ЧЕРЕЗ БАРЬЕРЫ

Вернемся теперь к учебным задачам, разберемся в их решениях.

Решение задачи 9

Нам нужно, чтобы в водоеме было больше кислорода. В пределе—столько, сколько может раствориться до полного насыщения. Следовательно, мы хотим увеличить количество вещества (кислорода). В таблице это два­дцать шестая строка.

Предположим, для насыщения воды кислородом ис­пользуется обычный способ: на берегу установлен мощ­ный компрессор, по дну водоема проложены трубопро­воды и в воду подается много кислорода (или воздуха). Содержание кислорода н коде, конечно, увеличится, но мы проиграем из-за сложности оборудования. В таблице это 36-я колонка (по вертикали). Рекомендуемые прие­мы: 3, 13, 27, 10. Если использовать химикаты, то они бу­дут не только источником кислород), но и причиной за­грязнения водоема. Колонка 31 —«Вредные факторы, ге­нерируемые самим объектом». Приемы: 3, 35, 40, 39.

Можно подойти к задаче иначе. Скажем, мы хотим уменьшить потери вещества (23-я строка) — и проигры­ваем в степени насыщения, т. е. в количестве вещества (26-я колонка). Приемы: 6, 3, 10, 24. Или так: снижая по­тери вещества обычными путями (т. е. замедляя подачу сжатого воздуха), мы проигрываем в производительности (39-я колонка). Приемы: 28, 35, 10, 23.

Таким образом, таблица настойчиво рекомендует принцип местного качества (3) и принцип предваритель­ного исполнения (10). Отсюда не трудно прейти к реше­нию: возьмем заранее часть воды и создадим для нее ус­ловия, благоприятствующие растворению кислорода. Это совпадает с контрольным ответом (авторское свидетель­ство № 168073): кислород распыляют под давлением в небольшом объеме воды, а потом насыщенную кислоро­дом воду вводят в придонные слои озера. Раньше кисло­род «выскакивал», не успевая раствориться, теперь у него для этого достаточно времени. Решение задачи 10

Требуется увеличить скорость обработки, а расплачи­ваемся мы за это недопустимым увеличением темпера­туры. Приемы: 28, 30, 36, 2. Прием 36 прямо относится к рассматриваемой ситуации: фазовые переходы могут со­провождаться значительным поглощением тепла. Поли­ровальник должен плавиться или испаряться в том ме­сте, где выделяется тепло.

Можно рассуждать и так: надо уменьшить вредный фактор, генерируемый объектом, а сделать это можно по­ступившись скоростью или производительностью. Прие­мы соответственно: 35, 28, 3, 23 и 22, 35, 18, 39. Исполь­зуя идею изменения агрегатного состояния (прием 35), тоже легко прийти к правильному решению.

Контрольный ответ (авторское свидетельство № 192658): полировальник выполнен из льда, в котором находятся частицы абразива. При полировании лед по­степенно плавится, поглощая выделяющееся тепло.

Решение задачи 11

2—3. Дана система: коробка—образец (проволок;), стержень) — груз — агрессивная среда. Трудно определить момент разрыва образца (или падения груза). 2—4. а) Коробка, груз.

б) Образец и агрессивная среда.

(Образец и среда заданы условиями испытания — их нельзя менять; груз мы можем менять, сохраняя, однако, требуемую нагрузку на образец; коробку можно менять как угодно, лишь бы она оставалась герметичной.)

2—5. Коробка.

(Она снаружи—ее легче менять, чем груз. К тому же коробка неподвижна—см. примечание «а» к шагу 2—5 АРИЗ.)

3—1. Коробка без сквозных отверстий в стенках сама сообщает о моменте разрыва образца (или падения груза).

3—2. Сделать рису­нок установки.

Рис. 37. Решение правильно, совпадает с ИКР, коробка сама сообщает о падении груза.

 

3—3. Не могут вы­полнить требуемого действия стенки короб­ки; (Можно сформули­ровать ответ на 3—3 еще точнее, указав на наружную поверхность стенок.)

3—4. При разрыве образца или падении груза стенки коробки (или их Наружная поверхность) должны каким-то образом сами  изменяться (ощутимо, сильно).

Можно более точно ответить на вопросы шага 3—4:

а) Стенка (дно) коробки должна быть подвижной— чтобы передавать наружу движение груза.

б) Стенка должна быть неподвижной—чтобы дер­жать давление агрессивной среды, находящейся внутри коробки.

в) Стенка должна быть одновременно подвижной и неподвижной.

3—5. Чтобы совместить подвижность и неподвиж­ность, стенка должна перемещаться целиком — вместе со всеми другими стенками. Тогда она будет одновременно неподвижной относительно других стенок и подвижной относительно опоры.

(Падение груза не видно из-за того, что его скрывают стенки. Значит, нужно, чтобы стенки не «гасили» падения: пусть груз, упав на дно, продолжает двигаться вместе с коробкой.) 3—6. Падение (перемещение) груза должно вызы­вать падение (перемещение) всей коробки. Сейчас вес груза уравновешивается реакцией опоры. Значит, паде­ние груза должно нарушать это равновесие.

3—7. Падение груза означает перемещение центра масс. Это перемещение может нарушить равновесие ко­робки и вызвать ее перемещение.

3—8. Мы приходим к конструкции (рис. 37), совпа­дающей с контрольным ответом (авторское свидетель­ство № 260249). Груз висит над расположенной внутри камеры наклонной плоскостью. Наружная поверхность дна камеры выполнена в виде двух плоскостей. При раз­рушении образца груз падает на наклонную плоскость, смещается к стенке камеры, равновесие нарушается и камера меняет положение, замыкая контакт сигнального устройства.

4—1. Такое решение совпадает с ИКР: камера сама дает сигнал о падении груза, конструкция при этом прак­тически не усложняется. Правда, устройство будет рабо­тать лишь в том случае, если перемещение груза создаст достаточный опрокидывающий момент. А как быть, если вес груза очень мал по сравнению с весом всей камеры? Можно уменьшить площадь опорной поверхности: пусть камера находится в состоянии, близком к неустойчивому равновесию. Но это плохой путь: камера будет опрокиды­ваться от случайных толчков, сотрясений и т. п.

4—2. Нам надо, чтобы на образец действовал неболь­шой груз, а после разрыва образца на камеру действовал большой груз. Снова к одному объекту предъявляются противоречивые требования. Можно, конечно, сделать, чтобы падение маленького грузика вызывало обвал боль­шого груза. Но это заставит усложнить исходную схему... Лучше, если один и тот же груз будет легким для образ­ца и тяжелым для камеры. Пока груз подвешен, часть его веса должна как-то исчезать. Для этого надо положить груз на наклонную плоскость, выбрав угол наклона так, чтобы на образец передавалась только требуемая по рас­чету часть веса груза. После разрушения образца груз сместится по плоскости к стенке и вызовет всем своим ве­сом опрокидывание камеры. Наклонную плоскость мо­жно сделать переставляемой.

4—3. Мы получили требуемый эффект — расширили область применения устройства, практически ничем не расплатившись. Устройство сохранило присущую ему простоту, но стало универсальным: теперь его можно при­менить для испытания тонких проволок, нитей и т. п.

4—4. Решение можно считать законченным; требова­ния задачи выполнены полностью.

Рис. 38. К задаче 12, шаг 3—2.

Решение задачи 12

2—3. Дана система из трубы, воздушного потока и помидоров. Воздушный поток при транспортировке стал­кивает помидоры друг с другом.

2—4. а) Труба, воздушный поток. б) Помидоры.

2—6. Труба.

(Выбор сделан на основании примечания «а» к шагу 2—5.)

3—1. Труба при перемещении помидоров воздушным потоком сама тормозит слишком быстрые помидоры и подгоняет слишком медленные помидоры.

Здесь два действия: труба тормозит и подгоняет. А в формулировке ИКР всегда должно быть только одно дей­ствие. Разные действия в принципе могут осуществляться разными путями. Поэтому надо разделить нашу задачу на две задачи или переформулировать ИКР. Мы оставим одно действие: «Труба тормозит». Если бы она умела «подгонять», не нужен был бы воздушный поток: труба вообще двигала бы помидоры. А по условиям задачи надо сохранить пневматическую систему движения (то есть обходный путь в данном случае исключен условиями задачи).

3—1. Труба при перемещении помидоров воздушным потоком сама тормозит слишком быстрые помидоры.

3—2. См. рис. 38.

3—3. Не может тормозить слишком быстрые помидо­ры нижняя стенка трубы, по которой они катятся.

3—4. а) Нам надо, чтобы помидор, подошедший к какому-то месту трубы слишком рано, не мог

пройти дальше.

б) Стенка трубы в этом месте не имеет препят­ствий и пропускает любые помидоры.

в) Одно и то же место в стенке трубы должно . быть то «пропускающим», то «непропускающим».

3—5. На стенке трубы должны в нужный момент воз­никать и исчезать препятствия.

3—6. Помидор движется под действием воздушного потока. Чтобы помидор остановился, нужно в районе ос­тановки уменьшить давление воздуха за помидором (или повысить давление воздуха перед помидором). В нужный момент в стенке должно образоваться отверстие—воз­дух уйдет в это отверстие. Таким образом, нижняя стенка трубы должна иметь периодически открываемые и закры­ваемые отверстия.

3—7. Открывать или закрывать отверстия сложно. Отверстия должны быть всегда открыты. Чтобы поми­доры не проваливались, отверстия нужно сделать ма­ленькими. Через отверстия мы можем нагнетать или от­сасывать воздух. Надежнее отсасывать: это позволит при необходимости остановить помидор у того или иного от­верстия.

3—8. Дно трубы имеет небольшие отверстия (рис. 39). Из отверстий отсасывается воздух: сначала из первого отверстия, затем из второго и т. д. Возникает бегущая волна разрежения; помидоры не будут двигаться быст­рее этой волны.

Это решение совпадает с контрольным ответом (авторское свидетельство № 188364).

4—1. Мы получили возможность управлять движе­нием помидоров, задавая нужный темп движения волны. Проигрыш — усложнение конструкции.

4—2. Чтобы упростить конструкцию, можно отка­заться от подачи воздуха в трубу. Пусть бегущая волна разрежения сама передвигает помидоры от одного отвер­стия к другому. Если мы быстро переключим отсос с пер­вого отверстия на второе, то воздух, втягиваемый во вто­рое отверстие, подтянет помидор к этому отверстию. За­тем переключим отсос на третье отверстие—помидор тоже перейдет к этому отверстию и т. д.

Когда помидор прод­винется на три-четыре от­верстия, снова начнется отсос воздуха из первого отверстия.

Рис. 39. Пневмотранспортер: 1 — корпус, 2 — отверстия, 3 — патрубки, 4 — источник вакуума.

Нижнюю стенку трубы можно сделать широкой и одновременно двигать целые шеренги помидо­ров.

Решение задачи 13

2—2. а) Толщина пла­стин стре­мится к ну­лю. Допу­стим, толщина стала рав­ной диаметру атома. Пла­стины придется собирать из отдельных атомов.

б) Если толщина пластин 1000 км, тоже придется со­бирать пластины из отдельных частей.

в) Время изготовления изделия стремится к нулю. Придется заранее подготовить элементы и собрать изделие, пользуясь какой-то быст­родействующей силой.

г) Если на изготовление изделия дано 100 лет, мож­но использовать медленные естественные процессы, скажем, осаждение частиц из ра­створа.

д) Стоимость изготовления изделия равна 0. Пла­стины должны сами собой возникать и со­единяться... Как? Может быть, за счет ка­ких-то вредных сил? Тогда мы не только сведем к 0 стоимость изготовления, но и по­лучим бесплатно дополнительный эффект. е) Если допустимая стоимость очень высока, можно работать в условиях, когда меняются свой­ства материалов, например, соединять пла­стинки при обычной температуре, но очень высоком давлении.

Оператор РВС не дал готового решения. Так бывает почти всегда. Смысл применения оператора РВС в том, чтобы расшатать барьеры и тем самым облегчить даль­нейшее решение.

Рис. 40. К задаче 13, шаг 3—2.

2—3. Даны два материала—Л (легкоплавкий и Б (тугоплавкий). Известными способами трудно получить из этих материалов тонкую «слоёнку».

2—4. а) Материал Л, материал Б. б) -

2—5. Материал А.

(Он легче плавится, то есть легче изменяется.)

3—1. Материал А сам образует «слоёнку» с материа­лом Б.

3—2. См. рис. 40.

Теперь видно, что процесс образования «слоёнки» со­стоит из двух действий. Надо, чтобы лежащие порознь материалы А и Б образовали один общий объем. А затем они должны определенным образом расположиться в этом объеме. Значит, можно уточить ИКР.

Вот как уточнялся ИКР при решении этой задачи в Азербайджанском общественном институте изобретатель­ского творчества (объектом был взят материал Б).

Слушатель: Материал Б сам влезает в А и упорядо­чение располагается в нем.

Преподаватель: Здесь два действия: «влезаете и «упо­рядочение располагается»—значит, и две задачи.

Слушатель: Первая легко решается. Чтобы матери­ал Б «влез» в материал А, надо бросить Б в расплавлен­ное А.

Преподаватель: Следовательно, мы можем заново сформулировать ИКР.

Слушатель: Б раздробилось, и частички сами распо­ложились по плоскостям.

Преподаватель: Но здесь снова две задачи — «раз­дробить» и «расположить по плоскостям».

Рис. 41. Окончательный вариант шага 3—2 к задаче 13.

Слушатель: Раздробить легко. Можно заранее насы­пать Б в виде порошка. Окончательная формулировка ИКР: порошок Б сам упорядочение расположился в рас­плаве А (рис. 41)... Но если Б—магнитный материал, можно использовать магнитные силы. Они расположат частицы в определенном порядке. Потом расплав засты­вает — и задача решена.

Преподаватель: А если вещество Б из немагнитного материала?

Подсказки с мест: Использовать оптические силы... акустические... электрические...

Слушатель: Значит, есть следующие силы: электриче­ские, магнитные, оптические, механические, акустические, ядерные...

Подсказка с места: Акустические! Создать в сосуде стоячие волны. Частицы Б соберутся в плоскостях, соот­ветствующих узлам. В пучностях будет только веще­ство А.

Это соответствует контрольному ответу: «Способ из­готовления материалов слоистой структуры с заданным расположением слоев, отличающийся тем, что с це­лью получения тонкой периодической пространственной структуры взвесь частиц тугоплавкого вещества в рас­плаве легкоплавкого подвергается воздействию стоячего ультразвукового поля соответствующей частоты с после­дующим устранением поля и быстрым охлаждением рас­плава» (авторское свидетельство № 108894).

Ход решения этой задачи интересен тем, что отчетливо показывает механизм анализа. В задаче с большим по­исковым полем постепенно уменьшается степень неопре­деленности, и поисковое поле становится меньше и мень­ше. В конце концов, все сводится к вопросу: какими силами можно управлять немагнитным порошком, находящимся в жидкой среде? Сложная изобретательская задача превратилась в простую, решающуюся перебором нескольких вариантов.

В контрольном ответе сочетаются уже известные нам приемы (принцип дробления, принцип динамичности) и физический эффект, основанный на применении стоячих волн. Это типичная ситуация: упрощенная задача, полу­ченная в результате анализа часто решается примене­нием того или иного физического эффекта.

* * *

Есть изобретательские задачи, решенные только за счет использования физических эффектов и явлений. Вот, например, патент ГДР № 51194: для изменения диаметра дробинок используется влияние электрического поля на поверхностное натяжение жидкого металла; меняя ин­тенсивность поля, управляют поверхностным натяже­нием, следовательно, и размером капелек, из которых по­лучаются дробинки.

Иногда изобретение непосредственно вытекает из но­вого открытия. Таковы многочисленные изобретения, ос­нованные на электрогидравлическом эффекте.

Иногда в изобретении использовано открытие, сделан­ное в незапамятные времена. Например, авторское сви­детельство № 306036: «Рейсфедер, содержащий ручку с двумя створками и винтовую пару для разведения ство­рок, отличающийся тем, что с целью повышения точности регулирования раствора створок он снабжен редуцирующим элементом, выполненным в виде двуплеч­ного рычага, одно плечо которого связано с винтовой па­рой, а другое контактирует со створкой рейсфедера». Изобретатель, как видим, применил рычаг — открытие, совершенное тысячелетия назад. Впрочем, здесь еще ус­матривается (хотя и где-то в глубине веков) исходное открытие. Бывает и так, что исходное открытие не имеет ни срока, ни автора, ни четкой формулировки. Взять хотя бы авторское свидетельство № 184219: «Способ непре­рывного разрушения горных пород зарядами ВВ, отличающийся тем, что с целью получения мелких фрак­ций, непрерывное разрушение поверхностного слоя про­изводят микрозарядами...» Тут в первооснове сделанное неизвестно кем и неизвестно когда открытие, которое можно сформулировать примерно так: маленький молоток отбивает маленькие частицы, большой — большие...

Иногда говорят, что все изобретения (или все значи­тельные изобретения) «происходят» от открытий. Если понимать термин «открытие» так, как он трактуется в изобретательском праве, можно сразу привести множество изобретений, не связанных с открытиями и в то же время бесспорно значительных и оригинальных. Напри­мер, патент США № 3440990: корабль состоит из отдель­ных взаимозаменяемых блоков - «ходовые» блоки не простаивают в ожидании разгрузки-погрузки «грузовых» блоков. Или авторское свидетельство № 305974: произво­дительность стана, изготовляющего многослойные спиральношовные трубы, лимитировалась производительно­стью сварки; предложено лишь слегка — в нескольких точках—прихватывать шов сваркой, а затем снимать трубу со стана и производить плотную сварку вне стана, не задерживая изготовление следующей трубы. Тут не использованы физические эффекты и явления, хотя изоб­ретательский подход к решению задачи виден вполне от­четливо.

Существует и противоположная тенденция сузить группу изобретений, основанных на физических эффек­тах: к этой группе относят только такие изобретения, ко­торые непосредственно вытекают из недавно открытых (или старых, но необычных, малоизвестных) эффектов.

Оба уклона ошибочны, «физические изобретения» представляют собой значительную, но не единственную группу. Сегодня еще нет возможности точно определить термин «физические изобретения» (правильнее: изобре­тения, непосредственно основанные на физических эф­фектах и явлениях), но это не отменяет необходимости изучать такие изобретения.

Физические эффекты и явления—костяк той самой физики, которую современный изобретатель годами изу­чает в школе и в институте. К сожалению, изобретатель­скому применению физики там не учат. Поэтому физиче­ские явления, законы, эффекты хотя и лежат в памяти инженера, но плохо стыкуются с информацией об изоб­ретательских задачах. Изобретатель держит в руках связку ключей, но не умеет (не обучен) открывать этими ключами хитрые—с секретом!—замки изобретений: иногда наугад перебирает ключи, иногда, правильно выбрав ключ, не так его вставляет—и за все это расплачи­вается потерями времени.

Изобретателям надо присматриваться к давно знако­мым эффектам и явлениям, приучаясь видеть в них ра­бочие инструменты для творческого решения изобрета­тельских задач. Знания в этой области надо постоянно пополнять, потому что число открытых эффектов и яв­лений быстро растет, да и старые малоизвестные эффек­ты все чаще и чаще переходят в разряд действующих.

Хорошо бы иметь таблицу, показывающую—в зави­симости от особенностей задачи — эффекты и явления, которые можно использовать в данном конкретном слу­чае. Работа в этом направлении ведется Общественной лабораторией методики изобретательства при ЦС ВОИР.

Решение задачи 14

2—3. Дана система из трубопровода, насосов, жидко­стей А и Б, движущихся по этой трубе, и разделителя, находящегося между А и Б. Разделитель не проходит через насосы, часто застревает в трубопроводе. 2—4. а) Разделитель.

б) Трубопровод, насосы, жидкости А и Б. (Трубопровод и насосные станции уже по­строены, менять их трудно.)

2—5. Разделитель.

3—1. Разделитель сам легко проходит через насосы.

Разделители, легко проходящие через насосы, изве­стны — это жидкие разделители, но у них свои недостат­ки: жидкие разделители трудно отделить в конечном пунк­те трубопровода. Мы взяли прототипом твердые раздели­тели—и сузили задачу. Но брать в качестве прототипа только жидкие разделители тоже нельзя — мы придем к выводу, что надо применить твердые разделители. На шаге 2—3 надо было указать оба типа разделителей.

2—3. Дана система из трубопровода, насосов, жидко­стей А и Б, движущихся по этой трубе, и разделителей — твердого или жидкого. Твердый разделитель не проходит через насосы, а жидкий плохо отделяется в конечном пункте.

Теперь задача сформулирована точно. Более того, в условиях задачи отчетливо указано противоречие: на трассе лучше иметь жидкий разделитель, а в конечном пункте твердый. Следовательно, объект должен меняться в процессе работы. Это уже знакомый нам принцип динамизации (прием 15). Пусть разделитель в трубопро­воде будет жидким, а на конечном пункте—твердым или газообразным. Последнее даже удобнее: попав в резер­вуар (давление там меньше, чем в трубопроводе), разде­литель сам уйдет из него. Смешивание разделителя с нефтью перестает быть опасным. Пусть разделитель к концу пути смешается с нефтепродуктами даже в значи­тельной мере, все равно потом он прекратится в газ, и его легко будет собрать.

Идея решения есть. Теперь надо сформулировать тре­бования к веществу разделителя. Это вещество должно:

не растворяться в нефтепродуктах;

быть химически инертным по отношению к углеводо­родам;

иметь (в жидком состоянии) плотность, примерно рав­ную плотности перекачиваемых нефтепродуктов;

не замерзать при температуре по крайней мере до —50⁰;

быть безопасным и дешевым.

По справочнику нетрудно обнаружить, что лучше всего для этой цели подходит аммиак: он не растворяется в нефтепродуктах и не взаимодействует с ними, имеет требуемую плотность, легко сжижается, не замерзает до —77°. Жидкий аммиак достаточно дешев, его, напри­мер, применяют в сельском хозяйстве для удобрения почвы.