© Альтшуллер Г.С., "Техника и наука", 1981, №1. – С.17-19.
ФИЗЭФФЕКТЫ - ИНСТРУМЕНТЫ ТЕХНИЧЕСКОГО ТВОРЧЕСТВА

Десять лет назад в учебные программы школ и семинаров по ТРИЗ был введен курс "Применение физических эффектов и явлений при творческом решении технических задач". Первоначально предполагалось, что курс раскроет возможности сравнительно малоизвестных эффектов, с которыми инженера не познакомили в вузе. Выяснилось, однако, что в первую очередь необходимо учить творческому применению физики, хорошо известной инженеру еще со школьной скамьи. Ее возможности поистине неисчерпаемы. Поэтому современный курс применения физэффектов имеет целью, прежде всего, "оживить" уже имеющиеся знания и лишь затем начинается освоение физической "экзотики".

Для слушателей школ ТРИЗ в свое время был подготовлен "Указатель применения физических эффектов и явлений". В его основе - анализ многих тысяч авторских свидетельств и патентов. Была использована также и обширная физическая литература, книги и статьи по конструированию исследовательской аппаратуры и т. д. Указатель построен в соответствии с традиционным делением физики на разделы - механику, теплоту и т. д. Однако инженеру чаще всего неизвестно - в каком именно разделе надо искать эффект, необходимый для решения новой задачи. Более того, многие трудные задачи требуют применения различных сочетаний физэффектов. В этой связи возникла идея использовать в качестве посредника между задачами и физикой вепольный анализ (статью об основах вепольного анализа см. в "ТиН", 1979, № 4). Условия задачи всегда можно представить в виде вепольной схемы, указав, какие вещества и поля даны и как они между собой связаны. С другой стороны, каждый физэффект имеет свою вепольную схему, можно составить свод таких схем. Сопоставление того, что дано (или требуется получить) с вепольными схемами физэффектов, позволяет определить эффект, необходимый для решения.

С 1975 г. началась работа над принципиально новым "указателем", в котором эффекты и явления объединены в группы - в зависимости от сходства вепольных формул. По мере подготовки, разделы нового "указателя" испытывались в школах ТРИЗ. Практика подтвердила целесообразность использования вепольного анализа как моста между задачами и физикой.

С этого номера "Техника и наука" приступает к публикации некоторых наиболее интересных разделов нового "указателя".

В журнальном варианте его текст пришлось сжать, выбрав самое важное. По большинству примеров даны лишь номера авторских свидетельств. Поэтому мы рекомендуем после проработки каждой статьи найти и прочитать упомянутые в ней описания к авторским свидетельствам (или хотя бы патентные формулы из "Бюллетеня изобретений"); это позволит получить более полное представление об особенностях применения физэффектов.

Вообще, на публикуемые разделы "указателя" следует смотреть как на основу для самостоятельной дальнейшей работы по накоплению фонда физэффектов: журнальный материал надо сохранять и регулярно пополнять новыми данными из физической, технической и патентной литературы.

Для удобства применения каждая глава "указателя" снабжена таблицей, позволяющей по требуемому задачей действию найти нужный раздел. Некоторые действия в таблицах повторяются: например, небольшие, но точные перемещения могут быть осуществлены и за счет теплового расширения, и магнитострикции, и обратного пьезоэффекта. Поэтому, "суммировав" таблицы, читатели смогут сами составить компактную сводную таблицу.

Каждый раздел включает учебные задачи на применение рассмотренных физэффектов. Периодически мы будем давать обзоры присланных решений, рассматривать наиболее интересные предложения.

Хотелось бы, чтобы читатели журнала приняли самое активное участие в работе над дальнейшим совершенствованием методов применения физики при творческом решении технических задач. Просим присылать замечания и соображения, информацию об оригинальном использовании физэффектов, сведения о практическом применении публикуемых материалов, новые задачи.

ТЕПЛОВОЕ ПОЛЕ - В МЕХАНИЧЕСКОЕ

1.1. ВМЕСТО ВВЕДЕНИЯ

1.1.1. Известный изобретатель П.А.Радченко рассказывает:
- Однажды испытывал я свои конфорки на саратовском заводе "Тяжмаш". Узнал, что они выпускают и бойлеры, да и показал им образец развальцованной льдом трубы. Поглядели: чисто сделано, без царапин. Спрашивают - как? А я говорю: "Мы нашли такое вещество, которое затвердевает, расширяется и раздает трубы, а через 10 минут превращается в жидкость и вытекает". Они тогда: "А где такое вещество достать? Наверное, очень дорогое и дефицитное?" "Да, нет,- говорю,- не очень". И смешно мне, и рассказать хочется, а знаю - нельзя, пока авторское не выдано. Теперь-то они в курсе дела, знают, что это "дефицитное" вещество - просто вода...

В учебнике природоведения для 4-го класса в разделе "Отчего лопнула бутылка" объяснено: замерзающая вода может совершать механическую работу. Возникновение больших механических усилий при замерзании воды в закрытом сосуде рассматривается и в учебнике физики для 9-го класса. В вузе общий курс физики и специальные дисциплины вновь и вновь напоминают будущим инженерам о явлениях, связанных с фазовыми переходами. И все-таки, столкнувшись с новыми техническими задачами, инженер нередко громоздит одно сложное устройство на другое, не догадываясь применить хорошо знакомый физэффект...

1.1.2. В вепольной форме развальцовку льдом можно записать так:

Вещество (инструмент) В2 преобразует тепловое поле Пт в механическое, действующее на вещество (изделие) В1. Подобные структуры получили в вепольном анализе название теполей. Пт может быть как "полем нагревания", так и "полем охлаждения", а В2 может находиться в любом агрегатном состоянии. Различными могут быть и физические процессы, происходящие в В2. Чаще всего в теполях используют тепловое расширение и фазовые переходы.

1.2. ТЕПЛОВОЕ РАСШИРЕНИЕ (ТР)

1.2.1. В простейшем случае ТР твердотельного металлического В2 применяют для небольших, но точных (долей мкм) перемещений. Так, в старом авторском свидетельстве 46716 микроперемещение осуществляют, нагревая пружины, оттягивающие стол станка. Авторские свидетельства на технические решения, связанные с применением ТР, выдают и по сей день, хотя речь идет обычно о применении эффекта, так сказать, по своему прямому назначению. Примеры: а. с. 218308 (управление элементами приборов), 347148 (растягивание стержней), 424238 (управление регулировочными винтами), 712594 (монтаж нефтепроводов).

1.2.2. Обратное применение ТР: измерение температуры по величине теплового удлинения (например, в термометрах). При измерении температуры подвижного В1 подвижным должно быть и В2 (инструмент). Пример: а. с. 651208.

1.2.3. В а. с. 189281 на способ подналадки станка предложено многократное применение ТР: по-разному нагревают и охлаждают разные элементы системы для получения суммарного результата, который нельзя получить одинарным применением ТР. Здесь проявляется одна из закономерностей поэтапного развития технических систем:

Первый этап. Применяют одну систему С для получения результата P1.

Второй этап. Объединяют много разных систем типа системы С в надсистему (НС), дающую новый результат Р2.

Третий этап. Р1 и Р2 (а иногда и новый результат Р3) достигаются без прямого использования С и НС.

1.2.4. Примером технического решения, соответствующего третьему этапу, может служить а. с. 356416. Для теплового удлинения стержней требуется время. Как быть, если необходимо срабатывание в доли секунды? Предложено использовать сжатие стержней, предварительно растянутых нагревом и закрепленных в нагретом состоянии. В нужный момент освобожденный стержень сразу укорачивается. Нагрев есть и его как бы нет - он произведен заранее.

1.2.5. При нагревании пластинки происходит увеличение ее площади, в том числе и площади отверстий. Примеры: по а. с. 476450 дозировку малых количеств газа ведут, нагревая капилляр, через который перетекает газ; по а. с. 309758 используют ТР для извлечения оправки после волочения трубы.

1.2.6. ТР способно создавать весьма значительные усилия. Примеры: а. с. 236279 (прессование), 336421 (тепловой двигатель), 711707 (стяжка разъемного индуктора) и т. д. При достаточно больших (или очень быстрых) изменениях температуры, ТР можно использовать для разрушения веществ.

1.2.7. ТР - один из физэффектов, давно используемых в техническом творчестве. Но и в наше время возможны оригинальные применения ТР. Например, а. с. 595468: "Способ усиления изгибаемых железобетонных конструкций путем создания растягивающих усилий в сжатой зоне, отличающийся тем, что, с целью обеспечения временного повышения несущей способности железобетонных конструкций, растягивающие усилия в сжатой зоне создают нагревом арматуры до 200-400 С при пропускании электрического тока". Здесь использован в высшей степени интересный и перспективный принцип энергетического упрочнения конструкции на время ее работы. В конструкцию "накачивают" электроэнергию (дающую тепло) - и пока идет "накачка", несущая способность конструкции существенно выше обычной. Нетрудно представить, насколько заманчиво использование такого принципа, например, в подъемных кранах или глубоководных аппаратах.

1.2.8. Рабочим телом при использовании ТР могут быть и металлоиды (парафин в патенте США 3 626 346), жидкости (а. с. 463423) и газы (а. с. 735256).

1.3. СДВОЕННЫЙ ЭФФЕКТ ТР (БИ-ЭФФЕКТ)

1.3.1. Если В2 состоит из двух веществ В’2 и В"2 с разными коэффициентами теплового расширения, возникают новые явления, обусловленные взаимодействием изменяющихся В’2 и В"2. Следует отметить, что многие физэффекты относятся к числу би-эффектов; например, преломление света при прохождении через границу двух сред, возникновение биений при сложении двух близких по частоте колебаний и т. д.). Простейшее применение би-эффекта ТР - изменение формы (изгиб) стержней. А. с. 247159: "Способ направленного бурения скважины с применением искусственных отклонений, отличающийся тем, что, с целью регулирования угла набора кривизны ствола, используют полиметаллический отклонитель и изменяют его температуру".

1.3.2. Би-эффект ТР позволяет получать значительные отклонения при сравнительно небольших перепадах температуры. Это особенно ценно для различных саморегулирующихся устройств. Так, в а. с. 383430 описана рама для проветривания теплиц, которую биметаллические пластины наклоняют в зависимости от изменения температуры воздуха. Аналогичные устройства используют и в саморегулируемых жалюзи радиаторов.

1.3.3. Важное применение би-эффекта ТР- регулирование зазоров в конструкциях. Пример: лабиринтный насос, в котором ротор и статор выполнены из материалов с разными коэффициентами ТР, что позволяет регулировать зазор между ротором и статором (а. с. 275751).

1.3.4. Если зазора нет, и два элемента конструкции соприкасаются, би-эффект ТР можно использовать для фиксирования, сжатия и деформации элементов (а. с. 645773 - зажим деталей, 693102 - развальцовка труб, 637214- создание давления при диффузионной сварке). При достаточно больших усилиях би-эффект ТР можно использовать для разрушения материалов (а. с. 310811 - разрушение горных пород).

1.3.5. В а. с. 312642 предложено применять би-эффект ТР многократно. Интересно отметить, что изобретений, соответствующих третьему этапу (см. 1.2.З.), пока нет или, во всяком случае, они весьма редки.

1.3.6. ТР и би-эффект ТР легко "стыкуются" с другими эффектами, в которых выход зависит от размеров, напряжения, формы или расположения вещества. Например, фазовая пластинка поворачивает плоскость поляризации поляризованного света на угол, зависящий от толщины пластинки. В свою очередь, толщина пластинки зависит от температуры. В сумме - устройство для бесконтактного измерения температуры (а. с. 243889).

1.4. ФАЗОВЫЕ ПЕРЕХОДЫ ПЕРВОГО РОДА (ФП-1)

1.4.1. Типичный пример: "Способ изготовления ребристых труб, заключающийся в раздаче заглушённых труб водой, подаваемой под давлением, отличающийся тем, что, с целью ускорения процесса изготовления, подаваемую под давлением воду замораживают" (а. с. 190855).

1.4.2. Увеличение объема происходит и при застывании висмута. По а. с. 344197 "...герметизирующее устройство выполнено в виде полой кольцевой гибкой камеры, размещенной между дисками и заполненной материалом, меняющим свой объем при переходе из одного агрегатного состояния в другое, например висмутом".

1.4.3. А. с. 319389: минералокерамические режущие пластины, примороженные к резцу, не только прочно держатся и легко заменяются, но и не нуждаются в подводе смазочно-охлаждающей жидкости. Это -один из многих примеров использования ФП-1 для временного крепления деталей.

1.4.4. ФП-1 может быть использован для перемещения тяжелых объектов: "Способ монтажа тяжелых конструкций путем опускания их на рабочее место, отличающийся тем, что, с целью упрощения процесса монтажа, под конструкцией возводят колонны из природных веществ - льда, соли, - которые затем у основания растапливают и растворяют, обеспечивая тем самым уменьшение длины колонн с одновременным опусканием конструкции" (а. с. 194294).

1.4.5. Оригинально применен ФП-1 в патенте США 3566800. В закрытом трубопроводе движется капсула - транспортное средство. Аэродинамическое сопротивление движению капсулы устраняют двумя противоположными ФП-1: перед капсулой создают разрежение, конденсируя газ, а позади капсулы- увеличенное давление за счет испарения.

1.4.6. Испарение сухого льда в замкнутом объеме обеспечивает возможность быстрого безмашинного повышения давления. Пример: а. с. 518667 на способ создания давления в сосудах при контроле герметичности.

1.4.7. Испарение решает также проблему самоудаления монтажных деталей, временно введенных внутрь конструкции, и веществ, попавших туда, например, при струйной обработке (а. с. 715295, патент США 3702519).

1.5. ФАЗОВЫЙ ПЕРЕХОД ВТОРОГО РОДА (ФП-2)

1.5.1. ФП-2 - перестройка кристаллической решетки при изменении температуры. Пример: "Способ преобразования тепловой энергии в механическую... отличающийся тем, что... тело, изготовленное из материала со скачкообразным изменением термодинамических свойств, например из хрома с критической температурой +37 С, периодически нагревают до температуры скачка, после чего изменяют температуру в какую-либо сторону" (а. с. 280104). Применение: термометры (а. с. 263209), двигатели (а. с. 266471).

1.5.2. Перспективный для решения технических задач ФП-2 - превращение белого олова в серое. При таком переходе (при 13,2 С) плотность снижается с 7,3 г/см³ до 5,76 г/см³, т. е. на 26,7 % (у воды при переходе в лед - на 9 %). Теоретически это означает возможность получения весьма высоких давлений (до 100 000 кг с/см²). Но само явление перехода изучено слабо и на практике пока не применяется.

1.5.3. Механизм действия нитинола (сплав никеля и титана):- материала, обладающего "эффектом памяти" (см. "ТиН", 1980, № 5),- также сводится к ФП-2. Основное преимущество нитинола - возможность получения значительных изменений формы, конфигурации деталей при небольшом перепаде температур. Примеры применения: компрессор (а. с. 464709), саморегулирующийся дроссель (а. с. 534617), привод управления клапанами (а. с. 583347), инструмент для развальцовки труб (а. с. 647041).

ТАБЛИЦА ВОЗМОЖНЫХ ПРИМЕНЕНИЙ ТЕПОЛЕЙ