Крылья для Икара. Как решать изобретательские задачи

• 2.1. Записать условия задачи, не используя специальные термины.

% 2.2. Выделить и записать конфликтующую пару элементов. Если по условиям задачи дан только один элемент, перейти к шагу 4.2.

Правило 1: В конфликтующую пару элементов обязательно должно входить изделие.

Правило 2: Вторым элементом пары должен быть элемент, с которым непосредственно взаимодействует изделие (инструмент, второе изделие, внешняя среда).

Правило 3: Если один из элементов (инструмент) по условиям задачи может иметь два состояния, надо взять то состояние, которое обеспечивает наилучшее осуществление главного производственного процесса (основной функции технической системы, указанной в задаче).

Правило 4: Если в задаче есть пары однородных взаимодействующих элементов, достаточно взять одну пару.

2. 3. Записать два взаимодействия (действия, свойства) инструмента и изделия: имеющееся и то, которое надо ввести (или: полезное и вредное).

2.4. Записать стандартную формулировку модели задачи, указав конфликтующую пару и техническое противоречие.

Часть 3. Анализ модели задачи.

3.1. Выбрать из элементов, входящих в модель задачи, тот, который можно легко изменять, заменять и т. д.

Правило 5: Технические объекты легче менять, чем природные.

Правило 6: Инструменты легче менять, чем изделия.

Правило 7: Если в системе нет легко изменяемых элементов, следует указать «внешнюю среду».

3.2. Записать стандартную формулировку ИКР (идеального конечного результата): элемент (указать элемент, выбранный на шаге 3.1.) сам устраняет вредное воздействие (указать, какое), сохраняя способность выполнять полезное воздействие.

Правило 8: В формулировке ИКР всегда должно быть слово «сам» («сама», «само»).

3.3. Выделить ту зону элемента (указанного в 3.2), которая непосредственно не справляется с требуемым по ИКР комплексом двух взаимодействий. Что в этой зоне — вещество, поле?

3.4. Сформулировать противоречивые физические требования, предъяви ляемые к состоянию выделенной зоны элемента конфликтующими взаимодействиями (действиями, свойствами):

а. Для первого действия (указать полезное взаимодействие или то взаимодействие, которое надо сохранить) необходимо (указать физическое состояние: быть нагретой, подвижной, заряженной и т.д.).

б. Для второго действия (указать вредное взаимодействие или взаимодействие, которое надо ввести) необходимо (указать физическое состояние: быть холодной, неподвижной, незаряженной и т.д.).

Правило 9: Физические состояния, указанные в пунктах «а» и «б», должны быть взаимно противоположными.

3.5. Записать стандартную формулировку физического противоречия: выделенная зона элемента (указать) должна быть (указать состояние, обозначенное на 3.4 а), чтобы выполнять полезное взаимодействие (указать), и должна быть (указать состояние, обозначенное на 3.46), чтобы предотвращать вредное воздействие (указать).

Часть 4. Устранение физического противоречия.

4.1. Рассмотреть простейшие преобразования выделенной зоны:

а. Разделение противоречивых свойств в пространстве.

б. Разделение противоречивых свойств во времени. *

в. Разделение противоречивых свойств путем использования переходных состояний, при которых сосуществуют или попеременно появляются противоположные свойства.

г. Разделение противоречивых свойств перестройкой структуры: частицы выделенной зоны наделяются имеющимся свойством, а вся выделенная зона в целом наделяется требуемым (конфликтующим) свойством.

Правило 10: Рассматривать только те преобразования, которые соответствуют ИКР (т. е. осуществляются сами по себе).

4.2. Использовать таблицу типовых моделей задач и вепольных преобразований.

4.3. Использовать таблицу применения физических эффектов и явлений.

4.4. Использовать таблицу основных приемов устранения технических противоречий.

4.5. Перейти от физического ответа к техническому: сформулировать способ и дать схему устройства, осуществляющего этот способ.

ПРИМЕНЕНИЕ ФИЗИЧЕСКИХ ЭФФЕКТОВ И ЯВЛЕНИЙ ПРИ РЕШЕНИИ ИЗОБРЕТАТЕЛЬСКИХ ЗАДАЧ

(фрагмент таблицы)

Требуемое действие, свойство	Физическое явление, аффект, фактор, способ
1. Измерение температуры	Тепловое расширение и вызванное им изменение собственной частоты колебаний. Термоэлектрические явления. Спектр излучения. Изменение оптических, электрических, магнитных свойств вещества. Переход через точку Кюри. Эффекты Гопкинса и Баркхаузена
2. Управление перемещением объектов	Действие магнитным полем на объект или на ферромагнетик, соединенный с объектом. Действие электрическим полем на заряженный объект. Передача давления (жидкостями и газами. Механические колебания. Центробежные силы. Тепловое расширение. Световое давление.
3. Управление движением жидкости и газа	Капиллярность. Осмос. Эффект Томса. Эффект Бернулли. Волновое движение. Центробежные силы. Эффект Вайссенберга. «Газирование» жидкостей, вспенивание
4. Стабилизация положения объекта	Электрические и магнитные поля. Фиксация в жидкостях, твердеющих в магнитном и электромагнитном полях. Гироскопический эффект. Реактивное движение
5. Силовое воздействие. Регулирование сил. Создание больших движений	Действие магнитным полем через ферромагнитное вещество. Фазовые переходы. Тепловое расширение. Центробежные силы. Изменение гидростатических сил путем изменения кажущейся плотности магнитной или электропроводной жидкостей в магнитном поле. Применение
*	взрывчатых веществ. Электрогидравлический эффект. Оптико-гидравлический эффект. Осмос
6. Разрушение объекта	Электрические разряды. Электрогидравлический эффект. Резонанс. Ультразвук. Кавитация. Индуцированное излучение

Требуемое действие, свойство	Физическое явление, эффект, фактор, способ
7. Аккумулирование механической и тепловой энергии	Упругие деформации. Гироскопический эффект. Фазовые переходы
8. Передача энергии: — механической	Деформация. Колебания. Эффект Александрова. Волновое движение, в том числе ударные волны
— тепловой— лучистой	Излучения. Теплопроводность. Конвекция Явление отражения света (световоды). Индуцированное излучение
— электрической	Электромагнитная индукция. Сверхпроводимость
9. Установление взаимодействия между подвижным (меняющимся) и неподвижным (неменяющим-ся) объектами	Использование электромагнитных полей (пере-ход от «вещественных» связей к «полевым»)
10. Измерение размеров объекта	Измерение собственной частоты колебаний. Нанесение и считывание магнитных и электрических меток
И. Изменение размеров и формы объектов	Тепловое расширение, применение биметаллических конструкций. Деформация. Магнито-стрикция, электрострикция. Пьезоэлектрический эффект
12. Контроль состояния и свойств в объеме	Введение «меток» — веществ, преобразующих внешние поля (люминофоры) или создающих свои поля (ферромагнетики), зависящие от состояния и свойств исследуемого вещества. Изменение удельного электрического сопротивления в зависимости от изменения структуры и свойств объекта. Взаимодействие со светом. Электрические и магнитооптические явления. Поляризованный свет. Рентгеновские и радиоактивные излучения. Электронный, парамагнитный и ядерный резонансы. Магнитоупругий эффект. Переход через точку Кюри. Эффекты Гопкинса и Баркхаузена. Измерение собственной частоты колебаний объекта. Ультразвук. Эффект Мёссбауэра. Эффект Холла

Требуемое действие, свойство	Физическое явление, эффект, фактор, способ
13. Изменение объемных свойств объекта	Изменение свойств жидкости (кажущейся плотности, вязкости) под действием электрических и магнитных полей. Введение ферромагнитного вещества и действие магнитным полем. Тепловое воздействие. Фазовые переходы. «Газирование» жидкостей, вспенивание. Ионизация под действием электрического поля. Ультрафиолетовое, рентгеновское, радиоактивное излучения. Деформация. Диффузия. Электрические и магнитные поля. Эффект Баушингера. Термоэлектрические, термомагнитные и магнитооптические эффекты. Кавитация. Фотохромный эффект. Внутренний фотоэффект
14. Создание заданной структуры. Стабилизация структуры объекта	Интерференция волн. Стоячие волны. Муаровый эффект. Магнитные поля. Фазовые переходы. Механические и акустические колебания. Кавитация
15. Индикация электрических и магнитных полей	Электризация тел. Электрические разряды. Пьезоэлектрический и сегнетоэлектрический эффекты. Электреты. Электронная эмиссия. Электрооптические явления. Эффекты Гопкин-са и Баркхаузена. Эффект Холла. Ядерный магнитный резонанс. Гидромагнитные явления. Магнитооптические явления
16. Индикация излучения	Оптико-акустический эффект. Тепловое расширение. Фотоэффект. Люминесценция. Фотопла-стический эффект
17. Управление электромагнитными полями	Экранирование. Изменение состояния среды, например увеличение или уменьшение ее электропроводности. Изменение формы поверхностей тел, взаимодействующих с ПОЛЯМИ
-N-
18. Управление потоками света. Модуляция света	Преломление и отражение света. Электрооптические и магнитооптические явления. Фотоупругость. Эффекты Керра и Фарадея. Эффект Ганна. Эффект Франца — Келдыша

СТАНДАРТНЫЕ РЕШЕНИЯ НЕКОТОРЫХ КЛАССОВ

ИЗОБРЕТАТЕЛЬСКИХ ЗАДАЧ

1. Стандарты на изменение систем

1.1. Синтез вепольных систем.

Стандарт 1. Если дана невепольная система, плохо поддающаяся нужным изменениям, и условия задачи не содержат ограничений на введение веществ и полей, задачу решают достройкой веполя, вводя недостающие элементы.

Стандарт 2. Если дана невепольная система, плохо поддающаяся нужным изменениям, и условия задачи не позволяют ввести второе вещество, достройку веполя осуществляют путем разделения имеющегося вещества на две части.

Стандарт 3. Если нужен оптимальный режим действия, а обеспечить его по условиям задачи трудно или невозможно, надо использовать максимальный режим, а избыток убрать. При этом избыток поля убирают веществом, а избыток вещества — полем.

Стандарт 4. Если нужно обеспечить максимальный режим действия на вещество, а это по тем или иным причинам недопустимо, максимальное действие следует сохранить, но направить его на другое вещество, связанное с первым:

Г1 МАКС

Пример (авт. св. № 120 909). При изготовлении предварительно напряженного железобетона нужно растянуть стальные стержни. Для этого их нагревают; от тепла стержни удлиняются, и в таком виде их закрепляют. Однако, если вместо стержней используют проволоку, ее нужно нагревать до 700°, допустимо же нагревать только до 400° (при большем нагреве проволока теряет свои свойства). Предложено нагревать нерасходуемый жаропрочный стержень, который от нагрева удлиняется и в таком виде соединяется с проволокой. Охлаждаясь, стержень укорачивается и растягивает проволоку, остающуюся холодной.

1.2. Преобразование вепольных систем.

Стандарт 5. Если дана вепольная система (простая, двойная или цепная), ее эффективность может быть повышена путем увеличения степени дисперсности (дробления) вещества, играющего роль инструмента.

Пример (авт. св. № 272 737). При последовательной перекачке разных жидкостей по одному трубопроводу использовались поршневые и шаровые разделители. Работали они плохо: быстро истирались, застревали и т. д. Предложено ввести в зону контакта жидкостей разделитель из дробинок размерами 0,3—0,5 мм с плотностью, равной средней плотности жидкостей.

Стандарт 6. Если дана вепольная система (простая, двойная или цепная), ее эффективность может быть повышена путем использования магнитного поля (вместо того поля, которое ранее входило в веполь).

• Пример (авт. св. № 424623). Устройство для объединения потоков жестяных консервных банок, включающее ряд транспортеров для подвода отдельных потоков банок, транспортер для отвода объединенного потока п приспособления для формирования последнего, отличающееся тем, что, с целью упрощения конструкции, приспособление для формирования объединенного потока представляет собой ряд наклонных сходящихся лотков, над каждым из которых смонтированы с возможностью попеременного включения электромагниты.

Стандарт 7. Если дана вепольная система (простая, двойная или цепная), ее эффективность может быть повышена путем динамизации, т. е. перехода к гибкой, меняющейся форме системы.

Пример (авт. св. № 161 247). Подводное транспортное судно, корпус которого имеет цилиндрическую форму, отличающееся тем, что, с целью уменьшения осадки судна при полной его загрузке, корпус судна выполнен из двух раскрывающихся шарнирно сочлененных полуцилиндров.

Стандарт 8. Если веществу, входящему в веполь (или могущему войти в веполь), должна быть придана определенная пространственная структура, то процесс следует вести в поле, которое имеет структуру, соответствующую требуемой структуре вещества.

Пример (авт. св. № 536 874). Способ профилирования материала типа пруткового путем наложения на заготовку ультразвуковых колебаний и ее пластической деформации, отличающийся тем, что, с целью получения на заготовке периодического профиля синусоидального характера, заготовку подвергают действию ультразвуковых колебаний так, чтобы расположение пучностей и узлов ультразвуковой волны соответствовало выступам к впадинам профиля, после чего осуществляют процесс пластического деформирования заготовки в осевом направлении.

1.3. Синтез сложных вепольных систем.

Стандарт 9. Если дан плохо управляемый веполь и нужно повысить его эффективность, задача решается превращением одной из частей ве-поля в независимо управляемый веполь и образованием цепного веполя:

В частности, если в технической системе имеется объект, который движется или должен двигаться под действием силы тяжести вокруг некоторой оси и надо управлять движением этого объекта, задача решается введением в данный объект вещества, управляемо движущегося внутри объекта и вызывающего своим движением перемещение центра тяжести системы.

Пример (авт. св. № 329441). Качающийся дозатор имеет ковш, постепенно заполняемый жидкостью, и противовес. Когда ковш наполняется, дозатор наклоняется и выливает жидкость. Однако такой дозатор слишком рано начинает подниматься — часть жидкости остается в ковше. Предложено в противовесе сделать канал, в котором свободно перемещается шарик. При опрокидывании ковша шарик смещается к оси, передвигает центр тяжести системы и тем самым удерживает ковш наклонным до полного слива жидкости.

Стандарт 10. Если есть плохо управляемый веполь и нужно повысить его эффективность, причем замена элементов этого веполя недопустима, задача решается постройкой двойного веполя путем введения второго поля, хорошо поддающегося управлению:

Пример (авт. св. № 275 331). Способ регулируемого расхода жидкого металла из разливочного ковша, отличающийся тем, что, с целью безаварийной разливки, гидростатический напор регулируют высотой металла над отверстием разливочного стакана, вращением металла в ковше электромагнитным полем.

В частности, если в системе имеются отдельные элементы, используемые чисто механически, следует использовать также их магнитные свойства для получения дополнительных эффектов: улучшения взаимодействия элементов, получения информации о работе и состоянии системы и т. д.

Пример (авт. св. № 518 591). Мальтийский механизм, содержащий ведущее звено и ведомый мальтийский крест, отличающийся тем, что, с целью повышения срока службы, ведущее звено снабжено секторами из магнитомягкого материала с установленными в них постоянными магнитами, а мальтийский крест снабжен пластинками из гистерезисного материала.

1.4. Переход к фенольным системам.

Стандарт 11. Если нужно повысить эффективность управления системой, необходимо перейти от веполя к феполю, заменив одно из веществ ферромагнитными частицами (или добавив ферромагнитные частицы) и использовав магнитное поле.

Стандарт 12. Если нужно повысить эффективность управления системой путем перехода от веполя к феполю, а замена веществ ферромагнитными частицами (или введение в вещества этих частиц) недопустима, то ферромагнитный порошок следует ввести во внешнюю среду и, действуя магнитным полем, менять параметры среды, и, следовательно, управлять находящейся в ней системой. В качестве внешней среды могут быть использованы также электрореологические жидкости и управляющие ими поля:

ПмАГ

Пример (авт. св. № 469059). Способ демпфирования механических колебаний путем перемещения металлического неферромагнитного подвижного элемента между полюсами магнита, отличающийся тем, что, с целью уменьшения времени демпфирования, в зазор между полюсами магнита и подвижным элементом вводят магнитную жидкость и меняют напряженность магнитного поля пропорционально амплитуде колебаний.

В частности, если в системе используются поплавки или одна часть системы является поплавком, то в жидкость следует ввести ферромагнитные частицы и управлять кажущейся плотностью жидкости. Управление можно также вести, пропуская сквозь жидкость ток и действуя электромагнитным полем.

Пример (авт. св. № 527280). Манипулятор для сварочных работ, содержащий поворотный стол и узел поворотного стола, выполненный в виде поплавкового механизма, шарнирно соединенного через кронштейн со столом и помещенного в емкость с жидкостью, отличающийся тем, что, с целью увеличения скорости перемещения стола, в жидкость введена ферромагнитная смесь, а емкость с жидкостью помещена в электромагнитную обмотку.

1.5. Разрушение вепольных систем.

Стандарт 13. Если два (подвижных относительно друг друга) вещества должны соприкасаться и при этом возникает вредное явление, т. е. образуется вредный веполь, который необходимо ликвидировать, задача решается введением между данными веществами третьего вещества, являющегося их видоизменением.

Стандарт 14. Если необходимо устранить вредное действие поля на вещество, задача может быть решена введением второго вещества, оттягивающего на себя вредное действие поля:

п

Пример (авт. св. № 152 492). Для защиты подземных кабельных линий от повреждений, вызываемых образованием в грунте морозобойных трещин, заранее прорывают узкие прорези («трещины») в стороне от трассы кабеля.

1.6. Переход к принципиально новым системам.

Стандарт 15. Если нужно увеличить технические показатели системы (точность, быстродействие и т. д.) и это наталкивается на принципиальные препятствия (запрет со стороны законов природы, резкое ухудшение других свойств системы), то задача решается переходом с макроуровня на микроуровень: система или ее часть заменяются веществом, способным при взаимодействии с полем выполнять требуемое действие.

Пример (авт. св. № 275 751). Регулируемый лабиринтный насос, содержащий цилиндрические ротор и статор с многозаходной нарезкой противоположного направления, отличающийся тем, что, с целью обеспечения возможности регулирования насоса с помощью изменения температуры, ротор и статор выполнены из материалов с различными коэффициентами линейного расширения.

Стандарт 16. Если нужно увеличить технические показатели системы (вес, размеры, скорость и т. д.) и это наталкивается на принципиальные препятствия (запрет со стороны законов природы, отсутствие в современной технике необходимых веществ, материалов, мощностей и т. д.), система должна войти в качестве подсистемы в состав другой, более сложной, системы. Развитие исходной системы прекращается, заменяясь более интенсивным развитием сложной системы.

Пример (авт. св. № 111 144). Увеличение защитной мощности холодильного костюма для горноспасателей наталкивалось на весовой барьер. Предложено объединить холодильную и дыхательную системы в единый скафандр, в котором одно холодильное вещество (жидкий кислород) выполняет две функции: сначала испаряется и нагревается, а потом идет на дыхание. Отпадает необходимость в тяжелом дыхательном аппарате, что позволяет во много раз увеличить запас холодильного вещества.

2. Стандарты на обнаружение и измерение

2.1. Обходные пути решения задач на обнаружение и измерение.

Стандарт 17. Если дана задача на измерение, целесообразно перевести ее в задачу на последовательное обнаружение изменений.

Пример (авт. св. № 186 366). При добыче медных руд камерным способом образуются огромные подземные залы, камеры. От взрывов и других причин потолок (кровля) камер местами отслаивается, падает. Необходимо регулярно следить за состоянием потолка, измерять образующиеся «ямы». Но как это сделать, если потолок — на высоте пятиэтажного дома? Предложено при подготовке камер заранее бурить в кровле скважины — сбоку, над потолком — и закладывать в них разноцветные люмпнесцирую-щие вещества. Если в каком-то месте выпала порода и образовался купол, это легко обнаружить по свечению люминофора. А по цвету можно судить о высоте образовавшегося купола.

Стандарт 18. Если дана задача на обнаружение, целесообразно перевести ее в задачу на изменение.

Пример (авт. св. № 440717). Способ измерения силы контактного нажатия в герконах, отличающийся тем, что, с целью упрощения процесса измерения, геркон вращают вокруг оси, параллельной его продольной оси с нарастающей угловой скоростью до момента размыкания контактов, измеряют угловую скорость, при которой происходит размыкание контактов, и по ее величине судят о величине контактного нажатия.

2.2. Синтез вепольных систем.

Стандарт 19. Если объект трудно обнаружить в какой-то момент времени и если есть возможность заранее ввести в объект добавки, задача решается предварительным введением в объект добавок, которые создают легко обнаруживаемое (чаще всего электромагнитное) поле или легко взаимодействуют с внешней средой, обнаруживая себя и, следовательно, объект.

2.3. Синтез сложных вепольных систем.

Стандарт 20. Если объект трудно обнаружить или измерить в какой-то момент времени и нет возможности ввести в объект добавки, то эти добавки, создающие легко обнаруживаемое и легко измеряемое поле, преимущественно электромагнитное, следует ввести во внешнюю среду, по изменению состояния которой можно судить об изменении состояния объекта.

Пример (авт. св. № 260 249). Для контроля износа двигателя нужно определить количество «стершегося» металла. Частицы эти поступают во внешнюю среду — масло. Предложено добавлять в масло люминофоры: металлические частицы являются гасителями свечения.

Стандарт 21. Если нужно обнаружить или измерить изменения, происходящие в вепольной системе, задачу решают, применяя поле, проходящее сквозь систему и выносящее информацию о ее состоянии: ^

Пример (авт. св. 269 558). Способ обнаружения момента начала кипения в жидкости. Через жидкость пропускают электрический ток. При появлении пузырьков резко возрастает электрическое сопротивление.

Стандарт 22. Если невозможно непосредственно обнаружить или измерить изменения, происходящие в вепольной системе, задача решается возбуждением в« системе резонансных колебаний, по изменению частоты которых можно определить происходящие в системе изменения.