Задача 21 Задача 22

© Альтшуллер Г.С., "Техника и наука", 1980, №11
КАК СЧИТАТЬ БУЛЬБЫ
ИЛИ ИСКУССТВО ПО-СОВРЕМЕННОМУ ИСПОЛЬЗОВАТЬ СОВРЕМЕННЫЕ МАТЕРИАЛЫ

Задача 20 (она помещена в предыдущем выпуске "Практикума") на первый взгляд кажется незамысловатой. К поплавку, находящемуся в емкости с топливом, подведен проводник. При наполнении емкости поплавок соприкасается с "потолком", замыкая сигнальную электрическую цепь. Простая и надежная система имеет лишь один недостаток: соприкосновение поплавка с "потолком" емкости сопровождается искрообразованием. Но разве это проблема для современной техники?.. Когда задачу 20 даешь на семинарах, слушатели пожимают плечами: пожалуйста, можно предложить множество других схем! Исходная схема очень проста: поплавок, корпус емкости, электрический ток. Поэтому различие между возможными вариантами кажется незначительным. Установим, например, на поплавок магнит, сделаем "потолок" (или его часть) из магнитопроницаемого материала, расположим на внешней стороне "потолка" герметичный магнитоуправляемый контакт. Искрообразование устранено- и, в общем, без существенного усложнения системы. Сомнения появляются только при очень пристальном разглядывании решения. А вдруг поплавок мал, и сильного магнита на нем не расположишь? Допустимо ли делать "окно" в стальном корпусе? Как быть, если снаружи сильные магнитные поля? Может быть, емкость меняет положение в пространстве, и неизвестно, где именно поплавок коснется корпуса?.. Условия задачи не отвечают на эти вопросы. Допустим, опасения напрасны. Задача решена, но... нет изобретения!

Попробуем теперь использовать правила ТРИЗ, изложенные в предыдущем выпуске "Практикума".

Сформулируем мини-задачу: система остается без изменений, но искрообразование прекращается. Сразу возникает психологический барьер. Раз нет изменений в системе, искрообразование не прекратится. На одном из семинаров после перехода к мини-задаче поднялся слушатель и сказал: "Это принципиально невозможно! Чтобы при старой схеме не возникали искры, поплавок и "потолок" не должны быть соединены с источником тока. Источник надо подключать только тогда, когда контакты плотно прижаты друг к другу. То есть надо уловить момент соприкосновения контактов и только после этого замкнуть цепь. Но если мы знаем, когда поплавок прижался к "потолку", зачем нам сигнал об этом?!" Слушатель сел, довольный логикой своих рассуждений, а в аудитории сразу же послышались голоса: "Ток должны давать сами контакты при соприкосновении... Использовать контактную разность потенциалов... Пьезоэффект... Эффект Зеебека..." В контрольном ответе по задаче - эффект Зеебека: "...контакты корпуса и поплавка выполнены из разнородных металлов, например меди и константана, образующих при замыкании холодный спай термопары, а другой спай, расположенный вне объекта контроля, снабжен источником подогрева" (а. с. № 504932).

Преподаватель спросил: кто первым справился с задачей? После шумного обсуждения согласились - первым задачу решил скептик, доказавший невозможность ее решения. Он четко сформулировал физическое противоречие: источника тока не должно быть до соприкосновения контактов (чтобы не возникали искры), и он должен быть после соприкосновения контактов (чтобы был сигнал). Противоречивые требования относятся к разному времени, это упрощает задачу. Все сводится к вопросу: как сделать, чтобы до соприкосновения контактов не было разности потенциалов, а после соприкосновения эта разность автоматически возникла? Достаточно перейти от вопросительной формы к утвердительной, чтобы получить идею использования контактной разности потенциалов.

Общая идея этого решения выходит за рамки одной задачи. Везде, где есть контакт двух разнородных веществ, в принципе могут быть созданы и использованы контактные (в частности, термоэлектрические) явления. Например, в а. с. № 356489 система "обрабатываемая деталь - режущий инструмент" работает как термопара для измерения температуры резания. Аналогичное решение применено в а.с. № 568538: каркас шлифовального круга сигнализирует о температуре в зоне шлифования. По а.с. № 254187 эффект Зеебека используют для определения марок стали (один контакт эталонный, ЭДС зависит от состава стали). Применяют (увы, не очень часто) и эффект Пельтье, обратный эффекту Зеебека. Так а.с. № 268139 предлагает упростить сварку давлением за счет создания на свариваемых деталях разности потенциалов.

Задача 21. Рассмотрите машины, механизмы, приборы, с которыми вам приходится постоянно работать. Нельзя ли использовать в них названные эффекты?

Когда-то инженерные сооружения создавались из очень ограниченного числа материалов с почти неизменяемыми свойствами. В распоряжении современного инженера огромный выбор материалов и возможность в очень широких пределах управлять их свойствами. Простор для комбинирования почти неограниченный! Но в большинстве случаев мы используем материалы как в древности, забывая, что система, построенная из современных материалов, способна одновременно работать механически, электрически, оптически и т. д.

Можно привести такой пример. Ваеры (стальные тросы, на которых опускают трал) должны сходить с лебедок синхронно - иначе произойдет перекос трала. Во время его спуска у лебедок стоят дежурные, подсчитывают число бульб - пеньковых утолщений в стальном канате - и зычными голосами выкрикивают, сколько бульб ушло под воду. Хорошо, если погода спокойная, нет качки, а бульбы новые. Но даже при самых благоприятных условиях не исключена ошибка: стальные ваеры, работая в режиме больших нагрузок, вытягиваются, и расстояния между бульбами меняются. Несколько лет назад поняли, что стальные тросы- не веревка: на стали можно записывать (а потом считывать) магнитные метки. Необходимость в таком решении и возможность его реализации появились еще в 40-е годы. Но моряки считали бульбы до конца 70-х. История, дающая обильную информацию для размышлений...

Задача 22. При производстве микропровода (диаметр - несколько микрометров) иногда образуется брак: вместо круглого сечения - овальное. Обычный способ обнаружения брака состоит в том, что отрезок провода исследуют с помощью электронного микроскопа. Но для этого приходится прерывать производственный процесс. Оптические способы хорошего решения не дают: диаметр провода мал, лучи обтекают провод (явление дифракции). Сложны и ненадежны другие известные способы (индуктивный, емкостный). Как быть?

Не спешите перебирать варианты. Давайте порассуждаем. У нас два вещества- металл и воздух вокруг него. Вепольный анализ подсказывает: если ввести поле, заставляющее эти вещества взаимодействовать, образуется хорошо управляемая вепольная система. Какое же поле ввести? Мы только что говорили о контактных явлениях. Правда, в задаче 22 одно из веществ- газ. Но все равно: используем по аналогии с эффектом Пельтье электрический ток. Какое явление при этом возникает? Как его применить для непрерывного контроля овальности микропровода?

Ждем ваших писем.

Г. АЛЬТШУЛЛЕР,
инженер.