Институт Инновационного Проектирования | Магический кристалл физики
 
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
           

Магический кристалл физики

 

 Известно свыше пяти тысяч физических эффектов и явлений — таких, например, как кавитация, муаровый эффект, явление аномально низкого трения, пьезоэффект, триболюминесценция, эффекты Коанда, Баушингера, Кикоина-Носкова, Ганна, Томса и т. д. Каждый эффект может служить ключом к большой группе изобретательских задач. Однако молодой специалист (рабочий, техник, инженер) в лучшем случае знает 150—250 эффектов и явлений. Более того, поскольку физику изучают не с точки зрения ее изобретательских возможностей, молодой специалист обычно не умеет творчески применять даже хорошо знакомые физэффекты, например тепловое расширение или резонанс. Изобретательский потенциал физики используется в очень небольшой степени, хотя уже разработаны методы, позволяющие целенаправленно определять, какой именно физэффект нужен для решения той или иной задачи.
За последние годы заметно усовершенствовалась методика применения физэффектов, накопился опыт решения изобретательских задач с применением физики. Удалось открыть некоторые общие закономерности использования эффектов и явлений при развитии технических систем. В сущности, возникла новая отрасль знания — изобретательская физика, знакомство с которой представляет огромный познавательный и практический интерес для новаторов.
«Магический кристалл физики» — своего рода мост между молодежным новаторским движением и изобретательской физикой. Основная цель — показать неограниченные изобретательские возможности применения физики и на конкретных примерах раскрыть приемы — порой весьма неожиданные — использования некоторых физэффектов.
Составитель  В. А. Ефимов

С ЧЕМ ИДТИ НА ШТУРМ ЗАДАЧИ! Использование один к одному
Когда-то, впервые перелистывая бюллетени изобретений, я заметил, что многие технические решения словно переписаны — один к одному, дословно! — из школьных учебников физики. Судите сами. «При изменении температуры тела, — гласит школьная физика 1 — его размеры меняются». И вот а. с. № 424238: для изменения длины регулировочного винта предложено винт нагревать; а. с. № 259612: нагревают стержень, перемещающий микроэлементы. А вот еще а. с. №242127, 517927, японский патент 44-9262, патент США № 3784095... Десятки, сотни абсолютно одинаковых решений. «При нагревании пластинки, имеющей круглое отверстие, диаметр отверстия также увеличивается» — это из школьного учебника. И это же в а. с. № 476450, защищающем способ дозирования малых количеств газа: нагреваем трубку, диаметр увеличивается... Снова учебник: «Пластинка, склепанная из двух различных материалов, изгибается при нагревании». И а. с. № 247159: способ направленного бурения скважин, отличающийся тем, что угол кривизны ствола регулируют с помощью полиметаллического стержня, нагревая который...
Меня тогда поразило, что авторские свидетельства и патенты выданы на применение физических эффектов, так сказать, по прямому их назначению, без всяких дополнительных «придумок» и хитростей. В сущности, не пришлось ничего изобретать! Достаточно было вспомнить школьную физику... И я, естественно, недоумевал, почему столь очевидное и прямое применение теплового расширения считается изобретением?
Как погибла АСУ «Гроза»
На одном из семинаров по теории решения изобретательских задач была предложена задача о молниеотводе. Для защиты антенны радиотелескопа, спрятанного внутри пластмассового купола, нужно расставить вокруг молниеотводы. Но молниеотводы — проводники, а проводники задерживают радиоволны, создают радиотень.
В аудитории было 40 человек, в большинстве физики. Однако никто, ни один человек не использовал физику! Ответ был такой: надо сделать молниеотводы подвижными, пусть поднимаются при приближении грозового облака, а потом опускаются. Идею тут же детализировали. Молниеотводы нужно поднимать на короткое время: незадолго до образования молнии, но не всякой, а той, которая угрожает объекту. Значит, нужна прогнозирующая и следящая системы, которые должны подавать сигнал на быстрое поднятие молниеотводов, то есть не обойтись без ЭВМ...
Постепенно вырисовывались контуры целой АСУ «Гроза», значительно более сложной, чем сама антенна радиотелескопа. И тогда руководитель семинара прочитал несколько строк из учебника физики: «Стеклянная трубка с разреженным газом и электродами не проводит электричества, но если повысить разность потенциалов, газ ионизируется, трубка становится проводником». В а. с. № 177497 трубка была применена в качестве «самовозникающего» молниеотвода: в обычное время трубка не проводит ток и потому не задерживает радиоволны, а в электрическом поле развивающейся молнии трубка мгновенно превращается в проводник, становится молниеотводом...
АСУ «Гроза» погибла, раздавленная предельно простой идеей, основанной на школьной физике. Не было никакой необходимости в этой великолепной системе, сложной и современной...
И вот тогда-то я окончательно понял, что технические решения, взятые один к одному из школьных учебников, совершенно справедливо признаются изобретениями. Сейчас мы воспринимаем это как должное. Но понятие «изобретение» не есть нечто застывшее, неменяющееся: простые «придумки» постепенно перестанут считаться изобретениями, поскольку степень оригинальности, необходимая для признания новшества изобретением, возрастает. Когда-нибудь регулирование длины стержня нагреванием станет простым и очевидным техническим приемом. Но это время еще не наступило...
Думаю, не ошибусь, если скажу, что, хотя школьную физику каждый инженер знает достаточно хорошо, применять ее как инструмент технического творчества умеют немногие.
Сколько стоит незнание
Задача о лампе. Как измерить (для контроля) давление газа в электрической лампе накаливания?

 Казалось бы, задача не очень сложная: надо поместить лампу в какой-то сосуд, разбить колбу лампы и определить, как изменилось давление газа в сосуде. Цель достигнута, но пришлось сломать лампу. Значит, решение неудачное... Неудачное? — Но на него выдано авторское свидетельство № 427423. Более того, это техническое решение не только признано изобретением, оно внедрено! И это не случайность, не досадная оплошность, потому что позже выданы а. с. № 521484 и № 530210 на небольшие усовершенствования аппаратуры для разбивания ламп...
Между тем, в учебнике физики для девятого класса имеется подробное решение этой задачи, решение простое, изящное, и, разумеется, не требующее уничтожения ламп. Мы только что говорили об этом решении: разряд в газах возникает при разности потенциалов, зависящей от давления газа в сосуде. В учебнике это описано почти теми же словами, что и в а. с. № 486402. К лампе снаружи прикладывают электрод, к нему и на нить накала (она играет роль вторичного электрода) подают высокое напряжение постоянного тока, возникновение коронного разряда зависит от давления внутри лампы. Идеальное решение: лампа остается целой, контроль ведется быстро, просто и с очень высокой точностью.
Это только один случай из множества. Трудно оценить суммарный ущерб от того, что инженеры не умеют применять элементарную физику для решения творческих задач. В каждом выпуске бюллетеня изобретений есть «новшества» на уровне аппаратуры для битья ламп...
К вопросу о крупе
Если уж мы не научились пока в полной мере использовать физику школьную, то о вузовской и говорить не приходится. Впрочем, чтобы не быть голословным, предложу задачу. Это опять-таки весьма простая задача, и физика в ней несложная.
Задача о крупе. В крупу иногда попадают личинки и яйца вредителей. Естественно, их надо уничтожить до расфасовки крупы. Лучшее средство — нагрев до 65° С. Но выше 68—70° крупу нагревать нельзя. Если нагревать крупу большими объемами, трудно обеспечить точный нагрев всего объема до 65°: возникают местные перегревы и недогревы. Если обрабатывать крупу очень мелкими дозами, точный нагрев можно обеспечить, но тогда катастрофически падает производительность, оборудование становится громоздким и сложным. Трубчатые, пластинчатые и иные нагреватели не обеспечивают равномерного нагрева. Не гарантирует от местных перегревов и применение нагрева в псевдокипящем слое. Нужен способ предельно надежный и высокопроизводительный.
Не правда ли, простая задача для эпохи НТР? Возьмем как можно больше микродатчиков, пусть в каждом небольшом объеме крупы окажется датчик. Информация пойдет на ЭВМ (как это прекрасно звучит: информация пойдет на ЭВМ!), которая будет управлять нагревом и охлаждением. Потребуются, конечно, тысячи нагревателей и охладителей, но что здесь принципиально неосуществимого? Вырисовывается чудесная АСУ «Крупа» — со своим ВЦ, проблемной лабораторией и другими солидными подразделениями.
Один только недостаток у этого хозяйства: оно становится ненужным, если перелистать любой вузовский учебник физики и использовать весьма простой физический эффект. Смешаем крупу с ферромагнитными дробинками, сделанными из вещества с точкой Кюри в 65°. Индукция обеспечит нагрев дробинок (и крупы) точно до 65°. Как только какая-то дробинка перегреется, она сама отключится. И сама включится, если температура опустится хотя бы чуть-чуть ниже 65°. После обработки крупы отделить дробинки нетрудно — они обладают магнитными свойствами. Решение почти идеальное, точность нагрева гарантирована самой природой вещества инструмента (дробинок).
Там, где кончаются учебники
Физика далеко не исчерпывается школьными и вузовскими учебниками. Быть может, самая интересная для инженера физика начинается там, где эти учебники кончаются. Есть сотни тонких, экзотических, парадоксальных эффектов и явлений, могущих служить ключами к самым каверзным задачам. Проверьте себя: я назову десять физических эффектов и явлений — использование скольких из них вы знаете? Вот эти эффекты: электропластический, Джонсона-Раабека, Александрова, Дюфора, реоэлектрический, эффект безызносности, эффект памяти формы металлов, акустомагнетоэлектрический, электрокапиллярный, эффект Пойнтинга. Ну что, можете ли припомнить случаи их изобретательского применения?

Кто есть кто!

Интересных физических эффектов и явлений так много, что запомнить все просто невозможно. Возникает простая мысль: нужен справочник по применению физических эффектов и явлений при решении новых технических задач. Своего рода указатель типа «кто есть кто?», или, точнее, «что есть что?», другими словами, «портреты» физэффектов, сведения об их возможностях.
Впервые такой «Указатель применения физэффектов» был разработан в 1970 году. Напечатанный в виде препринта, он успешно использовался слушателями многих общественных школ технического творчества. Несколько лет спустя появились сообщения об аналогичных справочниках, созданных некоторыми зарубежными фирмами. Отечественный «Указатель» трижды пополнялся и модернизировался.
При подготовке подобного рода «Указателей» приходится анализировать множество авторских свидетельств и патентов, чтобы выявить область и особенности применения того или иного эффекта. Скажем, тепловое расширение прежде всего подходит для решения задач на точное микроперемещение и создание больших усилий. Но есть у теплового расширения, по крайней мере, десяток других «специальностей» — их тоже надо установить.
Удалось разработать таблицу некоторых типичных применений физэффектов. Такая таблица, приложенная к АРИЗ, позволяет в ряде случаев без затруднений находить решения задач. Например, с помощью таблицы можно сразу получить ответ на задачу о крупе.
Справочник в миллион томов!
Казалось бы, проблема решена. И в самом деле, для задач, требующих прямого применения одного физэффекта, она решена. Но существуют изобретения, сделанные с помощью сочетания физэффектов. Например: когда поляризованный свет проходит через кварцевую пластинку, плоскость поляризации поворачивается на некоторый угол, величина которого зависит от толщины пластинки. Известно также, что толщина пластинки зависит от температуры. Сочетание этих двух эффектов дает оригинальный способ измерения температуры (а. с. № 243889). Результат достигается именно сочетанием эффектов, так сказать, синтезом нового соединения физэффектов.
Вот, например, как можно применить пьезокристалл. Приложенный к человеческому телу, он может давать сигналы в соответствии с биением человеческого сердца. Именно на этом его свойстве основано решение задачи о защите банков от грабителей по патенту Франции 2107798: каждому служащему банка на кисть руки надевают специальный пьезобраслет. Когда в банк врываются грабители и вытаскивают оружие, пульс у служащих всегда резко учащается, что фиксируется браслетом. Если пульс участился сразу у трех служащих, система сигнализации сама срабатывает — блокируются все двери, а в помещение пускается усыпляющий газ. В этом случае пьезодатчик электрически соединяют с системой включения сигнализации. Аналогичная система применяется и в больницах для наблюдения за тяжелобольными: надетый на мочку уха пьезодатчик фиксирует малейшие отклонения от нормы в пульсе и дает звуковой или световой сигнал врачу.
Подобных соединений очень много. К тому же в них могут входить не только физэффекты, но и приемы (дробление, объединение, инверсия и т. д.). В результате число возможных соединений типа «физэффект+другие физэффекты+приемы» становится практически неограниченным. Не выпускать же справочник в миллион томов...
Мы вновь оказываемся перед проблемой: как решить задачу, если ключом к ней является сложная комбинация физэффектов и приемов. Вот одна из таких задач.
Задача об алмазном порошке. Частицы алмазного порошка имеют разные размеры. Нужно разделить порошок, скажем, на 10 фракций — в зависимости от величины частиц. Обычный способ — вручную, с помощью сит. Но это медленно, да и сита быстро изнашиваются. Сепарация отстаиванием в воде, сепарация в воздушном потоке требуют многократного повторения. Нужен иной способ — автоматизированный, точный, высокопроизводительный.
Путь указывает АРИЗ
На первых этапах становления ТРИЗ информационный фонд в основном состоял не из физэффектов, а из простых приемов. Причем, их тоже пришлось выявлять, анализируя тысячи авторских свидетельств и патентов. Когда фонд был составлен, выяснилось, что для решения сложных задач нужны не эти элементарные приемы, а их сочетания, причем число возможных сочетаний практически неограничено. Выход, однако, был найден: задача сначала обрабатывалась по АРИЗ, при этом область поиска резко сокращалась, вырисовывались приметы искомого сочетания приемов. Таким же путем надо идти и при решении задач с физическим уклоном.
Возьмем, например, задачу о молниеотводе и применим к ней всего одну операцию — сформулируем ИКР (идеальный конечный результат). Идеальный молниеотвод — когда молниеотвода нет, а работа, для которой он существует, выполняется. Мысленно уберем металлический стержень молниеотвода. Остается воздушный столб, пространство, которое раньше занимал молниеотвод. Этот воздушный столб должен сам становиться проводником в момент, когда возникает молния, а потом снова превращаться в непроводник.
Формула ИКР парадоксальна, но она точно ведет к ответу. Благодаря какому физическому эффекту газовый столб может стать проводником при возникновении электрического поля молнии, а потом вернуться в первоначальное состояние? После такой подсказки остается перелистать в «Указателе» раздел «Электрические разряды в газах».
Осадная артиллерия вепольного анализа
Задача о молниеотводе проста, поэтому для правильного решения достаточно одной операции. В более сложных случаях приходится подключать весь аппарат АРИЗ, в том числе вепольный анализ. Анализ веществ, полей и их связей, пожалуй, наиболее физическая часть АРИЗ, своего рода мост от задачи к физическому эффекту (или сочетанию эффектов).
Применим вепольный анализ к задаче об алмазном порошке. Прежде всего построим модель задачи. Даны два невзаимодействующих вещества — маленькая крупинка B1 и большая В2. В условиях задачи речь шла о разделении порошка на десять фракций, но если мы научимся выполнять элементарную операцию разделения, задача будет решена, поскольку эту операцию можно повторить многократно.
Модель проясняет суть задачи и позволяет — без проб и ошибок, сознательно — сделать следующий шаг. У вас два вещества, к тому же они не связаны взаимодействием, т. е. по условиям задачи дана невепольная система. Простейшее правило вепольного анализа гласит: невепольная система должна быть достроена, преобразована в веполь, включающий три связанных элемента — два вещества и поле. Условия задачи ясно говорят, что должно делать вводимое поле: удалять одно вещество от другого. Следовательно, можно записать решение задачи в вепольной форме:

 Веполь мы еще не построили (В2 не взаимодействует с B1), но все-таки от невеполя пришли к неполному веполю (система из двух элементов — поля и вещества). Посмотрим, что можно из этого извлечь. Поле должно механически перемещать частицу В2, следовательно, в простейшем случае нужно механическое поле. Из числа эффектов, рекомендуемых таблицей для перемещения объектов, выгоднее всего использовать колебания, потому что резонансная частота зависит от размера частицы.
Итак, крупинка алмазного порошка может подпрыгивать в резонанс с колебаниями. Что это нам дает?

Шаги к ответу
Вернемся к вепольной формуле. Для построения веполя к паре П + В2 нужно добавить еще одно вещество В3. Введение нового вещества, усложнение системы оправдано только в том случае, если это вещество выполняет функции инструмента, т. е. передает действие поля П веществу В2 (это тоже правило вепольного анализа) :

 Если частица В2, отличающаяся размерами от В1, просто подпрыгивает, она на какое-то мгновение отделяется от В1, но потом снова возвращается в исходное положение. Нам нужно, чтобы частица В2, один раз подпрыгнув, уже не вернулась назад, куда-то ушла. Помочь в этом должно вещество В3. Что мы о нем знаем, об этом веществе? Во-первых, оно должно хорошо передавать колебания. Значит, это не газ, а жидкость или твердое тело. Во-вторых, оно должно пропускать сквозь себя уходящее В2. Следовательно, В3 — не твердое тело, а скорее всего жидкость.
До ответа остается один шаг. Здесь снова нужен «Указатель», напоминающий о таком, в общем-то, довольно известном явлении: если иголку осторожно положить на поверхность воды, иголка будет плавать, но если ее бросить, она утонет. Насыплем алмазный порошок тонким слоем на поверхность воды. Создадим колебания, совпадающие по частоте с собственной частотой колебаний одной фракции частиц. Эти частицы начнут подпрыгивать. Падая на поверхность воды, преодолеют ее поверхностное натяжение и утонут.

Атака всеми силами

Мы использовали только вепольный анализ, и на «финише» потребовалась догадка («нужно использовать свойства поверхностного слоя воды»). Реальная атака задачи ведется всеми видами оружия — пошаговым анализом по АРИЗ, вепольным анализом и другими методами. Вот, скажем, законы развития технических систем. Один из них гласит: рабочие органы систем развиваются сначала на макроуровне, а потом совершается переход на микроуровень. Сито для просеивания алмазных частиц — это инструмент крупный, выполненный на макроуровне. Неизбежен переход к «ситу», собранному из отдельных молекул или атомов. Мы получаем, таким образом, очень важные приметы, облегчающие выбор нужного физэффекта. Каждый метод дает только часть решения, но вместе они позволяют уверенно решать весьма «хитрые» задачи.
Может возникнуть вопрос: а где гарантия, что таблица применения физэффектов дает наилучший ответ, а не просто один из возможных? Абсолютной гарантии нет (как нет абсолютной гарантии в надежной работе любой машины). Но таблица составлена на основе анализа большого массива сильных изобретений: из десятков тысяч патентов и авторских свидетельств были отобраны свыше 12 тысяч наиболее сильных физических изобретений, они-то и послужили основой для составления таблицы. Если таблица рекомендует тот или иной физический эффект, это значит, что он подсказан коллективным творческим опытом нескольких поколений изобретателей.
Было бы, однако, преувеличением сказать, что сегодня мы можем решать все задачи, требующие применения физэффектов. Важно другое: работа по созданию изобретательской физики начата, кое-что сделано, исследования продолжаются.
Вывод прост: нужно учиться
Новая (четвертая) модификация «Указателя» будет не только более точной и полной. Сами эффекты подбираются и излагаются иначе — так, чтобы их удобнее было использовать при решении задач. Вслед за описанием эффекта излагается и биэффект (сдвоенный эффект), сочетания эффекта с приемами, типичные сочетания с другими эффектами... Многие эффекты, если их использовать в сдвоенном виде, позволяют получать новые результаты. Например, биметаллические пластинки, изгибаясь при нагревании, дают такие большие перемещения, которые нельзя получить обычным тепловым расширением. Просматривая описания свежих изобретений, нередко с досадой отмечаешь: ну, хорошо, наконец-то догадались использовать физэффект, но почему на этом остановились, почему не применили биэффект?..
Нужно учиться применению физэффектов в техническом творчестве. Учиться использованию физики во взаимодействии с механизмами ТРИЗ. Любые расходы времени и сил на такую учебу окупятся сторицей.
Г. С. Альтшуллер

ТЕПЛОВОЕ ПОЛЕ — В МЕХАНИЧЕСКОЕ

1. Вместо введения
1.1. Известный изобретатель П. А. Радченко рассказывает: — Однажды испытывал я свои конфорки на саратовском заводе «Тяжмаш». Узнал, что они выпускают и бойлеры, да и показал им образец развальцованной льдом трубы. Поглядели: чисто сделано, без царапин. Спрашивают — как? А я и говорю: «Мы нашли такое вещество, которое затвердевает, расширяется и раздает трубы, а через 10 минут превращается в жидкость и вытекает». Они тогда: «А где такое вещество достать? Наверное, очень дорогое и дефицитное?». «Да нет,— говорю,— не очень». И смешно мне, и рассказать хочется, а знаю — нельзя, пока авторское не выдано. Теперь-то они в курсе дела, знают, что это «дефицитное» вещество — просто вода...

 В учебнике природоведения для 4-го класса в разделе «Отчего лопнула бутылка» объяснено: замерзающая вода может совершить механическую работу. Возникновение больших механических усилий при замерзании воды в закрытом сосуде рассматривается и в учебнике физики для 9-го класса. В вузе общий курс физики и специальные дисциплины вновь и вновь напоминают будущим инженерам о явлениях, связанных с фазовыми переходами. И все-таки, столкнувшись с новыми техническими задачами, инженер нередко громоздит одно сложное устройство на другое, не догадываясь применить хорошо знакомый физэффект...
1.2. В вепольной форме развальцовку льдом можно записать так:

 Вещество (инструмент) В2 преобразует тепловое поле Пт в механическое, действующее на вещество (изделие) В1. Подобные структуры получили в вепольном анализе название теполей. Пт может быть как «полем нагревания», так и «полем охлаждения», а В2 может находиться в любом агрегатном состоянии. Различными могут быть и физические процессы, происходящие в В2. Чаще всего в теполях используют тепловое расширение и фазовые переходы.
2. Тепловое расширение |ТР).
2.1. В простейшем случае ТР твердотельного металлического В2 применяют для небольших, но точных (доли мкм) перемещений. Так, в старом авторском свидетельстве 46716 микроперемещение осуществляют, нагревая пружины, оттягивающие стол станка. Авторские свидетельства на технические решения, связанные с применением ТР, выдают и по сей день, хотя речь идет обычно о применении эффекта, так сказать, по своему прямому назначению. Примеры: а. с. 218308 (управление элементами приборов), 347148 (растягивание стержней), 424238 (управление регулировочными винтами), 712594 (монтаж нефтепроводов).
2.2. Обратное применение ТР: измерение температуры по величине теплового удлинения (например, в термометрах). При измерении температуры подвижного B1 подвижным должно быть и В2 (инструмент). Пример: а. с. № 651208.
2.3. В а. с. 189281 на способ подналадки станка предложено многократное применение ТР: по-разному нагревают и охлаждают разные элементы системы для получения суммарного результата, который нельзя получить одинарным применением ТР. Здесь проявляется одна из закономерностей поэтапного развития технических систем.
Первый этап. Применяют одну систему С для получения результата P1.
Второй этап. Объединяют много разных систем типа системы С в надсистему (НС), дающую новый результат Р2.
Третий этап. P1 и Р2 (а иногда и новый результат Р3) достигаются без прямого использования С и НС.
2.4. Примером технического решения, соответствующего третьему этапу, может служить а. с. 356416. Для теплового удлинения стержней требуется время. Как быть, если необходимо срабатывание в доли секунды? Предложено использовать сжатие стержней, предварительно растянутых нагревом и закрепленных в нагретом состоянии. В нужный момент освобожденный стержень сразу укорачивается. Нагрев есть и его как бы нет — он произведен заранее.
2.5. При нагревании пластинки происходит увеличение ее площади, в том числе и площади отверстий. Примеры: по а. с. 476450 дозировку малых количеств газа ведут, нагревая капилляр, через который перетекает газ; по а. с. 309758 используют ТР для извлечения оправки после волочения трубы.
2.6. ТР способно создавать весьма значительные усилия. Примеры: а. с. 236279 (прессование), 336421 (тепловой двигатель), 711707 (стяжка разъемного индуктора) и т. д. При достаточно больших (или очень быстрых) изменениях температуры ТР можно использовать для разрушения веществ.
2.7. ТР — один из физэффектов, давно используемых в техническом творчестве. Но и в наше время возможны оригинальные применения ТР. Например, а. с. 595468: «Способ усиления изгибаемых железобетонных конструкций путем создания растягивающих усилий в сжатой зоне, отличающийся тем, что с целью обеспечения временного повышения несущей способности железобетонных конструкций растягивающие усилия в сжатой зоне создают нагревом арматуры до 200—400° С при пропускании электрического тока». Здесь использован в высшей степени интересный и перспективный принцип энергетического упрочнения конструкции на время ее работы. В конструкцию «накачивают» электроэнергию (дающую тепло) — и пока идет «накачка», несущая способность конструкции существенно выше обычной. Нетрудно представить, насколько заманчиво использование такого принципа, например, в подъемных кранах или глубоководных аппаратах.
2.8. Рабочим телом при использовании ТР могут быть любые вещества: металлы, неметаллы, жидкости и газы.
3. Сдвоенный эффект ТР (би-эффект)
3.1. Если В2 состоит из двух веществ В'2 и В"2 с разными коэффициентами теплового расширения, возникают новые явления, обусловленные взаимодействием изменяющихся В'2 и В"2. Следует отметить, что многие физэффекты относятся к числу би-эффектов, например, преломление света при прохождении через границу двух сред, возникновение биений при сложении двух близких по частоте колебаний и т. д. Простейшее применение би-эффекта ТР — изменение формы (изгиб) стержней. А. с. 247159: «Способ направления бурения скважины с применением искусственных отклонителей, отличающийся тем, что здесь с целью регулирования угла кривизны ствола используют полиметаллический отклонитель и изменяют его температуру».
3.2. Би-эффект ТР позволяет получать значительные отклонения при сравнительно небольших перепадах температуры. Это особенно ценно для различных саморегулирующихся устройств. Так, в а. с. 383430 описана рама для проветривания теплиц, которую биметаллические пластины наклоняют в зависимости от изменения температуры воздуха. Аналогичные устройства используют и в саморегулируемых жалюзи радиаторов.
3.3. Важное применение би-эффекта ТР — регулирование зазоров в конструкциях. Пример: лабиринтный насос, в котором ротор и статор выполнены из материалов с разными коэффициентами ТР, что позволяет регулировать зазор между ротором и статором (а. с. 275751).
3.4. Если зазора нет, и два элемента конструкции соприкасаются, би-эффект ТР можно использовать для фиксирования, сжатия и деформации элементов (а. с. 645773 — зажим деталей, 693102 — развальцовка труб, 637214 — создание давления при диффузионной сварке). При достаточно больших усилиях би-эффект ТР можно использовать для разрушения материалов (а. с. 310811 — разрушение горных пород).
3.5. В а. с. 312642 предложено применять би-эффект ТР многократно. Интересно отметить, что изобретений, соответствующих третьему этапу, пока нет или, во всяком случае, они весьма редки.
3.6. ТР и би-эффект ТР легко «стыкуются» с другими эффектами, в которых выход зависит от размеров, напряжения, формы или расположения вещества. Например, фазовая пластинка поворачивает плоскость поляризации поляризованного света на угол, зависящий от толщины пластинки. В свою очередь, толщина пластинки зависит от температуры. В сумме — устройство для бесконтактного измерения температуры (а. с. 243889).
4. Фазовые переходы первого рода (ФП-1)
4.1. Типичный случай: «Способ изготовления ребристых труб, заключающийся в раздаче заглушенных труб водой, подаваемой под давлением, отличающийся тем, что с целью ускорения процесса изготовления подаваемую под давлением воду замораживают» (а. с. 190855).
4.2. Увеличение объема происходит и при застывании висмута. По а. с. 344197 «...герметизирующее устройство выполнено в виде полой кольцевой гибкой камеры, размещенной между дисками и заполненной материалом, меняющим свой объем при переходе из одного агрегатного состояния в другое, например, висмутом».
4.3. А. с. 319389: металлокерамические режущие пластины, примороженные к резцу, не только прочно держатся и легко заменяются, но и не нуждаются в подводе смазочно-охлаждающей жидкости. Это — один из многих примеров использования ФП-1 для временного крепления деталей.
4.4. ФП-1 может быть использован для перемещения тяжелых объектов: «Способ монтажа тяжелых конструкций путем опускания их на рабочее место, отличающийся тем, что с целью упрощения процесса монтажа под конструкцией возводят колонны из природных веществ — льда, соли — которые затем у основания растапливают и растворяют, обеспечивая тем самым уменьшение длины колонн с одновременным опусканием конструкции» (а. с. 194294).
4.5. Оригинальное применение ФП-1 в патенте США 3566800. В закрытом трубопроводе движется капсула — транспортное средство. Аэродинамическое сопротивление движению капсулы устраняют двумя противоположными ФП-1: перед капсулой создают разрежение, конденсируя газ, а позади капсулы — увеличенное давление за счет испарения.
4.6. Испарение сухого льда в замкнутом объеме обеспечивает возможность быстрого безмашинного повышения давления. Пример: а. с. 518667 на способ создания давления в сосудах при контроле герметичности.
4.7. Испарение решает также проблему самоудаления монтажных деталей, временно введенных внутрь конструкции, и веществ, попавших туда, например, при струйной обработке (а. с. 715295, патент США 3702519).

5. Фазовый переход второго рода (ФП-2)

5.1. ФП-2 — перестройка кристаллической решетки при изменении температуры. Пример: «Способ преобразования тепловой энергии в механическую... отличающийся тем, что... тело, изготовленное из материала со скачкообразным изменением термодинамических свойств, например, из хрома с критической температурой +37° С, периодически нагревают до температуры скачка, после чего изменяют температуру в какую-либо сторону» (а. с. 280104). Применение: термометры (а. с. 263209), двигатели (а. с. 266471).
5.2. Перспективный для решения технических задач ФП-2 — превращение белого олова в серое. При таком переходе (при 13,2° С) плотность снижается с 7,3 г/см3 до 5,76 г/см3, т. е. на 26,7% (у воды при переходе в лед — на 9 %). Теоретически это означает возможность получения весьма высоких давлений (до 100 000 кгс/см2). Но само явление перехода изучено слабо и на практике пока не применяется.
5.3. Механизм действия нитинола (сплав никеля с титаном) — материала, обладающего «эффектом памяти формы», — также сводится к ФП-2. Основное преимущество нитинола — возможность получения значительных изменений формы, конфигурации деталей при небольшом перепаде температур. Примеры применения: компрессор (а. с. 464709), саморегулирующийся дроссель (а. с. 534617), привод управления клапанами (а.с. 583347), инструмент для развальцовки труб (а. с. 647041).
6. Разбор типичной задачи
6.1. Тренировочная задача. В диэлектрическую подложку пластины памяти ЭВМ вмонтировано множество ферритовых колечек диаметром 1 мм и толщиной стенок в доли миллиметра. Чтобы феррит сохранял магнитные свойства при повышении температуры, нужно колечки сжать. Как это сделать? В условиях задачи говорится о повышении температуры (следовательно, есть тепловое поле Пт), упоминаются также два вещества — ферритовое колечко (B1) и подложка (В2). Теполь будет построен, если под действием Пт вещество В2 вступит в требуемое взаимодействие с В1. Для этого (согласно 3,4) достаточно, чтобы подложка была выполнена из материала с коэффициентом ТР меньшим, чем у колечек (а. с. 266853).
7. Задачи
7.1 При пескоструйной обработке частицы песка остаются во внутренних полостях изделий. Удаление оттуда этих частиц связано с большими трудностями. Как быть?
7.2. Как с помощью ТР измерить температуру движущейся раскаленной металлической ленты?

 7.3. В химическом реакторе десять вспомогательных устройств расположены вокруг центральной части и соединены с ней короткими (0,2 м) металлическими стержнями. Время от времени то в одном, то в другом вспомогательном устройстве выделяется тепло. Оно по металлическим стержням передается в центральную часть реактора. Однако иногда в центральной части резко поднимается температуря. Как сделать, чтобы при этом тепло не переходило к вспомогательным устройствам? Применение тепловых труб недопустимо.
Таблица возможных применений теполей

 

Разделы

Небольшие, но точные перемещения

2.1, 5.1

Измерение температуры

2.2, 5.1

Управление положением и взаимодействие элементов технических систем

2.3, 2.4, 5.3

Регулировка зазоров, отверстий и т. д., герметизация

2.5, 3.3, 4.2

Соединение и разъединение деталей, их временное крепление

2.5, 4.3, 5.3

Изгиб стержней и пластин

3.1, 5.3

Саморегулирование элементов технических систем

3.2

Создание напряжения в материалах и конструкциях, преобразование тепловой энергии в механическую

2.6, 2.7, 5.1, 3.4, 4.1, 5.2

Деформация

2.6, 3.4, 4.1

Разрушение материалов

2.6, 3.4

Перемещение (спуск, укладка) тяжелых объектов

4.4

Создание повышенного газового давления (без машин)

4.6

Самоудаление монтажных деталей и веществ, используемых для обработки

4.7

Восстановление первоначальной формы деформированного объекта

5.3


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 – 442 голосов


Главная » Это интересно » Теория решений изобретательских задач (ТРИЗ) » Магический кристалл физики
© 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