©Злотин БОРИС ЛЬВОВИЧ, ©Зусман АЛЛА ВЕНИАМИНОВНА.
Изобретатель пришел на урок
иллюстрации: ©А.Д. Гладышев, ©Н.А. Асланова
публикация на сайте http://jlproj.org
Обычное открытие
Разговор в учительской
ИГЗ: На пути к идеальности
ЗАДАЧИ:
ОБЫЧНОЕ ОТКРЫТИЕ
Увидев Изобретателя в
школе после трехнедельного отсутствия, Физик очень обрадовался:
— Снова к нам? Кончились ваши горячие денечки?
— Не совсем, но стало немного полегче. И я соскучился по ребятам,— отвечал Изобретатель.
— И они о вас все время спрашивали. Мы с ними неплохо поработали. Знаете, я сначала беспокоился, что с нашими экспе¬риментами мы от программы отстанем. А мы даже вперед немного ушли — ребята стали активнее, лучше воспринимают материал. А что у вас новенького для нас?
— Сегодня ребята будут открывать новый физический эффект.
— Как, совсем новый? — не понял Физик.
— Ну, не совсем, конечно, но и не старый,— ему всего лет около тридцати. — Это какой же? — заинтересовался Физик.
— Не скажу,— ответил Изобретатель.— Вы сами вместе с ребятами его откроете. А я в сторонке посижу, посмотрю, как это все получается. Ну и помогу, конечно, когда понадобится. Согласны? Не боитесь?
— Ну вот еще! — вспыхнул Физик.— Конечно, согласен!
Задача 54. В 1960 году американский инженер Г. М. Гровер собрал на пресс-конференцию журналистов. После краткого вступления он показал присутствующим фокус: взял клещами обычный с виду стальной стержень длиной примерно в полметра, диаметром около сантиметра, сунул один его конец в пламя электрической горелки, а другой — в стакан с водой. Вода немедленно и бурно вскипела. Потом он взял другой стержень и опустил его конец в стакан с жидким азотом, а другой — снова в воду. Вокруг погруженного в воду стержня тут же стал намерзать лед. Как вы думаете, ребята, что удивило присутствующих на конференции? — спросил Изобретатель.
Ребята молчали. Вроде бы ничего такого... Тогда Изобретатель вынул из сумки стальной стержень, показал его классу — обычный совсем — зажег горелку и ввел в его пламя конец стержня. Другой конец он спокойно держал в руке.
— Получается, что обычный стержень не может вскипятить воду — тепло распространяется медленно, да и воздух охлаждает стержень. А там вода закипела!
— Немедленно?
— Да, практически сразу. — Может быть, тот стержень только выглядел, как стальной, а на самом деле был из серебра или меди, у них ведь теплопроводность выше!
— А вы посчитайте, — невозмутимо предложил Изобретатель.
— Кто пойдет к доске?
— А мы формулы не помним. Можно в учебнике посмотреть?
— Хоть в Большой Советской Энциклопедии! — великодушно разрешил Изобретатель.
— Тогда можно я? — вызвалась девушка.
— Смотрите, Галя решилась, — шепнул Физик Изобретателю. — Она у нас по физике слабо занимается, увлекается биологией и больше ничем не интересуется. — И громко: — Конечно, Галя, иди к доске!
Девушка тихо, но уверенно сказала:
— Нужно посчитать количество тепла, которое может пройти через серебряный стержень.
— Правильно, вот посмотри формулу в справочнике, в учебниках долго искать, — предложил Физик. На доске появилась формула
— А какой взять перепад темератур? — остановилась Галя.
— Сейчас прикинем, — ответил Физик. — В пламени горелки температура градусов восемьсот. Возьмем с запасом — тысячу. Еще нужно подставить время работы. Вы говорили — вода вскипала немедленно,— обратился он к Изобретателю,— скажем, за минуту?
— У Гровера закипала быстрее, но можно для расчета взять и минуту.
Тогда Q= 418,7*(1000/0,5)*7,86*10-5*60 = 395(Вт*с) = 395 Дж.
— Получилось 395 джоулей,— сказала Галя.
— Скажите, ребята,— вмешался Изобретатель,— нужно ли нам подсчитывать так точно — до единиц? Конечно, нет. Ведь перепад температур мы все равно брали приблизительно. Да и время тоже. Поэтому для облегчения дальнейших расчетов можно округлить полученный результат. Пусть будет 400 джоулей. А сколько это тепла? Сколько воды, например, можно вскипя тить таким теплом?
Но ребята не смогли ответить. Если механические единицы они еще как-то представляют, то с тепловыми дело намного хуже. Поэтому снова пришлось считать. Выписали формулу для нагрева воды:
Здесь Ср — удельная теплоемкость, равная для воды 4,19 •103 Дж/(кг • °С); m— масса нагреваемой воды.
— Какую возьмем массу? — спросил Физик.
— Ту, которая контактирует со стержнем, например, один грамм,— предложил кто-то.
— Нет, это не совсем правильно, ведь горячая вода стремится подняться вверх, на ее место приходит холодная, возникает... — Конвекция, перемешивание. Греется вся вода в стакане!
— Значит, масса — 200 граммов. Считаем:
— Так мало! — удивились ребята.
— Да. И это несмотря на то, что мы при округлении заведомо увеличили количество получаемого водой тепла. А если вспомнить, что мы пренебрегли охлаждением стержня воздухом, станет ясно, что даже серебро с его самой высокой проводимостью тепла не может дать вскипание воды. Если сделать обратный расчет, получится, что таинственные стержни Гровера должны быть в тысячу раз теплопроводнее, чем серебро! — сказал Изобретатель.— Что самое интересное — сам стержень, конец которого был в пламени, не очень нагрелся. Один журналист дотронулся до него, смочив предварительно палец слюной — так утюги пробуют — шипения не было. Но держать стержень в руке тоже нельзя было. Так как же все это объяснить?
— Жульничество! Гипноз! Цирковой фокус, как у Кио, с зеркалами!
— Странно? Да! Необъяснимо? Может быть. Но жульничества не было,— возразил Изобретатель.— Попробуйте все-таки разобраться, объяснить.
— Хватит шуметь! — призвал ребят к порядку Физик.— Давайте работать. Я тоже не представляю, о каком эффекте идет речь. Но зато знаю, с чего нужно начать. Ведь перед нами исследовательская задача! Как ее решать?
— Нужно перейти от исследовательской задачи к изобретательской! — Поставить вопрос: как это сделать!
— Ничего себе задача — разве мы сможем изобрести такой тепловой сверхпроводник?
— А почему бы и нет? — сказал Изобретатель.— Основы физики вы знаете, основы ТРИЗ — тоже. Я могу вас заверить, что такой сверхпроводник тепла законов природы не нарушает, а просто остроумно их использует. И знаний физики, полученных вами в шестом-седьмом классах, вполне достаточно для его изобретения!
— Начнем с того, что «нам дано»,— сказал Физик. Изобретатель больше не вмешивался и только следил за ходом решения.
— Есть стержень, по которому проходит много тепла...
— А он сплошной или в нем что-то есть? — спросил кто-то, но Изобретатель в ответ только пожал плечами.
— Сами разберемся,— остановил новые вопросы Физик.— Если стержень сплошной, то передача тепла может происходить только за счет теплопроводности, то есть от человечка к человечку: «нагрелся» один — подогрел соседа. Мы уже выясняли, что даже человечки серебра не в состоянии делать это достаточно хорошо.
— Свои человечки не справляются, значит, должны помочь человечки со стороны!
— Икс-человечки!
— Хорошо. Тогда сформулируем задание для икс-человечков — что они должны делать?
— Бегать побыстрее! Допустим, лежит куча мешков с теплом. Они должны подбегать, хватать по мешку — и бегом в холодный конец! Нужны человечки газа — они самые шустрые!
— Наверное, у Гровера был не стержень, а трубка. И тепло переносили человечки воздуха! Перенос тепла за счет конвекции!
— А это мы сейчас проверим.— Физик достал из лаборатор¬ного шкафа трубку, сплющил ее концы (чтобы человечки воздуха не удирали наружу, пояснил он), сунул один конец в пламя горелки, другой — в стакан и... ничего не произошло. Трубка тоже не хотела кипятить воду.
— А чего вы ожидали? — спросил Физик ребят, разочарованных результатами опыта. — Ничего и не должно было произойти. Ведь у воздуха, газов очень маленькая теплоемкость, даже если заставить их циркулировать, много тепла они не перенесут. Да и как заставить? А теплопроводность у газов вообще очень низкая, недаром наполненный воздухом пенопласт — прекрасная теплоизоляция.
— А когда чайник кипит, разве газовые человечки не уносят массу тепла из кипящей воды?
— Действительно, мы забыли про теплоту парообразования! Помните что это такое?
— Это количество теплоты, которое нужно сообщить жидкости, чтобы превратить в пар.
— Тогда получается так: в трубке человечки жидкости, в пламени горелки они превращаются в человечков пара, которые несутся в холодный конец и там отдают свое тепло воде. А хватит этого тепла?
— Попробуем подсчитать, сколько тепла может «захватить» один грамм воды, превратившейся в пар. На доске снова появилась уже фигурировавшая сегодня формула для нагрева воды, только записанная по-другому:
— Допустим, что вначале температура воды равна 20°С, а нагревается до 100°С. Перепад dТ = 80°С. Получим, что на нагрев одного грамма уходит 335 джоулей.
— Это еще не все, — заметил Физик. — Нужно учесть и тепло, которое уйдет на испарение. Формула там какая? Формулу нашли. Записали:
Q2=rm
Здесь r — удельная теплота испарения воды при нормальном давлении, равная 2260 • 103Дж/кг. Получаем Q2=2260Дж.
Итого Q1 + Q2, = 2260 + 335 = 2595 - приблизительно 2600 Дж.
— Смотрите, один грамм воды, испарившись, несет в себе в Шесть раз больше тепла, чем серебряный стержень! — воскликнул Физик.
— А 2600 Джоулей разве хватит на то, чтобы вскипятить стакан воды?
— Конечно, нет, но ведь у нас, во-первых, не один грамм воды...
— А что будет, когда эта вода испарится? Трубка перестанет работать? — Скорее всего, да,— ответил Физик и обратился к Изобретателю:
— Та трубка у Гровера долго работала?
— До 20 тысяч часов!
— Тогда то, что мы придумали, не годится,—разочарованно вздохнули ребята.
— Почему? — удивился Физик.— Просто это новая задача. Что нам еще нужно от человечков?
— Они должны возвращаться обратно! — Только без груза! Тепло должно остаться в стакане! Вот так. На доске появился рисунок. — А как их заставить возвращаться назад? Человечки пара отдали тепло и превратились снова в. человечков воды — капельки.
— Нужно, чтобы эти капельки стекали назад! Если трубку поставить так, чтобы стакан был наверху, а горелка внизу, то так и будет! Правда? — обратился юноша к Изобретателю.
— В принципе это возможно. Такие устройства известны — их называют тепловыми сифонами. Но трубки Гровера работали в любом положении, в том числе и в горизонтальном. — Снова задача! Как подавать воду снизу вверх? Поставить насос? Но для того, чтобы насос работал, нужна энергия. К трубке энергия подводилась?
— Нет.
— Не нужен насос. Дерево прекрасно качает наверх влагу из почвы,— вдруг сказала Галя.— По капиллярам. И в трубку можно капилляр вставить. — А он может быстро качать воду? Ведь вода быстро испаряется. Как это посчитать? — Пожалуй, такой расчет будет довольно сложным,— покачал головой Физик.— Нужно очень много факторов учесть — поверхностное натяжение, вязкость, смачиваемость, — количество и размеры пор, давление и еще...
— Да, вы правы,— согласился Изобретатель.— Методики кое-какие есть, но они полуэмпирические.
— То есть основаны на использовании данных, полученных экспериментальным путем,— пояснил Физик для ребят.
— Да. Словом, поверьте, что скорость подачи оказывается вполне достаточной, чтобы трубка Гровера (она, кстати, получила название «тепловая труба») работала. Проблема обычно в другом — как увеличить скорость пара.
— А все-таки удивительно, почему до шестидесятого года не придумали такое простое устройство? Ведь там же почти ничего нет: трубка, внутри пористый вкладыш — и все,— произнес Физик.
—Еще дыра для прохода пара, — улыбнулся Изобретатель. — Вообще-то, если строго подойти, то первый патент на тепловую трубу был получен еще в 1942 году другим американцем — Гоглером. Но он, как и некоторые из вас, опасался, что фитиль будет подавать воду недостаточно быстро, и всю трубку забил капиллярным веществом, оставив для пара совсем маленькое отверстие. Из-за этого его трубка не работала — в ней повышалось давление, вся жидкость испарялась. А Гровер сделал ее почти пустой, у него фитиль тонким слоем покрывает стенки либо находится в середине. И еще до одной хитрости додумался Гровер. Вот человечки несутся по трубке. Понятно, что с их пути нужно убрать все, что им мешает: разных «ленивцев», «гуляк» и тому подобных. Что это значит?
— А что там внутри? Воздух?
— Да.
— Убрать воздух! Откачать.
— Конечно. А воды в трубке совсем немного — только, чтобы фитиль пропитать, ну, может быть, чуть-чуть больше.
— Ну хорошо, допустим, 1942 год, — не сдавался Физик.— А я думаю, что такое устройство и в средние века можно было придумать! Допустим, в средние века не знали про испарение, конденсацию. Но Уатт, создатель первой паровой машины — знал! И Карно знал, а это — начало прошлого века!
— Да, изобретение очень запоздало. Помните, на Дне Знаний я рассказывал, что новые идеи ищут методом проб и ошибок. Повезет — не повезет. Какие-то идеи появляются задолго до того, как их можно реально осуществить, так было с идеей вертолета, парашюта — их еще Леонардо да Винчи предложил. Другие опаздывают. Что касается простоты — не стоит путать простоту конструкции с простотой идеи. Часто сначала конструкции создаются сложными, а потом упрощаются. А насчет тепловой трубы... Я ведь говорил вам, что сегодня открыты десятки тысяч физических эффектов, закономерностей. Сколько же возможно их комбинаций, скажем, по два? Верно, сотни миллионов. В тепловой трубе работают даже не два, а три эффекта: испарение, конденсация, капиллярность. Такую комбинацию найти методом проб и ошибок очень нелегко. Но этого мало. Решение, найденное методом проб и ошибок, нередко не получает признания из-за того, что его нашли случайные люди, не способные оценить всю его важность, не умеющие «довести» до дела...
— Как, например, Гоглер,— подсказал Физик.
— И Гоглер тоже. Есть сведения, что еще в начале нашего века какой-то булочник придумал нечто похожее на тепловую трубу: он втыкал такую трубочку в тесто, и она «пекла» его изнутри. Булочки получались очень вкусными, а До всего остального булочнику не было никакого дела! И его изобретение осталось практически неизвестным. Или садовник Монье изобрел железобетон в шестидесятых годах прошлого века. Он ему понадобился, чтобы делать садовые кадки для пальм, которые он выращивал на продажу. Только лет через двадцать железобетон снова переизобрели как строительный материал, и он стал широко применяться.
— Получается, МПиО во всем виноват! С ним нужно было бороться!
— Другого метода не было. Просто нужно было создать новые методы, не такие расточительные, как старый. Вот вы ведь придумали тепловую трубу с помощью ТРИЗ почти без перебора вариантов.
— А по-моему, ТРИЗ тоже страшно запоздал. Разве его нельзя было создать в прошлом веке?
— Ну это как сказать,— медленно произнес Изобретатель.— Ведь ТРИЗ — это не просто методика решения задач, это наука о развитии, эволюции технических систем. Может быть, необходимо было, чтобы до ее появления теория эволюции была разработана в других, более изученных в те времена областях. В 1859 году появилась теория эволюции в живой природе — дарвинизм. В 1867 году вышел в свет первый том «Капитала» К. Маркса — толчок к созданию теории социальной эволюции. В принципе, после этого могла бы начаться разработка и теории технической эволюции. Правда, развитие техники тогда было еще очень медленным, вряд ли была потребность в такой теории. Но, скорее всего, вы правы, ТРИЗ, конечно, запоздала. Да и сегодня темпы ее распространения далеко не так велики, как требует время.
— Почему это так? — Потому что многие не готовы к тому, чтобы ее использовать. ТРИЗ ускоряет развитие, она сегодня — один из инструментов перестройки, а перестройка далеко не всем нужна. Но вернемся к тепловым трубам.
— Да, а как же работала другая трубка, та, что с азотом? Ведь вода в ней должна была замерзнуть.
— Кто может ответить на этот вопрос?
Желающих ответить было немало. Конечно, нужно заполнить такую трубку не водой, а каким-то сжиженным газом. Может быть, тем же азотом, можно и другим.
— Сегодня известны различные низкотемпературные трубки, в них работают разные газы, вплоть до гелия. А если нужно, чтобы трубка работала при 2—3 тысячах градусов?
— Вода при такой температуре не может работать, газы — тоже.
— Значит, остается твердое тело!
— Нет, твердое тело не будет перекачиваться капиллярами. Нужна жидкость. И чтобы испарялась. — Можно взять металл и расплавить!
— Да. Есть трубы, заполненные жидким натрием, оловом, калием. Сегодня и труб тепловых разных много, и сфера их применения очень широка. Вот где бы вы предложили их приме нять?— спросил Изобретатель.
Поднялся лес рук.
— Для охлаждения двигателей в автомобилях, ракетах, самолетах.
— В ракетах и самолетах охлаждать также обшивку при взлете и посадке.
— Охлаждать микросхемы от перегрева. Только таких маленьких трубок, наверное, нет.
— А как вы думаете, какая самая маленькая тепловая труба? Вопрос ребят озадачил. Как ни старайся, но должна быть трубка из стали.
— Должна быть? А идеальная трубка — это что?
— Трубки нет, а что-то охлаждается. Сделать отверстие в самой детали? Но фитиль все равно нужен.
— Нельзя ли фитиль сделать из материала той детали, что и трубка? Если он хорошо смачивается жидкостью?
— Можно, но тогда придется сверлить в нем поры — много возни.
— Фитили бывают разные,— сказал Изобретатель.— И никто не сверлит поры. Вкладывают внутрь свернутую сеточку или спекают фитиль из порошка — вот и получаются поры. Он может быть даже из керамики, как кирпич. Но самый простой и во многих случаях достаточно эффективный фитиль — множество мельчайших царапин, нанесенных на стенки трубки или отверстия в охлаждаемой детали. По ним тоже хорошо жидкость движется.
— Так просто? — удивлялись ребята.— Значит, можно просверлить отверстие, нацарапать стенки, запустить туда капельку жидкости — и тепловая труба готова?
— Да. Для охлаждения микросхем делают микротепловые трубы — в кристалле вытравливается микроскопическое отверстие, по сути дела всего одна пора. При таких размерах фитиль не нужен — сами стенки будут «работать» фитилем. Туда запускают каплю жидкости, потом пору закрывают, и устройство охлаждения готово.
— А в медицине можно применить тепловую трубу?
— В медицине сегодня есть криоскальпели — скальпели с охлаждаемым лезвием. Охлаждение до низких температур идет с помощью встроенной в лезвие тепловой трубы. Конечно, как и в микросхемах, это не стальная труба, а отверстие. Такой скальпель режет ткань практически без крови — от холода сосуды сжимаются, ткани стягиваются и не кровоточат.
— А так можно охлаждать не только скальпели, но и разные другие инструменты: резцы, сверла, фрезы, которые обычно при работе сильно нагреваются.
— Да. А еще? — А я предлагаю использовать тепловые трубы на кухне — шашлыки жарить!
— Зря смеетесь, в США такие трубы выпускают,— сказал Изобретатель ребятам,— и это первое предложение по использованию тепловых труб не для охлаждения, а для нагрева. Почему вы не предлагали нагревать?
— Потому что нагревать можно и другими разными способами. А охлаждать труднее!
— Наверное. Но все-таки, что еще умеет тепловая труба? Вот, вода кипит при 100°С. А если мне нужна трубка, работающая при 105°С, как быть?
— Взять другую жидкость? Может быть, глицерин? Ребята называют известные им жидкости: эфир, бензин, керосин, масло. Предлагают порыться в справочнике. Вот это психологическая инерция!
— Ребята, вспомните, всегда ли у воды температура кипения 100°С,— не выдерживает Физик.
— Конечно, не всегда, все зависит от давления, меняя давление, можно получать разную температуру.
— А какая будет температура поверхности самой трубки?
— Если фитиль расположен у стенок, то как у холодного конца.
— Да, температура поверхности трубки в этом случае будет равна температуре конденсации жидкости. А если вдоль стенок идет пар?
— Тогда как у пара.
— Хорошо. Пусть у нас трубка с водой, давление в одну атмосферу. Мы начали греть один конец от комнатной температуры. Трубка работает?
— А вода закипела?
— Нет еще.
— Тогда не работает.
— А если «холодный» конец имеет температуру выше температуры «горячего» конца?
— Тоже не работает.
— Смотрите, наша трубка работает только при определенных температурных условиях. Получился регулятор температуры или, если нужно, стабилизатор температуры, поддерживающий ее вблизи какой-то заданной величины.
— Непонятно. Ведь трубка начинает отводить тепло, когда жидкость в трубке начинает кипеть. А если температура ниже — она не работает.
— Нужно объединить трубку с нагревателем! Вот и получится, что нагреватель греет, трубка охлаждает, а температура постоянная. Встроить спираль, по которой течет электрический ток.
— Хорошо. А теперь давайте усовершенствуем нашу тепловую трубку. Чтобы вы предложили? — задает новый вопрос Изобретатель. Ребята молчат. Трудно что-то улучшить, если нет конкретной задачи, неизвестно, в чем недостатки, что именно улучшать. Разве так можно?
— Можно! Только для этого нужно знать законы развития технических систем, которые подсказывают нам, в каком направлении они будут совершенствоваться. Например, одно из таких направлений — это переход к использованию более эффективных полей. Тепловое поле считается более эффективным, чем механическое, а электрическое, магнитное — чем тепловое.
— Как в МАТХЭМ?
— Да, аббревиатура составлена с учетом этой закономерности. Она отражает тенденцию перехода от механических систем, действующих на макроуровне, к полям, действующим на микроуровне. Другая закономерность говорит, что всегда эффективнее работает несколько полей вместе. И еще: есть стремление к переходу от полей постоянных, неизменных к переменным, импульсным, ударным. Давайте начнем с того, что попробуем к нашей тепловой трубе другие поля.
— М — механическое, например перемещение. От перемещения тепловая труба никак не изменится, это не годится. Давление...
— Постойте, куда вы торопитесь? Работать нужно спокойно, не торопясь. Почему вы думаете, что перемещать можно только трубу в целом? А если перемещать ее части? Сегодня есть целое направление в развитии тепловых труб с перемещающейся частью — сильфоном.— Изобретатель быстро рисовал на доске трубку с «гармошкой».
— Сжимая эту гармошку, можем изменять давление внутри трубки, а значит, и ее рабочую температуру. Можно трубку изогнуть. Можно сделать фитиль из двух частей с небольшим зазором. Тогда сжали гармошку — зазор исчез и трубка работает, растянули — перестала. Можно сделать, чтобы трубка с сильфоном сама себя регулировала: у сильфона есть некоторая упругость. Если ее не хватает — вводят еще пружину. Жидкость испаряется, давление внутри трубки растет, оно и растягивает сильфон, иногда это полезно для стабилизации температуры. Ну, а теперь можно и о давлении поговорить. Как его можно менять?
— С помощью сильфона...
— А еще как?
— Проделать дырочку и регулировать давление подачей газа.
— Хорошо, такое решение используется. Дальше! Как обстоит дело с центробежным полем?
— Оно может отжимать жидкость к стенкам. Тогда если стенки горячие, можно обойтись без фитиля?
— Совершенно верно. Есть так называемые центробежные тепловые трубы, например, для охлаждения электрических машин.
— Изобретатель нарисовал ее на доске.
— Жидкость, прижатая центробежными силами к внутренней поверхности ротора, кипит, пар собирается в центре и около охладителя, там конденсируется, а капли падают вниз, в слой жидкости. Перейдем к следующему полю.
— А — акустика. Будем действовать звуком на воду или на пар. А что это даст?
— Постойте, есть такой эффект,— напряженно вспоминал Физик,— что-то насчет влияния ультразвука на капиллярные силы. Не могу сказать точно.
— Да, речь идет об ультразвуковом капиллярном эффекте, открытым у нас в стране в начале шестидесятых годов академиком Е. Г. Коноваловым. Он обнаружил, что под влиянием ультразвука на определенных частотах, зависящих от размеров капилляров и свойств жидкости, высота и скорость подъема жидкости возрастает в десятки раз, — пояснил Изобретатель.
— Здорово! Присоединил к. трубке генератор ультразвука — и эффективность выросла!
— А какой генератор идеален?
— Которого нет. Ультразвук сам возникает.
— Там же пар! Он быстро движется.
— Ну и что? Не с ультразвуковой же скоростью!
— А он может свистеть! Как в чайнике со свистком! Так?
— Так. Можно сделать тепловую трубку с ультразвуковым свистком. Пошли дальше?
— Т — тепловое поле? Оно у нас уже есть. Пропустить?
— Нет, погодите. Можно использовать его дополнительно. Есть трубки с подогревом.
— X — химия. Ну, здесь много можно сделать: вводить всякие добавки, улучшающие смачиваемость, течение жидкости.
— Да, все это применяется. Но есть и более остроумные решения. Например, рабочая жидкость может быть сложным химическим веществом, состоящим из нескольких компонентов. И высокой температуре это вещество не только испаряется, но и разлагается с поглощением дополнительного тепла. А в холодной зоне оно не просто конденсируется, а вступает в реакцию с выделением этого запасенного избыточного тепла. Суммарный теплоперенос от этого возрастает.
— Э — электрическое поле. Ну, оно может только нагревать.
— Почему только нагревать? — удивился Физик.— Ведь электрическое поле может управлять движением зарядов, значит, если подобрать подходящую рабочую жидкость, можно...
— В Японии создали тепловую трубу с диэлектрической рабочей жидкостью без капилляров, перемещение — за счет электростатического поля. Освободилось пространство внутри трубы, тепловой поток вырос еще в 100 раз! — поддержал Физика Изобретатель.
— Электропроводную жидкость, по которой течет ток, можно заставить двигаться в магнитном поле!
— Можно. Мы уже подобрались к магнитному полю.
— А нет ли решений, в которых в качестве рабочей жидкости используется ферромагнитная жидкость? — спросил Физик.
— Вот это, пожалуй, сомнительно,— размышлял вслух Изобретатель.— После испарения частицы могут выпасть в осадок, впрочем со временем, возможно, преодолеют и эту трудность.
— А можно сделать фитиль из железных проволочек и управлять ими с помощью магнитного поля! Включил поле — проволочки прижались, капилляры стали меньше, выключил — расширились.
— Может быть. Здесь тоже будет трудность: после снятия поля остается намагниченность, нужно, чтобы были еще какие-то силы, которые будут расталкивать проволочки. Но для очистки капиилляров от отложений это используют.
— Получается, что все, что мы сегодня придумали — все эьо уже есть! Вы обещали, что сделаем открытие, а мы не нашли ничего нового. Неужели ТРИЗ не помогла?
— Какие вы нетерпеливые! За два урока вы придумали столько решений, сколько тысячи людей из разных стран наработали за 25 лет! И вам мало! Понимаете, ТРИЗ позволяет совершить большой скачок. Но величина скачка зависит не только от силы прыжка, но и от места, с которого вы стартуете. Вы же начали практически с нуля по тепловым трубам и прыгнули на передний край науки и техники. А для того, чтобы сделать прыжок дальше, нужно изучить все, что сегодня есть в этой области и работать. А теперь задачка под «занавес».
Задача 55. Потовая железа человека или животного имеет клубочек, расположенный в глубине кожи, и канал — пору. До сих пор ее работу объясняют так: клубочек выделяет воду, она поднимается по каналу на поверхность кожи и там испаряется, охлаждая тем самым организм. Но этот механизм не все объясняет. При пересадке кожи обнаружилось, что потовые железы передают довольно много тепла на поверхность кожи, даже если выход их на поверхность закупорен. Кроме того, не понятно, как тело теряет тепло в спокойном состоянии, например сидячем, когда влага на поверхность кожи вообще не выступает. Как быть?
— Какая это задача, исследовательская или изобретательская?
— Исследовательская.
— А как сформулировать обращенную задачу?
— Есть потовая железа: клубочек, канал, жидкость. Жидкость подается через канал на поверхность и испаряется. Как сделать, чтобы передача тепла шла без выделения влаги на поверхность и даже при закупорке канала у поверхности?
— То есть речь идет о повышении эффективности работы железы,— уточнил Изобретатель.
— Здесь и решать нечего! Нужно, чтобы железа работала как тепловая труба. Вода должна выделяться клубочком все время, тут же испаряться, пар уносит тепло к поверхности кожи, откуда оно уходит во внешнюю среду. А пар конденсируется. Но тогда нужно проверить — есть ли обратный поток воды к клубочку?
— Такой эксперимент был поставлен, и обратный поток был обнаружен, он происходит за счет капиллярного подсоса по слизистой оболочке, некоторых других эффектов.
— Значит, потовая железа работает как тепловая труба!
— Совершенно верно. А традиционно известный механизм охлаждения тоже работает, но в экстремальных ситуациях, когда нужно резко увеличить теплоотдачу. Вот мы с вами и в биологию забрались,— засмеялся Изобретатель.
— Снова к нам? Кончились ваши горячие денечки?
— Не совсем, но стало немного полегче. И я соскучился по ребятам,— отвечал Изобретатель.
— И они о вас все время спрашивали. Мы с ними неплохо поработали. Знаете, я сначала беспокоился, что с нашими экспе¬риментами мы от программы отстанем. А мы даже вперед немного ушли — ребята стали активнее, лучше воспринимают материал. А что у вас новенького для нас?
— Сегодня ребята будут открывать новый физический эффект.
— Как, совсем новый? — не понял Физик.
— Ну, не совсем, конечно, но и не старый,— ему всего лет около тридцати. — Это какой же? — заинтересовался Физик.
— Не скажу,— ответил Изобретатель.— Вы сами вместе с ребятами его откроете. А я в сторонке посижу, посмотрю, как это все получается. Ну и помогу, конечно, когда понадобится. Согласны? Не боитесь?
— Ну вот еще! — вспыхнул Физик.— Конечно, согласен!
Задача 54. В 1960 году американский инженер Г. М. Гровер собрал на пресс-конференцию журналистов. После краткого вступления он показал присутствующим фокус: взял клещами обычный с виду стальной стержень длиной примерно в полметра, диаметром около сантиметра, сунул один его конец в пламя электрической горелки, а другой — в стакан с водой. Вода немедленно и бурно вскипела. Потом он взял другой стержень и опустил его конец в стакан с жидким азотом, а другой — снова в воду. Вокруг погруженного в воду стержня тут же стал намерзать лед. Как вы думаете, ребята, что удивило присутствующих на конференции? — спросил Изобретатель.
Ребята молчали. Вроде бы ничего такого... Тогда Изобретатель вынул из сумки стальной стержень, показал его классу — обычный совсем — зажег горелку и ввел в его пламя конец стержня. Другой конец он спокойно держал в руке.
— Получается, что обычный стержень не может вскипятить воду — тепло распространяется медленно, да и воздух охлаждает стержень. А там вода закипела!
— Немедленно?
— Да, практически сразу. — Может быть, тот стержень только выглядел, как стальной, а на самом деле был из серебра или меди, у них ведь теплопроводность выше!
— А вы посчитайте, — невозмутимо предложил Изобретатель.
— Кто пойдет к доске?
— А мы формулы не помним. Можно в учебнике посмотреть?
— Хоть в Большой Советской Энциклопедии! — великодушно разрешил Изобретатель.
— Тогда можно я? — вызвалась девушка.
— Смотрите, Галя решилась, — шепнул Физик Изобретателю. — Она у нас по физике слабо занимается, увлекается биологией и больше ничем не интересуется. — И громко: — Конечно, Галя, иди к доске!
Девушка тихо, но уверенно сказала:
— Нужно посчитать количество тепла, которое может пройти через серебряный стержень.
— Правильно, вот посмотри формулу в справочнике, в учебниках долго искать, — предложил Физик. На доске появилась формула
— А какой взять перепад темератур? — остановилась Галя.
— Сейчас прикинем, — ответил Физик. — В пламени горелки температура градусов восемьсот. Возьмем с запасом — тысячу. Еще нужно подставить время работы. Вы говорили — вода вскипала немедленно,— обратился он к Изобретателю,— скажем, за минуту?
— У Гровера закипала быстрее, но можно для расчета взять и минуту.
Тогда Q= 418,7*(1000/0,5)*7,86*10-5*60 = 395(Вт*с) = 395 Дж.
— Получилось 395 джоулей,— сказала Галя.
— Скажите, ребята,— вмешался Изобретатель,— нужно ли нам подсчитывать так точно — до единиц? Конечно, нет. Ведь перепад температур мы все равно брали приблизительно. Да и время тоже. Поэтому для облегчения дальнейших расчетов можно округлить полученный результат. Пусть будет 400 джоулей. А сколько это тепла? Сколько воды, например, можно вскипя тить таким теплом?
Но ребята не смогли ответить. Если механические единицы они еще как-то представляют, то с тепловыми дело намного хуже. Поэтому снова пришлось считать. Выписали формулу для нагрева воды:
Здесь Ср — удельная теплоемкость, равная для воды 4,19 •103 Дж/(кг • °С); m— масса нагреваемой воды.
— Какую возьмем массу? — спросил Физик.
— Ту, которая контактирует со стержнем, например, один грамм,— предложил кто-то.
— Нет, это не совсем правильно, ведь горячая вода стремится подняться вверх, на ее место приходит холодная, возникает... — Конвекция, перемешивание. Греется вся вода в стакане!
— Значит, масса — 200 граммов. Считаем:
— Так мало! — удивились ребята.
— Да. И это несмотря на то, что мы при округлении заведомо увеличили количество получаемого водой тепла. А если вспомнить, что мы пренебрегли охлаждением стержня воздухом, станет ясно, что даже серебро с его самой высокой проводимостью тепла не может дать вскипание воды. Если сделать обратный расчет, получится, что таинственные стержни Гровера должны быть в тысячу раз теплопроводнее, чем серебро! — сказал Изобретатель.— Что самое интересное — сам стержень, конец которого был в пламени, не очень нагрелся. Один журналист дотронулся до него, смочив предварительно палец слюной — так утюги пробуют — шипения не было. Но держать стержень в руке тоже нельзя было. Так как же все это объяснить?
— Жульничество! Гипноз! Цирковой фокус, как у Кио, с зеркалами!
— Странно? Да! Необъяснимо? Может быть. Но жульничества не было,— возразил Изобретатель.— Попробуйте все-таки разобраться, объяснить.
— Хватит шуметь! — призвал ребят к порядку Физик.— Давайте работать. Я тоже не представляю, о каком эффекте идет речь. Но зато знаю, с чего нужно начать. Ведь перед нами исследовательская задача! Как ее решать?
— Нужно перейти от исследовательской задачи к изобретательской! — Поставить вопрос: как это сделать!
— Ничего себе задача — разве мы сможем изобрести такой тепловой сверхпроводник?
— А почему бы и нет? — сказал Изобретатель.— Основы физики вы знаете, основы ТРИЗ — тоже. Я могу вас заверить, что такой сверхпроводник тепла законов природы не нарушает, а просто остроумно их использует. И знаний физики, полученных вами в шестом-седьмом классах, вполне достаточно для его изобретения!
— Начнем с того, что «нам дано»,— сказал Физик. Изобретатель больше не вмешивался и только следил за ходом решения.
— Есть стержень, по которому проходит много тепла...
— А он сплошной или в нем что-то есть? — спросил кто-то, но Изобретатель в ответ только пожал плечами.
— Сами разберемся,— остановил новые вопросы Физик.— Если стержень сплошной, то передача тепла может происходить только за счет теплопроводности, то есть от человечка к человечку: «нагрелся» один — подогрел соседа. Мы уже выясняли, что даже человечки серебра не в состоянии делать это достаточно хорошо.
— Свои человечки не справляются, значит, должны помочь человечки со стороны!
— Икс-человечки!
— Хорошо. Тогда сформулируем задание для икс-человечков — что они должны делать?
— Бегать побыстрее! Допустим, лежит куча мешков с теплом. Они должны подбегать, хватать по мешку — и бегом в холодный конец! Нужны человечки газа — они самые шустрые!
— Наверное, у Гровера был не стержень, а трубка. И тепло переносили человечки воздуха! Перенос тепла за счет конвекции!
— А это мы сейчас проверим.— Физик достал из лаборатор¬ного шкафа трубку, сплющил ее концы (чтобы человечки воздуха не удирали наружу, пояснил он), сунул один конец в пламя горелки, другой — в стакан и... ничего не произошло. Трубка тоже не хотела кипятить воду.
— А чего вы ожидали? — спросил Физик ребят, разочарованных результатами опыта. — Ничего и не должно было произойти. Ведь у воздуха, газов очень маленькая теплоемкость, даже если заставить их циркулировать, много тепла они не перенесут. Да и как заставить? А теплопроводность у газов вообще очень низкая, недаром наполненный воздухом пенопласт — прекрасная теплоизоляция.
— А когда чайник кипит, разве газовые человечки не уносят массу тепла из кипящей воды?
— Действительно, мы забыли про теплоту парообразования! Помните что это такое?
— Это количество теплоты, которое нужно сообщить жидкости, чтобы превратить в пар.
— Тогда получается так: в трубке человечки жидкости, в пламени горелки они превращаются в человечков пара, которые несутся в холодный конец и там отдают свое тепло воде. А хватит этого тепла?
— Попробуем подсчитать, сколько тепла может «захватить» один грамм воды, превратившейся в пар. На доске снова появилась уже фигурировавшая сегодня формула для нагрева воды, только записанная по-другому:
— Допустим, что вначале температура воды равна 20°С, а нагревается до 100°С. Перепад dТ = 80°С. Получим, что на нагрев одного грамма уходит 335 джоулей.
— Это еще не все, — заметил Физик. — Нужно учесть и тепло, которое уйдет на испарение. Формула там какая? Формулу нашли. Записали:
Q2=rm
Здесь r — удельная теплота испарения воды при нормальном давлении, равная 2260 • 103Дж/кг. Получаем Q2=2260Дж.
Итого Q1 + Q2, = 2260 + 335 = 2595 - приблизительно 2600 Дж.
— Смотрите, один грамм воды, испарившись, несет в себе в Шесть раз больше тепла, чем серебряный стержень! — воскликнул Физик.
— А 2600 Джоулей разве хватит на то, чтобы вскипятить стакан воды?
— Конечно, нет, но ведь у нас, во-первых, не один грамм воды...
— А что будет, когда эта вода испарится? Трубка перестанет работать? — Скорее всего, да,— ответил Физик и обратился к Изобретателю:
— Та трубка у Гровера долго работала?
— До 20 тысяч часов!
— Тогда то, что мы придумали, не годится,—разочарованно вздохнули ребята.
— Почему? — удивился Физик.— Просто это новая задача. Что нам еще нужно от человечков?
— Они должны возвращаться обратно! — Только без груза! Тепло должно остаться в стакане! Вот так. На доске появился рисунок. — А как их заставить возвращаться назад? Человечки пара отдали тепло и превратились снова в. человечков воды — капельки.
— Нужно, чтобы эти капельки стекали назад! Если трубку поставить так, чтобы стакан был наверху, а горелка внизу, то так и будет! Правда? — обратился юноша к Изобретателю.
— В принципе это возможно. Такие устройства известны — их называют тепловыми сифонами. Но трубки Гровера работали в любом положении, в том числе и в горизонтальном. — Снова задача! Как подавать воду снизу вверх? Поставить насос? Но для того, чтобы насос работал, нужна энергия. К трубке энергия подводилась?
— Нет.
— Не нужен насос. Дерево прекрасно качает наверх влагу из почвы,— вдруг сказала Галя.— По капиллярам. И в трубку можно капилляр вставить. — А он может быстро качать воду? Ведь вода быстро испаряется. Как это посчитать? — Пожалуй, такой расчет будет довольно сложным,— покачал головой Физик.— Нужно очень много факторов учесть — поверхностное натяжение, вязкость, смачиваемость, — количество и размеры пор, давление и еще...
— Да, вы правы,— согласился Изобретатель.— Методики кое-какие есть, но они полуэмпирические.
— То есть основаны на использовании данных, полученных экспериментальным путем,— пояснил Физик для ребят.
— Да. Словом, поверьте, что скорость подачи оказывается вполне достаточной, чтобы трубка Гровера (она, кстати, получила название «тепловая труба») работала. Проблема обычно в другом — как увеличить скорость пара.
— А все-таки удивительно, почему до шестидесятого года не придумали такое простое устройство? Ведь там же почти ничего нет: трубка, внутри пористый вкладыш — и все,— произнес Физик.
—Еще дыра для прохода пара, — улыбнулся Изобретатель. — Вообще-то, если строго подойти, то первый патент на тепловую трубу был получен еще в 1942 году другим американцем — Гоглером. Но он, как и некоторые из вас, опасался, что фитиль будет подавать воду недостаточно быстро, и всю трубку забил капиллярным веществом, оставив для пара совсем маленькое отверстие. Из-за этого его трубка не работала — в ней повышалось давление, вся жидкость испарялась. А Гровер сделал ее почти пустой, у него фитиль тонким слоем покрывает стенки либо находится в середине. И еще до одной хитрости додумался Гровер. Вот человечки несутся по трубке. Понятно, что с их пути нужно убрать все, что им мешает: разных «ленивцев», «гуляк» и тому подобных. Что это значит?
— А что там внутри? Воздух?
— Да.
— Убрать воздух! Откачать.
— Конечно. А воды в трубке совсем немного — только, чтобы фитиль пропитать, ну, может быть, чуть-чуть больше.
— Ну хорошо, допустим, 1942 год, — не сдавался Физик.— А я думаю, что такое устройство и в средние века можно было придумать! Допустим, в средние века не знали про испарение, конденсацию. Но Уатт, создатель первой паровой машины — знал! И Карно знал, а это — начало прошлого века!
— Да, изобретение очень запоздало. Помните, на Дне Знаний я рассказывал, что новые идеи ищут методом проб и ошибок. Повезет — не повезет. Какие-то идеи появляются задолго до того, как их можно реально осуществить, так было с идеей вертолета, парашюта — их еще Леонардо да Винчи предложил. Другие опаздывают. Что касается простоты — не стоит путать простоту конструкции с простотой идеи. Часто сначала конструкции создаются сложными, а потом упрощаются. А насчет тепловой трубы... Я ведь говорил вам, что сегодня открыты десятки тысяч физических эффектов, закономерностей. Сколько же возможно их комбинаций, скажем, по два? Верно, сотни миллионов. В тепловой трубе работают даже не два, а три эффекта: испарение, конденсация, капиллярность. Такую комбинацию найти методом проб и ошибок очень нелегко. Но этого мало. Решение, найденное методом проб и ошибок, нередко не получает признания из-за того, что его нашли случайные люди, не способные оценить всю его важность, не умеющие «довести» до дела...
— Как, например, Гоглер,— подсказал Физик.
— И Гоглер тоже. Есть сведения, что еще в начале нашего века какой-то булочник придумал нечто похожее на тепловую трубу: он втыкал такую трубочку в тесто, и она «пекла» его изнутри. Булочки получались очень вкусными, а До всего остального булочнику не было никакого дела! И его изобретение осталось практически неизвестным. Или садовник Монье изобрел железобетон в шестидесятых годах прошлого века. Он ему понадобился, чтобы делать садовые кадки для пальм, которые он выращивал на продажу. Только лет через двадцать железобетон снова переизобрели как строительный материал, и он стал широко применяться.
— Получается, МПиО во всем виноват! С ним нужно было бороться!
— Другого метода не было. Просто нужно было создать новые методы, не такие расточительные, как старый. Вот вы ведь придумали тепловую трубу с помощью ТРИЗ почти без перебора вариантов.
— А по-моему, ТРИЗ тоже страшно запоздал. Разве его нельзя было создать в прошлом веке?
— Ну это как сказать,— медленно произнес Изобретатель.— Ведь ТРИЗ — это не просто методика решения задач, это наука о развитии, эволюции технических систем. Может быть, необходимо было, чтобы до ее появления теория эволюции была разработана в других, более изученных в те времена областях. В 1859 году появилась теория эволюции в живой природе — дарвинизм. В 1867 году вышел в свет первый том «Капитала» К. Маркса — толчок к созданию теории социальной эволюции. В принципе, после этого могла бы начаться разработка и теории технической эволюции. Правда, развитие техники тогда было еще очень медленным, вряд ли была потребность в такой теории. Но, скорее всего, вы правы, ТРИЗ, конечно, запоздала. Да и сегодня темпы ее распространения далеко не так велики, как требует время.
— Почему это так? — Потому что многие не готовы к тому, чтобы ее использовать. ТРИЗ ускоряет развитие, она сегодня — один из инструментов перестройки, а перестройка далеко не всем нужна. Но вернемся к тепловым трубам.
— Да, а как же работала другая трубка, та, что с азотом? Ведь вода в ней должна была замерзнуть.
— Кто может ответить на этот вопрос?
Желающих ответить было немало. Конечно, нужно заполнить такую трубку не водой, а каким-то сжиженным газом. Может быть, тем же азотом, можно и другим.
— Сегодня известны различные низкотемпературные трубки, в них работают разные газы, вплоть до гелия. А если нужно, чтобы трубка работала при 2—3 тысячах градусов?
— Вода при такой температуре не может работать, газы — тоже.
— Значит, остается твердое тело!
— Нет, твердое тело не будет перекачиваться капиллярами. Нужна жидкость. И чтобы испарялась. — Можно взять металл и расплавить!
— Да. Есть трубы, заполненные жидким натрием, оловом, калием. Сегодня и труб тепловых разных много, и сфера их применения очень широка. Вот где бы вы предложили их приме нять?— спросил Изобретатель.
Поднялся лес рук.
— Для охлаждения двигателей в автомобилях, ракетах, самолетах.
— В ракетах и самолетах охлаждать также обшивку при взлете и посадке.
— Охлаждать микросхемы от перегрева. Только таких маленьких трубок, наверное, нет.
— А как вы думаете, какая самая маленькая тепловая труба? Вопрос ребят озадачил. Как ни старайся, но должна быть трубка из стали.
— Должна быть? А идеальная трубка — это что?
— Трубки нет, а что-то охлаждается. Сделать отверстие в самой детали? Но фитиль все равно нужен.
— Нельзя ли фитиль сделать из материала той детали, что и трубка? Если он хорошо смачивается жидкостью?
— Можно, но тогда придется сверлить в нем поры — много возни.
— Фитили бывают разные,— сказал Изобретатель.— И никто не сверлит поры. Вкладывают внутрь свернутую сеточку или спекают фитиль из порошка — вот и получаются поры. Он может быть даже из керамики, как кирпич. Но самый простой и во многих случаях достаточно эффективный фитиль — множество мельчайших царапин, нанесенных на стенки трубки или отверстия в охлаждаемой детали. По ним тоже хорошо жидкость движется.
— Так просто? — удивлялись ребята.— Значит, можно просверлить отверстие, нацарапать стенки, запустить туда капельку жидкости — и тепловая труба готова?
— Да. Для охлаждения микросхем делают микротепловые трубы — в кристалле вытравливается микроскопическое отверстие, по сути дела всего одна пора. При таких размерах фитиль не нужен — сами стенки будут «работать» фитилем. Туда запускают каплю жидкости, потом пору закрывают, и устройство охлаждения готово.
— А в медицине можно применить тепловую трубу?
— В медицине сегодня есть криоскальпели — скальпели с охлаждаемым лезвием. Охлаждение до низких температур идет с помощью встроенной в лезвие тепловой трубы. Конечно, как и в микросхемах, это не стальная труба, а отверстие. Такой скальпель режет ткань практически без крови — от холода сосуды сжимаются, ткани стягиваются и не кровоточат.
— А так можно охлаждать не только скальпели, но и разные другие инструменты: резцы, сверла, фрезы, которые обычно при работе сильно нагреваются.
— Да. А еще? — А я предлагаю использовать тепловые трубы на кухне — шашлыки жарить!
— Зря смеетесь, в США такие трубы выпускают,— сказал Изобретатель ребятам,— и это первое предложение по использованию тепловых труб не для охлаждения, а для нагрева. Почему вы не предлагали нагревать?
— Потому что нагревать можно и другими разными способами. А охлаждать труднее!
— Наверное. Но все-таки, что еще умеет тепловая труба? Вот, вода кипит при 100°С. А если мне нужна трубка, работающая при 105°С, как быть?
— Взять другую жидкость? Может быть, глицерин? Ребята называют известные им жидкости: эфир, бензин, керосин, масло. Предлагают порыться в справочнике. Вот это психологическая инерция!
— Ребята, вспомните, всегда ли у воды температура кипения 100°С,— не выдерживает Физик.
— Конечно, не всегда, все зависит от давления, меняя давление, можно получать разную температуру.
— А какая будет температура поверхности самой трубки?
— Если фитиль расположен у стенок, то как у холодного конца.
— Да, температура поверхности трубки в этом случае будет равна температуре конденсации жидкости. А если вдоль стенок идет пар?
— Тогда как у пара.
— Хорошо. Пусть у нас трубка с водой, давление в одну атмосферу. Мы начали греть один конец от комнатной температуры. Трубка работает?
— А вода закипела?
— Нет еще.
— Тогда не работает.
— А если «холодный» конец имеет температуру выше температуры «горячего» конца?
— Тоже не работает.
— Смотрите, наша трубка работает только при определенных температурных условиях. Получился регулятор температуры или, если нужно, стабилизатор температуры, поддерживающий ее вблизи какой-то заданной величины.
— Непонятно. Ведь трубка начинает отводить тепло, когда жидкость в трубке начинает кипеть. А если температура ниже — она не работает.
— Нужно объединить трубку с нагревателем! Вот и получится, что нагреватель греет, трубка охлаждает, а температура постоянная. Встроить спираль, по которой течет электрический ток.
— Хорошо. А теперь давайте усовершенствуем нашу тепловую трубку. Чтобы вы предложили? — задает новый вопрос Изобретатель. Ребята молчат. Трудно что-то улучшить, если нет конкретной задачи, неизвестно, в чем недостатки, что именно улучшать. Разве так можно?
— Можно! Только для этого нужно знать законы развития технических систем, которые подсказывают нам, в каком направлении они будут совершенствоваться. Например, одно из таких направлений — это переход к использованию более эффективных полей. Тепловое поле считается более эффективным, чем механическое, а электрическое, магнитное — чем тепловое.
— Как в МАТХЭМ?
— Да, аббревиатура составлена с учетом этой закономерности. Она отражает тенденцию перехода от механических систем, действующих на макроуровне, к полям, действующим на микроуровне. Другая закономерность говорит, что всегда эффективнее работает несколько полей вместе. И еще: есть стремление к переходу от полей постоянных, неизменных к переменным, импульсным, ударным. Давайте начнем с того, что попробуем к нашей тепловой трубе другие поля.
— М — механическое, например перемещение. От перемещения тепловая труба никак не изменится, это не годится. Давление...
— Постойте, куда вы торопитесь? Работать нужно спокойно, не торопясь. Почему вы думаете, что перемещать можно только трубу в целом? А если перемещать ее части? Сегодня есть целое направление в развитии тепловых труб с перемещающейся частью — сильфоном.— Изобретатель быстро рисовал на доске трубку с «гармошкой».
— Сжимая эту гармошку, можем изменять давление внутри трубки, а значит, и ее рабочую температуру. Можно трубку изогнуть. Можно сделать фитиль из двух частей с небольшим зазором. Тогда сжали гармошку — зазор исчез и трубка работает, растянули — перестала. Можно сделать, чтобы трубка с сильфоном сама себя регулировала: у сильфона есть некоторая упругость. Если ее не хватает — вводят еще пружину. Жидкость испаряется, давление внутри трубки растет, оно и растягивает сильфон, иногда это полезно для стабилизации температуры. Ну, а теперь можно и о давлении поговорить. Как его можно менять?
— С помощью сильфона...
— А еще как?
— Проделать дырочку и регулировать давление подачей газа.
— Хорошо, такое решение используется. Дальше! Как обстоит дело с центробежным полем?
— Оно может отжимать жидкость к стенкам. Тогда если стенки горячие, можно обойтись без фитиля?
— Совершенно верно. Есть так называемые центробежные тепловые трубы, например, для охлаждения электрических машин.
— Изобретатель нарисовал ее на доске.
— Жидкость, прижатая центробежными силами к внутренней поверхности ротора, кипит, пар собирается в центре и около охладителя, там конденсируется, а капли падают вниз, в слой жидкости. Перейдем к следующему полю.
— А — акустика. Будем действовать звуком на воду или на пар. А что это даст?
— Постойте, есть такой эффект,— напряженно вспоминал Физик,— что-то насчет влияния ультразвука на капиллярные силы. Не могу сказать точно.
— Да, речь идет об ультразвуковом капиллярном эффекте, открытым у нас в стране в начале шестидесятых годов академиком Е. Г. Коноваловым. Он обнаружил, что под влиянием ультразвука на определенных частотах, зависящих от размеров капилляров и свойств жидкости, высота и скорость подъема жидкости возрастает в десятки раз, — пояснил Изобретатель.
— Здорово! Присоединил к. трубке генератор ультразвука — и эффективность выросла!
— А какой генератор идеален?
— Которого нет. Ультразвук сам возникает.
— Там же пар! Он быстро движется.
— Ну и что? Не с ультразвуковой же скоростью!
— А он может свистеть! Как в чайнике со свистком! Так?
— Так. Можно сделать тепловую трубку с ультразвуковым свистком. Пошли дальше?
— Т — тепловое поле? Оно у нас уже есть. Пропустить?
— Нет, погодите. Можно использовать его дополнительно. Есть трубки с подогревом.
— X — химия. Ну, здесь много можно сделать: вводить всякие добавки, улучшающие смачиваемость, течение жидкости.
— Да, все это применяется. Но есть и более остроумные решения. Например, рабочая жидкость может быть сложным химическим веществом, состоящим из нескольких компонентов. И высокой температуре это вещество не только испаряется, но и разлагается с поглощением дополнительного тепла. А в холодной зоне оно не просто конденсируется, а вступает в реакцию с выделением этого запасенного избыточного тепла. Суммарный теплоперенос от этого возрастает.
— Э — электрическое поле. Ну, оно может только нагревать.
— Почему только нагревать? — удивился Физик.— Ведь электрическое поле может управлять движением зарядов, значит, если подобрать подходящую рабочую жидкость, можно...
— В Японии создали тепловую трубу с диэлектрической рабочей жидкостью без капилляров, перемещение — за счет электростатического поля. Освободилось пространство внутри трубы, тепловой поток вырос еще в 100 раз! — поддержал Физика Изобретатель.
— Электропроводную жидкость, по которой течет ток, можно заставить двигаться в магнитном поле!
— Можно. Мы уже подобрались к магнитному полю.
— А нет ли решений, в которых в качестве рабочей жидкости используется ферромагнитная жидкость? — спросил Физик.
— Вот это, пожалуй, сомнительно,— размышлял вслух Изобретатель.— После испарения частицы могут выпасть в осадок, впрочем со временем, возможно, преодолеют и эту трудность.
— А можно сделать фитиль из железных проволочек и управлять ими с помощью магнитного поля! Включил поле — проволочки прижались, капилляры стали меньше, выключил — расширились.
— Может быть. Здесь тоже будет трудность: после снятия поля остается намагниченность, нужно, чтобы были еще какие-то силы, которые будут расталкивать проволочки. Но для очистки капиилляров от отложений это используют.
— Получается, что все, что мы сегодня придумали — все эьо уже есть! Вы обещали, что сделаем открытие, а мы не нашли ничего нового. Неужели ТРИЗ не помогла?
— Какие вы нетерпеливые! За два урока вы придумали столько решений, сколько тысячи людей из разных стран наработали за 25 лет! И вам мало! Понимаете, ТРИЗ позволяет совершить большой скачок. Но величина скачка зависит не только от силы прыжка, но и от места, с которого вы стартуете. Вы же начали практически с нуля по тепловым трубам и прыгнули на передний край науки и техники. А для того, чтобы сделать прыжок дальше, нужно изучить все, что сегодня есть в этой области и работать. А теперь задачка под «занавес».
Задача 55. Потовая железа человека или животного имеет клубочек, расположенный в глубине кожи, и канал — пору. До сих пор ее работу объясняют так: клубочек выделяет воду, она поднимается по каналу на поверхность кожи и там испаряется, охлаждая тем самым организм. Но этот механизм не все объясняет. При пересадке кожи обнаружилось, что потовые железы передают довольно много тепла на поверхность кожи, даже если выход их на поверхность закупорен. Кроме того, не понятно, как тело теряет тепло в спокойном состоянии, например сидячем, когда влага на поверхность кожи вообще не выступает. Как быть?
— Какая это задача, исследовательская или изобретательская?
— Исследовательская.
— А как сформулировать обращенную задачу?
— Есть потовая железа: клубочек, канал, жидкость. Жидкость подается через канал на поверхность и испаряется. Как сделать, чтобы передача тепла шла без выделения влаги на поверхность и даже при закупорке канала у поверхности?
— То есть речь идет о повышении эффективности работы железы,— уточнил Изобретатель.
— Здесь и решать нечего! Нужно, чтобы железа работала как тепловая труба. Вода должна выделяться клубочком все время, тут же испаряться, пар уносит тепло к поверхности кожи, откуда оно уходит во внешнюю среду. А пар конденсируется. Но тогда нужно проверить — есть ли обратный поток воды к клубочку?
— Такой эксперимент был поставлен, и обратный поток был обнаружен, он происходит за счет капиллярного подсоса по слизистой оболочке, некоторых других эффектов.
— Значит, потовая железа работает как тепловая труба!
— Совершенно верно. А традиционно известный механизм охлаждения тоже работает, но в экстремальных ситуациях, когда нужно резко увеличить теплоотдачу. Вот мы с вами и в биологию забрались,— засмеялся Изобретатель.
Разговор в учительской
ИГЗ: На пути к идеальности
ЗАДАЧИ:
РАЗГОВОР В УЧИТЕЛЬСКОЙ
— Да, интересный урок получился,— сказал устало Физик.— Хорошо, что нам коллега уступил еще один час, а то не уложились бы. И очень хорошо, что вы разрешили им пользоваться учебниками, справочником. П. Л. Капица так даже экзамены принимал в Московском физико-техническом институте.
— Я тоже так принимал, когда, будучи аспирантом, преподавал в институте,— сказал Изобретатель.— Правда, за это меня от преподавательской работы отстранили.
— Если мои ученики будут на экзаменах пользоваться учебниками, меня тоже отстранят,— вздохнул Физик.
— К сожалению, в средней да и в высшей школе господствует идея, что человек должен хранить в памяти сложные формулы, значения множества постоянных и так далее. Такая концепция зародилась еще в дореволюционные годы и окрепла в трудные двадцатые — тридцатые. Тогда это было вынуждено: не хватало авочников, другой нужной для практических работ литературы.
В воспоминаниях одного из советских авиаконструкторов я читал, что в середине тридцатых годов на большое конструкторское бюро был единственный справочник, да и тот на немецком языке. Его берегли как зеницу ока. Но сегодня недостатка в справочниках нет. Более того, умению с ними работать тоже нужно учить. А у нас в институте был один профессор, который требовал безукоризненного знания всех резьб, посадок и допусков — огромных таблиц из тысяч цифр. Мы все считали его идиотом. Да я и сейчас так считаю.
— Но согласитесь, что иногда очень эффектно выглядит человек, который по памяти может сыпать цифрами.
— Это либо пижон, который зазубрил эти цифры именно для того, чтобы произвести впечатление, либо обманщик, рассчитывающий, что не станут проверять, либо человек, постоянно работающий с ними и запомнивший их автоматически. Последний случай достоин уважения, так как данные, необходимые постоянно, конечно, лучше держать в памяти, чтобы не листать каждый раз справочник. А знаете, когда я окончательно понял, что зубрежка материалов, которые есть в книгах,— издевательство над человеком, и дал себе слово никогда не требовать этого у своих учеников?
— Когда же?
— Я заканчивал обучение в аспирантуре и должен был сдавать кандидатский экзамен по специальности. Учтите, что к тому времени я проработал почти десять лет (аспирантура была заочная) и считался в своей области знающим специалистом — опубликовал десятка полтора статей. Экзаменовавшие меня профессора с кафедры имели о моей теме довольно смутное представление, но требовали, чтобы я на память выписывал длинные трехэтажные формулы. Самое интересное, большинство этих формул я мог бы вывести из основных положений, но это никого не интересовало. Сдал я проклятый экзамен со второго захода, вызубрив три толстые книги. Шел на экзамен и боялся тряхнуть головой — мне казалось, что знания лежат в голове пирамидой, которая вот-вот рассыплется и задавит меня. Забыл я все вызубренное не то что на следующий день — через пять минут после сдачи. А вот чувство унижения и неутолимой ненависти к зубрежке осталось до сих пор.
— Да-а-а,— протянул Физик.— Пожалуй, это испытывал каждый из нас. Вот сейчас идет активная перестройка школы, многое меняется, но отношение к запоминанию пока прежнее.
Разговор в учительской
ИГЗ: На пути к идеальности
ЗАДАЧИ:
ИГЗ: НА ПУТИ К ИДЕАЛЬНОСТИ
Еще работая слесарем, Изобретатель очень не любил одну из довольно
обычных работ — шабровку. В ряде случаев требуется получить очень
ровную поверхность изделия, например направляющих токарного станка, по
которым движется суппорт с закрепленным на нем резцом. Начинают с того,
что к поверхности прикладывают эталонную плиту (очень ровную),
смазанную тонким слоем краски. Когда плиту убирают, на поверхности
детали остаются следы краски в тех местах, где были выступы, бугорки.
Эти следы вместе с тонким слоем металла соскабливают специальным
скребком — шабером. Операция повторяется многократно, пока пятна краски
не станут совсем маленькими и многочисленными. Но чем ниже бугорки, тем
тоньше должен быть слой краски, в противном случае она покроет всю
поверхность детали и бугорки нельзя будет обнаруживать. От яркого света
болит голова, слесарь все время поворачивает лампу под разными углами,
чтобы лучше разглядеть, но все равно видно очень плохо. Какая жалость,
что в те годы еще не было сделано простое изобретение:
добавка в краску люминофора — вещества, способного ярко светиться
(обычно под воздействием ультрафиолетового излучения, а в некоторых
случаях и при обычном освещении). Как облегчилась бы работа слесаря:
смазать плиту новой краской, выключить свет, включить ультрафиолетовый
фонарь или обычную лампу с синим стеклом — и спокойно скоблить ярко
светящиеся пятнышки!
Люминофоры — прекрасные помощники изобретателей, когда нужно что-либо обнаружить: от айсбергов, которые метят с вертолетов небольшими бомбами, начиненными люминофорами разных цветов, для наблюдения за дрейфом опасных для судов ледовых гор, до микробов, за поведением которых наблюдают под микроскопом благодаря нанесенным на них микроскопическим люминофорным меткам. Даже атомные частицы сложно... нет, не пометить, конечно, а наблюдать на люминофорном экране, на котором при попадании частиц появляется яркая вспышка.
Наибольшая опасность при движении по дорогам в сумерках или в темноте угрожает машинам с темной окраской — они плохо видны. Положение исправить несложно: достаточно добавить в краску люминофор — и сверкающая в свете фар машина прекрасно видна. И на курточки малышей нашивают блестящие люминофорные кружочки, чтобы их было видно издалека.
Изобретатель уже говорил ребятам о применении термокрасок, меняющих свой цвет в зависимости от температуры. Теперь пришла очередь веществ, обладающих фотохромным эффектом. Сегодня известны стекла-хамелеоны, прозрачность которых за¬висит от освещенности. Особенно удобны они для тех, кто носит очки постоянно: не нужно менять их при выходе на улицу на темные, стекла на солнце «потемнеют» сами.
Сравнительно недавно появились и световоды — тончайшие стеклянные стерженьки, по которым свет распространяется на большие расстояния, повторяя изгибы и повороты гибкого стерженька. С его помощью можно заглянуть в желудок, в другие труднодоступные для наблюдения места. Одно время на прилавках магазинов можно было увидеть очень красивый сувенир: пучок тонких гибких непрерывно колеблющихся прутиков, закрепленных веером в основании возле маленькой лампочки, разбрасывал во все стороны подвижные разноцветные лучики. Его изготавливали из отходов световодов.
Однажды Изобретателю понадобилось проконтролировать, не происходит ли в его установке смещений одной детали относительно другой. Он уложил поперек стыка деталей тонкий волосок световода, с одного конца которого была расположена лампочка, а с другого можно было наблюдать ее свет до тех пор, пока детали не сдвинулись и световод не разорвался. А вот другой, очень оригинальный способ узнать, не сломалась ли деталь, расположенная в недоступном для прямого наблюдения месте. На детали закрепляют микрокапсулы с раз¬ными сильно пахнущими веществами, которые обязательно должны быть раздавлены при повреждении детали. Теперь по запаху можно легко установить, в каком месте повреждение.
Не перестает поражать воображение обыкновенная вода. О том, как могут измениться ее свойства при омагничивании, Изобретатель уже рассказал. Но и другие поля могут превращать ее в вещество с неожиданными возможностями. Например, пропустили воду через дезинтегратор — механическое устройство, измельчающее твердые материалы. Казалось бы, это никак не может на ней отразиться. Но почему-то улучшается рост растений, увеличиваются привесы кур и поросят, пьющих эту воду, легче отмывается грязь. Похожие результаты достигаются и при использовании талой воды, а также воды, остуженной после кипячения в атмосфере без доступа воздуха. Как объяснить все эти чудеса? Ученые пока не имеют единого мнения, но многие считают, что причиной необычных свойств может быть существование молекул воды не каждой в отдельности, а в виде некоторых крупных объединений, что-то вроде неустойчивых образований с формулой типа Н2пОп. При воздействии разных полей эти образования разрушаются, в результате чего могут появиться новые свойства.
Особо стоит остановиться на свойствах воды, обработанной электрическим током. Если два электрода опущены в емкость с водой и разделены мембраной, например из обычного брезента, и на них подан постоянный ток, то состав воды в частях сосуда, разделенных мембраной, изменится. Сквозь мембрану начнется движение ионов водорода к отрицательному электроду, и вокруг него вода приобретет кислотные свойства, а ионы группы ОН — к положительному, вокруг которого вода станет щелочной. «Щелочная» и «кислотная» вода используется в разных технологических процессах: при очистке стоков, приготовлении бетона, различных эмульсий и т. д. Но есть у активированной электричеством воды и другие, особые свойства. Несколько лет назад Изобретатель собрал установку для обработки воды. Он прочел, что «кислотная» вода (ее стали называть «мертвой») обладает отличными дезинфицирующими возможностями, а «щелочная» («живая») способствует заживлению ранок, царапин. Когда Изобретателя сильно исцарапала кошка, с которой он играл, он сразу приготовил активированную воду, продезинфицировал ранку «мертвой», затем несколько раз смочил «живой» водой. Царапины быстро зажили.
О лечебных возможностях активированной воды слухи довольно быстро достигли невообразимых размеров. Некоторые отчаянные «экспериментаторы» даже пили ее. А делать этого нельзя, ведь биологические свойства активированной воды слабо изучены, а причины ее биологической активности пока неизвестны. К тому же при электролизе воды один из электродов растворяется и ионы металла переходят в воду, что может быть очень вредно. Правда, недавно Изобретателю рассказали, что эту проблему можно решить довольно остроумно: на положительный электрод нужно надеть картофелину или яблоко, которые будут задерживать вредные ионы. Впрочем, это еще нужно проверить.
В блокадном Ленинграде все было в дефиците, в том числе и бензин. Большинство машин стояли. Но в городе было довольно много водорода, которым наполняли аэростаты противовоздушной обороны. Обычно через некоторое время водород частично смешивался с воздухом и становился непригодным для аэростатов. Но эта смесь могла успешно использоваться в качестве топлива для автомобилей, если не допустить пламя назад по подводящим топливо трубкам в топливный бак с водородом (это грозило взрывом). Было найдено остроумное решение: газ шел в двигатель, пробулькивая через У-образную трубку с водой. Вода проницаема для газа, но непроницаема для огня. А водород — это топливо будущего. Сегодня проектируются целые атомно-водородные комплексы: на атомной электростанции, используя ее дешевую энергию, будут разлагать воду на водо¬род и кислород. Кислород требуется для самых разных нужд, а водород в баллонах пойдет на автозаправочные станции и, сгорая в двигателях, будет превращаться снова в обыкновенную воду — самый экологически чистый вид топлива!
Хранить водород в баллонах невыгодно: даже при высоких давлениях его входит туда немного. Но недавно было обнаружено, что соединения некоторых металлов с водородом — гидриды способны аккумулировать водород в огромных количествах. Например, в единице объема лантан-никелевого гидрида при давлении в 4 атмосферы содержится столько водорода, сколько его можно было бы в этом объеме вместить при давлении в 1000 атмосфер. Для выделения водорода необходимо гидрид слегка нагреть. Такая водородосодержащая губка совершенно безопасна — при малейшей случайной утечке водорода температура гидрида мгновенно понижается и утечка прекращается сама собой.
Вообще отношения водорода с разными веществами сложны и разнообразны. Однажды Изобретателю пришлось искать причину выхода из строя болтов, изготовленных из высококачественной стали и работающих в достаточно щадящих условиях. После превращения задачи из исследовательской в изобретательскую путем «обращения» Изобретатель без труда установил, что из находящейся рядом эпоксидной смолы, с которой контактируют болты, при нагреве выделяется водород, проникающий в металл и делающий его хрупким.
Некоторые металлы и сплавы, поглощая водород, увеличиваются в объеме. Это свойство использовано в изобретении: для соединения двух труб на них свободно надевают стальную трубку, а между втулкой и трубами в качестве прокладки наносят специальный сплав, "распухающий" в присутствии водорода. Концы труб помещают в водородную атмосферу и нагревают - прочное соединение готово.
В небольшую банку с водой погружены два электрода, от банки отходят провода и еще две тонкие резиновые трубки, концы которых сходятся у сопла миниатюрной горелки. Под действием электрического тока вода разлагается, водород и кислород поступают по отдельным трубкам в сопло горелки, из которой рвется почти невидимое, но весьма горячее пламя. С помощью такого аппарата можно резать или сваривать мелкие металлические детали даже в домашних условиях.
Микросхема припаяна к плате несколькими десятками ножек. Как ее выпаять? обычно ножки приходится сильно нагревать, но при этом портится вся плата. Можно сделать иначе. к ножкам по очереди на несколько секунд прижимают стерженек на ручке, после чего с платы стряхивается серый порошок, и микросхема свободна. Стерженек не греет - наоборот, это тонкая тепловая труба, охлаждаемая залитым в ручку жидким азотом. Оловянный припой при сильном охлаждении переходит в другое фазовое состояние: белое олово превращается в серое, при этом любая оловянная деталь рассыпается в порошок. Возможно и другое использование этого фазового превращения - объем, занимаемый белым оловом, при его превращении в серое, увеличивается на 26,7%, что позволяет использовать этот переход для создания больших давлений в замкнутом объеме.
В ящик набили каменный щебень как можно плотнее, затем залили расплавленным чугуном. Получился новый материал, названный метоном (металлический бетон). Он дешев (на 90% это обыкновенный камень), исключительно прочен (камень тверд и армирован металлом), обладает высокой износостойкостью и вибропрочностью. Сегодня имеется богатое разнообразие метонов - на базе стали, алюминия, других металлов.
Кислород должен поступать в кровь, но попадание пузырьков в кровь крайне опасно - даже мельчайшие пузырьки могут закупорить капилляры. На пути кислорода в легких работают мембраны - пленки с порами молекулярных размеров, не пропускающие пузырьки. Такие же мембраны работают и в желудке, отфильтровывая вредные для организма вещества. В последнее время создание подобных мембран доступно не только природе, но и людям. Изготавливают их следующим образом. Нерастворимый в воде полимер - ацетилцеллюлозу растворяют в вмеси спарта, ацетона и диметилформамида, перемешивают с тончайшим порошком хлористого магния и выливают на стеклянную пластинку. Слегка подсушенный материал помещают в воду. Вода "забирает" из пленки растворители и хлористый магний, в результате остается тончайшая пленка с микроскопическими порами. Полученнные мембраны используют для опреснения и очистки воды, выделения кислорода (вполне возможно в будущем создание искусственных мембранных легких, способных извлекать из воды достаточное для дыхания человека количество кислорода - вместо акваланга).
Недавно была предложена новая технология получения мембран: "простреливать" синтетическую пленку потоком частиц, например, ионов металлов или нейтронов, разогнанных в ускорителе. Проницаемостью мембран можно управлять с помощью электрического тока, что необходимо для создания точных дозирующих устройств и других целей.
Необычных веществ много, свойства их еще плохо изучены, это естественно. Но мы не все знаем и о веществах достаточно знакомых. Например, когда люди научились хорошо очищать вещества, они обнаружили, что свойства очень чистых веществ существенно отличаются от известных. Очень чистое железо не ржавеет. Тщательно обезвоженный гремучий газ не взрывается даже при высокой температуре. Чистые металлы не реагируют с хлором. Считавшиеся о чень хрупкими титан, молибден, хром, цирконий после тщательной очистки оказались довольно пластичными.
А какое вещество можно назвать самым идеальным? "Идеальное вещество - это то, которого нет, а функции выполняются" - так учил Изобретатель своих учеников. Что же может выполнять функции отсутствующего вещества? В фантастическом рассказе Ф. Брауна "Планетат - безумная планета" люди живут на маленькой планете, под слоем обычной почвы которой находится сверхплотное нейтронное ядра. Птицы на этой планете тоже из сверхплотного вещества, почва для них является атмосферой, в которой они летают. И когда стая таких "птиче" пролетает сквозь расположенный в почве фундамент дома, сам дом, конечно, рушится. Как быть? Однажды вместо заказанной сверхтвердой стали для креплений по счастливой случайности прибыли пустые ящики . И оказалось, что в пустоте птицы не летают - для них она все равно что вакуум для наших птиц. Вокруг фундаментов вырыли глубокие траншеи, ограждающие их от полетов. Так пустота стала идеальной защитой.
Пустота — самый подходящий кандидат на роль идеального вещества. Как быстро построить ангар, склад, другое помещение? Надувают огромную резиновую оболочку, на которую наносят слой легкого пенопласта (пена — смесь вещества с пустотой). Когда пенопласт затвердел, резиновую оболочку можно вынуть — здание готово.
Один из древнейших материалов — керамика. Гончар добавлял в глину камышовый пух или мелкие древесные опилки. При обжиге они выгорали, образуя внутри глины мелкие поры. Кувшины, изготовленные таким способом, очень ценились. В них хранили воду. В жаркое время года вода медленно просачивалась сквозь поры наружу, испарялась, охлаждая тем самым содержимое кувшина. Вода в таких кувшинах оставалась прохладной даже в сильную жару.
Перед одним из коллег Изобретателя однажды на производстве поставили задачу. Предприятие выпускает радиооборудование, и много брака идет потому, что на печатных платах при покрытии их лаком появляются воздушные пузырьки. Там, где пузырек, изоляция платы ненадежна, может быть электрический пробой. Для ТРИЗ характерны парадоксальные решения. Специалист подумал: один пузырек на плате — плохо. А если их будет много? И предложил покрывать плату вспенивающимся лаком. Получилось прекрасно!
Однажды Изобретатель участвовал, в испытаниях мощного гидрогенератора на Красноярской ГЭС. При нем поднимали из воды для ремонта огромную гидротурбину. Вся ее поверхность была словно изрыта небольшими ямками. Некоторые были побольше — в них можно было засунуть кулак. «Кавитация»,— тяжело вздохнул главный инженер станции. Кавитация... В конце прошлого века известный гидродинамик В. Фруд придумал это слово (от латинского слова «пустота»). Внешне это явление простое: при быстром турбулентном течении в жидкости возникают разрывы, в которых практически пусто. Эти пустоты под действием давления жидкости очень быстро (за тысячные или даже миллионные доли секунды) схлопываются. Ну и что? Такая мелочь. Трудно поверить, что эти мельчайшие пузырьки способны легко «грызть» твердейшую сталь, из которой изготовлена гидротурбина. Но тем не менее это так.
Сегодня нет общей теории, объясняющей в деталях процесс кавитационного износа разных материалов, но существует около шестидесяти (!) разных гипотез, учитывающих действие механиских, тепловых, электрохимических процессов, межмолекулярных взаимодействий и тому подобное. Самая распространенная них рассматривает «схлопывание» пузырька симметрично всех сторон. При этом в центре пузырька на микросекунды догут возникать давления в десятки тысяч атмосфер, а если «всхлопывание» идет несимметрично, могут появляться микроструйки, обладающие огромной скоростью. Вполне возможно, то в образовании этих микроструек, экспериментально обнару-внных в 40-х годах, играет роль и эффект кумуляции, о котором ссказано выше. Из-за очень большой скорости удар этих струек нелогичен удару очень твердого тела. Не зря говорят «капля вмень точит» — падающие капли воды за несколько лет способны пробить глубокую дырку в камне. Это тоже «работа» возникающих при ударе кавитационных пузырьков.
Кавитация может сама от себя защищать. Ученые обнаружили, что по мере увеличения скорости течения и перепадов давле¬ния в пограничном слое у крыла кавитационная зона увеличи¬вается. Сначала она состоит из отдельных пузырьков, потом их Становится все больше и больше, наконец множество пузырьков поливаются в единое кавитационное облако, захватывающее все крыло и даже некоторое пространство вокруг. Это уже суперкавитация. И что удивительно — кавитационный износ крыла при этом совершенно прекращается. Ведь теперь крыло как в коконе спрятано в большом кавитационном пузыре, и разрушительные микроструйки не могут к нему подобраться. Советский ученый В. Л. Поздюнин предложил такой профиль крыла, при котором суперкавитация возникает при относительно небольших скоростях. Таким образом можно избавиться от кавитационного износа крыльев, гребных винтов, рабочих колес насосов. Правда, к сожалению, при суперкавитации снижается коэффициент полезного действия.
Нет такого вредного явления, которое нельзя было бы обратить в пользу — так считают многие изобретатели. Кавитация быстро разрушает самые твердые материалы? Прекрасно! Значит, следует ее использовать там, где это разрушение нужно. Каждый знает природную эмульсию — молоко, представляющую собой взвесь очень мелких капелек жира в воде. Но получать такие эмульсии в технике очень непросто. И здесь может помочь кавитация. Жидкость прокачивают по трубе с искусственным сужением и резким за ним расширением. В зоне расширения возникает кавитация, и взрывы охлопывающихся пузырьков дробят жидкость на микрокапли. Аналогичное (по идее, а не по конструкции) устройство обеспечивает дробление капелек жидкого топлива и хорошее перемешивание с воздушным потоком, что резко повышает эффективность его сгорания, снижает количество вредных примесей в выхлопе.
Кавитация прекрасно справляется с работой «прачки». Навиационные пузырьки забираются под пленки масла, краски, продукты коррозии и разрывают их на мельчайшие частички, грызут их и снаружи. Кавитация и сама неплохо моет, в особенности в сочетании с другими моющими средствами: мылом, растворителями. Эффективность их совместного действия намного выше, чем сумма эффектов действия каждого из них в отдельности.
Кавитация может существенно интенсифицировать химическую реакцию двух жидкостей, во-первых, за счет интенсивного перемешивания, во-вторых, благодаря огромным местным давлениям, возникновению высоких температур, нарушению межмолекулярных связей, возникновению электростатического потенциала и даже электромагнитного излучения, то есть множеству факторов, сопровождающих кавитацию и способных улучшить ход химической реакции.
Кавитацию можно получать не только гидродинамическим путем. Кавитационная полость возникает при наличии в жидкости больших внутренних усилий, разрывающих ее, резких перепадов давления. А это можно получить по-разному: возбуждением колебаний, взрывами, с помощью химических реакций. Чаще всего используется для получения кавитации ультразвук.
Задача 56. Кавитации нипочем даже самый твердый материал. Однако вот загадка — она «щадит» огромные валуны, веками лежащие в зоне прибоя, о которые постоянно бьется волна. А ведь это, казалось бы, наилучшие условия для кавитационного разрушения. Почему же валуны не разрушаются?
Задача 57. Проводя испытания на стенде, Изобретатель очень беспокоился из-за одной детали, наблюдать которую во время работы совершенно невозможно, но в случае появления в ней трещины испытание нужно было сразу прекращать. Ни световодов, ни микрокапсул с пахучими веществами не было, нужно было как-то обходиться своими силами, искать простые решения. Изобретатель нашел. Как?