Приложение 1. Разбор задач
В данном разделе покажем наш вариант разбора некоторых задач.
1. Определите номер стандарта
Ниже, по рассмотренным в задании примерам, приведем возможные номера стандартов. Постарайтесь найти и другие варианты.
2. Решение задач
Задача 9.1. Нейронные сети
Условие задачи
При обучении нейронных сетей крайне важен объем и качество данных, на примере которых обучается программа, однако в некоторых случаях подходящей информации может попросту не оказаться в нужном объеме — например, для тренировки нейросети, которая поможет управлять различными устройствами взглядом, необходимо большое количество размеченных фотографий глаз. Разметка больших баз вручную — трудоемкий процесс, поэтому исследователи, решающие подобные задачи, нередко используют вместо реальных фотографий рендеры изображения глаз.
В первой опубликованной Apple работе описывается метод улучшения синтетических размеченных изображений, которые используются для быстрого обучения нейросетей.
У нейросетей, натренированных на синтетических изображениях, проявляется новая слабость — они хуже распознают реальные фотографии, поскольку они не использовались в обучении или использовались в значительно меньшем количестве, чем синтетические. Одно из возможных решений — использовать бóльшие вычислительные мощности при создании изображений для повышения их реалистичности, однако такой метод ведет к ощутимому удорожанию работы.
Как быть?
Разбор задачи
Использовать стандарт 4.1.2. Использование копий.
Решение
Чтобы решить существующие проблемы с генерируемыми изображениями, разработчики из Apple решили использовать промежуточную нейронную сеть, которая помогает создавать набор данных для обучения. Программа использует размеченное синтетическое изображение и неразмеченную реальную фотографию для создания на выходе нового улучшенного изображения, которое сохраняет в себе направление взгляда и разметку от синтетического. Фактически, стиль фотографии переносится на сгенерированное изображение глаза — подробнее о том, как нейросети могут переносить стиль одного изображения на другое, можно прочитать в материале «На выставке Ван Гога».
Задача 9.2. Очистка водоемов от затонувшей древесины
Условие задачи
Как очистить водоем от затонувшей древесины?
Известен способ очистки водоемов от затонувших бревен путем направления струи воды на затонувшую древесину. Она всплывает и ее транспортируют к месту складирования.
Однако этот способ не обеспечивает плавучести бревен.
Как быть?
Разбор задачи
Можно использовать сочетание стандартов 1.1.3. Внешний комплексный веполь и 2.2.3. Переход к КПМ.
Решение
Водоем заполняют пеновоздушной смесью, подаваемой под давлением по шлангу на дно водоема (рис. П.1).
Струя пены под давлением размывает грунт. Пена прилипает к бревнам и, обладая определенной подъемной силой, поднимает их на поверхность. Такой подъем бревен предотвращает их дальнейшее затопление. Этот способ действует при любых погодных условиях и любом количестве затопленных бревен. После отлова бревен пену собирают и используют повторно.
Рис. П.1. Очистка водоемов от затонувшей древесины. А. с. 1 020 313
1 — генератор; 2 — пена; 3 — коллектор; 4 — рукава.
Задача 9.3. Обработка тонкого стекла
Условие задачи
Для изготовления устройства потребовалось изготовить деталь из тонкого стекла. При обработке тонкое стекло ломается. Как быть?
Разбор задачи
ФП: стекло должно быть толстым, чтобы не ломаться при обработке, и должно быть тонким для установки его в устройство.
Чтобы разрешить это противоречие, необходимо тонкие стекла на время обработки объединить в одно толстое стекло, например с помощью клея.
Стандарт 3.1.1. Образование бисистем и полисистем.
Решение
Склеить тонкие стекла в блок, обработать, а затем растворить клей.
Задача 9.3. Обработка тонкого стекла
Условие задачи
Для изготовления устройства потребовалось изготовить деталь из тонкого стекла. При обработке тонкое стекло ломается. Как быть?
Разбор задачи
ФП: стекло должно быть толстым, чтобы не ломаться при обработке, и должно быть тонким для установки его в устройство.
Чтобы разрешить это противоречие, необходимо тонкие стекла на время обработки объединить в одно толстое стекло, например с помощью клея.
Стандарт 3.1.1. Образование бисистем и полисистем.
Решение
Склеить тонкие стекла в блок, обработать, а затем растворить клей.
Задача 9.4. Перевозка оконного стекла
Условие задачи
Оконные стекла для транспортировки укладывают в дощатый ящик и пересыпают стекло каким-либо «мягким» материалом, например опилками, стружкой, полиуретаном и т. п. При таком способе упаковки стекло во время транспортировки и неосторожной разгрузки бьется. Кроме того, на упаковку расходуется много древесины (доски, опилки или стружка). Как быть?
Разбор задачи
Почему бьются стекла? В каждом стекле, каким бы оно ни казалось гладким, имеются микронеровности и, стукаясь ими друг о друга, стекла бьются. Значит, как и в предыдущей задаче, между стеклами нужно поместить какую-нибудь жидкость, например, клей.
ФП: клей должен прочно соединить все стекла (сделать их монолитом), чтобы стекла не бились, и не должен прочно соединять, чтобы стекла легко можно было разъединить.
Использование сочетания стандартов 3.1.1. Образование бисистем и полисистем и 1.1.3. Внешний комплексный веполь.
Разделим противоречивые свойства в структуре — изменим структуру жидкости (клея). Заменим клей, например, водой. Вода прекрасно выполнит функции прослойки между стеклами, но вода достаточно быстро испарится и силы поверхностного натяжения «скрепят» стекла и их будет очень трудно разъединить (оторвать друг от друга).
Решение
Чтобы надежно упаковать стекло, достаточно смазать поверхность каждого листа минеральным маслом и по периметру «одеть» пластмассу или резину, например разрезанный вдоль шланг. Для смазки можно использовать отработанные масла: машинное, вазелиновое, трансформаторное, веретенное. Стекло в такой упаковке можно хранить под открытым небом зимой и летом, оно не бьется даже при неосторожной разгрузке. Стекло, покрытое слоем масла, легче очистить от грязи и извести.
Особенно это важно на стройках, где стекла пачкаются краской.
Задача 9.5. Бракованные бритвы
Условие задачи
Радиус режущей кромки безопасной бритвы — около 1 мкм.
Человеческий глаз может рассмотреть объекты с линейными размерами не менее 5 мкм. Как обеспечить визуальное обнаружение сколов и завалов на режущей кромке бритвы?
Разбор задачи
Использовать стандарт 3.1.1. Образование бисистем и полисистем.
Решение
Пакет лезвий представляется человеческому глазу абсолютно черной поверхностью. Если на каком-то лезвии есть дефект, то он будет различим для глаза в виде яркой отметены на черном фоне (виден только дефект).
Задача 9.6. Как гнуть трубки?
Условие задачи
Часто возникает необходимость гнуть трубки небольшого диаметра с тонкими стенками по шаблону. Во время гибки трубки мнутся, а иногда и ломаются (появляются трещины). Как быть?
Разбор задачи
ФП: трубка должна быть заполнена твердым, чтобы не портиться при гибке, и не должна быть заполнена, чтобы оставаться трубкой, т. е. чтобы сохранить внутреннее отверстие (пустоту).
Использовать стандарты 3.1.1. Образование бисистем и полисистем и 1.1.3. Внешний комплексный веполь.
Решение
Перед гибкой трубку наполнить водой и заморозить. Для этих целей может быть использован парафин, воск, металлы с низкой температурой плавления (олово, свинец) и т. п.
Задача 9.7. Ленточные конвейеры
Условие задачи
Ленточные конвейеры, несущие уголь, руду и другие сыпучие материалы, необходимо очищать от прилипших к ленте частичек. Используемые для этой цели скребки быстро изнашиваются.
Нужно предложить «неизнашивающийся» скребок.
Разбор задачи
ИКР: Скребок сам себя восстанавливает.
ФП: Скребок должен касаться ленты, чтобы ее очищать, и не должен, чтобы не изнашиваться.
Используем стандарт 1.2.2. Устранение вредной связи введением видоизмененных В1 и/или В2.
Решение
Берется обычная стальная пластина и укрепляется параллельно очищаемому участку конвейерной ленты недалеко от места разгрузки. Между лентой и пластиной остается небольшой зазор. В этот зазор набиваются частицы транспортируемого материала, которые трутся в дальнейшем о ленту, выполняя роль постоянно возобновляемого скребка.
Задача 9.8. Машина выражает эмоции
Условие задачи
Как с помощью автомобиля выражать эмоции автомобилистам помимо клаксона?
Разбор задачи
ИКР: Машина своим видом показывает эмоции.
Используем стандарт 2.2.4. Динамизация.
Решение
Инженеры компании Toyota решили дать автомобилистам помимо клаксона и другие возможности для самовыражения.
Компания запатентовала в США автомобиль, который по воле хозяина может «строить рожи» другим машинам.
Машина способна злобно щурить «глаза» -фары, ее капот меняет цвет на красный, «багровея от гнева», а антенна начинает резко ходить из стороны в сторону, как хвост у кошки или тигра.
Водитель и пассажиры будут управлять «эмоциями» автомобиля через бортовой компьютер.
В заявке на патент утверждается, что новые машины создадут на улицах «веселую и естественную атмосферу», а также помогут водителю «ближе сродниться со своим автомобилем».
Пока неизвестно, намерены ли инженеры Toyota в дальнейшем научить машины и ругаться
Другое решение этой же компании — автомобиль FV2 (рис. П.2). Внешняя поверхность автомобиля покрыта жидкокристаллической пленкой и может отражать настроение водителя, которое считывается с выражения лица и голоса водителя [2].
Рис. П.2. Концепт автомобиля ToyotaFV 2
Еще одно решение представляет компания Toyoda Gosei, входящая в Toyota Group — концепт-кар Flesby II — ультракомпактный автомобиль для 2030 года. Особенность машины в том, что ее наружные кузовные панели сделаны из нового материала e-rubber (англ. «электронная резина»). Он может изменять форму посредством электрических сигналов. Кроме того, этот материал поглощает удары и безопасен для пешеходов при наезде.
Под полупрозрачными вставками будут размещены светодиоды, с помощью которых можно будет выводить информацию для других водителей и пешеходов (рис. П.3).
С помощью изменения формы и светодиодов могут выражаться и эмоции водителя.
Рис. П.3. Концепт автомобиля Flesby II
Задача 9.9. Слежение за объектом
Условия задачи
Необходимо следить за каким-то объектом.
Разбор задачи
Дано только одно вещество В 1 — объект слежения.
Система не вепольная на обнаружение.
Необходимо воспользоваться стандартом 4.2.1. «Измерительный» веполь.
Итак, у нас имеется объект слежения В 1. Построим вепольную схему слежения за объектом. Для этого добавим еще одно вещество В 2 («радиожук»), которое генерирует поле П 1 (радиополе).
Веполь будет иметь вид (П.1).
Где
В 1 — объект слежения;
В 2 — «радиожук»;
П 1 — радиополе.
Решение
Для слежения за каким-либо объектом к нему прикрепляют «жучок». С помощью специальной аппаратуры определяют место нахождения объекта слежения.
Задача 9.10. Манипулятор
Условия задачи
Манипулятор — сложное устройство точной механики, но плохо выполняет операции по захвату хрупких предметов, например лампочек. Как обеспечить выполнение таких операций?
Разбор задачи
ФП: «Клешня» должна быть мягкой, чтобы не раздавить лампочку, и должна быть твердой, чтобы держать лампочку.
ФП разрешается во времени: когда робот «захватывает» предмет, то клешня должна быть мягкой, а когда удерживает, переносит — твердой.
Воспользуемся стандартом 2.2.2. Дробление.
Решение
Клешня делается из материала с эффектом памяти формы (ЭПФ). Каждый отдельный элемент клешни постепенно приближается к предмету удержания и охватывает его.
Можно клешню выполнить в виде эластичной тонкой оболочки, в которую помещают микросферы или песок. Оболочка охватывает удерживаемый предмет, точно повторяя его форму (как бы делает «слепок» с него). Затем откачивают воздух, и микросферы плотно прижимаются друг к другу. «Слепок» получается твердым. Когда необходимо освободить удерживаемый предмет, открывают клапан, воздух проникает в оболочку, и она вместе с микросферами снова становится мягкой.
Задача 9.11. Раскаленное шоссе
Условия задачи
В наиболее жаркую пору лета асфальт нагревается почти до температуры плавления.
Как можно это использовать?
Разбор задачи
Самостоятельно.
Решение
Австралийские инженеры предложили прокладывать под полотном шоссе трубы, по которым циркулирует вода. Согласно проекту вода будет отнимать тепло от асфальта и тот останется твердым.
Другими словами, польза будет двойная: вырабатывается теплая вода и исчезает опасность скольжений и заносов автомобилей вследствие расплавления асфальта.
Задача 9.12. Мышеловка
Условия задачи
Стандартная мышеловка, работающая на пружине (рис. 9.38), достаточно эффективна, но травмирует мышь, потенциально опасна для домашних животных, детей и даже для взрослых.
Разработать новую мышеловку, удовлетворяющую следующим требованиям:
— Мышь должна ловиться.
— Мышь не должна получать травмы.
— · Должна оставаться возможность высвободить мышь.
— Мышеловка должна быть безопасной для домашних животных и для людей.
— Мышеловка должна быть простой и недорогой.
Рис. 9.38. Мышеловка
Разбор задачи
Изобразим вепольную модель исходной ситуации (П.2).
Мышеловка удерживает пружину В 1 , которая создает силу П, воздействующую на мышь В 2 .
Травмирует мышь именно пружина, поэтому от нее следует отказаться.
Тогда модель будет (П.3)
Это невепольная модель, следовательно, для решения задачи нужно воспользоваться стандартом 1.1.1.
Нам остается подобрать поле, которое не было бы вредно для мыши и было бы дешевым. Как мы знаем, самое дешевое — то, что у нас имеется (ресурс). Какое поле постоянно существует? Это магнитное поле Земли и гравитация.
Необходимое для нас поле может создать гравитация, оно должно помочь удержать мышь в мышеловке и не повредить ей.
Решение
Конструкция и принцип работы мышеловки показана на рис. П.4.
Мышь чувствует запах сыра, который закреплен в стенке левой части мышеловки (рис. П.4а) и проникает в мышеловку (рис. П.4б). Когда мышь проходит в левую часть мышеловки, то под ее весом левая часть опускается вниз, и дверца захлопывается (рис. П.4в). Остается только открыть дверцу и выпустить мышь на свободу (рис. П.4г). Имеются и другие мышеловки, основанные на этом принципе.
Рис. П.4. Принцип работы мышеловки
Задача 9.13. Термическая обработка зерновых
Условия задачи
В злаках заводятся личинки и яйца вредителей, которые необходимо уничтожить для хранения или продажи зерна.
Для этого зерно нагревают до 64—66 оС. Выше 66 оС зерно портится, а ниже 64 оС вредители не полностью уничтожается.
Управление системой нагрева происходило с помощью сложной аппаратуры, содержащей большое количество сверхточных температурных датчиков. Однако даже эта аппаратура не допускала поддержание точной температуры везде. Поэтому некоторые зерна портились, а в отдельных местах не уничтожались вредители. Как быть?
Разбор задачи
Используем стандарт 4.4.5. Использование физэффектов.
Решение
Зерно смешивают с ферромагнитным порошком, изготовленным из материала с точкой Кюри 65 °С. Порошок нагревают токами высокой частоты.
Нагрев равный или больше точки Кюри превращает ферромагнитный материал в парамагнитный и токи высокой частоты не нагревают металл.
Задача 9.14. Ремень безопасности
Условия задачи
Ремни безопасности используются в автомобиле для защиты водителя при авариях. Однако при сильных столкновениях ремень врезается в корпус и может вызвать травму (рис. 9.39).
Как быть?
Рис. 9.39. Пояс безопасности
Разбор задачи
Представим исходную ситуацию
Где
В 1 — водитель;
В 2 — пояс безопасности;
П 1 — поле давлений.
Положительная связь между В 1 и В 2 (прямая стрелка) — это удержание водителя в кресле. Отрицательная связь (волнистая стрелка) — травмирование водителя.
Это веполь с вредными связями.
Такая задача решается с помощью стандартов подкласса 1.2.
Воспользуемся стандартом 1.2.1. Устранение вредной связи введением В 3
Решение
В качестве В 3 выберем дополнительную оболочку (воздушную подушку), которая надувается при аварии, спасая водителя (рис. П.5).
Подушка безопасности
В 3
Рис. П.5. Подушка безопасности
Этот же пример можно рассматривать и как стандарт 1.2.4 (противодействие вредным связям с помощью П2), но более сложный.
Где
В 1 — водитель;
В 2 — пояс безопасности;
В 3 — подушка безопасности;
П 1 — поле давлений, создаваемое при аварии;
П 2 — поле давлений, надувание подушки безопасности;
П 3 — поле давлений, противодействующее полю, создаваемому при аварии.
Задача 9.15. Вырезание дисков из стекла
Условия задачи
Кольцевое сверло вырезает диски из листов стекла. При этом образуются трещины в дисках (рис. 9.40).
Как быть?
Рис. 9.40. Вырезание дисков из стекла
Разбор задачи
Представим исходную ситуацию
Где
В 1 — сверло;
В 2 — диск;
П 1 — поле давлений (резание).
Положительная связь между В 1 и В 2 (прямая стрелка) — это резание стекла. Отрицательная связь (волнистая стрелка) — появление трещин.
Это веполь с вредными связями.
Такая задача решается с помощь стандартов подкласса 1.2.
Воспользуемся стандартом 1.2.1. Устранение вредной связи введением В 3
Решение
В качестве В 3 выберем лед (рис. П.6).
Рис. П.6. Вырезание дисков из стекла
Предлагается ввести лед между стеклянными листами. Листы увлажняются водой и замораживаются. Лед скрепляет листы вместе, образуя монолитную структуру. Это предотвращает развитие трещин.
Задача 9.16. Защита стенок трубы
Условия задачи
Абразивная пульпа транспортируется по трубопроводу и разрушает стенки трубы (рис. 9.41).
Как быть?
Рис. 9.41. Защита стенок
Разбор задачи
Представим исходную ситуацию
Где
В 1 — абразивная пульпа;
В 2 — труба;
П 1 — поле давлений (поток пульпы).
Положительная связь между В 1 и В 2 (прямая стрелка) — это формирование потока пульпы. Отрицательная связь (волнистая стрелка) — разрушение стенки трубы.
Это веполь с вредными связями.
Такая задача решается с помощь стандартов подкласса 1.2.
Воспользуемся стандартом 1.2.2. Устранение вредной связи введением видоизмененных В 1 и/или В 2 .
В качестве В 3 выберем лед — видоизменение воды — составной части пульпы В ' 2 .
Решение
Предлагается ввести защитный слой между пульпой и стенкой трубы. Этот слой сделан из самой пульпы (ее составной части — воды). Трубу охлаждают в зонах износа и на внутренней стенке образуется слой льда. Абразив изнашивает слой льда вместо стенки трубы. Слой непрерывно восстанавливается, намораживая изношенный участок льда (рис. П.7).
Рис. П.7. Защита стенок
Задача 9.17. Удаление воздуха из порошка
Условия задачи
Удаление воздуха из порошкообразного материала осуществляется в деаэраторе (рис. 9.42).
Процесс идет медленно из-за медленного испарения.
Это также увеличивает потребность в резервуарах для деаэрации, которые нуждаются в больших складских площадях.
Как улучшить процесс деаэрации?
Рис. 9.42. Удаление воздуха из порошка
Разбор задачи
Исходную систему, с вепольной точки зрения, можно рассматривать как состоящую из двух веществ: порошка В 1 и газа В 2 . Тогда эта система не вепольная и нужно воспользоваться стандартом 1.1.1. Постройка веполя.
Можно рассматривать, что в этой системе имеется плохо управляемое поле — температура.
В обоих случаях нужно подобрать более управляемое поле, воспользовавшись стандартом 2.2.1. Переход к более управляемым полям.
Решение
В качестве полей могут быть использованы центробежное или ультразвуковое.
Где
В 1 — порошкообразный материал;
В 2 — газ;
П 1 — центробежное или ультразвуковое поле.
В данном решении сокращается время деаэрации и сокращаются площади, необходимые для проведения процесса (рис. П.8).
Рис. П.8. Удаление воздуха из порошка
Задача 9.18. Отверстие в резиновой трубке
Условия задачи
Необходимо просверлить аккуратное круглое отверстие в резиновой трубке.
Если сверлить сверлом, трубка сплющится и отверстие получится некруглым. Если прожигать отверстие, трубка не сплющится, но получится неаккуратно — останутся обгорелые края.
Как быть?
Разбор задачи
Сверло В 1 давит П 1 на резиновую трубку В 2 , трубка сплющится и отверстие получится некруглым.
Вепольную схему задачи можно представить в виде (П.12.)
Где
В 1 — сверло;
В 2 — резиновая трубка;
П 1 — сила давления.
Задача описывается веполем с полезной и вредной связью. Полезное действие (прямая стрелка от В 1 к В 2 ) — сверление (проделывание отверстия). Вредное (волнистая стрелка от В 1 к В 2 ) — сжатие резиновой трубки.
Одно из возможных решений: перейти к внешнему комплексному веполю по стандарту 1.1.3, т. е. необходимо ввести В 3.
Решение
Сделать трубку временно твердой, залив в нее воду и заморозив. Затем трубку, заполненную льдом, можно спокойно просверлить — получится аккуратное круглое отверстие.
Еще лучше, если трубку ненадолго поместить в жидкий газ, например гелий, а затем — в воду. Тогда лед образуется только на поверхности трубки и не изменит ее размеры, как в предыдущем случае, когда лед занимал весь внутренний объем трубки, расширяя ее.
Задача 9.19. Освещение взлетно-посадочной полосы
Условия задачи
Перегорание осветительных ламп на взлетно-посадочной полосе аэродрома может быть опасным для посадки самолетов.
Как сделать, чтобы лампы не перегорали?
Разбор задачи
Используем стандарт 2.2.1. Переход к более управляемым полям.
Воспользуемся радиоактивным веществом.
Разработаны радиоактивные фонари, использующие явление радиолюминесценции — люминесценции вещества, вызванной воздействием ионизирующего излучения.
Решение
Стеклянный сосуд наполняют сульфидом цинка (сернистый цинк, ZnS — цинковая соль сероводородной кислоты). Это вещество в присутствии следов меди, кадмия, серебра и др. приобретает способность к люминесценции. Внутри сосуда помещают радиоактивный изотоп тритий (радиоактивный изотоп водорода), имеющий период полураспада 12 лет. Бета-лучи, испускаемые тритием, воздействуют на сульфид цинка, вызывают его свечение без использования внешнего источника питания. Свет виден на расстоянии 3 км и имеет срок службы 8‒10 лет, не требует обслуживания, а уровень радиоактивности не является опасным для человека.
Задача 9.20. Опоры мостов
Условия задачи
Быки (опоры) мостов в зимнее время покрываются льдом и постепенно разрушаются. Вода попадает в трещины быков, при замерзании лед расширяется и откалывает куски.
Необходимо устранить этот недостаток наиболее простым и дешевым способом.
Разбор задачи
Вода В 2 омывает бык В 1. На воду В 2 воздействует низкая температура и вода превращается в лед, что портит быки.
Вепольная схема задачи описывается моделью (П.14)
Где
В 1 — бык (опора моста);
В 2 — вода;
П 1 — температура (ниже нуля).
Задача описывается веполем с вредной связью. Одно из возможных решений: перейти к внешнему комплексному веполю — стандарт 1.1.3 (П.15).
Необходимо ввести В 3 , не позволяющее воде замерзать.
Воспользуемся ресурсами системы.
Решение
Ниже поверхности воды, особенно на дне, вода имеет температуру выше нуля. Остается тепло передать воде на поверхность вокруг быка. Необходимо использовать вещество с более высоким коэффициентом теплопроводности, например медь. Вокруг быков помещают медные трубы, вбитые в грунт (дно), они передадут тепло на поверхность и согреют воду вокруг быков.
В 3 — медная труба.
Задача 9.21. Опыление цветка
Условия задачи
Для повышения эффективности опыления самофертильных (самоопыляющихся) растений извлечение пыльцы из пыльников производят встряхиванием растений, что может приводить к их повреждению.
Разбор задачи
Самостоятельно.
Решение
Предложено извлекать пыльцу воздействием на растение звуком в полосах частот, совпадающих с частотами собственных колебаний стержневых систем растения: цветок — цветоножка, пыльник — тычиночная нить.
В результате выделяются и в резонансе колеблются только нужные части растений, более полно извлекается пыльца и исключаются повреждения остальных частей растения.
Задача 9.22. Зарастание труб
Условия задачи
По трубам подавали щелочную жидкость. Трубы зарастали. По другим трубам подавали кислую жидкость. Кислота разъедала стенки труб.
Как быть?
Разбор задачи
Самостоятельно.
Решение
М. Шарапов предложил подавать по каждой трубе поочередно то кислоту, то щелочь. Кислота разъедает осадок, образуемый щелочью. Труба не засоряется и не изнашивается.
Задача 9.23. Дуэль
Условия задачи
Слуга Дон Жуана притворялся своим хозяином. Он получает одновременно вызовы на дуэль от полусотни дворян.
Как ему быть?
Разбор задачи
Использовать стандарт 1.2.3. «Оттягивание» вредного действия.
Решение
Слуга предлагает дворянам самим разрешить, чья очередь драться первым. Они решают это привычным способом — дуэлями. В результате — все перебиты.
Задача 9.24. Сохранение экологической чистоты
Условия задачи
За сохранением экологической чистоты следит специальная служба. Однако она не может уследить за всеми предприятиями.
Как быть?
Разбор задачи
Использовать стандарт 1.2.3. «Оттягивание» вредного действия.
Решение
В США создана система экологического мониторинга, в ней минимальной единицей, для которой установлен лимит выбросов, является территориально-производственная ячейка, включающая зачастую несколько предприятий, вынужденных следить друг за другом и заставлять друг друга снижать выбросы. Более того, разрешение на открытие нового производства или на расширение имеющегося дается только при условии снижения суммарного объема выбросов. Хочешь расширяться — снижай вредность!
Задача 9.25. Опыление
Условие задачи
Томаты и некоторые другие растения держат пыльцу в особых контейнерах, напоминающих солонки с отверстиями.
Как насекомому достать пыльцу из такого контейнера?
Разбор задачи
Использовать стандарт 2.4.10. Согласование ритмики.
Решение
Насекомое опускается на цветок и машет крылышками с резонансной частотой контейнера. Такие колебания поднимают пыльцу, и она вытряхивается из контейнера.
Насекомое не только ест пыльцу, но покрывается ею полностью.
Задача 9.26. Водовод
Условие задачи
При строительстве водовода на Усть-Илимской ГЭС необходимо было опустить 4000-тонную трубу (водовод) на склон.
Трубу строят вертикально (рис. 9.43а), а потом опускают на склон
(рис.9.43б). Для этого предложили использовать систему подъемных кранов или домкратов, которые было необходимо спроектировать и построить, что требовало много времени и средств. Как быть?
Рис. 9.43. Опускание водовода на склон
Разбор задачи
Использовать сочетание стандартов 1.1.3. Внешний комплексный веполь, 2.2.4. Динамизация, 2.2.6. Структуризация веществ, 3.2.1. Переход на микроуровень. Кроме того, использованы ресурсы.
Решение
Под трубой и от склона до трубы насыпали снег (рис. П.9). Когда он растаял, труба опустилась сама.
Рис. П.9. Опускание водовода на склон
Задача 9.27. Ремонт буксиров
Условие задачи
В Дудинский порт (г. Норильск, Север России) суда доставляет буксир.
Каждый год требуется осматривать подводную часть буксиров и при необходимости ремонтировать.
Для этого буксиры доставляют на ремонтный завод или используют специальное сооружение — док.
Ближайший ремонтный завод находится в Мурманске, что достаточно далеко, а дока в порту не было и он стоит очень дорого.
Как быть?
Разбор задачи
Самостоятельно.
Решение
Док «построили» изо льда (рис. П.10).
Осенью буксиры оставили на реке.
Когда река стала замерзать, лед вырубали, «делая» ледяной док.
Рис. П.10. Ледяной док
Задача 9.28. Кукла
Условие задачи
Некоторыми куклами ребенок играет несколько лет. Размер куклы не меняется. Неплохо было бы, если бы кукла росла вместе с ребенком… Как быть?
Разбор задачи
Самостоятельно.
Решение
В США выпускаются надувные игрушки из пластика, которые способны расти вместе с ребенком. Надо лишь подкачать сжатого воздуха.
Задача 9.29. Космическая станция
Условие задачи
Завершалась разработка космической станция «Венера-12». К конструкторам пришел ученый из Института геохимии и аналитической химии. Он попросил разместить в спускаемом аппарате станции еще один прибор весом 6 кг. Конструкторы только посмеялись над ним. Надо отметить, что в автоматических космических аппаратах очень плотная упаковка, где учитывается каждый грамм веса и кубический сантиметр пространства.
Как быть?
Разбор задачи
Самостоятельно.
Решение
В спускаемом аппарате был центровочный груз, чтобы аппарат занимал строго определенное положение в пространстве. Конструкторы догадались заменить центровочный груз прибором, который одновременно выполнял свои функции и функции груза.
Задача 9.30. Шины самолета
Условие задачи
В момент касания колеса шасси самолета посадочной полосы колесо сильно стирается. Это происходит из-за очень большого трения, возникающего в результате разности скоростей движения самолета и неподвижной посадочной полосы. Как правило, такие колеса меняются после нескольких посадок. Это очень дорого.
Как быть?
Разбор задачи
Нужно использовать стандарт 2.3.2. Согласование ритмики П1 и П2.
Соответственно, нужно согласовать эти скорости и сделать разницу скоростей как можно меньше или равной нолю. Следовательно, нужно или делать «бегущую» посадочную полосу, или раскрутить колесо шасси. Естественно, значительно легче раскрутить колесо. Для этого нужно использовать имеющиеся ресурсы — набегающий поток.
Решение
На боковой поверхности колеса сделали направляющие (лопатки).
Набегающий поток раскручивает колесо, и оно крутится точно с той же скоростью, с которой движется самолет.
Задача 9.31. Чистые помещения
Условие задачи
Производство электроники, медицинских препаратов, некоторые научные исследования и т. д. требуют особо чистых условий. Например, для производства микроэлектроники требуются комнаты в 10 000 раз чище операционных в больницах.
«Чистая комната» первого класса — самая чистая и содержит не более одной пылинки на кубический фут (0,0283 м3). Как быть?
Разбор задачи
Таким образом, для поддержания стабильных условий чистоты требуется динамизация (постоянная смена воздуха). Т. е. применение стандарта 2.4.8. Динамизация.
Решение 1
Гигантские системы фильтрации воздуха полностью меняют воздух в чистых комнатах примерно 10 раз в минуту, уменьшая вероятность повреждения микросхем переносимыми воздухом частицами.
Возникает новая задача
Такие помещения не могут быть полностью герметизированы. Должны входить и выходить люди, поступать материалы для производства и выходить готовые изделия. В связи с этим воздух из нечистых помещений может проникать в чистые помещения.
Как быть?
Разбор задачи
Можно использовать стандарт 2.2.2. Дробление В2.
Решение 2
Создали систему постепенного перехода из нечистого помещения в более чистые и далее — в помещения более высокого класса.
Новая задача
Даже эти предосторожности не исключают проникновение пылинок в самые чистые помещения. Как быть?
Разбор задачи
Можно использовать стандарт 2.3.2. Согласование ритмики П1 и П2.
Решение 3
В более чистых помещениях создается избыточное давление воздуха по отношению к смежным с ним помещениям (менее чистым). Это основной принцип обеспечения чистоты в «чистых комнатах» (рис. П.11).
Рис. П.11. Основной принцип работы «чистой комнаты»
Количество приточного воздуха должно превышать вытяжку минимум на 20% при условии, что самая чистая комната находится в центре здания, и не менее 30% при наличии в помещении остекления, допускающего инфильтрацию. Это обеспечивает движение воздуха из более чистой комнаты в смежные помещения с более низкой степенью чистоты по мере убывания требований.
Задача 9.32. Видимость в снегопад
Условие задачи
Когда во время ливня или снегопада водитель машины включает фары (особенно дальний свет), то он видит перед собой глухую стену из дождя или снега. Как быть?
Разбор задачи
Можно использовать стандарт 2.3.2. Согласование ритмики П1 и П2.
Решение
В Университете Карнеги-Меллон придумали остроумное решение этой проблемы. С помощью видеокамер компьютерная система отслеживает положение снежинок (или дождевых капель) и предсказывает их дальнейшую траекторию, после чего выключает на короткие промежутки времени соответствующие лучи многолучевых «интеллектуальных фар» (в прототипе был использован обычный DLP-проектор). Как показали эксперименты, с такой системой водитель даже во время метели не замечает 70—80% снежинок, при этом средняя интенсивность света фар снижается всего на 5%.
Задача 9.33. Падение дрона
Условие задачи
Падение дрона с высоты в случае отказа двигателей может представлять угрозу безопасности людей. Снабжение дронов парашютом усложняет конструкцию и увеличивает вес.
Как быть?
Разбор задачи
ИКР: Дрон должен сам замедляться в воздухе, как это делает парашют.
Можно использовать стандарты 1.1.4. Веполь на внешней среде и 1.2.4. Противодействие вредным связям с помощью П2.
Решение
В 2015 году был получен патент на дрон, корпус которого выполнен в виде пропеллера (рис. П.12). При падении дрона встречный поток воздуха воздействует на пропеллер, создавая подъемную силу и замедляя падение дрона.
Рис. П.12. Дрон. Патент США 2015/0158581 A1
Данный эффект можно наблюдать при падении семени клена. Он получил название авторотации. Это явление многие наблюдали, запуская вращающийся винт в воздух. Винт сначала взмывал в воздух, а затем плавно опускался на землю. Это явление используется у вертолетов. Так же опускалась запущенная игрушка вертолет, когда у нее кончался завод. Подобные игрушки продолжают создаваться (рис. П.13).
Рис. П.13. Летающая игрушечная машина. Патент США 6 811 460
Задача 9.34. Транспортная система Юницкого
Условие задачи
Транспортная система Юницкого представляет собой железную дорогу, расположенную над землей на столбах, а рельсы — это система предварительно напряженных тросов.
Одно из основных преимуществ этой дороги в том, что она занимает минимальную площадь на земле — только для столбов. Желательно максимально сократить количество столбов, т. е. увеличить пролет, но это уменьшает жесткость конструкции. Как быть?
Разбор решения
Воспользуемся стандартом 2.1.1. Цепные веполи.
Соединим две транспортные системы, которые будут поддерживать одна другую и компенсировать нагрузки.
Кроме того, каждая из линий представляет собой цепь одинаковых элементов.
Решение
Транспортная система содержит две основные рельсовые нити в виде предварительно напряженных силовых органов и две нити на другом уровне, которые связаны между собой посредством зигзагообразно ориентированных стержневых элементов, образующих с основными и вспомогательными нитями треугольники (рис. П.14 и П.15).
Рис. П.14 Общий вид транспортной системы
Рис. П.15. Транспортная линия
Задача 9.35. Ограбление банка
Условие задачи
Существует много различных систем для защиты банков, магазинов и т. п. от вооруженных ограблений. Наиболее распространена система, при которой на рабочем месте любого служащего банка есть кнопка, тумблер, клавиша, педаль, которую он в случае угрозы должен как-то нажать. Однако статистика показывает, что после команды грабителей: «Всем не двигаться, стреляю без предупреждения» — служащие банка не рискуют включить сигнализацию. Как быть?
Разбор задачи
Можно использовать стандарт 2.2.1. Переход к более управляемым полям.
Решение
Каждому служащему на кисть руки одевают специальный пьезо-браслет. Когда в банк врываются вооруженные грабители, пульс всегда резко учащается, что фиксируется браслетом. Если пульс участился сразу у трех служащих — система сигнализации сама срабатывает — блокируются все двери, а в помещение пускается усыпляющий газ.
Задача 9.36. Обнаружение труб под землей
Условия задачи
Как определить расположение закрытых подземных трубопроводов, не имеющих металлических деталей?
Разбор задачи
Можно использовать стандарт 4.4.1. Измерительный протофеполь.
Решение
В местах изменения направления и разветвления трасс на трубе устанавливают подземные ферромагнитные метки (рис. П.16).
Место разветвления трубы (В 1 ) ищут путем добавления к ней ферромагнитной (стальной) метки (В 2 ). Для определения местоположения метки используется миноискатель (индуктор и приемник).
Индуктор посылает электромагнитный сигнал П » , отражающийся от ферромагнитной метки В 2 в виде сигнала П »» , который воспринимается электромагнитным индикатором (приемником). Такой прибор аналогичен миноискателю.
Рис. П.16. Обнаружение труб под землей
Здесь
В 1 — труба,
В 2 — ферромагнитный материал (метка),
П « элмаг — электромагнитный сигнал (электромагнитное поле),
П «« элмаг — отраженный электромагнитный сигнал (электромагнитное поле).
Задача 9.37. Обработка корневого канала зуба
Условие задачи
Толщина канала чуть больше толщины обычной иглы, а сам корень глубоко сидит в челюсти. При этом стоматолог не может точно проконтролировать качество заполнения зуба.
Если при пломбировании зуба канал корня недостаточно заполнен фосфат-цементом, то зуб может воспалиться. То же может произойти, если цемента ввели много, и он выходит из верхушечного отверстия канала в окружающие зуб ткани.
Как быть?
Разбор задачи
Можно использовать стандарт 4.3.1. Использование физэффектов.
Решение
Способ контроля пломбирования отверстия корневого канала зуба заключается в пропускании электрического тока через корень зуба в процессе его заделки и измерении сопротивления. Момент правильной герметизации определяют по резкому падению (в 4—5 раз) сопротивления электрической цепи.
Один электрод помещают на десну, а другой подключен к инструменту, заполняющему канал фосфат-цементом, являющийся электропроводным. В момент касания жидким фосфат-цементом верхушки корневого канала электрическая цепь замыкается и ток идет через окружающие зуб ткани, имеющие сопротивление в 4—5 раз меньше, чем ткани корня зуба. В этот момент подается сигнал, свидетельствующий о закрытии верхушечного отверстия зуба (рис. П.17).
Рис. П.17. Обработка корневого канала. А. с. 1 115 745
1 — корневой канал; 2 — зуб; 3 — десна; 4 — электрод; 5 — источник тока; 6 — сигнализирующее устройство; 7 — фосфат-цемент; 8 — твердые ткани; 9 — корень зуба; 10 — верхушка корневого канала; 11 — ткани, окружающие зуб; 12 — измеряющий прибор.
Задача 9.38. Измерение массы в невесомости
Условие задачи
Медикам потребовалось измерять вес космонавтов в космосе.
Все весы при измерении используют силу тяжести. В невесомости ее нет.
Как быть?
Разбор задачи
Можно использовать стандарт 4.3.1. Использование физэффектов.
Решение
Использовать явление резонанса.
Как известно, период колебаний зависит от массы тела
где
T — период колебаний;
M — масса тела;
K — коэффициент упругости пружины.
Следовательно, тело необходимо подвесить или положить на пружину и придать ему колебания.
На этой основе был создан прибор для измерения массы тела космонавтов в невесомости. Принципиальная схема прибора изображена на рис. П.18.
Рис. П.18. Измерение массы
Задача 9.39. Разработка интегральных схем
Условие задачи
При разработке интегральных схем необходимо провести испытание их на функциональность и работоспособность. Это возможно, когда схема уже изготовлена. Изготовление интегральной схемы — очень сложный, дорогой и длительной процесс, но без такого испытания не будет ясно, как работает такая схема. Как быть?
Разбор задачи
Можно использовать стандарт 5.1.1.7. Использование копий.
Решение
Разработали компьютерные модели (симуляторы), с помощью которых можно провести виртуальные испытания.
Задача 9.40. Лазерная резка
Условие задачи
Разделение полупроводниковых пластин на отдельные чипы осуществляется газовым лазером. Лазерный луч фокусируется на небольшом участке подложки, что вызывает оплавление материала и его удаление при помощи сопутствующих процессу газов. Лазерный луч имеет коническую форму (рис.9.44). Однако в процессе резки газовыми лазерами также возникают проблемы: необходимость точной фокусировки луча на подложке (иначе луч может рассеиваться и тогда форма реза будет конической), а также загрязнение поверхности частицами расплавленного материала, которые осаждаются сопутствующими газами. Как быть?
Рис. 9.44. Принцип работы газового лазера
Разбор задачи
Можно использовать стандарт 5.3.1. Замена фаз.
Решение
Технология LaserMicroJet, разработанная швейцарской компанией Synova, решила эти проблемы. Вместо воздуха лазерный луч передается внутри тонкой струи воды. Лазерный луч через фокусирующую линзу попадает в камеру, в которую подается вода под давлением (300 бар, 1 л/мин). Далее лазерный луч выходит из камеры через насадку с отверстием малого диаметра (до 20 мкм) и, находясь в струе воды, попадает на обрабатываемую поверхность (рис. П.19).
Рис. П.19. Принцип работы технологии LaserMicroJet
Таким образом, струя воды под давлением является направляющей для лазерного луча (рис. П.20).
Рис. П.20. Полное внутреннее отражение лазерного луча
Технология основана на различии коэффициентов преломления воды и воздуха, поэтому лазерный луч, находясь в струе воды, отражается от ее поверхности. Струя воды не позволяет лазерному лучу отклоняться и его диаметр остается постоянным. Это гарантирует постоянную ширину реза при выполнении операции и позволяет проводить резку под любым углом наклона. В отличии от газового лазера, имеющего ограничения по своей длине (из-за отклонения и рассеивания) и требующего точной фокусировки, лазерный луч в струе воды по технологии LaserMicroJet не рассеивается, и длина его распространения может достигать 10 см без малейших отклонений по углу и диаметру (рис. П.21).
Рис. П.21. Рабочая дистанция системы LaserMicroJet
Задача 9.41. Передача информации с подводной лодки
Условие задачи
Радиосвязь с подводной лодки (ПЛ) в подводном положении представляет собой серьезную проблему, так как электромагнитные волны с частотами, использующимися в традиционной радиосвязи, сильно ослабляются при прохождении через толстый слой проводящего материала, которым является соленая вода. В связи с этим требуется, чтобы антенна ПЛ находилась на поверхности. Это опасно, так как в это время подводную лодку могут обнаружить.
Как быть?
Разбор задачи
Можно использовать стандарт 5.4.2. Усиление поля на выходе.
Решение
Опишем одно из решений.
Антенна поднимается на короткий срок, чтобы передать сжатую информацию. Информацию кодируют, и передача занимает доли секунды.
Другие способы передачи информации с ПЛ изложены в статье «Связь с подводными лодками».
Задача 9.42. Мытье окон
Условие задачи
Мыть оконные стекла необходимо с двух сторон. С внутренней стороны окна стекла мыть удобно, а с наружной — не только неудобно, но и опасно.
Как быть?
Разбор задачи
Когда стекло моют сначала с одной стороны, а потом — с другой, и если на стекле остался плохо вымытый участок, то не понятно, с какой стороны плохо вымыто стекло. Идеально, когда стекло моется сразу с двух сторон. Это возможно только когда рама открывается внутрь квартиры, но и в этом случае — только на длину рук.
Неплохо было бы, чтобы внутренняя часть моющего устройства удерживала бы наружную часть моющего устройства.
Воспользуемся стандартом 2.4.1. «Протофеполи» — используем магнит.
Решение
В каждой моющей части помещают магниты. Управление мойкой осуществляют внутренней частью, которая с помощью магнитов перемещает наружную часть.
Идея такого устройства была впервые предложена Сэром Джоном А. Ховардом (John A. Howard Sr) еще в 1920 году, но само по себе устройство было достаточно сложное. В 1926 году это устройство усовершенствовал Давид Вайс. В наиболее удобном виде моющее устройство предложил Д. Андреа Рокко (D. Andrea Rocco) в 1950 году. Совершенствование этого устройства продолжается и сегодня.