ВМЕСТО ЛИРИЧЕСКОГО ОТСТУПЛЕНИЯ - ФИЗИЧЕСКОЕ

Вернемся к вопросу, поставленному нами в начало книги: можно ли научиться изобретать? Многие из наших оппонентов помимо тезиса о некоей исключительности изобретателей (впрочем, и некоторые из изобретателей тоже - кому не льстит признание собственной исключительности?!) в качестве обязательного условия способности изобретать назовут еще эрудицию, или наличие определенного багажа знаний.

Что ж, эрудиция - это неплохо, но это ли главное? Спросите любого преподавателя высшего учебного заведения, к чему он стремиться в своей преподавательской деятельности - дать студентам как можно больший багаж знаний или научить их творческому подходу к ним, пусть даже и ущерб объему знании?

Любой преподаватель ответит - вторая задача неизмеримо важнее по той причине, что ни один институт не может дать студенту полный объем знаний в выбранной специальности более того, некоторые знания устаревают и отбрасываются, появляются новые - иначе говоря, хороший специалист учится всю жизнь и эта способность усваивать новые знания самостоятельно, творчески во многом определяется навыками, усвоенными в институте.

Один из авторов этой книги окончил в свое время Ленинградский политехнический институт и хорошо помнит принятую там в то время методику преподавания. На экзаменах разрешалось пользоваться любой справочной литературой - преподаватель проверял способность студента хорошо ориентироваться в потоке информации, в том числе и той, которая не давалась в основном курсе.

Нужно ли говорить, что таким образом закладывался фундамент будущей работы инженера - специалиста высокой квалификации, способного творчески осмысливать новейшие достижения науки и техники и претворять их в свои конструкции? К сожалению, такой стиль присущ только некоторым, ведущим институтам страны. К ним относится и знаменитый "физтех" с не менее знаменитыми "задачами Капицы".

Для тех кто не знает: на каждом курсе Московского физико-технического института студентам дают для решения несколько задач. Студенты в течение всего учебного года решают эти задачи, и по результатам этих решений их переводят на следующий курс. Естественно, что решая задачи в течение всего года, студент может и в учебники заглянуть, и получить консультацию, и посоветоваться с товарищами.

Казалось бы, где тут устоять любой задаче! И шпаргалок полно и подсказок! Но не тут-то было. "Задачи Капицы" не решаются традиционным путем. Часто бывает, что они содержат только словесную формулировку, необходимые исходные данные нужно найти самому; бывает, что и этих данных не хватает, и нужно решать промежуточную задачу, не менее сложную, чем первоначальная. Иные задачи вообще неразрешимы, но вы-то этого не знаете, и нужно взять на себя смелость доказать это. Словом здесь, как нигде, нужен творческий подход.

Вот, например, одна из самых простых задач, уже решенная и поэтому вынесенная на приемные экзамены.

Задача Капицы. Определить траекторию самолета, в котором необходимо создать условия невесомости.

Само собой напрашивается решение - свободное падение. Это - если решать задачу и лоб, или методом проб и ошибок. Рушение, прямо скажем, слабое. Потолок современных самолетов - до 25 километров, много экспериментов при падении с такой высоты не поставишь: земля близко. Кроме того, самолет тормозится встречным потоком воздуха, скорость его становится скорости свободного падения в вакууме и условия невесомости в кабине исчезают.

Можете ли вы подсказать какой-нибудь физический эффект или явление, которые можно использовать в данном конкретном случае? Вряд ли... Вас ведь тоже не учили творческому подходу к физическим задачам. В школе или институте мы твердо знали - эта задача из раздела электричества, эта - из молекулярной физики, эта - из механики. А раз так, ищем подходящую формулу из этого раздела, подставляем в нее исходные данные - и задача решена. Как же быть?

Вывод напрашивается сам собой: необходим творческий подход к физической задаче. Воспользуемся алгоритмом решения изобретательских задач. На шаге 5-6 АРИЗ предусматривает использование так называемого указателя физических эффектов. В нем описаны многие эффекты, приведены примеры их изобретательского применения, прослежены некоторые закономерности их применения. А главное, указано, в каком случае какой эффект применять. Пока указатель содержит около 60 физических эффектов. Общественной лабораторией методики изобретательства ведется работа над новым, более полным указателем, в котором их содержится уже более тысячи (!).

Обратимся к указателю. По условиям задачи нам нужно создать условия невесомости, иначе говоря, компенсировать или уничтожить силу веса. В графе "требуемое действие" под цифрой 5 находим: силовые воздействия, регулирование сил. И напротив читаем: физический эффект "центробежные силы". Это и есть ответ на "задачу Капицы". В развернутом виде он будет звучать так:

Самолет должен лететь по дуге окружности. Образующаяся при этом центробежная сила направлена против силы тяжести и компенсирует ее. Скорость, самолета и радиус траектории его полета подобрать легко: нужно только помнить, что величина центробежной силы прямо пропорциональна квадрату скорости и обратно пропорциональна радиусу траектории. И здесь налицо техническое противоречие: хочешь увеличить дальность полета и, следовательно, длительность экспериментов в невесомости - увеличивай радиус, но при этом неизбежно придется увеличить скорость, чтобы сохранить требуемую величину центробежной силы.

Среди множества технических новшеств, называемых изобретениями, выделяется группа изобретений, в которых изобретательская задача решена путем прямого использования физических эффектов и явлений. В качестве типичного примера можно привести авторское свидетельство N280115: применение жидкого гелия в состоянии сверхтекучести в качестве смазки подшипников жидкого трения. Или патент ГДР N51194: для изменения диаметра дробинок при их отливке используют влияние электрического поля на поверхностное натяжение жидкого металла. Меняя интенсивность поля, управляют поверхностным натяжением и, следовательно, размером капелек, из которых получают дробинки.

Или, например, авторское свидетельство СССР N284303 в котором используется оригинальный эффект изменения во времени магнитных свойств металла, подвергшегося взрывному воздействию: "Способ установления давности выстрела при судебно-баллистической экспертизе путем определения изменяющихся во времени физических свойств ствола после стрельбы, отличающийся тем, что, с целью определения времени выстрела из обнаруженного на месте происшествия оружия, замеряют магнитным прибором степень намагниченности ствола и производят контрольный отстрел из этого же оружия, а затем осуществляют контрольные замеры степени намагниченности ствола каждые 24 часа до момента показания прибора, равного степени намагниченности во время изъятия оружия". (Это очень изящное решение трудной задачи, оно способно доставить истинное удовольствие каждому, интересующемуся изобретательским творчеством.)

Иногда изобретение непосредственно вытекает из нового открытия. Таковы, скажем, изобретения, основанные на электрогидравлическом эффекте. Иногда в изобретении использовано открытие, сделанное в незапамятные времена. Например, авторское свидетельство N306036: "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 исходное открытие еще усматривается, хотя и в глубине веков. Бывает же и так, что исходное открытие не имеет ни срока, ни автора, ни четкой формулировки. Вот авторское свидетельство N184219: "Способ непрерывного разрушения горных пород зарядами ВВ (взрывчатого вещества), отличающийся тем, что с целью получения мелких фракций непрерывное разрушение поверхностного слоя производят микрозарядами...". Здесь в первооснове - сделанное неизвестно кем и неизвестно когда открытие, которое можно сформулировать примерно так: маленький молоток отбивает маленькие частицы, большой - большие...

Физические эффекты и явления - костяк той самой физики, которую современный изобретатель годами изучает в школе и в институте. Но, как мы уже говорили, изобретательскому применению физики там не учат. Поэтому физические законы и 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 расплачивается потерями времени.

Из школьной физики хорошо известно: если взять стеклянную трубку, из которой выкачан воздух, то любое тело в такой трубке будет падать с постоянным ускорением, т. е. каждую секунду падающее тело будет проходить увеличивающееся, но вполне определенное расстояние. Можно ли построить на этом принципе... часы? Ответ кажется очевидным - практически невозможно. В первую же секунду падающее тело (стрелка наших часов) пройдет 4,9 м, за 10 секунд - около 500 метров, за минуту - 18 километров! Слишком большая нужна трубка!

В нашем представлении часы - прибор, который должен работать, долго (сутки, несколько суток). Психологическая инерция глухой стеной отделяет знание закона свободного падения тел от задачи о создании простых и точных часов.

В самом деле, разве не нужны часы с "заводом", скажем, на 0,5 секунды? Тогда трубка получается чуть больше метра. В итоге мы получили предельно простое и падежное устройство, позволяющее точно отсчитывать малые промежутки времени.

И вот авторское свидетельство СССР N189597: падающий грузик замыкает контакты, электрический ток взрывает заряды взрывчатого вещества - при сейсморазведке их надо взрывать как раз через доли секунды. Часы специального назначения... Четверть века назад их мог бы изобрести любой студент-геолог.

Интервал между собственно открытием и изобретением на его основе составляет десятки лет; в последние годы наметилась явная тенденция к сокращению этого интервала. Первые изобретения на основе нового открытия делаются, естественно, исследователями, работающими в данной узкой области физики. Эта группа людей малочисленна и не знает, какие задачи в других областях науки и техники могут потребовать для своего решения применения открытого физического эффекта. А широкий круг изобретателей не имеет информации о сути нового открытия (если, конечно, эта информация не попала в популярную и массовую литературу). К тому же информация о (физических эффектах и их применениях разбросана в огромном числе сугубо специализированных изданий, и следить за ней трудно или просто невозможно.

Существуют также трудности субъективного характера. Не только новые, но и старые, хорошо известные эффекты зачастую используются плохо. Сильная психологическая инерция - изобретатели не привыкли видеть в физических явлениях ключи к решению своих задач, не решаются использовать эффекты, относящиеся к чужой области.

В результате выдвигаются громоздкие, но "традиционные" решения, затягивается переход к новым принципам. Так, задача получения высокого напряжения много лет решалась при помощи стандартного способа с применением двух обмоток трансформатора и лишь в конце 60-х годов к решению этой задачи было применено (в Японии) явление пьезоэлектричества. Причина очевидна: электротехники, хотя и знали про пьезоэффект, но не подозревали о его широких возможностях - этот эффект принадлежит к области знания, традиционно не имеющей отношения к технике высоких напряжений.

Провести четкую грань между физическими явлениями и физическими эффектами невозможно. Обычно под явлением понимается какой-либо процесс, например прохождение тока через проводник. Каждый процесс сопровождается какими-либо внешними проявлениями, например нагреванием проводника, появлением вокруг него магнитного поля и т.д., - иначе, наблюдаются физические эффекты. Очень часто физические эффекты есть следствие нескольких, одновременно протекающих физических явлений; с другой стороны, одно явление может сопровождаться различными эффектами.

Физические явления подчиняются физическим законам. Часть этих законов, выполняющихся точно и безусловно, носит название фундаментальных законов (законы сохранения энергии, импульса, электрического заряда). В большей же части физические законы являются приближенными - они определяют поведение рассматриваемых ими систем только при вполне определенных условиях и вне этих условий представляют большую свободу (законы Ома, Гука, Фарадея и т. д.). Естественно, при попытках применить какое-либо явление никогда не следует забывать о приближенном характере соответствующего закона - вполне допустимо использовать не только правила, но и исключения из них. Так, например, известно, что тела при нагревании расширяются. Однако вода при нагревании от нуля до 4°C уменьшает свой объем и это отклонение играет большую роль в существовании многих живых организмов.

В первый "Указатель", автором которого является физик Ю.Горин и примеры из которого мы здесь используем, включены самые различные эффекты и явления: простые (например, тепловое расширение) известные читателю еще по школьному курсу физики: более сложные (эффект Холла, эффект Керра), но уже нашедшие широкое применение в изобретательстве; "экзотические" (эффект Ганна, эффект Молтера) - их применения пока немногочисленны.

"Указатель" показывает - в зависимости от особенностей и условия задачи - эффекты и явления, которые можно использовать в данном конкретном случае. В каком-то смысле справочник по эффектам представляет собой нечто прямо противоположное изобретательскому темнику: в темнике даны задачи - нужно найти ответы; в справочнике по эффектам даны ответы - надо найти подходящие задачи.

В конце "Указателя" даны таблицы, классифицированные по признаку: требуемое действие (например по шагам 3-5, 3-6, 3-7, 3-8) - физическое явление, эффект, фактор, позволяющие осуществить это требуемое действие, и наоборот, физические эффекты и явления - возможные их применения.

Вот, например, три изобретения - вариации на хорошо известную еще из школьной физики тему "разноименные заряды притягиваются:

Авторское свидетельство N259019: способ электрической коагуляции аэрозоля и шахтах при очистке воздуха сухим пылеосаждением, отличающийся тем, что с целью повышения пылеулавливания пылевой поток разделяют на части, каждую из которых заряжают разноименно и направляют затем навстречу друг другу.

Авторское свидетельство N120753: способ получения бетона, отличающийся тем, что цемент и воду, распыленные механическим способом в виде аэрозолей, подвергают дальнейшему дроблению с одновременной зарядкой униполярным электричеством, затем два распыленных и противоположно заряженных потока цемента и воды подают в реактивную камеру.

Авторское свидетельство N306606: способ изготовления бетонных и железобетонных изделий в металлических формах, отличающийся тем, что с целью получения декоративного наружного слоя изделий в бетонную смесь вводят водо-растворимые добавки красителя в виде мелкодисперсных частиц, обладающих электрокинетическим потенциалом, а после формирования металлическую бортоснастку подключают к полюсу, разноименному по знаку с зарядом частиц добавок.

Приведем несколько примеров изобретении, основанных на прямом применении физических эффектов и явлений.

ПЬЕЗОЭЛЕКТРИЧЕСКИЙ ЭФФЕКТ

ТЕПЛОВОЕ РАСШИРЕНИЕ

Авторское свидетельство N275751: "Регулируемый лабиринтный насос, содержащий статор и ротор, отличающийся тем, что с целью регулирования расхода насоса с помощью изменения температуры статор и ротор выполнены из материала с различными коэффициентами теплового расширения.

Обычно расход насоса изменяется либо числом оборотов двигателя, что требует сложной системы регулирования скорости, либо задвижками и вентилями на напорном трубопроводе, что связано с неэкономичным расходом энергии на преодоление сопротивления в задвижке. В данном случае задача решена изящно и просто: при изменении температуры диаметры статора и ротора изменяются неодинаково, следовательно, изменяется величина зазора между ними - изменяется расход.

Авторское свидетельство N310811: "Способ разрушения горных пород путем приложения распорных усилий в предварительно подготовленных отверстиях, отличающийся тем, что с целью повышения эффективности разрушения распорные усилия создают с помощью нагреваемого электрическим током биметаллического элемента, имеющего коэффициент термического расширения не менее 21*10^-6°С".

Еще из школьной физики мы знаем, что при температурном расширении твердых тел развиваются огромные силы. В современной технологии эти силы используются очень широко (штамповка, прессование).

МЕХАНИЧЕСКИЕ КОЛЕБАНИЯ

Авторское свидетельство N246725: "Способ контактной точечной электросварки, при котором усилие сжатия электродов создают за счет инерции подвижных частей привода, отличающийся тем, что с целью увеличения усилия сжатия электродов без повышения статических усилий осуществляют продольную вибрацию электрода с инфразвуковой и звуковой частотой".

Авторское свидетельство N271051: "Способ измерения массы вещества в резервуаре, например, жидкого, отличающийся тем, что с целью повышения точности и надежности измерения возбуждают механические резонансные колебания системы резервуар - вещество, измеряют их частоту, по величине которой судят о массе вещества".

В изобретении использована основная формула колебаний в режиме резонанса:

Авторское свидетельство N119132: "Вибрационный транспортер, выполненный в виде желоба или трубы с размещенными вдоль них с определенным шагом вибраторами, отличающийся тем, что с целью уменьшения количества вибраторов, приводящих в движение транспортер, часть из них заменена подпружиненными реактивными массами, настроенными резонансно со всей колеблющейся системой транспортера".

Патент США N3467331: "Способ разматывания ленты и устройство для его осуществления. Участок ленты, сматывающийся с подающего рулона, приводится в колебание, под действием которого преодолевается сила сцепления между нитками ленты подающего рулона".

УЛЬТРАЗВУК

Авторское свидетельство N204314: "Способ равномерного распределения жидких сред на стекло, стеклонити или стекловолокна, отличающийся тем, что с целью повышения качества смоченные жидкой средой нити или волокна подвергают ультразвуковому колебанию".

Авторское свидетельство N345210: "Способ вакуумирования жидкого металла методом циркуляции его через вакуумную камеру, отличающийся тем, что с целью повышения степени рафинирования и дегазации струю металла во всасывающей трубе подвергают обработке ультразвуковыми колебаниями".

Авторское свидетельство N120613: Устройство для автоматической чистки деталей, например сеток радиоламп, посредством промывочной жидкости.... отличающееся тем, что с целью повышения качества очистки в промывочной ванне установлены ультразвуковые излучатели с концентраторами ультразвуковой энергии, служащие для создания фонтанов промывочной жидкости, омывающих сетки, перемещаемые над промывочной ванной".

В Англии выпущен подводный переговорный аппарат на модулированной ультразвуковой волне, при помощи которого исследователи морских глубин успешно переговариваются с поверхностью с глубины 2000-3000 м. В ФРГ появился прибор, улавливающий ультразвуковые колебания, производимые утекающим из микрощели газом или жидкостью. В Японии применены "невидимые занавески" из ультразвука, не пропускающие пыли.

На конкурс "Туристские новинки", объявленный в "Неделе", среди прочих новинок поступил ультразвуковой прибор на батарейках, умещающийся на ладони, под многозначительным на званием "Кыш, комарик".

Во Франции выпущен аппарат сходного назначения, который действует по принципу подобное - подобным, клин - клином. Это звук довольно высокой частоты (однако в диапазоне слухового восприятия человека). Частота его в источнике информации ("Bild der Wissenschaft", 1974, N2) не названа; тем не менее научное определение должно быть дано совершенно точное: писк. Этот писк, как оказалось, лишает комарих желания пить нашу, бычью, оленью или иную кровь, необходимую комарихам, чтобы отложить свои 100000 яиц и продолжить таким образом комариный род (напоминаем: комары мужского пола крови не пьют и не кусаются, поэтому мы не совсем справедливы, браня всех комаров подряд). Размером французский прибор для производства писка со спичечный коробок: питается он от батарейки 9 вольт и рассчитан на сто часов работы. Предназначен только для индивидуального пользования - расстояние, на котором он держит комарих (а, возможно, и комаров), достаточное только для того, кто несет коробок в кармане или на шнурке.

МАГНЕТИЗМ

Паралич лицевого нерва, к несчастью, не столь уж редкое явление. Поскольку этот нерв приводит в движение лицевую мускулатуру, у больных нарушается мимика одной стороны лица, опускается угол рта, плохо работают веки. Иногда глаз на больной стороне вообще не закрывается: такое состояние называется логофтальмом - "заячьим оком".

Любопытный способ исправления этого недуга изобретен в Мюнхене доктором В.Мюльбауэром: о нем сообщил журнал "Bild der Wissenschaft" (1974, N2). Дело в том, что лицевой нерв управляет только смыканием век: мышцы же, поднимающие веки при открывании глаз, "включаются" другими нервами. Поэтому как только крохотный мускул, ведающий подниманием века, произвольно или рефлекторно расслабится, веко немного опустится. При этом расстояние между верхним и нижним веками уменьшится. Этого достаточно, чтобы миниатюрные магниты-пластинки длиной 1-2 мм, вживленные под кожу век, притянулись друг к другу и глаз закрылся (конечно, сила магнитов не настолько велика, чтобы мускул, поднимающий веко, не мог открыть глаз).

Магниты подбирают индивидуально; сначала, разумеется, их аккуратно приклеивают. Остается добавить, что глазные магниты изготавливаются из биологически инертных сплавов (например, платина-кобальт или самарий-кобальт), не раздражающих ткани.

ПЬЕЗОЭЛЕКТРИЧЕСКИЙ ЭФФЕКТ

Патент США N3239283. Американские изобретатели Дж.Броз и В.Лаубердорфер разработали конструкцию подшипника, в котором трение уничтожается вибрацией, но для ее создания не требуется специальных механизмов. Втулки подшипника изготовляются из пьезоэлектрического материала. Ток заставляет пьезоэлектрик сжиматься и расширяться, создавая вибрацию, уничтожающую трение.

Установка на реактивных самолетах пьезопреобразователей позволяет экономить почти треть топлива, которое шло на выработку электроэнергии, следовательно, позволяет увеличить дальность полета. Здесь в электроэнергию непосредственно превращаются колебания и вибрация фюзеляжа и крыльев.

Фирма "Филипс" успешно разрабатывает идею пьезоэлектрического привода для механизмов малой мощности. В частности, ею создан светофор, батареи которого заряжаются от шума автомобилей на перекрестке.

Поговаривают о создании звукоизолирующих перегородок многоквартирных домок из пьезоэлектриков. Здесь двойной эффект и поглощение шума, и выработка электроэнергии, скажем, для обогрева квартир.