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 в воде, 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 кислорода, 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 прийти 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. Решен ие за дач и 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 (проволока, 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).

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

3-2. Сделать рисунок установки.

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 радновесие 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 обрааца груа сместится по плоскости к стенке и вызовет всем своим весом опрокидывание камеры. Наклонную плоскость можно сделать переставляемой,

4-3. Мы получили требуемый эффект - расширили эбласть применения устройства, практически ничем не)аснлатившись. Устройство сохранило присущую ему гростоту, но стало универсальным: теперь его можно при* женить для испытания тонких проволок, нитей и т. п.

4-4. Решение можно считать законченным; требова-1ия задачи выполнены полностью.

Рис. 38. К задаче 12, шаг 3-2.

Решение з а дач и 12

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

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

2-5. 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 слшпком 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 «непропускаю-щим».

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.

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

Решение задачи 13 2-2. а) Толщина пластин стре- рис 39. Пневмотранспортер: МИТСЯ к ну- 2 - корпус, 2 - отверстия, 3 - ЛЮ. Допу- патрубки, 4 - источник вакуума.

стим^ толщина стала равной диаметру атома. Пластины придется собирать из отдельных атомов.

б) Если толщина пластин 1000 км, тоже придется со-

бирать 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, мож-

но использовать медленные естественные процессы, скажем, осаждение частиц цз раствора.

д) Стоимость изготовления изделия равна 0. Пла-

стины должны самц 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 - А (легкоплавкий и Б (тугоплавкий). Известными способами трудно получить из этих материалов тонкую «слоёнку».

2-4. а) Материал Л, материал Б. б) -

2-5. Материал Л.

(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 уточнить 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: «влезает» 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 упорядоченно 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, нахо-

дящимся 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 двуплеч-ного 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 спи-ральношовные 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.

Р еш ен ие 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

р 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 превратится 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 -50°;

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.