– Нужна ли физика изобретателю? Или это тоже «лишняя» информация? – задаем мы провокационный вопрос в начале занятия.

– Конечно, нужна! Мы же решали задачи, где изобретения «физические», – отвечают ребята. – Про поплавок, плавающий в ванне с раствором.

– И про вулканизатор, который должен поддерживать постоянную температуру. Мы «свертывали» сложные системы!

– И когда решали задачи по правилам вепольного анализа: намагничивание, притяжение заряженных капель, люминесценция…

– Достаточно! А что, по-вашему, труднее всего при решении таких задач?

– Наверное, найти, какой именно физический эффект нужен в данной задаче?

– Что же здесь трудного? – удивился Женя. – Есть учебники, справочники, даже энциклопедия…

– Хорошо. Вот вам задача.

Задача 46

Как слегка изогнуть твердый и очень хрупкий кристалл?

– Попробуйте отыскать в этом томе физический эффект, нужный для ее решения. И преподаватель протянул ребятам толстый физический энциклопедический словарь.

Ребята листают тонкие страницы. Где искать? В разделе о кристаллах? Или про изгиб? Сегодня в физике имеются сведения о десятках и даже сотнях тысяч самых разных эффектов, многие из которых вероятно можно использовать в изобретательстве. Разве все запомнишь? Выпускник высшей школы «проходил» двести-триста эффектов. А сколько остается в памяти? Мы на занятиях у взрослых даже призы обещали тем, кто больше эффектов вспомнит – более полутора-двух десятков никто не называет. А в физической литературе все есть, но излагаются они совсем не так и не в той последовательности, в какой нужно изобретателю. Много эффектов описано в интернете, но как среди них найти нужный?

– Из чего сделаны все вещества? – спрашивает преподаватель.

Водопад эрудиции: из атомов, молекул, протонов, электронов, бозонов и лептонов, кварков… Ребята очень начитаны.

– Ничего там такого нет, – невозмутимо заявляет преподаватель. – Там только маленькие человечки!

Кое-кто из гостей, сидящих на занятиях, смотрит тревожно – никак у преподавателя «крыша поехала». Но у наших ребят ни удивления, ни возражений, им понятно, что для поиска нужного физического эффекта нужно использовать метод ММЧ.

– Как, например, изобразить твердое вещество?

К доске выходит Таня и рисует шеренги человечков, крепко взявшихся за руки.

– Какие особенности у этих человечков?

– Они никогда и никого не пропускают. Через них можно пройти, только разорвав их руки. Человечков можно немного растянуть в разные стороны, потом они снова сойдутся. Или сжать…

Человечки жидкости толстые, а ручки у них слабые. Разорвать ряд ничего не стоит. А сжать трудно. Человечки газа просто не любят друг друга и стараются разбежаться во все стороны.

А теперь рассмотрим две группы человечков, расположенных одна над другой – «верхние» и «нижние». Каждую группу можно охарактеризовать силой (F) взаимодействия человечков между собой. Человечки притягиваются – F положительная, человечки отталкиваются – F отрицательная, человечки «равнодушны» друг к другу – F нулевая. Точно такие же значения может принимать сила взаимодействия между человечками разных групп. Все это можно записать в таблицу:

Представим себе, что и в верхней, и в нижней группах силы положительны – человечки притягиваются. А между группами взаимодействия нет. Какой картине это соответствует?

– Два твердых тела просто лежат один на другом.

– Хорошо. А теперь между группами появились силы притяжения, причем достаточно сильные. Что будет?

– Человечки верхней группы начнут притягивать человечков нижней и наоборот. Как два магнита.

– Правильно. А если в верхней группе притяжение между человечками исчезло?

– Сверху, значит, жидкость. Она растечется по нижнему твердому телу.

– Это явление называется смачиванием. А если сейчас между группами появятся отталкивающие силы? Таня рисует, как человечки верхней группы собираются в комок. Совсем оттолкнуть их нижние человечки не могут – сила тяготения не позволяет. Получается что-то вроде круглой капли.

– Это несмачивание! Как капля жидкого масла на тарелке.

– А если «твердые человечки» одного вещества пролезают между твердыми человечками другого, смешиваются с ними?

Ребята задумались, потом Женя вспомнил – это же диффузия! Только надо, чтобы температура была высокой.

Наша табличка маленькая. Но даже она может дать двадцать семь различных эффектов, хотя и не все они реализуются в природе. А мы рассмотрели только одно свойство человечков – притяжение-отталкивание. Но ведь у человечков может быть множество других свойств: они могут нести электрический заряд, иметь собственный «магнитик», светиться (человечек с «фонариком»). У каждой группы человечков есть начальники – поля – младшие и старшие. Старшие могут отменять приказы младших. Например, если мы нагреем магнит выше определенной температуры (так называемой точки Кюри), то магнитные свойства исчезнут – тепловое поле «главнее», чем магнитное.

– А можно здесь применить МАТХЭМ? Чтобы найти нужного «хозяина» для наших человечков?

– Конечно! Ведь подавляющее большинство физических эффектов связано с действием на вещества тех или иных полей при разных условиях.

– А может быть не одно, а два поля? Или даже больше?

– Да, чаще всего комбинация разных полей дает самые высокоуровневые решения. Преподаватель вешает еще один плакат.

Конечно, ребята знают далеко не все эффекты, но это – не беда. Если возникнет необходимость, все можно найти в интернете – надо только знать, что искать.

Итак, у человечков есть множество возможностей. Существует масса разных эффектов, и любой эффект можно с помощью человечков изобразить. Вот только что это даст изобретателю?

Ответ на этот вопрос быстрее всех находит Таня. Занятия в художественной школе развили у нее образное мышление, и ей метод ММЧ дается легче всех.

– Сначала нарисуем с помощью человечков нужное действие, а потом ищем эффект! Сначала придумать, а потом искать!

Задача 47

На производстве для зачистки деталей используют вращающийся фанерный круг, к которому маленькими гвоздями прибит кусок наждачной бумаги. Всякий раз, когда бумага износится, необходимо останавливать станок, вытаскивать гвозди, забивать новые. Как ускорить работу?

Исходная вепольная ситуация: В1 – фанера, В2 – бумага. Поля нет (гвозди не в счет, они нас не устраивают). Нужно ввести поле.

Но какое? Бумага и фанера немагнитны. Электрическое поле нежелательно по требованиям безопасности. Можно вместо наждачной бумаги взять ферромагнитный порошок, а круг сделать из магнита. Это решение соответствует вепольным формулам, но очень сильно меняет исходную систему. Нужно постараться найти решение, которое как можно меньше требует изменений. В ТРИЗ это называется – решить мини-задачу.

Рисуем человечков. Человечки круга хватают и держат человечков наждака – эта схема соответствует ферромагнитному порошку и магнитному кругу. Тогда по-другому: человечки наждачной бумаги сами «липнут» к кругу.

– Нужно откачивать воздух между бумагой и кругом! Тогда она будет прилипать.

– Правильно! Поставить насос…

– А без насоса нельзя обойтись?

– Может быть, и можно. Какие у нас ресурсы есть?

– Энергия вращения круга. А можно, чтобы круг работал как вентилятор?

– Конечно, можно.

Так и была решена эта задача: на обратной стороне круга поставили лопасти, а в самом круге просверлили отверстия, и бумага стала послушно прилипать.

Задача 48

Растения нуждаются в микроэлементах – очень небольших количествах некоторых металлов: меди, железа, марганца и других – доли миллиграмма на квадратный метр поля. Удобнее всего вводить их во время полива, но металлы в воде не растворяются, а измельчить их до нужных размеров практически невозможно. Как быть?

– Есть человечки воды и металла, например меди. Нам нужно, чтобы человечки воды «хватали и несли» человечков меди. Но последние крепко держатся друг за друга, и у человечков воды не хватает сил. Нужно им помочь.

– Ввести поле, которое будет «выгонять» человечков меди в воду! Да это просто электрический ток. Электрорастворение – вот что нужно.

Техническое решение ясно. Сделать из меди или другого нужного металла кольца, вставить их в шланг, по которому вода течет, и подвести к кольцам и к воде полюса батарейки. Меняя ток, можно регулировать количество уходящего в воду металла.

– Неужели существуют любые эффекты, какие бы ни понадобились?

– Конечно, не любые. Но что-то подходящее всегда находится, в крайнем случае – сочетание эффектов, с добавлением изобретательских приемов или других эффектов, например, химических.

– А химическое решение можно найти с помощью маленьких человечков?

– Давайте посмотрим.

Задача 49

Электрические лампочки накаливания перегорают из-за того, что с раскаленной вольфрамовой нити испаряются атомы вольфрама. Они осаждаются на внутренней поверхности стекла, снижая его прозрачность. Как быть?

Непонятно, с чего начинать. Значит, рисуем маленьких человечков.

– Вот человечек вольфрама оторвался от других и побежал. Нужны человечки-конвоиры, которые поймают его и вернут на место.

– Какие требования к конвоирам?

– Захватив человечка вольфрама, они не должны садиться на стекло, могут летать по всему баллону. Но если попадут на то место, откуда человечек вылетел, они должны его тут же отпустить.

– Отлично. Теперь переведем наше решение с «человеческого» языка на язык химии.

– Нужно, чтобы в баллоне был газ, который захватит убежавшие атомы вольфрама и образует летучее соединение. А когда оно попадет на раскаленную нить, пусть соединение распадется и выделит вольфрам.

– А как сделать, чтобы вольфрам выделился именно на то место, с которого он ушел?

– А чем это место может отличаться от другого?

– Там, где вольфрама меньше, сопротивление нити выше, следовательно, там выше нагрев.

– Тогда все ясно. Нужно, чтобы температура, при которой разлагается соединение, соответствовала перегретой нити.

– Молодцы. Именно так все и должно происходить. Осталось взять справочник и найти, что это за газ. Нужными свойствами обладают галогены: хлор, фтор.

Занятие подошло к концу. Но тема информационного фонда ТРИЗ, конечно, не исчерпана, мы к ней еще вернемся, в особенности к использованию физических эффектов. Мы собираемся отпустить ребят, но Миша вспоминает:

– А как же решается задача с изгибом кристалла? В самом деле, забыли про задачу. Ну что же, вепольная схема проста – В1 и больше ничего. Нужно ввести В2 и поле. Рисуем человечков. Изогнуть кристалл – значит сжать человечков с одной стороны. Как заставить их сомкнуться? Какое поле может дать такую команду человечкам?

– Тепловое. Но оно одинаково действует на всех человечков, изгиба не получится.

– А мы забыли про B2! У нас же есть еще одна группа человечков!

– Верно. Если этих новых человечков расположить с одного края кристалла, то им можно скомандовать приблизиться. А они за собой потянут человечков на торцах кристалла.

– Получается что-то вроде биметалла, только без металла.

– Почему без? Новые человечки могут быть из металла.

– Нужно напылить на одну сторону кристалла металлическую пленку и нагреть. У кристалла один коэффициент теплового расширения, а у металла – другой. Вот кристалл и изогнется.

– Но когда кристалл остынет, он снова выпрямится.

– Верно. Но можно использовать прием наоборот: напылять металл в горячем состоянии. Кристалл изогнется, когда остынет.

– Получается, что эффекты – отличные ресурсы для решения любых задач. А сколько вообще существует эффектов? Можно все их выучить? Или хотя бы собрать в какой-то справочник?

– Такие справочники есть, и не только по физическим, но и по химическим и биологическим эффектам. Они созданы в рамках ТРИЗ, их можно найти в интернете. Проблема в том, что различных эффектов сотни тысяч, но реально «работают» не слишком многие из них. Для поиска нужных для решения задач эффектов можно использовать разные уровни строения материи, разные поля и разные состояния вещества.

В любой технической системе могут использоваться самые разные ресурсы, от верхнего уровня «мегасистем», связанных с общим развитием науки, технологий, культуры и т. п., и до систем атомного и внутриатомного уровня, или систем, построенных только из полей. При этом в каждой системе могут действовать так или иначе все поля из списка МАТХЭМ, и вещество может находиться в разных агрегатных состояниях. Только в этом кубе скрыто 216 возможных комбинаций. А если добавить к ним промежуточные состояния вещества, такие как пена, гель, пар и т. п., а также возможность совместного действия разных полей, комбинации разных состояний вещества и т. п.? Число вариантов вырастет невероятно. И как же найти наилучший?

Ребята огорошены, но маленький Алеша находит выход – не надо перебирать множество вариантов, а надо посмотреть, что мы имеем в ресурсах, и на этой базе выбрать уровень структуры системы, поле и состояние вещества… Отлично!

Задача 50

На дрейфующей полярной станции случилось ЧП; уронили в прорубь важную часть прибора – медную трубку диаметром 100 миллиметров. Стали искать замену – нашлась только труба диаметром около 80 миллиметров. Но с такой трубкой прибор работать не будет. Как быть?

– Нужно расширить трубку до нужного диаметра.

– Понятно. А как это сделать?

– С помощью давления!

– Для этого понадобится очень мощный компрессор, такого на станции нет.

– Можно сначала нагреть, тогда не нужно будет большое давление.

– Все равно на станции никакого компрессора нет. Да температура плавления у меди больше 1000 градусов, на станции ее нечем нагревать. Там холодно.

– Нужно использовать холод! – догадался Алеша. – Налить в трубку воду и закрыть с обеих сторон. Вода замерзнет и расширит трубку!

– Ничего не выйдет! – возразил Женя. – Вода при замерзании действительно увеличивается в объеме, но не настолько, чтобы из трубки диаметром 80 миллиметров получилось 100.

Преподаватель:

– Ты прав. Объем льда больше, чем объем воды на 10 %, то есть при замерзании воды трубка такого диаметра может увеличиться примерно на 4 миллиметра. А надо – на 20.

– А почему же на 4? Раз 10 %, то должно увеличиться на 8 миллиметров? Ребята в недоумении, но Игорь соображает быстро:

– Если длина трубки не меняется, то объем пропорционален площади сечения трубки, а оно πR2. Значит, если площадь выросла на 10 %, то радиус… – Женя немного попутался в вычислениях, – на 5 %. Да, 4 миллиметра, значит, с холодом ничего не выйдет… Жалко!

– Нет, выйдет! – возразил Миша. – Только нужно несколько раз повторить заморозку – каждый раз размер будет увеличиваться!

– Задача решена верно. Обратите внимание: вместо сложных и громоздких компрессоров, печей сработали холод и молекулы воды. В этом суть закона перехода технических систем к работе на микроуровень; вместо «железок» работают молекулы, атомы. Не всегда этот переход происходит так быстро, как на полярной станции, – там нужда заставила. Обычно этот переход совершается постепенно, по этапам.

Вот мощный инструмент, работающий на самом «верхнем» уровне – макроуровне, – фреза. Первый шаг на микроуровень – появление иглофрезы, напоминающей круглую стальную щетку. И не поверишь, что эта «щетка» снимает толстые слои металла, оставляя за собой чистую и ровную поверхность! Следующий шаг – металл режут мельчайшие зернышки твердого минерала, заключенные в шлифовальный круг или нанесенные на мягкую материю… Еще шаг – и перед нами уже не станок, а ванна, в которой кислота аккуратно снимает тонкие слои металла. А следующий шаг – использование полей – электрического, магнитного, теплового. И появляются электродуговая и электроплазменная резка металлов, электронная сварка. Импульсные магнитные поля штампуют металлические детали, а луч лазера делает любую работу – от раскроя толстых листов до тончайшей операции на хрусталике глаза…

– Я, как защитник ТРИЗ, хочу обратить ваше внимание на существенную разницу в отношении к информации при использовании МПиО и ТРИЗ, – неожиданно вмешивается Игорь. – При поиске перебором вариантов любая информация может оказаться нужной, натолкнуть на полезную ассоциацию. А в ТРИЗ лишняя информация не нужна, здесь на нужную информацию выходят целенаправленно!

 

Вечерние размышления

Несколько лет назад, когда только начинали работу с детьми, мы очень удивились: десятиклассники не смогли даже с нашей помощью решить простую задачу, требовавшую только понимания закона Архимеда. Закон они знали наизусть, но не понимали. Аналогичный эксперимент со взрослыми удивил нас еще больше – в том же положении оказалось большинство инженеров. У людей нет наглядного представления о механизме действия закона. Это издержки методики преподавания физики в школе. В 20-м веке в физике возобладал математический, формализованный подход. Это обосновано: многомерные пространства, квантовые струны, темную материю, черные дыры и т. п. невозможно представить наглядно, их описывают только математически. А может быть, просто пока не найдены наглядные модели?

В 1949 Ричард Фейнман создал метод диаграмм Фейнмана в квантовой теории поля (за что потом получил Нобелевскую премию). Это удивительный метод, более всего похожий на сочетание ММЧ и простых схем, очень похожих на веполи. Любые ядерные процессы – столкновения частиц, их преобразования, обмен частицами между ядрами, поглощение и излучение энергии и т. п. – наглядно изображаются на листе бумаги. Из набора таких «частичных схем» строится общая схема ядерной реакции, как паровоз из деталей детского конструктора – что куда входит, что выходит, как меняется и т. п. Это дает простое и наглядное представление процессов вместо их абстрактного и очень сложного описания уравнениями и матрицами. Если смотреть на схему, то ничего не забудешь и ничего не пропустишь. И, как результат, масса открытий, сделанных с этими простыми «игрушками»!

Но, несмотря на успех Фейнмана, «большая физика» продолжает развиваться как сугубо формальная, математическая дисциплина. Беда в том, что часто формализованный подход распространяется и на школьную физику, делая ее ужасно скучной, малопонятной для учеников. Это резко осложняет ее использование в изобретательстве. Одна из целей нашего обучения – выработка умения «видеть», представлять себе самые сложные физические явления, действия. ММЧ здесь сильный помощник. Иногда он кажется «легкомысленным», но это полезно – помогает преодолевать психологическую инерцию.