Простейшие приемы изобретательства[править]
Наиболее распространенны следующие простейшие приемы изобретательства:
- аналогия,
- инверсия,
- эмпатия,
- фантазия.
Опишем их ниже.
При решении задач идею решения можно получить путем применения известного аналогичного решения, «подсказанного» технической или художественной литературой, увиденного в кино или «подсмотренного» в природе.
Выявлением и использованием «механизмов природы» занимается наука бионика. Она исследует объекты живого и растительного мира и выявляет принципы их действия и конструктивные особенности, с целью применения этих знаний в науке и технике.
Пример 1. Американские инженеры сконструировали судно, принцип движения которого схож с движением кальмара. Кальмар, как известно, передвигается резкими толчками, выбрасывая назад воду. Новое судно также приводится в движение реактивной отдачей.
Пар выталкивает воду из трубы, направленной к корме судна; от этого толчка судно получает импульс. Оставшийся в трубе пар конденсируется, давление в котле падает, и всасывается очередная порция воды — котёл снова готов к рабочему циклу. Разумеется, это лишь грубая схема, сама конструкция несколько сложнее.[86]
Шлюпка с опытным образцом двигателя уступала в скорости пешеходу. Но не следует забывать о достоинствах — у такого двигателя нет движущихся частей.
[[Изображение:|thumb|200px|Перистальтический насос.]]
Пример 2. Перистальтический насос (см. рис.) — аналог кишечника живого организма. Этот насос предназначен для перекачивания пульпы — вязкого вещества и абразивных пульпообразных сред. Насос содержит гибкую трубку, расположенную в подковообразном корпусе, и ролики, закреплённые на роторе.
При вращении ротора ролики поочередно подводятся к трубке и прокатываются вдоль неё, толкая перед собой перекачиваемую среду. Позади ролика трубка восстанавливает свою первоначальную форму и всасывает новую порцию жидкости за счет создаваемого разрежения. Следующий ролик повторяет цикл.[87]
Пример 3. По аналогии с принципом вытряхивания пляжного коврика (резкое волнообразное движение) разработан фильтр[88]. Удаление осадка в нем производится путем нанесения удара «в противофазе». Импульсы гасят друг друга и не передаются на фундамент.
Аналогия — обильный источник новых идей, но ее нельзя использовать слепо.
Пример 4. В середине 70-х годов для проверки фарфоровой посуды разработали робот, который действовал аналогично человеку — стучал по тарелочке и по звуку определял ее годность. Первоначально робот «не умел» мягко брать тарелочку и тарелки или ломались в его «руке» или выпадали из нее.
Основная и довольно часто встречающаяся ошибка — слепое использование аналогии. Сделаем так, как это делает человек. Скопируем эти действия и заменим человека роботом. Как правило, такая тактика обречена на провал.
Гораздо проще использовать другие физические принципы для совершения того же действия, например, «слушать» тарелку с помощью ультразвука.
Аналогичные ошибки совершают разработчики техники, пытающиеся точно воспроизвести новое изделие, выпускаемое в другой стране или фирме.
При этом на изучение и воспроизводство такого изделия тратятся годы. Нужно выяснить все тонкости, разработать все элементы, создать технологию и наладить их производство. Через несколько лет выпускается «старое» изделие, а в это время фирма, выпустившая изделие-прототип, выбрасывает на рынок новое изделие. При этом фирма, копировавшая изделие, отстает еще больше.
Как же следует использовать аналогию?
- Выяснить основные принципы и конструктивные особенности исследуемого объекта.
- Выявить ведущую область техники по функции, которую выполняет этот объект.
- Воспроизвести основной принцип и конструктивные особенности, используя опыт ведущих областей, на имеющихся элементах, материалах и технологиях. При этом что-то нужно будет придумать новое, учитывая недостатки прототипа.
Таким образом, появится новое конкурентоспособное изделие.
Несколько другой подход появился на рынке США, который получил название реверс-инжиниринг (reverse-engineering), «инженерная работа задом наперед».
Суть этого направления — воспроизводить известные конструкции, уже завоевавшие хорошую позицию на рынке.
Многие компании основную прибыль получают не от продажи самих изделий, а от продажи расходуемых комплектующих. Они меняют модель изделия и к нему делают новый вид расходуемых комплектующих материалов.
Например, компании, выпускающие принтеры, главные деньги зарабатывают на картриджах. Поэтому цены на картриджи, чернила, и порошки они держат достаточно высокими. Кроме того, они меняют модель принтера и изменяют форму картриджа. Старые картриджи они продолжают выпускать наряду с новыми, вынуждая потребителя регулярно платить «дань».
Появились фирмы, которые занимаются перезарядкой как чернильных, так и лазерных картриджей для принтеров. Разрушая монополию «оригинальных производителей», они резко сбивают цены на картриджи, приводя их хоть к какому-то соответствию с естественным желанием потребителя «получить лучше за меньшие деньги».
Такой бизнес находится в состоянии конкурентной борьбы с производителями принтеров, и поэтому не может пользоваться запчастями и материалами, изготавливаемыми производителями принтеров. Фирмам приходится делать свои разработки. Иногда такой вид инженерной деятельности позволяет выпустить хороший продукт.
Имеются и другие возможности. Фирма собирающаяся выпускать аналогичный товар:
- Договаривается с фирмой, выпускающей это изделие, или ее конкурентом о поставке тех же комплектующих частей данного изделия и изменяет, например, внешний вид изделия или находит изделию новое применение, или новый рынок и т. п.
- Фирма приобретает комплектующие элементы уже сошедшего с рынка изделия, придает ему, например, современный вид и выпускает на рынок изделие по значительно меньшей цене. Так, например, действовала фирма «Daewoo».
Еще раз вернемся к понятию ведущей области техники.
Обычно считают электронную промышленность значительно более передовой, чем, например, горноперерабатывающую или мукомольную. Всегда ли это так?
Пример 5. При изготовлении керамических подложек для интегральных микросхем, больших интегральных схем, процессоров, керамических диэлектриков для конденсаторов и др. требуется измельчать исходное сырье. Ведущей областью здесь может быть технология изготовления керамической посуды, горноперерабатывающая и мукомольная промышленности.
Пример 6.Во время Второй Мировой войны Америка поставляла СССР по северному морскому пути продукты и военную технику. Однако немецкие подлодки топили транспортные корабли. Выпуск корабля взамен потопленного обычно требовал не менее 2-3 лет.
Прием «инверсия» или «обратная аналогия» означает — выполнить что-нибудь наоборот. Для него характерны выражения: перевернуть вверх «ногами», вывернуть наизнанку, поменять местами и т. д.
Этот прием может означать, что если объект рассматривается снаружи, то, возможно, мы достигаем желательного результата, если будем его исследовать изнутри. Если какой-то объект расположен вертикально, то применение инверсии означает, что его ставят горизонтально — и наоборот.
Пример 7. Спортсмены тренируются, бегая по беговой дорожке на стадионе. Сейчас имеются движущиеся беговые дорожки и тренажеры, в которых можно задавать скорость движения ленты, ее наклон и другие параметры.
Пример 8. Устройство для тренировки пловца. Пловец на месте, а движется вода[90] (см. рис. 4).
Аналогично рассмотренным примерам сконструирован эскалатор (человек стоит, а лестница движется) и многое другое.
Рассмотрим различные виды инверсии:
1. Функциональная инверсия. Сделать функцию или действие обратным. Нагревание — охлаждение, притягивание — отталкивание, строить — ломать и т. д.
Пример 9. Обычно траву сначала косят, а потом сушат, выбирая для этого самые жаркие и сухие дни. А что если делать на оборот — сначала сушить, причем как можно быстрее, а потом косить? Голландские специалисты сконструировали машину, которая довольно быстро подсушивает траву, обрабатывая ее паром при температуре 300оС.
Ширина захвата машины 6 метров, производительность 40 т/час. Паром можно обработать не только будущее сено, но и картофельную ботву перед уборкой или какую-либо другую культуру, если нужно замедлить ее рост[91].
Пример 10. В печи-гриле вертится приготавливаемая пища, например, курица. Разработан гриль, где приготавливаемая пища неподвижна, а вокруг нее вращаются горячие потоки воздуха.
2. Структурная инверсия. В понятие структуры входит состав системы и ее внутреннее устройство. Много — мало элементов, однородные — разнородные элементы, сплошная — дискретная структура, монолитная — дисперсная — пустая, статичная — динамичная структура, линейная — нелинейная, иерархическая — одноуровневая и т. п.
Пример 11. Электронная и радио аппаратура ранее имела платы со многими элементами (транзисторы, резисторы, конденсаторы, катушки индуктивности, соединительные провода и т. п.), которые в дальнейшем были заменены микросхемами, а затем и на процессоры. Процессор заменил многие элементы.
Пример 12. Суда, как правило, имеют постоянную (статическую) структуру: сухогруз, танкер и т. д. Разработана модульная (динамичная) конструкция судна, которая имеет носовую и кормовую части (оконечности), а в середину (среднюю часть корпуса) может помещаться любой модуль (см. рис. 5)[92].
Аналогичное решение, еще раньше, было предложено для грузовиков. Еще более ранние аналоги — буксир и баржи; паровоз и вагоны.
3. Инверсия формы. Выпуклая — вогнутая, толстая — тонкая, плоская — объемная, шероховатая — гладкая, наружная — внутренняя поверхность, сплошная — разрывная и т. п.
Пример 13. Известно, что для лучшего обтекания водой или воздухом телу придают нужную форму, а поверхность выполняется максимально гладкой. Одной из фирм штата Миннесота разработана пленка, снижающая сопротивление воды. Тысячи мелких, почти незаметных для глаз желобков на ее поверхности напоминают в поперечном разрезе зубья пилы и гасят трение жидкости о стенку (корпус судна).
4. Параметрическая инверсия. Противоположные параметры. Проводник — диэлектрик, длинный — короткий, темный — светлый, твердый — мягкий.
Пример 14. Предложили труднодеформируемые и легко окисляющиеся металлы и сплавы ковать в вакууме, и при этом обрабатывающий инструмент и заготовку не нагревать, а охлаждать от 0оС до порога хладноломкости[94].
Пример 15.Изменение размера детали при токарной обработке обычно выполняют путем контроля за размером изделия. Если контролировать расстояние между щупом и резцом, то можно гарантировать абсолютно точное изготовление деталей.
5. Инверсные связи. Есть связь — нет связи. Положительная — отрицательная связь.
Пример 16. Соединять — разъединять (отключать). На этом принципе построены многие средства связи, например, телефонная связь. Когда идет разговор, то обеспечивается связь. Во все остальное время этой связи постоянно нет.
Пример 17. Отрицательная обратная связь используется в системах автоматического управления. Текущий параметр сравнивают с заданным или изменяемым, по определенной программе, сводя разницу к нулю. Это и есть принцип обратной связи. Положительная обратная связь используется, например, в усилителях. Сигнал складывается с существующим сигналом и увеличивается (усиливается).
6. Инверсия пространства. Изменение положения в пространстве на 90о и 180о.
Пример 18. Ось ветроэлектродвигателей обычно расположена по горизонтали, а электрогенератор находится на башне рядом с ветровым колесом (рис. 6а). Американские конструкторы разработали ветряк, колесо которого вращается вокруг вертикальной оси (рис. 6б).
Его генератор находится на земле — для передачи вращения при этом уже не нужны передаточные механизмы, опорная башня может быть проще и меньше. А главное, его работа не зависит от направления ветра и, значит, не нужны устройства, разворачивающие ветровое колесо, словно флюгер, против воздушного потока.
В результате конструкция обходится в несколько раз дешевле традиционных. Изгиб лопастей напоминает кривую, которую образует гибкий трос при вращении вокруг вертикали. Такая форма позволяет избавиться от напряжений изгиба лопасти, работающей только на растяжение.
Оптимальная скорость ветра для испытываемой модели — около 30 км/ч, хотя ток она начинает давать уже при скорости втрое меньшей. Двигатель предлагается использовать в опреснительных установках — для подачи в их теплообменник глубоководных холодных морских вод, конденсирующих водяные пары из воздуха[96].
Пример 19. Опишем один фокус. Фокусник показывает зрителям листок картона, на котором нарисована стрелка, показывающая направо (см. рис. 7). Он ставит картинку за стеклянным стаканом.
Зрители смотрят на картинку через стакан и видят стрелку, показанную налево.
Секрет фокуса. Когда в стакан наливается вода, получается линза, которая переворачивает изображение. Чтобы этот трюк получился, экспериментальным путем подберите расстояние между стаканом и картонкой.
Фокус рассказал Эмиль Кио[97].
7. Инверсия времени.Быстро — медленно, непрерывно во времени — квантовано, прошлое — настоящее — будущее.
Пример 20. При резке труб нож сминает края. Предложено резку труб осуществлять на большой скорости.
Пример 21. Аналоговая техника все больше заменяется дискретной (цифровой). Первоначально это касалось компьютеров и измерительной техники, а в настоящее время большое распространение получили бытовые цифровые приборы.
Эмпатия — это отождествление себя с личностью другого. Иногда об этом действии говорят «войти в шкуру другого», то есть поставить себя на место другого. Таким приемом часто пользуются артисты, писатели, художники и т. п.
Подобным же образом можно использовать этот прием при разработке объекта.
Проектировщик отождествляет себя с разрабатываемым объектом, процессом, деталью. Применение приема заключается в том, чтобы человек, посмотрел с позиции детали (с «ее точки зрения»), что можно сделать для устранения недостатков или для выполнения новых функций.
Пример 22. Проиллюстрируем прием на примере добывания ядра из грецкого ореха (рис. 8а). Представим себя ядром грецкого ореха, находящегося внутри скорлупы. Там темно и хочется выбраться наружу, не правда ли?
Вспомним, как традиционно колют грецкий орех. Обычно орех колют щипцами или молотком, создавая усилия снаружи, направленные к ядру. Понравится ли Вам (ядру) такой способ? В лучшем случае Вас травмируют. Мы действовали на орех снаружи (см. рис. 8 б).
Значит, усилия необходимо создавать не снаружи, а изнутри (мы применили инверсию). У Вас самого для этого сил нет. Вы же ядро. Очевидно, нужно привлекать внешние силы (опять использовали инверсию). Причем, как должны быть направлены эти силы?
Чисто технически эту проблему можно решить разными способами. Просверлить отверстие и подать туда воздух под давлением (рис. 8 г). Можно, наоборот, поместить орех в вакуум. Возможно, скорлупу ореха обмазать клеем с большим количеством ферромагнитных частичек и поместить орех в сильное магнитное поле скорлупа разрывается.
Наилучшее, на наш взгляд, следующее решение. Орех помещают в герметичный сосуд и создают избыточное давление воздуха. Воздух постепенно проникнет под скорлупу. Через некоторое время в сосуде резко сбрасывается давление. Внутри ореха давление больше чем снаружи — скорлупа раскалывается — сбрасывается (см. рис. 8 д).
Пример 23. По аналогии с этим решением добываются семечки из шишек, производится очистка семечек, стручков сладкого перца, очищаются фильтры или пористые объекты.
Вернемся еще раз к понятию ведущей области техники, рассмотренному в приеме «аналогия».
Мы только что применили решение для разных областей промышленности: пищевой и кондитерской, лесной (добыча семян из шишек) и любой технической.
Пример 24. При выпуске пористого титана одна из последних операций — откачка жидкости из пор. Это осуществляют с помощью вакуума. Процесс идет очень медленно — вакуум создавать достаточно долго.
Конечно, Вы уже догадались, что и здесь решение аналогично рассмотренным ранее. Избыточное давление создается значительно быстрее.
В данном случае для цветной металлургии ведущей областью оказалась пищевая.
Рассмотрим еще один пример на эмпатию.
Пример 25. Этот прием использовал конструктор авиадвигателей Бережков — герой книги Александра Бека «Жизнь Бережкова».
«Я придумал особую насечку жернова, насечку по принципу архимедовой спирали (рис. 9). Терпеливо выбирая на камне рисунок замысловатой спирали, я вообразил себя зерном, попадал в ручеек спирали, с наслаждением чувство вал, как меня прихватывают, раздавливают, перетирают жернова, и, довольный, вываливался струйкой замечательной муки».
Прием фантазия связан с желанием получить то, чего желаешь. Использование фантазии для стимулирования новых идей заключается в размышлении над некоторыми фантастическими решениями, в которых при необходимости используются нереальные вещи или сверхъестественные процессы.
Часто бывает полезно рассматривать идеальные решения, даже если это сопряжено с некоторой долей фантазии. Разумеется, есть надежда, что размышления о желательном может натолкнуть нас на новую идею или точку зрения, которая, в конечном счете, приведет к новому, осуществимому решению.
Пример 26. Для забрасывания радиоактивных отходов за пределы Солнечной системы предлагается построить электромагнитную катапульту[99].
Пример 27. В США предложена идея добычи полезных ископаемых в космосе, заключающаяся в доставке металлов с астероидов на землю. Для этого надо подыскать астероид массой около 1 млрд тонн и необходимого состава, отбуксировать его на околоземную орбиту, переплавить с помощью солнечной энергии в слитки от 1 до 10 тонн каждый и направить их по баллистической траектории на Землю в специальное место, а дальше — дело уже земной техники[100].
Пример 28. Человек возвращается домой поздно вечером и в темноте начинает шарить руками по стене в поисках выключателя. В собственной квартире иной раз находишь его не сразу. А в незнакомом месте? Оказывается, проблема решается просто, если воспользоваться новинкой, предложенной швейцарскими инженерами.
В темной комнате достаточно хлопнуть два раза в ладоши, чтобы сразу же зажегся свет. Правда, вспыхивает не люстра, а сигнальная лампочка, обозначающая расположение выключателя. Это устройство, питающееся от автономной батарейки с напряжением 1,5 вольта.
Хотя оно сегодня получает применение в квартирах, но создано было как аварийное средство — для включения света в операционных, научных лабораториях и цехах при неожиданных повреждениях электрической сети[101].
Появилось много игрушек, которые начинают действовать от хлопка, например, петь и танцевать.
Пример 29. Конструкторы западногерманской фирмы «Грое», специализирующейся на выпуске бытовой и медицинской сантехники, создали оригинальное устройство, позволяющее пускать воду в ванных, не прикасаясь к кранам. Собственно, и кранов в привычном представлении здесь нет.
Их заменяет ультрафиолетовый датчик. Достаточно поднести ладони к его «глазку», и вода начинает течь (рис. 10). Подобное устройство нашло широкое применение в быту и, в операционных комнатах клиник и больниц и общественных туалетах[102].
Пример 30. В Японии построили корабль, который управляется не руками, а голосом. Бортовой компьютер с блоком акустической автоматики воспринимает целую дюжину команд типа, «полный вперед» или «дать реверс». Машина повторяет слова на табло, подтверждая, что приказ понят правильно.
В ту же секунду приборам и механизмам дается управляющий сигнал. Так можно сбавить обороты, сделать разворот, включить радарную систему, увеличить вентиляцию помещений. Кроме того, в компьютере есть блок памяти, который разрешает ей «откликаться» только на голос капитана или штурмана, и только на английском языке[103].
Пример 31. Со времени появления первого автомобиля руль считался необходимой его деталью. А действительно ли он до такой уж степени незаменим? — задумались специалисты французской фирмы «Рено». Задумались и решили заменить его исполнительным механизмом, приводимым в действие устными приказами.
Экспериментальная машина, выпущенная этой фирмой, повинуется таким командам, как «запустить двигатель», «задний ход», «левый поворот», «включить стеклоочиститель», «поднять стекло правой дверцы», «включить фары». Установленный на этом автомобиле микропроцессор обеспечивает выполнение 22 команд, выражаемых 100 словами.
Конструкторы пошли даже дальше. Электронная система выполняет функцию сторожа — она «отзывается» лишь на голос хозяина. Дело в том, что при программировании на пленку записываются команды владельца. И, получая «указания», электронное устройство, прежде чем подчиниться, сравнивает голос водителя с тем, что записан на пленке.
Однако это вовсе не исключает коллективного пользования автомобилем, поскольку устройство позволяет запрограммировать команды восьми разных людей. Устройство не «откликнется», если хозяин будет пьян. Вся эта электронная система в основном представляет чисто демонстрационный интерес, хотя и может оказаться полезной для больных и инвалидов.
Видимо, это обстоятельство побудило одну из японских фирм сконструировать робот для ухода за лежачими больными, который тоже послушно повинуется голосу. В отличие от голосовой системы управления автомобилем синтезатор речи может отвоевать себе место в ряду электронных устройств дорогих машин.
Американская фирма «Аристотель» разработала синтезатор, предупреждающий водителя через радиоприемник о десяти неполадках. Он может сообщить о давлении масла в двигателе, пониженном напряжении аккумулятора, напомнить о необходимости пристегнуть ремни безопасности или даже окликнуть рассеянного, забывшего вынуть ключ зажигания[104].
Создан специальный компьютер для автомобилей, который помогает управлять автомобилем. Когда водитель садится в автомобиль, то компьютер те только показывает по карте, где вы находитесь, но и говорит вам точное место нахождения. Вы должны ввести в компьютер точное место, куда хотите прибыть.
Существует и автомобиль, которым не нужно управлять. Вам следует только назвать конечный пункт назначения, и машина Вас доставит сама. В машине встроены датчики, которые дают информацию о происходящем не дороге. Кроме того, имеется связь со спутником.
Машина движется дороге, учитывая общее движение. Она прокладывает самый оптимальный маршрут, но и едет по наименее загруженным трассам. Машина обладает значительно лучшей «реакцией», чем человек. Поэтому в такой машине езда значительно безопасней.
Пример 32. Известны и управляемые от голоса, автоматизированные телефонные станции[105].
Пример 33. Кто из нас не любит мультфильмы? Однако создание их — весьма сложный и трудоемкий процесс, требующий немало месяцев работы квалифицированных художников. Чтобы облегчить их труд, сотрудники Технического института Вены (Австрия) сконструировали компьютер, который «сам» рисует картинки и окрашивает их в различные цвета.
В современной индустрии кино широко используются компьютерные анимации. С помощью их делают сложнейшие трюки без каскадеров. Не нужно строить сложнейшие декорации. Это тоже можно осуществить на компьютере. В знаменитом фильме «Титаник», многие сцены были выполнены с использованием компьютерной технологии.
Пример 34. Рукотворное облако. Создавать искусственную облачность над крупными городами предложил Эндрю Детуилер из университета штата Нью-Йорк. В холодное время года, считает он, так можно уменьшить излучение тепла земной поверхностью в космос, а значит, можно сократить расход энергии.
Двух небольших реактивных самолетов, распыляющих кристаллы йодистого серебра, вполне достаточно, чтобы создать скопление перистых облаков над несколькими крупными городами. Образование искусственной облачности над г. Олбани, где живет автор проекта, позволит увеличить температуру воздуха на пять градусов[107]. Однако, вопрос об экологических последствиях остается открытым.
Пример 35. Индивидуальные стельки изготовляют из полимерных материалов. Для этого разогревают заготовки до пластического состояния и формируют стельку стопой пациента. Далее стельку нужно поместить в обувь и еще раз подогнать под ногу пациента.
Для достижения соответствия системы стопа-стелька-обувь, предложили заготовку предварительно помещать внутрь обуви. Разогрев производят внутри обуви, причем формирование стельки стопой осуществляют в процессе ходьбы в данной обуви[108].
Пример 36. Фирма IBM выпустила компьютер, который можно диагностировать и ремонтировать на расстоянии. Такой компьютер содержит радио приемник и радиопередатчик. Если компьютер испортился, хозяин компьютера связывается с фирмой IBM.
Они тестируют компьютер, связываясь с ним по радио. У изготовителя имеется эталонная модель такого компьютера. Данные неисправного и эталонного компьютеров сравниваются. По радио неисправному компьютеру выдаются команды, что нужно сделать для устранения неисправности. Все операции выполняются автоматически без участия человека.
Пример 37. С появлением современных компьютеров многие фантастические идеи превратилась в реальность. С появлением Internet эти возможности качественно изменились. Теперь не только можно моментально связаться с любой точкой мира, найти любую информацию, но и осуществлять многие виды работ и учебу виртуально, осуществить любые покупки, деловые контакты, проводить биржевые и другие деловые операции, проводить аукционы. Эти возможности с каждым днем расширяются.
Пример 38. Лёгкие и прочные материалы — мечта любого конструктора. Для осуществления этой мечты необходимо материалы «собирать» из отдельных атомов. С развитием нанотехнологий это стало реальностью.
Увеличение степени дробления[править]
Увеличение степени дробления (дисперсности) вещества предусматривает и изменение твердости и эластичности. Прежде всего, это относится к рабочему органу.
Рабочий орган может быть монолитным и немонолитным (состоящим из отдельных частей). Вещество рабочего органа может быть твердым, нетвердым (мягким), жидким, газообразным и полем.
Рассмотрим более детально последовательность дробления, которая представлена на рис. 66.
Эта последовательность характеризуется переходом от твердой монолитной системы (1) к полностью гибкому (эластичному) объекту (2). Дальнейшее дробление приводит к разделению объекта на отдельные части, не связанные между собой или связанные с помощью какого-либо поля, например, магнитного.
Дробление идет в сторону измельчения каждой части вплоть до получения мелкодисперсного порошка или микросфер, то есть объект становится порошкообразным (3).
Следующий переход приводит к гелю (4) — пастообразному веществу.
Затем изменяется степень вязкости вещества до получения жидкости (5).
Далее изменяется степень связанности жидкости. Происходит использование более легких и летучих жидкостей и использование аэрозолей (6).
Содержание газа в аэрозоле увеличивается, и таким образом происходит переход к газу (7).
Постепенно используется все более легкий газ. Затем газ становится более разряженным, следующий шаг приводит к крайнему состоянию — образованию вакуума. Последнее состояние в этой цепочке — использование поля (8).
На новом витке развития система вновь становится монолитной. На рисунке это показано в виде петли обратной связи.
Промежуточное состояние в каждом из указанных переходов может занимать «пена» в твердом, жидком, газообразном, прочих видах и их сочетаний. Кроме того, возможна комбинация (9) из указанных состояний, в любом сочетании.
Примеры:
- Негибкое вещество, например, металл, дерево, пластмасса и т. п.;
- Гибкое (эластичное) вещество, например, резина, ткань, пленка, тонкие куски металла, фольга, проволка, трос и т. п.;
- Отдельные, несоединенные части, например, шарики, зерно, песок, микросферы, пыль и т. п.;
- Гель, например, желе, студень, паста, крем, масло, коллоидный раствор и т. п.;
- Жидкость: жидкости различной плотности, от жидких масел до спирта, эфира и жидких газов;
- Аэрозоль с различным процентным содержанием жидкости и газа;
- Газразличной плотности, от тяжелых до самых легких газов;
- Поле — виды полей и их сочетаний будут рассмотрены в главе «вепольный анализ»;
- Комбинации: могут содержать от двух до восьми составляющих.
На этапе 1 широко применяются геометрические и некоторые физические эффекты. Сочетание этих эффектов часто встречается в строительстве при использовании предварительно напряженных конструкций.
Пример 66. Мост (рис. 67) выполнен в виде полусвернутого листа (рис. 67 а). Это пример использования монолита с геометрическим эффектом — скрученные или свернутые конструкции, которые значительно прочнее прямого листа.
Пример 67. Останкинская башня, показанная на рис. 68. Это пример использования монолита с физическим эффектом — напряженные конструкции (растянутая арматура).
Полная схема дробления приведена на рис. 69. В нее дополнительно введены переходыот состояния (1) к состоянию (2), от (2) к (3) и переходы состояний (1) и (2) к капиллярно-пористым материалам (КПМ).
Переход от монолитной (твердой) системы (1) к гибкой (2) происходит по определенной закономерности, показанной на рис. 70.
Рассмотрим эту закономерность.
Первоначально объект разбивается на части, вплотную присоединенные друг к другу(1.1 а). Это соединение может быть разъемное (резьбовое, шпоночное и др., а также выполненное с помощью различных полей) и неразъемное (клеевое, сварное, и др.).
Дальнейшее разбиение приводит к увеличению количества частей в системе (1.1б, в). Для повышения эффективности конструкций используются геометрические и физические эффекты, например, различные формы частей и связей, предварительно напряженные конструкции.
На следующем этапе отдельные части соединяютсяжесткимисвязями(1.2 а). Количество частей и связей увеличивается.
Далеежесткость связейуменьшается, и постепенно связи делаются гибкими — шарнирными, пружинными и т. п. (1.2 б).
Примером этапа (1.2 а) могут служить фермы различных конструкций.
Пример 68. В 1889 году в Париже по проекту Эйфеля была сооружена ажурная трехсотметровая металлическая башня (рис. 71).
Пример 69. Другими примером могут служить оригинальные конструкции на основе гиперболоида Шухова. На ажурную башню (рис. 72 а), выполненную в форме гиперболоида, инженерВ. Г. Шуховполучил патент (Привилегию)
России № 1896. На «сетчатые покрытия для зданий» (рис. 72 б) Шухов получил привилегию № 1894 от 25 марта 1895 г. Основное достоинство этих сооружений, что их можно делать из прямолинейных деталей. Эти и многие другие конструкции описаны в книге: «В. Г. Шухов — выдающийся инженер и ученый»[146](рис. 72).
Подобная же последовательность характерна и для перехода от эластичного вещества (2) к порошкообразному (3). Она изображена на рис. 73. Вантовые конструкции являются одним из примеров использования технологических эффектов на данном переходе.
В вантовых конструкциях основным несущим элементом сооружения служат натянутые стальные тросы или система тросов (тросовые фермы), по которым укладываются тонкие мембраны, из стали, алюминия и пр. Для покрытия зданий с большим пролетом вантовые конструкции представляются наиболее эффективным решением.
Пример 70. В Санкт-Петербурге построен спортивно-концертный комплекс с покрытием в виде мембраны диаметром 160 м, толщиной 6 мм и универсальными вантовыми конструкциями. За натяжением мембраны ведутся постоянные наблюдения. Крыша-мембрана спортивного зала Олимпийского стадиона в Москве толщиной 5 мм перекрывает без единой промежуточной опоры площадь свыше 30 тыс. кв. м. (рис. 74).
Пример 71. Отметим, что мембранные конструкции были известны и раньше, но в них использовались другие принципы, например, В. Г. Шухов использовал гиперболоид вращения.
На рис. 75 показана висячая мембрана Шухова в круглом павильоне Нижегородской выставки. В оригинальном павильоне круглого здания поверху наружных стен на высоте 6,4 м уложено металлическое кольцо диаметром 68 м. Внутри здания 16 металлических колон (высотой 15 м) держат второе кольцо диаметром 25 м.
Пространство между двумя кольцами перекрыто свободно висящей сеткой, состоящей из взаимно перекрещивающихся стальных полос, образующих ячейки в виде ромбов. По этому техническому проекту первое такое покрытие было построено Шуховым в 1894 г. над цехом котельного завода фирмы Бари в Москве[147].
Принцип вантовых конструкций использовался еще в сооружениях древности; и очень широко используется в наше время.
Пример 72. Принцип вантовых конструкций многократно использовал всемирно известный японский архитектор Кензо Танге. Среди его наиболее известных сооружений — два олимпийских спортивных зала в Токио — Ёёги, построенных для XVII летних Олимпийских игр 1964 г.[148](см. рис. 76).
Приведем еще примеры веществ с различной связанностью.
Пример 73. При добыче полезных ископаемых роторные экскаваторы разрушают породу нерационально — резанием вместо наиболее экономичного ударного способа. Поэтому не обойтись без буровзрывных работ. В некоторых горных машинах используют принцип отбойного молотка[149].
При этом разрушение точечное, а площадь забоя большая, значит производительность маленькая. А если применить цилиндр, именно он при вращении разворачивается в плоскость. Надо взять трубу большого диаметра, насадить на ее поверхность зубья и катить по забою, который может стать наиболее технологическим — горизонтальным.
В рассмотренном примере подсистема (рабочий орган) выполнен в виде монолитной трубы с зубьями, воздействующее на горную породу. Здесь рабочий орган соответствует состоянию вещества (1), изображенному на рис. 73.
Следующий переход (1.1) — псевдомонолит — отдельные части жестко соединены между собой (рис. 73). Причем соединения могут быть неразъемные (сварные, паянные, клеевые и т. п.) и разъемные (резьбовые, пазовые, шиповые и т. п.).
Пример 74. Для подъема кранов разработаны ходовые колеса со съемными ребордами — выступами, предупреждающими сход колеса с рельсовой колеи. Достаточно отвинтить быстро изнашиваемые боковины и поставить на их место новые. Появилась возможность делать эту деталь из более прочного металла, чем обод[151].
Дальнейшее развитие техники осуществляется заменойжесткой связи нагибкую (1.2 в). Необходимо учесть, что постепенно число частей увеличивается, а связи между ними становятся все более гибкими.
Пример 75. Чтобы цанга надежно зажимала деталь, кольцевые прорези губок цанги заполняют эластичным материалом. Для усиления упругости цангового патрона в месте перехода лепестков в корпус делают кольцевые пазы[152].
В дальнейшем рабочий орган выполняют полностью гибким (2).
Пример 76. Разъем для печатных плат, содержащий корпус из диэлектрика и упругие контактные элементы, выполненные в виде изогнутых S-образных пружин, будет более надежным при контактировании, если изогнутые пружины изготовить в виде ряда последовательно расположенных проволочек[153].
Следующий этап в развитие технических систем приводит к практическомуисчезновению связеймежду отдельными частями и количество частей еще больше увеличивается, а их размеры уменьшаются (3).
Пример 77. Предлагается повысить надежность электрического соединения в контактном гнезде, содержащим диэлектрический корпус из упругого эластичного материала с размещенным внутри токопроводящим элементом, отверстием для контактирующего штыря и контактом для подключения.
Пример 78. Подшипник скольжения — это вал во втулке. В небольшой зазор, исчисляемый микронами, подается смазка. Недостаток подшипника — большие значения пускового момента и необходимость в антифрикционных сплавах. Значительное улучшение параметров подшипника скольжения может быть достигнуто, если в смазку добавить стеклянные шарики.
На первый взгляд — абсурдная идея. Какие шарики, если нагрузка тонны? Однако стекло слабо сопротивляется только ударным нагрузкам, а на сжатие оно работает не хуже металла. Стеклянные шарики получают из расплава в воздушном потоке с медленным охлаждением, чтобы не было микротрещин. Такие шарики имеют диаметр 2-20 мкм и выдерживают внушительную нагрузку сжатия — 800 мега паскалей (800 атм.).
После добавления шариков в смазку нет необходимости изготовлять втулку из сплавов цветных металлов — по причине схожести механизма трения пары с подшипником качения, а напротив, есть необходимость делать ее из стали. Диаметр стеклошариков выбирают из соображения соразмерности зазора и высоты гребешков — шероховатости, класса чистоты обработки втулки и вала. Шарики, попадая во впадины шероховатостей, не оседают в них, а все время выкатываются и движутся вместе со смазкой.
Тем самым происходит обкатка острых края шероховатостей, как бы упрочняют и полируют поверхность, уменьшая величину гребешков. По этой причине при использовании стеклошариков уменьшается коэффициент трения пары и возникает эффект почти троекратного снижения мощности холостого хода машины[155].
Пример 79. При изготовлении эффективных угольных адсорбентов уголь измельчают до размеров частиц менее 100 мкм, гранулируют, сушат, карбонизируют, в ходе чего уголь становится пластичным, и активизируют его паром и газом при температуре 800—900oС.
Летучими продуктами гранулы вспучивают и образуют разветвленную систему пор. Такой адсорбент стопроцентно очищает газы от альдегидов, спиртов кетонов, органических оснований, жирных кислот и других углеродов[156].
В результате соединения твердого вещества с жидкостью в технической системе получается пульпа (обмазка) и гель (4), имеющий аморфную структуру (клей сначала в полужидком виде, а затем затвердевающий на воздухе). Такие вещества — обмазка и клей — являются основными компонентами технической системы, рассматриваемых в последующих двух примерах.
Пример 80. Стойкость крупных штампов (2х1)м повышается в 1,5-3 раза (даже при использовании низкоуглеродистой стали), если этот инструмент насытить бором и алюминием из дешевых обмазок, наносимых на поверхность слоем толщиной 6 мм.
Пример 81. Треснувший корпус цилиндра или разбитый картер двигателя, обычно долго ремонтируют, можно быстро склеить полимерным клеем К-153. Даже глубокие трещины в металле клей заваривает намертво. Состоит он из эпоксидной смолы, отвердителя, металлических наполнителей[158].
Использование вещества в жидком состоянии (5) в технических системах описано в следующем примере.
Пример 82. Скользящая обойная опалубка повышает качество бетонирования монолитной бетонной крепи вертикальных шахтных стволов. Прессующая секция опалубки сделана из двухслойных резиновых листов, которые раздвигались под давлением жидкости, герметизируют стык между опалубкой и верхней части крепи.
И пока подается бетон, резиновая рубашка разравнивает и уплотняет бетонную смесь. После набора опалубкой прочности давление жидкости снимается, резиновые листы отжимаются, и опалубку можно переместить на следующую позицию[159].
Аэрозоли (6) используются достаточно широко в технике и быту.
Газообразное состояние вещества (7) достаточно распространено в технике.
Пример 83. Ученые СССР предложили проект прокладки транспортных магистралей по болотам, основным элементом которых являются эластичные надувные камеры. Дорога по болоту выполняется из сборных щитов. На нижней части каждого щита размещается эластичная надувная камера из резинотканного материала.
Щиты выполнены металлическими и соединяются замками так, чтобы получилось сплошное покрытие, давление воздуха в надувных камерах не велико и поэтому для их наполнения используются выхлопные газы автотранспорта. В нерабочем виде из камер выпускается воздух, и дорога складывается в гармошку[160].
Применение поля (8), например, ионизированного газа — плазмы — представлено в следующем примере.
Пример 84. Специалисты фирмы «Вестингауз» (США) решили крупнейшую проблему переработки токсичных отходов, в частности так называемых многохлористых дифенилов. Они использовали высокотемпературную плазму, образующуюся при пропускании воздуха через электрическую дугу (5000oС).
Сжигание этих веществ в низкотемпературных печах затруднено, так как при этом образуются сложные вторичные токсичные вещества. При использовании же плазмы образуются более простые соединения — в основном хлористый водород и окись углерода. Хлористый водород нейтрализуется, а окись углерода сжигается; ее можно использовать как топливо.
Применение жидкой и твердой пены — промежуточного состояния вещества между твердым (жидким) и газообразным описано в следующих двух примерах.
Пример 85. Для защиты наплавляемого в процессе сварке металла используют легкоплавкий флюс или инертный газ. И все-таки металл выгорает, его расход большой. Предлагается производить сварку под слоем пены. Пену получают путем вспенивания газом (аргон, азот) водного раствора мыла и глицерина.
Для легированных сталей лучше применять аргон. Пенная защита сократила расход дорогостоящего аргона в 6-8 раз. При пенной защите места сварки электрическая дуга становится более устойчивой, уменьшается пористость наплавленного металла[162].
Пример 86. В ФРГ разработано кресло-коляска из пенополиуретана. В этом кресле решена совокупно проблема надежности, смены сидений, размерности. Воздушные емкости в подушках на сидении позволяют человеку «отформировать» кресло по своему удобству.
Приведем сквозные примеры реализации этой последовательности.
Рассмотрим тенденции развитияуплотнителей.
Пример 87. Первое уплотнители представляли собой монолитную конструкцию (1). Примером может служить притертая пробка или кран. Далее стали появляться первые гибкие элементы, например, кольца поршней. Количество гибких частей стало увеличиваться.
В конце концов, уплотнитель стал полностью гибким (2), например, резиновые уплотнители — сальники. Используются уплотнитель в виде намотанных нитей, например, пакли. Известны уплотнители в виде отдельных шариков или порошка (3). Широко используются для уплотнения различные гели (4) — пушечное сало, тавот, солидол и т. п. Жидкости (5) также используются в качестве уплотнителей, например, газовый сифон.
Известны использования газовых уплотнителей (6). Обычно такое уплотнение используется в сочетании с каким-либо полем, например, полем давления, то есть осуществляется подпор противодавлением.
Пример 88. Оригинальное использование газовых уплотнителей предложил академик П. Л. Капица. Для сжижения гелия используются расширительные машины (при расширении газ охлаждается). В расширительной машине поршень должен двигаться в цилиндре быстро, то есть без трения для быстрого расширения объема камеры. Это приводит к необходимости делать между поршнем и цилиндром зазор, но тогда зазор будет пускать газ.
Таким образом, возникает противоречие: поршень не должен соприкасаться с цилиндром (должен быть зазор), чтобы поршень свободно и быстро двигался, и поршень должен соприкасаться с цилиндром (зазора быть не должно), чтобы в зазор не уходил газ, то есть для герметизации зазора.
Естественно, что пытались, как можно точнее притирать поршень к цилиндру. Но, несмотря на это, поршень заклинивало из-за резкого изменения температур. Не спасли и уплотнительные кольца. Наконец предложили заполнить зазор между цилиндром и поршнем смазкой.
Смазка прекрасно справлялась со своими обязанностями, но при температуре жидкого гелия смазка замерзала и становилась хрупкой, как стекло. Петр Леонидович в разработанной им установке отказался от смазки. Он предложил сделать зазор между цилиндром и поршнем такой, чтобы поршень двигался свободно, а сжатый газ утекал через зазор.
Кроме того, в предложенной установке время расширения газа очень мало (сотые доли секунды). Общая утечка газа составляет 2-3 %[164] .
Но даже эти «потери» газа можно вернуть обратно, если замкнуть выход цилиндра с камерой.
Много примеров уплотнителей представляющих собой комбинации описанных переходов.
Пример 89. Уплотнение в скафандрах в местах одевания перчаток и носков. Первоначально такое уплотнение представляло собой эластичный пустотелый тор, в который подавался воздух под давлением. В дальнейшем в это кольцо поместили губку (латексную) с открытыми порами, в которых содержится определенное количество воздуха.
При понижении давления с наружи скафандра из губки выделяется воздух и в кольце создается повышенное давление, раздувающее тор, герметизируя запястье . Здесь использованы гибкая оболочка, пористое вещество — губка и давление воздуха[165].
Для герметизации могут использоваться и гибкая оболочка, заполненная сыпучими телами (шарики, песок, микрокапсулы и т. п.). Ее прикладывают к месту, которое необходимо загерметизировать, а затем откачивают воздух из оболочки. Тогда, под действием образовавшейся разности давлений, частицы сыпучих тел теряют возможность смещаться одна относительно другой.
Эта конструкция как бы «твердеет», практически без изменения формы.
Полученную таким образом плотную структуру возможно использовать.
Пример 90. Для заделки пробоины и подводной части корпуса корабля: к борту крепко прижимается сеть, которую заполняют под давлением эластичными гранулами[166].
Пример 91. Схожее решение, только на микроуровне. Для защиты скафандра космонавта от метеоритных пробоин. Роль сетки здесь выполняет жидкое резиновое связующее, роль гранул — порошок наполнителя[167].
Пример 92. Аналогичным образом работают вакуумная формовка для литья, захват и фиксация деталей[168].
В качестве еще одного примера рассмотрим тенденцию развития щеток электродвигателей и электрогенераторов.
Пример 93. Первоначально щетки представляли собой монолитный (1) электрод, медный или угольный. Затем появились подпружиненные контакты (2), выполненные из угля или меди. На следующем этапе развития появились щетки в виде отдельных металлический упругих волосков (2). Известны щетки в виде графитового порошка (3).
Американская фирма «Вестингауз» в электрогенераторах большой мощности применяет вместо традиционных графитовых щеток для съема электроэнергии циркулирующий поток жидких (5) металлов натрия и калия. Такой метод позволяет снимать с единицы площади большей, чем в традиционных условиях, ток.
Наконец, идеальные щетки, которых нет, а их функции выполняются. В качестве таких щеток может служить ионизированный газ (8), который является прекрасным проводником.
