РАЗДЕЛ «Сопротивление материалов»
Основные положения. Основные гипотезы и допущения. Виды нагрузок и основных деформаций.
Сопротивление материалов – есть наука о прочности и деформации тел, элементов машин и сооружений. Прочностью – называется способность материала конструкций и их элементов сопротивляться действию внешних сил не разрушаясь. С опромат рассматривает методы расчетов элементов конструкций на прочность, жесткость и устойчивость. Р асчеты на прочность дает возможность определить размеры и формы детали выдерживающих заданную нагрузку при наименьшем затрате материала. Под жесткостью понимается способность тела или конструкции сопротивляться образованию деформации. Расчеты на жесткость гарантируют что изменение формы и размеров конструкции и их элементов не превысят допускаемых норм. Под устойчивостью понимается способность конструкции сопротивляться усилиям, которые пытаются вывести ее из состояния равновесия. Расчеты на устойчивость предотвращают возможность внезапной потери устойчивости и искривления длин деталей. На практике в большинстве случаев приходиться иметь дело с конструкциями сложной формы, но их можно представить себе состоящих из отдельных простых элементов (брусьев, массивов). Основным расчетным материалом сопромата является брус, то есть тело поперечные размеры которого малы по сравнению с длиной. Способность материала устранять деформацию после прекращения действия внешних сил называется упругостью . Основные гипотезы и допущения: 1) гипотеза о отсутствии первоначальных внутренних усилий – предположим что если нет причин вызывающих деформацию тела (нагрузки) то во всех его точках все его усилия равны 0, таким образом не принимается во внимание силы взаимодействия между частями и загруженного тела. 2) допущение об односторонности материала, физика – механические свойства тела могут не одинаковы в разных точках. 3) допущение о непрерывности материала, материал любого тела имеет непрерывное строение и представляет собой сплошную среду. 4) допущение об изотропности материала, предположим, что материал тела во всех направлениях обладает одинаковыми свойствами. Материал имеющий не одинаковые свойства в разных направлениях называют анизотропными (древесина). 5) допущение об идеальной упругости, предположим что в известных пределах нагружение материала обладает идеальной упругостью, то есть после снятия нагрузки деформация полностью исчезает.
Изменение линейных и угловых размеров тела называют соответственно линейной и угловой деформацией.1)допущение о малости перемещения или принцип начальных рамеров. 2) допущение о линейной деформации тел, перемещение точек и сечений упругого тела в известных пределах нагружен пропорционально силам вызываемые эти перемещения. 3) гипотеза плоских сечений. Виды нагрузок и основных дефонмаций: Поверхностные нагрузки бывают сосредоточенными или распределенными в зависимости от характера действия нагрузки подразделяется на статистические и динамические. Статистическими называются нагрузки числовое значение, направление и место которых остается постоянными иди меняется медленно и не значительно. Динамическими называются нагрузки характеризующиеся быстрым сцеплением во времени их направления или месте положения. Основные виды деформаций: 1) растяжение – цепи; 2) сжатие – колонны; 3) сдвиг – заделки, шпонки. Деформацию сдвига доведенную до разрушения материала называют срезом. 4) Кручение 5)изгиб – балки, оси.
Метод сечений. Напряжение.
Метод сечений заключается в том что тело мысленно рассекается плоскостью на 2 части, любая из которых отбрасывается и в замен ее к оставшемуся сечению прикладывают силы действующие до разреза, оставленную часть рассматривают как самостоятельное тело, находящееся в равновесии под действием внешних и приложенных к сечению внутренних сил. Согласно 3 му закону Ньютона внутренние силы, действующие в сечении оставшейся и отброшенной частей тела равны по модулю, но противоположны следовательно рассматриваем равновесие любой из 2 частей рассеченного тела мы получили одно и тоже значение внутренних сил. Рисунок страница 8 в лекциях.
Виды деформаций. Закон Гука при растяжении и сжатии.
При разных деформациях поперечного сечения бруса возникают различные внутренние факторы:
1)в сечении возникает только продольная сила N, в этом случае эта деформация – растяжение если сила направлена от сечения.2) в чечении возникает только поперечная сила Q в этом случае эта деформация сдвига.3) в сечении возникает только крутящий момент Т в этом случае это деформация кручения.4) в сечении возникает изгибающий момент М в этом случае это деформация чистого изгиба, если в сечении одновременно возникает и М и Q то изгиб поперечный.
Закон Гука справедлив лишь в определенных пределах нагрузки. Нормальное напряжение прямо пропорционально относительному удлинению или укорочению. Е – коэффициент пропорциональности (модуль продольной упругости) характеризует жесткость материала, т.е. способность сопротивляться упругим деформациям растяжения или сжатия.
Напряжение и продольная деформация при растяжении и сжатии. Расчеты на прочность при растяжении и сжатии.
В
результате проведения механических
испытаний установили предельное
напряжение, при котором происходит
нарушение работы или разрушение материала
детали конструкции. Для обеспечения
прочности детали необходимо чтобы
возникающее в них в процессе эксплуатации
напряжения были меньше предельных.
коэффициент
запаса прочности.
;S
– называют допускаемым коэффициентом
прочности. Он зависит от свойств, качества
и однородности материала. Для хрупких
S=2
– 5, для древесины 8 – 12.
допускаемое
напряжение.
условие
прочности при растяжении и сжатии.
Растяжение
или сжатие называют такой вид деформации,
при котором в любом сечении бруса
возникает только продольная сила. Брусья
с прямолинейной осью (прямые брусья)
работающие на растяжение или сжатие
называют стержнями. При растяжении
справедлива гипотеза плоских сечении,
то есть все волокна бруса удлиняются
на одну и ту же величину. При растяжении
и сжатии в поперечных сечениях бруса
возникают только нормальные напряжения
равномерно распределенные по сечению.
форма
сечения на напряжение не влияет. Во всех
сечениях бруса напряжение распределено
равномерно и в сечении где к брусу вдоль
оси приложена сосредоточенная сила
значение продольной силы и напряжения
меняется скачкообразно.
относительное
удлинение.
Физические основы прочности. Диаграмма растяжения низкоуглеродистой стали.
График… страница 14 в лекциях. Описываешь: 3 прямые параллельные друг другу пунктиром под углом 30 градусов. Треугольник небольшой около начала координат. Точки расскажи где какие.
называют то наибольшее напряжение до которого деформации растут пропорционально нагрузке, то есть справедлив закон Гука.точка А соответствует другому пределу, который называется пределом упругости.
Напряжение упругости это напряжение до которого деформации практически остаются упругими.
С-предел
текучести – напряжение при котором в
образце появляется заметное удлинение
без повышения нагрузки. В – временное
сопротивление или предел прочности.
временным
сопротивление называют условное
напряжение равное отношению максимальной
силы, которую выдерживает образец к
первоначальной площадке поперечного
сечения, при достижении временного
сопротивления, на растягиваемом образце
образуется сужение – шейка, то есть
начинается разрушение образца. Говориться
об условном напряжении так как в сечении
шейки напряжение будет большим. М-
соответсввет напряжению возник. В
наименьшем поперечном сечении в момент
разрыва – напряжение разрыва.
.
Статически неопределимые стержневые системы. Уравнение совместности перемещений.
Статически неопределимые системы – это упругие стержневые системы (конструкции), в которых количество неизвестных внутренних усилий и ре-акций опор больше числа уравнений статики, возможных для этой системы.
Кроме уравнений статики для расчета таких систем (конструкций) приходится привлекать дополнительные условия, описывающие деформацию элементов данной системы. Их условно называют уравнениями перемещений или уравнениями совместности деформаций (а сам метод решения иногда называют методом сравнения деформаций).
Степень статической неопределимости системы – это разность между чис-лом неизвестных и числом независимых уравнений равновесия, которые можно составить для данной системы.
Количество дополнительных уравнений перемещений, необходимых для рас-крытия статической неопределимости, должно быть равно степени статиче-ской неопределимости системы.
Уравнения совместности перемещений называются каноническими уравнениями метода сил, поскольку они записываются по определенному закону (канону). Эти уравнения, количество которых равно числу лишних неизвестных, совместно с уравнениями равновесия позволяют раскрыть статическую неопределимость системы, т. е. определить значения лишних неизвестных.
Формула для касательных напряжений при кручении. Деформация при кручении. Расчеты на прочность и жесткость при кручении.
Кручением называется такой вид деформации, при котором в поперечном сечении стержня возникает лишь один силовой фактор - крутящий момент Мz. Крутящий момент по определению равен сумме моментов внутренних сил относительно продольной оси стержня Oz. Нормальные силы, параллельные оси Oz, вклада в крутящий момент не вносят.
Как видно из формулы, сдвиги и касательные напряжения пропорциональны расстояний от оси стержня. Обратим внимание на структурные аналогии формул для нормальных напряжений чистого изгиба и касательных напряжений кручения. Гипотезы , принимаемые при расчете на кручение:
1) сечения, плоские до деформации, остаются плоскими и после деформации (гипотеза Бернул-ли, гипотеза плоских сечений);
2) все радиусы данного сечения остаются прямы-ми (не искривляются) и поворачиваются на один и тот же угол ϕ, то есть каждое сечение поворачива-ется относительно оси x как жесткий тонкий диск;
3) расстояния между сечениями при деформации не изменяются.
ри кручении
расчеты на прочность также делятся на
проектировочные и поверочные. В основе
расчетов лежит условие прочности
где τmax - максимальное касательное
напряжение в брусе, определяемое по
вышеприведенным уравнениям в зависимости
от формы сечения; [τ] - допускаемое
касательное напряжение, равное части
предельного напряжения для материала
детали - предела прочности τв или предела
текучести τт. Коэффициент запаса
прочности устанавливается из тех же
соображений, что и при растяжении.
Например, для вала полого круглого
поперечного сечения, с внешним диаметром
D и внутренним диаметром d, имеем
где α=d/D - коэффициент полости сечения.
Условие
жесткости такого вала при кручении
имеет следующий вид:
где [φo] - допускаемый относительный угол
закручивания
Статически неопределимые задачи при кручении
При кручении, как и при растяжении, могут встретиться статически неопределимые задачи, для решения которых к уравнениям равновесия статики должны быть добавлены уравнения совместности перемещений.
Нетрудно показать, что метод решения указанных задач при кручении и при растяжении один и тот же. Рассмотрим для примера брус, заделанный обоими концами в абсолютно жесткие стены (рис. 7.21). Отбросим заделки, заменив их действие неизвестными моментом M1 и M2. Уравнение совместности деформаций получим из условия равенства нулю угла закручивания в правой заделке:
Где Ip1=πd14/32, Ip2=πd24/32.
Крутящие моменты в сечениях бруса связаны следующим уравнением:
.
Решая совместно указанные уравнения относительно неизвестных моментов, получим:
Угол закручивания сечения C определяется из уравнения
Эпюры крутящих моментов и углов закручивания представлены на рис. 7.21.
Прямой поперечный изгиб балок. Чистый изгиб эпюры внутренних усилий при изгибе балок.
Чистым изгибом называется такой вид деформации при котором в любом поперечном сечении бруса возникают только изгибающий момент, деформация чистого изгиба будет если к брусу, плоскости проходящей через ось приложить 2 равные но противоположные по знаку пару сил. На изгиб работают балки, оси, валы. Будем рассматривать такие брусья у которых имеется по крайней мере 1 плоскость симметрии и плоскость действия нагрузок совпадает с ней, в этом случае деформация изгиба происходит в плоскости деформации внешних сил и изгиб называется прямым. Поперечный изгиб – изгиб, при котором в сечениях стержня кроме внутрен-него изгибающего момента возникает и поперечная сила. При чистом изгибе справедлива гипотеза о плоских сечениях. Волокна лежащие на выпуклой стороне растягиваются, лежащие на вогнутой стороне сжимаются на границе. Между ними лежит центральный слой волокон который только искривляется, не изменяя своей длины. При чистом изгибе в поперечных сечениях бруса возникают нормальные напряжения растяжения и сжатия неравномерно распределенные по сечению.
Анализ приведенных выше дифференциальных зависимостей при изгибе по-зволяет установить некоторые особенности (правила) построения эпюр изги-бающих моментов и поперечных сил:
а – на участках, где нет распределенной нагрузки q , эпюры Q ограничены прямыми, параллельными базе, а эпюры M – наклонными прямыми;
б – на участках, где к балке приложена распределенная нагрузка q , эпюры Q ограничены наклонными прямыми, а эпюры M – квадратичными параболами. При этом, если эпюру М строим «на растянутом волокне», то выпуклость па раболы будет направлена по направлению действия q , а экстремум будет расположен в сечении, где эпюра Q пересекает базовую линию;
в – в сечениях, где к балке прикладывается сосредоточенная сила на эпюре Q будут скачки на величину и в направлении данной силы, а на эпюре М – пе-регибы, острием направленные в направлении действия этой силы;
г – в сечениях, где к балке прикладывается сосредоточенный момент на эпю-ре Q изменений не будет, а на эпюре М – скачки на величину этого момента;
д – на участках, где Q >0, момент М возрастает, а на участках, где Q М убывает (см. рисунки а–г).
Гипотезы изгиба. Формула для нормальных напряжений
Таких гипотез при изгибе три:
а –
гипотеза плоских сечений (гипотеза
Бернулли) – сечения плоские до деформации
остаются пло-скими и после деформации,
а лишь поворачиваются относительно
некоторой линии, которая называется
нейтральной осью сечения балки. При
этом волокна балки, лежащие с одной
стороны от ней-тральной оси будут
растягиваться, а с другой – сжиматься;
волокна, лежащие на нейтральной оси
своей длины не изменяют;
б – гипотеза о постоянстве нормальных напряже-ний – напряжения, действующие на одинаковом расстоянии y от нейтральной оси, постоянны по ширине бруса;
в – гипотеза об отсутствии боковых давлений – со-седние продольные волокна не давят друг на друга.
Максимальные
нормальные напряжения при изгибе
найдем
по формуле:
где W
z
– осевой
момент сопротивления
При растяжении и сжатии в поперечных сечениях бруса возникают только нормальные напряжения равномерно распределенные по сечению.форма сечения на напряжение не влияет. Во всех сечениях бруса напряжение распределено равномерно и в сечении где к брусу вдоль оси приложена сосредоточенная сила значение продольной силы и напряжения меняется скачкообразно. относительное удлинение.
Дифференциальные зависимости при изгибе
Установим некоторые взаимосвязи между внутренними усилиями и внешними нагрузками при изгибе, а также характерные особенности эпюр Q и M , знание которых облегчит по-строение эпюр и позволит контролировать их правильность. Для удобства записи будем обозначать: M ≡M z , Q ≡Q y .
Выделим на участке
балки с произвольной нагрузкой в месте,
где нет сосредоточенных сил и моментов,
малый элемент dx
.
Так как вся балка находится в равновесии,
то и элемент dx
будет находиться
в равновесии под дейст-вием приложенных
к нему поперечных сил, изгибающих
моментов и внешней нагрузки. Поскольку
Q
и
M
в
об-щем случае меняются вдоль оси балки,
то в сечениях элемента dx
будут возникать
поперечные силы Q
и Q
+dQ
,
а также изгибающие моменты M
и M
+dM
.
Из ус-ловия равновесия выделенного
элемента получим
Первое из двух записанных уравнений
дает условие
Из второго уравнения, пренебрегая слагаемым q ·dx ·(dx /2) как бесконечно ма-лой величиной второго порядка, найдем
Рассматривая выражения (10.1) и (10.2) совместно можем получить
Соотношения (10.1),
(10.2) и (10.3) называют дифференциальными
зависимостями Д. И. Журавского при
изгибе
.
Геометрические характеристики плоских сечений. (статический момент площади. Полярный момент инерции. Осевой момент инерции. Момент инерции при параллельном переносе осей. Главные оси и главные моменты инерции.
Статическим
моментом площади плоской фигуры
относительно оси лежащей в этой же
плоскости называется взятой по всей
площади сумма произведений площадей
элементарных площадок на расстоянии
от них до этой оси
статические
моменты относительно осей. Может быть
больше нуля или меньше.
Полярным
моментом инерции плоской фигуры
относительно полюса лежащего по всей
площади есть сумма произведений площадей
элементарных площадок на квадраты их
расстояний до полюса.
полярный
момент инерции всегда больше 0.
Моментом
инерции механической системы относительно
неподвижной оси («осевой момент инерции»)
называется физическая величина Ja, равная
сумме произведений масс всех n материальных
точек системы на квадраты их расстояний
до оси:
где:
mi - масса i-й точки,
ri - расстояние от i-й точки до оси.
Осевой момент инерции тела Ja является мерой инертности тела во вращательном движении вокруг оси подобно тому, как масса тела является мерой его инертности в поступательном движении. где:
dm = ρdV - масса малого элемента объёма тела dV,
ρ - плотность,
r - расстояние от элемента dV до оси a.
Если
тело однородно, то есть его плотность
всюду одинакова, то
Оси, относительно которых центробежный момент инерции сечения обращается в нуль, называются главными осями, а главные оси, проходящие через центр тяжести сечения - главными центральными осями инерции сечения.
Моменты инерции относительно главных осей инерции сечения называются главными моментами инерции сечения и обозначаются через I1 и I2 причем I1>I2. Обычно, говоря о главных моментах, подразумевают осевые моменты инерции относительно главных центральных осей инерции.
Предположим,
что оси u и v главные. Тогда
Отсюда
ЭТО Уравнение определяет положение
главных осей инерции сечения в данной
точке относительно исходных осей
координат. При повороте осей координат
изменяются также и осевые момента
инерции. Найдем положение осей,
относительно которых осевые моменты
инерции достигают экстремальных
значений. Для этого возьмем первую
производную от Iu по α и приравняем ее
нулю:
отсюда
если моменты инерции сечения относительно
главных осей одинаковы, то все оси,
проходящие через ту же точку сечения,
являются главными и осевые моменты
инерции относительно всех этих осей
одинаковы: Iu=Iv=Iy=Iz. Этим свойством
обладают, например, квадратные, круглые,
кольцевые сечения.
Статически неопределимые балки и рамы. Метод сил для раскрытия статической неопределимости балок и рам.
Статически неопределимой называется такая система, которая не может быть рассчитана при помощи одних только уравнений статики, так как имеет лишние связи. Для расчета таких систем составляются дополнительные уравнения, учитывающие деформации системы.
Статически неопределимые системы обладают рядом характерных особенностей:
Статически неопределимая система – это конструкция, силовые факторы в элементах которой невозможно определить только из уравнений равновесия (уравнений статики).
Статическая
неопределимость возникает в том случае,
ко-гда число наложенных на систему
связей оказывается больше, чем это
необходимо для обеспечения ее равнове-сия.
При этом некоторые из этих связей
становятся как бы «лишними», а усилия
в них – лишними неизвестными. По числу
лишних неизвестных устанавливают
степень стати-ческой неопределимости
системы. Отметим, что термин «лишние»
связи является условным, так как эти
связи не-обходимы для обеспечения
прочности и жесткости систе-мы, хотя и
«избыточны» с точки зрения ее равновесия.
Рама
–
конструкция, состоящая из стержней
произвольной конфигурации и имеющая
один или несколько жестких (не шарнирных)
узлов.
Для раскрытия статической неопределимости
необходимо, помимо статиче-ской стороны
задачи, проанализировать деформации
системы и в дополнение к уравнениям
равновесия составить уравнения
совместности де-формаций, из решения
которых и находятся «лишние» неизвестные.
При этом число таких уравнений должно
равняться степени статической
неопре-делимости системы.
Метод сил.
Основная идея метода
Для того чтобы
обратить заданную статически неопре-делимую
систему в статически определимую, в
методе сил используется следующий
прием. Все «лишние» связи, наложенные
на конструкцию, отбрасываются, а их
действие заменяется соответствующими
реакциями – силами или моментами. При
этом, для сохранения заданных условий
закрепления и нагружения, реакции
отброшенных связей должны иметь такие
значения, при которых перемещения в
направлении этих реакций равнялись бы
нулю (или заданным величинам). Таким
образом, при раскрытии статической
неопределимости этим методом искомыми
оказываются не деформации, а соответствующие
им силы – реак-ции связей (отсюда и
название «метод сил»).
Запишем основные этапы раскрытия статической неопределимости по мето-ду сил:
1) определяем степень статической неопределимо-сти системы, то есть число лишних неизвестных;
2) удаляем
лишние связи и заменяем таким образом
исходную статически неопределимую
систему ста-тически определимой. Эта
новая система, освобож-денная от лишних
связей, называется основной
Заметим, что выбор лишних связей может
быть достаточно произвольным и зависит
лишь от желания расчетчика, так что для
одной и той же исходной статически
неопределимой системы возможны различные
варианты основных систем. Однако нужно
следить за тем, чтобы основная система
оставалась геометрически неизменяемой
– то есть ее элементы после удаления
лишних связей не должны иметь возможности
свободно пере-мещаться в пространстве.
3) составляем уравнения для деформаций
в точках приложения лишних неизвестных.
Так как в исходной системе эти деформации
равны нулю, то и указанные уравнения
необходимо также приравнять к нулю.
Затем из полученных урав-нений находим
величину лишних неизвестных.
Основные
задачи сопротивления материалов. Деформации
упругие и пластические. Основные
гипотезы
и допущения
. Классификация нагрузок
и...
... видов . Развитие эволюционных представлений Происхождение видов . Развитие эволюционных представлений. Основные положения ... «гипотеза стационарного состояния», «гипотеза панспермии», «гипотеза биохимической эволюции». Характеризуют основные гипотезы ...
... Основные гипотезы и допущения при кручении круглого вала. Условия прочности и жесткости. Касательные напряжения и угловые деформации ... при действии переменных нагрузок ; д) максимальное... и др. виды контроля в соответствии с Положением ) Количество баллов, ...
Быть и ошибка, допущенная учеником, и... интеллектуальных нагрузок . ГЛАВА... детей двух основных видов памяти - ... ждающих основные положения ... связями. Гипотеза несоответствия - положение когнитивной теории... отношениям). Профессиональная деформация личности - ...
Вопрос 1. Перечислите основные положения гипотезы А. И. Опарина.
В современных условиях возникновение живых существ из неживой природы невозможно. Абиогенное (т. е. без участия живых организмов) возникновение живой материи возможно было только в условиях древней атмосферы и отсутствия живых организмов. В состав древней атмосферы входили метан, аммиак, углекислый газ, водород, пары воды и другие неорганические соединения. Под действием мощных электрических разрядов, ультрафиолетового излучения и высокой радиации из этих веществ могли возникать органические соединения, которые накапливались в океане, образуя "первичный бульон".
В "первичном бульоне" из биополимеров образовывались многомолекулярные комплексы - коацерваты. В коацерватные капли из внешней среды попадали ионы металлов, выступавшие в качестве первых катализаторов. Из огромного количества химических соединений, присутствовавших в "первичном бульоне", отбирались наиболее эффективные в каталитическом отношении комбинации молекул, что в конечном счете привело к появлению ферментов. На границе между коацерватами и внешней средой выстраивались молекулы липидов, что приводило к образованию примитивной клеточной мембраны.
На определенном этапе белковые пробионты включили в себя нуклеиновые кислоты, создав единые комплексы, что привело к возникновению таких свойств живого, как самовоспроизведение, сохранение наследственной информации и ее передача последующим поколениям.
Пробионты, у которых обмен веществ сочетался со способностью к самовоспроизведению, можно уже рассматривать как примитивные проклетки, дальнейшее развитие которых происходило по законам эволюции живой материи.
Вопрос 2. Какие экспериментальные доказательства можно привести в пользу данной гипотезы?
В 1953 г. эта гипотеза А. И. Опарина была экспериментально подтверждена опытами американского ученого С. Миллера. В созданной им установке были смоделированы условия, предположительно существовавшие в первичной атмосфере Земли. В результате опытов были получены аминокислоты. Сходные опыты многократно повторялись в различных лабораториях и позволили доказать принципиальную возможность синтеза в таких условиях практически всех мономеров основных биополимеров. В дальнейшем было установлено, что при определенных условиях из мономеров возможен синтез более сложных органических биополимеров: полипептидов, полинуклеотидов, полисахаридов и липидов.
Вопрос 3. В чем отличия гипотезы А. И. Опарина от гипотезы Дж. Холдейна?
Дж. Холдейн также выдвинул гипотезу абиогенного зарождения жизни, но, в отличие от А. И. Опарина, он отдавал первенство не белкам - коацерватным системам, способным к обмену веществ, а нуклеиновым кислотам, т. е. макромолекулярным системам, способным к самовоспроизводству.
Вопрос 4. Какие доводы приводят оппоненты, критикуя гипотезу А. И. Опарина?
К сожалению, в рамках гипотезы А. И. Опарина (да и Дж. Холдейна тоже) не удается объяснить главную проблему: как произошел качественный скачок от неживого к живому.
Жану-Батисту Ламарку часто приписывают большой прорыв в современной эволюционной теории, потому что он был первым, кто оказался способен предложить механизм, по которому протекал процесс смены видов. Кроме того, он расширил определение эволюционных изменений, сказав, что жизнь начиналась просто и становилась все более сложной. В 1809 году он опубликовал работу «Философия зоологии». В ней он описал часть механизма, с помощью которого в вид постепенно вносились изменения и передавались из поколения в поколение. Его теория также иногда называется теорией трансформации или просто ламаркизмом. Хотя сегодня основные положения теории Ламарка считаются большим шагом вперед в теории эволюции, в течение своей жизни он не получил особого признания.
Классический пример, используемый для объяснения его концепции — удлиненная шея жирафа. Согласно теории Ламарка, если животному в течение его жизни приходилось долгое время напрягать шею для того, чтобы достать до высоких ветвей, в итоге она начинала вытягиваться. Основным минусом его теории было то, что он не мог объяснить, как это может произойти, хотя обсуждал «естественную тенденцию к совершенству».
Другой пример, который использовал Ламарк, — пальцы ног водоплавающих птиц. Он предположил, что годами напрягая пальцы ног, преодолевая сопротивление воды, эти птицы получили удлиненные перепонки, чтобы лучше плавать. Эти два примера показывают, как использование какого-то органа может изменить характерную черту вида. По тому же принципу Ламарк утверждал, что прекращение подобной работы приводит к атрофированию признака. Крылья пингвинов, например, меньше, чем у других птиц, потому что они не используют их для полетов.
Второе основное положение эволюционной теории Ламарка было посвящено наследованию приобретенных черт. Ученый считал, что измененные или приобретенные черты могут быть переданы потомству. Жирафы, у которых появились длинные шеи, будут иметь потомство с длинными шеями, а не с короткими. Такой тип наследования иногда называют вторым законом ламаркизма. Но он был опровергнут после открытия наследственной генетики.
Основное положение теории Ламарка о наследовании, которое выдержало испытание временем — идея, что эволюционные изменения происходят постепенно и постоянно. Он изучал древние ракушки и заметил, что чем старше они были, чем проще выглядели. Из этого он пришел к выводу, что виды начали с простоты и последовательно усложнялись или совершенствовались.
То, что сегодня называют теорией эволюции Ламарка, на самом деле не было его идеей. Имя настоящего ее создателя потерялось в истории. Ламарк описал эту теорию в одной из своих книг. И было очевидно, что изначальная идея была не его собственной. Основные положения теории Ж.-Б. Ламарка стали очень популярны, и в результате идеи стали ассоциироваться с его именем. Современная эпигенетика тоже не является результатом труда этого ученого.
Основные положения теории Жана-Батиста Ламарка — это теория не эволюции, а адаптации, которая является лишь частью эволюции. Она аналогична естественному отбору, а не эволюционной теории в целом. Теория Ламарка перестала быть популярной, так как было установлено, что ее первый постулат, принцип использования и неиспользования определенных органов, можно применить лишь к небольшому количеству органов, систем или приспособлений. А для большинства наследственных черт такой механизм просто не работает.
Основные положения эволюционной теории Жана-Батиста Ламарка не прошли практической проверки. У взрослого жирафа не происходит удлинения шеи в течение его жизни независимо от того, насколько трудно ему дотянуться до высоких ветвей. Некоторые системы органов фактически деградируют из-за чрезмерного использования. Постоянное использование суставов не делает их сильнее, а наоборот, ускоряет артритическую деградацию. И некоторые приспособления используются только один раз в жизни любого животного, например, нерестовое поведение лососей. Если родитель использует адаптацию только один раз, а затем умирает, возникает вопрос, как могут произойти какие-либо изменения от повторного использования или отказа от использования, чтобы перейти на всех потомков.
Наконец, если бы этот принцип был общим для всех животных, можно было бы ожидать, что потомство, родившееся в конце жизни родителя, будет иметь более развитые приобретенные характеристики, чем то потомство, которое родилось в начале его жизни. Поскольку родитель жил дольше и у него было больше времени, чтобы приобрести больше характеристик, переданные черты могли быть совсем другими. Кроме того, были найдены убедительные доказательства несостоятельности основных положений эволюционной теории Ж.-Б. Ламарка, потому что многие приобретенные черты не передаются по наследству. Но все же эти черты по-прежнему развивались и менялись с течением времени. Это говорит о том, что механизм наследования, названный Ламарком, не может быть основной причиной приспособительных изменений в процессе эволюции. Но с другой стороны, это не исключает возможности того, что механизмы, описанные ученым, могут быть ответственны за некоторые эволюционные адаптации как незначительные. Но до сих пор не было ни одного наблюдения какого-либо признака, развивающегося в результате передачи приобретенных характеристик.
Эпигенетика — это механизм, с помощью которого родитель иногда в ответ на стимулы внешней среды различного рода может изменить экспрессии генов или фенотип клетки без изменения ДНК. Это в основном частный пример нормальной фенотипической пластичности, в котором организм может изменить картину экспрессии генов подмножеств собственных клеток в ответ на экологические триггеры. Это может произойти в гаметах, поэтому оказывает влияние на потенциальное потомство. Но это ни в коем случае не «наследование приобретенных характеристик», как говорилось в основных положениях теории Ламарка. Новых характеристик не приобретается. Гены, чьи модели экспрессии изменились, уже были там и не изменяются. Другими словами, потенциал для фенотипической пластичности был там, эволюционировав, предположительно, через дарвиновские механизмы за несколько поколений до этого.
Все что изменилось — это выражение фенотипа. За исключением дополнительных мутаций, что является нео-дарвиновским механизмом, не происходит постоянного изменения в наследуемой информации, передаваемой будущим поколениям в долгосрочной перспективе. Таким образом, все то, что потомство в конечном итоге выражает, не является новой или измененной характеристикой вообще, а выступает чертой, которую родители всегда имели возможность выразить. Но стоит отметить, что все вышесказанное относится в первую очередь к многоклеточным формам жизни, которые были основными типами организмов, с которыми биологи были связаны во время Ламарка и Дарвина. Если говорить об основных положениях теории Ламарка, то стоит упомянуть, что в области одноклеточной жизни различие между новой мутацией и «приобретенной характеристикой» довольно размыто и более или менее сводится к вопросу семантики.
1. Все живые организмы эволюционируют.
2. Движущие силы эволюции и механизм изменений организмов - это:
■ прямое влияние условий окружающей среды , которые изменяются;
■ внутреннее стремление к прогрессу и влияние условий обусловливают появление полезных признаков;
■ упражнения или невправляння органов ведет к развитию этих признаков;
■ наследования организмами только полезных признаков .
3. Эволюция - это непрерывный процесс приобретения полезных признаков.
4. Результатом эволюции является не только возникновения полезных изменений, но и градация организмов - ступенчатое осложнения органического мира.
5. Жизнь непрерывно самозароджуеться, поэтому существуют виды, которые находятся на разных ступенях лестницы.
6. Живая природа - ряд особей, которые непрерывно меняются и которые человек только в воображении объединяет в виды.
В гипотезе Ж.-Б. Ламарка есть серьезные недостатки: он неправильно объяснял движущие силы эволюции, не признавал виды как реально существующие категории, признавал появление и наследования только полезных признаков.
Успехи биологии в первой половине XIX века как предпосылка дальнейшего развития эволюционного учения
Первая половина XIX века ознаменовалась многими открытиями в различных областях биологии.
Успехи биологии в первой половине XIX века
|
наука |
фамилии ученых |
успехи науки |
|
цитология |
М. Шлейден, Т. Шванн, К. Бэр, Р. Вирхов и др. |
Создание клеточной теории |
|
эмбриология |
Открытие зародышевых листков и исследование основных этапов эмбриогенеза у позвоночных животных |
|
|
палеонтология |
Установил, что каждому геологической эпохе соответствует определенный набор ископаемых видов |
|
|
биогеография |
А. Гумбольдт, П. С. Паллас |
Установлено, что различия в заселении разных континентов и островов тем больше, чем больше они изолированы друг от друга |
|
биохимия |
Установил участие живых существ в круговороте веществ |
Итак, успехи естественных наук, а также географические открытия, практика сельского хозяйства стали предпосылками дальнейшего развития эволюционного учения, поскольку появилось много новых данных о строении и жизнедеятельности живых организмов, об изменяемости живой природы, что требовало систематизации и теоретического объяснения. В обществе возникла потребность в теории, которая бы смогла объяснить, как и почему меняются организмы.
Основные положения эволюционного учения Ч. Дарвина Английский ученый Чарлз Дарвин (1809-1882) - один из самых биологов мира. Его эволюционная гипотеза, известная под названием "дарвинизм", более 100 лет была
теоретическим основанием биологии. Основными научными трудами Дарвина является "Происхождение видов путем естественного отбора" (1859), "Изменение домашних животных и культурных растений» (1868), "Происхождение человека и половой отбор" (1871), "Самоопыление и перекрестное опыление" (1876) и др.
Движущими силами эволюции Дарвин считал наследственную изменчивость и естественный отбор. Дарвин собрал многочисленные доказательства изменчивости организмов, проживающих у человека, и организмов разных видов в природе. В условиях одомашнивания на основе наследственной изменчивости организмов путем искусственного отбора человек создал многочисленные породы домашних животных и сорта культурных растений.
Аналогично Дарвин пришел к выводу, что и в естественных условиях действует фактор, направляющий эволюцию организмов, - естественный отбор. Дарвин показал, что в природе организмам любого вида свойственна постоянная борьба за существование, состоящий из их взаимодействий с факторами внешней среды и внутри- и межвидовой конкуренции. Результатом наследственной изменчивости организмов и борьбы за существование является естественный отбор - преимущественное выживание и участие в размножении наиболее приспособленных особей каждого вида. Следствием естественного отбора является адаптации, видообразования и прогрессивная эволюция живой природы. Частный случай естественного отбора - половой, что обеспечивает развитие признаков, связанных с функцией размножения.
Основные положения теории эволюции Дарвина
1. Эволюция заключается в непрерывных приспособительных изменениях видов.
2. Каждый вид способен к неограниченному размножению.
3. Движущие силы эволюции и механизм изменений организмов:
Основой для эволюции является неопределенная (наследственная ) изменчивость : изменения у организмов могут быть полезны, вредны или нейтральные;
Неограниченному размножению препятствует ограниченность жизненных ресурсов и большая часть особей погибает в борьбе за существование,
выборочное выживание и размножение наиболее приспособленных особей
Ч. Дарвин назвал естественным отбором .
|
Движущие силы эволюции по Дарвину |
|
|
Неопределенная (наследственная ) изменчивость |
Изменения, которые возникают индивидуально у каждого организма независимо от воздействий окружающей среды и могут передаваться потомкам |
|
Борьба за существование |
Вся совокупность взаимосвязей между организмами и ризнмы факторами окружающей среды. Есть три формы борьбы за существование: внутривидовая, межвидовая то взаимодействие с силами неживой природы |
|
естественный отбор |
Процесс, который проявляется в преобладающем выживании и размножении наиболее приспособленных к условиям существования организмов вероятно-И го вида и гибели менее приспособленных |
4. Под действием естественного отбора группы особей одного вида накапливают из поколения в поколение различные приспособительные признаки и превращаются в новые виды.
5. Новые породы животных и сорта растений образуются под воздействием искусственного отбора .
Значение теории эволюции Дарвина для развития естествознания было очень большим: а) было раскрыто научные основы движущих сил эволюции и этим утверждено исторический метод познания, который ориентировал исследователей не только на описание явлений природы, а и на объяснение их сути, на установление причин явлений, этапов развития; б) доказано, что движущие силы развития природы содержатся в ней самой.
В то же время, учитывая тогдашний уровень развития биологии, учения Ч. Дарвина имело ряд недостатков: оставалась невыясненной природа наследственной изменчивости, элементарной единицей эволюции считалась особь, на которую действует естественный отбор, понятие "вид" осталось таким же, как его предложил К. Линней.
1. Что такое жизнь?
Ответ. Жизнь - способ бытия сущностей (живых организмов), наделенных внутренней активностью, процесс развития тел органического строения с устойчивым преобладанием процессов синтеза над процессами распада, особое состояние материи, достигаемое за счёт следующих свойств. Жизнь - это способ существования белковых тел и нуклеиновых кислот, существенным моментом которой является постоянный обмен веществ с окружающей средой, причем с прекращением этого обмена прекращается и жизнь.
2. Какие гипотезы происхождения жизни вам известны?
Ответ. Различные представления о возникновении жизни можно объединить в пять гипотез:
1) креационизм - Божественное сотворение живого;
2) самопроизвольное зарождение - живые организмы возникают самопроизвольно из неживого вещества;
3) гипотеза стационарного состояния - жизнь существовала всегда;
4) гипотеза панспермии - жизнь занесена на нашу планету извне;
5) гипотеза биохимической эволюции - жизнь возникла в результате процессов, подчиняющихся химическим и физическим законам. В настоящее время большинство ученых поддерживают идею абиогенного зарождения жизни в процессе биохимической эволюции.
3. В чем основной принцип научного метода?
Ответ. Научный метод - это совокупность приемов и операций, используемых при построении системы научных знаний. Основной принцип научного метода - ничего не воспринимать на веру. Любое утверждение либо опровержение чего-либо следует проверить.
Вопросы после § 89
1. Почему представление о божественном происхождении жизни нельзя ни подтвердить, ни опровергнуть?
Ответ. Процесс Божественного сотворения мира мыслится как имевший место лишь единожды и поэтому недоступный для исследования. Наука занимается только теми явлениями, которые поддаются наблюдению и экспериментальному исследованию. Следовательно, с научной точки зрения гипотезу Божественного возникновения живого нельзя ни доказать, ни опровергнуть. Главный принцип научного метода - «ничего не принимай на веру». Следовательно, логически не может быть противоречия между научным и религиозным объяснением возникновения жизни, так как эти две сферы мышления взаимно исключают одна другую.
2. Каковы основные положения гипотезы Опарина – Холдейна?
Ответ. В современных условиях возникновение живых существ из неживой природы невозможно. Абиогенное (т. е. без участия живых организмов) возникновение живой материи возможно было только в условиях древней атмосферы и отсутствия живых организмов. В состав древней атмосферы входили метан, аммиак, углекислый газ, водород, пары воды и другие неорганические соединения. Под действием мощных электрических разрядов, ультрафиолетового излучения и высокой радиации из этих веществ могли возникать органические соединения, которые накапливались в океане, образуя «первичный бульон». В «первичном бульоне» из биополимеров образовывались многомолекулярные комплексы - коацерваты. В коацерватные капли из внешней среды попадали ионы металлов, выступавшие в качестве первых катализаторов. Из огромного количества химических соединений, присутствовавших в «первичном бульоне», отбирались наиболее эффективные в каталитическом отношении комбинации молекул, что в конечном счете привело к появлению ферментов. На границе между коацерватами и внешней средой выстраивались молекулы липидов, что приводило к образованию примитивной клеточной мембраны. На определенном этапе белковые пробионты включили в себя нуклеиновые кислоты, создав единые комплексы, что привело к возникновению таких свойств живого, как самовоспроизведение, сохранение наследственной информации и ее передача последующим поколениям. Пробионты, у которых обмен веществ сочетался со способностью к самовоспроизведению, можно уже рассматривать как примитивные проклетки, дальнейшее развитие которых происходило по законам эволюции живой материи.
3. Какие экспериментальные доказательства можно привести в пользу данной гипотезы?
Ответ. В 1953 г. эта гипотеза А. И. Опарина была экспериментально подтверждена опытами американского ученого С. Миллера. В созданной им установке были смоделированы условия, предположительно существовавшие в первичной атмосфере Земли. В результате опытов были получены аминокислоты. Сходные опыты многократно повторялись в различных лабораториях и позволили доказать принципиальную возможность синтеза в таких условиях практически всех мономеров основных биополимеров. В дальнейшем было установлено, что при определенных условиях из мономеров возможен синтез более сложных органических биополимеров: полипептидов, полинуклеотидов, полисахаридов и липидов.
4. В чем отличия гипотезы А. И. Опарина от гипотезы Дж. Холдейна?
Ответ. Дж. Холдейн также выдвинул гипотезу абиогенного зарождения жизни, но, в отличие от А. И. Опарина, он отдавал первенство не белкам - коацерватным системам, способным к обмену веществ, а нуклеиновым кислотам, то есть макромолекулярным системам, способным к самовоспроизводству.
5. Какие доводы приводят оппоненты, критикуя гипотезу Опарина – Холдейна?
Ответ. Гипотеза Опарина – Холдейна имеет и слабую сторону, на которую указывают ее оппоненты. В рамках данной гипотезы не удается объяснить главную проблему: как произошел качественный скачок от неживого к живому. Ведь для саморепродукции нуклеиновых кислот необходимы ферментные белки, а для синтеза белков – нуклеиновые кислоты.
Приведите возможные доводы «за» и «против» гипотезы панспермии.
Ответ. Аргументы за:
Жизнь на уровне прокариот появилась на Земле почти сразу же после её формирования, хотя дистанция (в смысле разности в уровне сложности организации) между прокариотами и млекопитающими сравнима с дистанцией от первичного бульона до покариот;
В случае зарождения жизни на какой-либо планете нашей галактики, она, как показывают, например, оценки А.Д.Панова, за срок всего порядка нескольких сот миллионов лет может "заразить" всю галактику;
Находки в некоторых метеоритах артефактов, которые могут интерпретироваться как результат деятельности микроорганизмов (ещё до попадания метеорита на Землю).
Гипотеза панспермии (жизнь занесена на нашу планету извне) не отвечает на главный вопрос, как возникла жизнь, а переносит эту проблему в какое-то другое место Вселенной;
Полное радиомолчание Вселенной;
Поскольку выяснилось, что всей нашей Вселенной всего лишь 13 млрд. лет (т.е. вся Наша Вселенная только в 3 раза старше (!) планеты Земля), то времени на зарождение жизни где-то там вдали... остается совсем мало. До ближайшей к нам звезды а-центавра расстояние - 4 св. года. Современный истребитель (4 скорости звука) будет лететь до этой звезды ~ 800.000 лет.
Ч. Дарвин в 1871 г. писал: «Но если бы сейчас… в каком-либо теплом водоеме, содержащем все необходимые соли аммония и фосфора и доступном воздействию света, тепла, электричества и т. п., химически образовался белок, способный к дальнейшим, все более сложным превращениям, то это вещество немедленно было бы разрушено или поглощено, что было невозможно в период до возникновения живых существ».
Подтвердите или опровергните данное высказывание Ч. Дарвина.
Ответ. Процесс возникновения живых организмов из простых органических соединений был крайне длительным. Чтобы на Земле зародилась жизнь, понадобился длившийся много миллионов лет эволюционный процесс, в течение которого сложные молекулярные структуры, прежде всего нуклеиновые кислоты и белки, прошли отбор на устойчивость, на способность к воспроизведению себе подобных.
Если сейчас на Земле где-нибудь в районах интенсивной вулканической деятельности и могут возникнуть достаточно сложные органические соединения, то вероятность сколько-нибудь продолжительного существования этих соединений ничтожна. Возможность повторного возникновения жизни на Земле исключена. Теперь живые существа появляются только вследствие размножения.
