1. Вступление

Перед вами, дорогой читатель, учебник «Стандарты изобретательства».

Данный учебник ставит задачу изложить систему стандартов на решение изобретательских задач, разработанную Г. С. Альтшуллером. Классификация стандартов основана на вепольном анализе и законах развития систем. В связи с этим предварительно рекомендуем вам ознакомиться с этими материалами в учебниках.

Краткий обзор вепольного анализа и законов развития систем приведен в главе 1.

Большое количество материала для самостоятельой работы позволит вам отработать навыки в использовании стандаров на решение изобретательских задач.

 

2. Описание данного учебника

Данный учебник содержит введение, 9 глав, заключение и приложения.

Введение описывает предназначение и структуру книги, а также рекомендации по эффективному ее использованию.

Глава 1 посвящена краткому обзору вепольного анализа и законов развития систем.

Глава 2 описывает систему 76 стандартов.

Главы 3—7 представляют систему стандартов на решение изобретательских задач.

Глава 8 описывает алгоритм применения стандартов.

Глава 9 — это самостоятельная работа, содержащая вопросы для самопроверки, темы для докладов и рефератов и выполнения заданий. Задания включают разбор примеров с указанием номера стандарта и задачи для самостоятельного решения по стандартам.

В заключении приведены рекомендации по отработке навыков изобретательского мышления.

В приложениях представлен разбор задач и таблицы применения стандартов.

Учебник написан в той последовательности, в которой рекомендуется осваивать его.

Теоретическая часть иллюстрируется большим количеством примеров, задач и графического материала (более 200 примеров и задач и около 150 иллюстраций).

Книга предназначена для широкой публики. Она также может быть полезна студентам, аспирантам, преподавателям университетов, инженерам, изобретателям, ученым и людям, решающим творческие задачи.

Желаю успехов, ДОРОГОЙ ЧИТАТЕЛЬ!

 

1.1. Представления о законах развития систем

При создании системы стандартов на решение изобретательских задач Г. С. Альтшуллер использовал только некоторые законы из группы эволюции систем. Детально законы развития систем изложены в монографии.

Мы кратко опишем только те законы и закономерности, которые использовались при разработке системы законов.

Основные из законов эволюции систем следующие (рис. 1.1):

— закон увеличения степени идеальности;

— закон увеличения степени управляемости и динамичности;

— закон перехода в надсистему;

— закон перехода на микроуровень;

— закон свертывания;

— закон согласования;

— закон сбалансированного развития систем.

Рис. 1.1. Структура законов эволюции систем

Из указанных законов для создания стандартов Г. С. Альтшуллер использовал только законы увеличения степени управляемости и динамичности, перехода в надсистему и на микроуровень, да и то не в полном объеме.

Закон увеличения степени управляемости и динамичности имеет подзакон — закон изменения степени вепольности и закономерность изменения управляемости веществом, энергией и информацией (рис. 1.2).

Рис. 1.2. Структура закона увеличения степени управляемости и динамичности

Закон увеличения степени вепольности будет изложен в п. 1.2.

Закономерность изменения управляемости веществом, энергией и информацией подразделяется на закономерности (рис. 1.3):

— Изменения управляемости веществом;

— Изменения управляемости энергией и информацией.

Рис. 1.3. Закономерность увеличения степени управляемости и динамичности

В свою очередь, закономерность увеличения степени управляемости веществом осуществляется (рис. 1.4):

— использованием «умных» веществ;

— увеличением концентрации вещества;

— увеличением количества степеней свободы;

— увеличением степени дробления;

— переходом к капиллярно-пористым материалам (КПМ).

Рис. 1.4. Закономерность увеличения степени управляемости веществом

Из этих закономерностей Альтшуллером были использованы увеличение степени дробления и переход к КПМ. В упрощенном виде опишем их ниже.

Увеличение степени управляемости энергией и информацией осуществляется (рис. 1.5):

— изменением концентрации энергии и информации;

— переходом к более управляемым полям.

Переходу к более управляемым полям выполняется:

— Заменой виде поля;

— Переходом МОНО-БИ-ПОЛИ полям;

— Динамизацией полей.

Рис. 1.5. Закономерность увеличения степени управляемости энергией и информацией

Из этих закономерностей для создания стандартов была использована только закономерность перехода к более управляемым полям.

В данной книге она будет дана в очень упрощенном виде.

Замена вида поля на более управляемое поле может осуществляться в следующей последовательности: гравитационное, механическое, тепловое, электромагнитное и любые комбинации этих полей. Эта закономерность показана на рис. 1.6.

Рис. 1.6. Увеличения управляемости полей

Последовательность увеличения степени дробления в упрощенном виде представлена на рис. 1.7.

Рис. 1.7. Схема тенденции увеличения степени дробления

В упрощенном виде закономерность перехода к КПМ представить в виде схемы (рис. 1.8).

Рис. 1.8. Общая схема перехода к КПМ

где

# — структура;

В — вещество;

ТЭ — технологический эффект (физический, химический и т. д.);

КПМ #  — КПМ со структурированными капиллярами;

µКПМ #  — µКПМ со структурированными капиллярами.

Закон перехода на микроуровень, Альтшуллер описывает как замену системы или ее части веществом, способным при взаимодействии с полем выполнять требуемое действие.

Закон перехода в надсистему — это объединением системы с другими системами с помощью тенденции: МОНО-БИ-ПОЛИ-Свертывание.

Объединения в би- и полисистему может включать следующие виды элементов.

1. Однородные

— Одинаковые.

— Однородные элементы со сдвинутыми характеристиками.

2. Неоднородные

— Альтернативные.

— Антагонистические — инверсные (элементы с противоположными свойствами или функциями).

— Дополнительные.

Полностью схема закона перехода системы в надсистему представлена на рис. 1.9.

Рис. 1.9. Общая схема объединения систем

 

1.2. Представления о вепольном анализе

Структурный вещественно-полевой (вепо́льный) анализ — раздел ТРИЗ, изучающий и преобразующий структуру систем. Вепо́льный анализ разработан Г. С. Альтшуллером.

Вепо́льный анализ — это язык схем, позволяющий представить исходную систему в виде определенной (структурной) модели. С помощью специальных правил выявляются свойства этой системы. Затем по конкретным закономерностям преобразовывают исходную модель задачи и получают структуру решения, которое устраняет недостатки исходной системы.

Статистический анализ решений показал, что для повышения эффективности систем их структура должна быть определенной. Модель такой структуры называется веполем.

Вепо́ль — модель минимально управляемой системы, состоящей из двух взаимодействующих объектов и их взаимодействия.

Взаимодействующие объекты условно названы веществами и обозначаются В 1 и В 2 , а само взаимодействие называется полем и обозначается П.

Под «веществом» будем понимать любой объект, начиная с материала, его структуры, молекул, атомов, до самых сложных систем, например космическая станция. В информационных системах это может быть элемент или данные.

Поле может представлять собой любое действие или взаимодействие, например энергию , силу или информацию . В информационных системах это может быть алгоритм.

Веполь изображается схемой (1.1).

Термин ВеПоль произошел от слов «Вещество» и «Поле».

Вепольный анализ включает в себя определенные правила и тенденции. Эти тенденции подчиняются закону увеличения степени вепольности, который будет описан ниже.

Общая тенденция представлена на рис. 1.10 — 1.15.

Рис. 1.10. Общая тенденция развития веполей

Рис. 1.11. Тенденция развития структуры веполя

Рис. 1.12. Тенденция развития комплексного веполя

Рис. 1.13. Тенденция развития сложного веполя

Рис. 1.14. Тенденция развития форсированного веполя

Форсирование вещества подчинается закономерности увеличения степени управляемости веществом, а форсирование поля — закономерности увеличения степени управляемости энергией и информацией.

Детальная схема закона увеличения степени вепольности представлена на рис. 1.15.

Подробно с вепольным анализом можно ознакомиться в учебнике.

Рис. 1.15. Общая схема закона увеличения степени вепольности

 

3.1. Подкласс 1.1. Синтез веполей

Стандарты подкласса 1.1 включает 8 стандартов.

Главная идея этого подкласса четко отражена в стандарте 1.1.1: для синтеза работоспособной технической системы необходимо — в простейшем случае — перейти от невеполя к веполю. Нередко построение веполя наталкивается на трудности, обусловленные различными ограничениями на введение веществ и полей.

Стандарты 1.1.2 — 1.1.8 показывают типичные обходные пути в таких случаях.

Стандарт 1.1.1. Постройка веполя

Если дан объект, плохо поддающийся нужным изменениям, и условия задачи не содержат ограничений на введение веществ и полей, задачу решают синтезом веполя, вводя недостающие элементы.

Данный стандарт соответствует основному правилу вепольного анализа — переходу от невепольных систем к вепольным (простому веполю) и соответствует схеме (3.1).

Задача 3.1. Снятие коры с древесины

Условия задачи

Обычно кору древесины отделяют механически в специальных корообдирочных барабанах или механическими инструментами, например топором. При этом повреждается и сама древесина.

Необходимо предложить способ отделения коры от древесины, который бы не портил древесину.

Разбор задачи

Система невепольная.

Систему необходимо достроить до вепольной. Достройка веполя заключается во введении поля, воздействующего только на кору в направлении ее отрыва от древесины.

Необходимо подобрать поле, которое может осуществить такое действие.

Решение

Между корой и древесиной находится слой клеток (камбий), содержащий большое количество влаги, вскипание которой может оторвать кору. Вскипание можно осуществить с помощью вакуума или нагрева, например токами высокой частоты. Таким образом, рекомендует использовать тепловое поле .

Задача 3.2. Крепеж винта

Условия задачи

Как завернуть винт в труднодоступном месте?

Разбор задачи

Имеется винт и инструмент (отвертка или гаечный ключ).

Система невепольная, ее необходимо достроить до вепольной. Достройка веполя заключается во введении поля, соединяющего винт и инструмент.

Необходимо подобрать поле, которое может осуществить их жесткое соединение.

Решение

Это могут быть магнитное или вакуумное поля или поле механических сил.

Стандарт 1.1.2. Внутренний комплексный веполь

Если дан веполь, плохо поддающийся нужным изменениям, и условия задачи не содержат ограничений на введение добавок в имеющиеся вещества, задачу решают переходом (постоянным или временным) к внутреннему комплексному веполю, вводя в В 1 или В 2 добавки, увеличивающие управляемость или придающие веполю нужные свойства. Этот стандарт описывается схемами (3.2), (3.3).

Пример 3.1. Вживление электронных чипов

Появилась потребность идентифицировать животных, особенно дорогих.

Разработали чип (рис. 3.1), который вживляют в тело. В чипе записаны все данные о животном и его хозяине. Информация считывается с помощью специального прибора.

Пример 3.1. Вживление электронных чипов

Пример 3.2. Самозаклеивающаяся шина

Английская компания Dunlop выпускает самозаклеивающую шину. Внутри, на ободе шины равномерно размещаются несколько баллончиков с клеем. При проколе шины из нее выходит воздух, один из баллончиков получает удар и из него вытекает клей, который заклеивает место прокола. Клей содержит жидкость, пары которой накачивают шину до прежнего предела (рис. 3.2).

Рис. 3.2. Самозаклеивающаяся шина

Компания Continental запатентовала шину с технологией ContiSeal™.

На внутреннюю поверхность шины (над протектором) наносится защитный слой из полужидкого полимера, который заполняет собой отверстие в шине диаметром до 5 мм или обволакивает тот предмет (например, гвоздь), который стал виновником прокола (рис. 3.3).

Рис. 3.3. Самозаклеивающаяся шина ContiSeal

Стандарт 1.1.3. Внешний комплексный веполь

Если дан веполь, плохо поддающийся нужным изменениям, а условия задачи содержат ограничения на введение добавок в имеющиеся вещества B 1 или B 2 , задачу решают переходом (постоянным или временным) к внешнему комплексному веполю, к B 1 или B 2 внешнее В 3 , увеличивающее управляемость или придающее веполю нужные свойства. См. схемы (3.4), (3.5).

Задача 3.3. Хирургические перчатки

Условие задачи

Хирургические перчатки могут повредиться во время операции или осмотра пациента, при этом врач может заразиться.

Как быть?

Разбор задачи

Самостоятельно проведите разбор задачи по логике АРИЗ.

Примените тенденцию увеличения степени дробления.

Решение

Перчатки делаются двухслойными и между слоями помещают микрокапсулы с антимикробными и антивирусными веществами

(рис. 3.4). Эти капсулы лопаются при разрыве или слишком сильном натяжении резины. Этот способ может быть использован и в других предохранительных средствах из резины (напальчник, презерватив и т. д.).

Рис. 3.4. Хирургическая перчатка. Патент США 5 024 852

Пример 3.3. Экзоскелет

Экзоскелет прикрепляется к телу человека, помогает ему быстрее и легче передвигаться, нести больший груз, легче выполнять любые физические нагрузки. Он может использоваться в медицине, например для восстановления утраченных функций, при выполнении тяжелых работ, в военных целях, например для более эффективного выполнения функций солдата, и т. д.

Стандарт 1.1.4. Веполь на внешней среде

Если дан веполь, плохо поддающийся нужным изменениям, а условия задачи содержат ограничения на введение в него или присоединение к нему веществ, задачу решают достройкой веполя, используя в качестве вводимого вещества имеющуюся внешнюю среду. См. схемы (3.6), (3.7).

Пример 3.4. Кабель

Кабельная обмотка, которая набухает при контакте с водой, выполняет функцию уплотнения. Набухание происходит за счет суперабсорбирующего порошка.

Пример 3.5. Мускулы на пару

Ученые Массачусетского технологического университета создали полимерную пленку, которая работает как искусственная мышечная ткань: поглощая водяные пары, она сокращается. Такая пленка весом 25 мг позволяет поднять груз в 380 раз большего веса. Эта полимерная мышца имеет трехслойную конструкцию. Средний слой образован полипирролом, который создает гибкую матрицу. Два краевых слоя представляют собой мягкий гель из борат-полиола-полимера, который меняет свою форму при поглощении воды. Если пленку толщиной 20 микрон положить на слегка влажную поверхность, то нижний её слой, впитав влагу, разбухает и пленка искривляется. Потеряв контакт с влажной поверхностью, этот слой испаряет влагу и пленка выпрямляется. Цикл многократно повторяется. Если пленку соединить с пьезоэлектриком, то можно получить электрическую энергию.

Стандарт 1.1.5. Веполь на внешней среде с добавками

Если внешняя среда не содержит веществ, необходимых для построения веполя по стандарту 1.1.4, это вещество может быть получено заменой внешней среды, ее разложением или введением в нее добавок. См. схемы (3.8) — (3.10).

Пример 3.6. Коптильная среда

При копчении рыбных и мясных продуктов создают коптильную среду. Коптильный препарат получают путем насыщения воды компонентами дыма и очищают от смолистых веществ.

В предлагаемом изобретении дополнительно в коптильную среду вносятся растительные добавки в виде спиртового раствора лекарственных растений, например элеутерококка, женьшеня или лимонника в очень малых количествах (коптильная жидкость: спиртовой раствор 1: 0,001—0,049).

Пример 3.7. Самоочищающиеся здания

Алюминиевая обшивка зданий покрывается двуокисью титана, которая под действием солнечных лучей начинает испускать свободные радикалы. Эти радикалы разлагают налипшую на стены копоть, а также преобразуют рассеянные в воздухе ядовитые молекулы окиси азота в безвредные нитраты. Все отходы этого процесса смываются дождем.

Стандарт 1.1.6. Минимальный режим

Если нужен минимальный (дозированный, оптимальный) режим действия, а обеспечить его по условиям задачи трудно или невозможно, надо использовать максимальный режим, а избыток убрать.

При этом избыток поля убирают веществом, а избыток вещества полем.

Избыточное действие обозначено двумя стрелками:

Пример 3.8. Оплодотворение яйцеклетки

Во время эякуляции (мужского семяизвержения) мужчина производит 250 млн сперматозоидов, но оплодотворяет яйцеклетку только один.

В результате эволюции был выработан механизм естественного отбора, в результате которого выбирается самый активный и самый сильный сперматозоид.

При естественном половом акте сперма мужчины попадает во влагалище женщины. Мужская сперма для женского организма — чужеродный объект, поэтому он будет атаковать ее. Иммунная система старается уничтожить чужеродный элемент. Борьба начинается еще во влагалище. Во влагалище повышенная кислотность (pH около 4). Это первая атака с помощью химического поля.

Самые активные сперматозоиды находятся в центре потока, их «защищают» более пассивные, окружающие их, а самые подвижные движутся к шейке матки и дальше, в матку.

Спустя два часа после эякуляции большая часть сперматозоидов погибает во влагалище.

Таким образом, пассивные сперматозоиды уже выполнили свою защитную функцию.

Шейка матки заполнена шеечной (цервикальной) слизью, которая является барьером для проникновения микроорганизмов из влагалища в матку, но она также препятствует проникновению сперматозоидов в матку. Наиболее активна она по периферии. Это еще один барьер естественного отбора. Его проходят только сильнейшие.

Для успешного зачатия в матку должно проникнуть не менее 10 млн сперматозоидов.

Из матки сперматозоиды проникают в маточные, или фаллопиевы, трубы, где движутся против потока жидкости, так как поток создан для движения яйцеклетки из яичника к матке. Кроме того, выстоявшие в потоке сперматозоиды попадают в мягкие стенки фаллопиевой трубы, где выживают сильнейшие, которые ожидают сигнала от яйцеклетки.

Таким образом, это дополнительное препятствие движению сперматозоидов к яйцеклетке.

При получении сигнала от яйцеклетки, движущейся по трубе к матке, оставшиеся сперматозоиды устремляются к яйцеклетке и пытаются пробить плотную белковую оболочку. При этом многие из оставшихся сперматозоидов погибают. Наконец один пробивает оболочку и попадает в яйцеклетку. Если проникнет еще один сперматозоид, то яйцеклетка погибнет. В связи с этим в процессе эволюции был выработан механизм защиты яйцеклетки. Под ее оболочкой имеются микрогранулы, которые при попадании сперматозоида взрываются, и яйцеклетка становится непроницаемой.

Задача 3.4. Зарядка батарей

Условия задачи

Зарядка батарей происходит в течение нескольких часов. Как значительно ускорить этот процесс?

Разбор задачи

Использовать стандарт 1.1.6.

Решение

Израильская стартап-компания StoreDot разработала батареи, которые быстро заряжаются. Она использовала технологию, основанную на исследованиях болезни Альцгеймера, проводившихся в Тель-Авивском университете. Ученые выяснили, что пептиды (вещества, молекулы которых построены из двух и более остатков аминокислот) можно использовать в качестве органической батареи. Из этих молекул ученые смогли получить нанокристаллы, которые можно использовать в качестве полупроводников. Принцип зарядки основан на использовании квантовых точек — фрагментов проводника или полупроводника, настолько крохотных, что на них начинают проявляться квантовые эффекты. Разработчики создали электроды нового типа, получившие название MFE — Multi Function Electrod.

Зарядка батареи для смартфона занимает 30 сек., а аккумуляторов электромобиля — 5 мин. После этого автомобиль может пройти 300 миль.

Стандарт 1.1.7. Максимальный режим

Если нужно обеспечить максимальный режим действия на вещество, а это по тем или иным причинам недопустимо, максимальное действие следует сохранить, но направить его на другое вещество, связанное с первым:

Пример 3.9. Осьминог

Осьминог для отвлечения внимания хищника выбрасывает чернильное облако.

Задача 3.5. Получение знаний

Условия задачи

Человеку желательно знать всю информацию, которая имеется, но он не способен все воспринять. Как быть?

Разбор задачи

Использовать стандарт 1.1.7.

Решение

Вся информация имеется в Интернете, и по мере необходимости ее получают из интернета.

Задача 3.6. Наилучшие качества

Условия задачи

Природе пришлось решать задачу, как сделать человека с наилучшими качествами.

Заранее неизвестно, какие качества лучше. Значит нужно попробовать все, но этим можно и погубить испытуемый объект (человека).

Как поступить природе?

Разбор задачи

Использовать стандарт 1.1.7.

Решение

Как всегда, природа поступает мудро. Весь набор качеств был заложен в геноме мужчины. Они были самые умные и самые дураки, самые добрые и самые злые, самые сильные и самые слабые и т. д. Природа испытывала эти качества и наилучшие передавала в геном женщины, поэтому среди женщин нет самых гениальных и самых дурных. Таким образом поисходит эволюция человека. Следующему поколению передаются только самые устойчивые хорошие качества.

Стандарт 1.1.8. Максимальный режим

Если нужен избирательно-максимальный режим (максимальный режим в определенных зонах при сохранении минимального в других), поле должно быть либо максимальным, либо минимальным.

1.1.8.1. Введение защитного вещества

В первом случае в места, где необходимо минимальное воздействие, вводят защитное вещество.

Пример 3.10. Защитное покрытие

Для защиты металлов от коррозии их никелируют.

Однако при появлении механических дефектов (трещин, царапин) в подобных покрытиях начинается активная коррозия металла.

Один из путей совершенствования покрытия заключается во внедрении жидкого ингибитора коррозии в структуру покрытия для предотвращения взаимодействия с окружающей средой. Для исключения преждевременного воздействия ингибитор коррозии заключают в инертную оболочку, то есть формируют микрокапсулы с определенными свойствами.

Пример 3.11. Избирательное подавление шума

Подавляется только тот шум, который не нужен, и только в том месте, где он не нужен.

1.1.8.2. Введение вещества, дающего локальное поле

Во втором — в места, где необходимо максимальное воздействие, вводят вещество, дающее локальное поле, например термитные составы — для теплового воздействия, взрывные составы — для механического воздействия.

Пример 3.12. Отливки

В процессе остывания отливки возникают внутренние напряжения, приводящие к трещинам. Это происходит из-за быстрого остывания. Чтобы продлить процесс остывания, отливки покрывают экзотермической смесью. Она возгорается от температуры горячей отливки и длительное время поддерживает необходимое тепло.

Задача 3.7. Плодовые мушки

Условия задачи

Плодовые мушки, например дрозофилы, хотят максимально распространяться, но и самцов других пород достаточно много. Самки сохраняют сперму от самцов, с которыми они спариваются, для позднего использования. Как самцу дрозофилы победить их?

Разбор задачи

Использовать стандарт 1.1.8.2.

Решение

Сперма самца дрозофилы содержит яд, разрушающий другую сперму.

 

3.2. Подкласс 1.2. Разрушение веполей

Стандарт 1.2.1. Устранение вредной связи введением В 3

Если между двумя веществами в веполе возникают сопряженные — полезное и вредное — действия (причем непосредственное соприкосновение веществ сохранять необязательно), задачу решают введением между двумя веществами постороннего третьего вещества, дарового или достаточно дешевого. См. схему (3.16).

Пример 3.13. Операции на сердце

Иногда при сложной операции хирургам не хватает времени на ее завершение и такая операция кончается летальным исходом пациента.

Необходимо замедлить все процессы в организме. Раньше это делали с помощью холодных ванн, но охлаждение шло достаточно медленно.

Инженеры из США разработали ледяную гидросмесь (Ice Slurry), представляющую собой специальный лед в виде микрошариков диаметром, равным человеческому волосу (рис. 3.5а). Такие шарики не смерзаются. Благодаря указанным свойствам, эта масса обладает подвижностью воды (шарики скользят друг относительно друга).

Этой смесью предложили охлаждать легкие, вводить в кровь или обкладывать отдельные органы.

Рис. 3.5. Жидкий лед Ice Slurry

Пример 3.14. Сварка алюминия

Алюминий плохо сваривается из-за тугоплавкой окисной пленки, быстро образующейся на его поверхности.

Разработали раствор для сварки, устраняющий пленку. Он состоит из ортофосфорной кислоты, фосфата алюминия и гидрата окиси алюминия.

Стандарт 1.2.2. Устранение вредной связи введением видоизмененных В 1 и / или В 2

Если между двумя веществами в веполе возникают сопряженные — полезное и вредное — действия, причем непосредственное соприкосновение веществ сохранять необязательно, а использование посторонних веществ запрещено или нецелесообразно, задачу решают введением между двумя веществами третьего, являющегося их видоизменением. См. схему (3.17).

Задача 3.8. Ковш экскаватора

Условия задачи

Днище ковша экскаватора подвержено сильному износу из-за трения о него грунта и камней при наполнении ковша и при выгрузке.

Как предотвратить износ днища ковша?

Разбор задачи

Использовать стандарт 1.2.2.

В качестве прослойки использовать транспортируемый материал (грунт, камни и т.п.).

Решение

К днищу со стороны грунта приварить невысокие редкие поперечные ребра, разделяющие дно на ячейки. При выгрузке в этих ячейках застревают мелкие кусочки грунта, образуя как бы предохранительный слой над днищем. Кроме того, ребра увеличивают жесткость днища, что позволяет сделать его из более тонкого листа.

Пример 3.15. Очистка газов

Отводящиеся печные газы тепловых электростанций необходимо очищать от кислых компонентов, в частности от сернистого ангидрида.

Аналогичная проблема возникает с очисткой щелочных сточных вод при помощи шлакозолоудаления.

Предлагается для повышения степени очистки проводить адсорбцию кислых компонентов газа щелочными сточными водами.

Объединение двух вредных веществ в одну систему позволяет избавиться от вредного действия этих веществ.

Стандарт 1.2.3. «Оттягивание» вредного действия

Если необходимо устранить вредное действие поля на вещество, задача может быть решена введением второго элемента, оттягивающего на себя вредное действие поля. Схема (3.18).

Пример 3.16. Предохранитель

При резком увеличении тока в сети провод может перегореть. Чтобы этого не произошло, используют предохранитель, который может быть одноразовый (плавкий предохранитель) или многократного использования — автомат.

Пример 3.17 Молниеотвод

Молниеотвод предохраняет здание от попадания в них молнии. Молния попадает в молниеотвод и отводит молнию в землю.

Стандарт 1.2.4. Противодействие вредным связям с помощью П 2

Если между двумя веществами в веполе возникают сопряженные — полезное и вредное — действия, причем непосредственное соприкосновение веществ — в отличие от стандартов 1.2.1 и 1.2.2 — должно быть сохранено, задачу решают переходом к двойному веполю, в котором полезное действие остается за полем П 1 , а нейтрализацию вредного действия (или превращение вредного действия во второе полезное действие) осуществляет П 2 . См. схему (3.19).

Пример 3.18. Защита от радиоволн

Нейл Баллок (Neil Bullock) изобрел накидку для будущих мам, защищающую плод от электромагнитного излучения большинства электрических приборов: радары, микроволновые печи, радио и телевизоры, мобильные телефоны и т. д. Накидка, которую автор назвал MummyWrap, сделана из хлопковой ткани с добавлением меди и выполнена в виде блузки без рукавов (рис. 36). Отражение электромагнитных волн от блузки схематично показано на рис. 3.6а, а на рис. 3.6б показан ее внешний вид.

Рис. 3.6. Накидка от радиоволн MummyWrap

Пример 3.19. Подавление шума

Подавление шума происходит за счет улавливания шума и подачи его в противофазе. Шум складывается с точно таким, но противоположным ему шумом и уничтожается.

Стандарт 1.2.5. «Отключение» магнитных связей

Если надо разрушить веполь с магнитным полем, задача может быть решена с применением физэффектов, «отключающих» ферромагнитные свойства веществ, например, размагничиванием при ударе или при нагреве выше точки Кюри.

Задача 3.9. Паяльник

Условия задачи

При пайке электронных компонентов часто необходимо поддерживать постоянную температуру. Это требует использования дорогостоящей аппаратуры. Как быть?

Разбор задачи

Задача решается по стандарту 1.2.5. Представим эту задачу в соответствии со схемой (3.20). см. (3.21).

Решение

Постоянную температуру паяльника можно поддерживать, если наконечник (жало) паяльника покрыть ферромагнитным материалом с точкой Кюри, равной температуре плавления припоя. При достижении температуры точки Кюри, ферромагнитное покрытие теряет свои магнитные свойства и нагрев сердечника прекращается. При снижении температуры ферромагнитные свойства восстанавливаются, и нагрев возобновляется. Таким образом, происходит автоматическое поддержание температуры жала паяльника в определенном интервале без использования термодатчика и управляющей электроники. Нагрев осуществляется индукционным способом с помощью катушки индуктора.

 

4.1. Подкласс 2.1. Переход к сложным веполям

Стандарт 2.1.1. Цепные веполи

Если нужно повысить эффективность вепольной системы, задачу решают превращением одной из частей веполя в независимо управляемый веполь и образованием цепного веполя. См. схему (4.1).

Пример 4.1. Автоматическая система голосования

Система включает в себя необходимое количество одинаковых элементов системы, соответствующее участкам голосования, связанных между собой.

Пример 4.2. Ультразвуковой скальпель

Ультразвуковые технологии достаточно широко применяются в медицине. Но существует проблема фокусировки луча в малой области. Оптоакустический преобразователь, разработанный в Мичиганском университете, содержит фокусировочный элемент из упругого полимера, покрытого слоем углеродных нанотрубок, которые поглощают лазерное излучение и преобразуют его в тепло. Под действием этого тепла полимерный элемент расширяется, генерирует и фокусирует в очень узкую область (75 мкм в поперечнике и 400 мкм по оси) ультразвуковой пучок частотой 15 МГц, создавая в ней зону кавитации с амплитудой давления более 50 МПа. Такой «ультразвуковой скальпель» позволит проводить более точные медицинские операции, чем традиционные инструменты.

Стандарт 2.1.2. Двойные веполи

Если дан плохо управляемый веполь и нужно повысить его эффективность, причем замена элементов этого веполя недопустима, задача решается постройкой двойного веполя путем введения второго поля, хорошо поддающегося управлению. См. схему (4.2).

Пример 4.3. Самоподдерживающийся генератор электроэнергии

Электрические колебания в металлической «внутренней катушке» испускают индуктивные фотоны по направлению к одной или нескольким «усиливающим катушкам», состоящим из фотопроводника, металлического проводника с легированным полупроводниковым покрытием, или сверхпроводника.

Электроны, обладающие малой инерциальной массой в усиливающей катушке (-ах), получают из «промежуточной катушки» поперечную силу, не имеющую противодействующей силы, что исключает эту силу из закона сохранения энергии. Электроны с малой массой в «усиливающей катушке (-ах)» получают повышенное ускорение, пропорциональное отношению нормальной массы электрона к меньшей массе.

Вторично испускаемая энергия индуктивных фотонов увеличивается пропорционально повышенному ускорению электронов, возводится в квадрат. К примеру, коэффициент усиления индуктивной энергии фотоэлектронов селенида кадмия (CdSe), в котором нормальная масса электрона составляет 0,13x, равен 59x.

Усиленная энергия индуктивных фотонов из «усиливающей катушки» возбуждает колеблющуюся электрическую энергию в одной или нескольких металлических «выходных катушках». Выходная электроэнергия превышает входную, если большая часть усиленной энергии индуктивных фотонов направлена на выходные катушки, а не на промежуточную катушку в качестве противодействующей силы.

После того как внешний источник энергии начинает возбуждать колебания, возврат избыточной энергии делает устройство самоподдерживающимся генератором электроэнергии, который можно использовать для полезных целей.

Рис. 4.1. Самоподдерживающийся генератор электроэнергии.

Патент США 2012/0080888

Задача 4.1. Дрон

Условия задачи

Дроны сегодня используются не только для выполнения полезных операций, но и таких, как контрабандная доставка наркотиков и других предметов в места лишения свободы, полеты над военными объектами и т. д.

Как не допустить это?

Разбор задачи

Использовать стандарт 2.1.2.

Решение

Компания Department 13 разработала устройство перехвата управления беспилотниками Mesmer. Оно получает доступ к протоколам связи дронов, как это было предложено Defense Advanced Research Projects Agency (DARPA), используя при этом радиочастоты и технологию Bluetooth. Эта система подвергает дроны принудительной посадке.

Антидрон-технология может захватывать данные телеметрии и видео, передаваемые обратно оператору. Это также потенциальная возможность идентификации.

 

4.2. Подкласс 2.2. Форсирование веполей

Стандарты подкласса 2.2 представляет собой механизмы исполнения законов увеличения степени управляемости и динамичности.

Стандарт 2.2.1. Переход к более управляемым полям

Если дана вепольная система, ее эффективность может быть повышена заменой неуправляемого (или плохо управляемого) рабочего поля управляемым (хорошо управляемым) полем, например, заменой гравитационного поля механическим, механического — электрическим и т. д. Эта закономерность показана на рис. 1.6.

Пример 4.4. Светильник

Хемилюминесценция использована фирмой «Ремингтон Армс (Remington Arms)» для создания лампы, в которой свечение возникает при воздействии кислорода воздуха на некоторые химические активные вещества.

Пример 4.5. Компьютерная мышка

В компьютерной мышке механическое движение шарика, который позволял отследить за движением руки, заменили считыванием информации с помощью лазера.

Стандарт 2.2.2. Дробление В 2

Если дана вепольная система, ее эффективность может быть повышена путем увеличения степени дисперсности (дробления) вещества, играющего роль инструмента. Эта закономерность показана на рис. 1.7.

Пример 4.6. Компьютерные вычисления

Обширные вычисления (например, в области астрономии) могут выполняться значительно быстрее, если их разбить и обработать на многих компьютерах, даже если используется только время простоя.

Пример 4.7. Режущий инструмент

Компания Iscar (Израиль) выпускает режущие инструменты с заменяемой режущей частью (рис. 4.2а), имеющей несколько режущих граней. Когда одна грань затупляется, то режущую часть поворачивают другой гранью. После того как затупляются все грани, заменяют режущую часть, а не весь инструмент. Iscar выпускает токарные резцы (рис. 4.4б), фрезы (рис. 4.2в), сверла (рис. 4.2г).

Рис. 4.2. Режущие инструменты фирмы Iscar

Стандарт 2.2.3. Переход к капиллярно-пористым веществам (КПМ) .

Эта тенденция изложена в п. 1.1.

Пример 4.8. Защита насаждений от заморозков

Растения и посевы покрывают полимерной «шубой» из пены, защищая их от заморозков. Она безвредна для растений, долго держится, хорошо защищает почву от мороза, а при необходимости без затруднений смывается водой.

Пример 4.9. Металлическая микрорешетка

Команда ученых из университета Калифорнии в Ирвине, лаборатории HRL и Калифорнийского технологического института разработали синтетический пористый металлический материал. Это сверхлегкая форма пенометалла, который имеет малую плотность вплоть до 0,9 мг/см3 — самую низкую для твёрдого вещества. До этого самой низкой плотностью обладали аэрогели — 1,0 мг/см³.

Материал практически полностью восстанавливает себя после сильного сжатия.

Стандарт 2.2.4. Динамизация

Если дана вепольная система, ее эффективность может быть повышена путем увеличения степени динамизации, то есть перехода к более гибкой, быстро меняющейся структуре системы. Закон увеличения степени динамичности изложен в, а закономерность дробления — в главе 1.

Пояснения.

1. Треугольным символом с волнистой линией обозначена динамичная вепольная система, перестраивающаяся в процессе работы.

2. Динамизация В2 чаще всего начинается с разделения В2 на две шарнирно соединенные части. Далее динамизация идет по линии: один шарнир — много шарниров — гибкое В2.

3. Динамизация П в простейшем случае осуществляется переходом от постоянного действия поля (или П совместно с В2) к импульсному действию.

Пример 4.10. Тренировка спортсменов

Предлагается интерактивный способ тренировки спортсменов, например футболистов.

За команду противника «играют» изображения, создаваемые излучателями света, установленными на дронах, летающих над игровым полем по заданной тренером программе, создавая определенные ситуации.

Пример 4.11. Управление амортизатором

На горных велосипедах имеется система автоматического управления амортизатором, подстраивающаяся под конкретные условия дороги. В гидроцилиндре установлены пьезоэлектрические датчики для управления потоком жидкости в гидроцилиндре, тем самым они автоматически управляют степенью амортизации.

2.2.4.1. Использование фазовых переходов

Эффективная динамизация системы может быть осуществлена за счет использования фазовых переходов первого рода (например, замерзание воды или таяние льда) или второго рода (например, эффект «памяти формы»).

Задача 4.2. Радиолокационная станция

Условие задачи

Имеется мощная радиолокационная станция (РЛС) с довольно массивной антенной большой площади. Антенна закреплена на валу, но поворачивается на нем очень редко и потому не имеет привода, а разворачивается вручную. После разворота антенна на валу крепится с помощью фиксирующего устройства и болтового соединения. Усилия для удержания массивной антенны на валу нужны значительные, и поэтому приходится болты затягивать достаточно сильно, но из-за сильной затяжки вал деформируется и повернуть его в следующий раз становится практически невозможным. Как быть?

Разбор задачи

Использовать стандарт 2.2.4.1.

Решение

Вал удерживается в легкоплавком веществе, которое расплавляется при развороте. В изобретении догадались на конце вала сделать поплавок. Тогда в расплавленном состоянии жидкость будет поддерживать антенну и ее будет легче выставлять в новое положение.

Пример 4.12. Болтовое соединение

Способ изготовления болтового соединения, преимущественно для работы в условиях вибраций, включает нанесение на рабочую часть заготовки болта материала с эффектом памяти формы (ЭПФ) типа нитинол. После нанесения нитинола производится накатка резьбы при температуре мартенситных превращений (-150 °С) и сборка конструкции. После сборки узла болтового соединения осуществляют его кратковременный нагрев до температуры (80—120) °С до возникновения между резьбовой частью болта, покрытой нитинолом, и резьбовой частью соединяемых элементов прессовой посадки, надежно работающей в условиях вибраций. В случае необходимости в болтовом соединении с болтом, покрытым нитинолом, используют обычную гайку с резьбой, при нагреве которой обеспечивается соединение по прессовой посадке.

В результате повышается надежность болтового соединения, работающего в условиях вибрации, и снижается вес конструкции (рис. 4.3).

Рис. 4.3. Болтовое соединение. Патент РФ 2 256 108

1 — болт; 2 — слой нитинола; 3, 4 — соединяемые детали.

Стандарт 2.2.5. Структуризация полей

Если дана вепольная система, ее эффективность может быть повышена переходом от полей однородных или имеющих неупорядоченную структуру к полям неоднородным или имеющим определенную пространственную структуру (постоянную или переменную):

Пояснения.

Значок # над буквой П указывает, что поле имеет определенную пространственно-временную структуру.

Пример 4.13. Осаждение капель пара

Для охлаждения теплой воды применяются градирни. Пар подается в градирню, проходя по трубе градирни, конденсируется и стекает в виде струек вниз, тем самым отдавая тепло стенкам градирни, которое может использоваться в дальнейшем. Однако часть пара выбрасывается в атмосферу. Особенно подвижны аэрозоли с малым размером частиц.

Для удержания этих частиц в градирне создаются стоячие волны. Стоячие волны получают генерацией акустический волн, направленных к стенкам градирни и отраженных от стенок волн.

Капли воды соединяются и стекают по стенкам градирни.

Таким образом, полностью используется имеющееся тепло.

Пример 4.14. Изменение атмосферных условий

Активное воздействие на атмосферные процессы с целью вызывания осадков. Воздействуют на атмосферу над заданным районом электромагнитным излучением в виде импульсов в момент времени, когда заданный район оказывается в соответствующем ему центре ночной стороны Земли

(рис. 4.4).

Рис. 4.4. Изменение атмосферных условий. Патент РФ 2 058 071

1 — генератор; 2 — излучатель; 3 — механизм поворота излучателя; 4 — луч; 5 — поверхность Земли; 6 — слой ионосферы; 7 — заданный район.

2.2.5.1. Пространственная структура поля

Если веществу, входящему в веполь (или могущему войти), должна быть придана определенная пространственная структура, то процесс следует вести в поле, которое имеет структуру, соответствующую требуемой структуре вещества:

Пример 4.15. Обработка металлических материалов

Обработку выполняют от источника постоянного тока в жидкой токопроводящей рабочей среде с регулированием длительности импульса тока. В качестве жидкой токопроводящей рабочей среды используют реологическую жидкость. Длительность импульса тока регулируют вязкостью рабочей среды. Длительность пауз между импульсами тока регулируют по времени восстановления максимального тока в импульсе. Изобретение позволяет повысить производительность, точность обработки, расширить технологические возможности электрохимического процесса в пульсирующем токе.

2.2.5.2. Использование стоячих волн

Если надо перераспределить энергию поля, например с целью концентрации, или, наоборот, создать зоны, где действие поля не проявляется, следует перейти к использованию стоячих волн.

Пример 4.16. Оборудование для скважин

Механические примеси вредно влияют на работу оборудования в скважине.

Для снижения этого вредного влияния создаются акустические стоячие волны. Для создания акустических колебаний используют магнитострикционное оборудование, требующее подвода электричества при помощи кабеля и генератора ультразвуковых частот.

В предлагаемом устройстве предлагается преобразовывать низкие частоты от работы оборудования с помощью четвертьволновых резонаторов.

Пример 4.17. Хроматограф

Принцип функционирования хроматографа состоит в том, что по всей хроматографической колонке внутри нее или на ее стенках создают периодическую последовательность стоячих волн колебаний с длиной волны, сопоставимой (и менее) с размером поперечного сечения хроматографической колонки, после чего анализируемую пробу пропускают через созданную последовательность стоячих волн.

Стандарт 2.2.6. Структуризация веществ

Если дана вепольная система, ее эффективность может быть повышена переходом от веществ однородных или имеющих неупорядоченную структуру к веществам неоднородным или имеющим определенную пространственную структуру (постоянную или временную):

Пояснения.

Значок # над буквой В указывает, что вещество имеет определенную пространственно-временную структуру.

Пример 4.18. Структуризация жидкостей

Структуризация и активизация жидкостей осуществляется с помощью воздействия электромагнитных полей (сильного магнитного, электрического и импульсного светового). Активизация жидкостей, в частности воды и жидких полимеров, приводит к улучшенным свойствам в химических и биологических процессах, в которых используются активированные жидкости.

Активированные жидкости, в частности вода, способствуют уменьшению щелочности, кислотности или жесткости воды, снижению содержания бактерий в загрязненной воде, увеличению времени схватывания и прочности бетона на сжатие, а также повышению скорости роста и жизнеспособности растений. При активации воды наблюдалось физиологическое воздействие на клетки и вирусы, а также на людей.

Пример 4.19. Структура воды

С. В. Зенин впервые построил геометрическую модель структурированной воды, а затем, используя контрастно-фазовый микроскоп, получил изображение этой структурированной воды. На полученной фотографии хорошо видна ее ячеистая структура. Структурной единицей воды является кластер, состоящий из клатратов, природа которых обусловлена дальними кулоновскими силами. В структуре кластеров закодирована информация о взаимодействиях, имевших место с данными молекулами воды. В водных кластерах за счет взаимодействия между ковалентными и водородными связями между атомами кислорода и атомами водорода может происходить миграция протона (Н+) по эстафетному механизму, приводящая к делокализации протона в пределах кластера.

Вода, состоящая из множества кластеров различных типов, образует иерархическую пространственную жидкокристаллическую структуру, которая может воспринимать и хранить огромные объемы информации.

В случае с водой переносчиками информации могут быть физические поля самой различной природы. Так, установлена возможность дистанционного информационного взаимодействия жидкокристаллической структуры воды с объектами различной природы при помощи электромагнитных, акустических и других полей.

Пограничный слой воды проявляет физические свойства, отличные от окружающей «объемной» воды, в частности большую электропроводность, меньшую по величине теплоемкость и т. д. Отличия в физических свойствах пограничной и объемной воды, как следует из экспериментальных данных, нелинейно возрастают при приближении к поверхности.

В статье высказаны гипотезы:

— вода в живом организме присутствует только в форме пограничной воды;

— каждая биологическая структура формирует пограничную воду со свойствами, зависящими от молекулярной и пространственной структуры ее поверхности.

2.2.6.1. Введение экзотермических веществ

Если нужно получить интенсивное тепловое воздействие в определенных местах системы (точках, линиях), в эти места следует заранее ввести экзотермические вещества.

Пример 4.20. Самонагревающиеся контейнеры

Контейнеры работаю на принципе экзотермической реакции.

Тепло генерируется в ходе химической реакции оксида кальция (CaO) с водой, в результате получается гидроксид кальция Ca (OH) 2. Затем он вступает в реакцию с присутствующим в воздухе углекислым газом (СО2), при этом опять образуется карбонат кальция (он же известняк, CaCO3) и вода. То есть исходные компоненты возвращаются в первоначальное состояние. Причем реакция нейтральна в плане выработки CO2.

Такие контейнеры известны давно, еще в 1934 году в США был выдан патент. Совершенствование такого типа контейнеров продолжается до сегодняшнего дня. Многие компании выпускают разнообразные контейнеры для разогревания жидкостей, например кофе и разнообразной пищи.

 

4.3. Подкласс 2.3. Форсирование согласованием ритмики

Данный подкласс является реализацией закона согласования.

Стандарт 2.3.1. Согласование ритмики П и В 1 (или В 2 )

В вепольных системах действие поля должно быть согласовано по частоте (или сознательно рассогласовано) с собственной частотой изделия (или инструмента).

Пример 4.21. Компьютерная томография

Компьютерная томография сердца может быть размыта из-за движения сердца. Синхронизация с ЭКГ (электрокардиограммой) вносит коррективы.

Пример 4.22. Ритм работы

Работа конвейерной линии согласуется с последовательностью работы на различных автоматах, выполнением отдельных операций, с общим графиком работы и т. п.

Пример 4.23. Дом на кинематическом фундаменте

Здание стоит на толстых опорах, внизу к ним прикреплены железобетонные катки, которые не имеют жесткой связи с фундаментом, а опираются на железобетонные подушки с выемкой. По принципу действия такая система напоминает игрушку-неваляшку — при толчках здание отклоняется от положения равновесия, а затем возвращается обратно. Это самая простая из систем сейсмоизоляции, но весьма эффективная: дом по собственной частоте получается длиннопериодическим, и короткопериодические толчки просто «не замечает».

Это пример на рассогласование .

Стандарт 2.3.2. Согласование ритмики П 1 и П 2

В сложных вепольных системах должны быть согласованы (или сознательно рассогласованы) частоты используемых полей.

Пример 4.24. Блютуз

При передачи данных через Bluetooth могут возникать помехи, чтобы избежать их, происходит частая смена несущей частоты. Частота меняется в соответствии с псевдослучайной последовательностью чисел, известной как отправителю, так и получателю.

Пример 4.25. Массаж

Предложено массаж тела делать в ритме сердечных сокращений.

Стандарт 2.3.3. Согласование несовместимых или ранее независимых действий

Если два действия, например изменение и измерение, несовместимы, одно действие осуществляют в паузах другого. Помните: паузы в одном действии должны быть заполнены другим полезным действием.

Пример 4.26. Многозадачный компьютер

На многозадачном компьютере задачи с более низким приоритетом обрабатываются в паузах между обработкой высокоприоритетных задач.

Пример 4.27. Cвязь

Раньше по одному проводу передавали одну информацию (один сигнал). Затем передавали несколько сигналов на разных частотах.

При передаче импульсных сигналов между импульсами одной информации помещали импульсы другой информации.

 

4.4. Подкласс 2.4. Феполи (комплексно-форсированные веполи)

Подкласс описывает способы применения магнитного поля, ферромагнитных частиц, магнитной и реологической жидкостей.

Стандарт 2.4.1. «Протофеполи»

Если дана вепольная система, ее эффективность может быть повышена путем использования ферромагнитного вещества и магнитного поля:

Пояснения.

1. Стандарт о применении ферромагнитного вещества, не находящегося в измельченном состоянии. Речь идет о «протофеполях», «полуфеполях» — структуре на пути к феполям.

2. Стандарт применим не только к простым веполям, но и к комплексным, а также к веполям, включающим внешнюю среду.

Пример 4.28. Магнитная подушка

Поезда на магнитной подушке левитирует за счет отталкивания одинаковых магнитных полюсов, при этом используется линейный двигатель. Его располагают или на поезде, или на пути, или там и там.

Пример 4.29. Шины автомобиля

Компания Goodyear разработала концепцию инновационных шин под названием Eagle-360, имеющих сферическую форму.

Шины прикреплены к автомобилю с помощью магнитной подвески (магнитной левитации). В каждом колесе установлен электромотор и аккумулятор, а оставшееся пространство заполнено армированным пенопластом.

Эти шины позволяет автомобилю двигаться во всех направлениях, что способствует лучшей маневренности и парковке в городских условиях. У них значительно меньший износ, так как колесо изнашивается по всей сферической поверхности.

В колесе установлено много датчиков, которые определяют состояние дороги и погодных условий и передают эти данные другим машинам и системе управления дорожным транспортом.

Шины имеют рисунок протектора, напоминающий структуру поверхности мозгового коралла (рис. 4.5а). Эта поверхность твердеет при сухой погоде и смягчается при влажной, обеспечивая оптимальное управление автомобилем и предотвращая аквапланирование.

Рис. 4.5. Концепция шины компании Goodyear

Рис. 4.6. Концепция автомобиля со сферическими шинами

Пример 4.30. Удержание детали

Фиксация и ориентация деталей в магнитном поле. Например, винт удерживается на конце намагниченного наконечника отвертки.

Стандарт 2.4.2. Феполи

Чтобы повысить эффективность управления системой, необходимо перейти от веполя или «протофеполя» к феполю, заменив одно из веществ феррочастицами (или добавив феррочастицы) — стружку, гранулы, зерна и т. д. — и использовав магнитное или электромагнитное поле. Эффективность управления повышается с увеличением степени дробления феррочастиц, поэтому развитие феполей идет по линии «гранулы — порошок — мелкодисперсные феррочастицы». Эффективность повышается также с увеличением степени дробления вещества, в которое введены феррочастицы. Развитие здесь идет по линии «твердое вещество — зерна — порошок — жидкость»:

Пояснения.

1. Переход к феполям можно рассматривать как совместное применение двух стандартов-2.4.1 (введение ферровещества и магнитного поля) и 2.2.2 (дробление вещества).

2. Превратившись в феполь, вепольная система повторяет цикл развития веполей — но на новом уровне, так как феполи отличаются высокой управляемостью и эффективностью. Все стандарты, входящие в группу 2.4, можно считать своего рода «изотопами» нормального ряда стандартов (группы 2.1—2.3). Выделение «фепольной линии» в отдельную группу 2.4 оправдано (во всяком случае, на этом этапе развития системы стандартов) исключительным практическим значением феполей. Кроме того, «фепольный ряд» удобен как тонкий исследовательский инструмент для изучения более грубого «вепольного ряда» и прогнозирования его развития.

Пример 4.31. Терапия

К больным клеткам осуществляется селективная доставка магнитных наночастиц. Лечение осуществляется с помощью гипертермии (нагрев локальных мест), воздействуя на доставленные магнитные частицы, например, токами высокой частоты.

Пример 4.32. Обработка скважины

Для повышения эффективности обработки скважины в пласт закачивают ферромагнитную жидкость с ферромагнитными частицами и поверхностно-активным веществом и воздействуют на пласт вращающимся магнитным полем.

Стандарт 2.4.3. Магнитная жидкость

Эффективность феполей может быть повышена путем перехода к использованию магнитных жидкостей — коллоидных феррочастиц, взвешенных в керосине, силиконе или воде. Стандарт 2.4.3 можно рассматривать как предельный случай развития по стандарту 2.4.2.

Пример 4.33. Биологическая магнитная жидкость

Биологическая магнитная жидкость включает магнитную коллоидную дисперсную фазу. Она распределена по всей жидкой дисперсионной среде. Дисперсная фаза может состоять из магнитных частиц, покрытых сшитыми, биологически совместимыми полимерами.

Биологически совместимые полимеры могут быть связаны посредством ковалентных связей с биологически активными макромолекулами. Это может быть достигнуто путем ковалентного связывания иммуноглобулина с биологически совместимыми полимерами, а затем присоединения к иммуноглобулину антител с предопределенной специфичностью.

Эти антитела с помощью магнитные частицы могут быть нацелены на желаемые клетки для различных медицинских применений.

Магнитные частицы могут состоять из ядер магнетита с покрытиями кобальта или кобальта и бора. Кроме того, магнитные частицы могут быть изготовлены из кобальта и бора, причем бор находится в концентрации, достаточной для активации излучения.

Магнитный коллоид может быть образован путем включения биологически совместимого полимера в коллоид, который образуется путем восстановления магнитной металлической соли.

Коллоид преимущественно получают в многостадийном процессе для достижения очень однородных размеров частиц. Магнитный коллоид может быть также получен путем образования биологически несовместимого магнитного коллоида и медленного добавления коллоида к энергичному биологически совместимому полимеру.

Эти биологические магнитные жидкости полезны, например, при отделении раковых клеток от нормальных клеток в трансплантатах костного мозга, а также и в будущей области технологии переноса генов, а также в очистке геномного материала,.

Пример 4.34. Датчик уровня жидкости

Датчик измерения уровня жидкости, содержит корпус, выполненный в виде трубы, в котором коаксиально установлен полый стержень, образующий с корпусом герметичную полость, в которой размещена токопроводящая обмотка, расположенная на поверхности стержня и выполненная в виде одной или нескольких секций витков, причем каждая секция соединена электрически с приемником сигналов и содержит более одного витка, а поплавок установлен внутри стержня и содержит носитель, выполненный из материала с запасом плавучести относительно измеряемой среды.

Носитель имеет закрытую или открытую полость, в которой размещена магнитная жидкость.

Датчик, устанавливаемый в емкости для измерения, например, уровня нефти, работает следующим образом (рис. 4.7). В исходном положении при отсутствии в емкости нефти поплавок 6 с магнитной жидкостью 9 находится в крайнем нижнем положении. При повышении уровня нефти поплавок 6 с магнитной жидкостью 9 начинает перемещаться внутри стержня 2. Магнитная жидкость 9 попадает в магнитное поле, создаваемое измерительной обмоткой 4, намотанной на поверхность стержня 2. При этом возникает более сильное магнитное поле ориентированных частиц жидкости, которое воздействует на приемник сигналов 5, измеряя уровень жидкости в резервуаре.

Для контроля над ограничением налива жидкости в закрытый резервуар используют измерительную обмотку 4 из двух витков (или двух секций). Когда поплавок 6 доходит до уровня нижнего витка (или нижней секции), изменяя индуктивность магнитного поля, поступает предупредительный сигнал на приемник сигналов, а когда поплавок 6 дойдет до верхнего витка (или верхней секции), поступает сигнал на отключение налива жидкости.

Рис. 4.7. Датчик

1 — корпус; 2 — полый стержень; 3 — герметичная полость; 4 — токопроводящая обмотка; 5 — приемник сигнала; 6 — поплавок; 7 — носитель; 8 — полость; 9 — магнитная жидкость.

Стандарт 2.4.4. Использование капиллярно-пористых структур в феполях

Эффективность феполей может быть повышена за счет использования капиллярно-пористой структуры, присущей многим фепольным системам.

Пример 4.35. Магнитная пена

Описываются разные варианты магнитных пен в жидком и твердом состоянии.

Магнитная пена может существенно повысить эффективность сбора гидрофобных загрязнений с поверхности воды или твердого тела, например, для удаления тонкой нефтяной пленки с водной поверхности. Жидкая магнитная пена гидрофобна и может сохранять на воде устойчивость в течение десятков минут, в то время как процесс всасывания нефти в пену длится несколько минут. Быстрое всасывание нефти пеной дает возможность практически сразу собирать и удалять с поверхности воды пену с помощью магнитных подборщиков, а высокая скорость генерации пены — наносить пену повторно. Пена может производиться в больших количествах на месте удаления загрязнения (например, морских судах или в портах), что является особенно актуальным, поскольку в соответствии с рядом соглашений многие порты должны быть оборудованы оборудованием и устройствами для сбора разлитой нефти.

Пример 4.36. Магнитная пена Солнца

По данным полученным от зондов Voyager 1 и Voyager 2 ученые пришли к выводу, что на границе солнечной системы имеются большие магнитные пузыри, образующие магнитную пену. Каждый пузырь имеет диаметр около 16 млн км (расстояние от Земли до Солнца).

Стандарт 2.4.5. Комплексные феполи

Если нужно повысить эффективность управления системой путем перехода к феполю, а замена веществ феррочастицами недопустима, переход осуществляют построением внутреннего или внешнего комплексного феполя, вводя добавки в одно из веществ:

Пример 4.37. Цементный раствор

Для улучшения качества цементного камня в цементный раствор вводят наноферромагнитные добавки в количестве 0, 03—0,07% и воздействуют магнитным полем.

Пример 4.38. Химические реакции

Скорость протекания химических реакций можно увеличить, если в химические реагенты ввести ферромагнитные частицы и воздействовать электромагнитным полем.

Стандарт 2.4.6. Феполи на внешней среде

Если нужно повысить эффективность управления системой путем перехода от веполя к феполю, а замена веществ феррочастицами (или введение добавок в вещества) недопустима, то феррочастицы следует ввести во внешнюю среду и, действуя магнитным полем, менять параметры среды, а следовательно, управлять находящейся в ней системой (ст. 2.4.3):

Пример 4.39. Развитие эмбриона птицы

Для более интенсивного развития эмбриона и увеличения выводимости цыплят на яйцо воздействуют магнитным полем.

Предложен способ и устройство для воздействие постоянным магнитным полем.

Воздействие переменным магнитным полем.

Воздействие вращающимся электромагнитным полем. Для этого коробку с яйцами помещают в статор электродвигателя.

Пример 4.40. Магнито-абразивное полирование (МАП)

Эффективная обработка абразивным инструментом осуществляется с помощью введения в качестве обрабатывающей внешней среды ферромагнитный абразив и магнитного поля, управляя усилием прижима каждого зерна по отдельности.

В результате достигается очень высокое качество поверхности. На операциях финишного полирования пластин монокристаллов кремния (подложки для производства интегральных схем) процесс МАП с использованием ферроабразивного порошка «железо-алмаз» обеспечивает шероховатость поверхности с высотой неровностей менее 20 ангстрем, т. е. МАП позволяет формировать поверхность с величиной неровностей в 2…4 атомных слоя.

Стандарт 2.4.7. Использование физических эффектов

Если дана фепольная система, ее управляемость может быть повышена за счет использования физических эффектов.

Пример 4.41. Насос

Действие насоса основано на эффекте Кюри.

Рабочий ход поршня, нагнетающего перекачиваемую среду, совершается под действием магнита. В верхнем положении поршня магнит нагревается солнечными лучами, подаваемыми концентраторами через прозрачную крышку цилиндра, до температуры выше точки Кюри. Магнитная сила исчезает, и поршень опускается под действием силы тяжести. При этом открывается обратный клапан и перекачиваемая среда вытесняется в надпоршневое пространство. Здесь она охлаждает магнит, его сила вновь появляется и процесс повторяется.

Стандарт 2.4.8. Динамизация

Если дана фепольная система, ее эффективность может быть повышена путем динамизации, то есть перехода к гибкой, меняющейся структуре системы:

Пример 4.42. Измерение толщины

Толщину стенок полых изделий из немагнитных материалов измеряют, вводя в изделие надувную оболочку, покрытую ферромагнитной пленкой, обладающей незначительным магнитным сопротивлением.

Оболочку раздувают сжатым газом, пока она плотно не прижмется к внутренней поверхности изделия. На наружной поверхности изделия установлен индуктивный преобразователь с незамкнутой цепью.

Прижатая к внутренней поверхности ферромагнитная поверхность через стенку изделия замыкает магнитную цепь преобразователя.

По величине магнитного сопротивления, фиксируемого измерительной схемой, судят о толщине стенки изделия в месте установки преобразователя (рис. 4.8).

Рис. 4.8. Измеритель толщины. А. с. 792 080

1 — эластичная оболочка; 2 — ферромагнитное покрытие; 3 — контролируемое изделие; 4 — индуктивный преобразователь с незамкнутой магнитной цепью; 5 — измерительная схема.

Стандарт 2.4.9. Структуризация

Если дана фепольная система, ее эффективность может быть повышена переходом от полей однородных или имеющих неупорядоченную структуру к полям неоднородным или имеющим определенную пространственную структуру (постоянную или переменную):

Пример 4.43. Магнитная формовка

На 35-м Всемирном конгрессе литейщиков проф. А. Виттмозер впервые сделал доклад о магнитной формовке. При данном способе изготовления формы применяется ферромагнитные частицы размером 0,3—0,5 мм. После уплотнения формы вибрацией она помещается в постоянное магнитное поле, которое обеспечивает магнитную связь между частицами наполнителя, что придает форме необходимую прочность, предотвращая ее разрушение при заливке металла. Магнитная формовка получила применение в США, Японии и в странах Западной Европы для производства серийных отливок из различных сплавов. Швейцарская фирма «Brown Bovery» организовала серийное производство полуавтоматических установок магнитной формовки.

Пример 4.44. Литейная форма

Для приготовления литейной формы в опоку устанавливают форму и заполняют предварительно намагниченным ферромагнитным формовочным материалом и воздействуют переменным магнитным полем, уплотняя формовочный материал.

Переменное магнитное поле, взаимодействуя с формовочным материалом в опоке, приводит его в псевдотекучее состояние. При этом происходит равномерное распределение формовочного материала по объему опоки, распадаются отдельные слипшиеся комки, материал заполняет пустоты, узкие пазы, полости модели и уплотняется.

Стандарт 2.4.9.1. Структуризация

Если веществу, входящему в феполь (или могущему войти в феполь), должна быть придана определенная пространственная структура, то процесс следует вести в поле, со структурой, соответствующей требуемой структуре вещества:

Пример 4.45. Программируемые макароны

В MIT научились программировать форму макаронных изделий. Для этого используются два слоя желатина с разной плотностью. Более плотный слой впитывает в себя больше влаги и сильнее разбухает, изгибая пластину пасты (макаронного изделия). Сверху желатина нанесли полоски целлюлозы, практически не впитывающей влагу. Окончательная форма макаронного изделия определялась узором этих полосок (они могли располагаться параллельно, радиально, на отдельных участках пластины пасты) и формой пасты (круг, прямоугольник и т. д). Форма приобреталась при опускании изделия в горячую воду. Такой подход сокращает расходы на доставку. В упаковке с обычной формой пасты 67% объема занимал воздух.

В данном изобретении обошлись без феррочастичек и магнитного поля, поэтому, строго говоря, это не данный стандарт, а просто структуризация.

Стандарт 2.4.10. Согласование ритмики в феполях

Если дана «протофепольная» или фепольная система, ее эффективность может быть повышена согласованием ритмики входящих в систему элементов.

Пример 4.46. Электронный парамагнитный резонанс (ЭПР)

Научное открытие №85 «Установлено неизвестное ранее явление квантовых переходов между электронными энергетическими уровнями парамагнитных тел под влиянием переменного магнитного поля резонансной частоты (явление электронного парамагнитного резонанса)».

ЭПР — это отклик магнитных атомов, молекул или электронов на радиоволны. Он имеет резонансный характер. Резонанс возникает, когда частота радиоволны совпадает с частотой вращения магнитного момента атома. Последняя зависит от силы внешнего магнитного поля и от электрических и магнитных микрополей в самом веществе. Поэтому, меняя силу поля, нетрудно создать условия для парамагнитного резонанса. Тело начнет сильно поглощать, преломлять и отражать радиоволны. Наблюдая любое из этих явлений, легко установить присутствие в нем даже ничтожного количества магнитных частиц и, самое главное, определить тончайшие особенности структуры микрополей внутри вещества, что невозможно сделать другими физическими методами. Благодаря этому ЭПР широко используется в физике твердого тела, ядерной физике, химии (для изучения обширного класса веществ, называемых радикалами), биологии, медицине, технике. В качестве примеров можно привести спектрометр, магнетометр.

На основе явления резонансного поглощения СВЧ излучения создан, например, квантовый парамагнитный усилитель (мазер), использующийся для осуществления дальней космической связи, работают гигантские радиоастрономические интерферометры, служащие для изучения звездных источников радиоизлучения. На ЭПР основаны поиск и технологическая проверка веществ, составляющих основу квантовых генераторов и усилителей. Испытание активного вещества квантового генератора с помощью ЭПР позволяет заранее определить пригодность его для работы.

Пример 4.47. Ядерный магнитный резонанс (ЯМР)

Например, явление ЯМР широко используются в физике, химии и медицине, пример — магнитно-резонансная томография (МРТ).

Это явление используется как расходомер, для исследования скважин (ядерно-магнитный каротаж) и т. д.

Стандарт 2.4.11. Эполи

Если введение ферромагнетиков или намагничивание затруднены, следует воспользоваться взаимодействием внешнего электромагнитного поля с контактно подведенными или неконтактно индуцированными токами или взаимодействием этих токов между собой.

Пример 4.48. Сепарация частиц

При добыче золота применяют гравитационные методы, однако частицы металла меньше 0,2 мм практически не улавливаются.

Для улавливания маленьких частиц золота используют электродинамический сепаратор путем воздействий двух импульсных магнитных полей. Причем второй импульс подается с задержкой.

Устройство имеет две соосные катушки.

Пример 4.49. Электромагнитная катапульта

Для разгона самолета на авианосце используются катапульты. Для этих целей сейчас используются паровые катапульты. Основной принцип таких катапульт это движение поршня с помощью пара.

Уже давно задумывались о другом, более современном принципе действия катапульт. Стали разрабатывать электромагнитную катапульту. Принцип ее действия — линейный электродвигатель.

В 2015 году испытали такую систему для авианосца Джеральд Форд (Gerald R. Ford). Она получила название EALS (Electromagnetic Aircraft Launch System).

Задача 4.3. Контроль состояния троса

Условие задачи

Контроль состояния троса лифта проводится его периодическим осмотром, что требует выведения лифта из эксплуатации. Во время осмотра выявляют обрывы прядей троса. Этот трудоемкий способ не гарантирует обнаружение внутренних повреждений.

Как быть?

Разбор задачи

Использовать стандарт 2.4.11.

Решение

Контроль состояния троса выполняется с помощью измерения электрического сопротивления троса.

Электрическое сопротивление каждого троса пропорционально площади его поперечного сечения.

Такое решение устраняет необходимость выведения лифта из эксплуатации и повышает качество и надежность проверок троса. Электрическое сопротивление каждого троса пропорционально площади его поперечного сечения, что является индикатором его оставшегося ресурса. Система Pulse в лифтах OTIS Gen 2 постоянно контролирует электрическое сопротивление троса, чтобы определить момент, когда его следует заменить. Также система считывает текущую загрузку кабины, так как сила натяжения троса влияет на его сопротивление.

Стандарт 2.4.12. Рео-жидкость

Особая форма эполей — электрореологическая суспензия (взвесь тонкого кварцевого порошка, например в толуоле) с управляемой вязкостью. Если неприменима феррожидкость, может быть использована электрореологическая жидкость.

Пример 4.50. Гидравлическая муфта

Для управления пробуксовкой ведущих колес транспортного средства с гидравлической муфтой блокировки дифференциала в качестве рабочей жидкости применяется электрореологическая жидкость, а элементы муфты электроизолированы между собой.

Пример 4.51. Гидродинамическая передача

Регулировка гидродинамической передачей может быть улучшена, если в качестве рабочей жидкости используют электрореологическую жидкость и управление осуществляется изменением напряжения.

 

5.1. Подкласс 3.1. Переход к бисистемам и полисистемам

Стандарт 3.1.1. Системный переход 1-а: образование бисистем и полисистем

Эффективность системы — на любом этапе развития — может быть повышена системным переходом 1-а: с объединением системы с другой системой (или системами) в более сложную бисистему или полисистему.

Задача 5.1. Покорение Северного полюса

Условие задачи

Покорение Северного полюса в конце XIX — начале XX века было весьма проблематично. Этому мешали не только низкие температуры и неизвестность. Главное препятствие — продукты питания, которыми нужно было обеспечить людей и животных.

Груз превышал возможности людей и животных. Можно разместить груз на дополнительных санях, но их должны были тянуть дополнительные животные. Круг замкнулся. С такой проблемой столкнулся американский путешественник Роберт Пири. Как быть?

Разбор задачи

Налицо ТП: доставка необходимого провианта и снаряжения требует дополнительных животных и пищи для них.

ФП: Дополнительные сани должны быть, чтобы доставить провиант и снаряжение, и их не должно быть, чтобы не использовать дополнительных животных и пищу для них.

Использование стандарта 3.1.1.

Решение

Роберт Пири разработал оригинальную челночную систему. Это был пятый пункт «системы Пири»:

«Предварительно доставить к месту выхода экспедиции в санный поход достаточно провианта, топлива, одежды, походных кухонь и других предметов снаряжения, дабы главная партия смогла дойти до полюса, а вспомогательные отряды — до места назначения и обратно» .

Таким образом, Пири перешел от «моноэкспедиции» к «полиэкспедиции», что и позволило ему достичь Северного полюса.

Пример 5.1. Электронное дополнительное устройство

Компания Apple запатентовала присоединение смартфона или планшета к ноутбуку. Смартфон вставляется в специальное углубление. Между смартфоном и ноутбуком организовывается связь, они работают как единая система. В частности, смартфон может использоваться для ввода информации и работает как сенсорная панель (touchpad). В свою очередь смартфон или планшет могут использоваться как полноценный ноутбук с большим экраном и полноценной клавиатурой (рис. 5.1).

Рис. 5.1. Электронное дополнительное устройство.

Патент США 2017/008304

Стандарт 3.1.2. Развитие связей в бисистемах и полисистемах

Повышение эффективности синтезированных бисистем и полисистем достигается, прежде всего, за счет развития связей элементов в этих системах.

Пример 5.2. Надувной трап-понтон.

В пассажирских самолетах в качестве спасательных средств используются надувные трапы, которые одновременно могут служить и понтонами. В одном предмете объединили две функции трапа: спускаться с самолета и понтона и поддерживать людей или груз на поверхности воды.

Пример 5.3. Защита от хулиганов и бандитов

Электрошокеры маскируют под другие предметы, например мобильный телефон (рис. 5.2а).

Перстень, в котором имеется слезоточивый газ (рис. 5.2б).

Придумали шокирующую одежду «бесконтактный жакет» — это просто элегантный жакет. Если владелец жакета решит, что ему угрожает опасность, то жакет мгновенно превратится в грозное оружие самообороны. Любой прикоснувшийся к жакету получит удар в 80 000 вольт.

Питание жакета осуществляется от 9-вольтовой батарейки. Он полностью изолирован, так что владельцу электрический удар не грозит.

Рис. 5.2. Средства защиты

Стандарт 3.1.3. Системный переход 1-б: увеличение различий между элементами

Эффективность бисистем и полисистем повышается при увеличении различия между элементами системы (системный переход — 1-б): от одинаковых элементов (набор одинаковых карандашей) к элементам со сдвинутыми характеристиками (набор разноцветных карандашей), затем — к разным элементам (готовальня) и инверсным сочетаниям типа «элемент и антиэлемент» (карандаш с резинкой).

Пример 5.4. Спасение людей

В канадском Университете Райерсона (в Торонто) для спасения людей, оказавшихся под обломками строений, предложили систему, состоящую из специально обученной собаки, которая может найти попавших в беду людей, и робота-спасателя, который доставляется к месту аварии в сумке, которую несет собака. Пес подбирается к беспомощной жертве как можно ближе, а затем своим лаем запускает приехавшего на нем робота. Такая система под названием Canine Assisted Robot Deployment была реализована и испытана в Техасском университете A&M (США).

Пример 5.5. Теплица

Теплица сама создает искусственный микроклимат. Это осуществляется за счет подбора растений, выделяющих кислород и потребляющих углекислый газ, находящихся в отсеке теплицы со светопроницаемым покрытием, и растений, выделяющих углекислый газ и потребляющих кислород, находящихся в отсеке теплицы со светонепроницаемым покрытием. Помещения разделены светонепроницаемой перегородкой, имеющей управляемый клапан. Отсеки выполнены с выходные клапанами для сообщения их с атмосферой.

В качестве растений, выделяющих углекислый газ, могут быть, например, грибы шампиньоны, которые не требуют освещения и являются мощными генераторами углекислого газа, необходимого для роста растений, выделяющих кислород.

Источником кислорода могут быть овощные культуры и другие растения, которые поглощают на свету углекислый газ и выделяют кислород, который необходим для роста грибов.

Такая теплица с искусственным микроклиматом — своего рода биохимический генератор, в котором повышение урожайности сельскохозяйственный растений осуществляется без затрат энергии внешних источников.

Различные растения требуют для своего роста различные условия, которые обеспечивает управляющий блок, получая информацию о содержании кислорода и углекислого газа от соответствующих датчиков. В каждом из отсеков поддерживается необходимый состав газовой среды. Для этого открываются или закрываются соответствующие клапаны (рис. 5.3).

Таким образом, такая теплица позволяет повысить урожайность сельскохозяйственных растений без затрат энергии внешних источников за счет биохимических процессов, протекающих во время роста растений.

Рис. 5.3. Теплица. А. с. 950 2411 — помещение; 2 — растения источники углекислого газа;

3 — растения источник кислорода; 4, 5, 15, 16, 17, 18 — управляемые клапаны; 6 — светонепроницаемая перегородка; 7, 8 — клапаны; 9 — воздуховод-теплообменник; 10, 11 — отсеки; 12 — светопрозрачное покрытие; 13 — светонепрозрачное покрытие; 14 — воздухозаборная шахта; 19 — пневмозатвор; 20 — управляющий блок; 21 — датчик кислорода; 22 — датчик углекислого газа; 23 — труба; 24 — запорный клапан.

Стандарт 3.1.4. Свертывание бисистем и полисистем

Эффективность бисистем и полисистем повышается при их свертывании, прежде всего, за счет сокращения вспомогательных частей. Например, двустволка имеет один приклад. Полностью свернутые бисистемы и полисистемы снова становятся моносистемами, цикл может повториться на новом уровне.

Пример 5.6. Турбовинтовой двигатель

Турбовинтовой двигатель объединил преимущества реактивного и винтового двигателей.

Этот вид объединения систем часто применяется в тех случаях, когда одна система достигла своего потолка развития, а другая, более совершенная, еще не может заменить ее полностью.

Пример 5.7. Автомобиль

В автомобилях имеется тенденция помещать электродвигатель в колесо. Каждое колесо имеет свой двигатель, что позволило каждым колесом управлять отдельно, что значительно увеличило маневренность. Стало возможным разворачиваться на месте и осуществлять параллельную парковку.

Это пример на свертывание преобразователя энергии  — трансмиссии, и переход к более управляемому полю (переход от механического к электрическому полю).

Стандарт 3.1.5. Системный переход 1-в: противоположные свойства целого и частей

Эффективность бисистем и полисистем может быть повышена распределением несовместимых свойств между системой и ее частями. Это системный переход 1-в: используют двухуровневую систему, в которой вся система в целом обладает свойством С, а ее части (частицы) — свойством анти-С.

Пример 5.8. Способ остановки кровотечения

Как быстро и эффективно остановить кровотечение?

Известно, что человеку можно вливать кровь только определенной группы. В противном случае человек умирает из-за несовместимости — кровь свертывается.

С целью упрощения и повышения эффективности остановки кровотечения предложено к ране приложить салфетку, пропитанную иногруппной кровью.

«Вредная» кровь выполняет полезную функцию — останавливает кровотечение

Пример 5.9. Память компьютера

У памяти имеются две противоположные функции — запись и стирание.

Пример 5.10. Цепь

Каждое звено жесткое, а цепь в целом гибкая.

 

5.2. Подкласс 3.2. Переход на микроуровень

Стандарт 3.2.1. Системный переход 2: переход на микроуровень

Эффективность системы — на любом этапе развития — может быть повышена системным переходом 2: с макроуровня на микроуровень, когда систему или ее часть заменяют веществом, способным при взаимодействии с полем выполнять требуемое действие.

Пример 5.11. Часы

Первоначально появились большие башенные часы, механизм которых представлял собой набор механических частей (маятник, шестеренки, рычаги, пружины и т. д.).

Далее механические части уменьшились в размерах и создали карманные, а затем наручные механические часы. Механика совершенствовалась и уменьшалась. Размеры часов значительно уменьшились. Но тем не менее принцип их работы оставался на макроуровне. Их принцип работы основывался на колебании механического маятника.

Переход на микроуровень осуществился с изобретением кварцевых часов.

В кварцевых часах в качестве колебательной системы стали использовать кристалл кварца. Маятник заменили кристаллом.

Позже появились атомные часы, где в качестве источника колебаний используется сигнал перехода электрона между двумя энергетическими уровнями атома.

Пример 5.13. Вычислительная техника

Первая вычислительная машина (антикитерский механизм) была создана в Древней Греции. Она датируется 150—100 г. до н. э. Это механическая аналоговая вычислительная машина для расчета астрономических позиций. Машина также позволяла производить операции сложения, вычитания и деления.

Известны счетное устройство Леонарда да Винчи, суммирующая машина Паскаля и другие.

Принцип действия этих машин механический. Они состояли из валов и шестерен. Постепенно эти части уменьшались в размерах и был разработан арифмометр. Их заменили электромеханические вычислительные машины. Механические части двигались с помощью электрических двигателей.

На следующем этапе была разработана вычислительная машина на вакуумных лампах.

Далее были использованы транзисторы, а затем и микросхемы.

Сегодня процессор содержит миллиарды транзисторов. При их изготовлении используется нанотехнологии.

Это типичный пример перехода на микроуровень.

На мироуровень перешел рабочий орган компьютера — процессор, но до сегодняшнего дня еще остались части, использующие механику, например жесткий диск, DVD-Rom, вентиляторы. Это пример закона неравномерности развития систем.

Имеются тенденции перехода этих частей на микроуровень.

Используются жесткие диски с флеш-памятью. Все чаще используются не DVD- диски, а флеш-память. Вентиляторы могут быть заменены элементом Пельтье и тепловыми трубами.

 

6.1. Подкласс 4.1. Обходные пути

Стандарт 4.1.1. Вместо обнаружения и изменения — изменение систем

Если дана задача на обнаружение или измерение, целесообразно так изменить систему, чтобы вообще отпала необходимость в решении этой задачи.

Пример 6.1. Стабилизация температуры

Для стабилизации температуры необходимо ее измерять и управлять выключателем источника тепла.

Если в качестве выключателя использовать материал с точкой Кюри, равной температуре стабилизации, то можно исключить датчик температуры и систему управления выключателем источника тепла.

Стандарт 4.1.2. Использование копий

Если дана задача на обнаружение или измерение и при этом нельзя применить стандарт 4.1.1, то целесообразно заменить непосредственные операции над объектом операциями над его копией или снимком.

Задача 6.1. Защита от квартирных воров

Условие задачи

Воры, прежде чем забраться в квартиру звонят в звонок. Если ответа нет, то они делают задуманное.

Как сделать, чтобы воры не захотели забираться в дом?

Разбор задачи

Использовать стандарт 4.1.2.

Решение

Воры не будут забираться в дом, когда там кто-то есть. Необходимо создать видимость (модель), что при звонке в дверь что-то происходит за дверью.

Один из возможных вариантов: после звонка в дверь зажигается свет, а потом в дверном глазке появляется изображение глаза. Возможно, включать запись с вопросом.

Разработана система, включающая запись лая собаки при нажатии на звонок.

В стандарте 4.1.2. Использование копий рассмотрим подстандарт 4.1.2.1. Сравнивание объектов с эталоном:

Если нужно сравнить объект с эталоном с целью выявления отличий, то задача решается оптическим совмещением изображения объекта с эталоном или с изображением эталона, причем изображение объекта должно быть противоположно по окраске эталону или его изображению.

В качестве противоположных цветов могут быть взяты: белый — черный, желтый — синий, красный — синий, красный — желтый и т. д. Смешивание этих цветов дает другой цвет. Основных цветов по Иоганнесу Иттену существует три: красный, зеленый и синий. Остальные цвета образуются смешиванием этих.

Задача 6.2. Обнаружение новой звезды

Условия задачи

Астрономы наблюдают за звездным небом. С определенной периодичностью делают снимки участков неба (рис. 6.1). Чтобы обнаружить появление новой звезды на небе, снимки сравниваются. На снимке тысячи звезд и сравнивать снимки достаточно сложно. Как упростить этот процесс?

Рис. 6.1. Фотография звездного неба

Разбор задачи

Воспользуемся стандартом 4.1.2.1.

Решение

Сравнение производят путем наложения позитивного и негативного изображений. Одну из сравниваемых фотографий берут «позитив» (рис. 6.2а), а другую «негатив» (рис. 6.2б). При их совмещении будет виден только новый объект на звездном небе по а. с. 359 512 (рис. 6.2в). Сегодня сравнения могут проводиться совмещением электронных изображений.

Рис. 6.2. Обнаружение новой звезды

Пример 6.2. Контроль отверстий в печатной плате

Контроль отверстий, созданных в печатной плате, осуществляют сравнением с эталоном. Это достаточно утомительная операция.

Использование стандарта 4.1.2.1 позволяет значительно упростить эту операцию.

Через эталон пропускают желтый цвет, а через печатную плату — синий.

Если на экране появляется желтый цвет, значит, в печатной плате отсутствует отверстие. Появление синего цвета означает, что в печатной плате есть лишнее отверстие. Зеленый цвет — точное совпадение с эталоном. На совмещенном изображении могут быть определены и отклонения в диаметре и форме отверстия.

Стандарт 4.1.3. Измерение — два последовательных обнаружения

Если дана задача на измерение и нельзя применить стандарты 4.1.1 и 4.1.2, то целесообразно перевести ее в задачу на последовательное обнаружение изменения.

Переход от расплывчатого понятия «измерение» к четкой модели «два последовательных обнаружения» резко упрощает задачу.

Пример 6.3. Измерение температуры

Вместо измерения температуры в точке контакта пары трения (например, в шарикоподшипниках, коробке передач) в смазочную пленку вводятся мелкие ферромагнитные частицы с фиксированной точкой Кюри. После превышения точки Кюри некоторые частицы остаются парамагнитными даже после охлаждения благодаря эффекту гистерезиса. Анализируя образец смазки, можно идентифицировать изменения в магнитных свойствах частиц, а затем можно определить, какие температуры контакта возникают при определенных рабочих условиях.

Пример 6.4. Окружность колеса

Окружность качения автомобильных шин уменьшается при значительном падении давления и соответствующем увеличении числа оборотов. Если скорость каждого колеса оценивается по сигналам в антиблокировочной системе и записывается, можно определить среднее значение и определить любое большое отклонение (более 30%) давления отдельных шин.

Пример 6.5. Измерение скорости пули

В США разработан способ измерения скорости пули с помощью электретов. Пуля, пролетая над двумя электретами, расположенными на заранее известном расстоянии, изменяет электрическое поле. Появляются два последовательных импульса (рис. 6.3). Скорость V полета пули определяют делением расстояния l между электретами на время t и между появлением импульсов.

где:

V — скорость полета пули,

l  — расстояние между электретами,

t и  — время между появлением импульсов.

Рис. 6.3. Измерение скорости пули

 

6.2. Подкласс 4.2. Синтез измерительных систем

Стандарт 4.2.1. «Измерительный» веполь

Если невепольная система плохо поддается обнаружению или измерению, задачу решают, достраивая простой или двойной веполь с полем на выходе:

Пример 6.6. Умный скальпель

При удалении раковой опухоли хирург должен четко видеть, где кончается зона опухоли и начинаются здоровые ткани. Электрохирургический инструмент, разработанный в Лондоне, обеспечивает обратную связь, которая позволяет практически в реальном времени узнать, имеет ли разрезаемая ткань злокачественный характер. Электрохирургический скальпель iKnife режет с помощью высокочастотного электрического тока и отсасывает дым, выделяемый горящими тканями, который поступает в масс-спектрометр, определяющий наличие соответствующих специфических веществ, характерных для разных тканей. Результат выдается в течение трех секунд. Это настоящая революция, ибо при традиционной технологии проведения анализа тканей непосредственно в ходе операции ждать приходилось полчаса (рис. 6.4).

Рис. 6.4а. Умный скальпель

Рис. 6.4б. Умный скальпель

Пример 6.7. Улучшение видимости

Когда во время ливня или снегопада водитель машины включает фары (особенно дальний свет), то он видит перед собой глухую стену из дождя или снега. В Университете Карнеги-Меллон придумали остроумное решение этой проблемы. С помощью видеокамер компьютерная система отслеживает положение снежинок (или дождевых капель) и предсказывает их дальнейшую траекторию, после чего выключает на короткие промежутки времени соответствующие лучи многолучевых «интеллектуальных фар» (в прототипе был использован обычный DLP-проектор). Как показали эксперименты, с такой системой водитель даже во время метели не замечает 70—80% снежинок, при этом средняя интенсивность света фар снижается всего на 5%.

Этот пример можно рассматривать и как стандарт 2.2.4 (динамизация).

Стандарт 4.2.2. Комплексный «измерительный» веполь

Если система (или ее часть) плохо поддается обнаружению или измерению, задачу решают переходом к внутреннему или внешнему комплексному веполю, вводя легко обнаруживаемые добавки:

Пример 6.8. Определение прокола

Для определения места прокола в автомобильной камере ее накачивают дымом. Струя дыма, выходящая из камеры, показывает место прокола.

Пример 6.9. Определение износа инструмента

Для определения износа сверла к нему прикрепляют пьезоэлектрический акселерометр, сигнал которого поступает на электронную систему. Кроме того, имеется частотомер. Сигнал с электронной схемы сравнивается с данными частотомера и определяют степень износа инструмента.

Стандарт 4.2.3. «Измерительный» веполь на внешней среде

Если систему трудно обнаружить или измерить в какой-то момент времени и нет возможности ввести в объект добавки, то эти добавки, создающие легкообнаруживаемое и легкоизмеряемое поле, следует ввести во внешнюю среду, по изменению состояния которой можно судить об изменении состояния объекта:

Пример 6.10. Измерение состава пробы

Обычно для измерения состава пробы осуществляют регистрацию калибровочного и рабочего спектра пробы. Затем вычисляют концентрацию компонентов с использованием градуировочных зависимостей.

В изобретении предложено в качестве калибровочного спектра использовать спектр пропускания пробы, зарегистрированный спектрометром с входной щели. В качестве источника излучения используют один или более излучателей с гладким распределением спектра.

Способ измерения состава пробы, включающий регистрацию калибровочного спектра, регистрацию рабочего спектра пропускания пробы и вычисление концентраций определяемых компонентов с использованием градуировочных зависимостей, отличающийся тем, что оба спектра снимают без изменения длины оптического пути света через пробу, но при этом в качестве калибровочного спектра используют спектр пропускания пробы, зарегистрированный спектрометром с входной щелью, спектральная ширина которой превышает ширину зарегистрированной линии поглощения определяемого компонента в рабочем спектре пропускания пробы, регистрацию которого производят с шириной щели, позволяющей измерить интенсивность линии поглощения определяемого компонента, при этом регистрацию указанных спектров осуществляют многоэлементным твердотельным детектором, а в качестве источника излучения используют один или более излучателей с гладким распределением спектра.

Пример 6.11. Определение износа двигателя

Определение степени износа двигателя и разжижения моторных масел топливом выполняют путем отсоса отработанного масла, попадающего на магнит в виде капель, по измерению времени истечения масла и количественному и качественному составу частиц железа на магните.

Стандарт 4.2.4. Получение добавок во внешней среде

Если во внешнюю среду нельзя извне ввести добавки по стандарту 4.2.3, то эти добавки могут быть получены в самой среде, например ее разложением или изменением агрегатного состояния. В частности, в качестве таких добавок нередко используют газовые или паровые пузырьки, полученные электролизом, кавитацией и другими способами.

Пример 6.12. Определение наночастиц

Для определения распределения концентрации и размеров микро- и наночастиц в жидкостях и газах пропускают через анализируемую среду лазерный луч, измеряют флуктуации мощности излучения, рассеянного на исследуемых частицах, под большими углами. Дополнительно измеряют распределение интенсивности рассеянного излучения под малыми углами рассеяния, для чего устройство снабжено матричным приемником. Решение интегрального уравнения обратной задачи рассеяния осуществляют с учетом полученных дополнительных измерений.

 

6.3. Подкласс 4.3. Форсирование измерительных веполей

Стандарт 4.3.1. Использование физэффектов

Если дана вепольная система, то эффективность обнаружений и измерений в ней может быть повышена за счет использования физических эффектов.

Задача 6.3. Направление движения подземных вод

Условие задачи

Как определить направление движения подземных вод?

Разбор задачи

Воспользуемся стандартом 4.3.1.

Решение

Для определения потока подземных вод применяют электролитический индикатор.

В подземный поток через скважину вводят электролитический индикатор (хлористый натрий), который распространяется исследуемым потоком.

Вдоль направления движения потока образуется «яразуем электропроводящего индикатора. На поверхности земли устанавливают пары разнесенных электродов под разными направлениями относительно места инжекции (скважины) и измеряют кажущее сопротивление массива пород. В направлении сноса индикатора оно минимизировано (минимальная электропроводимость) и, наоборот, в направлении, противоположном движению воды, сопротивление максимально (электропроводимость минимальна). Измерение сопротивления осуществляют в определенные моменты времени под разными азимутными углами. Таким образом, строят эпюру и направление движения определяют по направлению максимальной проводимости (минимального кажущегося сопротивления).

Задача 6.4. Направление потоков подземных вод

Условие задачи

Способ, описанный в задаче 5.16, дает неточные показания направления потока, как в горизонтальном направлении, так и по глубине залегания потока, особенно на больших расстояниях (десятки и сотни километров). Необходимо вводить индикатор в больших количествах, что сильно загрязняет водные горизонты.

Как быть?

Разбор задачи

Воспользуемся стандартом 4.3.1.

Решение

В качестве индикатора используют гелий, который вводят в подземные воды и измеряют его концентрацию на поверхности земли. По участкам с аномальной концентрацией гелия судят о путях движения подземных вод.

На рис. 6.5 показана схема, поясняющая способ.

В подземные воды через скважину опускают шланг, по которому вводят жидкий гелий. Скважину сверху герметизируют. Жидкий гелий вводят из баллона с избыточным давлением в нужном количестве.

Растворенный гелий движется вместе с потоком воды. Гелий проникает через породы к поверхности земли. С помощью портативных измерителей гелия определяют места его максимального выхода.

Гелий совершенно нетоксичен, хорошо растворяется в воде и легко дегазирует из нее. Он не взаимодействует с породами, не изменяет свойства воды и быстро мигрирует через толщу пород (рис. 6.5).

Рис. 6.5. Направление движения подземных вод. А. с. 829 893

1 — водоносный горизонт; 2 — скважина; 3 — фильтр; 4 — баллон с газообразным гелием.

4.3.2. Использование резонанса контролируемого объекта

Если невозможно непосредственно обнаружить или измерить происходящие в системе изменения, а также пропустить сквозь систему поле, то задачу решают возбуждением в системе резонансных колебаний (во всей системе или какой-то ее части), по изменению частоты которых можно определить происходящие в системе изменения:

Пример 6.13. Исследование тканей человека

Наиболее точные исследования состояния тканей человека дает использование ядерного магнитного резонанса.

Пример 6.14. Измерение физических величин

Измерение осуществляется путем сравнения частоты измеряемой величины и подстраиваемого датчика, имеющего резонансный контур, состоящий из емкости и параллельно подключенной индуктивности. Индуктивность или емкость могут подстраиваться.

4.3.3. Использование резонанса присоединенного объекта

Если невозможно применить стандарт 4.3.2, то о состоянии системы судят по изменению собственной частоты объекта (внешней среды), связанного с контролируемой системой.

Пример 6.15. Частота колебаний

Для измерения частоты колебания объекта, например струны, к нему прилепляют пьезоэлемент. Это может исказить истинную частоту колебания объекта, особенно если их массы сопоставимы. Измерять частоту колебания объекта можно по колебаниям воздуха около объекта.

Пример 6.16. Измерение наночастиц

Определение размеров наночастиц осуществляют с помощью измерения спектра электронного параметрического резонанса (ЭПР) мелких доноров в полупроводниковых нанокристаллах. Образец полупроводниковых наночастиц помещают в криогенную систему и воздействуют микроволновым полем частотой через волновод и рупор. На образец наночастиц воздействуют постоянным магнитным полем, соответствующим ЭПР мелких доноров. Образец также облучают импульсным ультрафиолетовым излучением. Сигнал ЭПР мелких доноров регистрирует фотоприемное устройство и по нему судят о размер наночастиц.

 

6.4. Подкласс 4.4. Переход к фепольным системам

Стандарт 4.4.1. «Измерительный» протофеполь

Веполи с немагнитными полями имеют тенденцию перехода в «протофеполи», то есть веполи с магнитным веществом и магнитным полем.

Пример 6.17. Навигация по магнитным полям внутри зданий

Внутри больших зданий (торговые центры, музеи и т. п.) не помешала бы система навигации. Однако здесь спутниковая навигация не работает. Из положения пытаются выходить, используя Wi-Fi-роутеры или установленные в смартфонах акселерометры и гироскопы. Финская компания IndoorAtlas предлагает ориентироваться с помощью уникального профиля магнитных полей, которым обладают здания с металлическими элементами конструкции (например, из железобетона). Для этого необходимо снять карту магнитных полей в здании, а также оснастить смартфон или планшет магнитным датчиком и соответствующим программным обеспечением. Данный метод навигации сможет обеспечить точность определения места порядка 0,1—2,0 м.

Пример 6.18. Система GoalRef

Система GoalRef разработана немецким институтом прикладных исследователей Fraunhofer совместно с датской компанией Select Sport. Она использует низкочастотное магнитное поле. В рамке ворот установлены катушки индуктивности. Мяч оснащен пассивной электронной схемой, встроенной между наружными кожаными и надувными внутренними слоями. Программное обеспечение контролирует состояние магнитного поля в цепи и может обнаружить изменение, которое происходит в нем из-за прохождения катушек в шаре по линии.

После обнаружения система посылает зашифрованный радиосигнал в реальном времени на наручные часы, которые носят рефери, которые вибрируют и показывают сообщение о том, что гол был забит (рис. 6.6).

Рис. 6.6. Система GoalRef

Стандарт 4.4.2. «Измерительный» феполь

Если нужно повысить эффективность обнаружения или измерения «протофепольными» и вепольными системами, то необходимо перейти к феполям, заменив одно из веществ ферромагнитными частицами (или добавив ферромагнитные частицы) и обнаруживая или измеряя магнитное поле:

Пример 6.19. Определение толщины стенок

Толщина стенок полых изделий из диэлектрических материалов определяется путем введения в полость изделия магнитного порошка, создавая замкнутую магнитную цепь между порошком и индуктивным датчиком сквозь стенку изделия, а по величине индуктивности датчика определяют ее толщину. Кроме того, с целью повышения точности измерений, на порошок воздействуют с внешней стороны стенки изделия постоянным магнитным полем, а со стороны полости изделия — электростатическим полем, при этом для измерений используют индуктивный датчик без ферромагнитного сердечника (рис. 6.7).

Рис. 6.7. Определение толщины стенок. Патент РФ 1 188 520

1 — изделие; 2 — измерительный датчик; 3 — электромагнит; 4 — магнитный порошок; 5 — электрод.

Пример 6.20. Определение уплотняемости магнитного порошка

Уплотняемость и формуемость магнитных порошков рассчитываются по результатам измерения намагниченностей насыщения и насыпной плотности порошка.

Стандарт 4.4.3. Комплексный «измерительный» феполь

Если нужно повысить эффективность обнаружения или измерения системы путем перехода к феполю, а замена вещества ферромагнитными частицами недопустима, то переход к феполю осуществляется построением комплексного феполя, вводя добавки в вещество:

Пример 6.21. Магнитопорошковый контроль

На контролируемую деталь насыпают магнитный порошок и помещают в магнитное поле. В месте дефекта образуется валик из порошка. Порошок убирают и в место дефекта помещают магнитную жидкость и измеряют ее электрическое сопротивление. По значению сопротивления определяют глубину дефекта.

Стандарт 4.4.4. «Измерительный» феполь на внешней среде

Если нужно повысить эффективность обнаружения или измерения системы путем перехода от веполя к феполю, а введение феррочастиц недопустимо, то феррочастицы следует ввести во внешнюю среду.

Пример 6.22. Иммуноанализ

В качестве основы иммуносорбента используют вермикулит или смесь вермикулита с магнитным порошком. За счет этого значительно увеличивается иммунохимическая активность, что позволяет получить более точные результаты анализа.

Стандарт 4.4.5. Использование физэффектов

Если нужно повысить эффективность фепольной измерительной системы, необходимо использовать физические эффекты, например, переход через точку Кюри, эффекты Гопкинса и Баркгаузена, магнитоупругий эффект и т. д.

Пример 6.23. Уровнемер

Дискретный уровнемер содержит магнит, соединенный с датчиком положения, например поплавком, усилитель, счетчик импульсов и чувствительный элемент, выполненный в виде протяженного проводника, например струны или ленты, изготовленного из материала, испытывающего скачки Баркгаузена при перемагничивании, например из технически чистого железа, концы которого электрически соединены через усилитель со входом счетчика импульсов, регистрирующего число скачков Баркгаузена.

Пример 6.24. Анализ ферромагнитных изделий

Электромагнитный анализ ферромагнитных изделий осуществляют путем наведения магнитного поля с напряженностью, достаточной для проявления эффекта Баркгаузена, а к исследуемому участку намагниченного изделия прикладывается низкочастотное переменное магнитное поле, вызывающее движение магнитных доменов. Определяют напряженность магнитного поля, наведенного в ответ на воздействие магнитного поля и переменного магнитного поля. Было обнаружено, что напряженность магнитного поля в непосредственной близости к дефектному участку имеет другую величину, и эта информация может использоваться для определения различных параметров изделия. В одной из систем используется быстрое сканирование и контроль труб с целью обнаружение и определения местоположения дефектов.

 

6.5. Подкласс 4.5. Направления развития измерительных систем

Стандарт 4.5.1. Переход к бисистеме и полисистеме

Эффективность измерительной системы — на любом этапе развития — может быть повышена путем перехода к бисистеме и полисистеме.

Пример 6.25. Система Hawk-Eye

Система Hawk-Eye включает 14 высокоскоростных (320 кадров в секунду) камер высокого разрешения, которые следят за воротами с различных ракурсов (по семь за одними воротами). Специальное программное обеспечение отслеживает мяч и показывает на экране телевизора траекторию полета, а в случае гола подается сигнал на часы всех судей (рис. 6.8).

Эта система используются в крикете, теннисе и снукере с 2001 года.

Рис. 6.8. Система Hawk-Eye

Пример 6.26. Исследование быстрых процессов

В Исследовательском центре NASA сконструировали установку Walle, состоящую из шести высокоскоростных съемочных камер. При этом каждая камера настроена на свою светочувствительность. То есть фиксирует только те элементы, которые имеют соответствующую освещенность. После съемки результаты всех камер обрабатываются на компьютере, который обеспечивает получение точно экспонированного во всех деталях изображения. Область применения установки — съемка быстрых процессов, например реактивной струи или взрыва снаряда.

Стандарт 4.5.2. Направления развития

Измерительные системы развиваются в направлении: измерение функции — измерение первой производной функции — измерение второй производной функции.

Пример 6.27. Система управления

Системы управления для объектов с быстро изменяемыми параметрами должна управляться не только по самому сигналу, но и по его первой, второй или более высоким производным.

При длительной работе системы в закон управления системой желательно вводить интеграл управляемой величины для повышения точности управления.

 

7.1. Подкласс 5.1. Введение веществ

Стандарт 5.1.1. Обходные пути

Если нужно ввести в систему вещество, а это запрещено условиями задачи или недопустимо по условиям работы системы, то следует использовать обходные пути:

1. Вместо вещества используют «пустоту».

Пример 7.1. Губка из нанотрубок

Ученые из университетов Райса и Пенсильвании создали макроскопические губки из углеродных нанотрубок, многократно пересекающихся между собой.

Пустоты в губке занимают более 99%. При этом материал оказался супергидрофобным. Он не тонет в воде, но оказался олеофильными, хорошо впитывая масла в количестве свыше 100 граммов на 1 г собственного веса.

Пример 7.2. «Ничто» в информатике

В программировании, «nothing» (в VB.Net), или «null» (в C, C#, Java, и др), None (в Python), nil (в Ruby, Lisp) используется как ключевое слово, представляющее неинициализированную переменную, указатель или ссылку, не относящуюся ни к одному объекту. Аналогичным образом, в SQL null является символическим представлением отсутствия данных.

Большинство языков ассемблера имеют инструкцию «нст операциии NOP (часто с числовым значением нуль) — команду, которая предписывает ничего не делать.

В UNIX-подобных ОС существует специальный файл /dev/null, представлящий собой «обойяю устройство.

2. Вместо вещества вводят поле.

Пример 7.3. Голосование

Обычное голосование заменили электронным голосованием.

Идентификация личности происходит по биометрическому образу.

Процесс голосования значительно убыстряется, удешевляется и исключается фальсификация результатов.

Пример 7.4. Сварка листов

При сварке электрод перемещают механически. Можно вообще не тратить время на перемещение электродов, если их расставить заранее в нужном месте на расстоянии, меньшем, чем тепловое пятно. Каждый из электродов подсоединяется к источнику питания и последовательно включается. Таким образом, дуга движется, а электроды стоят на месте.

3. Вместо внутренней добавки используют наружную.

Пример 7.5. Стая

Если в стае животных в зоопарке нет альфа-самца или он погиб, то идет острая борьба за лидерство. Иногда такая борьба не приносит успехов — не находится сильнейшего, в таком случае его приводят со стороны. Он быстро наводит порядок в стае, и никто не смеет ему перечить.

4. Вводят в очень малых дозах особо активную добавку.

Примечание:

Символ «µ» — «микро» — малое количество.

Затемнение квадрата показывает увеличение активности добавки — очень активная добавка.

Пример 7.6. Гомеопатия

Гомеопатия использует сильно разведенные вещества.

Задача 7.1. Проверка лекарств

Условие задачи

Каждый день в мире синтезируются новые лекарства. Все они должны быть проверены. Чаще всего действия лекарственных препаратов проверяют на разных животных. Но это долго и дорого, нужны большие дозы вещества. Как быть, если надо проверить новые лекарства, а их синтезировано очень мало. Как проверить, действуют ли они вообще?

Разбор задачи

Воспользуемся стандартом 5.1.1.4.

Решение

Проверку на чувствительность новых лекарств зачастую проводят на пауках. Под действием лекарств у них легко обнаружить ошибочные действия: конструкция сети — это точный отчет о функциональном состоянии нервной системы паука. Даже при ничтожных лекарственных дозах они начинают плести «лестиютенныхм сети.

5. Вводят в очень малых дозах обычную добавку, но располагают ее концентрированно — в отдельных частях объекта.

Примечание:

Символ «К» — концентрированно.

Пример 7.7. Контакты

В разнообразных электрических и электронных приборах контакты делали полностью из серебра или золота. Теперь серебром и золотом покрывают только непосредственно контактирующие части.

Задача 7.2. Выведение пятна

Условие задачи

На каком-то объекте появилось нежелательное пятно.

Можно обработать весь объект специальным веществом, но оно может испортить объект.

Как быть?

Разбор задачи

Воспользуемся стандартом 5.1.1.5.

Решение

Обрабатывают только место, где имеется пятно, концентрированным веществом.

6. Добавку вводят на время.

Примечание :

Символ «t» — временно.

Пример 7.8. Дорожный каток

Дорожный каток предназначен для уплотнения дорожного покрытия, например при укладке асфальта. Для этого массу катков делают достаточно большой, но во время доставки катка на место перевозится большой груз и происходят лишние затраты энергии.

Чтобы избежать лишних затрат энергии, было предложено перевозить пустую бочку, а когда нужно укатывать дорогу, ее заполняют водой или песком.

Пример 7.9. Пищевая добавка

На время беременности домашним животным вводится добавка рыбьего жира, например печени акулы.

7. Вместо объекта используют его копию (модель), в которую допустимо введение добавки.

Задача 7.3. «Фальшивые яйца»

Условие задачи

Кукушки безбожно паразитируют на других птицах, подкладывая в их гнезда по одному яйцу. При этом многие птицы чужого яйца не замечают. Как кукушкам удаётся так замаскировать свои яйца?

Разбор задачи

Воспользуемся стандартом 5.1.1.7.

Решение

За многие века паразитизма кукушки приобрели богатый опыт. Во-первых, при относительно крупных размерах тела кукушки несут мелкие яйца весом около 3 г. Во-вторых, кукушки умело подделывают расцветку своего яйца под окрас хозяйских. Есть версия, что каждая кукушка «укециализируетсяи на подкладке яиц только к определенным видам воробьиных птиц. А чтобы наседка не заметила прибавления в гнезде, кукушка взамен своего выбрасывает или съедает одно из ее яиц. Вот такой птичий криминал.

Пример 7.10. Разработка судов

Прежде чем строить судно, сначала испытывают его модель в бассейне.

8. Добавку вводят в виде химического соединения, из которого она потом выделяется.

Пример 7.11. Пластификация древесины

Пластификации древесины осуществляется обработкой аммиаком и в процессе работы поверхности трения древесины пропитывают солями, разлагающимися при температуре трения, например,

(Н4) 2СО3.

9. Добавку получают разложением внешней среды или самого объекта, например электролизом, или изменением агрегатного состояния части объекта или внешней среды.

Пример 7.12. Защита информации

Для защиты передаваемой информации ее разлагают на составляющие, смешивают с белым гауссовским шумом. Каждая составляющая, смешанная с шумом, передается по отдельности. На приемном конце информация фильтруется, отделяя полезный сигнал от шума, и соединяется с использованием уникального ключа.

Пример 7.13. Электролиз

Снятие металла с катода, полученного электролизом, требует много усилий и часть металла остается на катоде. Для этого катод покрывают защитным слоем, ослабляющим сцепление катодного остатка с материалом катода. Однако этот способ загрязняет электролит и катодный осадок и, кроме того, покрытие не обеспечивает равномерного сцепления катодного осадка с основой по всей площади катода и сдирка осадка остается трудоемкой операцией.

Предложено катод покрывать рыхлым губчатым слоем осаждаемого металла, который наносят в режиме предельного тока.

Стандарт 5.1.2. «Раздвоение» вещества

Если дана система, плохо поддающаяся нужным изменениям, и условия задачи не позволяют заменить инструмент или ввести добавки, вместо инструмента используют изделие, разделяя его на части, взаимодействующие друг с другом.

Пример 7.14. Нагрев потока воздуха

Два потока воздуха пропускают через нагревательное устройство навстречу друг другу и формируют общий поток нагретого воздуха путем слияния встречных потоков.

Пример 7.15. Подзарядка электромобиля

Для подзарядки электромобиля используется поток встречного воздуха, который раскручивает крыльчатку, кинематически связанную с электрогенератором.

5.1.2.1. Увеличение степени управляемости частицами

Если же в систему входит поток мелкодисперсных частиц и надо увеличить степень управления этими частицами, поток следует разделить на части, заряженные одноименно и разноименно. Если весь поток заряжен одноименным электричеством, то противоположный заряд должна нести одна из частей системы.

Пример 7.16. Искусственный снег

Для получения искусственного снега в камере смешения в охлажденный сверхзвуковой поток воздуха распыляют воду и жидкую углекислоту, заряженные разноименно. Охлаждение осуществляют адиабатическим расширением.

Пример 7.17. Газированные напитки

При изготовлении газированных напитков на купаж и жидкий диоксид углерода воздействуют статическими зарядами противоположных потенциалов. Это позволяет стабилизировать технологические свойства напитка при хранении.

Стандарт 5.1.3. Самоустранение отработанных веществ

Введенное в систему вещество — после того, как оно сработало — должно исчезнуть или стать неотличимым от вещества, ранее бывшего в системе или во внешней среде.

Пример 7.18. Многоступенчатая ракета

В многоступенчатой ракете с внешними топливными емкостями после исчерпания топлива в них они отделяются от основной ракеты.

Стандарт 5.1.4. Введение больших количеств вещества

Если нужно ввести большое количество вещества, а это запрещено условиями задачи или недопустимо по условиям работы системы, в качестве вещества используют «пустоту» в виде надувных конструкций или пены.

Примечания.

1. Применение надувных конструкций — стандарт на макроуровне. Использование пены — тот же стандарт на микроуровне.

2. Стандарт 3.1.4 часто используют совместно с другими стандартами.

Пример 7.19. Радиолокационный отражатель

Радиолокационный отражатель выполнен из надувных баллонов, собранных в форме октаэдра. Внутри расположен отражающий элемент.

Пример 7.20. Защита от коррозии

Для защиты от коррозии скрытых полостей кузова автомобиля внутренний объем скрытых полостей заполняют под давлением аэрозолем пенопласта на основе пенополиуретана для полной герметизации объема с последующим самоотверждением.

 

7.2. Подкласс 5.2. Введение полей

При постройке, перестройке и разрушении веполей часто необходимо вводить новые поля. Чтобы не усложнять при этом систему, следует использовать стандарты подкласса 5.2.

Стандарт 5.2.1. Использование полей по совместительству

Если в вепольную систему нужно ввести поле, то следует, прежде всего, использовать уже имеющиеся поля, носителями которых являются входящие в систему вещества.

Пример 7.21. Обогрев хлевов

Силос хранится в силосных башнях. За счет биологических процессов, происходящих в силосе, выделяется тепло. Это может привести к разрушению силосных башен, поэтому башни охлаждают.

Предложено тепловую энергию, выработанную силосом, использовать для нагрева соседних хлевов.

Стандарт 5.2.2. Введение полей из внешней среды

Если нужно ввести поле, а по стандарту 5.2.1 это сделать невозможно, следует использовать поля, имеющиеся во внешней среде.

Пример 7.22. Испытания почтовой машины

В ходе выполнения консалтингового проекта была предложена и построена модель почтовой машины, в которой разделение и перелистывание осуществлялось струями воздуха. Однако заказчик отказывался принять и оплатить работу, требуя доказательства отсутствия слипшихся при перелистывании листов. Для того чтобы доказать разделение листов бумаги при перелистывании, в воздух ввели небольшое количество порошкообразного красителя. Наличие красителя на каждом листе бумаги доказывало, что при перелистывании слипшихся листов не было.

Пример 7.23. Удаление влаги с моста

Удаление влаги с проезжей части моста осуществляется с помощью эжекции. Водоотводная трубка опущена в реку. Течение воды создает вакуум в трубке (за счет эжекции), и вода удаляется с проезжей части моста.

На конце водоотводной трубки сделана насадка, усиливающая поток воды, так как имеет сужение над трубкой. Сужение делается выпуклыми поверхностями линз, обращенных друг к другу (рис. 7.1).

Рис. 7.1. Удаление влаги с моста. А. с. 414 354

1 — водосборная воронка; 2 — водоотводная трубка; 3 — насадка; 4 — поверхность линз; 5 — вертикальные перегородки; 6 — разряжение; 7 — поверхность.

Стандарт 5.2.3. Использование веществ, могущих стать источником полей

Если в систему необходимо ввести поле, а это нельзя сделать по стандарту 5.2.1 и 5.2.2, то следует использовать поля, носителями или источниками которых могут «по совместительству» стать вещества, имеющиеся в системе или во внешней среде.

Пример 7.24. Перемещение космических средств

Перемещение космических средств осуществляется с помощью взаимодействия электрического и магнитного полей. Источник электрического поля выполняют в виде металлических обкладок, установленных на двух противоположных сторонах сердечника из магнитного диэлектрического материала. К нему прикрепляют источник магнитного поля и синфазно или в противофазе изменяют величину магнитного поля и скорость изменения электрического поля. Изобретение обеспечивает уменьшение габаритов, экономию энергоресурсов (рис. 7.2).

Рис. 7.2. Перемещение космических средств

1 — сердечник; 2 — металлические обкладки; 3 — источник питания; 4 — солиноид; 5 — источник питания.

 

7.3. Подкласс 5.3. Фазовые переходы

Противоречивые требования к вводимым веществам и полям могут быть удовлетворены использованием фазовых переходов.

Стандарт 5.3.1. Фазовый переход 1: замена фаз

Эффективность применения вещества — без введения других веществ — может быть повышена фазовым переходом 1, то есть заменой фазового состояния имеющегося вещества.

Задача 7.4. Порошковая металлургия

Условие задачи

Порошковая металлургия позволяет получать изделия любой формы без дополнительной обработки с необходимыми свойствами материала.

Основные этапы:

1. Изготовление порошков и приготовление смеси.

2. Формирование изделия.

3. Спекание.

Формирование изделие осуществляется прессованием с использованием пресс-форм. Такой метод прост, но такие изделия получаются с неравномерной плотностью.

Как быть?

Разбор задачи

Воспользуемся стандартом 5.3.1

Решение

1. Использование изостатического прессования, обеспечивающее всестороннее сжатие прессуемого изделия и наиболее равномерное распределение плотности по всему объему изделия.

Оно заключается с том, что порошок помещают в эластичную оболочку и проводят прессование в гидростате высоким давлением жидкости.

2. Использование импульсных давлений.

Могут использоваться:

— штамповка взрывом;

— электрогидравлический удар (эффект Юткина);

— электроимпульсная технология.

В качестве среды используется жидкость.

Пример 7.25. Вода — резак

Обычная вода не вызывает никаких разрушений. Струя воды под давлением нескольких атмосфер разрушает земляной покров, может использоваться для землеройных работ. Для резки угля необходимо увеличить давление струи воды до нескольких десятков или даже сотен атмосфер. Тонкая струя воды под давлением более 6000 атмосфер может резать самые твердые материалы.

Таким образом, вещество заменяется полем. Твердый материал заменяется жидкостью, движущейся с высокой скоростью под большим давлением.

Стандарт 5.3.2. Фазовый переход 2: двойственное фазовое состояние

«Двойственные» свойства могут быть обеспечены фазовым переходом 2, то есть использованием веществ, способных переходить из одного фазового состояния в другое в зависимости от условий работы.

Пример 7.26. Двухфазные теплоаккумулирующие материалы

Материалы, аккумулирующие тепло при плавлении, неудобны в использовании. Более практичным является использование материалов, состоящих из плавящейся термоаккумулирующей фазы и транспортной фазы, удерживающей первую фазу в жидком и твердом состоянии.

Создан микрокапсулированный термоаккумулирующий материал с фазовыми переходами для «ляехо тканейд, обеспечивающих тепловой комфорт.

Пример 7.27. Конденсатор

Конденсатор переменной емкости содержит две обкладки с расположенными между ними диэлектриком и узлом регулирования температуры диэлектрика. Диэлектрик состоит из двух слоев: один выполнен из материала с диэлектрической проницаемостью, не зависящей от температуры, а другой — из материала с фазовым переходом металл-диэлектрик.

Стандарт 5.3.3. Фазовый переход 3: использование сопутствующих явлений

Эффективность системы может быть повышена за счет фазового перехода 3, то есть использования явлений, сопутствующих фазовому переходу.

Пример 7.28. Резка металла ударной волны разрежения

Для резки массивных стальных конструкций (толщиной 100 мм и более) применяется способ, основанный на взаимодействии так называемых ударных волн разрежения (УВР). Эти ударные волны возникают в железе и стали, нагруженных ударной волной с давлением, превышающим давление фазового перехода в железе. При давлении ~ 130 ГПа происходит мгновенная перестройка кристаллической решетки железа из кубической в гексагональную, что приводит к значительному изменению плотности железа. При снятии давления в волне разрежения происходит, соответственно, обратный фазовый переход. При этом профиль давления в ударной волне значительно изменяется. Образуется область скачкообразного уменьшения давления, то есть формируется ударная волна разрежения (открытие №321).

При взаимодействии УВР в очень узкой зоне шириной несколько ангстрем возникают растягивающие напряжения, значительно превышающие прочность железа и стали. Происходит разрушение стальной конструкции на две части с очень ровными поверхностями разрушения. Такой способ практически не имеет ограничений по толщине металла и требует существенно (иногда в десятки раз) меньшего количества ВВ по сравнению с обычным методом, что особенно существенно при подводных взрывах. На этом принципе разработан метод фрагментации морских и океанических нефтяных платформ.

Пример 7.29. Оптически индуцированный фазовый переход

Привод на основе оптически индуцированного фазового перехода, позволяет осуществлять микроперемещения в диапазоне единиц микрометров. В качестве активной среды использован монокристалл из полидиацителена (polydiacetylene). Под действием лазерного облучения происходит фазовый переход, приводящий к изменению формы монокристалла.

Стандарт 5.3.4. Фазовый переход 4: переход к двухфазному состоянию

«Двойственные» свойства системы могут быть обеспечены фазовым переходом 4 — замена однофазового состояния двухфазным.

Пример 7.30. Хранение СО 2

Для длительного хранения СО2 его закачивают в двухфазном состоянии (газообразном и жидком) в скважины. Перед закачкой каждое из состояний подвергаются специальной обработке (компрессии и охлаждению) в определенной последовательности и соединению вместе. Такой поток называют плотнофазный поток.

Пена — типичный представитель двухфазного состояния (см. п. 3.12).

Стандарт 5.3.5. Взаимодействие фаз

Эффективность технических систем, полученных в результате фазового перехода 4, может быть повышена введением взаимодействия (физического, химического) между частями (или фазами) систем.

Пример 7.31. Массообмен

Предлагается аппарат для массопередачи процессов адсорбции с непрерывно движущейся твердой фазой и парогазовой смеси в режиме противотока. Аппарат обеспечивает идеальное взаимодействие фаз.

 

7.4. Подкласс 5.4. Особенности применения физэффектов

Стандарт 5.4.1. Самоуправляемые переходы

Если объект должен периодически находиться в разных физических состояниях, то переход следует осуществлять самим объектом за счет использования обратимых физических превращений, например, фазовых переходов, ионизации-рекомбинации, диссоциации-ассоциации и т. д.

Пример 7.32. Газовый разрядник

Газовый разрядник — устройство для защиты электротехнического оборудования от перенапряжений. В рабочем режиме напряжение на разряднике ниже напряжения разряда. При увеличении напряжения на электродах разрядника начинается тлеющий разряд, который переходит в режим лавинной ионизации, а затем — в режим дугового разряда. В таком режиме разрядник практически закорачивает линию, направляя токовый импульс через разрядник на землю. Таким образом, происходит защита оборудования, расположенного по схеме после разрядника, от импульсных выбросов.

Пример 7.33. Консистентные смазки

Консистентные смазки также являются тиксотропными средами. Это позволяет надежно удерживать густую смазку в корпусе подшипника. В зоне трения смазка разжижается и эффективно выполняет смазочные функции.

Необходимо, чтобы консистентная смазка обладала подходящей консистенцией. В идеале она должна обладать хорошей стойкостью к механическим воздействиям и выделению масла из смазки. Кроме того, желательны хорошая стойкость к окислению и характеристики текучести на холоде, а также хорошие противоизносные свойства.

Часто бывает затруднительно достичь всех требуемых характеристик в типичной композиции консистентной смазки на основе минерального масла. В таких случаях в состав композиции необходимо вводить одну или несколько присадок с целью модифицировать ее эксплуатационные показатели. Однако введение присадок существенно повышает издержки производства композиции. Следовательно, требуется разработать композицию консистентной смазки, обладающую определенными характеристиками при пониженном содержании присадок, по сравнению с присадками, существующими в настоящее время, для достижения таких характеристик.

В изобретении приводятся варианты консистентных смазок, удовлетворяющие этим условиям.

Стандарт 5.4.2. Усиление поля на выходе

Если необходимо получить сильное действие на выходе при слабом действии на входе, необходимо привести вещество-преобразователь в состояние, близкое к критическому. Энергия запасается в веществе, а входной сигнал играет роль «спускового крючка».

Пример 7.34. Лук и стрелы

Натягивая тетиву лука, совершают работу, предварительно накапливая энергию в согнутом луке. В момент спуска тетивы накопленная энергия отдается стреле за очень малый промежуток времени, создавая импульс силы.

Тем самым происходит концентрация энергии при ее обработке (предварительное накопление), кратковременном хранении и дальнейшей транспортировке.

Пример 7.35. Кумуляция

Кумуляция (лат. cumulatio — «umulatio14 или cumulo — «umulotio144) — увеличение или усиление какого-либо эффекта за счет сложения или накопления нескольких однородных с ним эффектов.

Кумулятивный эффект, эффект Монро (англ. Munroe effect) — усиление действия взрыва путем его концентрации в заданном направлении.

Концентрация энергии взрыва осуществляется с помощью конуса (геометрический эффект). Энергия концентрируется в тонкую газо-металлическую струю очень большого давления (1—2 млн кгс/см 2 ) и распространяющуюся с очень большой скоростью (7—15 км/с).

Это пример концентрации энергии путем сжатия энергии, перехода от объема к точке и использования эффектов (геометрических).

 

7.5. Подкласс 5.5. Экспериментальные стандарты

Стандарт 5.5.1. Получение частиц вещества разложением

Если для решения задачи нужны частицы вещества (например, ионы), а непосредственное их получение невозможно по условиям задачи, то требуемые частицы надо получить разрушением вещества более высокого структурного уровня (например, молекул).

Пример 7.36. Разрушение молекулярных структур

Разрушение молекулярных структур вещества осуществляется с помощью передачи электромагнитных колебаний автономных источников электромагнитных волн с частотой 1011 — 1018 Гц, расположенных радиально с произвольным радиусом к разрушаемому веществу.

Стандарт 5.5.2. Получение частиц вещества соединением

Если для решения задачи нужны частицы вещества (например, молекулы) и невозможно получить их непосредственно или по стандарту 5.5.1, то требуемые частицы надо получить достройкой или объединением частиц более низкого структурного уровня (например, ионов).

Пример 7.37. Термоядерная реакция синтеза

Способ проведения термоядерной реакции синтеза, характеризующийся применением ускорителей заряженных частиц, с помощью которых осуществляют бомбардировку ионами твердой или газовой мишени, содержащей ионы, либо производят встречное столкновение в зоне мишени с ускоренными ионами других встречно направленных частиц. Используют ионы разных знаков: один или более источников положительно заряженных ионов и один или более источников этих частиц.

Стандарт 5.5.3. Применение стандартов 5.5.1 и 5.5.2.

При применении стандарта 5.5.1 простейший путь — разрушение ближайшего вышестоящего «целого» или «избыточного» (отрицательные ионы) уровня, а при применении стандарта 5.5.2 простейший путь — достройка ближайшего нижестоящего «нецелого» уровня.

Пример 7.38. Смазочный материал

Описывается двухфазный смазочный материал.

См. Пример 7.33. Консистентные смазки.

 

9.1. Вопросы для самопроверки

1. Опишите систему 76 стандартов на решение изобретательских задач.

2. Сколько классов стандартов в системе 76стандартов?

3. Для чего предназначен каждый из классов стандартов? Опишите каждый из классов.

4. Опишите алгоритм использования стандартов.

 

9.2. Темы докладов и рефератов

1. Стандарты в творчестве.

2. Изобретание по стандартам.

3. История развития системы стандартов на решение изобретательских задач.

 

9.3. Выполните задания

1. Приведите примеры на:

1.1. Первый класс стандартов.

1.2. Второй класс стандартов.

1.3. Третий класс стандартов.

1.4. Четвертый класс стандартов.

1.5. Пятый класс стандартов.

2. Определите номер стандарта

Ниже приведены примеры, определите, к какому стандарту они относятся.

Пример 9.1. Закладка пустот

Закладка пустот в шахтных выработках заключается в заполнении пустот с помощью гибкой опалубки, представляющей собой герметичнуюгибкую оболочку, сшитую из рукава прочной водонепроницаемой ткани, имеющей форму мешка или пакета, закрытого с обоих концов, в верхних углах которого закладывают клапаны с отверстиями, достаточными с одной стороны для подачи цементно-содержащей смеси в гибкую опалубку, а с другой стороны — для выходавоздуха из заполняемого пространства, при этом гибкую опалубку равномерно укладывают на закрепленное пространство выработки и через один из клапанов закачивают цементно-содержащий материал, при этом через другой клапан выпускается воздух из заполняемого пространства гибкой опалубки (рис. 9.1).

Рис. 9.1. Закладка пустот. Патент РФ 2 417 321

1 — пенобетонный насос; 2 — гибкий шланг для подачи цементосодержащей смеси; 3 — крепь; 4 — гибкая опалубка с цементосодержащей смесью; 5 — клапан для подачи цементосодержащей смеси; 6 — клапан для выхода воздуха.

Пример 9.2.Самовосстанавливающиеся материалы

Самовосстанавливающиеся материалы очень важны для многих областей и, особенно, для космического оборудования.

Такие полимерные материалы или имеют в своей структуре восстанавливающие компоненты, или самовосстанавливающиеся молекулярные связи.

Восстанавливающие компоненты (целебный агент) помещают в микрокапсулы или полые микроволокна, расположенные в полимерном материале. В полимере диспергирован катализатор. При повреждении материала целебный агент втекает в трещины и, вступая в реакцию с катализатором, ремонтирует их. Аналогично происходит и с полыми волокнами (рис. 9.2).

Рис. 9.2. Самовосстанавливающиеся материалы

Восстановление молекулярных связей может быть достигнуто обратимыми ковалентными связями, термообратимыми физическимивзаимодействиями или надмолекулярной химией.

1. Обратимая ковалентная химия подразумеваетковалентные связи, которые могут диссоциировать и перегруппировываться при повреждении. Такие реакции в основном включают равновесие кольцевой цепи. Одним из широко изученных примеров является ретро-реакция DielseAlder (rDA) (рис. 9.3).

Рис. 9.3. Ретро-реакция DielseAlder (rDA)

2. Исследования по термореверсивным физическим взаимодействиям обширны и в основном сосредоточены на иономерах.

3. Супрамолекулярная химия является перспективной и одним из первых коммерческих применений самовосстанавливающихся полимеров. Обратимые надмолекулярные взаимодействия — это низкоэнергетические взаимодействия, которые влияют на общие свойства материала, если они хорошо разработаны. Возможные пути получения этих взаимодействий основаны наводородной связи или координации металлов.

Пример 9.3. Движение подземных вод

Исследование движения подземных вод осуществляют введением в исследуемый поток индикаторов (изотопов, солей, бактерий, спор и т. д.) и наблюдением, как они разносятся в местах, доступных для отбора проб, или через непосредственное измерение концентрации индикатора в скважинах, родниках и других выходов подземных вод.

Пример 9.4. Технология HEXAGON

По предлагаемой технологии бревенчатые дома строятся из стандартных брусьев шестигранного сечения, укладываемых в необходимые конструкции. Брусья соединяются между собой в строительные блоки с помощью прочных деревянных дюбелей (рис. 9.4).

Рис. 9.4. Технология HEXAGON

Стандартные строительные блоки HEXAGON — это блоки, похожие на конструктор Lego, где маленькие элементы, специальным образом связанные между собой, создают огромные и прочные конструкции. В результате пол, перекрытия, стены и перегородки связываются между собой так, что вертикальная усадка дома практически отсутствует.

Пример 9.5. Генетическая модификация

При генетической модификации сначала выделяют нужный ген, затем его вводят в молекулу нуклеиновой кислоты, чаще всего ДНК, которая является переносчиком этого гена в модифицируемый организм. Происходит преобразование клеток организма. Затем осуществляют отбор генетически модифицированных организмов и устранение тех, которые не были успешно модифицированы. Такие методы используются в медицине, сельском хозяйстве и исследованиях.

Это пример своего рода двойного внутреннего комплексного веполя. Внутренний комплексный веполь (переносчик) вводят в другой веполь (организм) — прием «матрешка».

Пример 9.6. Модификация древесины

Модификация древесины проводится химической обработкой. Для интенсификации процесса предложено древесину обрабатывать последовательным воздействием различными полями: сверхвысокочастотным, тепловым (нагревом), ультразвуковым и охлаждением (замораживанием) и магнитным.

Пример 9.7. Самовосстанавливающийся бетон

В Университете штата Мичиган разработан новый композитный материал из бетона, пронизанного микроволокнами, которые гнутся, но неломаются. Волосяные трещины в этом материале залечиваются самостоятельно засчитанные дни, так как ионы кальция, входящие в его состав, взаимодействуют с дождевой водой и двуокисью углерода, образуя заплатку из карбоната кальция.

Пример 9.8. Сушка табака

Перед сушкой табачных листьев их необходимо промыть, зафиксировать их цвет, а затем подать к сушильной установке. Выполнение каждой операции требует времени.

Предложено применить универсальное вещество — воду, нагретую до 80—85 оС: она и промывает, фиксирует цвет листьев, и транспортирует их в гидротранспортере к сушилкам. Листья выдерживают в гидротранспортере 0,5—3 мин.

Возрастает производительность процесса, упрощается процесс, отпадает необходимость в специальных емкостях для промывки листьев и фиксации их цвета, уменьшаются расходы пара и электроэнергии.

Пример 9.9. Система защиты пешеходов

При столкновении автомобиля с пешеходом происходит не только первичный удар пешехода автомобилем, но и вторичный удар пешехода об асфальт или другой объект. Это может привести к серьезным травмам.

Предложена система, предотвращающая пешехода от вторичного удара.

Система включает специальный клейкий слой, нанесенный на капот, передний бампер, передние боковые панели транспортного средства. Сверху клеящего слоя нанесен слой защитного покрытия. При столкновении с пешеходом покрытие разбивается, обнажая клеящий слой, прикрепляя пешехода к транспортному средству таким образом, что пешеход остается с транспортным средством, пока оно не остановится, и не будет отброшен автомобилем. Тем самым предотвращается вторичное столкновение пешехода с поверхностью дороги или другим объектом (рис. 9.5).

Рис. 9.5. Система защиты пешехода

220 — передняя часть автомобиля; 230 — покрытие; 232 — куски разбитого покрытия; 240 — клеящий слой; 250 — воздушный слой; 270 — пешеход; 272 — спина пешехода; 280 — клеящаяся система.

Пример 9.10. Устройство для прыжков в высоту

Планка для прыжков высоты разделана на две части. При задевании планки прыгуном половинки планки разделяются в стороны и вверх от спортсмена и прилегают к стойкам. Это осуществляется за счет системы пружин и шарниров (рис. 9.6).

Рис. 9.6. Устройство для прыжков в высоту. А. с. 1 020 141

1 — стойка; 2 и 3 — части планки; 6 — пружинный фиксатор; 7 — упор; 8 — обойма; 9 — шарнир; 10 — кронштейн; 11 — пружина;

12 — ограничительный выступ; 13 — шарнир; 14 — отражатель;

15 — пружина.

Пример 9.11. Канат с амортизатором

При сильном ветре рвется канат, связывающий якорь и катер. Предложено сделать петлю из каната и соединить ее резиновым бинтом (рис. 9.7). Такие петли делаются в месте крепления каната к якорю и к катеру.

Рис. 9.7. Канат с амортизатором

Пример 9.12. Обработка поверхности

Для повышения срока службы режущих инструментов идеталей машин в 1,5—2 раза при неизменной форме обрабатываемых поверхностей поверхность изделия нагревают токами высокой частоты до температуры, непревышающей точку Кюри, с последующим воздействием магнитно-импульсным полем высокой напряженности в пределах 1000—8000 кА/м и времени импульса в пределах 10-3-10-6 с. При этом за счет перераспределения магнитно-импульсного поля получают эффект «самозатачивания» рабочих элементов инструмента и пошаговую обработку больших поверхностей.

Пример 9.13. Извлечение нефти

Для увеличения степени извлечения нефти на нефтяной пласт воздействуют электромагнитными, или ультразвуковыми, или акустическими волнами, которые модулируют информационными сигналами, резонансными углеводородам обрабатываемого нефтяного пласта и формируют в стоячие волны.

Пример 9.14. Оловянные усики

Припои на основе олова, имеющие низкую температуру плавления, распространены достаточно широко. Однако у них есть одно неприятное свойство: со временем на них вырастают «усики» — металлические волокна, расползающиеся во все стороны и повышающие вероятность короткого замыкания.

В компании Локхид Мартин разработали припой на основе меди, который не образует вредных «усиков». Обычная медь имеет температуру плавления 1100 оС, что не годится для пайки электроники. Однако медные наночастицы размером менее 10 нм имеют температуру плавления ниже 220 оС, что вполне пригодно для пайки.

Пример 9.15. Лихтеровоз

Буксир, как правило, везет одну баржу. Создали судно — лихтеровоз (рис. 9.8), которое перевозит много барж (лихтеров).

Рис. 9.8. Лихтеровоз

Пример 9.16. Обработка древесины

Древесину пропитывают аммиаком (пластифицируют), придают нужную форму и структуру, а фиксируют форму, замораживая жидким азотом, а затем воздействуют токами сверхвысокой частоты.

Пример 9.17. Умное покрытие

Исследователи из MIT разработали материал с умной поверхностью, уменьшающей лобовое сопротивление.

На поверхности материала созданы небольшие, равномерно распределенные углубления, которые делают его похожим на внешнюю поверхность мяча для гольфа.

Глубина и форма впадин регулируется за счет изменения давления внутри шара (рис. 9.9). Размеры и форма изменяют так, чтобы свести к минимуму лобовое сопротивление на всех скоростях.

Рис. 9.9. Умное покрытие

Эта технология может быть использована для уменьшения аэродинамического сопротивления в автомобилях, уменьшения ущерба от ураганов, причиняемых зданиям.

Пример 9.18. Полезные вибрации

Для охлаждения электронных плат вместо традиционных вентиляторов компания Дженерал Электрик предлагает использовать пьезоэлектрические охлаждающие микросопла. Их делают из двух вибрирующих в противофазе тонких дисков, которые подобно кузнечным мехам выдувают воздух из микроскопического сопла. Тонкая высокоскоростная воздушная струя активно сдувает нагретый слой воздуха теплоизлучающего элемента. По сравнению свентиляторами данное устройство получается более тонким и потребляет меньше энергии.

Пример 9.19. Абразивная обработка

Абразивную обработку осуществляют в магнитном поле.

Инструмент представляет собой гибкие нити из магнитного материала в виде петель, установленные на основании электромагнита. На каждую петлю свободно насажены абразивные элементы, выполненные в виде колец из магнитного материала, с нанесенными на них снаружи абразивными зернами.

Пример 9.20. Многополосная сверхширокополосная связь

Многополосная сверхширокополосная связь (Multi-bands UWB) заключается в том, что весь доступный СШП-частотный диапазон разделяется на несколько узких поддиапазонов. При этом, учитывая частотную независимость поддиапазонов, передача может осуществляться одновременно в каждом из таких диапазонов.

Для каждого частотного поддиапазона существует своя несущая частота сигнала. Передача в каждом из частотных поддиапазонов осуществляется при использовании той или иной техники модуляции.

Пример 9.21. Кузов автомобиля

Первоначально кузов автомобиля делали жестким, чтобы он не сминался при столкновениях, но жесткий корпус передает удар, пагубно воздействуя на водителя и пассажиров.

Бела Барени (Bela Barenyi) разработал концепцию пассивной безопасности легкового автомобиля, ставшую основой для всего, что и поныне делается в этой области во всем мире (рис. 9.10).

В передней и задней частях кузова организуются деформируемые зоны — силовая структура умышленно ослабляется в продольном направлении.

Компания Daimler-Benz AG получил патент 23.01.1951.

Деформируемые зоны — это В 3

Рис. 9.10. Пассивная защита. Патент Германии 854 157

Пример 9.22. Эффективная защита от пираний

В бассейне реки Амазонки водятся весьма крупные рыбы арапаимы (длиной до 3 м и весом до 200 кг), которые не боятся пираний. Все дело в конструкции чешуи. Каждая чешуйка двухслойна: внутренний слой состоит из коллагена — белка соединительной ткани, микрофибриллы которого уложены слоями перпендикулярно друг другу, создавая чрезвычайно прочную и упругую структуру; внешний — тоже из коллагена, но его волокна сцементированы кальцием. Получается достаточно прочная структура, созданная из не слишком прочных составляющих.

Пример 9.23. Трубопровод

Для компенсации температурного линейного расширения труб на линии трубопровода делают компенсатор в U-образном виде.

Пример 9.24. Левитация летательного аппарата

Летательный аппарат удерживают на высоте левитации сконцентрированным магнитным полем Земли, которое получают путем захвата магнитного поля Земли и заключения в замкнутую оболочку со слоем сверхпроводящего материала, прикрепленную к аппарату.

Пример 9.25. Исследование циклотронного резонанса

Для исследования циклотронного резонанса осуществляют воздействие на объекты живой и неживой природы, содержащие ионы. Объект помещают в коллинеарные постоянное и переменное низкочастотное однородные магнитные поля. Выявляют спектр циклотронных частот ионов и устанавливают ближайшие к ним частоты первых трех субгармоник. Сканирование проводится пропорционально квадрату частоты переменного поля.

Пример 9.26. Двуствольный пистолет

Многоствольные пистолеты были изобретены много лет назад, чтобы обеспечить стрельбу без перезарядки. В настоящее время используются одноствольные пистолеты, которые перезаряжаются автоматически. Однако убойной силы одной пули даже при попадании в цель оказывается иногда недостаточно. Поэтому в российско-итальянской компании Arsenal Firearms изготовили двуствольный полуавтоматический пистолет AF2011-A1 Second Century 45-го калибра на базе знаменитого ColtM1911. Пистолет обеспечивает практически выпуск сразу двух пуль, разлет которых не велик (от 2 до 5 см в зависимости от дистанции).

Пример 9.27. Бифазнаяжидкость

Для снятия макияжа используются лосьоны, молочко и косметическое мыло. Они смывают поверхностный слой косметики, а для снятия более глубинных слоев приходится долго и тщательно тереть кожу лица ватными дисками, что приводит к ухудшению состояния кожи.

Бифазная жидкость состоит из двух несмешивающихся фаз: масляной и водяной.

Масляная фаза, как более легкая, всегда всплывает на поверхность, а водная — оседает на дно флакона.

В состав масляного раствора входят очищающие и растворяющие компоненты с добавлением натуральных масел, например миндального, льняного и т. п., а в состав водного раствора входят экстракты разных растений.

Перед применением средства его нужно интенсивно взболтать, чтобы обе фазы смешались в равных пропорциях и компоненты вступили во взаимодействие. Образовавшаяся эмульсия хорошо смывает косметические средства, растворяя их без вреда для кожи.

Пример 9.28. Разложение воды

Предложенный способ разложения воды с эффективной утилизацией диоксида углерода и экономичным получением водорода содержит стадии:

— под давлением подают исходные реагенты: вода и диоксид углерода, в герметичную емкость, к которой имеется катализатор;

— проводят химическую реакцию смеси исходных реагентов в присутствии катализатора;

— образовавшиеся в ходе химической реакции водород, кислород и другие продукты поступают в сепаратор;

отделяют продукты реакции в сепараторе от исходных реагентов и промежуточных продуктов реакции, с выделением из газообразной фазы водорода.

Пример 9.29. Виртуальный супертелескоп

В Массачусетском технологическом университете предлагают объединить изображения, полученные со всех телескопов в мире, с помощью суперкомпьютера.

Это позволит математическими средствами создать интерферометр — телескоп с виртуальным зеркалом диаметром с нашу планету.

Пример 9.30. Страховой канат

Предложен страховочный канат переменной жесткости. Канат имеет петлю, которая соединена связкой, имеющей меньшую прочность на разрыв, чем у каната (рис. 9.11). При срыве человека рвется, прежде всего, связка, гася часть энергии падения.

Рис. 9.11. Страховочный канат

Пример 9.31. Провод 3 атома

Ученые из США, Германии и Мексики синтезировали провод на основе сульфида меди толщиной 3 атома. Это удалось сделать с помощью направленной самосборки, которая осуществлялась молекулярными фрагментами алмаза.

Если заменить медь на цинк, то структура будет обладать пьезоэлектрическими свойствами и может быть применена в умной одежде, вырабатывая электрический сигнал при деформации.

Пример 9.32. Предотвращение аварийных ситуаций надорогах

Разработана система интеллектуального предотвращения аварии Мобилай (Mobileye). Это система безопасности для предотвращения столкновений и сведения к минимуму их отрицательных последствий. Система определяет транспортные средства, полосы и разметки, пешеходов, постоянно измеряя и рассчитывая расстояния между автомобилем и другими пользователями дороги, и подавая предупредительные сигналы (рис. 9.12). Система работает и в ночное время.

Рис. 9.12. Система предотвращения столкновения Mobileye

Пример 9.33. Классная доска

Существует классная доска, на которой пишут мелом.

Основная ее функция — оставлять на доске изображения мелом.

Более общая функция — оставлять на доске изображения чем угодно.

Существуют классные доски, на которых пишут фломастерами.

Можно писать на больших листах бумаги, например, фломастером.

Затем появились доски, которые печатают на бумагу все, что изображено на доске.

Можно проектировать изображение на экран с помощью проектора, соединенного с компьютером.

Сегодня существуют электронные классные доски, представляющие собой сенсорный экран со встроенным компьютером, динамиками, веб-камерой, встроенной библиотекой, Интернетом. На них можно писать пальцем и передавать это изображение на другие компьютеры, кроме того, можно видеть и человека, пишущего на этой доске.

В данном примере объединены много различных систем в надсистему, в том числе системы со сдвинутыми характеристиками, например разные цвета, системы с противоположными свойствами, писать или оставлять изображение и стирать и т. д.

Пример 9.34. Окраска изделий

При окраске изделий распространяются вредные пары краски. С этой целью делают окрасочные камеры, которые защищают окружающее пространство от вредных испарений. Однако стенки камер быстро покрываются толстым слоем краски, требующие больших трудозатрат по их очистке.

Как предотвратить это?

Возникает противоречие: стены камеры должны быть, чтобы предотвратить окружение от вредных испарений, и не должны быть, чтобы их не очищать.

Испарения краски «оттягивают» с помощью водяных завес. Вода от завес стекает в бак, фильтруется и используется снова.

Пример 9.35. Скольжение лыжи

Способ повышения качества скольжения лыжи по снегу, отличающийся тем, что с целью снижения (уменьшения) коэффициента трения, возникающего при трении поверхности лыжи по поверхности снега, на скользящую поверхность лыжи индуцируют (наводят) от источника питания электростатический заряд одной полярности с трущейся поверхностью снега для создания однополярного электростатического поля, исключающего притяжение (прилипание) снега к плоскости лыжи.

Пример 9.36. Медицинский инструмент

Медицинский инструмент делается из материала с монокристаллической памятью формы.

Ортодонтические дуги обычно входят в пазы кронштейна (кронштейны прикреплены к зубам) для перемещения зубов в заранее определенные положения на основе ортодонтического плана лечения.

В начале 1980-х годов внедрение дуги из нитинола (NiTi) произвело революцию в ортодонтическом лечении за счет повышения эффективности, качества, а также опыта и удовлетворения пациентов. Благодаря использованию NiTi-дуги, время ортодонтического лечения значительно сократилось по сравнению с другими дугами из Au-Ni или нержавеющей стали

(рис. 9.13а)

Развертку корневого канала стали делать из нитенола, которая обеспечивает лучшую проходку коренных каналов (рис. 9.13б).

Рис. 9.13. Медицинские инструменты. Патент США 2013 0240092

Пример 9.37. Катамаран

Парусные катамараны — суда с двумя корпусами, что повышает их остойчивость (устойчивость) по сравнению с обычными однокорпусными яхтами.

Для увеличения маневренности расстояние между корпусами должно быть, как можно меньше, но это уменьшает остойчивость катамарана при большой волне.

Во время спокойной погоды корпуса катамарана должны находиться на небольшом расстоянии , а при шторме  — на большом расстоянии.

Корпуса должны иметь возможность раздвигаться и сдвигаться — быть динамичным. и изменяться в зависимости от состояния моря (штиль или волнение). Это может быть также полезно в узких проходах.

Соединение между корпусами сделали подвижное, которое может быть отрегулировано в зависимости от увеличенной маневренности (рис. 9.14, рис. 9.15.).

Это пример изменения структуры по условию (высота волны). Статическая система стала динамической.

Использование динамических связей.

Рис. 9.14. Катамаран. А. с. 524 728

1 и 2 — корпуса; 3 и 4 — шарнирные рычаги; 5 — шарнир; 6 — шток; 7 — силовой цилиндр; 8 — шарнир; 9 — платформа; 10 — колеса.

Рис. 9.15. Катамаран. А. с. 1 094797

1 и 2 — корпуса; 3‒6 — рычаги; 7‒10 — оси рычагов; 11 — телескопическая балка; 12 и 13 — наружная и внутренние выдвижные балки; 14 — трос; 17, 19, 20 — шкив; 18 — барабан лебедки крана.

Пример 9.38. Использование немецких патентов

После второй Мировой войны американцы попытались использовать немецкие патенты в области химии, но столкнулись с тем, что многие процессы протекают не так, как описано в патентах. Более того, при попытке осуществить некоторые из них происходили взрывы. Оказалось, что важная информация при патентовании была скрыта.

Пример 9.39. Память наоснове фазового перехода

Компании Intel, Samsung, Micron и др. разрабатывают новый тип памяти — память с фазовым переходом (PhaseChangeMemory, PCM). Она работает на принципе обратимого фазового перехода «аморфное — кристаллическое» состояние — эти состояния соответствуют «низкому» и «высокому» уровням обычных ячеек флэш-памяти. Локальные структурные трансформации в наноразмерном слое материала осуществляются за счет электрического импульса или импульса света. Ожидается, что эти устройства будут существенно превосходить по плотности записи, надежности и быстродействию флэш-память с плавающим затвором при существенно меньшей стоимости.

Пример 9.40. Электромагнитное воздействие на скважину

Применяется для увеличения объема откачиваемого флюида, повышения коэффициента извлечения нефти, ее дебита, а также для уменьшения выпадения на элементах скважинного пространства естественных гидратных и гидрато-углеводородных отложений. Способ заключается в размещении в основании погружного электродвигателя электроцентробежного насоса устройства с излучателем и управляемым генератором для создания электромагнитного волнового поля во внутрискважинном пространстве, причем излучение электромагнитного волнового поля обеспечивают на резонансной для внутрискважинного пространства частоте, предварительно определяемой из имеющегося практического опыта или результата моделирования, или в процессе тестирования, причем процесс тестирования осуществляют с заданной периодичностью, а в периоды времени между тестированием генератор переводят в режим резонансной частоты, определяемой в процессе тестирования для формирования излучателем стоячих электромагнитных волн, которые распределяют волновую энергию во всем скважинном пространстве.

Пример 9.41. Разгрузка цистерны

Для слива из цистерны загустевшей жидкости ее всю разогревают.

Вязкая жидкость у стенок цистерны опасно перегревается, а в глубине остается холодной.

Предложено вынести нагреваемый участок наружу — часть жидкости разогревают в небольшой емкости и насосом подают в цистерну. Горячая струя под напором размывает и перемешивает холодную вязкую массу. Затем цикл повторяется.

В результате весь объем цистерны прогревается быстрее и с меньшими потерями тепла.

Пример 9.42. ДНК-компьютер

В 2002 г. исследователи из Института Вейцмана в Реховоте представили программируемую молекулярную вычислительную машину, состоящую из ферментов и молекул ДНК вместо привычных кремниевых микрочипов. 28 апреля 2004 г., Эхуд Шапиро, Яаков Бененсон, Биньямин Гиль, Ури Бен-Дор и Ривка Адар объявили в журнале Nature, что они построили ДНК-компьютер с модулем ввода-вывода данных, который теоретически способен диагностировать раковые опухоли на клеточном уровне и выпускать противораковые препараты после постановки диагноза. Этот компьютер был занесен в Книгу рекордов Гиннеса как самое маленькое биологическое вычислительное устройство на планете.

Пример 9.43. Прерыватель выступления

Японские исследователи из Национального института развития промышленных наук и технологии в Цукубе и Университета Оханомизу создали аппарат SpeechJammer, в основе которого лежит известный психологический феномен: если каждое произнесенное человеком слово точно повторяется с интервалом в долю секунды, оратор оказывается в замешательстве. Соответственно «затыкатель выступления» представляет собой простую конструкцию: микрофон, фиксирующий произнесенное, звукозаписывающее устройство, сохраняющее последние несколько секунд речи, и громкоговоритель, дублирующий звук с запаздыванием в доли секунды (0,1—0,3 с). Микрофон и динамик — узконаправленные.

Данная аппаратура не действует против толпы. Против одиночного оратора она наиболее эффективна, если человек читает речь «по бумажке», а не говорит самостоятельно. Устройство совершенно не действует на людей, которые произносят бессмысленные фразы (поэтому будет бессильно против некоторых политиков).

Пример 9.44. Глушение шума

Для глушения шума, а также для улавливания испарений, запахов и стружек при резании зону резания покрывают пеной. Пена проницаема для инструмента, но непроницаема для шума, испарений и т. д.

В этом патенте используются особые свойства пены, обусловленные решающим влиянием сил поверхностного натяжения на механические свойства этой двухфазной системы. Именно они позволяют пене удерживать постоянную форму (что является свойством твердого тела), оставаясь проницаемой для инструмента (это свойство жидкости). В этом случае газовые пузырьки выполняют транспортную функцию, формируя и удерживая большие поверхности жидкости.

Пример 9.45. Одноатомный провод

Одноатомные материалы нестабильны, так как атомы стремятся организоваться в другие конфигурации.

Исследователи из Кембриджского и Уорикского университетов решили поместить атомы теллура в однослойную углеродную нанотрубку с диаметром, несколько превышающим диаметр металлической цепочки. Нанотрубки были выбраны из-за небольшого диаметра и относительной химической инертности. Из-за взаимодействия электронов теллура с электронами углерода нанотрубок он менял свои свойства с полупроводниковых на металлические.

Пример 9.46. Тепловое расширение

Нежелательное тепловое расширение компонентов, изготовленных из армированных углеродным волокном пластмасс, может быть компенсировано изменением структуры слоев.

При необходимости также можно компенсировать тепловое расширение соседних металлических компонентов.

Пример 9.47. Компенсация электромагнитных излучений

Создано устройство, нейтрализующее определенный диапазон частот электромагнитных волн (42—68 ГГц). Этот диапазон наиболее опасен для человека. При попадании в зону неблагоприятного излучения в приборе возникает мощная наведенная противоэлектродвижущая сила, направленная на затухание неблагоприятного излучения. В зоне действия устройства (1 м) практически полностью гасится вредное излучение сотового телефона.

Пример 9.48. Компьютернаяпрограмма для цифровой печати

Благодаря появлению цифровой печати стало возможным печатать документы или книги по требованию (print on demand — POD). Печатается столько документов, сколько их заказали в данный момент, причем с очень хорошим качеством. Это позволяет избавиться от складов и от неликвидов. Кроме того, документ печатается в том месте, где он требуется. Таким образом, отпадает необходимость в транспортировке на значительные расстояния больших объемов готовой продукции.

При такой печати очень критично, чтобы печатающая машина не простаивала в ожидании, когда программа успеет подготовить ей очередной лист для печати.

С этой целью поступивший на печать документ предварительно обрабатывают и записывают в буферную память. Объем такой памяти ограничен и его не хватает для записи больших документов, например книг.

В этом случае документ предварительно обрабатывается и определяются повторяющиеся места, они и записываются в буферную память. Как правило, они занимают немного места в памяти компьютера. Эти записи вызываются в момент, когда они необходимы для печати. Таким образом часть процесса обработки информации выполняется заранее, что позволяет сократить общее время печати.

Пример 9.49. Фотографирование

Выставление диафрагмы и выдержки при фотографировании, обработка фотопленки (химические вещества для ее проявления, бочки для проявления, кюветы, увеличитель и другое оборудование) заменены программой.

Пример 9.50. RGB пиксели

При разработке цветной фотографии возник вопрос: как представлять все цвета и оттенки? Британский физик Джеймс Клерк Максвелл предложил аддитивный синтез цвета как способ получения цветных изображений. Он предложил все цвета составлять из трех цветов: красного (Red), зеленого (Green) и синего (Blue) — аббревиатура RGB. Эта модель получила широкое применение при любых изображениях цвета.

На дисплее один пиксель состоит их трех суперпикселей. За счет изменения интенсивности каждого из суперпикселей можно получить миллионы различных оттенков. Однако каждый пиксель занимает в три раза больше места.

Ученые из Университета Центральной Флориды создали технологию использования только одного пикселя, который меняет свой цвет в зависимости от приложенного напряжения.

Основу пикселя составляет подложка, по форме напоминающая упаковку для яиц, покрытая слоем алюминия. На ней находятся поляризатор и прозрачный электрод. Между подложкой и верхним слоем расположены жидкие кристаллы, ориентацию которых можно менять, подводя напряжение к электроду. Верхний слой жидких кристаллов всегда направлен параллельно поляризатору из-за взаимодействия с ним.

Изменение цвета происходит путем облучения пикселя светом, попадающим на подложку и частично поглощаемым. Непоглощенный свет отражается и выходит из пикселя. Изменяя напряжение на электроде, меняет ориентацию жидких кристаллов и вследствие этого — поляризацию поданного на подложку света, изменяя тем самым цвет (рис. 9.16).

Рис. 9.16. RGB пиксели

Пример 9.51. Изгородь

В ограждении для домашнего скота используют пьезоэффект. Провода ограждения соединяют пьезоэлементами. При толкании животным провода ограды увеличивается его натяжение, пьезокерамика вырабатывает электрический импульс, который отпугивает животных.

Пример 9.52. Измерение поверхностного натяжения

Поверхностное натяжение жидкости определяют путем набора определенного количества жидкости в трубку и выяснения, сколько капель жидкости вылилось.

Таким образом, в этом способе использовали силу гравитации .

Имеются способы определения поверхностного натяжения по силе отрыва кольца или пластины от поверхности испытуемой жидкости.

В данном способе используют механические силы — силу натяжения.

Известен способ определения поверхностного натяжения по максимальному давлению, при котором вытесняется одна капля из капиллярной трубки.

Это пример использования механических сил — силы давления.

На следующем этапе развития способа определения поверхностного натяжения стали использовать центробежные силы.

Капиллярную трубку раскручивают в центрифуге и определяют, при какой скорости вращения происходит отрыв капли жидкости от капилляра.

Можно предложить использовать электромагнитное поле (магнитные или электрические силы) .

В испытуемую жидкость ввести небольшое количество мелкодисперсных ферромагнитных частиц, поместить эту смесь в неферромагнитный капилляр и воздействовать на конец капилляра магнитным полем (электромагнитом). Определяют силу тока, подаваемого на электромагнит, в момент отрыва капли жидкости.

Можно зарядить жидкость электрическим зарядом и к концу капилляра подавать противоположный заряд. По силе тока в момент отрыва капли от капилляра судят о силе поверхностного натяжения.

Метод бегущих волн.

Пластину, лежащую на поверхности испытуемой жидкости, возмущают определенной частотой. По пластине распространяется волновой пакет (цуг волн). Кювету освещают импульсным источником света с частотой равной частоте возмущения. Картину проектируют на экран, где появляется стоячая волновая картина. Измеряют длину волны и определяют величину поверхностного натяжения.

Это пример использования оптического поля .

Пример9.53. Микро-робот

Инженеры из Университета Ватерлоо изобрели летающего микроробота. Для перемещения из одной точки пространства в другую он использует магнитные поля Земли. Этот микроробот весит 0,83 грамма. Робот оснащен несколькими крошечными электромагнитами, создающими вокруг робота трехмерное параболическое магнитное поле.

Пример 9.54. Слуховой аппарат

Уменьшение шума в слуховом аппарате подавлением шума обеспечивается, главным образом, в диапазоне частот, в котором у слабослышащих наблюдается наименьшая потеря слуха или лучший слух.

Пример 9.55. Катушка полупроводник‒металл

Устройства катушки раскрыты для использования в электрических цепях. Примерный блок катушки содержит жесткую подложку, имеющую электрически непроводящую трехмерную (3D) поверхность (рис. 9.17).

Рис. 9.17. Катушка индуктивности. Патент США 8 723 286

По меньшей мере, одна трехмерная катушка (например, в виде спиральной катушки) из полупроводникового материала формируется на поверхности подложки. Хотя бы на одной катушке полупроводникового материала размещена трехмерная катушка из проводящего металла. Катушка из проводящего металла расположена достаточно близко к одной катушке из полупроводникового материала для катушки из проводящего металла для создания кулоновского сопротивления в, по меньшей мере, одной катушке из полупроводникового материала, когда катушки являются проводниками электронов с малой массой. Полупроводниковый материал может быть фотопроводником или другим материалом, который имеет проводящие электроны малой массы.

Пример 9.56. Аккумуляторная батарея

Аккумуляторная батарея для получения слабого электрического тока содержит два металлических электрических проводника, размещенных в пространстве на минимальном расстоянии друг от друга, и разделяющую их пленку. Пленкой покрывается отрицательная электродная подложка. Чем тоньше пленка, тем больше разность потенциалов, которая создается между положительной и отрицательной электродными подложками. Это может также предотвращать окисление отрицательной электродной подложки. Пленка может являться осмотической мембраной, мембраной для обмена протонами или пористой пленкой, покрывающей отрицательную электродную подложку с помощью процесса конверсии покрытия.

Положительная электродная подложка является водопоглощающим электрическим проводником с малым потенциалом, активирующим или ионизирующим воду. Отрицательная электродная подложка является электрическим проводником с высоким потенциалом. Осмотическая пленка, покрывающая отрицательную электродную подложку, пропускает только лишь ионы водорода, добавку, которая активирует или ионизирует воду, и воду, запас которой постоянно пополняют для осуществления регенерации и снабжения электричеством. Это позволяет положительной электродной подложке активизировать или ионизировать воду, используя ионы воды для электрической передачи в аккумуляторной батарее.

За счет пленки, размещенной между двумя металлическими электрическими проводниками, вырабатывается разность потенциалов, которая увеличивается более чем в десять тысяч раз по сравнению с той ее величиной, которая существует при двух контактирующих друг с другом металлических электрических проводниках.

Добавкой является нанокерамика с инфракрасным излучением или анионный наноматериал. Наноматериал имеет квантовый эффект, высокую поверхностную активность и переменные химические характеристики, которые отличаются от тех, которыми обладает обычный материал (рис.9.18).

Изложены варианты выполнения электродных подложек, пленки и добавок.

Рис. 9.18. Аккумуляторная батарея. Патент РФ 2 303 840

1 — положительная электродная подложка; 2 — отрицательная электродная подложка; 1а, 2а — удаленные концы электродных подложек; 3 — планка; 4 — оболочка; 4а — впуск для приема воды; 9 — добавка, активизирующая и ионизирующая воду.

Пример 9.57. Кромка ковша

Ковш экскаватора имеет сплошную режущую кромку из твердой стали. Даже если изношена или повреждена только часть кромки, ее приходится заменять целиком, а это трудоемкая операция, требующая съема ковша с экскаватора, что вызывает его простои.

Предложено «раздробить» кромку — сделать ее из отдельных съемных секций.

Это позволяет быстро и удобно менять поврежденные или износившиеся участки (рис. 9.19).

Рис. 9.19. Кромка ковша. А. с. 168 195 1 — съемная секция режущей кромки.

Пример 9.58. Автомобиль—катер

Спортивный автомобиль превращается в скоростной катер нажатием кнопки (рис. 9.20). Машина развивает на суше скорость до 180 км/час, в плавучем варианте разгоняется до 50 км/час. Амфибия оснащена двигателем мощностью в 175 л.с. и имеет запас хода без дозаправки в 80 км.

Рис. 9.20. Автомобиль—катер

Это пример объединения неоднородных альтернативных систем (машины и катера).

Пример 9.59. Тепловой двигатель

Непрерывное одностороннее вращение пористого ротора осуществляется за счет капиллярных сил и гравитации, создающей момент вращения.

Двигатель состоит из корпуса, в который вставляется емкость с водой, на корпусе закрепляется ротор, вращающийся вокруг горизонтальной оси. Ротор разделен на сектора, выполненные из КПМ. Сектор имеет тангенциально расположенный отросток, односторонне направленный. Все секторы равномерно расположены по окружности ротора, а отросток расположен под соседним сектором. Периодически каждый из отростков погружается в воду. За счет капиллярных сил вода поступает в сектор, который становится тяжелее и создает момент вращения. Температура воздуха, окружающая ротор, больше температуры воды. Это увеличивает скорость движения жидкости за счет термокапиллярного эффекта и жидкость в капиллярах испаряется. Таким образом создается вращение ротора, до тех пор, пока уровень жидкости в емкости достаточен, чтобы отросток мог быть погружен в воду (рис. 9.21).

Рис. 9.21. Тепловой двигатель. А. с. 1 455 040

1 — корпус; 2 — емкость; 3 — вода; 4 — ротор; 5 — сектор из КПМ; 6 — отросток; 7 — ось

Пример 9.60. Внутрикостный имплантат

Внутрикостная часть имплантата выполнена в виде S-образной ленты с памятью формы.

Преимуществом имплантатов из никелида титана является высокая первичная стабильность, обеспечивающаяся срабатыванием эффекта термомеханической памяти формы с фиксацией активных элементов в костной ткани. Вторым качеством являются упруго-механические свойства нитинола, близкие к таковым у костной ткани, что делает возможным включение в протез наряду с имплантатами естественных зубов.

Перед установкой имплантат охлаждается, например хлорэтилом. Активные элементы имплантата делают форму удобной для введения при установке в костное ложе до плотной посадки. Нагреваясь, активные элементы имплантата восстанавливают свою первоначальную S-образную форму, при этом активные элементы продавливаются в костную ткань, за счет чего обеспечивается прочное сцепление имплантата с костью (рис. 9.22).

Рис. 9.22. Внутрикостный имплантат с памятью формы.

Патент РФ 2 513 690

1 — опорная головка; 2 — внутрикостная часть; 3 — пришеечная часть; 4, 5 — активные элементы; 6 — граница закругления.

Пример 9.61. Телескоп

Телескоп Максутова, объединяет линзовые и зеркальные оптические системы. У каждой из этих систем есть свои погрешности, когда эти системы были объединены, то погрешности взаимно компенсировали друг друга.

Пример 9.62. Подъем затонувших судов

Раньше подъем затонувших судов осуществлялся путем прикрепления к корпусу металлических цистерн (понтонов), наполненные водой. Воду вытесняли сжатым воздухом, они всплывали, увлекая за собой корабль. Это была трудоемкая, длительная операция.

Затем были попытки герметизировать затонувшее судно, его закачивали воздухом. Работа по герметизации требовала больших усилий.

В дальнейшем в затонувшее судно стали закачивать по трубопроводу водонепроницаемые шарики пенополистирола. Этот способ не требовал герметизации судна, но шарики скапливались под потолком трюма и при подъеме судна в случае качки легко смещались к одному борту — опасность новой аварии в этом случае очень велика.

Также для этих целей в судно пробовали закачивать полиуретановую пену. Она вытесняет всю воду, быстро затвердевает и прикрепляется к переборкам судна. Пена автоматически заделывает все мельчайшие отверстия и трещины. После подъема эта пена легко удаляется. Такой способ позволяет поднимать суда даже при сильном волнении на море.

Этот принцип может быть использован и для спасения летательных аппаратов, затонувших в результате аварии. Подробная история подъема затонувших кораблей описана в книге Джозефа Н. Горза.

Возник вопрос: как предотвратить закупоривание шланга, по которому подается пена, пенопластом?

Значит, пена должна образовываться непосредственно в затонувшем судне или в сопле, из которого она выходит.

Для этого разделили пенообразующее вещество на два основных компонента, которые доставляются в отдельных цистернах. Они подаются по шлангам. В конце шланги соединяются в насадке и подогреваются для получения вспененной пластмассы (рис. 9.23).

Рис. 9.23. Подъем затонувших кораблей. Патент США 3 057 694

В дальнейшем это устройство совершенствовалось, например, в патентах (рис. 9.24, 9.25).

Рис. 9.24. Подъем подводных объектов. Патент США 3 269 342

Рис. 9.25. Устройство для подъема затонувших судов. А. с. 965 894

1, 2 — емкости компонентов; 3 — смесительное устройство; 4, 5 — шланги; 6 — электрический подогреватель; 7, 8 — насосы подачи компонентов; 9, 10 — промывочные насосы.

Пример 9.63. Концентрация солнечной энергии

Концентрация солнечной энергии осуществляется с помощью зеркал, как правило, гиперболической формы. В фокусе гиперболоида расположена емкость, заполненная жидкостью, например синтетическим маслом, которое нагревается до 400 °С. Эта жидкость поступает в теплообменники, превращая воду в пар высокого давления, поступающий на турбину, которая вырабатывает электроэнергию.

В данном примере концентрация энергии осуществляется за счет использования геометрического эффекта — гиперболоида, и осуществлен переход от объема к точке.

Пример 9.64. Измерение магнитного поля

Напряженность магнитного поля измеряют с помощью магнитной жидкости.

Измерительное устройство — это сосуд с магнитной жидкостью, в которой плавает немагнитный стержень с нанесенной на него шкалой (рис. 9.26).

Рис. 9.26. Измерение магнитного поля. А. с. 373 669

Сосуд вносят в магнитное поле, псевдоплотность жидкости пропорционально возрастает, стержень выталкивается, и поверхность жидкости указывает на его шкале величину напряженности поля.

Пример 9.65. Судно с убирающимися подводными крыльями

Во Франции изобрели судно с самостоятельно убирающимися подводными крыльями.

На малой скорости кронштейны и крылья, обладающие положительной плавучестью, сами укладываются в ниши на корпусе. На большой скорости носовое крыло удерживается в отведенном состоянии тягой двигателя, а кормовые — силой сопротивления (рис. 9.27).

Рис. 9.27. Убирающиеся подводные крылья.

Заявка Франции 2 464 176

Пример 9.66. Источник света, не потребляющий электроэнергию

Компания Sharp выпустила светильник SharpLumiwall, не потребляющий электроэнергию. Он работает на солнечной энергии.

SharpLumiwall — это стекло с солнечными панелями (они располагаются с внутренней стороны стекла). Одновременно это стекло является источником света.

В течение дня SharpLumiwall с помощью солнечных панелей преобразует солнечный свет в электрическую энергию, накапливает ее (само стекло в течение дня становится матовым), а ночью ее расходует, при этом являясь интересным и оригинальным пространственным источником света.

Пример на накопление энергии.

Пример 9.67. Подавление шумов

Один из способов погашения шумов. Шумы улавливаются микрофоном, инвертируются и подаются обратно такой же амплитуды. Сигналы складываются и уничтожают друг друга.

Пример 9.68. Защита от царапин

Чтобы защитить от царапин и повреждений дверцы автомобиля, открываемые на тесной стоянке, и при этом не портить внешний вид автомобиля, компания Форд разработала выдвигаемый при открывании дверцы защитный протектор. При закрывании дверцы протектор складывается в специальную нишу, причем процесс занимает по времени 60 миллисекунд (то есть он срабатывает даже в том случае, если быстро хлопнуть дверцей).

Пример 9.69. Узкополосная система связи

Большинство традиционных радиотехнических систем являются узкополосными — т. е. работают в полосе частот, много меньшей, чем их несущая частота.

В узкополосных системах связи передача информации осуществляется за счет модуляции синусоидального электромагнитного колебания. Фактически для передачи информации необходим некий несущий гармонический сигнал, выполняющий функцию транспорта для доставки информации. Однако сам по себе гармонический сигнал не несет никакой полезной информации, а только расходует энергию. Как быть?

Несущий сигнал предварительно подвергают модуляции, таким образом он передает данные. Процесс модуляции как раз и заключается в том, чтобы закодировать в исходном несущем сигнале необходимую информацию.

Несущий сигнал сам передает информацию, тем самым происходит увеличение концентрации информации за счет устранения лишних операций.

Пример 9.70. Сверхбыстрое фэнтези

Для повышения качества киноизображения, особенно при съемке быстрых движений или при быстром перемещении камеры, начинают использовать аппаратуру, снимающую и показывающую со скоростью 48 кадров в секунду (в 2 раза быстрее обычных 24 кадров в секунду). В перспективе рассматривается возможность увеличения скорости до 60 или до 72 кадров в секунду. Однако частота 60 кадров в секунду не кратна 3D-проекторам, которые могут работать с частотой до 144 Гц. Поэтому для обеспечения синхронизации необходимо будет на уже установленных в кинотеатрах проекторах изменять прошивки. Но, скорее всего, будет выбран ряд частот, кратный с частотой 144 Гц, то есть 48 или 72 кадра в секунду.

Пример 9.71. Бурение мерзлого грунта

Бурение мерзлого грунта вызывает затруднения.

Предложено производить бурение инструментом, через который после внедрения в землю импульсами подают сжатый газ. Причем импульсы различаются: первым — мощным и коротким — создают полость около выхлопного отверстия, а вторым — более длинным, но менее мощным — выбрасывают грунт на поверхность.

За счет динамизации повышается производительность бурения.

Пример 9.72. Микрокапсулы

Для направленной подачи смазочно-охлаждающих технологических средств к зоне контакта взаимодействующих металлических поверхностей в оболочку микрокапсул вводят ферромагнитные вещества. Микрокапсулы направляют магнитным полем.

Пример 9.73. Раковая клетка

В США разработана техника удаления раковых клеток из костного мозга.

Для этого костный мозг удаляют из тела и смешивают его с синтетическим (клонированным) антителом и магнитными бусинками размером 4,5 мкм. Антитело связывает бусинку и раковую клетку, после чего комплекс удаляют из смеси магнитом, а остаток — очищенный мозг — возвращается хозяину. Достигнута очистка на 99,997%, есть надежда добиться очистки на 100% (Университет Нью-Гемпшир, город Дарем, США).

Пример 9.74. Перелистывание страниц

Компания Apple запатентовала эффект перелистывания страниц на экране планшета или электронной книги (рис. 9.28).

Рис. 9.28. Перелистывание страниц. Патент США D670 713

Пример 9.75. Виды воздействия

В сложных технологических процессах виды и режимы обработки меняются в зависимости от свойств, которые необходимо получить, от состояния и вида объекта и т. д.

В медицине виды и продолжительность воздействия на больного зависят от его состояния.

Воздействия автоматически изменяются в зависимости от изменения определенных показателей состояния больного.

Пример 9.76. Динамики

Часто на разных участках пространства требуется передавать через динамики разную информацию. Эта ситуация встречается в выставочных залах и других больших помещениях. Если передавать различную информацию через динамики, развешенные в разных местах зала, то возникнет явление реверберации (наложение одних волн на другие), речь станет неразличимой и будет только шум.

В Японии разработана аппаратура, накладывающая сигнал голоса дикторов на несущие ультразвуковые колебания, излучаемые динамиками. В каждый участок пространства направлено два динамика. Они излучают два направленных противофазных ультразвуковых луча. Лучи пересекаются в нужной зоне зала. Несущая (ультразвуковая) частота уничтожается, а остается только голос диктора.

Этот же принцип используется при радиопередаче. Несущая частота в радиоприемнике уничтожается, и остается только нужный сигнал.

Пример 9.77. Лазерное разделение изотопов

Молекулы, содержащие различные изотопы, имеют различные энергии возбуждения. Облучив смесь лазерным лучом строго определенной длины волны, можно ионизировать только молекулы с нужным изотопом, после чего разделить изотопы с помощью магнитного поля. По сравнению с широко распространенным газовым центрифугированием лазерная сепарация имеет низкие энергопотребление и стоимость и высокую степень обогащения (используется для получения малых количеств сверхчистых изотопов), однако существуют проблемы с производительностью, с ресурсом лазеров и отбором обогащенного материала без остановки процесса. Данную технологию SILEX, разработанную специалистами из ЮАР и Австралии, сейчас пытается коммерциализировать компания General Electric.

Пример 9.78. Ласты

При различных условиях плавания под водой (скорости и длительности) необходимы разные по упругим свойствам ласты.

Предложено создать в ласте замкнутые продольные полости, заполненные жидкостью, давление которой, по необходимости, можно регулировать на берегу или под водой.

Произведена динамизация — можно регулировать упругость ласты оптимально в соответствии с реальными условиями плавания (рис. 9.29).

Рис. 9.29. Ласта. А. с. 317 390

Пример 9.79. Гибкая батарея

Компания LG Chem представила гибкий литий-ионный аккумулятор в виде провода диаметром несколько миллиметров, который может гнуться в любом направлении и завязываться в узлы. Такая конструкция работает, поскольку анод и катод выполнены в виде пустотелой гибкой пружины, окруженной изолирующим слоем, с сердцевиной, заполненной электролитом. Такой аккумулятор обладает большей плотностью энергии, чем гибкие полимеры. На испытаниях плеер iPodShuffle работал 10 часов от 25-сантиметровой гибкой батареи.

Пример 9.80. Магнитный пенный датчик

Датчик предназначен для определения степени сжатия пористых материалов.

Магнитный пенный датчик содержит основной корпус с северным и южным магнитными полюсами. Упруго деформируемый корпус выполнен из пены, в которой распределены жесткие магнитные частицы. Магнитный датчик расположен в оболочке.

Между корпусом и магнитным датчиком помещен немагнитный сжимаемый слой (рис. 9.30).

Степень сжатия определяют по плотности магнитного потока, которая резко уменьшается с увеличением расстояния от магнита.

Магнитный датчик измеряет вертикальную составляющую плотности магнитного потока и может быть, в частности, выполнен в виде датчика Холла.

Рис. 9.30. Магнитный пенный датчик. WO 2011/029575

1 — корпус; 2 — северныймагнитный полюс; 3 — южный магнитный полюс; 4 — магнитные частицы; 5 — магнитный датчик; 6 — поры; 7 — круглое основание; 8— немагнитный сжимаемый слой; 9 — концентратор потока; 10 — оболочка.

Пример 9.81. Беспроводная зарядная система

Система содержит зарядную станцию с излучателем и приемник потребителя электрической энергии, выполненные с катушками, работающими с использованием обратной связи.

Катушка излучателя представляет из себя резонатор со стоячей волной в виде резонансного трансформатора Теслы.

Пример 9.82. Контактная точечная сварка

Автоматическое управление термическим циклом контактной точечной сварки основано на измерении термоэлектродвижущей силы, которую измеряют в паузах между импульсами сварочного тока.

Пример 9.83. Определение износа инструмента

При сверлении глубоких отверстий сверло может изнашиваться не только по задней кромке, но и по калибрующей ленточке, что приводит к снижению качества отверстия (диаметр обрабатываемого отверстия оказывается меньше заданного).

О степени износа калибровочной ленточки сверла судят по амплитуде колебаний по время сверления.

Износ инструмента определяют по разности экстремальных значений амплитуд колебаний в момент врезания инструмента в заготовку и его калибрующей ленточки.

Процесс врезания инструмента в заготовку начинается в момент времени Т1 (рис. 9.31).

Рис. 9.31. График изменения амплитуды колебания в зависимости от времени обработки. А — амплитуда колебаний; Т — время обработки.

1 — кривая изменения колебаний при начальной степени износа; 2 — кривая при предельном износе инструмента по калибрующей ленточке.

Амплитуда колебаний принимает минимальное значение, определяемое демпфированием колебаний в момент касания инструментом заготовки. При дальнейшем врезании режущей части инструмента в заготовку амплитуда колебаний увеличивается за счет возрастания сил резания, определяемых постепенно увеличивающейся шириной срезаемого слоя. При полном врезании режущей части инструмента, когда она обрабатывает всю ширину среза, рост сил резания прекращается. При этом амплитуда колебаний достигает максимального значения Т2 и начинает монотонно уменьшаться. Временной интервал Т1 и Т2 соответствует длительности процесса врезания режущей части инструмента в заготовку. В момент врезания в заготовку калибрующей ленточки возрастают силы резания и увеличивается амплитуда колебаний вплоть до появления еще одного максимума Т4. Временной интервал Т2 — Т4 соответствует длительности процесса врезания калибровочной ленточки (кривая 1 — начальная степень износа) и Т2 — Т6 (кривая 2 — предельная степень износа). Этот временной интервал пропорционален величине износа инструмента по калибровочной ленточке.

Однако использование этого интервала времени в качестве оценки степени износа инструмента по калибрующей ленточке в условиях изменения режимов резания, например подачи инструмента, приводит к погрешности контроля, так как эта величина зависит от подачи инструмента.

Для исключения этого влияния сравнивают интервалы Т2—Т4 с Т2—Т6, например, в виде отношения этих величин.

Пример 9.84. Резка стекол

Для повышения эффективности резки стекла делают надрез на его поверхности и подают на стекло акустические колебания, с частотой, равной частоте собственных колебаний стекла. Стекло намного быстрее и точнее режется.

Пример 9.85. Качество сварного шва

Качество сварного шва улучшается, если перемешивать расплавленный металл в сварочной ванне (зоне плавления). Перемешивание осуществляют вращающимся магнитным полем с частотой, совпадающей с частотой собственных колебаний сварочной ванны. В процессе сварки параметры (размеры и масса) сварочной ванны меняются, а значит, меняется и собственная частота ванны.

Предложено улавливать спектр электромагнитных волн, генерируемых самой ванной. Этот спектр частот определяет частоту вращения магнитного поля.

Пример 9.86. Инъекционный аппарат

Профессор MIT IanHunter разработал инъекционный аппарат для введения лекарства сквозь кожу без игл.

Небольшой мощный магнит приводит в действие поршень, который выбрасывает лекарство со скоростью 314 м/с. Тонкая струя лекарства проникает прямо под кожу, а пациент ничего не чувствует (рис. 9.32).

Рис. 9.32. Инъекционный аппарат

Пример 9.87. Воздействие на человека

Давно замечено, что низкие частоты отрицательно влияют на человека и даже могут убить его. Это свойство использовали для создания психотропного оружия.

Многие органы человеческого тела имеют довольно низкие резонансные частоты: голова — 20—30 Гц, вестибулярный аппарат — 0,5—13 Гц, руки — 2—5 Гц, а сердце, позвоночник, почки имеют общую настройку на частоту около 6 Гц.

Во Франции изобретен свисток для разгона демонстраций. В пятимильной зоне люди чувствуют во всем теле сильную болезненную вибрацию.

В США созданы инфразвуковые «прожекторы», которые создают в атмосфере акустические волны, способные повредить зрение, вызвать тошноту, страх… Это новый вид психотропного оружия. На этих частотах звук легко проникает сквозь бетонные и металлические преграды. Можно предположить, что этот вид воздействия доведен до совершенства и для разных целей воздействует на разные участки тела, изменяя частоту воздействия.

Пример 9.88. Рука-манипулятор

В США, в Национальной лаборатории Sandia, входящей в концерн Локхид Мартин, разработали роботизированную руку-манипулятор SandiaHand, главная особенность которой заключается в том, что пальцы присоединяются с помощью магнитных сил (рис. 9.33). Такие пальцы легко отделять и ставить на место, также легко заменять при повреждениях. Вместо пальцев таким же образом можно присоединять инструмент, фонарик или что-то аналогичное.

Рис. 9.33. Рука-манипулятор Sandia Hand

Пример 9.89. Борьба с обледенением

Инфракрасный свет используют для борьбы с обледенением. Он имеет длину волны, которая особенно хорошо поглощается молекулами снега и льда.

Пример 9.90. Радиоаппаратура

Чтобы ликвидировать вредные воздействия отдельных блоков радиоаппаратуры, предварительно согласовывают частоты их работы.

Пример 9.91. Троллейбусы без проводов

Новая разработка израильского оборонного концерна Elbit — «суперконденсатор», создававшийся изначально для оборонных нужд, имеет все шансы произвести революцию в общественном транспорте по всему миру. Пилотный проект, получивший название Electric Urban Public Transportation, будет осуществляться под эгидой национального управления по разработке альтернатив использования нефтепродуктов в транспорте. «Cуперконденсатор» изначально разрабатывался под электромагнитную пушку, требовавшую мгновенного выброса и накопления большого количества энергии. В итоге концерн создал не имеющий аналогов в мире мобильный источник энергии: коробка объемом 26 кубических сантиметров выдает ток в 10 000 ампер. В гражданском применении технология позволяет троллейбусу или трамваю двигаться без необходимости в проводах. Транспорт, оснащенный «суперконденсатором», подключается к электросети исключительно во время остановки, пока принимает пассажиров (рис. 9.34). Это не только значительно удешевляет проекты по запуску и обслуживанию транспорта на электрической тяге, позволяющие отказаться от загрязняющих атмосферу автобусов, но и дает возможность избавиться от проводов, являющихся серьезной проблемой для городов.

Рис. 9.34. Electric Urban Public Transportation — троллейбусы без проводов

Пример 9.92. Свисток для собак

В определенных условиях человек должен давать собаке различные команды так, чтобы их не слышал другой человек. Придуман «свисток», который излучает сигналы на высокой частоте, которые не может различить ухо человека, но собака слышит их.

Пример 9.93. Ультразвуковые исследования

При ультразвуковых исследованиях внутренних органов человека сигнал искажается на границе разделения сред, которая происходит при контакте излучателя с кожей. Чтобы избежать искажения, кожу покрывают гелем и излучатель погружают в него.

Пример 9.94. Определение отека легких

Чтобы предотвратить отек легкого, необходимо знать количество жидкости, содержащейся в легких. Осуществлялось это при помощи определения электрического сопротивления. Для этого ставили один электрод на груди и один на спине. Подавая на электроды малый ток, определяли сопротивление. Так как сопротивление кожи почти в 20 раз больше, чем сопротивление легких, то определить изменение сопротивления в легких было практически невозможно. Кроме того, сопротивление кожи изменяется по разным причинам.

Профессор Павел Рабинович из Израиля предложил ставить с каждой стороны по три электрода. Это позволило при измерении вычесть составляющую кожного измерения и измерять только изменение сопротивления легких.

Пример 9.95. GPRS

GPRS — пакетная радиосвязь общего пользования. При использовании GPRS информация собирается в пакеты и передается через неиспользуемые в данный момент голосовые каналы. Такая технология предполагает более эффективное использование ресурсов сети GSM. При этом что именно является приоритетом передачи — голосовой трафик или передача данных, ‒выбирается оператором связи.

Пример 9.96. Помощь пилотам

Для помощи пилотам при взлетах и посадках в сложных погодных условиях (облачность, туман и пр.) предлагается объединять данные радаров, телевизионных и инфракрасных камер, а также датчиков спутниковой навигации, которые после обработки на компьютере позволят отображать на дисплее реальную окружающую обстановку.

Пример 9.97. Телегазета

С экрана телевизора можно прочесть телегазету. Для этого не используется специальный канал. Информация, несущая текст газеты, распределяется между сигналами телепрограммы. Специальная приставка позволяет прочесть текст газеты слитным. В современных телевизорах такая «приставка» встроена внутри.

Пример 9.98. Сверхширокополосные сигналы

В узкополосных системах чем выше скорость модуляции, тем больше ширина спектра результирующего сигнала.

Как передавать в таком широком спектре больше сигналов?

В традиционной радиосвязи весь допустимый частотный диапазон разбили на множество выделенных частотных каналов, в которых возможно вещание радиопередатчиков без взаимных помех.

Однако разрешенный для вещания диапазон ограничен, а желающих его использовать становится все больше.

Решить проблемы узкополосных радиотехнических систем можно с помощью технологии, использующей сверхширокополосные (СШП) сигналы.

В СШП-технологии увеличение информационной скорости передачи реализуется за счет увеличения ширины пропускания канала связи.

Идея метода проста: если не удается достичь высоких скоростей передачи в узкой полосе частот, то следует попытаться использовать как можно более широкий частотный диапазон, но так, чтобы не создавать помех другим передающим и принимающим устройствам в этом же диапазоне.

В классической технологии СШП для передачи информации вместо несущего синусоидального колебания используется последовательность сверхкоротких импульсов, имеющих соответственно сверхширокополосный спектр. Длительность таких импульсов составляет менее 0,5 нс, а период их следования может колебаться от 10 до 1000 нс.

Короткий импульсный сигнал из-за малого пространственно-временного объема позволяет передавать большее количество информации в единицу времени.

Таким образом, концентрация информации происходит за счет уменьшения длительности импульса и периода сигнала.

Пример 9.99. Полупроводниковый светоизлучающий прибор

В приборе слой активной области с р-n-переходом выполнен из пористого диоксида кремния.

Дискуссионные патенты

Ниже мы приводим три дискуссионных, на наш взгляд, патента. Предложите не только номера стандартов, используемых в решениях, но и осуществимость данных патентов.

Пример 9.100. Корпус судна

Надводное водоизмещающее судно имеет два корпуса, соединенных друг с другом. Наружная оболочка корпуса выполнена в виде тела вращения. Она вращается вокруг оси встречным потоком воды с помощью лопастей (плиций). Внутренняя оболочка неподвижна. Вращение наружной оболочки уменьшает сопротивление воды движению судна (рис.9.35).

Рис. 9.35. Корпус судна. Патент РФ 2 291 083

1 — наружная оболочка; 2 — лопасть (плица), вращающая наружную оболочку; 3 — двигатель; 4 — подшипник; 5 — неподвижный вал; 6 — неподвижная оболочка корпуса; 7 — балласт; 8 — отсек для размещения груза; F — направление потока воды; W — направление вращения судна; Р — направление тяги; ЦТ — центр тяжести судна; ЦВ — центр величины судна; ГВЛ — грузовая ватерлиния.

Пример 9.101. Космический аппарат

Описан космический аппарат, приводимый в движение давлением инфляционного вакуума, содержащий полый сверхпроводящий экран, внутренний экран, источник питания, опорную конструкцию, верхнее и нижнее средство для создания электромагнитного поля и контроллер модуляции потока. Охлажденный полый сверхпроводящий экран возбуждается электромагнитным полем, приводящим к квантованным вихрям ионов решетки, проецирующим гравимагнитное поле, которое формирует аномалию кривизны пространства‒времени вне космического аппарата. Дисбаланс кривизны пространства‒времени, кривизна пространства‒времени такая же, как и гравитация, обеспечивает движение космического аппарата. Космический аппарат, окруженный пространственно-временной аномалией, может двигаться со скоростью, приближающейся к скорости света, характерной для модифицированного места действия (рис. 9.36).

Рис. 9.36. Космический аппарат. Патент США 6 960 975

1 — полый сверхпроводящий экран; 2 — внутренний экран; 3 — верхний корпус; 4 — нижний корпус; 5 — опорная конструкция; 6 — верхний вращающийся элемент; 7 — нижний вращающийся элемент; 8 — верхнее средство для создания электромагнитного поля; 9 — нижнее средство для создания электромагнитного поля; 10 — линии магнитного потока; 11 — источник питания; 12 — оборудование для поддержания жизни; 13 — контроллер модуляции потока; 14 — экипаж.

Пример 9.102. Универсальный преобразователь

В патенте представлена конструкция устройств ShadedRotor для демонстрации существования гипотетического поля Всеобщего поля частиц. Это устройство должно извлекать измеримое количество энергии из этого поля. Авторы патента считают, что поле Всеобщего поля частиц может объяснить все невидимые силы на расстояниях между массами, заряженными телами и магнитными материалами. Они предполагают, что поле Всеобщего поля частиц является одновременно сходящимся/расходящимся полем, в котором потоки частиц пересекаются с любой точкой Вселенной из любой другой точки Вселенной. Порядок этого поля Флюса (FluxField) — почти идеальный беспорядок, который является самоцелью. Сила гравитационной составляющей этого поля условно обозначается буквой «G». Две нейтральные массы, погруженные в такое поле Флюса, будут развивать силы между собой, которые согласуются с уравнением тяготения Ньютона. Это поле также согласуется с электростатическими и магнитными уравнениями силы. Магнитный ротор преимущественно затеняется магнитным статором, так что на роторе имеется сетчатый крутящий момент. Этот принцип также применяется к электростатическому заряженному затененному ротору. Рассматриваются возможности того, что бета, мюон и тау-нейтрино являются универсальными частицами и они производят электростатические, магнитные и гравитационные силовые поля соответственно. Лабораторные размерные роторные устройства могут быть сконструированы с использованием магнитных и/или электростатических компонентов (подробные конструкции описаны здесь). Обстоятельные свидетельства, описанные здесь, показывают, что универсальная гравитационная константа «G», следовательно, «g» Земли является переменной направления и времени, и она значительно увеличилась за последние несколько сотен миллионов лет. Это может объяснять гибель динозавров и гигантскую растительность.

Принцип работы устройства (рис. 9.37), вероятно, лучше всего понять, предположив на данный момент, что заслоняющее кольцо 9 и ротор 10 выполнены из материалов, которые полностью поглощают поле потока Uniton в нескольких сантиметрах хода. Осевая линия отверстия 12 в затеняющем кольце 9 слегка выровнена в пределах окружности Ротора 10. Отверстие 12 позволяет некоторым потокам проникать на периферию ротора 10 без препятствий. Видно, что в соответствии с ранее принятыми граничными условиями ротор 10 будет вращаться из-за почти однонаправленного воздействия потока Uniton на периферию ротора 10. С помощью затеняющего кольца 9 и ротора 10 менее аттенюирующего материала, который поглощает/рассеивает только половину потока, ротор 10 все равно должен вращаться при более низком крутящем моменте. Если мы сейчас рассмотрим реалистичные материалы, поглощающие потоки UnitonFlux, которые ослабляют только части на 10—12 см или менее потока, ротор 10 все равно должен вращаться, если параметры фрикционного и минимального энергетических параметров, стремящиеся затормозить ротор 10, достаточно малы. Минимальные энергетические условия генерируются осевыми смещениями, неравномерными полями на роторе 10 и недостаточным балансом ротора. Заслоняющее кольцо 9 может быть выполнено из магнитного материала, охватывающего ротор 10, который также выполнен из магнитного материала. Заслоночное кольцо 9 также может быть выполнено из изолятора, который заряжается электростатически, и он включает ротор 10, который в этом случае также выполнен из заряженного изолятора. Затенение 9 и ротор 10, выполненные из нейтральной массы, не считаются практичными в лабораторных масштабах.

Рис. 9.37. Преобразователь давления потока частиц.

Патент США 6 353 311

1 — поток Unito — линии Флюса; 5 — сходящаяся/расходящаяся точка; 9 — кольцо; 10 — ротор; 11, 12 — отверстие.

3. Решение задач

Задача 9.1. Нейронные сети

Условие задачи

При обучении нейронных сетей крайне важен объем и качество данных, на примере которых обучается программа, однако в некоторых случаях подходящей информации может попросту не оказаться в нужном объеме — например, для тренировки нейросети, которая поможет управлять различными устройствами взглядом, необходимо большое количество размеченных фотографий глаз. Разметка больших баз вручную — трудоемкий процесс, поэтому исследователи, решающие подобные задачи, нередко используют вместо реальных фотографий рендеры изображения глаз.

В первой опубликованной Apple работе описывается метод улучшения синтетических размеченных изображений, которые используются для быстрого обучения нейросетей.

У нейросетей, натренированных на синтетических изображениях, проявляется новая слабость: они хуже распознают реальные фотографии, поскольку они не использовались в обучении или использовались в значительно меньшем количестве, чем синтетические. Одно из возможных решений — использовать бóльшие вычислительные мощности при создании изображений для повышения их реалистичности, однако такой метод ведет к ощутимому удорожанию работы. Как быть?

Задача 9.2. Очистка водоемов от затонувшей древесины

Условие задачи

Как очистить водоем от затонувшей древесины?

Известен способ очистки водоемов от затонувших бревен путем направления струи воды на затонувшую древесину. Она всплывает и ее транспортируют к месту складирования.

Однако этот способ не обеспечивает плавучести бревен.

Как быть?

Задача 9.3. Обработка тонкого стекла

Условие задачи

Для изготовления устройства потребовалось изготовить деталь из тонкого стекла. При обработке тонкое стекло ломается.

Как быть?

Задача 9.4. Перевозка оконного стекла

Условие задачи

Оконные стекла для транспортировки укладывают в дощатый ящик и пересыпают стекло каким-либо «мягким» материалом, например опилками, стружкой, полиуретаном и т. п. При таком способе упаковки стекло во время транспортировки и неосторожной разгрузки бьется. Кроме того, на упаковку расходуется много древесины (доски, опилки или стружка). Как быть?

Задача 9.5. Бракованные бритвы

Условие задачи

Радиус режущей кромки безопасной бритвы — около 1 мкм.

Человеческий глаз может рассмотреть объекты с линейными размерами менее 5 мкм. Как обеспечить визуальное обнаружение сколов и завалов на режущей кромке бритвы?

Задача 9.6. Как гнуть трубки?

Условие задачи

Часто возникает необходимость гнуть трубки небольшого диаметра с тонкими стенками по шаблону. Во время гибки трубки мнутся, а иногда и ломаются (появляются трещины). Как быть?

Противоречие: трубка должна быть заполнена твердым, чтобы не портиться при гибке, и не должна быть заполнена, чтобы оставаться трубкой, т.е. чтобы сохранить внутреннее отверстие (пустоту).

Какая задача может служить аналогом данной? Конечно, задача о резиновой трубке.

Задача 9.7. Ленточные конвейеры

Условие задачи

Ленточные конвейеры, несущие уголь, руду и другие сыпучие материалы, необходимо очищать от прилипших к ленте частичек. Используемые для этой цели скребки быстро изнашиваются.

Нужно предложить «неизнашивающийся» скребок.

Задача 9.8. Машина выражает эмоции

Условие задачи

Как с помощью автомобиля выражать эмоции автомобилистам помимо клаксона?

Задача 9.9. Слежение за объектом

Условия задачи

Необходимо следить за каким-то объектом.

Задача 9.10. Манипулятор

Условия задачи

Манипулятор — сложное устройство точной механики, но тем не менее он плохо выполняет операции по захвату хрупких предметов, например лампочек. Как обеспечить выполнение таких операций?

Задача 9.11. Раскаленное шоссе

Условия задачи

В наиболее жаркую пору лета асфальт нагревается почти до температуры плавления.

Как можно это использовать?

Задача 9.12. Мышеловка

Условия задачи

Стандартная мышеловка, работающая на пружине (рис. 9.38), достаточно эффективна, но травмирует мышь, потенциально опасна для домашних животных, детей и даже для взрослых.

Разработать новую мышеловку, удовлетворяющую следующим требованиям:

— Мышь должна ловиться.

— Мышь не должна получать травмы.

— Должна оставаться возможность высвободить мышь.

— Мышеловка должна быть безопасной для домашних животных и для людей.

— Мышеловка должна быть простой и недорогой.

Рис. 9.38. Мышеловка

Задача 9.13. Термическая обработка зерновых

Условия задачи

В злаках заводятся личинки и яйца вредителей, которые необходимо уничтожить для хранения или продажи зерна.

Для этого зерно нагревают до 64—66 оС. Выше 66 оС зерно портится, а ниже 64 оС вредители не полностью уничтожаются.

Управление системой нагрева происходило с помощью сложной аппаратуры, содержащей большое количество сверхточных температурных датчиков. Однако даже эта аппаратура не допускала поддержание точной температуры везде. Поэтому некоторые зерна портились, а в отдельных местах не уничтожались вредители.

Как быть?

Задача 9.14. Ремень безопасности

Условия задачи

Ремни безопасности используются в автомобиле для защиты водителя при авариях. Однако при сильных столкновениях ремень врезается в корпус и может вызвать травму (рис. 9.39).

Как быть?

Рис. 9.39. Пояс безопасности

Задача 9.15. Вырезание дисков из стекла

Условия задачи

Кольцевое сверло вырезает диски из листов стекла. При этом образуются трещины в дисках (рис. 9.40).

Как быть?

Рис. 9.40. Вырезание дисков из стекла

Задача 9.16. Защита стенок трубы

Условия задачи

Абразивная пульпа транспортируется по трубопроводу и разрушает стенки трубы (рис. 9.41).

Как быть?

Рис. 9.41. Защита стенок трубы

Задача 9.17. Удаление воздуха из порошка

Условия задачи

Удаление воздуха из порошкообразного материала осуществляется в деаэраторе.

Процесс идет медленно из-за медленного испарения.

Это также увеличивает потребность в резервуарах для деаэрации, которые нуждаются в больших складских площадях (рис. 9.42).

Как улучшить процесс деаэрации?

Рис. 9.42. Удаление воздуха из порошка

Задача 9.18. Отверстие в резиновой трубке

Условия задачи

Необходимо просверлить аккуратное круглое отверстие в резиновой трубке.

Если сверлить сверлом, трубка сплющится и отверстие получится некруглым. Если прожигать отверстие, трубка не сплющится, но получится неаккуратно — останутся обгорелые края.

Как быть?

Задача 9.19. Освещение взлетно-посадочной полосы

Условия задачи

Перегорание осветительных ламп на взлетно-посадочной полосе аэродрома может быть опасным для посадки самолетов.

Как сделать, чтобы лампы не перегорали?

Задача 9.20. Опоры мостов

Условия задачи

Быки (опоры) мостов в зимнее время покрываются льдом и постепенно разрушаются. Вода попадает в трещины быков, при замерзании лед расширяется и откалывает куски.

Необходимо устранить этот недостаток наиболее простым и дешевым способом.

Задача 9.20. Опоры мостов

Условия задачи

Быки (опоры) мостов в зимнее время покрываются льдом и постепенно разрушаются. Вода попадает в трещины быков, при замерзании лед расширяется и откалывает куски.

Необходимо устранить этот недостаток наиболее простым и дешевым способом.

Задача 9.21. Опыление цветка

Условия задачи

Для повышения эффективности опыления самофертильных (самоопыляющихся) растений извлечение пыльцы из пыльников производят встряхиванием растений, что может приводить к их повреждению. Предложите другой метод.

Задача 9.22. Зарастание труб

Условия задачи

По трубам подавали щелочную жидкость. Трубы зарастали. По другим трубам подавали кислую жидкость. Кислота разъедала стенки труб.

Как быть?

Задача 9.23. Дуэль

Условия задачи

Слуга Дон Жуана притворялся своим хозяином. Он получает одновременно вызовы на дуэль от полусотни дворян.

Как ему быть?

Задача 9.24. Сохранение экологической чистоты

Условия задачи

За сохранением экологической чистоты следит специальная служба. Однако она не может уследить за всеми предприятиями.

Как быть?

Задача 9.25. Опыление

Условие задачи

Томаты и некоторые другие растения держат пыльцу в особых контейнерах, напоминающих солонки с отверстиями.

Как насекомому достать пыльцу из такого контейнера?

Задача 9.26. Водовод

Условие задачи

При строительстве водовода на Усть-Илимской ГЭС необходимо было опустить 4000-тонную трубу (водовод) на склон.

Трубу строят вертикально (рис. 9.43а), а потом опускают на склон

(рис. 9.43б). Для этого предложили использовать систему подъемных кранов или домкратов, которые было необходимо спроектировать и построить, что требовало много времени и средств. Как быть?

Рис. 9.43. Опускание водовода на склон

Задача 9.27. Ремонт буксиров

Условие задачи

В Дудинский порт (г. Норильск, Север России) суда доставляет буксир.

Каждый год требуется осматривать подводную часть буксиров и при необходимости ремонтировать.

Для этого буксиры доставляют на ремонтный завод или используют специальное сооружение — док.

Ближайший ремонтный завод находится в Мурманске, что достаточно далеко, а дока в порту не было и он стоит очень дорого.

Как быть?

Задача 9.28. Кукла

Условие задачи

Некоторыми куклами ребенок играет несколько лет. Размер куклы не меняется. Неплохо бы было, если бы кукла росла вместе с ребенком…

Как быть?

Задача 9.29. Космическая станция

Условие задачи

Завершалась разработка космической станция «Венера-12». К конструкторам пришел ученый из Института геохимии и аналитической химии. Он попросил разместить в спускаемом аппарате станции еще один прибор весом 6 кг. Конструкторы только посмеялись над ним. Надо отметить, что в автоматических космических аппаратах очень плотная упаковка, где учитывается каждый грамм веса и кубический сантиметр пространства. Как быть?

Задача 9.30. Шины самолета

Условие задачи

В момент касания колеса шасси самолета посадочной полосы колесо сильно стирается. Это происходит из-за очень большого трения, возникающего в результате разности скоростей движения самолета и неподвижной посадочной полосы. Как правило, такие колеса меняются после нескольких посадок. Это очень дорого. Как быть?

Задача 9.31. Чистые помещения

Условие задачи

Производство электроники, медицинских препаратов, некоторые научные исследования и т. д. требуют особо чистых условий. Например, для производства микроэлектроники требуются комнаты в 10000 раз чище операционных в больницах.

«Чистая комната» первого класса — самая чистая и содержит не более одной пылинки на кубический фут (0,0283 м3). Как быть?

Задача 9.32. Видимость в снегопад

Условие задачи

Когда во время ливня или снегопада водитель машины включает фары (особенно дальний свет), то он видит перед собой глухую стену из дождя или снега. Как быть?

Задача 9.33. Падение дрона

Условие задачи

Падение дрона с высоты в случае отказа двигателей может представлять угрозу безопасности людей. Снабжение дронов парашютом усложняет конструкцию и увеличивает вес.

Как быть?

Задача 9.34. Транспортная система Юницкого

Условие задачи

Транспортная система Юницкого представляет собой железную дорогу, расположенную над землей на столбах, а рельсы — это система предварительного напряжения тросов.

Одно из основных преимуществ этой дороги в том, что она занимает минимальную площадь на земле — только для столбов. Желательно максимально сократить количество столбов, т. е. увеличить пролет, но это уменьшает жесткость конструкции. Как быть?

Задача 9.35. Ограбление банка

Условие задачи

Существует много различных систем для защиты банков, магазинов и т. п. от вооруженных ограблений. Наиболее распространена система, при которой на рабочем месте любого служащего банка есть кнопка, тумблер, клавиша, педаль, которую он в случае угрозы должен как-то нажать. Однако статистика показывает, что после команды грабителей: «Всем не двигаться, стреляю без предупреждения» — служащие банка не рискуют включить сигнализацию. Как быть?

Задача 9.36. Обнаружение труб под землей

Условия задачи

Как определить расположение закрытых подземных трубопроводов, не имеющих металлических деталей?

Задача 9.37. Обработка корневого канала зуба

Условие задачи

Толщина канала чуть больше толщины обычной иглы, а сам корень глубоко сидит в челюсти. При этом стоматолог не может точно проконтролировать качество заполнения зуба.

Если при пломбировании зуба канал корня недостаточно заполнен фосфат-цементом, то зуб может воспалиться. То же может произойти, если цемента ввели много и он выходит из верхушечного отверстия канала в окружающие зуб ткани. Как быть?

Задача 9.38. Измерение массы в невесомости

Условие задачи

Медикам потребовалось измерять вес космонавтов в космосе.

Все весы при измерении используют силу тяжести. В невесомости ее нет. Как быть?

Задача 9.39. Разработка интегральных схем

Условие задачи

При разработке интегральных схем необходимо провести испытание их на функциональность и работоспособность. Это возможно, когда схема уже изготовлена. Изготовление интегральной схемы — очень сложный, дорогой и длительный процесс, но без такого испытания не будет ясно, как работает такая схема. Как быть?

Задача 9.40. Лазерная резка

Условие задачи

Разделение полупроводниковых пластин на отдельные чипы осуществляется газовым лазером. Лазерный луч фокусируется на небольшом участке подложки, что вызывает оплавление материала и его удаление при помощи сопутствующих процессу газов. Лазерный луч имеет коническую форму (рис. 9.44). Однако в процессе резки газовыми лазерами также возникают проблемы: необходимость точной фокусировки луча на подложке (иначе луч может рассеиваться и тогда форма реза будет конической), а также загрязнение поверхности частицами расплавленного материала, которые осаждаются сопутствующими газами.

ис. 9.44. Принцип работы газового лазера

Задача 9.41. Передача информации с подводной лодки

Условие задачи

Радиосвязь с подводной лодки (ПЛ) в подводном положении представляет собой серьезную проблему, так как электромагнитные волны с частотами, использующимися в традиционной радиосвязи, сильно ослабляются при прохождении через толстый слой проводящего материала, которым является соленая вода. В связи с этим требуется, чтобы антенна ПЛ находилась на поверхности. Это опасно, так как в это время подводную лодку могут обнаружить. Как быть?

Задача 9.42. Мытье окон

Условие задачи

Мыть оконные стекла необходимо с двух сторон. С внутренней стороны окна стекла мыть удобно, а с наружной — не только неудобно, но и опасно. Как быть?

 

Содержание главы:

1. Рекомендации по использованию инструментов ТРИЗ.

2. Рекомендации по совершенствованию знаний ТРИЗ.

3. Что дальше?

 

1. Рекомендации по использованию описанных инструментов ТРИЗ

Мы рекомендуем вам начинать решение изобретательской задачи со стандартов на решение изобретательских задач. Если задача не подходит ни под один из стандартов, то воспользоваться логикой решения нестандартных задач или практическим АРИЗ, которые подскажут вам, какие дополнительные инструменты должны быть применены для решения.

Для решения некоторых изобретательских задач будет достаточно применить только отдельные инструменты ТРИЗ, такие как: приемы, эффекты, вепольный анализ и т. д.

 

2. Рекомендации по совершенствованию изложенных знаний и отработка навыков

Вопросы, замечания и предложения можно посылать поадресу:

Vladimir Petrov E-mail: .

 

Приложение 1. Разбор задач

В данном разделе покажем наш вариант разбора некоторых задач.

 

1. Определите номер стандарта

Ниже, по рассмотренным в задании примерам, приведем возможные номера стандартов. Постарайтесь найти и другие варианты.

 

2. Решение задач

Задача 9.1. Нейронные сети

Условие задачи

При обучении нейронных сетей крайне важен объем и качество данных, на примере которых обучается программа, однако в некоторых случаях подходящей информации может попросту не оказаться в нужном объеме — например, для тренировки нейросети, которая поможет управлять различными устройствами взглядом, необходимо большое количество размеченных фотографий глаз. Разметка больших баз вручную — трудоемкий процесс, поэтому исследователи, решающие подобные задачи, нередко используют вместо реальных фотографий рендеры изображения глаз.

В первой опубликованной Apple работе описывается метод улучшения синтетических размеченных изображений, которые используются для быстрого обучения нейросетей.

У нейросетей, натренированных на синтетических изображениях, проявляется новая слабость — они хуже распознают реальные фотографии, поскольку они не использовались в обучении или использовались в значительно меньшем количестве, чем синтетические. Одно из возможных решений — использовать бóльшие вычислительные мощности при создании изображений для повышения их реалистичности, однако такой метод ведет к ощутимому удорожанию работы.

Как быть?

Разбор задачи

Использовать стандарт 4.1.2. Использование копий.

Решение

Чтобы решить существующие проблемы с генерируемыми изображениями, разработчики из Apple решили использовать промежуточную нейронную сеть, которая помогает создавать набор данных для обучения. Программа использует размеченное синтетическое изображение и неразмеченную реальную фотографию для создания на выходе нового улучшенного изображения, которое сохраняет в себе направление взгляда и разметку от синтетического. Фактически, стиль фотографии переносится на сгенерированное изображение глаза — подробнее о том, как нейросети могут переносить стиль одного изображения на другое, можно прочитать в материале «На выставке Ван Гога».

Задача 9.2. Очистка водоемов от затонувшей древесины

Условие задачи

Как очистить водоем от затонувшей древесины?

Известен способ очистки водоемов от затонувших бревен путем направления струи воды на затонувшую древесину. Она всплывает и ее транспортируют к месту складирования.

Однако этот способ не обеспечивает плавучести бревен.

Как быть?

Разбор задачи

Можно использовать сочетание стандартов 1.1.3. Внешний комплексный веполь и 2.2.3. Переход к КПМ.

Решение

Водоем заполняют пеновоздушной смесью, подаваемой под давлением по шлангу на дно водоема (рис. П.1).

Струя пены под давлением размывает грунт. Пена прилипает к бревнам и, обладая определенной подъемной силой, поднимает их на поверхность. Такой подъем бревен предотвращает их дальнейшее затопление. Этот способ действует при любых погодных условиях и любом количестве затопленных бревен. После отлова бревен пену собирают и используют повторно.

Рис. П.1. Очистка водоемов от затонувшей древесины. А. с. 1 020 313

1 — генератор; 2 — пена; 3 — коллектор; 4 — рукава.

Задача 9.3. Обработка тонкого стекла

Условие задачи

Для изготовления устройства потребовалось изготовить деталь из тонкого стекла. При обработке тонкое стекло ломается. Как быть?

Разбор задачи

ФП: стекло должно быть толстым, чтобы не ломаться при обработке, и должно быть тонким для установки его в устройство.

Чтобы разрешить это противоречие, необходимо тонкие стекла на время обработки объединить в одно толстое стекло, например с помощью клея.

Стандарт 3.1.1. Образование бисистем и полисистем.

Решение

Склеить тонкие стекла в блок, обработать, а затем растворить клей.

Задача 9.3. Обработка тонкого стекла

Условие задачи

Для изготовления устройства потребовалось изготовить деталь из тонкого стекла. При обработке тонкое стекло ломается. Как быть?

Разбор задачи

ФП: стекло должно быть толстым, чтобы не ломаться при обработке, и должно быть тонким для установки его в устройство.

Чтобы разрешить это противоречие, необходимо тонкие стекла на время обработки объединить в одно толстое стекло, например с помощью клея.

Стандарт 3.1.1. Образование бисистем и полисистем.

Решение

Склеить тонкие стекла в блок, обработать, а затем растворить клей.

Задача 9.4. Перевозка оконного стекла

Условие задачи

Оконные стекла для транспортировки укладывают в дощатый ящик и пересыпают стекло каким-либо «мягким» материалом, например опилками, стружкой, полиуретаном и т. п. При таком способе упаковки стекло во время транспортировки и неосторожной разгрузки бьется. Кроме того, на упаковку расходуется много древесины (доски, опилки или стружка). Как быть?

Разбор задачи

Почему бьются стекла? В каждом стекле, каким бы оно ни казалось гладким, имеются микронеровности и, стукаясь ими друг о друга, стекла бьются. Значит, как и в предыдущей задаче, между стеклами нужно поместить какую-нибудь жидкость, например, клей.

ФП: клей должен прочно соединить все стекла (сделать их монолитом), чтобы стекла не бились, и не должен прочно соединять, чтобы стекла легко можно было разъединить.

Использование сочетания стандартов 3.1.1. Образование бисистем и полисистем и 1.1.3. Внешний комплексный веполь.

Разделим противоречивые свойства в структуре — изменим структуру жидкости (клея). Заменим клей, например, водой. Вода прекрасно выполнит функции прослойки между стеклами, но вода достаточно быстро испарится и силы поверхностного натяжения «скрепят» стекла и их будет очень трудно разъединить (оторвать друг от друга).

Решение

Чтобы надежно упаковать стекло, достаточно смазать поверхность каждого листа минеральным маслом и по периметру «одеть» пластмассу или резину, например разрезанный вдоль шланг. Для смазки можно использовать отработанные масла: машинное, вазелиновое, трансформаторное, веретенное. Стекло в такой упаковке можно хранить под открытым небом зимой и летом, оно не бьется даже при неосторожной разгрузке. Стекло, покрытое слоем масла, легче очистить от грязи и извести.

Особенно это важно на стройках, где стекла пачкаются краской.

Задача 9.5. Бракованные бритвы

Условие задачи

Радиус режущей кромки безопасной бритвы — около 1 мкм.

Человеческий глаз может рассмотреть объекты с линейными размерами не менее 5 мкм. Как обеспечить визуальное обнаружение сколов и завалов на режущей кромке бритвы?

Разбор задачи

Использовать стандарт 3.1.1. Образование бисистем и полисистем.

Решение

Пакет лезвий представляется человеческому глазу абсолютно черной поверхностью. Если на каком-то лезвии есть дефект, то он будет различим для глаза в виде яркой отметены на черном фоне (виден только дефект).

Задача 9.6. Как гнуть трубки?

Условие задачи

Часто возникает необходимость гнуть трубки небольшого диаметра с тонкими стенками по шаблону. Во время гибки трубки мнутся, а иногда и ломаются (появляются трещины). Как быть?

Разбор задачи

ФП: трубка должна быть заполнена твердым, чтобы не портиться при гибке, и не должна быть заполнена, чтобы оставаться трубкой, т. е. чтобы сохранить внутреннее отверстие (пустоту).

Использовать стандарты 3.1.1. Образование бисистем и полисистем и 1.1.3. Внешний комплексный веполь.

Решение

Перед гибкой трубку наполнить водой и заморозить. Для этих целей может быть использован парафин, воск, металлы с низкой температурой плавления (олово, свинец) и т. п.

Задача 9.7. Ленточные конвейеры

Условие задачи

Ленточные конвейеры, несущие уголь, руду и другие сыпучие материалы, необходимо очищать от прилипших к ленте частичек. Используемые для этой цели скребки быстро изнашиваются.

Нужно предложить «неизнашивающийся» скребок.

Разбор задачи

ИКР: Скребок сам себя восстанавливает.

ФП: Скребок должен касаться ленты, чтобы ее очищать, и не должен, чтобы не изнашиваться.

Используем стандарт 1.2.2. Устранение вредной связи введением видоизмененных В1 и/или В2.

Решение

Берется обычная стальная пластина и укрепляется параллельно очищаемому участку конвейерной ленты недалеко от места разгрузки. Между лентой и пластиной остается небольшой зазор. В этот зазор набиваются частицы транспортируемого материала, которые трутся в дальнейшем о ленту, выполняя роль постоянно возобновляемого скребка.

Задача 9.8. Машина выражает эмоции

Условие задачи

Как с помощью автомобиля выражать эмоции автомобилистам помимо клаксона?

Разбор задачи

ИКР: Машина своим видом показывает эмоции.

Используем стандарт 2.2.4. Динамизация.

Решение

Инженеры компании Toyota решили дать автомобилистам помимо клаксона и другие возможности для самовыражения.

Компания запатентовала в США автомобиль, который по воле хозяина может «строить рожи» другим машинам.

Машина способна злобно щурить «глаза» -фары, ее капот меняет цвет на красный, «багровея от гнева», а антенна начинает резко ходить из стороны в сторону, как хвост у кошки или тигра.

Водитель и пассажиры будут управлять «эмоциями» автомобиля через бортовой компьютер.

В заявке на патент утверждается, что новые машины создадут на улицах «веселую и естественную атмосферу», а также помогут водителю «ближе сродниться со своим автомобилем».

Пока неизвестно, намерены ли инженеры Toyota в дальнейшем научить машины и ругаться

Другое решение этой же компании — автомобиль FV2 (рис. П.2). Внешняя поверхность автомобиля покрыта жидкокристаллической пленкой и может отражать настроение водителя, которое считывается с выражения лица и голоса водителя [2].

Рис. П.2. Концепт автомобиля ToyotaFV 2

Еще одно решение представляет компания Toyoda Gosei, входящая в Toyota Group — концепт-кар Flesby II — ультракомпактный автомобиль для 2030 года. Особенность машины в том, что ее наружные кузовные панели сделаны из нового материала e-rubber (англ. «электронная резина»). Он может изменять форму посредством электрических сигналов. Кроме того, этот материал поглощает удары и безопасен для пешеходов при наезде.

Под полупрозрачными вставками будут размещены светодиоды, с помощью которых можно будет выводить информацию для других водителей и пешеходов (рис. П.3).

С помощью изменения формы и светодиодов могут выражаться и эмоции водителя.

Рис. П.3. Концепт автомобиля Flesby II

Задача 9.9. Слежение за объектом

Условия задачи

Необходимо следить за каким-то объектом.

Разбор задачи

Дано только одно вещество В 1  — объект слежения.

Система не вепольная на обнаружение.

Необходимо воспользоваться стандартом 4.2.1. «Измерительный» веполь.

Итак, у нас имеется объект слежения В 1. Построим вепольную схему слежения за объектом. Для этого добавим еще одно вещество В 2 («радиожук»), которое генерирует поле П 1 (радиополе).

Веполь будет иметь вид (П.1).

Где

В 1  — объект слежения;

В 2  — «радиожук»;

П 1  — радиополе.

Решение

Для слежения за каким-либо объектом к нему прикрепляют «жучок». С помощью специальной аппаратуры определяют место нахождения объекта слежения.

Задача 9.10. Манипулятор

Условия задачи

Манипулятор — сложное устройство точной механики, но плохо выполняет операции по захвату хрупких предметов, например лампочек. Как обеспечить выполнение таких операций?

Разбор задачи

ФП: «Клешня» должна быть мягкой, чтобы не раздавить лампочку, и должна быть твердой, чтобы держать лампочку.

ФП разрешается во времени: когда робот «захватывает» предмет, то клешня должна быть мягкой, а когда удерживает, переносит — твердой.

Воспользуемся стандартом 2.2.2. Дробление.

Решение

Клешня делается из материала с эффектом памяти формы (ЭПФ). Каждый отдельный элемент клешни постепенно приближается к предмету удержания и охватывает его.

Можно клешню выполнить в виде эластичной тонкой оболочки, в которую помещают микросферы или песок. Оболочка охватывает удерживаемый предмет, точно повторяя его форму (как бы делает «слепок» с него). Затем откачивают воздух, и микросферы плотно прижимаются друг к другу. «Слепок» получается твердым. Когда необходимо освободить удерживаемый предмет, открывают клапан, воздух проникает в оболочку, и она вместе с микросферами снова становится мягкой.

Задача 9.11. Раскаленное шоссе

Условия задачи

В наиболее жаркую пору лета асфальт нагревается почти до температуры плавления.

Как можно это использовать?

Разбор задачи

Самостоятельно.

Решение

Австралийские инженеры предложили прокладывать под полотном шоссе трубы, по которым циркулирует вода. Согласно проекту вода будет отнимать тепло от асфальта и тот останется твердым.

Другими словами, польза будет двойная: вырабатывается теплая вода и исчезает опасность скольжений и заносов автомобилей вследствие расплавления асфальта.

Задача 9.12. Мышеловка

Условия задачи

Стандартная мышеловка, работающая на пружине (рис. 9.38), достаточно эффективна, но травмирует мышь, потенциально опасна для домашних животных, детей и даже для взрослых.

Разработать новую мышеловку, удовлетворяющую следующим требованиям:

— Мышь должна ловиться.

— Мышь не должна получать травмы.

— · Должна оставаться возможность высвободить мышь.

— Мышеловка должна быть безопасной для домашних животных и для людей.

— Мышеловка должна быть простой и недорогой.

Рис. 9.38. Мышеловка

Разбор задачи

Изобразим вепольную модель исходной ситуации (П.2).

Мышеловка удерживает пружину В 1 , которая создает силу П, воздействующую на мышь В 2 .

Травмирует мышь именно пружина, поэтому от нее следует отказаться.

Тогда модель будет (П.3)

Это невепольная модель, следовательно, для решения задачи нужно воспользоваться стандартом 1.1.1.

Нам остается подобрать поле, которое не было бы вредно для мыши и было бы дешевым. Как мы знаем, самое дешевое — то, что у нас имеется (ресурс). Какое поле постоянно существует? Это магнитное поле Земли и гравитация.

Необходимое для нас поле может создать гравитация, оно должно помочь удержать мышь в мышеловке и не повредить ей.

Решение

Конструкция и принцип работы мышеловки показана на рис. П.4.

Мышь чувствует запах сыра, который закреплен в стенке левой части мышеловки (рис. П.4а) и проникает в мышеловку (рис. П.4б). Когда мышь проходит в левую часть мышеловки, то под ее весом левая часть опускается вниз, и дверца захлопывается (рис. П.4в). Остается только открыть дверцу и выпустить мышь на свободу (рис. П.4г). Имеются и другие мышеловки, основанные на этом принципе.

Рис. П.4. Принцип работы мышеловки

Задача 9.13. Термическая обработка зерновых

Условия задачи

В злаках заводятся личинки и яйца вредителей, которые необходимо уничтожить для хранения или продажи зерна.

Для этого зерно нагревают до 64—66 оС. Выше 66 оС зерно портится, а ниже 64 оС вредители не полностью уничтожается.

Управление системой нагрева происходило с помощью сложной аппаратуры, содержащей большое количество сверхточных температурных датчиков. Однако даже эта аппаратура не допускала поддержание точной температуры везде. Поэтому некоторые зерна портились, а в отдельных местах не уничтожались вредители. Как быть?

Разбор задачи

Используем стандарт 4.4.5. Использование физэффектов.

Решение

Зерно смешивают с ферромагнитным порошком, изготовленным из материала с точкой Кюри 65 °С. Порошок нагревают токами высокой частоты.

Нагрев равный или больше точки Кюри превращает ферромагнитный материал в парамагнитный и токи высокой частоты не нагревают металл.

Задача 9.14. Ремень безопасности

Условия задачи

Ремни безопасности используются в автомобиле для защиты водителя при авариях. Однако при сильных столкновениях ремень врезается в корпус и может вызвать травму (рис. 9.39).

Как быть?

Рис. 9.39. Пояс безопасности

Разбор задачи

Представим исходную ситуацию

Где

В 1  — водитель;

В 2  — пояс безопасности;

П 1  — поле давлений.

Положительная связь между В 1 и В 2 (прямая стрелка) — это удержание водителя в кресле. Отрицательная связь (волнистая стрелка) — травмирование водителя.

Это веполь с вредными связями.

Такая задача решается с помощью стандартов подкласса 1.2.

Воспользуемся стандартом 1.2.1. Устранение вредной связи введением В 3

Решение

В качестве В 3 выберем дополнительную оболочку (воздушную подушку), которая надувается при аварии, спасая водителя (рис. П.5).

Подушка безопасности

В 3

Рис. П.5. Подушка безопасности

Этот же пример можно рассматривать и как стандарт 1.2.4 (противодействие вредным связям с помощью П2), но более сложный.

Где

В 1  — водитель;

В 2  — пояс безопасности;

В 3  — подушка безопасности;

П 1  — поле давлений, создаваемое при аварии;

П 2  — поле давлений, надувание подушки безопасности;

П 3  — поле давлений, противодействующее полю, создаваемому при аварии.

Задача 9.15. Вырезание дисков из стекла

Условия задачи

Кольцевое сверло вырезает диски из листов стекла. При этом образуются трещины в дисках (рис. 9.40).

Как быть?

Рис. 9.40. Вырезание дисков из стекла

Разбор задачи

Представим исходную ситуацию

Где

В 1  — сверло;

В 2  — диск;

П 1  — поле давлений (резание).

Положительная связь между В 1 и В 2 (прямая стрелка) — это резание стекла. Отрицательная связь (волнистая стрелка) — появление трещин.

Это веполь с вредными связями.

Такая задача решается с помощь стандартов подкласса 1.2.

Воспользуемся стандартом 1.2.1. Устранение вредной связи введением В 3

Решение

В качестве В 3 выберем лед (рис. П.6).

Рис. П.6. Вырезание дисков из стекла

Предлагается ввести лед между стеклянными листами. Листы увлажняются водой и замораживаются. Лед скрепляет листы вместе, образуя монолитную структуру. Это предотвращает развитие трещин.

Задача 9.16. Защита стенок трубы

Условия задачи

Абразивная пульпа транспортируется по трубопроводу и разрушает стенки трубы (рис. 9.41).

Как быть?

Рис. 9.41. Защита стенок

Разбор задачи

Представим исходную ситуацию

Где

В 1  — абразивная пульпа;

В 2  — труба;

П 1  — поле давлений (поток пульпы).

Положительная связь между В 1 и В 2 (прямая стрелка) — это формирование потока пульпы. Отрицательная связь (волнистая стрелка) — разрушение стенки трубы.

Это веполь с вредными связями.

Такая задача решается с помощь стандартов подкласса 1.2.

Воспользуемся стандартом 1.2.2. Устранение вредной связи введением видоизмененных В 1 и/или В 2 .

В качестве В 3 выберем лед — видоизменение воды — составной части пульпы В ' 2 .

Решение

Предлагается ввести защитный слой между пульпой и стенкой трубы. Этот слой сделан из самой пульпы (ее составной части — воды). Трубу охлаждают в зонах износа и на внутренней стенке образуется слой льда. Абразив изнашивает слой льда вместо стенки трубы. Слой непрерывно восстанавливается, намораживая изношенный участок льда (рис. П.7).

Рис. П.7. Защита стенок

Задача 9.17. Удаление воздуха из порошка

Условия задачи

Удаление воздуха из порошкообразного материала осуществляется в деаэраторе (рис. 9.42).

Процесс идет медленно из-за медленного испарения.

Это также увеличивает потребность в резервуарах для деаэрации, которые нуждаются в больших складских площадях.

Как улучшить процесс деаэрации?

Рис. 9.42. Удаление воздуха из порошка

Разбор задачи

Исходную систему, с вепольной точки зрения, можно рассматривать как состоящую из двух веществ: порошка В 1 и газа В 2 . Тогда эта система не вепольная и нужно воспользоваться стандартом 1.1.1. Постройка веполя.

Можно рассматривать, что в этой системе имеется плохо управляемое поле — температура.

В обоих случаях нужно подобрать более управляемое поле, воспользовавшись стандартом 2.2.1. Переход к более управляемым полям.

Решение

В качестве полей могут быть использованы центробежное или ультразвуковое.

Где

В 1  — порошкообразный материал;

В 2  — газ;

П 1  — центробежное или ультразвуковое поле.

В данном решении сокращается время деаэрации и сокращаются площади, необходимые для проведения процесса (рис. П.8).

Рис. П.8. Удаление воздуха из порошка

Задача 9.18. Отверстие в резиновой трубке

Условия задачи

Необходимо просверлить аккуратное круглое отверстие в резиновой трубке.

Если сверлить сверлом, трубка сплющится и отверстие получится некруглым. Если прожигать отверстие, трубка не сплющится, но получится неаккуратно — останутся обгорелые края.

Как быть?

Разбор задачи

Сверло В 1 давит П 1 на резиновую трубку В 2 , трубка сплющится и отверстие получится некруглым.

Вепольную схему задачи можно представить в виде (П.12.)

Где

В 1  — сверло;

В 2  — резиновая трубка;

П 1  — сила давления.

Задача описывается веполем с полезной и вредной связью. Полезное действие (прямая стрелка от В 1 к В 2 ) — сверление (проделывание отверстия). Вредное (волнистая стрелка от В 1 к В 2 ) — сжатие резиновой трубки.

Одно из возможных решений: перейти к внешнему комплексному веполю по стандарту 1.1.3, т. е. необходимо ввести В 3.

Решение

Сделать трубку временно твердой, залив в нее воду и заморозив. Затем трубку, заполненную льдом, можно спокойно просверлить — получится аккуратное круглое отверстие.

Еще лучше, если трубку ненадолго поместить в жидкий газ, например гелий, а затем — в воду. Тогда лед образуется только на поверхности трубки и не изменит ее размеры, как в предыдущем случае, когда лед занимал весь внутренний объем трубки, расширяя ее.

Задача 9.19. Освещение взлетно-посадочной полосы

Условия задачи

Перегорание осветительных ламп на взлетно-посадочной полосе аэродрома может быть опасным для посадки самолетов.

Как сделать, чтобы лампы не перегорали?

Разбор задачи

Используем стандарт 2.2.1. Переход к более управляемым полям.

Воспользуемся радиоактивным веществом.

Разработаны радиоактивные фонари, использующие явление радиолюминесценции — люминесценции вещества, вызванной воздействием ионизирующего излучения.

Решение

Стеклянный сосуд наполняют сульфидом цинка (сернистый цинк, ZnS — цинковая соль сероводородной кислоты). Это вещество в присутствии следов меди, кадмия, серебра и др. приобретает способность к люминесценции. Внутри сосуда помещают радиоактивный изотоп тритий (радиоактивный изотоп водорода), имеющий период полураспада 12 лет. Бета-лучи, испускаемые тритием, воздействуют на сульфид цинка, вызывают его свечение без использования внешнего источника питания. Свет виден на расстоянии 3 км и имеет срок службы 8‒10 лет, не требует обслуживания, а уровень радиоактивности не является опасным для человека.

Задача 9.20. Опоры мостов

Условия задачи

Быки (опоры) мостов в зимнее время покрываются льдом и постепенно разрушаются. Вода попадает в трещины быков, при замерзании лед расширяется и откалывает куски.

Необходимо устранить этот недостаток наиболее простым и дешевым способом.

Разбор задачи

Вода В 2 омывает бык В 1. На воду В 2 воздействует низкая температура и вода превращается в лед, что портит быки.

Вепольная схема задачи описывается моделью (П.14)

Где

В 1  — бык (опора моста);

В 2  — вода;

П 1  — температура (ниже нуля).

Задача описывается веполем с вредной связью. Одно из возможных решений: перейти к внешнему комплексному веполю — стандарт 1.1.3 (П.15).

Необходимо ввести В 3 , не позволяющее воде замерзать.

Воспользуемся ресурсами системы.

Решение

Ниже поверхности воды, особенно на дне, вода имеет температуру выше нуля. Остается тепло передать воде на поверхность вокруг быка. Необходимо использовать вещество с более высоким коэффициентом теплопроводности, например медь. Вокруг быков помещают медные трубы, вбитые в грунт (дно), они передадут тепло на поверхность и согреют воду вокруг быков.

В 3  — медная труба.

Задача 9.21. Опыление цветка

Условия задачи

Для повышения эффективности опыления самофертильных (самоопыляющихся) растений извлечение пыльцы из пыльников производят встряхиванием растений, что может приводить к их повреждению.

Разбор задачи

Самостоятельно.

Решение

Предложено извлекать пыльцу воздействием на растение звуком в полосах частот, совпадающих с частотами собственных колебаний стержневых систем растения: цветок — цветоножка, пыльник — тычиночная нить.

В результате выделяются и в резонансе колеблются только нужные части растений, более полно извлекается пыльца и исключаются повреждения остальных частей растения.

Задача 9.22. Зарастание труб

Условия задачи

По трубам подавали щелочную жидкость. Трубы зарастали. По другим трубам подавали кислую жидкость. Кислота разъедала стенки труб.

Как быть?

Разбор задачи

Самостоятельно.

Решение

М. Шарапов предложил подавать по каждой трубе поочередно то кислоту, то щелочь. Кислота разъедает осадок, образуемый щелочью. Труба не засоряется и не изнашивается.

Задача 9.23. Дуэль

Условия задачи

Слуга Дон Жуана притворялся своим хозяином. Он получает одновременно вызовы на дуэль от полусотни дворян.

Как ему быть?

Разбор задачи

Использовать стандарт 1.2.3. «Оттягивание» вредного действия.

Решение

Слуга предлагает дворянам самим разрешить, чья очередь драться первым. Они решают это привычным способом — дуэлями. В результате — все перебиты.

Задача 9.24. Сохранение экологической чистоты

Условия задачи

За сохранением экологической чистоты следит специальная служба. Однако она не может уследить за всеми предприятиями.

Как быть?

Разбор задачи

Использовать стандарт 1.2.3. «Оттягивание» вредного действия.

Решение

В США создана система экологического мониторинга, в ней минимальной единицей, для которой установлен лимит выбросов, является территориально-производственная ячейка, включающая зачастую несколько предприятий, вынужденных следить друг за другом и заставлять друг друга снижать выбросы. Более того, разрешение на открытие нового производства или на расширение имеющегося дается только при условии снижения суммарного объема выбросов. Хочешь расширяться — снижай вредность!

Задача 9.25. Опыление

Условие задачи

Томаты и некоторые другие растения держат пыльцу в особых контейнерах, напоминающих солонки с отверстиями.

Как насекомому достать пыльцу из такого контейнера?

Разбор задачи

Использовать стандарт 2.4.10. Согласование ритмики.

Решение

Насекомое опускается на цветок и машет крылышками с резонансной частотой контейнера. Такие колебания поднимают пыльцу, и она вытряхивается из контейнера.

Насекомое не только ест пыльцу, но покрывается ею полностью.

Задача 9.26. Водовод

Условие задачи

При строительстве водовода на Усть-Илимской ГЭС необходимо было опустить 4000-тонную трубу (водовод) на склон.

Трубу строят вертикально (рис. 9.43а), а потом опускают на склон

(рис.9.43б). Для этого предложили использовать систему подъемных кранов или домкратов, которые было необходимо спроектировать и построить, что требовало много времени и средств. Как быть?

Рис. 9.43. Опускание водовода на склон

Разбор задачи

Использовать сочетание стандартов 1.1.3. Внешний комплексный веполь, 2.2.4. Динамизация, 2.2.6. Структуризация веществ, 3.2.1. Переход на микроуровень. Кроме того, использованы ресурсы.

Решение

Под трубой и от склона до трубы насыпали снег (рис. П.9). Когда он растаял, труба опустилась сама.

Рис. П.9. Опускание водовода на склон

Задача 9.27. Ремонт буксиров

Условие задачи

В Дудинский порт (г. Норильск, Север России) суда доставляет буксир.

Каждый год требуется осматривать подводную часть буксиров и при необходимости ремонтировать.

Для этого буксиры доставляют на ремонтный завод или используют специальное сооружение — док.

Ближайший ремонтный завод находится в Мурманске, что достаточно далеко, а дока в порту не было и он стоит очень дорого.

Как быть?

Разбор задачи

Самостоятельно.

Решение

Док «построили» изо льда (рис. П.10).

Осенью буксиры оставили на реке.

Когда река стала замерзать, лед вырубали, «делая» ледяной док.

Рис. П.10. Ледяной док

Задача 9.28. Кукла

Условие задачи

Некоторыми куклами ребенок играет несколько лет. Размер куклы не меняется. Неплохо было бы, если бы кукла росла вместе с ребенком… Как быть?

Разбор задачи

Самостоятельно.

Решение

В США выпускаются надувные игрушки из пластика, которые способны расти вместе с ребенком. Надо лишь подкачать сжатого воздуха.

Задача 9.29. Космическая станция

Условие задачи

Завершалась разработка космической станция «Венера-12». К конструкторам пришел ученый из Института геохимии и аналитической химии. Он попросил разместить в спускаемом аппарате станции еще один прибор весом 6 кг. Конструкторы только посмеялись над ним. Надо отметить, что в автоматических космических аппаратах очень плотная упаковка, где учитывается каждый грамм веса и кубический сантиметр пространства.

Как быть?

Разбор задачи

Самостоятельно.

Решение

В спускаемом аппарате был центровочный груз, чтобы аппарат занимал строго определенное положение в пространстве. Конструкторы догадались заменить центровочный груз прибором, который одновременно выполнял свои функции и функции груза.

Задача 9.30. Шины самолета

Условие задачи

В момент касания колеса шасси самолета посадочной полосы колесо сильно стирается. Это происходит из-за очень большого трения, возникающего в результате разности скоростей движения самолета и неподвижной посадочной полосы. Как правило, такие колеса меняются после нескольких посадок. Это очень дорого.

Как быть?

Разбор задачи

Нужно использовать стандарт 2.3.2. Согласование ритмики П1 и П2.

Соответственно, нужно согласовать эти скорости и сделать разницу скоростей как можно меньше или равной нолю. Следовательно, нужно или делать «бегущую» посадочную полосу, или раскрутить колесо шасси. Естественно, значительно легче раскрутить колесо. Для этого нужно использовать имеющиеся ресурсы — набегающий поток.

Решение

На боковой поверхности колеса сделали направляющие (лопатки).

Набегающий поток раскручивает колесо, и оно крутится точно с той же скоростью, с которой движется самолет.

Задача 9.31. Чистые помещения

Условие задачи

Производство электроники, медицинских препаратов, некоторые научные исследования и т. д. требуют особо чистых условий. Например, для производства микроэлектроники требуются комнаты в 10 000 раз чище операционных в больницах.

«Чистая комната» первого класса — самая чистая и содержит не более одной пылинки на кубический фут (0,0283 м3). Как быть?

Разбор задачи

Таким образом, для поддержания стабильных условий чистоты требуется динамизация (постоянная смена воздуха). Т. е. применение стандарта 2.4.8. Динамизация.

Решение 1

Гигантские системы фильтрации воздуха полностью меняют воздух в чистых комнатах примерно 10 раз в минуту, уменьшая вероятность повреждения микросхем переносимыми воздухом частицами.

Возникает новая задача

Такие помещения не могут быть полностью герметизированы. Должны входить и выходить люди, поступать материалы для производства и выходить готовые изделия. В связи с этим воздух из нечистых помещений может проникать в чистые помещения.

Как быть?

Разбор задачи

Можно использовать стандарт 2.2.2. Дробление В2.

Решение 2

Создали систему постепенного перехода из нечистого помещения в более чистые и далее — в помещения более высокого класса.

Новая задача

Даже эти предосторожности не исключают проникновение пылинок в самые чистые помещения. Как быть?

Разбор задачи

Можно использовать стандарт 2.3.2. Согласование ритмики П1 и П2.

Решение 3

В более чистых помещениях создается избыточное давление воздуха по отношению к смежным с ним помещениям (менее чистым). Это основной принцип обеспечения чистоты в «чистых комнатах» (рис. П.11).

Рис. П.11. Основной принцип работы «чистой комнаты»

Количество приточного воздуха должно превышать вытяжку минимум на 20% при условии, что самая чистая комната находится в центре здания, и не менее 30% при наличии в помещении остекления, допускающего инфильтрацию. Это обеспечивает движение воздуха из более чистой комнаты в смежные помещения с более низкой степенью чистоты по мере убывания требований.

Задача 9.32. Видимость в снегопад

Условие задачи

Когда во время ливня или снегопада водитель машины включает фары (особенно дальний свет), то он видит перед собой глухую стену из дождя или снега. Как быть?

Разбор задачи

Можно использовать стандарт 2.3.2. Согласование ритмики П1 и П2.

Решение

В Университете Карнеги-Меллон придумали остроумное решение этой проблемы. С помощью видеокамер компьютерная система отслеживает положение снежинок (или дождевых капель) и предсказывает их дальнейшую траекторию, после чего выключает на короткие промежутки времени соответствующие лучи многолучевых «интеллектуальных фар» (в прототипе был использован обычный DLP-проектор). Как показали эксперименты, с такой системой водитель даже во время метели не замечает 70—80% снежинок, при этом средняя интенсивность света фар снижается всего на 5%.

Задача 9.33. Падение дрона

Условие задачи

Падение дрона с высоты в случае отказа двигателей может представлять угрозу безопасности людей. Снабжение дронов парашютом усложняет конструкцию и увеличивает вес.

Как быть?

Разбор задачи

ИКР: Дрон должен сам замедляться в воздухе, как это делает парашют.

Можно использовать стандарты 1.1.4. Веполь на внешней среде и 1.2.4. Противодействие вредным связям с помощью П2.

Решение

В 2015 году был получен патент на дрон, корпус которого выполнен в виде пропеллера (рис. П.12). При падении дрона встречный поток воздуха воздействует на пропеллер, создавая подъемную силу и замедляя падение дрона.

Рис. П.12. Дрон. Патент США 2015/0158581 A1

Данный эффект можно наблюдать при падении семени клена. Он получил название авторотации. Это явление многие наблюдали, запуская вращающийся винт в воздух. Винт сначала взмывал в воздух, а затем плавно опускался на землю. Это явление используется у вертолетов. Так же опускалась запущенная игрушка вертолет, когда у нее кончался завод. Подобные игрушки продолжают создаваться (рис. П.13).

Рис. П.13. Летающая игрушечная машина. Патент США 6 811 460

Задача 9.34. Транспортная система Юницкого

Условие задачи

Транспортная система Юницкого представляет собой железную дорогу, расположенную над землей на столбах, а рельсы — это система предварительно напряженных тросов.

Одно из основных преимуществ этой дороги в том, что она занимает минимальную площадь на земле — только для столбов. Желательно максимально сократить количество столбов, т. е. увеличить пролет, но это уменьшает жесткость конструкции. Как быть?

Разбор решения

Воспользуемся стандартом 2.1.1. Цепные веполи.

Соединим две транспортные системы, которые будут поддерживать одна другую и компенсировать нагрузки.

Кроме того, каждая из линий представляет собой цепь одинаковых элементов.

Решение

Транспортная система содержит две основные рельсовые нити в виде предварительно напряженных силовых органов и две нити на другом уровне, которые связаны между собой посредством зигзагообразно ориентированных стержневых элементов, образующих с основными и вспомогательными нитями треугольники (рис. П.14 и П.15).

Рис. П.14 Общий вид транспортной системы

Рис. П.15. Транспортная линия

Задача 9.35. Ограбление банка

Условие задачи

Существует много различных систем для защиты банков, магазинов и т. п. от вооруженных ограблений. Наиболее распространена система, при которой на рабочем месте любого служащего банка есть кнопка, тумблер, клавиша, педаль, которую он в случае угрозы должен как-то нажать. Однако статистика показывает, что после команды грабителей: «Всем не двигаться, стреляю без предупреждения» — служащие банка не рискуют включить сигнализацию. Как быть?

Разбор задачи

Можно использовать стандарт 2.2.1. Переход к более управляемым полям.

Решение

Каждому служащему на кисть руки одевают специальный пьезо-браслет. Когда в банк врываются вооруженные грабители, пульс всегда резко учащается, что фиксируется браслетом. Если пульс участился сразу у трех служащих — система сигнализации сама срабатывает — блокируются все двери, а в помещение пускается усыпляющий газ.

Задача 9.36. Обнаружение труб под землей

Условия задачи

Как определить расположение закрытых подземных трубопроводов, не имеющих металлических деталей?

Разбор задачи

Можно использовать стандарт 4.4.1. Измерительный протофеполь.

Решение

В местах изменения направления и разветвления трасс на трубе устанавливают подземные ферромагнитные метки (рис. П.16).

Место разветвления трубы (В 1 ) ищут путем добавления к ней ферромагнитной (стальной) метки (В 2 ). Для определения местоположения метки используется миноискатель (индуктор и приемник).

Индуктор посылает электромагнитный сигнал П » , отражающийся от ферромагнитной метки В 2 в виде сигнала П »» , который воспринимается электромагнитным индикатором (приемником). Такой прибор аналогичен миноискателю.

Рис. П.16. Обнаружение труб под землей

Здесь

В 1  — труба,

В 2  — ферромагнитный материал (метка),

П « элмаг  — электромагнитный сигнал (электромагнитное поле),

П «« элмаг  — отраженный электромагнитный сигнал (электромагнитное поле).

Задача 9.37. Обработка корневого канала зуба

Условие задачи

Толщина канала чуть больше толщины обычной иглы, а сам корень глубоко сидит в челюсти. При этом стоматолог не может точно проконтролировать качество заполнения зуба.

Если при пломбировании зуба канал корня недостаточно заполнен фосфат-цементом, то зуб может воспалиться. То же может произойти, если цемента ввели много, и он выходит из верхушечного отверстия канала в окружающие зуб ткани.

Как быть?

Разбор задачи

Можно использовать стандарт 4.3.1. Использование физэффектов.

Решение

Способ контроля пломбирования отверстия корневого канала зуба заключается в пропускании электрического тока через корень зуба в процессе его заделки и измерении сопротивления. Момент правильной герметизации определяют по резкому падению (в 4—5 раз) сопротивления электрической цепи.

Один электрод помещают на десну, а другой подключен к инструменту, заполняющему канал фосфат-цементом, являющийся электропроводным. В момент касания жидким фосфат-цементом верхушки корневого канала электрическая цепь замыкается и ток идет через окружающие зуб ткани, имеющие сопротивление в 4—5 раз меньше, чем ткани корня зуба. В этот момент подается сигнал, свидетельствующий о закрытии верхушечного отверстия зуба (рис. П.17).

Рис. П.17. Обработка корневого канала. А. с. 1 115 745

1 — корневой канал; 2 — зуб; 3 — десна; 4 — электрод; 5 — источник тока; 6 — сигнализирующее устройство; 7 — фосфат-цемент; 8 — твердые ткани; 9 — корень зуба; 10 — верхушка корневого канала; 11 — ткани, окружающие зуб; 12 — измеряющий прибор.

Задача 9.38. Измерение массы в невесомости

Условие задачи

Медикам потребовалось измерять вес космонавтов в космосе.

Все весы при измерении используют силу тяжести. В невесомости ее нет.

Как быть?

Разбор задачи

Можно использовать стандарт 4.3.1. Использование физэффектов.

Решение

Использовать явление резонанса.

Как известно, период колебаний зависит от массы тела

где

T — период колебаний;

M — масса тела;

K — коэффициент упругости пружины.

Следовательно, тело необходимо подвесить или положить на пружину и придать ему колебания.

На этой основе был создан прибор для измерения массы тела космонавтов в невесомости. Принципиальная схема прибора изображена на рис. П.18.

Рис. П.18. Измерение массы

Задача 9.39. Разработка интегральных схем

Условие задачи

При разработке интегральных схем необходимо провести испытание их на функциональность и работоспособность. Это возможно, когда схема уже изготовлена. Изготовление интегральной схемы — очень сложный, дорогой и длительной процесс, но без такого испытания не будет ясно, как работает такая схема. Как быть?

Разбор задачи

Можно использовать стандарт 5.1.1.7. Использование копий.

Решение

Разработали компьютерные модели (симуляторы), с помощью которых можно провести виртуальные испытания.

Задача 9.40. Лазерная резка

Условие задачи

Разделение полупроводниковых пластин на отдельные чипы осуществляется газовым лазером. Лазерный луч фокусируется на небольшом участке подложки, что вызывает оплавление материала и его удаление при помощи сопутствующих процессу газов. Лазерный луч имеет коническую форму (рис.9.44). Однако в процессе резки газовыми лазерами также возникают проблемы: необходимость точной фокусировки луча на подложке (иначе луч может рассеиваться и тогда форма реза будет конической), а также загрязнение поверхности частицами расплавленного материала, которые осаждаются сопутствующими газами. Как быть?

Рис. 9.44. Принцип работы газового лазера

Разбор задачи

Можно использовать стандарт 5.3.1. Замена фаз.

Решение

Технология LaserMicroJet, разработанная швейцарской компанией Synova, решила эти проблемы. Вместо воздуха лазерный луч передается внутри тонкой струи воды. Лазерный луч через фокусирующую линзу попадает в камеру, в которую подается вода под давлением (300 бар, 1 л/мин). Далее лазерный луч выходит из камеры через насадку с отверстием малого диаметра (до 20 мкм) и, находясь в струе воды, попадает на обрабатываемую поверхность (рис. П.19).

Рис. П.19. Принцип работы технологии LaserMicroJet

Таким образом, струя воды под давлением является направляющей для лазерного луча (рис. П.20).

Рис. П.20. Полное внутреннее отражение лазерного луча

Технология основана на различии коэффициентов преломления воды и воздуха, поэтому лазерный луч, находясь в струе воды, отражается от ее поверхности. Струя воды не позволяет лазерному лучу отклоняться и его диаметр остается постоянным. Это гарантирует постоянную ширину реза при выполнении операции и позволяет проводить резку под любым углом наклона. В отличии от газового лазера, имеющего ограничения по своей длине (из-за отклонения и рассеивания) и требующего точной фокусировки, лазерный луч в струе воды по технологии LaserMicroJet не рассеивается, и длина его распространения может достигать 10 см без малейших отклонений по углу и диаметру (рис. П.21).

Рис. П.21. Рабочая дистанция системы LaserMicroJet

Задача 9.41. Передача информации с подводной лодки

Условие задачи

Радиосвязь с подводной лодки (ПЛ) в подводном положении представляет собой серьезную проблему, так как электромагнитные волны с частотами, использующимися в традиционной радиосвязи, сильно ослабляются при прохождении через толстый слой проводящего материала, которым является соленая вода. В связи с этим требуется, чтобы антенна ПЛ находилась на поверхности. Это опасно, так как в это время подводную лодку могут обнаружить.

Как быть?

Разбор задачи

Можно использовать стандарт 5.4.2. Усиление поля на выходе.

Решение

Опишем одно из решений.

Антенна поднимается на короткий срок, чтобы передать сжатую информацию. Информацию кодируют, и передача занимает доли секунды.

Другие способы передачи информации с ПЛ изложены в статье «Связь с подводными лодками».

Задача 9.42. Мытье окон

Условие задачи

Мыть оконные стекла необходимо с двух сторон. С внутренней стороны окна стекла мыть удобно, а с наружной — не только неудобно, но и опасно.

Как быть?

Разбор задачи

Когда стекло моют сначала с одной стороны, а потом — с другой, и если на стекле остался плохо вымытый участок, то не понятно, с какой стороны плохо вымыто стекло. Идеально, когда стекло моется сразу с двух сторон. Это возможно только когда рама открывается внутрь квартиры, но и в этом случае — только на длину рук.

Неплохо было бы, чтобы внутренняя часть моющего устройства удерживала бы наружную часть моющего устройства.

Воспользуемся стандартом 2.4.1. «Протофеполи» — используем магнит.

Решение

В каждой моющей части помещают магниты. Управление мойкой осуществляют внутренней частью, которая с помощью магнитов перемещает наружную часть.

Идея такого устройства была впервые предложена Сэром Джоном А. Ховардом (John A. Howard Sr) еще в 1920 году, но само по себе устройство было достаточно сложное. В 1926 году это устройство усовершенствовал Давид Вайс. В наиболее удобном виде моющее устройство предложил Д. Андреа Рокко (D. Andrea Rocco) в 1950 году. Совершенствование этого устройства продолжается и сегодня.

 

КЛАСС 1. ПОСТРОЕНИЕ И РАЗРУШЕНИЕ ВЕПОЛЬНЫХ СИСТЕМ

 

КЛАСС 2. РАЗВИТИЕ ВЕПОЛЬНЫХ СИСТЕМ

 

КЛАСС 3. ПЕРЕХОД К НАДСИСТЕМЕ И НА МИКРОУРОВЕНЬ

 

КЛАСС 4. СТАНДАРТЫ НА ОБНАРУЖЕНИЕ И ИЗМЕРЕНИЕ СИСТЕМ

 

КЛАСС 5. СТАНДАРТЫ НА ПРИМЕНЕНИЕ СТАНДАРТОВ