Глава 9. Самостоятельная работа. «Стандарты изобретательства»

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.

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

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

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

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

Как быть?

Задача 9.4. Перевозка оконного стекла

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

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?

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

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

Как с помощью автомобиля выражать эмоции автомобилистам помимо клаксона?

Задача 9.9. Слежение за объектом

Необходимо следить за каким-то объектом.

Задача 9.10. Манипулятор

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

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

Как можно это использовать?

Задача 9.12. Мышеловка

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

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

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

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

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

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

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

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

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

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

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

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

Как быть?

Задача 9.23. Дуэль

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

Как ему быть?

Задача 9.24. Сохранение экологической чистоты

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

Как быть?

Задача 9.25. Опыление

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

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

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

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

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

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

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

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

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

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

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

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

Задача 9.37. Обработка корневого канала зуба

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

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

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

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

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

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?

Название книги

Стандарты изобретательства

Петров Владимир

Глава 9. Самостоятельная работа