©Злотин БОРИС ЛЬВОВИЧ, ©Зусман АЛЛА ВЕНИАМИНОВНА.
Изобретатель пришел на урок
иллюстрации:
©А.Д. Гладышев,
©Н.А. Асланова
публикация на сайте http://jlproj.org
ВЕПОЛИ - МАСТЕРА НА ВСЕ РУКИ
ИГЗ: Холодно... Теплее... Горячо!
ЗАДАЧИ:
ВЕПОЛИ — МАСТЕРА НА ВСЕ
— Помните главное правило вепольного анализа? — спросил Изобретатель.— Нужно достраивать веполь! МАТХЭМ! Вводить вещество или поле,— нестройным хором ответили ребята.
— Хорошо, Тогда — задача.
Задача 22. При лечении человека с помощью УВЧ (электромагнитного поля ультравысокой частоты) нужно излучатель прижимать к прогреваемому участку человеческого тела. Внутренние органы при этом прогреваются хорошо, но может случиться перегрев (ожог) поверхности кожи. Если излучатель не прижимать, то ожога не будет, но и прогрев получится слабый, большая часть лучевой энергии разойдется во все стороны без пользы для человека. Как быть?
— Построим веполь! В1 — человек, В2 — излучатель. И поле П — электромагнитное. Получается, что веполь уже есть. А что же тогда достраивать?
— Совершенно верно, в этой задаче правило достройки велоля не «работает». Познакомимся с новым правилом. Веполь у нас, и правда, есть. Только нужен ли он нам?
— Не нужен! Из-за него получаются ожоги!
— Нет, нужен, Ведь он прогревает и лечит человека!
— Нет, не нужен...
— Не спорьте, ребята. Просто у нас два веполя. В одном В1 — не просто человек, а тот орган, который нужно прогреть, и этот веполь полезный, с ним нам работать не нужно. А во втором В1 — поверхность кожи, на которой возникает ожог. И этот, второй веполь ненужный, вредный. Поэтому от него нужно избавиться, прекратить его действие, «разрушить» его. В ТРИЗ есть несколько вариантов разрушения вредного веполя. Один из них — это введение между двумя веществами какого-то третьего вещества Вз. Схематически это выглядит так:
Волнистой линией здесь обозначено вредное действие, которое Вз должно устранить. Что такое может быть Вз?
— Поставить экран! И не будет ожогов!
— Все так думают? Нет? Почему? Правильно, тогда не станет и полезного веполя — не будет разрешено противоречие. А какими свойствами должно обладать В3? Пропускать излучение, но не давать обжигать, охлаждать.
— Охлаждает хорошо вода. Точно, вода! А излучение сквозь воду проходит хорошо!
— Да, вода проводит излучение не хуже, чем человеческие ткани, в них воды чуть ли не 80%! Хорошо. Пойдем дальше.
Задача 23. При гранулировании никеля (получение никеля в виде небольших шариков — гранул — необходимо по условиям производства) расплавленный никель льют с высоты в воду. В воде капельки застывают, превращаясь в гранулы. Но есть в этой технологии недостаток: кроме гранул получается много «песка» — осколков гранул. Причина появления «песка» известна: упавшая в воду часто еще очень горячая капля разлетается на части из-за «теплового» взрыва — резкого переохлаждения при соприкосновении с водой. Как от этого избавиться?
На доске рисуют вредный веполь. В1 — капля никеля, В2 — вода, П — вредное тепловое поле... Или механическое?
— Скорее тепловое. Но в нашей задаче это даже не очень важно. Главное, что оно вредное. Что нужно сделать, чтобы его устранить?
— А почему бы не увеличить высоту, с которой капли падают? Они тогда успеют остыть в воздухе по дороге.
— Нужны десятки метров высоты, получится огромная, дорогостоящая башня. Так что лучше вернуться к правилу разрушения вредного веполя. Что будем делать?
— Вводить В3!
— Это правильно. Но каким требованиям В3 должно удовлетворять?
— В3 должна быть холодной, как вода, чтобы капли остывали.
— И мягкой, как воздух, чтобы капли не разбивались!
— Смотрите, нам требуется что-то среднее между водой и воздухом. Что это может быть?
— Газированная вода!
— Пена!
В принципе годятся оба решения. Но в данном случае лучше остановиться на пене: очень уж хорошо получается — заполнить все пространство пеной, пролетая через которую капли будут охлаждаться гораздо быстрее, чем в воздухе.
— Теперь такой вопрос. Обратите внимание, что и газированная вода, и пена — это нечто производное от того, что уже есть в системе — воды, воздуха. Мы будем называть такие вещества модификациями В1 или В2. Использовать в качестве Вз не постороннее третье вещество, а модификацию всегда идеальнее, потому что его можно производить тут же на месте. Поэтому второй вариант разрушения вредных веполей заключается в введении Вз — модификации. Например, для снижения трения корабля о воду предложено разделить эту поверхность на электрически изолированные участки и пропускать между ними электрический ток. Что будет происходить в воде?
— Электролиз воды. Появятся пузырьки — модификация воды!
— Конечно. Теперь трение будет уже не между твердым телом и жидкостью, а между твердым телом, и газом. Сопротивление уменьшится, скорость увеличится. При дробеструйной обработке заготовки «оббиваются» со всех сторон потоком быстро летящей стальной дроби. Но эта же дробь «обрабатывает» и стенки трубы, по которой она летит, подгоняемая сжатым воздухом. Трубы эти быстро приходят в негодность, хотя и делаются из самой износостойкой стали. А недавно было предложено трубу намагнитить. Теперь она покрывается тонким слоем дроби и...
— Дробь бьет по дроби, а труба целая! Здорово!
— Да, здесь неподвижная дробь в некотором роде модификация дроби движущейся. Так что слово «модификация» мы будем понимать достаточно широко.
Задача 24. Для извлечения из стали вредных примесей ее перемешивают со специальными веществами с помощью механической мешалки. Но мешалка при этом будет плавиться и загрязнять сталь, а делать ее из теплостойких материалов дорого и сложно. Как быть? Здесь тоже вредный веполь: В1—мешалка, В2 — сталь, П — вредное тепловое поле. Для разрушения его введем Вз — модификацию чего?
— Есть еще одно правило — всегда лучше брать модификацию того вещества, которого в системе много, тогда оно будет легко восстанавливаться.
— Тогда модификацию стали. Покрыть мешалку слоем твердой стали можно?
— Нужно охлаждать мешалку! Тогда на ней будет слой стали. А если она и растает — не беда, новый слой нарастет!
— Отлично! Ребята, кто заметил, как чаще всего получается модификация, с помощью чего? — Одного из веществ? — Нет, наверное, поля. — Да. Вещество Вз (при решении изобретательских задач модификации часто обозначают иначе, в зависимости от того вещества, из которого они получаются В1', В2', В'1,2) чаще всего получают с помощью поля, для этого даже специальный веполь образуется.
Ну что же, в этом разобрались. Но ведь не всегда можно забраться внутрь веполя, ввести другое вещество.
Задача 25. Есть большая испорченная железобетонная деталь — свая или стена, которую нужно разрушить прямо на месте. Обычно такую работу делают с помощью отбойного молотка, стальную арматуру перепиливают ножовками или режут газовой горелкой — долгая, тяжелая, очень непроизводительная работа. Специального оборудования для ломки бетона нет. Как быть? Вредный веполь построен сразу: В1 — стальная арматура, В2 — бетон, П — вредное поле связи между ними. Как его разрушить? Между арматурой и бетоном вещество не введешь.
— Что внутрь железобетона может проникнуть? — Ничего.
— Совсем ничего?
— Поле может! Электрическое или тепловое.
Еще несколько минут — и решение получено. Нужно нагреть арматуру электрическим током, а бетон снаружи охлаждать, для этого его можно поливать водой. Тогда бетон начнет трескаться.
Итак, ребята познакомились еще с одним вариантом разрушения вредного веполя — введением поля, действующего против вредного. Схематически это выглядит так:
Как искать нужное поле? Конечно, с помощью МАТХЭМ!
Задача 26. При переплетении книг есть операция, которая называется «распушка»: книгу зажимают за корешок, а ее листы «раскрывают», отделяют друг от друга. Как это сделать самым простым способом?
Механическое поле — можно продуть воздухом. Тепловое или химическое вряд ли подойдут — можно испортить книгу. Электрическое лучше всего — зарядить листы одноименным зарядом. А магнитное поле не годится — бумага не магнитна.
— Запомните, ребята, электростатическое поле всегда хорошо работает в веполе, когда нужно обеспечить притяжение или отталкивание между легкими веществами или деталями,— сказал Изобретатель.— Вот как в следующей задаче, которую решал коллега.
Задача 27. На заводе получали химический продукт, смешивая две жидкости. Для улучшения реакции жидкости распыляли с помощью специальных устройств — форсунок и подавали в реактор навстречу друг другу. Реакция шла хорошо, но был недостаток: не все капли успевали прореагировать. Случалось и так, что сливались вместе капельки одной и той же жидкости, что было недопустимо. Что нужно делать?
— Нужно, чтобы все капли одной жидкости слились с каплями другой, а однородные капли не сливались! — А как этого добиться?
— Да очень просто: зарядить капельки разных жидкостей зарядами противоположного знака. Тогда одноименные капельки будут отталкиваться, а разноименные сливаться.
— У нас получилось решение двух задач: мы достроили один полезный веполь и разрушили вредный.
— Да, и заметьте, с помощью одного и того же поля!
— А ваш коллега тоже так решил эту задачу?
— Один к одному.
— А почему для решения этой простой задачи потребовался специалист по ТРИЗ? Те, чья задача, сами не могли догадаться?
— Во-первых, они не знали вепольного анализа. Впрочем, можно было и без него обойтись. Но они просто не увидели эту задачу — решали совсем другую проблему: как очищать полученный продукт от исходных. Поэтому и не могли справиться с задачей. Есть старая поговорка: «Хромой, бредущий в правильном направлении, обгонит всадника, скачущего не туда».
— Мне пришло в голову,-— вмешался Физик, внимательно следивший за ходом занятия и тоже решавший задачи,— что вепольный анализ можно было бы использовать и в экспериментальной работе для решения задач, возникающих когда нужно что-то измерить. Я в университете работал в студенческом конструкторском бюро, у нас было много заказов на разработку различных измерительных приборов, устройств.
— Вы правы,-—согласился с ним Изобретатель.— В вепольном анализе целый раздел посвящен решению именно измерительных задач. Но начинать нужно не с построения веполей. Есть несколько общих рекомендаций, как поступать с измерительными задачами.
Рекомендация 1. Если дана задача на измерение или обнаружение, целесообразно так изменить систему, чтобы вообще отпала необходимость в решении этой задачи.
— Простите, я не понял..,— растерялся Физик.
— Я объясню. В большинстве случаев измерение не является самоцелью. Просто требуется информация, с помощью которой можно лучше организовать главное действие системы. Например, при закалке некоторых сталей необходимо в течение определенного времени выдерживать температуру нагрева с точностью до нескольких градусов. Конечно, можно это сделать обычным путем: установить датчик температуры, например термопару, нагреватель, программное устройство, которое в зависимости от изменения температуры будет включать и выключать нагреватель. Но можно и гораздо проще, а значит, идеальнее. Как? Не забыли еще маленьких человечков?
— Маленькие человечки сами поддерживают свою температуру. Их греют, а они не греются. Охлаждают — не охлаждаются. — Так не бывает! Это же нарушение законов природы!
— Между прочим, лед тоже греют, он тает, но его температура не повышается, пока лед не растает,— напомнил Физик.
— А, ну тогда конечно! — обрадовались ребята.— Тогда все ясно! Ребята излагали решение, уже забыв, что только что считали его принципиально невозможным. А оказывается — возможно! До чего приятно, когда одержана победа над невозможным! А решение — простое: подобрать вещество с нужной температурой плавления и включить нагреватель. Пока идет плавление, температура постоянна. Кстати, пока затвердевает — тоже.
— Получается, что нужно эту деталь опускать в расплав. А это можно? — засомневалась девочка. — Почему же нельзя? Деталь опускают в расплав специальной соли, получается очень хорошо, даже окалина не образуется, потому что нет соприкосновения с воздухом.
Задача 28. Известно, что эффективность работы железной дороги тем выше, чем длиннее составы поездов. Но длина состава ограничена мощностью тепловоза. Сегодня состав-тяжеловес везут несколько тепловозов. Их распределяют по всему составу равномерно через 20-30 вагонов, потому что если их оставить в голове состава, слишком большим будет усилие на сцепке. Но как управлять всеми тепловозами? По радио? По электросвязи? Представьте себе такую картину: передний тепловоз выехал на пригорок, сейчас будет спуск, и ему нужно притормаживать. А второй еще внизу, и ему нужно тащить изо всех сил. Что же получится? Состав разорвется! Конечно, можно призвать на помощь всемогущую ЭВМ, как сделали американцы: затратили несколько миллионов долларов — разместили вдоль всего пути датчики, рассчитали скорость для каждого тепловоза на каждом участке. Нельзя ли решать эту проблему проще?
— А машинисты во всех тепловозах есть?
— Допустим.
— Так пусть они смотрят: если вагон впереди едет быстрее — пусть тоже нажмет, если медленнее — пусть тормозит.
— К сожалению, реакция человека недостаточно быстрая.
— Тогда поставить автоматику — она быстрее будет реагировать.
— Что же, можно поставить лазерный измеритель расстояния, ЭВМ для управления — получше американского варианта, но не намного. Наши железнодорожники сделали проще. Представьте себе между тепловозом и предыдущим вагоном пружину. Кстати, обычная сцепка и есть пружина, очень сильная. Если пружина растянута, значит вагон тащит тепловоз — нужно поднажать, а если сжата — нужно тормозить. Вот и все. Осталось связать тем или иным путем управление подачей топлива в дизель со степенью натяжения сцепки — и задача решена. Без ЭВМ, лазеров и миллионных затрат.
— А у нас в КБ была такая проблема, — вступил в беседу Физик,— Во всем мире в помещениях для выращивания поросят на свинофермах поддерживают температуру 27°С, считают, что если будет меньше, поросята начнут простуживаться. Наши биологи решили проверить, так ли это. И мы для них сконструировали специальный выключатель, с помощью которого поросята своими пятачками могли сами включать и выключать нагреватель. У них довольно скоро выработался соответствующий рефлекс, и они стали сами регулировать температуру в помещении. Оказалось, что им жарко. Ночью они снижали температуру градусов на десять! Вдвое снизился расход электроэнергии, и расти они стали лучше!
— Вот бы у нас в классе такой регулятор поставили,— мечтательно произнес кто-то.— Как у поросят. А то либо в пальто сидишь, либо жарко — дышать нечем!
— Точно! А что — поросятам можно, а нам нет? — веселились ребята.
— Интересно, что не только поросята, но и вовсе бессловесные растения могут сами устанавливать подходящую температуру, освещенность, другие параметры,— сказал Изобретатель.— Советские биологи поставили вазон с растением на тележку, снабженную мотором. Растение облепили датчиками, реагирующими на малейшее движение листьев. С одной стороны поставили яркую лампу. Известно, что если растению мало света, его листья тянутся к нему, а если света избыток — от него. Эти слабые движения через датчики и усилители включали мотор тележки. И растение «катается», выбирая наилучшее место. Сразу выяснилось, что нужная растению доза света зависит от многих факторов, от времени суток, температуры воздуха, режима полива, подкормки и т. д. А росло это растение куда лучше неподвижных, обреченных получать света «сколько дадут». Одно такое растение может управлять освещенностью во всей теплице! Словом, если можно избавиться от измерений и перейти на прямое управление — отлично! — Но бывает, что данные измерения важны сами по себе, например при проведении научных исследований,— возразил Физик.
— Конечно, такие ситуации возможны,— ответил Изобретатель.— Этот случай в ТРИЗ предусмотрен.
Рекомендация 2. Если дана задача на измерение и нельзя ее перевести в задачу на изменение системы, целесообразно перевести ее в задачу на обнаружение.
Задача 29. Во время войны немцы применили магнитные мины, которые взрывались при прохождении над ними корабля, корпус которого всегда немного намагничен. Одну такую мину выловили, обезвредили и изучили, после чего советские физики под руководством И. В. Курчатова и А. П. Александрова создали специальные устройства для размагничивания кораблей. Благодаря им ни одно наше судно не погибло от магнитных мин. В этой работе возникла проблема: как после размагничивания надежно убедиться, что размагничивание хорошее? К сожалению, даже самые точные измерительные устройства не давали гарантии, что судно не пострадает, не исключались ошибки. Как быть? Ребята задумались. Тогда Изобретатель спросил:
— Какое испытание могло бы абсолютно надежно гарантировать, что корабль не взорвется?
— Для этого нужно провести испытание на настоящей мине. Только разве это возможно? А если плохо размагнитили?
— Тогда корабль подорвется. Конечно, так рисковать нельзя. Сформулируйте противоречие, которое у нас получается».
— Под кораблем должна быть мина, чтобы точно знать, что корабль размагничен, и не должна быть мина, чтобы не было риска взорваться.
— Нужна какая-то особая мина,— рассуждали ребята.— Да это же просто! Ведь в условии задачи было сказано, что наши моряки отловили и обезвредили вражескую мину! Вот такую мину без взрывчатки нужно опустить на дно и провести над ней корабль. Если не сработает, значит — все в порядке!
— А если корабль все-таки недостаточно размагничен? Как это узнать? — Так ясно же. Раньше сигналом недостаточного размагничивания был взрыв, а теперь — звук сирены, например!
— Вот видите, вместо того, чтобы измерять остаточное намагничивание, то есть очень малые значения, а значит, и с большой погрешностью, перешли к обнаружению критической величины — намагничивания, при котором происходит срабатывание мины,— отметил Изобретатель.
— Хорошо, действительно, обнаружение всегда проще измерения, но ведь бывает, что нужно знать и точную величину,— снова возразил Физик. — Любое, даже сверхточное измерение ведется с определенной точностью. Например, для обычной школьной линейки эта точность — половина деления. Это значит, что если мы говорим, что длина какого-то объекта равна 10 мм, то на самом деле эта длина находится в пределах 10±0,5 мм. Поэтому зовсе нет необходимости измерять ее точно, а достаточно определить, попадает ли она в интервал 9,5—10,5 мм. Если попала — смело можно писать — 10 мм. Так что любое измерение можно заменить двумя обнаружениями: если х>а, х<b и а<b, значит, х находится между а и b. Кроме того, в измерительных системах есть интересное свойство: чем больше мы знаем об измеряемом объекте в целом, тем меньше нам нужно информации, чтобы поставить диагноз. Например, такую болезнь, как диабет, раньше довольно трудно было распознать, приходилось учитывать множество признаков, часть из которых характерна и для других болезней. Но сегодня можно диагностировать диабет по одной характеристике — количеству сахара в крови. Благодаря тому, что мы много узнали об этой болезни, сложное обследование заменено простым анализом.
— Вот какой случай был в моей изобретательской практике. Мы определяли допустимые температуры для одной радиосхемы. Ее помещали в горячий термостат, предварительно облепив в разных местах термопарами. Несколько приборов записывали изменение температуры по данным термопар. Данные эти расшифровывали и определяли самое горячее место на схеме. Но из-за сложности измерений точность их была невысока, тем более что в каждую точку схемы термопару не поставишь. И тогда мы выкинули все термопары и достали термокраску — она меняет необратимо свой цвет в зависимости от температуры. Покрыли ею плату — и в печь. Теперь мы точно узнали самое горячее место на схеме и больше всю ее не красили — ставили точку в этом месте. Если изготавливать такие схемы большими партиями, можно на основании полученных данных так отладить режим нагрева, что и точку ставить не понадобится: конвейер внесет схему на точно определенное время в нагретую до заданной температуры зону и точная температура нагрева платы обеспечена.
— Рекомендации хорошие, — согласился Физик.— Но я думаю, веполи и здесь должны помогать.
— Да, и в случае, когда что-то нужно измерить, обнаружить, а в системе нет ничего подходящего для этого, нужно достроить измерительный веполь. Чаще всего это делают, вводя вещество В2, связанное с измеряемым В1, с одной стороны, и с легкообнаруживаемым полем П, с другой. Например, ферромагнитный порошок связан с магнитным полем, а светящееся вещество — люминофор — с электромагнитным (оптическим). Иногда В2 само поле не создает, а только помогает обнаружить поле, которое есть в системе. Схематически это выглядит так:
Задача 30. ...Резина совершенно «лысая»? Да какая же она лысая! Совершенно новенькая покрышка, на той неделе только поставил,— спорит шофер с автоинспектором. Как объективно и четко определить, сносился протектор на шине или нет?
— Допустим, В1 — это шина. Нужно ввести В2 с каким-то полем. Наверное, нужно перебрать поля по МАТХЭМ?
— В принципе можно. Но лучше начинать с других полей — тех, которые легко обнаруживаются с помощью органов чувств человека, без специальных приборов. О каких органах чувств идет речь?
— Зрение, слух. — Хорошо, с помощью зрения можно определить цвет, свечение, фактуру поверхности, другие особенности, на слух — разные звуки, высоту (частоту) звуков, их последовательность. А еще какие органы чувств у человека?
— Еще запах, вкус, но они, наверное, не подходят.
— Почему же? Есть отрасли промышленности, где без них не обойтись, например парфюмерная, табачная, пищевая промышленность! Там продукцию проверяют и на запах, и на вкус. Да и осязание не простаивает — можно чувствовать вибрации, толчки, разные рельефы.
— В ухо, в брюхо, в нос и в глаз! — это выкрикнул мальчик с задней парты.
— Что, что?
— Есть такие детские стихи Маршака, кажется, о том, как папа с сыном гуляли, и там сказано:
А потом стреляли в тире
В леопарда десять раз.
Папа шесть, а я — четыре.
В ухо, в брюхо, в нос и в глаз!
Получается, что здесь все измерительные поля перечислены, а запомнить очень легко.
— Отлично. Давайте будем пользоваться, но не забывайте, что, конечно, больше всего информации человек получает через зрение — почти 90%. Так как же с нашей шиной?
— Нужно, чтобы когда шина сносилась, это было очевидно и не нужно было спорить.
— А как это сделать? — Заложить в нее заранее что-то. Когда шина сотрется, оно будет всем хорошо видно.
— Красную тряпку заложить! Тогда не спутаешь.
— Ну что же, решение хорошее. Только, конечно, никто тряпки в шины закладывать не будет, просто при изготовлении закладывают слой красной резины. Как появилось красное — никаких споров!
Задача 31. При подготовке к подземным взрывам сначала бурят скважину, потом взрывают в ней небольшой заряд — получается круглая подземная полость. Потом ее заполняют взрывчаткой и производят основной взрыв. Но перед этим необходимо промерить размеры полученной полости. Для этой цели разработали сложную телевизионную систему, которую опускали в полость, и по полученному изображению на экране определяли размеры. Система получилась дорогой и ненадежной. Как быть?
— Есть В1 — стенки полости. Нужно их «увидеть» без телевизора. Достраиваем веполь — вводим В2 и поле П.
— Хорошо. Как будем выбирать поле? — Полость в земле, так что на органы чувств надеяться нельзя. Не увидеть, не услышать...
— Тогда МАТХЭМ? — Давайте. — Через слой земли могут пройти только колебания и магнитное поле. Но по колебаниям измерять размеры сложно.
— А с магнитным как? Полость-то немагнитная!
— А про В2 забыли? Можно ввести железный порошок! — Это им нужно все стенки полости облепить! Вот работка...
— Действительно, возникла новая задача. Как нанести порошок? — Нужно новый веполь строить! В1 —железо, В2 — стенки. Нужно поле, которое нанесет железо на стенки. Снова МАТХЭМ.
— Механическое поле...
— Постойте, ведь у нас механическое поле есть — это взрыв!
— Правильно, пусть взрыв и нанесет порошок на стенки!
— А зачем порошок? Просто заряд поместить в металлический стакан, после взрыва его осколки застрянут в стенке.
— Зачем стакан? Обыкновенная граната подойдет. Мы уже говорили о том, что поле в системе есть, но его трудно обнаружить. Практически любой процесс, происходящий в природе, в организме или в какой-то машине всегда чем-то дает о себе знать — шумом, изменением электрических или магнитных полей, другими полями. Нужно уметь так достроить веполь, чтобы эти обычно слабые, плохо регистрируемые поля преобразовать в легко обнаружимые. Вот, например...
Задача 32. Подъезжает к элеватору машина с зерном. Нужно узнать, не заражено ли зерно вредителем — зерноедкой.
Работа сложная:
лаборант берет сотню зерен, раскладывает их и внимательно
рассматривает, нет ли в них маленьких червячков или следов прогрызенных
ими ходов. Как усовершенствовать проверку?
Строим веполь. В1 — зерноедка. Есть и какое-то поле, характерное для зерноедки. Но какое? Тепловое? Нет, она холоднокровная. Механическое? Акустическое? Точно, звуковое! Ведь зерноедка грызет зерно? Значит, должен быть от этого шум!
— Так он же, наверное очень слабый! Разве его можно услышать?
— А микрофон на что? Звук можно усилить?
— Верно! Если поднести микрофон к зараженному зерну, а еще лучше засунуть его внутрь груды — по звуку можно опознать зерноедку. Интересно, что можно «подслушивать» даже такие звуки, как рост колоса или дерева, циркуляцию жидкости в них. И тогда можно определить, не нуждается ли растение в поливе, подкормке. По звуку можно определять и поломки машин. Сегодня очень быстро развивается специальное направление в дефектоскопии (определение дефектов материала) — так называемая акустическая эмиссия. Оказывается, любое воздействие на металл, приводящее к его деформации — сжатию, растяжению, изгибу, сопровождается излучением звуковых колебаний, которые можно использовать для диагностики металла. То же самое происходит при нагреве, протекании электрического тока, намагничивании и т. д. Только обнаружить эти звуки непросто — нужны специальные высокочувствительные датчики, способные «прослушивать» металл на любых частотах, усилители, преобразователи. Кроме того, полученные сигналы нужно расшифровывать, их ведь может быть очень много от разных источников. Здесь не обойтись пока без ЭВМ. Но давайте присмотримся внимательнее к вепольной группе.
— Кристалл кварца преобразует механическое поле в электрическое и наоборот! — подсказали ребята.
— А призма превращает белый свет в радугу! — Хорошо, что вспомнили про призму,— сказал Физик.— Мы в студенческом КБ еще такую задачу решали.
Задача 33. Нужно было придумать систему измерения температуры в цементной печи. Сначала взяли обычный оптический пирометр — прибор, позволяющий узнать температуру по цвету нагретого тела. Он устроен просто: спиральку нагревают электрическим током, наводят на огонь или нагретое тело и постепенно поднимают с помощью регулятора температуру, пока цвет спиральки не сольется с цветом тела. Тогда температуру спиральки определяют по регулятору — она равна температуре в печи.
— Обратите внимание,— прервал его Изобретатель,— задача сводится к обнаружению момента совпадения вместо измерения температуры непосредственно.
— Да, но только вскоре выяснилось, что все это не годится — прибор измеряет температуру газового пламени, а нам нужна была температура шихты — материала, из которого получается цемент, а она всегда ниже. Тогда решили вместо пирометра воспользоваться спектрометром. Дело в том, что спектр нагретого твердого тела сплошной, цвета плавно переходят друг в друга и определяются температурой нагрева, а спектр газа, пламени всегда линейчатый — между цветными полосками черные. Оставалось только найти специальный фильтр, который «вырежет» участок сплошного спектра шихты в зоне, где нет линий газа. Эти фильтры оказалось очень трудно достать. Но мы все-таки их нашли.
— Я не совсем понял, в чем задача? В том, чтобы фильтры достать? Я их и искать бы не стал,— сказал Изобретатель.
— А как же вырезать нужный участок?
— Нужно с помощью призмы разложить свет — получится разноцветная полоска. А спектрометром нужно смотреть в том месте, где нет полос от пламени...
Физик, казалось, онемел.
— Вот жалость,— наконец сказал он со вздохом.— Знал бы ТРИЗ десять лет, назад...
ИГЗ: Холодно... Теплее... Горячо!
ЗАДАЧИ:
ИГЗ:
ХОЛОДНО... ТЕПЛЕЕ... ГОРЯЧО!
С чего же начать рассказ о тепловом поле? — задумался Изобретатель. —
Оно ведь самое вездесущее. Не всегда есть электрическое или магнитное
поле, мо-жет не быть никаких звуков или переме¬щений, но какая-то
температура всегда
есть. Впрочем нас интересует действие, работа, которую может совершать
тепловое поле, а для этого должна существовать разность температур, ее
изменение. Интересно, что получить эту разность можно самыми разными
способами, ведь любое поле может переходить в тепловое, минуя
промежуточные процессы! Решено. Начну с путей создания теплового поля. 
Механическое поле человек освоил еще в
древности, получая огонь
трением или ударами камней друг о друга (высеканием). А нагрев с
помощью аэродинамического трения — сравнительно новое изобретение. ПАП
— печь аэродинамического подогрева — это замкнутая труба с размещенным
внутри нее мощным вентилятором. Вся его механическая энергия
превращается в тепло благодаря трению прогоняемого воздуха о стенки
трубы и внутреннему трению. Такие печи обеспечивают равномерный
нагрев. Выделяется тепло и при
сжатии газа. Этим эффектом воспользовался
Рудольф Дизель при создании двигателя, названного потом его именем.
Дизельный двигатель значительно проще других двигателей внутреннего
сгорания: не требуется сложное устройство поджигания топлива, оно само
вспыхивает, когда впрыскивается в цилиндр и соприкасается с воздухом,
разогретым за счет сжатия поршня. Использование дизельных двигателей
в танке Т-34 спасло жизнь тысячам советских танкистов, ведь топливом
для него служит не легко воспламеняющийся бензин, пары которого
проникали в кабину танка и часто взрывались при попадании снаряда, а
гораздо более дешевая солярка, которая так просто не загорится.
С конца прошлого века дизель служит человеку. А совсем недавно появились химические реакторы сжатия, очень похожие на них. 10—20 раз в секунду поршень сжимает газовую смесь до давления в полторы сотни атмосфер, при этом на миг температура в реакторе поднимается свыше 2000 градусов. Происходят удивительные химические реакции, продукты которых выбрасываются из цилиндра обратным ходом поршня, и тут же цилиндр заполняется новыми реагентами. Эффективность такого «дизель-реактора» во много раз выше, чем обычных химических аппаратов.
Не нужно забывать и об «отрицательном»
тепловом поле — холоде. Его тоже
несложно получать с помощью механики.
В тридцатых годах французский инженер-металлург Жорж Ранк исследовал
циклонные сепараторы, предназначенные для очистки воздуха от пыли.
Запыленный воздух в них закручивается, более тяжелая пыль отделяется
и собирается в специальные улавливатели. При этом Ранк обнаружил
странное явление: центральные слои газа, выходящего из циклона, имели
температуру ниже, чем у исходного газа. На основе этого эффекта
создана вихревая труба — один из самых простых по своему
устройству
холодильных приборов. В небольшую трубку сбоку входит сжатый воздух.
Воздушный поток сильно раскручивается. В центре расположена тонкая
трубочка, отбирающая более холодный воздух, а широкая труба с другой
стороны отбирает теплый. Вот и вся конструкция. Конечно, у реальных
приборов она посложнее, там есть еще и регулирующие элементы. Но сама
идея вихревой трубы удивительно проста! Почему же они еще не заменили
наши обычные и довольно сложные холодильники? Потому, что коэффициент
полезного действия у них пока меньше. Но в тех случаях, когда в первую
очередь требуется безотказность и простота конструкции, а не
энергетика (а таких немало), вихревая труба вне конкуренции. Самое
интересное: до сих пор нет теории, удовлетворительно объясняющей
природу эффекта Ранка. Последнюю строчку Изобретатель подчеркнул.Акустическое поле: вибрации,
колебания, звук — все это в конечном счете рассеивается в пространстве,
превращается в тепло. А в холод? Нет, такие преварщения неизвестны.
Интересно, сколько тепла может дать звук? Изобретатель взглянул на
висящие на стене акустические колонки стереопроигрывателя. Он никогда
не включал их на полную мощность — 10 ватт. Слишком много для
небольшой комнаты, можно оглохнуть. 10 ватт — это много? Если перевести
в тепло, то окажется, что за час удастся с их помощью нагреть один литр
воды всего лишь на 9 градусов — тоненькая свечка дает тепла в несколько
раз больше.Свечка — это уже химия.
Горение — химическая экзотермическая реакция, то есть идущая
с выделением тепла. Очень много разновидностей таких реакций. И ничуть
не меньше реакций эндотермических с поглощением тепла.Электрическое поле. Конечно, оно может
греть: каждый видел электрическую плитку и утюг. По спирали идет
электрический ток, нагревая ее. Видели и как плавит металл
электрическая дуга при электросварке. Нагревом сопровождается
прохождение по проводнику как переменного, так и постоянного тока.
Греет электропроводные материалы и переменное магнитное поле, возбуждая
в них вихревые токи. А если материал еще и могнитный, то к вихревым
токам присоединяется и нагрев за счет потерь энергии на
перемагничивание — поворот под действием магнитного поля отдельных
микроскопических участков металла (доменов). А можно ли с помощью электрического
тока что-нибудь охладить? И не после многочисленных преобразований
энергии, а напрямую?Это явление открыл в 1834 году французский физик Ж. Пельтье. Пропуская ток через спай из двух разнородных металлов, он обнаружил, что в зависимости от направления тока спай может как нагреваться, так и охлаждаться. Сегодня установлено, что эффект Пельтье гораздо сильнее проявляется в полупроводниках. И хотя коэффициент полезного действия термоэлектрического холодильника невелик, во многих случаях он отлично служит для охлаждения микроэлектронных утсройств, лазеров, в космической технике, медицине. Такие холодильники устанавливают в музеях для обеспечения температурного режима хранения экспонатов. Созданы костюмы с термоэлектрическим охлаждением для рабочих горячих цехов, пожаврных, летчиков, танкистов, водолазов и космонавтов.
А вот это что-то новенькое,
— подумал Изобретатель, разлядывая небольшую заметку.
Оказывается, если к раскаленной детали, например к разогретому в
процессе работы шлифовальному кругу, подать высокий потенциал, то она
станет быстро охлаждаться. При перемене полярности охлаждение
замедляется. Таким образом можно управлять скоростью охлаждения детали.
Явление это еще недостаточно изучено. Можно предполагать, что дело
здесь в изменении свойств пограничного с деталью слоя воздуха под
действием электрического поля.Еще удивительнее охлаждающее действие
магнитного поля. Сегодня благодаря ему получают сверхнизкие
температуры, всего на сотые доли градуса не достигающие температуры
абсолютного нуля. Между полюсами мощного включенного электромагнита
помещают криостат — сосуд с многослойными теплоизоляционными стенками.
В сосуде находится вещество, обладающее парамагнетизмом — свойством
очень слабо (в сотни раз слабее, чем обыкновенные ферромагнетики)
намагничиваться во внешнем магнитном поле. Сначала криостат охлаждают
обычными способами: закачивают в него жидкий гелий, затем
откачивают пары гелия до очень низкого давления, гелий продолжает
испаряться и от этого дополнительно охлаждается. И вот когда
возможности обычных способов исчерапаны и температура больше не
понижается, выключают электромагнит. Парамагнитное вещество
размагничивается, поглощая при этом энергию, значит, происходит
дальнейшее охлаждение. Волшебное слово "МАТХЭМ" помогает
получить самые разные температуры. А вот как из измерить? И здесь оно
приходит на помощь. Механика — это перемещение сталбика жидкости в
термометре, изгиб биметаллической пластинки, состоящей из двух слоев
материалов, по-разному расширяющихся при нагреве. Зависимость ряда
акустических параметров материалов от температуры позволяет и
акустическое поле приспосабливать для ее измерения. И само тепловое
поле дает знать о себе. Уезжает человек в командировку и хочет узнать,
не отключался ли в его отсутствие холодильник. Вариантов много: ледяной
столбик, который растает при выключении холода; будильник, заводная
ручка которого вморожена в ванночку со льдом (пока холодильник
работает, будильник стоит, если лед растаял — начинает идти).Электрическое поле может "сообщать" о
температуре множеством различных способов, например, с помощью
термопар, напряжение на выходе которых пропорционально разности
температур между спаями. Или с помощью термоментров сопротивления, в
которых используется зависимость электрического сопротивления
проводника от температуры.Магнитное поле тоже неплохо
«чувствует» температуру благодаря
нескольким физическим эффектам. Вот сосуд с жидкостью. Температура
жидкости растет, и когда она достигнет определенной величины,
показывается поплавок с надписью «Температура выше допустимой!».
Теперь жидкость можно охлаждать, но поплавок уже не утонет. В чем дело?
Секрет прост: он был прикреплен к стальному дну сосуда с помощью
магнита, при заданной температуре магнит свои магнитные свойства
потерял и отпустил поплавок. Этот эффект — исчезновение магнитных
свойств при определенной температуре — открыл великий французский физик
Пьер Кюри, а температура, при которой это происходит, названа «точкой
Кюри». Точка Кюри может быть самой разной, в зависимости от выбранного
сплава: от десятков до тысяч гра¬дусов. А англичанин Джон Гопкинсон
обнаружил, что вблизи точки Кюри, перед исчезновением магнитных
свойств, магнитная проницаемость вещества сначала резко увеличивается,
а потом быстро падает. Эффект Гопкинсона позволяет измерять
температуру с большей точностью. А еще более точно это делать можно с
помощью эффекта Баркгаузена. Оказывается, изменение магнитной
проницаемости происходит не постепенно, а микроскопическими скачками,
вызываемыми поворотом доменов. Подсчитывая количество «скачков»
Баркгаузена, можно очень точно измерять температуру ферромагнитных
тел. Требования к повышению точности
измерения температуры все возрастают. И
вот уже объединяются два способа измерения: обычная биметаллическая
пластинка свернута почти в кольцо. Она чутко реагирует на изменения
температуры движением своих концов, вот только заметить это движение
очень трудно. Но этого и не нужно делать: на концах пластинки намотаны
две электрические обмотки, в одной из которых создается переменное
магнитное поле, а в другой — измеряют индуцированное напряжение. При
самом незначительном изменении положения концов пластинки резко
меняется ток во второй катушечке, и это изменение легко фиксируется. А как же измеряли температуру в
древности, когда никаких приборов для
этого просто не существовало? Как закали¬вали дамасскую (булатную)
сталь? Ведь для этого требовалось довольно точно выдерживать
температурный режим!Пожилые опытные термисты — специалисты по термической обработке стали — часто даже не смотрят на висящие перед печами термопары. Гораздо больше может рассказать о происходящем в печи сама сталь, цвет ее каления. Если он ярко-белый, значит, температура около 1300 градусов; темно-вишневый — около 750; темно-коричневый, свечение почти пропадает — 550 градусов. А если температура пониже? Изобретатель пошел на кухню и, зажав в плоскогубцах обычный гвоздь, стал нагревать его в пламени газовой горелки. Когда гвоздь остыл, на его прежде блестящей поверхности показалась радуга: от соломенно-желтоватого (220 градусов) до светло-серого (350 градусов) цвета. А между ними золотистая, пурпурная, фиолетовая, синяя полоски. По этим цветам, возникающим из-за окисления поверхности металла (их называют «цветами побежалости»), опытный мастер определит температуру, до которой была нагрета стальная деталь.
Задача 34. В лаборатории проводили исследования нового сплава. Образец нагревали в печи до определенной температуры и после остывания изучали под микроскопом. Следующий образец нагревали на градус больше и т. д. Нужны сотни образцов, долгая работа. Нельзя ли провести исследования проще и быстрее?
Задача 35. Реактивный двигатель, отработав свой ресурс в воздухе, еще вполне может работать на земле, где случайный отказ в работе не чреват аварией. Например, реактивная струя отлично сдувает с летной полосы снег, А вот со льдом труднее, он прочно сцеплен с бетоном.. Как быть?