1.4.3. Морфологический анализ (рисунки 17, 18)

Цель подраздела - ознакомить учащихся с методом, основан­ном на логическом подходе; научить использовать морфологичес­кий анализ (МА) для решения технических задач и свертывания информа­ции по инструментам и приспособлениям, характерным для осваи­ваемой учащимися профессии.

Преподавателю следует напомнить учащимся, что слово «морфология» греческого происхождения, переводится как "учение о форме", а поэтому широко применяется в биологии, географии, фи­лологии и других науках. Применительно к методам активизации творческой деятельности его следует рассматривать как "законо­мерности строения". Цель метода - системно исследовать все возможные способы решения, найти неожиданные варианты, которые при использовании метода проб и ошибок могли быть упущены. Кро­ме того, МА может использоваться для свертывания информации о вариантах объектов техники. Часто МА сводится к составлению морфологического ящика (МЯ), таблицы, работа с которым ведется в такой последовательности:

I шаг - точно формулируется задача;

II шаг - составляется список характеристик или функциональ­ных узлов объекта техники (осей таблицы). Все они должны быть независимы друг от друга, соответствовать одному уровню подсис­темы. Выбирая основные оси, следует учитывать, насколько важен данный параметр для реализации главной полезной функции объек­та техники или поставленной задачи. В ряде случаев оси подраз­деляются на подоси;

III шаг - по каждому признаку (характеристике) перечисляют­ся все возможные варианты (альтернативы) технического исполне­ния устройств. Существенно, что при этом не должен ставиться вопрос о ценности, приемлемости той или иной альтернативы. Это наносит ущерб беспристрастному применению метода, может при­вести к потере оригинальных решений.

IV шаг - анализируются возникающие сочетания;

V шаг - отбираются лучшие сочетания.

Морфологический анализ имеет много общего с методом фантограмм, рассмотренным в рисунках 3-6. Практическое примене­ние метода требует определенной тренировки. Начать тренировку можно с простейших задач. Рассмотрим некоторые из них.

Используемые зимой в Заполярье наземные транспортные сред­ства обладают недостаточной надежностью, повышенным удельным расходом горючего. Дальнейшее их совершенствование малоэффек­тивно. Нужны принципиально новые конструктивные решения. Пред­ложите их на основе проведения морфологического анализа.

I шаг - нужны идеи по принципиально новой эффективной кон­струкции снегохода.

II шаг - характеристики (оси); А - двигатель; Б - движетель; В - опора кабины; Г - управление; Д - обеспечение зад­него хода и т.д.

III шаг - варианты: А_I - двигатель внутреннего сгорания;

А₂ - газовая турбина;

А₃ - электрический ... и т.д.;

Б_I - воздушный винт;

Б₂ - гусеницы;

Б₃ - лыжи и вибролыжи;

Б₄- снегомет ... и т.д..

Аналогично составляется перечень вариантов по всем харак­теристикам.

IV и V шаги - полученная таблица (морфологический ящик) изучается, и наиболее интересные варианты сочетаний устройств выписываются, например, А₂ - Б₄ – В₇ – Г₃ ... .

Главный недостаток МА - нет системы отбора эффективных ре­шений.

Рисунок 17 наглядно демонстрирует сущность морфологического анализа, а рисунок 18 позволяет рассмотреть работу этим методом приме­нительно к осваиваемой учащимися профессии станочника - в ней показаны варианты металлорежущих станков.

Для закрепления навыков в использовании морфологического анализа учащимся можно предложить следующие задачи.

1. Составьте морфологический ящик (МЯ) на стулья, настоль­ные лампы, классные доски.

Варианты решения могут включать в себя следующие подходы (их учащиеся разрабатывают самостоятельно):

Стул. Основные оси, выбранные по функциональному признаку; сиденье, спинка, ножки. Настольная лампа: источник света (лам­па), стойка, основание, ограничитель светового потока (абажур).

2. На основе морфологического ящика (МЯ) найдите вариант оригинального молодежного ремня (сумки для книг, спортивной куртки ...).

Основные оси: материал, элемент крепления, украшения.

3. Разработайте игру в мяч для тренировки быстрой и точ­ной реакции на неожиданность.

Основные оси: количество игроков, характеристика мяча (подоси: форма, размер, масса, расположение центра масс), ко­личество мячей, характеристика игрового поля (подоси: располо­жение, размеры) и т.д.

4. Составьте морфологический ящик на металлорежущие (деревообрабатывающие или др.) станки. Найдите в нем варианты, со­ответствующие известным Вам станкам. Эта задача рассмотрена на рисунке 18. Вот еще несколько характерных задач.

Конструкторы часов создали множество вариантов механизма. Что же касается внешнего оформления, то в этом успехи скром­нее: круглый, овальный или квадратный циферблат; прямые или фигурные стрелки; цифровая индикация, появившаяся в последние годы.

Составьте морфологический ящик, взяв в качестве осей элементы оформления часов: корпус, циферблат, цифры, стрелки. От­берите варианты оформления, подходящие для использования в жилых, учебных и производственных помещениях, в общественных местах (площади, вокзалы, скверы, кинотеатры).

5. Постройте морфологическую таблицу на грузовые автомобили. Найдите в ней известные Вам автомобили.

6. Постройте морфологическую таблицу на сельскохозяйст­венные машины.

7. Составьте таблицу, в которой по горизонтали и вертика­ли будут перечислены: механическое движение, выделение тепла, химические реакции, электромагнитные волны, электрический ток, атомная энергия. В каждой клетке таблицы нужно привести приме­ры технических решений преобразователей энергии. В каких клет­ках разместятся, например, электрический трансформатор, бата­рея парового отопления, газосветная лампа, тепловая труба, лам­па накаливания, конденсатор и т.п.?

1.5. Теория решения изобретательских задач

Цель раздела - познакомить учащихся с основами ТРИЗ; нау­чить решать задачи с использованием некоторых операторов и при­емов метода. Учащиеся должны уяснить, что следование рекомен­дациям ТРИЗ дисциплинирует мышление, способствует эффективному нахождению решений.

Преподавателю следует разъяснить учащимся, что в основе ТРИЗ заложена мысль о том, что техника развивается как по об­щим законам диалектики, так и по своим, специфическим законам. Эти законы познаваемы и могут сознательно использоваться для прогнозирования развития техники и нахождения новых техничес­ких решений.

ТРИЗ включает:

- типовые (стандартные) решения - перечень конкретных реко­мендаций по решению технических задач;

- АРИЗ - программу, алгоритм анализа и поиска решений нети­повых задач. Процесс решения рассматривается как последователь­ность операций по выявлению, уточнению и преодолению противоре­чий с использованием обобщенного опыта изобретателей по решению аналогичных задач. Последовательность, направленность и активи­зация мышления достигаются при этом ориентировкой на идеальный конечный результат (ИКР), т.е. идеальное устройство, способ;

- информационный фонд: приемы разрешения технических проти­воречий (ТП); указатель физических эффектов (ФЭ) для решения изобретательских задач и др.

ТРИЗ ориентирует на эффективное решение задач с наименьши­ми затратами времени, минимальной переделкой исходной технической системы, экономически оправданными затратами на внедрение найденного технического решения.

У ТРИЗа есть свои специфические знаковые обозначения. Де­ло в том, что анализу задачи способствует абстрагирование от реальных узлов изделий. Приведем пример.

Строят модель, в которой, обозначения должны быть макси­мально условными.

Такая модель получила название "веполь" - от слов "веще­ство" и "поле". Примеры веполей:

II II

В_I B₂ B_I B₂ B_I B₂

II

В веполях В₁- изделие, В₂ - инструмент, П - энергетическое (поле­вое) воздействие (электромагнитное, гравитационное, механичес­кое, тепловое и т.д.), причем поля "на входе" записываются над строчкой, а поля "на выходе" - под строчкой. Полный веполь дол­жен иметь, как минимум, две связи, объединяющие три элемента. Сформулирован ряд правил вепольного преобразования, отражающих законы развития технических систем.

Одна из рекомендаций вепольного анализа (ВА): неполный ве­поль должен быть достроен до полного; эффективнее всего прави­ло действует, если по условиям задачи дан один элемент. Поэто­му, применяя вепольный анализ, следует стремиться с помощью раз­ных приемов (в т.ч. искусственных) свести задачу к схеме, в которой "дан один элемент".

Типовые (стандартные) решения включают около 100 правил, которые позволяют решить часть возникающих технических задач, а для многих других заметно облегчить путь к ответу.

АРИЗ-85В состоит из девяти частей (этапов), в упрощенном варианте достаточно рассматривать пять;

- анализ задачи;

- анализ модели задачи;

- определение ИКР и ФП;

- учет и применение вещественно-полевых ресурсов (ВПР);

- применение информационного фонда.

В данном пособии начато рассмотрение основных поня­тий АРИЗ.

Информационный фонд включает в себя, в частности 40 прие­мов разрешения технических противоречий. Несколько приемов рас­смотрено в рисунках 20-28. Подробно познакомиться с этими вопросами можно в соответствующей литературе.⁴

В ТРИЗ есть несколько фундаментальных понятий - техничес­кое противоречие (ТП), физическое противоречие (ФП) и идеальный конечный результат (ИКР). С ним знакомят рисунки 19, 20, 29.

ТП показывает, с какими сложностями приходится сталкивать­ся при традиционном пути улучшения технической системы (рисунок 19). Кроме примеров, рассмотренных На рисунке, с учащимися мож­но рассмотреть и следующее техническое противоречие.

Чем крупнее судно (танкер), тем больший груз оно перево­зит. Но тем больше его осадка, хуже маневренность и т.д. Как правило, улучшение характеристик при неизменном принципе дейст­вия (на эволюционном "участке" развития) требует все больших затрат. Это называется обострением противоречий. У каждого прин­ципа действия есть свои пределы. Приближение к ним не только крайне обостряет противоречия, но и делает дальнейший прогресс невозможным. Внешне это выгладит, в виде тупика, безвыходного положения. Но выход есть, и его подсказывает закон развития техники: развитие любой технической системы (ТС) идет через обострение и разрешение (устранение) противоречий. Тут уже революционный скачок в развитии. Часто он связан с переходом на новые принципы действия. Это хорошо иллюстрирует рисунок 19 на примере истории часов.

Чем сложны сложные технические задачи? В большинстве случаев суть проблемы связана с возникшими парадоксальными требованиями к одной части технической системы. Они называются физическими противоречиями, их характеристика дана На рисунке 20.

"Докопаться" до ФП зачастую сложно, в ТРИЗе даже есть комп­лекс правил (АРИЗ), позволяющих "выйти" на ФП. Но эта парадок­сальная формулировка обнажает задачу - "вот, где собака зарыта"; она обладает большой эвристической значимостью. На первый взгляд, разрешить многие ФП невозможно. Но многовековый опыт изобретателей накопил банк "хитростей", позволяющих выходить из казалось бы безвыходных положений. Они систематизированы в информационном фонде ТРИЗ, в частности, в своде изобретательских приемов (принципов). Исследования показали, что зачастую одни и те же ТП и ФП могут быть у различных технических систем. Более того, одни и те же противоречия разрешаются оди­наковыми приемами или сочетаниям приемов, или физическими, химическими, биологическими, математическими эффектами. С некото­рыми изобретательскими хитростями - а это мощный арсенал новато­ров - можно познакомиться, изучая рисунки 20-32.

В рисунках 20-32 на примере четырех авторских свидетельств показан изобретательский прием "инверсия" (сделай наоборот). Об­ратите внимание, мы уже знакомились с ним по рисуноку 3, только там применяли для разработки фантастических идей. Связь приема с разрешением ТП и ФП доходчиво демонстрирует а.с. № 187577 (плавательный бассейн). Остальные три примера требуют некоторых дополнений.

А.с. № 184649 - способ вибрационной очистки металлоизделий в абразивной среде. Традиционно деталь была неподвижной, а виб­рационное движение сообщалось контейнеру с абразивной массой. Чтобы деталь очищалась лучше и быстрее, надо было обеспечить контейнеру движение по сложной траектории, создать значительную частоту и амплитуду колебаний. ТП - чем лучше очистка, тем сложнее оборудование и больше энергетические затраты. Суть изобрете­ния - все сделано наоборот. Движение сообщается обрабатываемой детали. Это позволяет упростить процесс очистки, удешевить оборудование, повысить производительность и значительно снизить трудоемкость.

А.с. № 1174887 - способ комбинированной подводной съемки может быть использован для получения в условиях павильонных съемок изображения объектов в водной среде практически без ... воды. Вместо того чтобы опускать в воду кинокамеру и снимать заякоренные мины (они "тянутся" кверху архимедовой силой), по­ступают наоборот. Создав соответствующий фон, мины и другие макеты подвешивают к потолку. Они так же натягивают тросы, но теперь за счет гравитационных сил. Съемку ведут перевернутой кинокамерой. В результате резко упрощается процесс киносъемки.

А вот как на консервных заводах порожние банки сами "хва­таются" и переносятся для заполнения (а.с. № 822721). Ящики с банками устанавливают на конвейер и пропускают под форсунками с горячим воздухом. Затем на них опускают холодную элас­тичную плиту. Воздух в банках охлаждается, создается некоторое разряжение, за счет которого банки "присасываются" к плите. Но присасываются не все - только те, у которых нет повреждений (повреждения не обеспечивают герметизацию системы "банка-пли­та"), далее, они переносятся вместе с плитой и "отцепляются" от нее нарушением герметизации (изгибом плиты) или нагревом для уравнивания давлений снаружи и внутри банок. Использование такого вакуумного приспособления вместо механических "рук" уп­рощает процесс, сокращается повреждение банок, повышается про­изводительность.

На рисунке 22 рассказано о динамизации, широко используе­мом изобретательском приеме. Простейшие примеры - куклы с за­крывающимися глазами, грабли с переменным расстоянием между зубьями.

На примере самолетов с изменяемой геометрией крыла можно показать, как прием позволяет разрешать ФП типа: крыло должно иметь большую и малую стреловидность. Собственно этот пример можно продолжить, упомянув о выпускающихся и убирающихся шас­си, закрылках и т.п.

По а.с. № 924769 предложен электрический конденсатор пере­менной емкости. В нем электроды помещены в жидкий диэлектрик, а расстояние между ними изменяется наполнением-стравливанием воздуха из эластичных шаров, разделяющих электроды. Возможен и другой вариант этого конденсатора - в нем все сделано наоборот, т.е. применен уже рассмотренный в рисунках 3 и 21 прием "инверсия". Шары в этом случае будут иметь постоянное газовое напол­нение, а расстояние между электродами можно регулировать изме­нением давления жидкого диэлектрика (т.к. жидкость, в соответствии с законом Паскаля, будет со всех сторон сжимать шары, то электроды сблизятся).

На этом же рисунке показана щетка для обработки внутрен­них цилиндрических поверхностей. Щетка имеет стержневую оправ­ку с двумя неподвижными фланцами, между которыми натянуты ме­таллические или капроновые ворсинки.

Такая оправка вставляется и закрепляется в патроне станка, на котором ведется обработка. Щетка вводится в деталь, и ей сообщают вращательное и возвратно-поступательное движения. Так происходит обработка отверстий. Но каждая щетка рассчитана на один конкретный диаметр детали.

В а.с. № 272266 рассмотренный ранее инструмент взят в ка­честве прототипа. Изобретатели предложили сделать один фланец щетки подвижным. В этом случае можно "подгонять" устройство под различные диаметры обрабатываемых деталей.

Рисунки 23, 24 посвящены приему "использование надувных эластичных конструкций". На них приведены шесть наиболее ха­рактерных типов задач, решаемых с помощью этого приема. Один пример уже рассмотрен На рисунке 22, где показан конденсатор пе­ременной емкости. В этом изобретении одновременно применены три приема: "динамизация", «использование надувных конструкций» и "инверсия".

На рисунках приведено еще несколько примеров.

Очень трудно разгружать с железнодорожных платформ и грузовых автомашин насыпные грузы (гравий, песок), особенно сле­жалые или смерзшиеся. По а.с. № 742186 предложено предвари­тельно укладывать под груз камеры из эластичного материала. А для сброса груза эти камеры последовательно наполняются сжатым воздухом.

Как надежно перенести букет цветов? Надо поместить его в легкий контейнер (а.с. № 448990), состоящий из полой ручки о насосом и герметичной полиэтиленовой оболочки (камеры). Сна­чала стебли цветов укладывают в ручку, одевают сверху на букет оболочку и крепят ее резиновым кольцом. Затем портативным насосом, вделанным в ручку, накачивают камеру. Букет защищен!

А.с. № 642232 выдано на оригинальный костюм-лодку для рыбака. Костюм состоит из надувного баллона и днища с герметичными са­погами, на подошве которых имеются ребра. Одев и надув костюм можно смело заходить в воду. Если мелко - можно ходить по дну, глубоко - следует имитировать ходьбу, а ребра обеспе­чат хорошее отталкивание от воды. Надувной баллон не только надежно удерживает на плаву рыбака, но и предохраняет его от переохлаждения.

Спасательное средство по а.с № 472862 представляет надув­ной воздухо-водонепроницаемый костюм. Его особенность - костюм имеет удлиненную надувную камеру - своеобразный столбик, навер­ху которого расположены резиновые уголковые камеры с металли­ческим покрытием. Такие уголковые отражатели обеспечивают надежное обнаружение человека радиолокатором. Для уменьшения объема стойки и отражателей при подъеме человека на борт спасательно­го судна в костюме установлены стравливающие клапаны.

Изобретение по а.с № 164747 обеспечивает водонепроницае­мость соединений неметаллических труб. Достигается это исполь­зованием муфт, состоящих из асбестоцементной втулки с канала­ми во внутренней части для укладки в них резиновых камер, напол­няемых воздухом или горячим битумом. Муфту свободно надвигают на трубопровод и накачивают резиновые камеры. Так обеспечивает­ся надежная герметизация.

На рисунках 25-28 на примерах реальных изобретений показано, как "работает" физика, как физические эффекты позволяют разрешать противоречия.

Начинается изложение материала с задачи. Традиционно пода­чу газа регулируют механическими кранами. Потребовалось создать устройства с повышенной точностью. Стали совершенствовать кра­ны, но они получились тем сложнее и ненадежнее, чем с большей точностью могли регулировать. Четко видно обострение ТП. Нако­нец, был достигнут предел точности, при котором никакие ухищрения с кранам не улучшали его характеристики. Возникло своеоб­разное тупиковое состояние. Как быть?

Обостренное противоречие разрешается переходом на новые принципы действия. Например, проходное сечение регулируют не механическим перемещением каких-либо заслонок, а изменением ди­аметра капиллярной трубки за счет нагрева или охлаждения (а. с. № 476450). По а.с. № 173439 предложено пропускать газ в зазоре между материалами (например, трубкой и расположенный внутри него сердечником) с различным коэффициентом объемного расшире­ния. Соответствующий подвод или отвод тепла позволяют плавно регулировать величину зазора. Отличительная особенность этих изобретений - высокая точность и надежность.

На рисунке 26 даны три задачи. Первая из них близка к пре­дыдущей задаче. Требуется с большой точностью в процессе сборки пере­мещать части приборов. Обычно это делают приспособления, вклю­чающие в себя регулировочные винты и возвратные пружины, т.е. с помощью подвижного резьбового механизма. Есть три фактора, снижающие точность движения винта - трение покоя, погрешности нарезки резьбы и люфты. ТП: точность перемещения - сложность прибора. На практике достичь точности, большей нескольких мкм, не удается. А требуется! Как быть?

Приведены четыре варианта ответа - перехода от механичес­ких перемещений на новые принципы действия. Винт (или толка­тель) без вращения удлиняется за счет теплового воздействия (а.с. № 424233). По а.с. № 410773 микроманипулятор включает в себя стержень, соединенный муфтой с пьезоэлектрической пластиной (как правило, это кристалл, диэлектрик). При подводе к пла­стине электрического напряжения (например, сверху и снизу) за счет так называемого обратного пьезоэффекта изменяется размер пластины в плоскости, перпендикулярной разности потенциалов ( в данном случае изменяется ее длина). Величина удлинения плавно регулируется напряжением, подводимым к пьезоэлементу.

Возможны устройства, работающие на принципе магнитострикции (изменение размеров тела при намагничивании) или электрострикции (изменение размеров под действием электрического по­ля). В качестве магнитострикционных материалов используются никель, ряд ферритов, некоторые редкоземельные ма­териалы и их сплавы. Они обладают свойством преобразовывать электромагнитную энергию в механическую.

Интересна задача, связанная с очисткой дренажных труб. Керамические или пластмассовые трубы закопаны в землю, по ним идут грунтовые воды. Трубы забиваются илом, который убрать не так просто. Можно частично разобрать дренажную систему и про­мыть, но это трудоемко. Можно размыть ил подачей воды под большим давлением, но велик расход воды. Как при незначительной скорости потока воды создать большую скорость потока в месте заиления?

В принципе это просто. Надо сузить сечение потока (закон Бернулли). Для этого, в частности, надо ввести в поток какое-либо тело (например, шар), которое застрянет между илом и верх­ней частью трубы. Требование к телу (шару) - оно должно иметь плотность меньшую, чем у воды. В этом случае оно легко будет пе­ремещаться потоком. Итак, шар "зацепился" за ил, поток воды ус­корился, ил размыт. Но как потом удалить шар? Вот если бы он самоликвидировался ... .

Тут возможны несколько вариантов формулировки ФП:

I. Шар должен быть, чтобы частично перекрывал трубу, и его не должно быть, чтобы после очистки трубы он не мешал.

2. Шар должен быть твердым, цельным, чтобы перекрывать сечение трубы, и шар не должен быть твердым, цельным, чтобы легко удалиться из труб.

По а.с. № 1141153 вместо шаров предложено вводить в трубы куски льда, которые растаят, самоликвидируются.

Третья задача достаточна актуальна. Если по рассеянности уйти из кухни, где что-либо варится в кастрюле, не отключив в плите газ или электричество, возможен пожар. Требуется предло­жить способ или устройство, обеспечивающее приготовление пищи при постоянной температуре, например 75°С. Кроме того, если жидкость в кастрюле выкипит, должно быть предотвращено пригорание или воспламенение продуктов, находящихся в ней. Одно из возможных решений показано в а.с. № 1243690. К кастрюле добав­лено приспособление, приподнимающее ее над комфоркой по дости­жении определенной температуры. Принцип действия приспособле­ния – изгиб биметаллической пластины или распрямление гофриро­ванных трубок, наполненных веществом с высоким коэффициентом объемного расширения, или использование материалов, обладающих эффектом памяти формы (один с критической температурой 75°С, второй – 101⁰С). Конструкция такого приспособления показана на рисунке 28. Использование изобретения позволяет улучшить качество приготавливаемых блюд, повысить безопасность работы с источниками нагрева и автоматизировать процесс стабилизации температуры при тепловой обработке пищевых продуктов.

Представленные выше варианты решения задач основаны на тепловом воздействии и связанным с ним изменением размеров тел или переходом их из одного агрегатного состояния в другое. Об этом уже упоминалось в разделе 1.3.

Рисунки 29-32 посвящены одному из законов развития тех­нических систем - в своем развитии любая ТС стремится к идеалу.

Прежде всего, следует ввести понятие "функция". Функция - это то, что может или должен делать какой-либо объект техники. Техника создается для удовлетворения определенных человеческих потребностей. Именно потребности (необходимые человеку функции) первичны. Техническая система (ТС) лишь средство удовлетворе­ния этих потребностей. ТС - это плата за функцию. Естественно стремление человечества меньше платить, получать функцию бесплат­но или почти бесплатно. Примеры потребностей (функций) и средств их удовлетворения приведены на рисунке 29. Человеку на­до защищать тело от холода. Средства - одежда, жилище. Биологу надо видеть мельчайшие объекты. Средства - оптические и элект­ронные микроскопы. Какую функцию выполняет зонт? Защищает от осадков. Хвостовое оперение самолета - плата за возможность уп­равлять летательным аппаратом.

В физике широко используется понятие идеала: идеальный газ, идеально черное тело. Идеал недостижим, но это хороший ориентир, объект для сравнения. Аналогично в мире изобретательства введе­но понятие идеальный конечный результат (ИКР). ИКР, идеальная техническая система - это нечто ничего не весящее, не занимаю­щее объем, не потребляющее сырье и энергию, не отказывающее в работе, не дающее отходов и т.д. Словом, идеальная система - системы нет, а функция выполняется. Естественно, такого быть не может. Но стремление приблизить технику к идеалу - реальный про­цесс. И он осуществляется. Вот примеры этого.

Развитие средств электроники (усилительных каскадов ЭВМ)

Таблица 2

Параметр	Исполнение
	на лампах	на транзисторах	на твердых схемах	ИКР
Объем схемы, см^3	65	16,2	0,016	0
Масса, г	16	7	0,02	0
Потребляемая мощность, Вт	5	0,75	0,06	0

Трубопроводный транспорт. Снижение удельных расходов (в %) на перекачку тонны нефти.

Таблица 3

Диаметр трубы, мм	Удельные капвложения, %	Эксплуатационные расходы, %
1020	100	100
1420	80	70

Из истории строительства куполов сооружений

Таблица 4

Время	Место	Сооружение	Пролет, м	Вес, т	Уд. в., кг/м^2
Пв. до н.э.	Рим (Италия)	Пантеон	43,3	10.000	8.000
1912 г.	Вроцлав (Польша)	Зал «Столетие»	47	6340	1900
1930 г.	Лейпциг (Германия)	Купол рынка	76	2160	476
50-е годы	Нью-Йорк (США)	Аудитория Варнера	82	1359	259
50-е годы	Лонгвью (США)	Купол	91,5	193	22,6

Танкеры. Снижение удельных расходов (в %) по мере увеличения грузоподъемности (дедвейта) судов.

Таблица 5

Дедвейт в тыс. тонн	Стоимость строительства (на 10 т. тонн перевозимого груза) %	Стоимость топлива на перевоз 10 т. тонн) %	Все эксплуатационные расходы (на перевоз 10 т. тонн) %
10	100	100	100
25	61	69	52
50	49	54	33
100	39	41	21

На практике стремление приблизить технику к идеалу идет тремя путями:

- совершенствование технической системы на основе используемого принципа действия (совершенствование солнечных часов);

- переход на новые принципы действия (механические ча­сы, кварцевые, молекулярные и т.д.);

- использование, вещественно-полевых ресурсов (ВПР).

В данном комплекте наглядных посо­бий рассказано только о третьем пути.

Рассматривая ВПР, сначала необходимо ввести несколько по­нятий. Под веществами в данном случае подразумеваются все мате­риальные тела - воздух, вода, физическая масса любых объектов и их частей и т.п. Поле - это физические и технические поля: гравитационное, магнитное, поле атмосферного давления, тепло­вое, акустическое и пр. - обобщенно можно говорить, что это энергетические воздействия.

ВПР - это все вещества, поля, пространства, время, инфор­мация, функции, которые в данном конкретном техническом реше­нии не используются. Но это - неисчерпаемый склад зачастую бес­платных средств. Вот пример используемых и неиспользуемых свойств.

Бочка способна удерживать в своем объеме какие-либо вещест­ва. В этом качестве она в основном и используется. Но она, буду­чи плотно закрытой, способна плавать; если она металлическая, то может проводить ток и имеет хорошую теплопроводность; если деревянная - может служить диэлектриком, обладает значительной массой, она горит и т.п.

На рисунке 30 даны характеристики ВПР и приведены примеры их использования.

Помещенные в воде металлические сваи (напри­мер, поддерживающие настил причалов) быстро ржавеют. Их надо периодически красить. Но предварительно следует очистить от наростов ракушек, ржавчины. Свай много, работать скребками вруч­ную тяжело, долго. По а.с. № 112304 предложено использовать дар­мовую энергию волн - надевать на сваи разъемные поплавки, внут­ренняя полость которых является хорошим абразивом.

По а.с. № 1206452 для обогрева и сушки дорожного покрытия предложено на выхлопную (выпускную) трубу автомашины устанавли­вать гибкий патрубок, направленный вниз. В результате происхо­дит утилизация выбрасываемого в атмосферу тепла - идет сушка дороги.

Для замера температуры в зоне обработки заготовки реза­нием надо установить термоэлемент (термопару) - устройство, со­держащее спай двух различных материалов, на неспаянных концах которых возникает ЭДС постоянного тока, зависящая от разности температур спая и свободных концов. Итак, установить термопару надо, а ставить некуда. Как быть?

По а.с. № 356489 предложено использовать неиспользуемую функцию - инструмент и деталь это естественная термопара. За­чем ставить прибор, когда он там уже фактически есть? Препода­ватель обращает внимание учащихся, что традиционно инструмент и деталь рассматривали совершенно в других взаимоотношениях.

Аналогично использовали ВПР и в а.с. № 568538 - заранее абразивный инструмент, выполненный в виде проволочной основы с абразивным покрытием, с целью замера температуры зоны шлифо­вания, стали делать в виде термопары.

Пример использования энергетического ресурса (солнечной энергии). По а.с. № 686676 предложена теплица, которая сама предохраняет себя от перегрева, автоматически поддерживает за­данную температуру. Достигается это тем, что стеклянное пок­рытие теплиц делают двойным, отстоящим друг от друга на рассто­янии 0,5 ... I мм.

Эта полость герметично изолирована от окружающей среды, но сообщается с емкостями, наполненными светоотражающей жид­костью с большим коэффициентом объемного расширения. Принцип действия прост - увеличивается температура, жидкость перекры­вает полость между стеклами, затеняя внутреннюю часть теплицы от солнца. Устройство, безусловно не идеальное (получилась до­вольно сложная техническая система), но оно безотказно, рабо­тает от "бесплатного" солнца. По сравнению с аналогичными уст­ройствами (патент Швейцарии № 359314 и французское изобретение по заявке № 2339333) - а там светоотражающая жидкость подает­ся под давлением насосом с электрическим приводом, автомати­чески включаемым системой с фотоэлементами - советское изобре­тение ближе к идеалу.

В завершение приведены три задачи (рисунок 31) и ответы, ориентированные на использование ВПР (рисунок 32).

3адача 1. В горнодобывающей промышленности актуален вопрос проветривания открытых и подземных выработок. Сильно загрязня­ют атмосферу выхлопные газы транспортных средств (самосвалов), перевозящих руду. Пробуют пропускать газы через жидкостный ней­трализатор с фильтрами. Это сложно, дорого. Нельзя ли проводить очистку с использованием ВПР?

По а.с. № 1024311 предложено газы из выхлопной трубы нап­равлять в атмосферу через перевозимую руду. При этом газы охлаж­даются и очищаются от сажи и других вредных продуктов сгорания топлива.

Задача 2. Известны устройства для испытания материалов на длительную прочность, содержащие заполненную кислотой герметич­ную (по раду причин обязательно непрозрачную) емкость, внутри которой подвешивается образец с грузом. Сложно определить мо­мент разрушения образца. Дело в том, что установка любых при­боров нежелательна, любое нарушение герметичности опасно. Не сидеть же сутками, приложив ухо к емкости!

По а.с. № 260249 предложено использовать падение груза (вообще он нужен для "оттягивания" образца вниз). Если емкость сделать со скошенным дном (или поставить ее на поддон со ско­шенным дном), а внутри ее установить наклонную перегородку (как это показано на рисунке), груз, оборвавшись, обязательно смес­тится в сторону скошенного основания. При этом сместится центр масс, и возникший опрокидывающий момент накренит емкость. Систе­ма получилась безотказной, фиксация разрушения образца наглядная и немедленная. В этом решении вспоминали о неиспользуемых функциях.

Задача 3. По патенту США № 3426272 для контроля шерохова­тости электропроводящей поверхности на ней размещают прокладку из диэлектрика, накладывают электрод емкостного датчика и про­водят замер величины электроемкости между электродом и контро­лируемой поверхностью. Изготовлять диэлектрическую прокладку, "вписывающуюся" в каждую неровность изделия, сложно. Кроме того, прокладки быстро изнашиваются. Как быть?

Вариант решения приведен На рисунке 32. Предложено заменить капризную прокладку чем-то из арсенала ВПР. По а.с. № 1130735 прокладка делается из замороженной воды. В этом случае нет нужды каждый раз проверять механические и электрические характерис­тики прокладок - у дистиллированной воды они стабильны. Способ удобен для контроля шероховатости поверхностей изделий в произ­водственных условиях.