Институт Инновационного Проектирования | Ю. В. Горин ТОНУТЬ ИЛИ НЕ ТОНУТЬ...
 
Гл
Пс
Кс
 
Изобретателями не рождаются, ими становятся
МЕНЮ
 
   
ВХОД
 
Пароль
ОПРОС
 
 
    Слышали ли Вы о ТРИЗ?

    Хотел бы изучить.:
    Нет, не слышал.:
    ТРИЗ умер...:
    Я изучаю ТРИЗ.:
    Я изучил, изучаю и применяю ТРИЗ для решения задач.:

 
ПОИСК
 
 



 


Все системы оплаты на сайте








ИННОВАЦИОННОЕ ОБРАЗОВАНИЕ
сертификация инноваторов
инновационные технологии
БИБЛИОТЕКА ИЗОБРЕТАТЕЛЯ
Это интересно
ПРОДУКЦИЯ
 

 


Инновационное
обучение

Об авторе

Отзывы
участников

Программа
обучения

Вопрос
Ю.Саламатову

Поступить на обучение

Общественное
объединение



Молодому инноватору

FAQ
 

Сертификация
специалистов

Примеры заданий

Заявка на
сертификацию

Аттестационная
комиссия

Список
аттестованных
инноваторов

Инновационное
проектирование

О компании

Клиенты

Образцы проектов

Заявка
на проект

Семинары

Экспертиза проектов

   

Книги и статьи Ю.Саламатова

Теория Решения Изобретательских Задач

Развитие Творческого Воображения

ТРИЗ в нетехнических областях

Инновации 
в жизни науке и технике

Книги по теории творчества

Архивариус РТВ-ТРИЗ-ФСА

Научная Фантастика
 
 
Статьи о патентовани
   

Наука и Техника

Политика

Экономика

Изобретательские блоги 

Юмор 
 
Полигон задач

ТРИЗ в виртуальном мире
медиатехнологий
       

Книги для
инноваторов

CD/DVD видеокурсы для инноваторов

Програмное обеспечение
инноваторов

Покупка
товаров

Отзывы о
товарах
           

Ю. В. Горин ТОНУТЬ ИЛИ НЕ ТОНУТЬ...

 

1. Введение

1.1. С чего начинается физика? Наверное, с таких простых законов, как закон Архимеда. Его изучают уже в 6-м классе и весьма подробно: тут и рассказ о царе Гиероне, и легенда об Архимеде, выскочившем из ванны с криком «Эврика!», и «теория плавания тел», и задачи.
1

 

Задача о бассейне. Имеется бассейн с водой: площадь 25 м2, глубина 10 м. Температура верхних слоев 60° С, нижние, более плотные слои охлаждены до 10° С. Как именно нагреваются верхние слои и почему охлаждаются нижние — это вне задачи. Нужно обеспечить выравнивание температур воды в бассейне. Применение насосов и мешалок недопустимо.
Идеальное решение: горячая вода — вопреки закону Архимеда — сама опускается вниз, а холодная — снова вопреки тому же закону — сама поднимается вверх. Надо обойти закон Архимеда — только и всего. При этом выравнивание температур должно осуществляться не один раз, а многократно, поскольку верхние слои все время прогреваются, а нижние — охлаждаются.
1.2. В гравитационном поле на всякое тело, находящееся в жидкости или газе, действует сила, направленная противоположно силам поля (на Земле — вертикально вверх) и равная силе притяжения (весу) той части жидкости, которая вытеснена телом. Это и есть закон Архимеда. Он назвал силу «подъемной», иногда ее называют поддерживающей, выталкивающей, архимедовой и т. д. Физически важно лишь, что источником этой силы является гравитационное поле.
1.3. В технических приложениях закона Архимеда необходимо учитывать следующее:
1.3.1. Для существования архимедовых сил тело обязательно должно иметь нижнюю поверхность. Заполненная газом, например, цилиндрическая бочка, нижний торец которой герметично прилегает ко дну водоема, не всплывает, для всплытия нужно обязательно обеспечить доступ жидкости под бочку. По а. с. 280251 такая бочка используется в качестве мертвого якоря.
1.3.2. Поскольку архимедова сила обусловлена только градиентом гидростатического давления, но не самим давлением, регулировать эту силу путем изменения внешнего давления невозможно. Этот запрет справедлив только для несжимаемых тел и несжимаемой жидкости.
1.3.3. Если сжимаемость жидкости больше сжимаемости погруженного в нее тела, то увеличение внешнего давления приводит к подвсплытию тела. И наоборот. Естественно, что наиболее четко это явление можно наблюдать (и использовать) в газах, где внешним давлением можно изменять плотность среды в весьма значительных пределах. Пример: а. с. 527637 на способ определения вязкости и плотности жидкости путем изменения плотности рабочего тела (поплавка) под действием избыточного давления.
2. Поплавки, бипоплавки, антипоплавки
2.1. Наша техника прикована к планете силой тяжести, и поскольку архимедовы силы позволяют компенсировать тяжесть, они находят широкое применение. Технически такая компенсация осуществляется по одному рецепту: объект (или его часть) превращается в поплавок.
Поплавки могут нести разный груз и иметь разную систему регулировки грузоподъемности. Отсюда бесконечное многообразие поплавков. Так, в а. с. 445843, 510646, 601574 описаны поплавки-уровнемеры, несущие герконы; по а. с. 417691 поплавок-уровнемер снабжен измерительной лентой, по а. с. 429282 — индуктивным датчиком, по а. с. 411306 — устройством термокомпенсации... Интересно отметить, что аналогичные технические решения отдельно патентуются для поплавков-плотномеров (а. с. 489016, 655931, 691734, и т. д.).
2.2. Любой объект может на время стать поплавком. По а. с. 500150 контейнер с плодами погружают в бак с водой, и нежные плоды всплывают из тары без повреждений. В а. с. 205682 обратную операцию проводят с железнодорожной платформой, чтобы облегчить погрузку лесоматериалов. А. с. 119805 предлагает вести выгрузку камня из барж, затопляя трюмы водой...
2.3. Вес объектов, с которыми приходится иметь дело современной технике, быстро возрастает. Поэтому закономерно, что для управления перемещением таких объектов все чаще и чаще используют архимедову силу: а. с. 343898 (сборку дирижаблей ведут на воде, располагая отдельные части на понтонах-поплавках), а. с. 789264 (сборку и сварку резервуаров производят на воде), а. с. 505406 (поплавок выполняет функции поворотного круга для тяжелых магистральных локомотивов) и т. д.
2.4. Широко используют в технике своего рода «би-эффект Архимеда» — сдвоенные поплавки разной плотности. Так, в патенте США 3566699 описан сдвоенный поплавок-плотномер для определения плотности бурового раствора. В а. с. 445889 — плотномер для нефти с попарным соединением шаров разной плотности, в а. с. 659452 — буй с поплавками разной плавучести и т. д.
2.5. Применение поплавков по прямому назначению становится тривиальным. Но что вы скажете, например, о поплавке, который в нужный момент умеет превращаться в антипоплавок? По патенту США 3244138 в бензобаке автомобиля плавает шарик. Пока бензина много, шарик ведет себя тихо (по «экватору» у него мягкий поясок, удары о стенки бака не слышны). Когда же бензина остается мало, поплавок «садится» на дно, теряет плавучесть... и получается погремушка: поплавок (теперь уже антипоплавок!) громко стучит о дно бака, напоминая водителю, что нужно срочно ехать на заправку. Абсолютно надежный и предельно дешевый сигнализатор минимального уровня жидкости...
2.6. Поплавки, конечно, могут быть и жидкие, и газообразные, и комбинированные. В а. с. 637336 предложен поплавок-крышка для расплава стекла: сделан поплавок тоже из стекломассы, но с меньшим удельным весом.
2.7. Архимедова сила может быть использована для сортировки и разделения объектов, отличающихся по удельному весу. Так, в а. с. 441882 описан «архимедов» способ фракционного разделения семян и примесей.
2.8. В патенте США 3813947 предложено с помощью закона Архимеда определять массу твердых частиц и суспензии в процессе ее мокрого просеивания. Это — одно из бесчисленных применений закона Архимеда для решения измерительных задач. Тут тоже свой слой нетривиальных технических решений.
3. То, что вокруг поплавков

3.1. Поплавок — элемент вепольной системы, включающей второе вещество (жидкость) и гравитационное поле. Поэтому можно повышать эффективность работы поплавков, видоизменяя жидкость, в которой они работают. Управлять гравитационным полем мы пока не можем, но ничто не мешает вводить в систему другие поля (магнитное, электрическое, центробежное), действующие на жидкость.
3.2. В а. с. 332989 предложена поплавковая система (для сварочного манипулятора). Поплавок здесь находится в жидкости, состоящей из несмешивающихся слоев разной плотности. Нижние слои имеют высокую плотность, поэтому в начале всплытия поплавок обладает большей подъемной силой.
3.3. По а. с. 527280 в сварочном манипуляторе поплавок находится в магнитной жидкости, а вокруг емкости с жидкостью расположена обмотка. Регулируя проходящий по ней ток, управляют псевдоплотностью жидкости и, следовательно, величиной подъемной силы.
3.4. Существуют три метода регулирования выталкивающей силы с помощью магнитного поля:
3.4.1. Магнитогидродинамический метод. Изменение псевдоплотности достигается пропусканием электрического тока через жидкость, помещенную в магнитное поле (ток перпендикулярен силовым линиям поля). Выталкивающая сила пропорциональна магнитной проницаемости жидкости и произведению плотности тока на напряженность магнитного поля. Достоинство метода в простоте регулировки. Недостаток — годятся только проводящие и немагнитные жидкости. В промышленных установках (обогащение угля в шахтных водах) достигнуто пятикратное «утяжеление». Пример: а. с. 789243.
3.4.2. Метод магнитных жидкостей. Используют неэлектропроводные жидкости с большой магнитной восприимчивостью, например, водные растворы парамагнитных солей, образующихся при химических реакциях железа, никеля, марганца с серной, соляной, азотной кислотами. Дополнительная подъемная сила пропорциональна объему частиц, разности восприимчивостей жидкости и частиц, величине и градиенту напряженности магнитного поля. (Пример — 3.3).
3.4.3. Метод феррожидкости. Дополнительная подъемная сила пропорциональна напряженности поля и ее градиенту, а также магнитной восприимчивости. В лабораторных условиях удалось достичь «облегчения» тела в сотни раз, в больших объемах — в пять раз.
3.5. Все эти методы годятся не только для «утяжеления» или «облегчения», но и для измерения параметров магнитного поля. Так, в а. с. 373669 измерение параметров магнитного поля ведут по величине подъемной силы, действующей на поплавок в этом поле.
3.6. Наблюдается, как уже отмечалось, тенденция к превращению «сухопутных» объектов в поплавковые. Дальнейшее развитие должно идти в направлении перехода к системам с управляемой псевдоплотностью. Например, по а. с. 485380 предложено определять качество мяса путем последовательного погружения пробы в растворы поваренной соли различной концентрации, то есть различной плотности. Хорошее мясо при определенной плотности раствора тонет. Нетрудно спрогнозировать следующее техническое решение: будет применен один раствор с регулируемой псевдоплотностью, или, иначе, с регулируемым кажущимся удельным весом.
4. Разбор типичной задачи
4.1. При строительстве тяжелых сооружений на насыщенных водой грунтах сначала возводят замкнутую по периметру водонепроницаемую емкость. Допустим, требуется смонтировать насосную станцию из четырех агрегатов, а подъемный кран один. При последовательной сборке станция неизбежно получит крен.
Традиционные пути решения задачи: а) на время сборки заморозить грунт (техническое противоречие: перекоса не будет, но потребуется дорогое и сложное оборудование); б) сделать емкость с очень широким дном (перекоса не будет, но стоимость сооружения существенно возрастет). Физическое противоречие: емкость должна быть все время равномерно нагружена, чтобы не возникал перекос, и емкость должна быть нагружена несимметрично, чтобы можно было вести последовательный монтаж. Противоречие разрешается разделением в пространстве: разделим емкость — одна ее часть будет плавать в другой. При этом нижняя будет давить на грунт равномерно, а верхняя — сколько угодно крениться под действием неравномерной нагрузки. А. с. 485199: в емкости сооружают пустотелое основание (поплавок!), заполняют емкость водой до всплытия основания и в процессе монтажа поддерживают основание в плавающем состоянии.
5. Задачи
5.1. Микровесы имеют электромагнитную систему, состоящую из неподвижного соленоида и размещенного в нем стержневого постоянного магнита, к которому присоединена грузоприемная часть. При включении тока магнит втягивается в соленоид и повисает. На чашу кладут взвешиваемую массу, магнит чуть опускается. Автомат увеличивает ток и возвращает магнит на место, по разности токов судят о взвешиваемой массе. Точность и чувствительность весов ограничены тем, что поле в соленоиде должно удерживать еще и магнит с чашей, а они в десятки раз массивнее взвешиваемых предметов. Не меняя принципа действия, надо существенно повысить чувствительность весов. Чтобы легче было решить задачу, начните с формулировки ИКР: внешняя среда сама... и т. д.
5.2. При испытаниях турбин требуется определять координаты центра тяжести пера турбинной лопатки (т. е. однородного тела сложной формы). Для каждого отдельно взятого пера это нетрудно. Но как найти центр тяжести пера, не отделяя перо от всего устройства?
5.3. «На дом» остается задача о бассейне из 1.1. Наверное, вы ее пробовали уже осилить. Задача бросает вам вызов...

Таблица возможных применений архимедовых сил

 

Разделы

Регулирование плавучести тел

1.3.3, 3.2, 3.4.2
3.4.1
3.4.3

Компенсация веса объектов

2.1, 2.2, 4.1

Сборка тяжелых или громоздких объектов

2.3

Разделение, сортировка, сепарация объектов по удельному весу

2.7
1.3.3, 2.1, 2.8

Измерение плотности, вязкости

2.4, 2.8

Измерение уровня

2.1, 2.5

Измерение параметров магнитного поля

3.5

 


Записаться на тренинг ТРИЗ по развитию творческого, сильного мышления от Мастера ТРИЗ Ю.Саламатова >>>

Новости RSSНовости в формате RSS

Статьи RSSСтатьи в формате RSS

Рейтинг – 359 голосов


Главная » Это интересно » Теория решений изобретательских задач (ТРИЗ) » Ю. В. Горин ТОНУТЬ ИЛИ НЕ ТОНУТЬ...
© Институт Инновационного Проектирования, 1989-2015, 660018, г. Красноярск,
ул. Д.Бедного, 11-10, e-mail
ysal@triz-guide.com, info@triz-guide.com
 
 

 

Хочешь найти работу? Jooble