Задача 1. Алмазный инструмент
Алмазные инструменты изготовляют путем спекания кристаллов алмаза с металлической основой. Кристаллы загружают в форму, перемешивают с порошком металла (основы), засыпают в форму, создают вибрацию и давление. Затем нагревают до температуры расплавления металлического порошка. Металлическая основа охватывает кристаллы алмаза, удерживая их и создавая единую форму инструмента.
Большая масса связующего материала хорошо удерживает кристаллы в инструменте, но уменьшает общую площадь инструмента. Расстояние между кристаллами получается большое. Можно алмазы поместить вплотную друг к другу и в оставшиеся промежутки поместить связующий материал. Тогда металлическая связка слабо удерживает алмазы, и они быстро выкрашиваются (снижается износостойкость).
Наиболее сложные условия при изготовлении инструмента из очень мелких алмазов 1—100 мкм.
Как быть?
Задача 2. Безопасный переход
На пешеходных переходах, не оборудованных светофором, очень важно общение пешехода и водителя.
Человек, находящийся за рулем, обладает широким арсеналом общения: водитель может подать короткий сигнал дальним светом, может установить зрительный контакт, например кивнуть головой, махнуть рукой или просто сказать что-то пешеходу вслух.
Сегодня и особенно в будущем будут распространяться беспилотные автомобили. Они не имеют таких же возможностей, как у водителя. Безусловно, такие автомобили оборудованы различными датчиками, распознающими пешехода, и могут остановиться в нужный момент, но пешеход не имеет обратной связи от автомобиля и не может догадаться о действиях автомобиля. В связи с этим автомобиль может долго стоять на пешеходном переходе, пока пешеход не перейдет на другую сторону дороги.
Как быть?
Задача 3. Испытание нефтепровода
Разрабатывался новый магистральный нефтепровод, и нужно было осуществить модельные испытания в лабораторных условиях. Для измерения потока можно использовать любой бесконтактный способ измерения, например ультразвуковой, индукционный и т. д.
Диаметр трубы нефтепровода составляет около 1,5 м. Создание такой лабораторной установки потребовало бы громадных помещений и больших затрат на создание модели, а также очень большого расхода нефти.
Как быть?
Задача 4. Атерина грунион
Рыба атерина грунион (лат. Leuresthes tenuis) обитает в небольшом ареале неподалеку от побережья полуострова Калифорния. Она поедает планктон, и сама служит кормом для многих морских хищников. Грунион обитает только в соленой воде и никогда не заходит в устье рек. Обычно он держится на глубинах до 20 м.
Во время массового нереста грунион в период сизигийных приливов в ночное время рыбы выбрасываются на сушу и после отката волны остаются на мокром берегу, откладывая икринки в песок. Самки при помощи энергичных движений входят задней частью тела в мокрый песок и выметывают икру, а самцы, извиваясь телом вокруг самок, стараются оплодотворить икринки (рис. 1). Эта процедура занимает несколько минут. За это время самка успевает отложить до 3000 яиц. После завершения процесса рыбы отправляются в море, а икринки остаются зарытыми в песок на глубину 5 см. В таком месте для них сохраняется необходимая влажность.
Вследствие того что рыбы выбрасываются на берег в наибольший прилив, икринки остаются далеко от моря.
Как малькам выбраться из песка и преодолеть большое расстояние до моря?
Рис. 1. Процесс откладки икринок
Для того чтобы мальки впоследствии могли выбраться из икринок и уплыть в океан, волна должна размыть песок, но для того, чтобы икринки созрели, волна не должна размывать песок.
Как природа решила эту задачу?
Задача 5. Реализация проектов
Задача из области В2В (business to business) продажи.
У компании-продавца существует проблема в том, что не все проекты реализуются в продажу.
На разработку проектов работают продавцы и инженеры компании, тратятся ресурсы и т. д. Иногда приходится отказаться от потенциальных проектов, т. е. лишиться дополнительной прибыли, или увеличивать затраты (время на подготовку проекта). Использование дополнительных ресурсов имеет свои пределы, далее проект становится невыгодным.
Как сделать так, чтобы проекты, над которыми работает продавец, были проданы 100% с минимальной затратой ресурсов?
Задача 6. Столкновение
Один из наиболее опасных видов ДТП — это столкновение.
Для защиты людей, находящихся в автомобиле, создано достаточно много устройств, смягчающих удар. Столкновение автомобиля с внешним объектом, велосипедом, человеком или животным, часто приводит к трагическим последствиям для них.
Как предотвратить это?
Задача 7. Ледокол
Ледокол разрушает лед, наползая на него носом корабля и давя его своим весом. Чем больше вес ледокола и чем больше мощность его энергоустановок, тем большую толщину льда он колет. Например, ледоколы типа «Арктика» могут колоть лед до 3,5 м.
Как сделать, чтобы менее мощный и тяжелый ледокол колол бы лед такой же толщины и больше?
Задача 8. Игра на бирже
Вы покупаете акцию какой-то компании и ожидаете, что в долгосрочном периоде акция будет расти. Однако вы опасаетесь краткосрочного снижения цены.
Как быть?
Задача 9. Танкер
У крупных современных танкеров тормозной путь составляет несколько километров, а у супертанкеров — более 10 км (только диаметр их циркуляции составляет почти 4 км). Следует отметить, что тормозной путь зависит от водоизмещения судна. Увеличение водоизмещения судна в 2 раза приводит к возрастанию тормозного пути и времени торможения примерно в 1,5 раза. В связи с увеличением тормозного пути возрастает вероятность попадания таких судов в аварию.
Что только не предпринимают, чтобы сократить тормозной путь:
— поворот руля на 90о, т. е. циркуляция, но радиус циркуляции составляет тоже километры;
— реверс винта, т. е. создание противоположной тяги, но она начинает срабатывать только на последней четверти тормозного пути, а первые ¾ этого пути торможение осуществляется только за счет гидродинамического сопротивления корпуса.
Все способы торможения оказались малоэффективны.
Каким способом можно сократить тормозной путь крупных танкеров?
Задача 10. Железнодорожное колесо
Колесные пары на железнодорожном транспорте изнашиваются и их необходимо время от времени обтачивать. Для этого колесные пары снимают с вагонов или тепловозов, ставят на токарный станок и обрабатывают.
На снятие колесных пар, их обработку и монтаж уходит много времени, а в это время рельсовый транспорт простаивает.
Как быть?
Задача 11. Авария танкера
Нефтепродукты перевозят по морю в крупнотоннажных танкерах.
В результате аварии танкера происходят не только большие потери нефти, но и значительное загрязнение поверхности моря.
Чтобы предотвратить разлив нефти при авариях, танкеры стали делать с двойным дном и двойными бортами. Это пространство заполняется водой и используется в качестве балластных цистерн. Такие танкеры меньше подвержены разливу нефти при аварии, но двойные борта и дно существенно снижают вместимость танкера.
Как уменьшить потери вместимости нефти в танкере, не увеличивая утечку нефти при аварии?
Задача 12. Антенна беспроводной связи
Качество беспроводной связи, например в сети WiFi, зависит от уровня сигнала, принимаемого антенной. Приемопередатчик такой системы подстраивает скорость связи в соответствии с уровнем сигнала: чем сильнее сигнал — тем на большей скорости осуществляется прием-передача данных. При этом направление, откуда приходит наиболее сильный сигнал, заранее неизвестно и потому в таких системах традиционно используют всенаправленные антенны, которые принимают и излучают сигнал во всех направлениях одновременно, но имеют малое усиление. Улучшить сигнал позволяет умная антенна, которая имеет направленный переключаемый луч, но этот луч нужно как-то ориентировать в направлении наибольшего сигнала. Для этого антенна должна время от времени сканировать все доступные ей направления и определять то из них, которое в данный момент обеспечивает наилучший сигнал. Такое сканирование антенна должна осуществлять как можно чаще, чтобы постоянно поддерживать максимальную скорость приема-передачи данных, но в процессе сканирования прием и передача данных не осуществляется, что снижает среднюю скорость передачи данных в сети.
Как быть?
Задача 13. Измерение магнитного поля
Для работы процессора электронного спинового эха (эхо-процессор (ЭП) — это устройство обработки импульсных радиосигналов) его рабочее вещество (парамагнитное вещество) должно находиться в однородном постоянном магнитном поле, величина которого должна поддерживаться с высокой точностью.
Магнитное поле создается электромагнитом, но величина этого поля со временем меняется вследствие нагрева обмоток магнита и поэтому поле необходимо измерять и подстраивать. Измерение магнитного поля осуществляют с помощью датчика Холла, чувствительность которого тем больше, чем больше ток, пропускаемый через него. Этот измерительный ток искажает однородность магнитного поля в месте расположения рабочего вещества, что ухудшает работу ЭП или делает ее невозможной.
Как быть?
Задача 14. Очистка труб
Трубопроводы время от времени засоряются и их нужно чистить. Один из способов очистки — гидродинамический, основанный на очистке посредством струи воды, подающейся под высоким давлением. При этом происходит большой расход воды.
Как быть?
Задача 15. Сушка обуви
Наиболее быстрый способ сушки обуви — это использование фена. Теплый воздух направляют внутрь обуви. Использование высокой температуры и сильного потока горячего воздуха быстро сушит обувь, но портит ее — обувь деформируется.
Как быть?
Задача 16. Конкуренция
В острой конкурентной борьбе выигрывает компания, которая выпускает одинаковый продукт с тем же или большим набором функциональных свойств и таким же или лучше качеством, но меньшей стоимостью.
Как добиться уменьшения себестоимости?
Задача 17. Вакуумный захват
Вакуумные захваты широко используются для удержания и переноса плоских, гладких объектов, таких как листы металла, картона, стекла.
Однако за счет сильного разряжения переносимый объект может деформироваться, особенно если это тонкий, гибкий материал.
Как быть?
Задача 18. Оцифровка базы данных
Для оцифровки бумажной базы данных была разработана автоматизированная система сканирования.
В процессе разработки узла подачи бумаги в сканер решили применить устройство, подобное тем, что используются в ксероксах: резиновый ролик должен перемещать верхний в стопке лист бумаги. Однако возникла проблема: некоторые из листов бумажной базы были помяты и не всегда точно попадали в приемное устройство сканера и застревали.
Приходилось останавливать процесс и исправлять ситуацию вручную.
Решили выпрямить листы бумаги перед подачей в сканер.
Поставили пластину с отверстиями над валиками и создавали разряжение. Верхний лист бумаги из стопки присосется к ней и великолепно выровняется. Такой ровный лист бумаги без всяких проблем попадет в приемное устройство сканера. Устройство было изготовлено и испытано. Листы бумаги хорошо притягивались к пластине и распрямлялись, но резиновый ролик их сдвинуть не мог. Если же уменьшали разрежение до такого уровня, чтобы лист бумаги сдвигался, то лист опять искривлялся и не попадал в щель сканера.
Как быть?
Задача 19. Дозирование тонера
При автоматизированном дозировании сыпучих сред, в частности при расфасовке тонера для копировальной техники в картриджи, используются шнековые дозаторы (рис. 2). Однако существует проблема повышения производительности дозирования, поскольку при высокой скорости вращения шнека эта сыпучая среда имеет тенденции к уплотнению и — вследствие нагрева от трения — к спеканию на ребрах шнека и в горловине бункера, что выводит дозатор из строя.
Для решения проблемы пытались использовать электрические и магнитные поля для управления процессом выгрузки тонера из бункера, но ферромагнитные свойства тонера слишком слабы, чтобы их эффективно использовать, а электростатические свойства тонера использовать запрещено из-за его взрывоопасности.
Рис. 2. Шнековый дозатор для тонера
Как быть? Как повысить производительность дозирования тонера, не допустив его переуплотнения и спекания?
Задача 20. Акустическая система телевизора
Современные телевизоры делаются все более плоскими и с как можно более узкой рамкой. Это оставляет все меньше места для динамиков и ограничивает возможности создать качественный звук.
Проблема в том, что для хорошего звука нужна большая площадь излучателя (динамика), но большие динамики увеличивают размеры телевизора и портят его внешний вид.
Как быть? Как уменьшить размер телевизора, не ухудшив или даже улучшив звук?