme experiment, pri ktorom do priestoru pred čidlom vsunieme predmet veľkosti cca 2 cm. Výsledkom je, že zariadenie predmet a jeho polohu zaregistruje, netopier „vidí predmet“. Ak dáme do cesty malý predmet veľkosti cca 2 mm zistíme, že zariadenie predmet už nezaregistruje. Čím je to dané? Môže to byť intenzitou odrazeného signálu alebo trochu komplikovanejšie vzťahom veľkosti objektu a vlnovej dľžky použitého signálu. Pri frekvencii použitého signálu 40 kHz vychádza vlnová dľžka približne 8 mm. Použitým signálom môžeme registrovať objekty s rozmermi porovnateľnými s vlnovou dľžkou použitého signálu (rádové centimetrové rozmery). Netopier vysiela signál s frekvenciou do 160 kHz, z čoho vyplýva, že môže registrovať objekty rádové s milimetrovou veľkosťou. V prírode sa zrejme živočíchy evolúciou prispôsobili životným podmienkam.
Tak ako človek získava zrakom komplexnú informáciu (farba, intenzita) o okolitom prostredí, podobne získava i netopier prostredníctvom ultrazvukového signálu informáciu o prostredí, v ktorom sa nachádza.
Akú informáciu získa netopier pri vyslaní signálu na rovnú stenu? Ak zjednodušíme situácia a scanujeme stenu len v jednej vodorovnej rovine, získaná informácia je znázornená na obrázku, vidíme, že graf nie je ideálny. Ako si v danej situácii poradí netopier a prečo je to tak?
Zrejme do procesu vyhodnocovania získaných informácii musia vstúpiť ďalšie fyzikálne javy (odraz, intenzita, zmena frekvencie, …).
Urobme zložitejší experiment, keď sa v priestore pred netopierom objaví väčší pohybujúci sa objekt. Zachytený signál bude mať priebeh ako na obrázku. Aké informácie môžeme z takéhoto grafu získať? (čas, vzdialenosť, rýchlosť objektu).
Experimentom overme situáciu, keď sa objekt pred netopierom pohybuje smerom od netopiera. Zo získaného grafu vieme určiť vzdialenosť a rýchlosť v konkrétnom čase.
Netopier v skutočnosti v prípade určenia rýchlosti objektu využíva ďalší jav - Dopplerov efekt. , resp . Ukážeme výsledky experimentu s použitím ladičky. Grafy zodpovedajú ladičke v pokoji a v pohybe smerom k snímaču a od snímača.
Predstavme si netopiera v miestnosti. Je jeho orientácia jednoduchá? Urobme experiment, pri ktorom súčasne zaznamenávame polohu objektu a jeho smer.
Vidíme, že získaný obraz nie je až taký jednoduchý a je ovplyvnený odrazom, intenzitou odrazu, veľkosťou odrazovej plochu a jej sklonu ako i smerovosťou.
Vzájomné porovnávanie reality zo života netopiera a fyzikálnych meraní, javov a pojmov by viedlo k ďalším analógiám. Výsledky a zosumarizovanie predložených poznatkov uvádzame v tabuľke.
Poloha objektu |
Poloha Súradnicový systém Vzdialenosť Čas Rýchlosť |
Zisťovanie polohy ultrazvukom |
Odraz vlnenia Absorpcia Vlnové vlastnosti verz. korpuskulárne vlastnosti |
Pohyb objektu |
Rýchlosť Dopplerov efekt |
[1] Kantorek, J., Řehoř, F., Sobotková, V.: Tajemství přírody. Blesk, Ostrava, 1993.
[2] Kolektív: Encyklopedie vědy a techniky. Albatros Praha, 1986.