Физика-ключ к сильным изобретениям

Главы из книги "Творчество как точная наука" Г. С. Альтшуллер, 1979

Нетрудно заметить: на макроуровне преобладают простые комбинационные приемы (разрезать, перевернуть, соединить и т. д.), на микроуровне в состав сложных приемов почти всегда входят физические эффекты и явления. На микроуровне мир приемов переходит в мир физики и химии. Отсюда и необходимость обеспечить изобретателя информацией о физических приемах, т. е. об изобретательских возможностях физических эффектов и явлений.

Здесь возникают две проблемы: как сделать, чтобы не простаивали знания об уже известных физических эффектах; как пополнить эти знания сведениями "по всей физике" и "по всей химии".

"Школьная" (и тем более "вузовская") физика дает очень мощный и почти универсальный набор инструментов. Вот только пользоваться этими инструментами обычно не умеют...

Вспомним хотя бы задачу о. Есть пистолет, нужно определить, был ли двое суток назад произведен выстрел из этого пистолета или нет. Задача возникла из-за того, что событие произошло раньше, а не в данный момент. Сократим время до нуля (как того требует оператор РВС). Представьте себе, что в соседней комнате некто произвел выстрел (или десять выстрелов-все равно), затем мгновенно (в течение микросекунды) вычистил пистолет и передал вам два пистолета. Надо определить, из какого именно пистолета произведен выстрел.

Решить такую задачу не представляет никакого труда: пистолет, из которого только что стреляли, имеет более высокую температуру. Значит, в общем виде решение такое: надо измерять физические характеристики, закономерно меняющиеся после выстрела. Однако температура-плохой показатель, слишком уж быстро она падает до нормальной величины. Выстрел сопровождается не только повышением температуры, но и ударными нагрузками на материал ствола. Ствол-стальной, сталь-ферромагнетик, естественное магнитное поле Земли намагничивает сталь, при выстреле происходит размагничивание: нужно какое-то время, чтобы сталь снова намагнитилась. В этой цепи рассуждений использована простейшая "школьная" физика. Но ее достаточно для решения: "Способ установления давности выстрела при судебно-баллистической экспертизе путем определения изменяющихся во времени физических свойств ствола после стрельбы, отличающийся тем, что с целью определения времени выстрела из обнаруженного на месте происшествия оружия замеряют магнитным прибором степень намагниченности ствола и производят контрольный отстрел из этого оружия, а затем осуществляют контрольные замеры степени намагниченности ствола каждые 24 часа до момента показания прибора, равного степени намагниченности ствола во время изъятия оружия" (а. с. № 284303).

С этой задачей эксперименты велись почти шесть лет. Задача ни разу не поддавалась быстрому решению простым перебором вариантов. Но если вводилась подсказка: "Пистолет сделан из стали", задачу сразу решали 30% испытуемых. Если подсказка звучала так: "Пистолет сделан из стали, а это-ферромагнитный материал", задачу сразу решали 80% испытуемых (преимущественно в общей форме: надо проверить, как после выстрела меняются магнитные характеристики). Без подсказок, но с предварительной обработкой по оператору РВС задачу сразу решали 20% испытуемых, начинающих изучать АРИЗ (первый курс в существенных институтах изобретательского творчества), и до 70% более опытных испытуемых (второй курс).

Физические эффекты существуют как бы сами по себе, а задача-сама по себе; в мышлении изобретателя нет надежного моста, соединяющего физику с изобретательскими задачами; знания в значительной мере простаивают, не используются.

В задачах, подобных "пистолетной", навести мост между задачей и физикой нетрудно. Сформулируем правило (его можно рассматривать как следствие того, что говорилось о переходах М-м): "Если имеешь дело с железом (или материалом, содержащим железо, или таким, в который можно ввести железо), помни, пожалуйста, что железо-не дерево, не вода, не 'камень, ибо каждый атом железа имеет магнитные свойства, очень легко поддающиеся управлению-обнаружению, измерению, изменению. Во второй половине XX века стыдно пользоваться сталью (а она применяется очень широко) только как массой некоего инертного вещества (грубо говоря, как палкой), надо вовлекать в игру тонкие ферромагнитные свойства железа".

Трудно сказать, сколько прекрасных изобретений появится, если инженеры начнут применять это предельно простое правило. Вот а. с. № 518591: "Мальтийский механизм, содержащий ведущее звено и ведомый мальтийский крест, отличающийся тем, что с целью повышения срока службы ведущее звено снабжено секторами из магнитомягкого материала с установленными в них постоянными магнитами, а мальтийский крест снабжен пластинами из гистерезисного материала". Мальтийский крест-очень старый механизм. Но материал этого механизма всегда использовался грубо, на макроуровне. Механизм делали из стали, а применялась она как дерево или камень...

Задача 47

Дана пружина. Увеличивать ее размеры ,и заменять .вещество, из которого она. сделала (сталь определенной марки), нельзя. Нужен способ, позволяющий существенно повысить жесткость пружины, ничего к ней не прикрепляя ('не пристраивая никаких дополнительных пружин и т. п.). Способ должен быть предельно простым.

Надо полагать, решение вы увидели раньше, чем дочитали условия задачи. Да, совершенно верно: витки пружины надо намагнитить так, чтобы одноименные полюса находились рядом и при сжатии пружины создавали дополнительную отталкивающую силу. Предложите эту задачу своим коллегам (условия задачи надо излагать слово в слово)...

Приведем еще одну задачу.

Задача 48

Линию электропередач и электротехническое оборудование (например, разъединители), открыто расположенные на подстанциях, надо защищать от обледенения. С этой целью было предложено надевать на провода и защищаемое оборудование ферритовые накладки. Под действием переменного тока эти накладки быстро нагреваются и обогревают близлежащую часть провода или оборудования. Но внешняя температура меняется: иногда она выше нуля, иногда ниже. Да и вообще вдоль линии электропередачи температура зависит от множества факторов и может постоянно меняться. Что делать? Не бегать же вдоль линии, то надевая, то снимая ферритовые накладки...

Здесь "школьной" физики уже недостаточно. Нужна физика чуть более сложная-"вузовская". ИКР: ферритовые накладки сами становятся магнитными при отрицательных температурах и перестают быть магнитными, когда температура поднимается выше нуля. Физические эффекты как инструмент изобретательского творчества тем и хороши, что нередко позволяют буквально реализовать ИКР. Есть такой эффект (читатель о нем, вероятно, слышал): при переходе через определенный температурный порог (точка Кюри) магнитные свойства исчезают, при обратном переходе восстанавливаются. Следовательно, насадка должна быть сделана из феррита с точкой Кюри около 0°. Хочешь, чтобы магнит "сам собой" включался - выключался, используй переход через точку Кюри. Таких примеров могло бы быть множество, но пока изобретатели чаще ставят громоздкие и ненадежные автоматические устройства, забывая, что высшая форма регулировки - саморегулировка. Впрочем, вот а. с. № 266029: магнитная муфта сама отключается - включается при заданной температуре; а. с. № 471 395: индукционная печь имеет "тигель, выполненный из материала, точка Кюри которого равна заданной температуре нагрева...".

О точке Кюри знают многие, менее известно, что с этой точкой связан еще один тонкий эффект. Если повышать температуру ферромагнитного вещества, то перед переходом через точку Кюри магнитные свойства веществ усиливаются. Это эффект Гопкинса. Его изобретательское применение напрашивается само собой; во многих случаях выгодно, чтобы рабочая температура совпадала с температурой, при которой наблюдается "пик Гопкинса". Вот а. с. № 452055: "Способ повышения чувствительности измерительных магнитных усилителей, заключающийся в использовании термического воздействия на сердечник магнитного усилителя, отличающийся тем, что с целью снижения уровня магнитных шумов при работе усилителя поддерживают абсолютную температуру сердечника равной 0,92-0,99 температуры Кюри материала сердечника".

Есть еще более тонкий эффект, также связанный с точкой Кюри: переход через эту точку совершается не "как попало" (исчезли магнитные свойства-и все), а скачками. Каждый скачок соответствует изменению намагниченности в очень малом объеме материала (10-6-10-9 см3). Это эффект Баркхаузена. А вот его изобретательское применение: по а. с. № 504944 усилия на магнитный материал измеряют, подсчитывая "число скачкообразных изменений микроструктуры".

Приведенное выше правило можно теперь дополнить: "Если имеешь дело со сталью, используй не только ее механические свойства, но и магнитные. Если они уже "задействованы", используй переход через точку Кюри, эффекты Гопкинса и Баркхаузена".

Хорошо, мы сформулировали правило, которое включает хотя бы некоторые эффекты, относящиеся к магнитным свойствам веществ. А как быть с бесчисленными другими (немагнитными) эффектами, явлениями, свойствами?

По-видимому, можно сформулировать и некоторые другие правила. Одно из них было приведено в предыдущем параграфе (как осуществлять микроперемещения). И все-таки правила охватят лишь небольшую часть физических эффектов (а ведь есть еще и сочетания эффектов!). Нужна прежде всего таблица применения физических эффектов, отражающая наиболее типичные физические "ключи" к типичным изобретательским задачам. Такая таблица используется на шаге 4.3 АРИЗ-77. Разумеется, ее можно пополнить, уточнить. К таблице должен быть приложен "Указатель физических эффектов"-справочник, кратко поясняющий суть эффектов и содержащий примеры их изобретательского использования ("Указатель" разработан и используется на занятиях по ТРИЗ, но его невозможно поместить в этой книге).

Итак, правила, таблицы, "Указатель"... И все-таки этого мало: физических эффектов можно насчитать десятки тысяч, и все они должны найти применение в правильно организованном изобретательском хозяйстве.

Хорошо было бы иметь какое-то универсальное средство поиска нужного физического эффекта. На первый взгляд такая постановка вопроса просто несерьезна. Но ведь это ИКР, а что стоил бы АРИЗ, если бы его принципы нельзя было бы приложить к совершенствованию самого АРИЗ...

Мы уже видели: многие задачи можно без труда "перевести" на язык вепольного анализа. Пополним этот язык, сделаем его, если нужно, богаче-и будем переводить все (или почти все) задачи. С другой стороны, все (или почти все) физические эффекты тоже можно выразить в терминах "поле", "вещество", "действие". А если дело обстоит так, то можно использовать вепольный анализ в качестве языка-посредника между изобретательскими задачами и физикой (химией).

Как выглядят условия задачи в вепольной форме, мы уже видели. Например:

!!!!!!!!vepan14.gif

Дано вещество, плохо поддающееся непосредственному контролю. Чтобы контролировать это вещество, нужно связать его с веществом В2, которое будет менять свои свойства в зависимости от изменения свойств B1. При этом изменения состояния В2 должны отражаться на состоянии взаимодействующего с B2 поля П, которое легко обнаружить.

Здесь мы и подходим к физическому эффекту. Способность В2 менять состояние поля П-это и есть некий физический эффект, который надо найти, чтобы от вепольного решения перейти к физическому.

Во втором примере нужен более тонкий эффект: вещество В, внесенное в поле П1, должно изменять свои свойства так, чтобы это проявлялось во взаимодействии В и П2.

Задача 49

Измерение сверхвысоких напряжений и токов в проводниках, находящихся под этим напряжением, представляет собой сложную техническую задачу. Приходится воздвигать огромные конструкции, имеющие изоляцию на полное напряжение; такие "этажерки" из изолятора достигают высота 10-12 м. Требуется найти простой, дешевый и точный способ измерения.

В вепольной форме решение этой задачи уже записано на схеме 2. Поскольку на вещество действует электрическое или магнитное поле, запись можно конкретизировать: П1=Пэ или П1=Пм. На выходе желательно иметь поле магнитное, электрическое или оптическое (остальные поля намного менее удобны). Значит, можно конкретизировать и П2. Но тогда правая часть схемы 2 дает формулу эффекта Керра (П1=Пэ, П2=Попт) или эффекта Фарадея (П1=Пм, П2=Попт).

Если бы у нас был список физических эффектов в вепольной форме, найти нужный эффект не представляло бы никакого труда. Тем более, что названия искомых эффектов (но не суть) можно получить по общему правилу, соединяя названия полей на входе и выходе (электрооптический, магнитооптический).

Испытуемые школьники без затруднений находили и более сложные и заведомо им неизвестные физические эффекты, разумеется, в тех задачах, для решения которых достаточно одного физического эффекта. Если задача решается совместным применением нескольких эффектов (или сочетанием эффекта и приемов), нужны еще и правила "стыковки" физических эффектов. Такие правила сейчас изучаются, кое-какие уже удалось установить. Например, известно, что "связующим" элементом между двумя "стыкуемыми" эффектами в сильных изобретениях всегда выступает поле, а не вещество (т. е. поле на выходе одного эффекта является одновременно полем на входе другого).

Многое еще предстоит выяснить. Но общий принцип уже ясен: есть надежный посредник между изобретательскими задачами и физическими эффектами, необходимыми для их решения,-это вепольный анализ.

Задачи

Если вы были внимательны, то нетрудно сразу решить задачи 50-52. Следующие три задачи несколько труднее. Сначала сформулируйте для них ИКР и ФП. Подумайте, что именно должен сделать искомый физический эффект, чтобы устранить ФП. Затем используйте таблицу применения физических эффектов.

Задача 50

Нужно автоматизировать отделение спелых помидоров от неспелых. Известны разные способы (например, делят по цвету, по твердости, по химическому составу), но они сложны, дороги, ненадежны. Мы возьмем за основу самый простой (и потому самый привлекательный) способ - разделение по удельному весу. Разработана установка, основную часть которой составляет ванна с водой. В ней спелые помидоры должны тонуть, а неспелые всплывать. К сожалению, установка работает плохо: чаще всего спелые и неспелые помидоры имеют плотность ниже 1 г/см3... и спокойно все всплывают, хотя спелые все-таки чуть-чуть тяжелее неспелых. Удобнее всего было бы разделять томаты в жидкости с удельным весом 0,99 г/см3. Но такая жидкость, удовлетворяющая еще и требованиям пищевой промышленности, пока не 'найдена. Разбавлять воду другими жидкостями, нагревать, насыщать воздухом нельзя. Как быть?

Примечание. Видимо, решить эту задачу будет нетрудно: в гл. 1 упоминается изобретение, использующее нужный физический эффект. Такой же физический эффект применен в изобретении, приведенном в гл. 2 (кстати, это изобретение сделал девятиклассник А. Ждан-Пушкин, слушатель Азербайджанского общественного института .изобретательского творчества).

Задача 51

Задача с "Доски объявлений" журнала "Изобретатель и рационализатор": "Предложите простую конструкцию устройства для взвешивания полувагонов с металлоломом непосредственно на месте погрузки. Допустимые погрешности 1-2 т. Как сейчас взвешивают полувагоны?. Погрузив металлолом, вагон прокатывают на весы тепловозом, на что уходит 6-12 ч. После этого приходится снова либо догружать, либо разгружать вагон до установленной нормы."

Подкладывать под рельсы или вагон тензодатчики - плохое решение, встраивать датчики в вагон еще хуже. Как быть?

Задача 52

Известны устройства, позволяющие открывать и закрывать путь газу из сосуда А в сосуд Б, например различные краны и зажимы. Но они слишком грубы для тех случаев, когда нужна наиболее высокая точность, т. е. когда надо открывать кран (или менять степень его открывания) на какую-то очень и очень небольшую величину.

Нужно, чтобы кран был очень простым и в то же время очень точно работающим. Речь при этом идет не о том, чтобы ввести обратную связь между краном и сосудом Б. Пусть краном управляет человек. Вопрос в том, чтобы кран мог точно открываться ("краниться").

Задача 53

В центрифуге в течение длительного времени должны идти химические реакции, для этого необходимо поддерживать внутри центрифуги температуру 250°С. Поставить центрифугу в термостат нельзя (она слишком велика). Подавать электрический ток внутрь быстро вращающейся центрифуги? Сложно, да и как контролировать температуру внутри центрифуги? Использовать нагрев инфракрасными лучами? Снова возникает вопрос: как контролировать температуру? Ведь измерение температуры на поверхности центрифуги - это совсем не то... Как быть?

Задача 54

Отрывок из детективного романа:

"- Теперь вы в руках правосудия,-сказал шериф.-Надеялись улизнуть, а? Алмаз "Юпитер"-неплохая добыча... Но вы пойманы с поличным. А то, что вы разрезали алмаз на части и огранили, только усугубляет вашу вину.

- Не спешите, шериф,-пожал плечами один из задержанных.- пропал алмаз "Юпитер"? Выражаем искреннее сочувствие и все такое прочее. У нас нет этого алмаза, у нас всего лишь пять бриллиантов. Наследство покойной бабушки.

- Вот именно,- усмехнулся второй.- Взгляните на это дело с научной точки зрения. Вес разный, форма разная. Цвет совпадает? Мало ли белых алмазов и бриллиантов? Химический состав? Там углерод и у нас углерод, у всех бриллиантов и алмазов углерод. Пожалуй, придется отпустить нас, как вы смотрите на это?.."

Вас ознакомили, с этой ситуацией. Ваши предложения?

Задача 55

В книге У. Гордона "Синектика" есть отрывок из записи решения задачи о передаче вращения. Текст записи приведен также в статье В. Орлова "фейерверк открытий" ("Техника-молодежи"), 1973, № 3, с. 4). Ведущий вал развивает от 400 до 4000 об/мин, ведомый вал должен всегда иметь 400 об/мин. Как это осуществить? В записи, приведенной Гордоном, использована эмпатия: один из решавших задачу мысленно представляет, что он находится внутри "черного ящика" (искомого устройства); руками он держится за ведущий вал, ногами - за ведомый; при этом усилия "эмпатирующего" направлены на то, чтобы "в ногах" всегда было 400 об/мин, как бы ни скручивались "руки". Ответ не приведен.

Ваши предложения? На каких правилах они основаны?

Г.С. Альтшуллер

ТРИЗ...