1.6. Техника и экология

Рисунки 33 и З4 посвящены разделу "Техника и экология", но они также тесно увязаны с предыдущим материалом.

В самом деле, злободневен вопрос о защите природы от небла­гоприятного воздействия жизнедеятельности людей. Рассмотрим только некоторые моменты, связанные с промышленным производством; выбросы в атмосферу твердых и газообразных веществ, выделение тепла, радиационных воздействий, вибрации, шумы, электромагнит­ные волны. Целый арсенал вредных (в данной системе отношений) веществ и энергий. Но ведь это вещественно-полевые ресурсы! И изобретательская практика знает, что следует предпринимать в данном случае - использовать прием "обратить вред в пользу". В этом контексте и следует рассматривать материал этих рисунков.

По оценке ученых, в ближайшие десятилетия расходы на борь­бу с отходами, образующимися по традиционно применяемым техно­логиям, возрастут настолько, что поглотят весь национальный до­ход промышленно развитых стран. Одна из причин - источник при­родных ресурсов. Из-за этого качество добываемого сырья со вре­менем ухудшается, доля отходов постоянно растет. Это, в свою очередь, вызывает рост затрат на их переработку, складирование, захоронение, рекультивацию нарушенных и занятых под свалки земель и охрану окружающей среды от их вредного воздействия. Та­ким образом, неизбежен вывод о том, что дальнейшее развитие производства не может осуществляться на основе традиционно су­ществующих технологических процессов, а требует нового подхо­да. Этот подход, получивший название "безотходной технологии" (БОТ), подсказан самой природой, где рационально используются отходы жизнедеятельности одних организмов другими, а в целом осуществляется биогеохимический круговорот в экологической системе.

Безотходная технология - это такой способ производства про­дукции, при котором наиболее рационально и комплексно используются сырье и энергия в цикле сырьевые ресурсы - производство-потребление - вторичные сырьевые ресурсы. При этом любые воз­действия на окружающую среду не нарушают ее нормального функ­ционирования.

Создание БОТ - длительный процесс, требующий решения слож­нейших технологических, экономических, органи­зационных, психологических и других задач. Поэтому промежуточным этапом является малоотходная технология (МОТ). Это такой способ производства продукции, при котором вредное воздействие на ок­ружающую среду не превышает уровня, допустимого санитарно-гиги­еническими нормами. При этом по техническим, организационным, экономическим или другим причинам часть сырья и материалов пе­реходит в отходы и направляется на длительное хранение.

Только бытовые отходы всех городов мира составляют около 3 млрд. тонн в год. А сколько их дают горнодобывающие предприя­тия, промышленность! Что делать с отходами? Об этом и рассказа­но На рисунке 33.

Основной путь - утилизация выбросов, т.е. использование от­ходов в народном хозяйстве. Ее внедрение в народное хозяйство имеет большое эколого-экономическое значение для сохранения ценных материалов, исключения вредного воздействия на окружаю­щую среду, высвобождения значительных площадей полезной земли, нередко отводимых под отвалы. Утилизировать отходы можно на тех же производствах или в тех лее отраслях промышленности, где они получены. Так, в черной металлургии большое значение придают использованию в агломерационной шихте железосодержащих шлаков, а также пыли, задерживаемой очистительными установками домен­ных и сталеплавильных печей. В цветной металлургии перспектив­но извлечение из шлаков цветных и редких металлов, выделение из них железа.

Отходы одной отрасли промышленности можно утилизировать и в других отраслях народного хозяйства. Один из наиболее харак­терных примеров - использование золы тепловых электростанций для изготовления строительных материалов.

Большое значение имеет и утилизация пришедших в негодность материалов, в том числе бумаги, текстиля, различной тары, шин, кровельных материалов и т.п. Одни из них пригодны в качестве вторичного сырья для дальнейшего производства, другие необхо­димо ликвидировать путем сжигания. Задача состоит в переходе от существующих способов сжигания содержимого свалок мусора к пиролизу, позволяющему получать мономеры и другие ценные ве­щества. В идеале отходы ликвидируются сами. В этом отношении перспективно производство полимеров, способных разлагаться под влиянием света, воды и микроорганизмов. Возможны и другие подходы. Здесь простор для изобретательской деятельности.

На рисунке приведена интересная информация. Так, в твер­дых бытовых отходах (ТБО) содержится до 40% (по весу) макула­туры, 3-5% черных и цветных металлов, 1-2% пластмассы, 4-6% текстиля, 4% стекла, 25-40% пищевых отходов. Только в СССР сто­имость ценных компонентов в ТБО, появляющихся за год, оценива­ется более чем в 600 млн. рублей. Богатство лежит под ногами. Но как его использовать? Это задача века.

Рисунок 34 знакомит с конкретным "вредителем", показы­вает некоторые пути нейтрализации его деятельности.

Более 30% загрязнений в городе приходится на автомобили.

Выброси автотранспорта - основная причина образования в ряде городов фотохимических смогов. Основные ингредиенты вых­лопных газов - окись углерода, окислы азота, углеводорода, аль­дегиды, свинец и ряд других примесей, в том числе канцероген­ных. Для карбюраторных и дизельных двигателей автомобилей ха­рактерно содержание примерно 9% СО₂ и соответственно 0,06 и 0,049 окислов азота, 0,05 и 0,02% углеводородов, 4,0 и 0,1% СО. Причем, выбросы при малых скоростях движения автомобилей и тор­можении в 3-5 раз больше, чем при больших скоростях. В несколь­ко раз возрастают выбросы при неисправности двигателей.

Если человек живет в 4,5 км от работы и ежедневно (кроме выходных, праздников и отпусков) ездит на работу на автомоби­ле, то за год он наездит около 2000 км. Будет сожжено 200 л бензина, а в воздух выброшено 48 кг СО, 4 кг канцерогенных уг­леводородов, столько же окислов азота и СО₂ , свинца. Материал для размышления. Если при тех же условиях ездить на работу на велосипеде (экологически чистом вице транспорта), вместо 200 л бензина будет сожжено 3 кг жира, воздух останется чистым, а здоровье улучшится.

Вот некоторые организационные и технические предложения по снижении уровня вредных факторов.

В одном из городов ФРГ установлен экологический светофор, который заботится не только о безопасности движения, но и чис­тоте воздуха. Одновременно с красным сигналом для автомобилей на нем зажигается надпись: ''глуши мотор". Когда до включения зеленого сигнала остается 20 секунд, эта надпись гаснет, так как водителям, подъехавшим в это время к перекрестку, уже нет смысла выключать двигатель. Затем, за 5 секунд до переключения на зеленый свет, зажигается надпись: "заводи мотор". Эти сигна­лы позволяют сделать воздух чище и помогают эконо­мить горючее.

Во ВНИИ железнодорожного транспорта создан тепловоз, кото­рый вместо жидкого топлива использует сжатый природный газ. По­ка тепловоз работает на смеси из 15% дизельного топлива - оно используется как воспламенитель - и 85% газа. А если воспламенение газа обеспечит электронное зажигание, то дизельного топ­лива вообще не надо. Как показали испытания, новый тепловоз загрязняет воздух в 2-2,5 раза меньше, чем другие локомотивы. Этот же принцип можно перенести и на автомобильные двигатели.

На рисунке показаны некоторые возможные пути снижения ток­сичности автомобильных двигателей: в первую очередь, речь идет о замене бензина экологически чистым топливом.

Методический материал к Рисунокам: "Использование физичес­ких законов в изобретательстве".

Помимо 34 Рисунков, дублирующих рисунки, в комплект входят 52 цветных Рисунока, посвященных использованию магнитов (Рисунки 2-21), магнитных жидкостей (Рисунки 22-33) и эффекту перехода через температуру Кюри (Рисунки 34-52) в изобретательстве.

Преподаватель напоминает учащимся, что термин "магнит" оз­начает тело, обладающее намагниченностью, т.е. создающее магнит­ное поле. Хорошо известны постоянные магниты. У электромагнитов магнитное поле возникает и концентрируется в ферромагнитном сердечнике только во время прохождения по охватывающей его обмотке электрического тока. Магниты широко используются в ка­честве автономных источников магнитного поля.

Популярность магнитов у изобретателей легко объяснима – с помощью магнитных полей легко реализуется силовое воздействие, а ферромагнитные (ФМ) компоненты совместимы со многими вещест­вами (твердыми, эластичными, дисперсными и жидкими) и элемен­тами конструкций.

Основные типы задач, решаемых с использованием магнитов (Рисунок 2): перемещение тел (преимущественно зернистых, сыпу­чих); управление потоками; фиксация сыпучих веществ; смешива­ние материалов; разделение смесей; очистка и обработка поверх­ностей; защита поверхностей от абразивного воздействия; дефор­мация, формообразование; изготовление рассыпающихся устройств, например, литейных форм; индикация труднообнаруживаемых объек­тов; различные измерения (например, температуры, вязкости).

Один из примеров использования магнитов - промышленные установки, штампующие детали "ударом" магнитного поля (а.с. № 202496). Принцип действия - наведение сильного магнитного по­ля кратковременным разрядом конденсатора на катушку соленоида. Возникающие магнитные силы прижимают заготовку к матрице, вы­зывая появление пластических деформаций. Материал течет и за­полняет любые формы.

На Рисунке 3 показано простейшее применение постоянных магнитов. Известно, что при изготовлении секций железнодорож­ного полотна и при ремонтных работах приходится передвигать (кантовать) рельсы. Обычно рельс поддевают рычагами и несколь­ко раз переворачивают. Это трудоемко и опасно. Вот если бы рельс был круглым, трудное "перевернуть" заменилось бы сравни­тельно легким “перекатить”.

В глубине этой задачи лежит ФП: рельс должен быть круглым (чтобы хорошо перекатываться) и некруглым, обычным (чтобы по нему нормально ходили поезда, и можно было его надежно крепить к шпалам). Разрешили ФП, разделяя противоречивые требования по времени. По а.с. № 742514 предложено использовать магнитные вкладыши, устанавливая их только на время ремонтных работ по­парно в каждом сечении рельса. Получается нечто вроде колеса. Рисунок хорошо иллюстрирует идею изобретения.

На этом же Рисунке приведен и более сложный пример исполь­зования магнитов в изобретательстве. Для передачи вращательно­го движения широко используются зубчатые передачи. В простейшем виде они включают в себя два зубчатых колеса с прямыми зубья­ми. Процесс нарезания и дальнейшей обработки зубьев сложен - требуются зубофрезерные, зубошлифовальные, зубопритирочные и др. станки, зуборезный инструмент. Высокая точность обработки вызвана необходимостью обеспечить согласованное механическое взаимодействие колес.

В ряде случаев предложено заменить механическое взаимодей­ствие зубчатых колес магнитным: колеса намагничивают, обращая их друг к другу разноименными полюсами. Теперь зубья не надо нарезать с такой точностью. По а.с. № 1272031 просто приклеи­вают или приваривают к колесу зубчатую ленту, а пустоты запол­няют ферромагнитным (ФМ) порошком. Это намного упрощает и удешевляет процесс.

На четвертом Рисунке приведена следующая задача: В США выдан патент № 2598807 на игрушку-сюрприз. Ока помещает­ся в коробке с крышкой. Если крышку не удерживать рукой, фи­гурка выскакивает под воздействием спрятанной в нее пружины. Но пружина постепенно теряет свою упругость. Чем ее заменить, чтобы повысить надежность игрушки?

Не следует забывать, что рассматривается тема "использова­ние магнитов". Любые предложенные решения надо сопоставлять с "магнитным" решением. Оно и приведено на Рисунке 5. По а.с. № 627832 предложено вмонтировать в фигурку "вечную" пружину - несколько кольцевых магнитов, обращенных друг к другу однои­менными полюсами. Преподаватель предлагает учащимся сравнить это решение с другим изобретением - "вечной" пружиной, состоя­щей из наэлектризованных пластин, обращенных друг к другу од­ноименно заряженными плоскостями (рисунок 12).

Рисунок 6 посвящен декоративным аквариумам, где в воде по­мещены макеты рыб. Материал макетов подбирается таким образом, чтобы их плотность равнялась плотности воды. Такие "рыбы" мо­гут неподвижно "стоять" в любом месте водной массы. По а.с. № 1045898 предложено сделать их подвижными. Доя этого внутрь "рыбы" помещают магнит или стальной сердечник, а снаружи аквариума - электромагниты, подключение которых перемещает ма­кеты.

На этой основе можно делать оригинальные перегородки в помещениях, разрабатывать и изготавливать игры. Один из вариан­тов игры - надо "гонять" рыбу так, чтобы она попала в кольцо. Кстати, разработка интересной игры - неплохая тема для мозгово­го штурма (рисунок 16) или морфологического анализа (рисунки 17 и 18).

В рисунках 7 и 8 рисунки и надписи под ними достаточно пол­но раскрывают сущность изобретений по а.с. № 501789 (способ центрирования металлических полос на агрегатах резки и прока­та) и № 709243 (теплоизоляционный вкладыш).

Чтобы разобраться в изобретении, представленном на Рисунке 9, надо напомнить учащимся о литейном производстве. Литье - про­цесс получения изделий (отливок) из различных расплавов, при­нимающих конфигурацию полости формы (модели) и сохраняющих ее после затвердевания. В литейном производстве для получения от­ливок применяют более 50 разновидностей литья; в песчаные фор­мы, а кокиль, по выплавляемым моделям и др. Литье является од­ним из экономичных способов получения деталей сложной конфигу­рации. На Рисунке показано литье в песчаные формы: в форму ук­ладывают модель, засыпают ее формовочной смесью (в нее входят как неорганические компоненты - кварцевый песок, огнеупорная глина и др., так и органические материалы - каменноугольная пыль и др.). Затем смесь уплотняют. Как это обычно делается - процесс хорошо иллюстрирован рисунками. Изобретатели предложи­ли магнитное "добавление" - стальные шарики, притягиваемые магнитами. Это позволяет получить равномерное уплотнение фор­мовочной смеси методом прессования, что особенно важно для от­ливки деталей сложной конфигурации.

Рисунок 10 посвящен модифицированию расплавов. Для придания сплавам определенных физических, химических или механических свойств в них вводят различные добавки. Этот процесс называет­ся легированием. Легирующие добавки обычно вводятся в расплав­ленный материал.

По а.с. № 303402 порошок из ФМ добавок вводят в струю жид­кого металла магнитным нолем. Сам металл к магниту не притяги­вается, т.к. его температура превышает температуру Кюри (Т_к) (см. Рисунки 34-52). А как быть с немагнитными добавками? Их любым способом предварительно вводят в ФМ добавки, например, в порошок того же разливаемого металла.

На 7-10 рисунках последовательно показано, что магниты притягивая сравнительно крупные детали, расчлененные детали (в девятом Рисунке формовочную смесь уплотняет как бы плита, сос­тоящая из многих дробинок), порошок. По мере уменьшения разме­ров деталей и их элементов улучшается управляемость процессом.

Здесь прослеживается один из законов развития техники - переход на микроуровень, и один из изобретательских приемов - "дробление".

Рисунок 11 продолжает иллюстрировать "порошковую" тему. В нем приведен пример использования твердой смазки (под смазкой понимается действие определенными материалами на поверхности трения, в результате которого уменьшается изнашивание поверх­ностей и сила трения).

По а.с. № 523240 устройство для подачи ФМ порошковой смаз­ки выполнено в виде магнитного контура, в который входят и са­ми зубчатые колеса. В результате ФМ смазочные вещества удержи­ваются там, где обычная смазка удерживается плохо.

Этот пример рекомендуется вспомнить при рассмотрении ис­пользования магнитных жидкостей в изобретательстве (Рисунки 22-33).

На рисунке 12 показано оригинальное транспортирующее устрой­ство для переноса изделий из немагнитных материалов (а.с. № 751778). Принцип его работы понятно демонстрируют рисунки. Чтобы учащиеся лучше разобрались в сущности изобретения, надо им объяснить, почему на последнем рисунке (в отличие от перво­го) детали не переносятся. "Секрет" - в плавном увеличении элек­трического напряжения, подаваемого на электромагниты.

На рисунке 13 показаны два устройства для аварийной оста­новки конвейерной ленты со стольным каркасом. В а.с. № 1101450 оптимальное расстояние между лентой и магнитом обеспечивают подпружиненные ролики. При обрыве ленты датчик подает напряже­ние на электромагнит. Конвейерная лента к нему притя­нется и остановится. При этом ролики "спрячутся" в пазы.

Рисунок 14 поможет рассказать учащимся об одном из способов обработки плоских поверхностей немагнитных деталей, которые вращаясь, прижимаются пружиной к плите с режущими пластинами.

Сама плита совершает возвратно-поступательное движение. "Хит­рость" изобретения по а.с. и № 1206066 - в креплении и замене режущих пластин. Они сделаны из ФМ материалов и удерживаются электромагнитом. Снять их и поставить новые - минутное дело.

Рисунки 15-17 иллюстрируют один из способов разрешения ФП (см.рисунки 19 и 20) типа: тело должно быть цельным, твердым и тело не должно быть цельным и твердым. Речь идет о "вечных" приспособлениях.

Спортивная стрельба из лука. Мишенная установка представ­ляет собой мат-поглотитель (обычно это деревянный щит) с прикрепленной к нему бумажной мишенью. Мишень недолговечна - щит разбивается стрелами, бумага - рвется. По а.с. № 1068693 пред­ложена "вечная" мишень. В ней мат-поглотитель выполнен в виде кольцевого электромагнита, заполненного ФМ порошком (например, микрошариками из ФМ стекла). При подаче напряжения магнитное поле изменяет связи между ФМ частицами, превращая их в монолит­ный щит, плотность которого может регулироваться изменением по­даваемого напряжения. При попадании стрела проникает на оп­ределенную глубину щита. При ее вынимании магнитное поле, воздействуя на ФМ частицы, ликвидирует пробоину. А бумажной ми­шени нет. Ее заменяет световое изображение мишени, которое проецируется на щит через специальную установку.

Известно устройство для сверления сквозных отверстий, со­держащее корпус с элементами базирования заготовки и подпружиненную опору в месте выхода сверла из отверстия. Опора обеспе­чивает действие силы сопротивление осевой подаче инструмента. Но такая опора недолговечна, ее деформация вызывает поломку ин­струмента. По а.с. № 906647 предложен кольцевой электромагнит и ФМ порошок внутри его. Регулировкой подаваемого напряжения доводят прочность ФМ приспособления до прочности материала за­готовки. Теперь сверло работает так, как будто сверлится пакет однородного материала. Такое приспособление исключает резкое уменьшение силы осевого сопротивления резанию и поломку инст­румента от увеличения крутящего момента. Как и в предыдущем примере, отверстие после выхода сверла самоликвидируется.

На Рисунке 17 рассмотрен способ изготовления электрических катушек. По а.с. № 111067 предложено установить на оправу каркас катушки, намотать на него провод, а затем "избавиться" от оправки ее растворением (снятие катушки с цельной оправки не всегда возможно). Способ малопроизводительный, трудоемкий. А по а.с. № 1148052 предложено делать "вечную" оправку из ФМ частиц, превращая их магнитным полем то в монолит, то рассы­пая их.

На Рисунке 18 приведен пример изобретения в зубоврачебной практике. Надо поставить коронку на остаток зуба. Берут быстротвердеющий состав, наполняют им коронку и одевают на зуб. Больной ждет окончания процедуры, следя за тем, чтобы нечаянно не сдвинуть коронку. Это не всегда просто осуществить, особенно, если зуб верхний. По а.с. № 1153906 предложено вводить в твердеющий состав ФМ частицы и воздействовать на одетую корон­ку магнитами. Коронка хорошо удерживается, а состав равномер­нее заполняет ее внутренний объем. После полного отверждения состава магниты убирают.

В настоящее время широко используется трубопроводный транспорт. По трубам перемещают газ, нефтепродукты, руду и т.д. При проведении ре­монтных работ требуется временно герметично перекрывать сечение трубопровода. Вот задача, которая приведена на Рисунке 19.

Известен способ временного перекрытия путем закачки в тру­бу отверждающей композиции, например, пенополиуретана до обра­зования герметизирующей пробки. Недостаток способа - отверждающаяся композиция (она похожа на жидкий бетон) растекается, пробка имеет неоправданно большую длину, что усложняет ее из­влечение из трубопровода после окончания ремонтных работ.

Установка каких-либо упоров, ограничителей, в т.ч. из на­дувных конструкций нежелательна. Как быть?

Решение по а.с. № 708108 повторяет то, что предложено для удержания коронки зуба: в пенополиуретан добавляют ФМ частицы, а удерживают композицию от растекания магнитами. После отверж­дения магниты убирают (Рисунок 20).

Рисунки 21-33 посвящены магнитным жидкостям (МЖ) и их ис­пользованию в изобретательстве. МЖ - это вода, керосин, глице­рин, минеральное или силиконовое масло, содержащее во взвешен­ном состоянии до 50% мельчайших частиц твердого магнитного материала (ФМ частиц размером в несколько мкм).

Для сохранения однородности и большей устойчивости в МЖ вводят поверхностно-активное вещество, образующее на частицах защитный слой, препятствующий их слипанию.

Вот перечень основных задач, которые могут решаться ис­пользованием МЖ (Рисунок 21); герметизация зазоров; перемещение тел; обработка поверхностей; временная фиксация тел; преобразо­вание энергии.

Способность МЖ изменять под воздействием магнитного поля свою вязкость, вплоть до затвердевания, позволяет создавать раз­личные устройства, такие, как демпферы, амортизаторы (Рисунок 32), муфты сцепления, тормоза, вентили, заглушки (Рисунок 27), клапаны, искусственные "мышцы" промышленных роботов, оснастка для закрепления обрабатываемых деталей на станке (Рисунок 24) и т.п.

Типичные примеры использования МЖ приведены На рисунке 22. Способность МЖ удерживаться магнитами позволяет осуществлять уплотнение подвижных соединений, герметизировать вращающиеся валы (а.с. 653470), надежно обеспечивать смазку статических и гидродинамических подшипников. МЖ уплотнители не только гораз­до долговечнее, но и надежнее резиновых сальников. Они исклю­чают непосредственный контакт между подвижной и неподвижной деталями, а значит, предотвращают их износ.

МЖ смазки удерживаются в местах зацепления зубчатой пары путем соответствующего расположения магнитопровода. Если в обычном подшипнике часть роликов намагнитить, смазка будет не толь­ко хорошо удерживаться магнитным полем, но и втягиваться в зону. Это повышает работоспособность и ресурс подшипниковых узлов. Кроме того, подшипники с такой смазкой совершенно бесшумны, обладают ничтожным трением покоя и коэффициентом трения. Может возникнуть вопрос: поскольку в смазку введены твердые ФМ части­цы, не вызовут ли они абразивный износ деталей? Нет. Объясняет­ся это сверхмалыми размерами частиц.

Преимущество МЖ - заменять с ее помощью механическую связь магнитной - показано на Рисунке 23. Рисунки наглядно иллюстриру­ют, что в устройстве для перемешивания жидкостей (а.с. № 370308) диск с коническими роликами, вращаясь интенсивно, воздействует на эластичное дно емкости. Четко прослеживается ТП: чем больше разность диаметров роликов и чем плотнее прилегают они к ем­кости, тем лучше перемешиваются жидкости, но тем быстрее изна­шивается эластичное основание. По а.с. № 537149 предложено вставлять в емкость эластичную "подушку" с МЖ, а снизу воздей­ствовать на нее вращающимися магнитами. При этом в "подушке" будет "бежать" волна МЖ, которая обеспечит перемешивание жид­костей. Нет механического контакта - устройство стало долго­вечнее.

Рисунок 24 показывает использование МЖ для закрепления дета­лей. Учащимся сначала разъясняется, что обыкновенная кювета с МЖ может заменить специальное приспособление, причем зачастую разового применения, для крепления заготовки сложной конфигу­рации. Положив в нее деталь и придав ей с помощью подкладок нужное положение, создают магнитное поле, МЖ мгновенно загу­стевает, превращается в твердый монолит и надежно фиксирует заготовку. По окончании обработки достаточно отключить элек­тромагнит, и деталь будет свободна. По а.с. № 1007901 предло­жено более сложное устройство. Оно включает в себя контейнер, в который установлены эластичные емкости, заполненные МЖ, и магниты. Принцип работы очевиден из рисунка. По сравнению с традиционно используемыми тисками, данное устройство резко сокращает время на закрепление и кантовку отливок любой формы, особенно крупных.

Пресс непрерывного действия (Рисунок 25) используется для обработки давлением длинномерных слоистых материалов. В нем две ветви бесконечных лент образуют камеру прессования. Ленты с пористым наполнителем, внутри которого находится МЖ, в зоне прессования под воздействием магнитного поля МЖ, а следовательно и лента только в этом пространстве, твердеют. Жесткая лента обеспечивает равномерную передачу нагрузки на обрабатываемый материал, благодаря чему он получается плотным с гладкой по­верхностью. Вне зоны прессования ленты гибкие, что позволяет им огибать валки. Разрешено оригинальное ФП: одна и та же бес­конечная лента должна быть и жесткой, и гибкой.

На Рисунке 26 показан оригинальный инструмент для шлифования - эластичный баллон, рабочая поверхность которого покрыта абразивом. Баллон заполнен МЖ. Это позволяет придать ему поч­ти любую форму. Шлифование происходит при постоянном прижиме инструмента к заготовке и воздействии на МЖ магнитным полем (а.с. № 534351).

Для герметизации трубопроводов и горловин используют заг­лушки, выполненные в виде стакана с легкоплавким уплотнителем. Недостатки способа - необходимость нагрева (охлаждения) и инерционность процесса. По а.с. № 438829 предложено использовать в ка­честве уплотнителя МЖ, воздействуя на нее электромагнитом. Ес­ли герметизация производится на короткий отрезок времени, то такая заглушка удобна: не нужно расплавлять уплотнитель подво­дом тепла (а это иногда взрывоопасно); снятие и установка та­кой заглушки производится практически мгновенно (Рисунок 27).

На Рисунке 28 рассказано о щите-опалубке, который может ис­пользоваться многократно и принимать в момент бетонирования почти любую форму. Достигается это тем, что опалубка представ­ляет собой эластичную оболочку (нечто вроде одеяла), наполняе­мую МЖ. Ее затвердевание-размягчение производятся электромаг­нитом. Интересно, что это же а.с. № 883524 предлагает и другие жидкости в качестве наполнителя: электрореологическую жидкость (она меняет вязкость при пропускании через нее электрического тока, простейший вариант такой жидкости - керосин с мельчайшими частицами речного песка); можно использовать даже воду, за­мораживая и размораживая ее.

Аналогичную емкость, только больше размеров, предложено использовать в качестве временной плотины (Рисунок 29). Если МЖ имеет плотность меньшую, чем вода, плотину можно превратить в средство для переправы людей, автотранспорта и грузов (а.с. № 1068574).

Сложно транспортировать по трубопроводам высоковязкие жидкости - велико гидравлическое сопротивление, возникающее от их взаимодействия с трубой. А.с. № 1124152 позволяет создать коль­цевой пристенный слой с небольшим коэффициентом трения. Для этого снаружи трубы устанавливают магниты, а внутри ее сте­нок "размазывается" МЖ. Об этом рассказано На рисунке 30.

Рисунок 31 посвящен маховикам, которые используют в машинах, в космических летательных аппаратах в качестве аккумулятора ки­нетической энергии.

По а.с. № 359455 предложен маховик переменного момента инерции. Дело в том, что маховик, чтобы иметь большой момент инерции, должен быть массивным, особенно на своей периферии. Но такой маховик сложно раскрутить, особенное в начале его дви­жения. Вот если бы он был то с массивным ободом, то с легким! Разрешено это ФП разделением противоречивых требований по вре­мени следующими особенностями конструкции. Маховик имеет в своем центре коническую камеру, заполненную жидкостью, которая удерживается в ней гравитационными силами. По мере увеличения оборотов маховика центробежные силы гонят жидкость к перифе­рии. Так осуществляется автоматическое регулирование момента сил. Но есть у устройства существенный недостаток - оно рабо­тоспособно только при строго вертикальной оси вращения и при наличии гравитации. Изобретение по а.с. № 1171619 позволяет ис­пользовать подобный маховик, в космосе. В нем силы земного при­тяжения заменены магнитным полем, а жидкость должна быть маг­нитной. В этом случае маховик работает при любом положении оси вращения.

На Рисунке 32 показан жидкостный амортизатор. Для измене­ния его демпфирующих характеристик используется известный по рисунку 22 изобретательский прием динамизации - электромагни­тами регулируется вязкость МЖ, помещенной в цилиндре амортиза­тора. В результате повышается эффективность и экономичность амортизатора.

На атом же Рисунке приведен пример регулируемого устройст­ва для гашения механических колебаний (а.с. № 587284). Конст­рукция его хорошо видна на приведенном рисунке. Фактически это плоская пружина, частично помещенная в компенсационную камеру с МЖ.

МЖ обладает еще одним свойством - она изменяет псевдоплот­ность под воздействием магнитного поля, т.е. меняется архиме­дова сила на погруженное в нее тело. Это и предложено исполь­зовать по а.с. № 1169676, меняя величину магнитного поля, регулируют положение планки в устройстве для прыжков в высоту (Рисунок 33).

Как видно из приведенных примеров, многие технические ре­шения основаны на сочетании изобретательского приема "исполь­зование пластичных конструкции" с применением магнитных жидкостей.

Рисунком 34 начинается новый подраздел. В нем рассказа­но об эффекте перехода через температуру Кюри (Тк) - темпе­ратуру, при которой ферромагнетики теряют свои магнитные свой­ства.

Диапазон Тк различных веществ очень широк: Тк чистого же­леза – 1026 К, никеля 638 К, гадолина 289 К.

Температура плавления этих веществ всегда выше Тк. Таким образом, в расплавленном состоянии они не обладают магнитными свойствами. Иными словами, естественных жидких веществ, притя­гиваемых к магнитам, нет. Вот почему, в частности, были созда­ны искусственные магнитные жидкости.

Вот перечень изобретательских задач, которые могут быть решены использованием этого физического эффекта: измерение тем­пературы; сигнализация; увеличение чувствительности при измере­ниях; саморегулирование нагрева; временное крепление; сборка-разборка; регулирование теплообмена, теплозащиты; преобразова­ние тепловой энергии в механическую (магнитотепловые двигате­ли); коммутация; регулирование степени демпфирования.

Отличительные особенности изобретений, сделанных на этой основе, безотказность и относительная простота.

На Рисуноках 35-40 показаны различные сигнализаторы темпера­туры, принцип действия которых основан на применении данного физического эффекта.

А.с. № 504103 - устройство для многократного измерения температуры, обеспечивающее индикацию достижения объектом задан­ной температуры. Оно удобно в особых условиях измерения, нап­ример в вакууме, при высоком давлении, в сильных электричес­ких полях. Устройство состоит из корпуса, выполненного из не­магнитного материала, прозрачной крышки, подвижного термочув­ствительного элемента (поплавка), постоянного магнита. Пока Т устройства ниже Тк, термочувствительный элемент притянут к магниту; при достижении Тк - он всплывает.

А.с. № 861971 знакомит с техническим решением, близким к предыдущему. Но здесь используют не один, а много поплавков в последовательно нарастающей Тк. Поднимается температура - всплывает очередной поплавок, а в остекленном окне можно прочитать температуру среды, которая равна Тк именно этого поп­лавка.

Устройство по а.с. № 798509 так же близко по конструкции к устройству, предложенному по а.с. № 504103. Только между тер­мочувствительным элементом и постоянным магнитом установлен пъезодатчик. Пока Т меньше Тк, термочувствительный элемент, при­тягиваясь к магниту, сдавливает пьезоэлемент; при Т равной и большей Тк, такого давления нет. Это и регистрирует прибор.

Сигнализатор температуры по а.с. № 1141467 содержит полый корпус, заполненный инертной средой, жестко закрепленные в кор­пусе электроды, при этом контактирующая часть одного из элект­родов выполнена из материала с Тк, равной контролируемой тем­пературе, а на другом (подвижном) установлен постоянный магнит. Как только температура контролируемого газа достигнет Тк, контакты разомкнутся, что безотказно обеспечит подачу соответ­ствующего сигнала.

Последующие два рисунка также посвящены сигнализаторам тем­пературы прибора. В них подвижный поршень меняет свое положе­ние при достижении одним из элементов конструкции Т равной Тк. В а.с. № 1000788 при этом увеличивается давление в полости ци­линдра, что и фиксирует указатель давления. По а.с. № 1027539 перекрывается один из каналов световодов, а техническое реше­ние по а.с. № 1136034 позволяет фиксировать две температуры.

На рисунке 40 сигнализатор давления (а.с. № 1169037) имеет маятник, входящий в зацепление с зубчатой шестерней. В основа­нии маятника установлен постоянный магнит. К одной из стенок корпуса устройства прикреплен полый термочувствительный эле­мент, через который прокачивается жидкая или газообразная кон­тролируемая среда. Пока Т этого элемента меньше ее Тк, маят­ник к нему притянут. Как только Т увеличится до Тк, маятник отойдет и через шестерни приведет в действие исполнительный механизм, функции которого могут быть самыми различными (вклю­чение сигнализации, холодильной установки и пр.).

Рисунок 41 знакомит с несколько иным прибором - сигнализа­тором уровня. В камере из немагнитного материала помещен не­подвижный магнит, определяющий положение уровня жидкости, а снаружи находится магнитоуправляемый контакт. Магнит покрыт термочувствительным материалом, Тк которого обязательно ниже Т контролируемой жидкости. Пока уровень жидкости находится ниже магнитов, сигнализатор шунтируется покрытием, и магнитоуправляемый контакт разомкнут. Когда жидкость достигает покрытия, она нагревает его до Т и выше Тк. Шунтирование магнита прекра­щается. Такое устройство обладает высокой надежностью (а.с. № 1035426).

На 42 рисунке рассказывается об изобретениях в трубопрокат­ном и литейном производствах.

При нагреве заготовок и их последующей транспортировке происходит окисление поверхностных слоев металла - окалинообразование. Окалина может служить причиной брака труб. По а.с. № 735354 предложено удалять окалину следующим образом: цилинд­рические заготовки (их температура выше Тк) скатывают по нак­лонной плоскости с ребрами. При этом наружная поверхность за­готовок интенсивно охлаждается водой до температуры ниже Тк. На поверхности создается разность температур, которая обеспечи­вает растрескивание окалины. Под наклонной плоскостью помеще­ны магниты. Они воздействуют на наружный слой заготовок (его Т ниже Тк) и не воздействуют на внутренний (его Т выше Тк). В результате, магниты "сдирают" окалину.

На этом же рисунке рассказано об изобретении, относящему­ся к литейному производству, - способе удаления прибылей от отливок (а.с. № 899266). После охлаждения наружной части от­ливки до Т ниже Тк, с двух сторон прибылей устанавливают электромагниты, которые включают попеременно. Воздействие перемен­ного магнитного поля на прибыль приводит к его колебательному движению. Появляются трещины, прибыль отваливается.

На Рисунке 43 рассказывается об а.с. № 634842, по которо­му предложен вариант изложницы, применяемой для кристаллиза­ции металлических слитков, например, стальных. Изложница сос­тоит из нескольких частей, скрепленных замками, выполненными из предварительно намагниченного ФМ материала с Т = 650..... 750°С, В процессе разливки и кристаллизации слитка стенки из­ложницы нагреваются; при достижении Тк замки теряют свои маг­нитные свойства, и изложница сама раскрывается. Применение таких изложниц повышает производительность труда, улучшает ка­чество слитков.

На рисунке 44 показаны электромагнитные реле защиты, исполь­зуемые в качестве расцепителей автоматических выключателей. Та­кое реле (а.с. № 625270) состоит из Ш-образного магнитопровода, один из стержней которого изготовлен из материала, Тк которо­го ниже Тк остальных частей устройства. При номинальном токе этот стержень нагревается до Т, недостаточной для потери им намагниченности. В результате реле не срабатывает (см. рису­нок). С увеличением силы тока стержень достигает Тк, якорь по­ворачивается, и реле срабатывает. Устройство безотказно. Но оно рассчитано только на одну определенную величину тока пере­грузки.

Зная один из законов развития технических систем - уве­личение степени управляемости техническими системами, несложно предугадать дальнейшее развитие данного реле. Это и показано в изобретении, на которое выдано а.с. № 670988. В нем, в отличие от предыдущего, стержень выполнен из набора электрически изо­лированных одна от другой пластин. Эти пластины имеют одну Тк, но в зависимости от их взаимного соединения (параллельного, по­следовательного, последовательно-параллель­ного), можно регули­ровать установку тока перегрузки.

Оригинальный объемный насос предложен а.с. № 1333829. Он состоит из корпуса, в верхней части которого установлен коль­цевой магнит. Внутри магнита - прозрачное окно. Поршень выпол­нен из ФМ материала с Тк незначительно более высокой, чем Т перекачиваемой жидкости. Работа насоса показана на рисунке 45: под воздействием магнита поршень перемещается вверх, перегоняя жидкость в нагнетательный патрубок; при этом через обратный клапан насоса новые порции перекачиваемой среды по­ступают в камеру насоса.

В верхней части насоса на поршень попадают солнечные лу­чи, собранные концентратором в фокусе, расположенного в зоне поршня. Последний быстро прогревается до Тк и теряет свои маг­нитные свойства. Под действием силы тяжести он падает вниз, а через обратный клапан порами жидкость поступает в центральную часть насоса. При этом поршень охлаждается до Т ниже Тк и вновь идет вверх к магниту. Цикл работы повторяется. Насос ра­ботает от "бесплатной" энергии. Рассказ об этом изобретении хо­рошо увязывается с содержанием рисунков 30-34, в которых иллю­стрируется техническое проявление закона повышения степени иде­альности технических систем.

Примеры использования эффекта перехода через Тк для ста­билизации рабочих температур паяльников приведены на Рисунке 46.

Газовый паяльник по а.с. № 1140907 имеет корпус с нагрева­тельной камерой, нагревательный элемент в виде шариков из элек­тропроводного ФМ материала с Тк равной рабочей Т газа, и систе­му пропускания газа через паяльник.

На нагревательном элементе установлена электромагнитная ка­тушка, силовые линии магнитного поля которой перпендикулярны электродам (на рисунке они обозначены зеленым цветом). Работа­ет газовый паяльник следующим образом. В первоначальном положе­нии шарики находятся в неупорядоченном состоянии. При подаче питания к электродам и электромагнитной катушке возникает маг­нитное поле, которое "выстраивает" шарики в виде цепочек от одного электрона к другому. По цепочке шариков протекает ток, который их и нагревает. Газ поступает в нагревательную камеру. Соприкасаясь с ФМ шариками, он нагревается до рабочей темпера­туры и через отверстия нижнего электрода поступает в сопло. Как только Т шариков достигает Тк, они теряют магнитные свойства, и цепочка разрывается, электрическая цепь размыкается, шарики охлаждаются, их Т при этом становится меньше Тк, цепочка вос­станавливается. Так осуществляется стабилизация рабочей темпе­ратуры устройства.

Электрический паяльник по а.с. № 1189617 работает на ана­логичном принципе. Саморегулирование рабочей температуры жала осуществляют ФМ шарики с соответствующей Тк.

На Рисунке 47 зеленым цветом обозначен объект, который дол­жен нагреваться на солнце, но при этом его температура не долж­на превышать рабочую температуру (Тр), По а.с. № 1183946 это осуществляет саморегулирующий теплопровод, который содержит две пластины (неподвижная установлена на объекте, а подвижная соединена с ней направляющими) с магнитами, обращенными друг к другу одноименными полюсами. Материал подвижной пластины имеет Тк = Тр.

Работает устройство следующим образом. В исходном положе­нии, когда температура всех частей системы ниже Тк, пластины прижаты друг к другу. Магнитные потоки постоянных магнитов шунтируются через подвижную пластину и не взаимодействуют один с другим. Тепловой поток от внешней среды через обе пластины передается объекту, нагревая его. При достижении системой Тк подвижная пластина перестает шунтировать магниты. Магниты, взаимоотталкиваясъ, приподнимут пластину, которая из теплопровода превратится в тепловой экран.

На рисунке 48 показано устройство для запайки ампул с ле­карствами. Ампулы расположены в кассетах и конвейером подво­дятся к электромагнитному индуктору. На наружную часть концов капилляров стеклянных ампул (температура размягчения стекла 610°С) наносят ФМ слой с Тк = 630°С. Попадая в зону действия индуктора, под воздействием электромагнитного поля ФМ материал нагревается, материал ампулы вокруг ФМ слоя плавится, концы капилляров запаиваются. Важная деталь: перегрев ампул выше Тк невозможен.

На рисунке 49 показаны способы магнитной сепарации смесей. С виброконвейера смесь падает на вращающийся магнитный барабан. Частицы, не обладающие ФМ свойством, барабаном не задерживаются, а обладающие ФМ свойством на нем зависают, и затем либо сами па­дают в емкость, либо им в этом помогает скребок.

А как разделять смесь, состоящую из различных ФМ частиц? Предложено разделять их с учетом различия в Тк. Если смесь предварительно нагреть до Т выше Тк одного вещества, но ниже Тк второго, то сепарация будет производиться так же, как и в первом случае.

На рисунке 50 показано контактное устройство для односто­ронней передачи тепловой энергии (тепловой диод). По патенту США № 3469217 оно включает в себя корпус с постоянным магнитом и теплопроводные пластины, которые выполняют роль входного и выходного теплопроводов. К входному теплопроводуприкреплен контактный узел из ФМ материала. Пока тепловой поток относительно слаб (его Т ниже Тк контактного узла), соприкосновения между пластинами нет, т.к. входная пластина притянута вниз к магниту. Как только Т достигнет Тк, контактный узел перестает взаимодействовать с магнитом, пружина оттянет входной теплопровод вверх, пластины будут соприкасаться.

В а.с. № 1030639 предыдущее техническое решение взято в качестве прототипа. Предлагается для расширения функциональных возможностей устройства контактные узлы делать сменными - у них должны быть различные Тк.

Рисунки 51 и 52 раскрывают сущность изобретения а.с. № 880570. В нем показан способ сборки штампа - инструмента для обработки материалов давлением путем пластической деформации заготовок. В сборных штампах в ячейки матрицы укладываются ша­рики диаметром 1...1.5 мм. Их много, в штампе величиной с ла­донь, расположено примерно 17000 ячеек. Сборка осуществляется вручную пинцетом: смотрят на чертеж и укладывают шарики. Ориен­тировочное время сборки одного штампа - 14 часов.

Изобретатели предлагают поступать иначе. Вначале все ячей­ки заполнить шариками (засыпать и лишние сбросить ладонью). Ша­рики должны иметь Тк примерно 35…40°С. Затем на них через прозрачный диск с нанесенным на него рисунком, направляют теп­ловой поток. Там, где диск прозрачен - тепло проходит и нагре­вает шарики до Т большей Тк, где диск непрозрачен - тепловой поток не проходит. Затем к матрице подносят магнит. Лишние ша­рики к нему притянутся. Такой способ сокращает время сборки штампа до 15-20 минут. В данном изобретении применены изобрета­тельский прием "инверсия" плюс физический эффект.