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.