Svet netopiera a delfína

Daniela Horvátová, Mária Rakovská, Ľubomír Zelenický

1. Svet netopýra a delfína I

(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.

Daniela Horvátová, Mária Rakovská, Ľubomír Zelenický: Svet netopiera a delfína   - Obr. 1

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

2. Svet netopiera a delfína II (pozorovanie)

P1: Odraz zvuku

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.

Daniela Horvátová, Mária Rakovská, Ľubomír Zelenický: Svet netopiera a delfína   - Obr. 2

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?

Daniela Horvátová, Mária Rakovská, Ľubomír Zelenický: Svet netopiera a delfína   - Obr. 3: Odraz ultrazvukových vľn

Obr. 3: Odraz ultrazvukových vľn

P2: Pozorovanie Dopplerovho efektu

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?

Daniela Horvátová, Mária Rakovská, Ľubomír Zelenický: Svet netopiera a delfína   - Obr. 4: Dopplerov efekt u delfínov

Obr. 4: Dopplerov efekt u delfínov

Daniela Horvátová, Mária Rakovská, Ľubomír Zelenický: Svet netopiera a delfína   - Obr. 5: Dopplerov efekt u netopierov

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.

3. Svět netopiera III (meranie – COACH)

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.

Daniela Horvátová, Mária Rakovská, Ľubomír Zelenický: Svet netopiera a delfína   - image010.png

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.

Daniela Horvátová, Mária Rakovská, Ľubomír Zelenický: Svet netopiera a delfína   - image012.gif
Daniela Horvátová, Mária Rakovská, Ľubomír Zelenický: Svet netopiera a delfína   - image014.jpg

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, …).

Daniela Horvátová, Mária Rakovská, Ľubomír Zelenický: Svet netopiera a delfína   - image016.jpg

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).

Daniela Horvátová, Mária Rakovská, Ľubomír Zelenický: Svet netopiera a delfína   - image017.png

Experimentom overme situáciu, keď sa objekt pred netopierom pohybuje smerom od netopiera. Zo získaného grafu vieme určiť vzdialenosť a rýchlosť v konkrétnom čase.

Daniela Horvátová, Mária Rakovská, Ľubomír Zelenický: Svet netopiera a delfína   - image019.png

Daniela Horvátová, Mária Rakovská, Ľubomír Zelenický: Svet netopiera a delfína   - image020.png

Netopier v skutočnosti v prípade určenia rýchlosti objektu využíva ďalší jav - Dopplerov efekt. Daniela Horvátová, Mária Rakovská, Ľubomír Zelenický: Svet netopiera a delfína   - vzorec, resp Daniela Horvátová, Mária Rakovská, Ľubomír Zelenický: Svet netopiera a delfína   - vzorec. Ukážeme výsledky experimentu s použitím ladičky. Grafy zodpovedajú ladičke v pokoji a v pohybe smerom k snímaču a od snímača.

Daniela Horvátová, Mária Rakovská, Ľubomír Zelenický: Svet netopiera a delfína   - image027.png

Predstavme si netopiera v miestnosti. Je jeho orientácia jednoduchá? Urobme experiment, pri ktorom súčasne zaznamenávame polohu objektu a jeho smer.

Daniela Horvátová, Mária Rakovská, Ľubomír Zelenický: Svet netopiera a delfína   - image029.png

Daniela Horvátová, Mária Rakovská, Ľubomír Zelenický: Svet netopiera a delfína   - image032.jpg

Vidíme, že získaný obraz nie je až taký jednoduchý a je ovplyvnený odrazom, intenzitou odrazu, veľkosťou odrazovej plochu a jej sklonu ako i smerovosťou.

Záver

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

Literatura

[1] Kantorek, J., Řehoř, F., Sobotková, V.: Tajemství přírody. Blesk, Ostrava, 1993.

[2] Kolektív: Encyklopedie vědy a techniky. Albatros Praha, 1986.

Veletrh 7