В школе мы изучаем физику, геометрию, химию, математику, биологию… В итоге практически большинство не знает, что эти науки обладают огромным фондом, так называемых, эффектов материального мира, и как можно использовать эти физические, химические, геометрические, математические и биологические эффекты в своей деятельности на практике. Не говоря уже о том, как создавать новые эффекты, не будучи профессионалом в той или иной области науки и техники. О том, как использовать всю физику, всю химию, всю геометрию и т. д. в своей деятельности, и создавать новые эффекты и пойдёт речь в данном материале.
Мы познакомим вас с некоторыми из инструментов решения научных задач, чтобы вы сами в творческом акте смогли почувствовать свою причастность к открытию истины или пути к ней. Тогда понятая вами информация станет вашим знанием...
Тело, впёртое туды, выпирается оттуда….
Однажды Гиерон, получив от мастеров заказанную им золотую корону, усомнился в их честности; ему показалось, что они утаили часть золота, выданного на её изготовление, и заменили его серебром. Эту задачу Гиерона 2255 лет назад пришлось решать знаменитому Архимеду. Он нашёл, что объем воды, вытесненный короной, зависит от веса короны, а её вес – от металлов, из которых она изготовлена. На что в наше время студенты сочинили свою формулировку закона Архимеда: «Тело (В1(L1)), впёртое туды, выпирается оттуда силой выпертой воды (B2(L2))» (рис. 1). С позиций концепции академика Н.В. Левашова («Неоднородная Вселенная») и тело В1, и вода В2 имеют собственные уровни мерности L1 и L2. Как это происходит, разберём ниже.
В школе и в вузе мы получаем большой объем знаний о физических и химических эффектах (порядка 50), хотя их известно более 500. Но умеем ли мы им пользоваться? Это большой вопрос. По большому счёту, нас этому не учат. Мы знаем, например, как звучит закон Архимеда, не понимая часто как им пользоваться на практике. Но вспомним, что «Знание есть ни что иное, как осмысленная и понятая нами информация, полученная через органы чувств о происходящем вокруг и внутри нас. К сожалению, современная земная цивилизация накопила огромный объём информации о происходящем вокруг и внутри нас, но осмысления и понимания этой информации практически не произошло»(Левашов Н.В.).
Но учат ли нас в школе этому осмыслению и пониманию на всех этапах обучения? Опыт показывает, что нет.
Например, о том, что чистый кислород поддерживает горение, например, водорода, знал ещё знаменитый химик Лавуазье. Однако прошло целое столетие, прежде чем идея была осмыслена, понята и нашла практическое применение, в частности, в газовой сварке.
А дело было так. В 1890 году полиция Ганновера была поставлена на ноги. Злоумышленник вскрыл банковский сейф и похитил крупную сумму денег. Эксперты, прибывшие на место происшествия, с недоумением рассматривали окно в стенке сейфа. Оно было таким ровным, словно резали не сантиметровую листовую сталь, а стекло или фанеру. Когда преступника задержали, его, прежде всего, спросили, чем он пользовался. Вор указал на два небольших баллона валявшихся в углу. По ходу дела он изобрел газовую резку (рис. 2).
А теперь рассмотрим такую задачу. Нужно измерить силу прижатия контактов, не разрушая стеклянную оболочку геркона (рис. 3)?
Если задачу решать известными средствами, то здесь возникает противоречие: чтобы измерить силу прижатия контактов друг к другу известными способами, стеклянной колбы не должно быть (например, можно разбить стеклянную оболочку), и она должна быть, чтобы это был геркон (т. е., её нельзя разбивать, т. к. это изделие), который нужно использовать и далее. Его и следует устранить. Кажется, что это невозможно, ведь контакты находятся внутри стеклянного баллона. Но это на первый взгляд. Посмотрим, какими свойствами и качествами обладают контакты геркона.
Они электропроводны, упруги, имеют массу и т. д. Чтобы узнать о силе прижатия контактов друг к другу, их нужно развести с такой же силой, а для этого сначала нужно как-то проникнуть внутрь баллона.
Например, электрический ток проходит через контакты, но он не способен развести их в стороны. Для этого нужно что-то воздействующее на контакты с усилием. Хорошо проникает тепло, но оно не способно воздействовать на контакты с позиций силы. Остается масса контактов и их упругость. А где масса – там и инерция. Осталось найти способ как её применить.
Для этого лучше всего подходят центробежные силы (Fцбс.). Так и поступили изобретатели по Авт. свид. № 487336: геркон вращают, и о силе прижатия контактов судят по угловой скорости вращения, при которой контакты размыкаются.
Физика для всех
Обобщим эти примеры и выявим общее – что их объединяет, введя условные обозначения (В – вещество; О – объект (обобщённое понятие); стрелка → – воздействие одного объекта А на другой объект Б; стрелки – ↔ взаимодействие между объектами; ==> – результат взаимодействия, свойство). Попробуем с позиций новых знаний посмотреть на задачу Архимеда и другие примеры.
1. Гравитация – поле или поток первичных материй (перепад мерности ΔL) увлекает тело (корону), имеющее собственную мерность L1, к центру Земли, она же – гравитация – увлекает (притягивает) и воду за счёт также перепада мерности между собственной L2и мерностью L в данной точке Земли. Разность между двумя действиями (гравитация → тело и гравитация → вода) и есть выталкивающая сила, которая равна весу вытесненной воды (вода имеет свойство растекаться, поэтому вводят ёмкость, см. рис. 4). Выталкивающая сила и уравновешивает собственные мерности тела и воды в месте контакта. Представим это так:
Пграв. ↔ Втело==> перепад мерности ΔL1;
Пграв. ↔ Ввода==> перепад мерности ΔL2.
Перепад мерности ΔL1← взаимодействует → с перепадом мерности ΔL2 ==> Результат – свойство (вытеснение телом объёма воды, вес которого равен силе выталкивания тела из воды).
2. Тепло (тепловое поле Пт) → (водород + кислород) ==> Результат (струя газа с высокой температурой с мерностью L1) → сталь (с мерностью L2) ==> Результат (разрезание стали на части – изменение мерности стали).
3. Вращение геркона создаёт радиальный перепад мерности ΔL1 – центробежную силу (Пцбс.), а каждый контакт имеет свою мерность L2 – инерцию.
Пцбс. → контакт 1 ==> Результат (перепад мерности ΔL в сторону от контакта 1);
Пцбс. → контакт 2 ==> Результат (перепад мерности Δ L в сторону от контакта 2).
Перепад мерности Δ L1← взаимодействует → с перепадом мерности Δ L==> Результат (разведение контактов c силой их прижатия).
4. Что будет, если нагреть пластинку из меди? Известно, – она расширится в соответствии со своим коэффициентом линейного расширения и приобретёт собственную мерность L1. А если нагреть ещё и пластинку из железа? Понятно, и она расширится, в соответствии со своим коэффициентом линейного расширения, приобретя собственную мерность L2. Теперь соединим обе пластинки, например, прессованием или заклёпками и нагреем. Что произойдёт? Каждая пластинка будет менять свою мерность и, естественно, та пластинка, у которой коэффициент линейного расширения больше, изогнётся сильнее. Тогда и вся система изогнётся на определённый угол и создаст достаточно большое усилие, если её ограничить третьим элементом (О3). Это физическое явление называется эффектом биметаллической пластинки(см. рис. 5.). Такие пластинки применяются в термореле в бытовой аппаратуре (утюгах, чайниках и др. нагревательных приборах) для регулирования температуры.
Таким образом, каждый раз для получения требуемого результата мы создаём перепад мерностимежду взаимодействующими объектами О1 и О2, имеющими определённые качества (см. (Урок № 8: Изобретения по формулам), т. е. используем создаваемую при взаимодействии неоднородность, какое-то новое местное качество. При этом объекты, взаимодействуя друг с другом, и создают свойство, обладающее определённым качеством – эффектом. Если же это свойство или эффект направить на третий объект (О3), как правило, изделие, которое нужно обработать, получим нужный по условиям задачи РЕЗУЛЬТАТ (см. Урок № 8: Изобретения по формулам). Его и будем называть физическим эффектом .
Действительно, каждая структура может быть достаточно широко использована, если в качестве третьего элемента, т. е. (О3) использовать такой, который совместно с данной структурой реализует заданную функцию или требуемое действие (ТД). Например, известно, что при охлаждении воды, она превращается в лёд, увеличивая при этом свой объем. Об этом и о том, от чего лопнула бутылка, знает каждый школьник.
Если к этой структуре присоединить объект (О2) – цилиндр, ограничивающий объем воды О1, то в результате превращения воды в лёд, он, расширяясь, создаст огромное давление в этом объёме.
Следует обратить внимание на то, что при этом всегда присутствует четвёртый элемент (О4), выполняющий функцию управляющего органа (в наших примерах):
- стенки сосуда – удерживают воду от растекания;
- наконечник газорезки – направляет и организует форму струи;
- стеклянный баллон геркона – удерживает на одной оси оба контакта;
- зафиксированный конец биметаллической пластинки – создаёт опору для изгибающейся пластинки).
В примере со льдом, разрушаемый льдом объект сам является четвёртым элементом (О4), направляющим разрушение так, как надо по условиям задачи, например, бутылка, в которой заморозился лёд.
Но если в качестве О2взять, например, промёрзший грунт (частично твёрдый лёд) и залить его водой О1 (жидкий лёд)? Что произойдет тогда?
Мы уже знаем: застывая, вода отдаст своё тепло грунту, и он оттает. Тогда его можно будет разрабатывать, например, экскаватором (Авт. свид. № 503040).
Таким образом, эффект проявляется всегда там, где присутствует или создаётся неоднородность.
От неоднородности к эффекту
Ещё раз обратим внимание на важность принципа неоднородности для формирования не только Вселенной, но и тех искусственных систем, которые мы собираемся изобретать для себя или объяснять их работу. В изобретательстве его ещё называют ПРИНЦИПОМ МЕСТНОГО КАЧЕСТВА, гласящим:
а) перейти от однородной структуры объекта или внешней среды (внешнего воздействия) к неоднородной;
б) разные части объекта должны выполнять различные функции;
в) каждая часть объекта должна находиться в условиях, наиболее соответствующих её работы.
Причём, с развитием системы, степень неоднородности её элементов и её структуры возрастает. Например: однородный объект → объект с частично изменёнными параметрами или частями → объект А с элементами объекта Б → антиобъект А→… Далее эти объекты могут объединяться с себе подобными или другими в соответствии с приведённой закономерностью: два объекта → два объекта с частично изменёнными параметрами или частями →… и т. д.
Обратимся к совершенно не техническим системам, например, к метафоре в поэзии, к анекдотам, и на их основе поясним роль и некоторые особенности принципа неоднородности.
В поэзии он проявляется в метафоре:
«...Так и хочется к телу прижать
Обнажённые груди берёз».
С. Есенин перенёс косвенное сходство белой женской груди (предмета переносного значения) с белым стволом (предметом прямого значения слова) берёзы, эмоционально насыщая её образ, и получил совсем другой эффект восприятия.
Или у А. Блока:
«Сойдут глухие вечера…
Змей расклубится над домами…»
Поэт переносит на клубы дыма сходство их со змеем и закрепляет в сознании этот эмоционально насыщенный образ.
Многие наверняка заметили, что не всякий анекдот вызывает смех и особый эффект его восприятия. Хороший анекдот всегда содержит или сводится к противоречию, которое в нём заложено и разрешается достаточно необычно, используя один из приёмов устранения противоречия. Очень часто это приём – «сделай наоборот». Или: на один из объектов анекдота переносят свойства и качества другого, имеющие с ним не прямое, а косвенное сходство, как это делается в поэзии в метафоре. И опять объекту приписывают новые качества, делая его образ неоднородным по сравнению с исходным (прямым).
Анекдот 1. Профессор спрашивает студента:
– Почему вы так волнуетесь? Боитесь моих вопросов?
– Да нет, профессор, я боюсь своих ответов.
Обычно студент боится вопросов профессора, т. к. они могут быть сложными, но он обычно что-то всё-таки знает. А здесь – наоборот, он боится своих ответов. Если бы студент знал, то его ответ был бы адекватен вопросу профессора, т. е. был однороден с ним. Здесь же полное незнание. В одном сюжете (системе) нужно совместить несовместимое, т. е. в сюжете от знания перешли к незнанию – антисистеме.
Анекдот 2. Скачет ковбой по прерии на коне, а внутренний голос говорит ему: остановись, здесь золото! Остановился ковбой и говорит: ну и что? – Копай! – отвечает ему внутренний голос. Копает ковбой, вот уже яму глубиной с метр выкопал.
– Нет золота…, – подумал ковбой. – Копай глубже, – отвечает внутренний голос. Вот уже погрузился ковбой на три метра в землю, а золота всё нет. Посмотрел он тогда вверх и спрашивает: А как же я теперь отсюда выберусь?
– А чёрт, его знает, – ответил внутренний голос.
Нормально – когда выкопал, взял и ушёл. Ситуацию немного изменили: чтобы найти золото, нужно копать глубоко, а чтобы быть хозяином этого золота и владеть им, нужно ещё выбраться из ямы. В несовместимости ситуаций и состоит эффект анекдота.
Анекдот 3.Горит больница. К главврачу подбегает пожарник и докладывает: двухэтажный больничный корпус потушили, там 10 человек сами оклемались, 12 откачали, а вот троих не удалось. Врач падает в обморок. Когда его привели в чувство, он произнёс: это не больничный корпус, это морг.
Всё дело в больных и мёртвых, их восприятие разное – противоположное. Эффект состоит в том, что в морг уложили не мёртвых, а живых людей, т. е. наоборот. Получились живые покойники – неоднородные с мёртвыми элементы.
Анекдот 4.На опушке леса поселился Змей Горыныч и утром ждёт свою добычу. Идёт медведь. Горыныч хватает его и спрашивает:
А ты кто?
– Я косолапый…
– Так, косолапый, чтобы через час привел свою жену, я вами позавтракаю. Понял?
– Ага!
Через час косолапый привел свою жену, и Горыныч ими позавтракал. Сидит и ждёт далее. Смотрит, бежит волк. Спрашивает: Ты кто?
– Я, я Серый.
– Так, Серый, чтобы к обеду привел свою жену и детишек, обедать я буду вами. Понял?
– Ага!
Через час серый привел всю свою семью, и Горыныч пообедал ею. Сидит, ждёт. Смотри, скачет заяц. Он поймал его за уши и спрашивает:
– Ты кто?
– Я? – Я – Косой.
– Так, Косой, к вечеру придёшь и приведёшь всю свою родню ближнюю и дальнюю, поужинаю я вами. Понял?
– Ага! А можно вопрос?
– Валяй!
– А можно не приходить?
– Конечно, можно!
Учитывая принцип неоднородности, можно предложить простейший алгоритм сочинения анекдотов и… физических эффектов.
1. Нужно выбрать объект (А) и объект (Б) или какое-либо явление (действие), которое нужно произвести над героем. Затем поменять действие на антидействие или героя на антигероя и довести до заранее заданного результата. Если нужно, ввести ещё один дополнительный объект (В), который поможет достичь требуемый результат.
Пример 1: Возьмём попугая (объект А) – птицу, которая может подражать человеческому голосу. Пусть попугай будет говорить противоположное тому, что хотел бы слышать его хозяин (Б). Для этого попугай должен уже заранее это знать, поэтому он должен быть от другого хозяина. Предположим, что попугая кому-то подарили. И он начинает повторять то, чему его учил прежний хозяин, например, ругает всех, на чём свет стоит. Новый хозяин не выдерживает и прячет попугая, например, в холодильник (В) или в стиральную машину.
Пример 2: Возьмём мёрзлый грунт. Его, например, нужно разморозить… Обычно для этого грунт разогревают разными способами (разжигают костры, каменный уголь и т. п.). Но мёрзлый грунт – это обычный грунт со льдом. Лёд наоборот – вода.
2. Нужно создать эффект (Э): Чтобы объект Б воздействовал на объект А, нужно создать направленное действие (создать перепад «мерности» – неоднородность) над объектом А и достичь ожидаемого эффекта (чтобы он делал то, что нужно объекту Б), используя объект (В). Для усиления эффекта нужно использовать какое-либо свойство объекта (В).
Пример 1: Чтобы хозяин смог воздействовать на попугая, поместив его в холодильник, который может ассоциироваться с Сибирью, или с тем, что в нём содержится, например, замороженная и общипанная курица – птица (попугай тоже птица, но живая). Если в стиральную машину, то там может быть куриное перо из подушек в чехле.
Пример 2: Нужно разморозить грунт. Возьмём в качестве второго объекта воду и зальём ею грунт (вода имеет мерность, отличную от мерности льда). Что произойдёт? Понятно, вода превратится в лёд.
3. Следствие воздействия ФЭ на объект А.
Пример 1: Попугай: Осознал, извиняюсь…
Пример 2: Замерзая, вода отдаст своё тепло мёрзлому грунту, который начнёт таять. Что и нужно было получить. При этом для лучшего эффекта отмораживания, накроем «замоченное» место, например, толем.
4. Развитие сюжета: например, сравнивая объект А с объектом В или его содержимым, но по противоположным характеристикам. Усиление эффекта.
Пример: Попугай в перьях, а курица – общипана. Он сравнивает себя с ней. Или: видит одни перья, а птицы нет… У него возникает вопрос…
5. Заключение, вывод.
Пример: Попугай уже шёпотом:Можно ещё вопрос?А курицу-то за что…? Или: А что сделал вам тот, из которого сделали подушку, а?
Итак, мы убедились, что благодаря неоднородности объектов, при их взаимодействии и возникают различные эффекты.
Но мы знаем, что вещество имеет много уровней организации: вселенная, планета, кусок вещества, песок, кристалл, кристаллическая решётка, домены, молекулы, атомы, частицы и т. д. При этом оно имеет ряд физических свойств (массу, твёрдость, цвет и др.), химическую активность, и до определённого уровня, – геометрическую форму.
Например, когда мы имеем дело с геометрией объекта (А) – его формой, размерами, структурой, то на этом уровне удобнее говорить о геометрических структурах или эффектах.
Когда действие происходит на уровне молекул и атомов, которые взаимодействуют друг с другом, то тогда удобнее вести речь о химических структурах и эффектах.
Если действие происходит с привлечением биосистем, то это значит, что речь идёт о биологических эффектах. И т. д.
Хотя и геометрические, и химические, и физические эффекты, в принципе, являются вещественно-полевыми эффектами, т. е. физическими.
А вещества, используемые в них, являются преобразователями, распределителями и т. п. потоков энергии, вещества или информации в их структурах.
Но так уж повелось в науке – сначала всё делить на физику, химию, геометрию и другие науки, а затем вновь их объединять. Правда, изобретателю или просто специалисту не физику, например, не обязательно знать всю теоретическую физику, чтобы пользоваться физическими законами при создании своих изобретений. Для начала достаточно знать о сути эффекта и как его можно применить в тех или иных условиях. С этой целью в ТРИЗ разработаны указатели физических, химических и геометрических эффектов, которые и позволяют найти «физическое» решение задачи, а затем перевести его на технический язык.
В чём хранить абсолютный растворитель?
Физические эффекты
Эдисон, принимая на работу в свою «фабрику изобретений» сотрудников, проверял их способность нестандартно мыслить. Однажды к нему пришёл самоуверенный молодой человек и заявил, что он изобрёл абсолютный растворитель. Эдисон спросил: а в чём вы собираетесь его хранить? Претенденту нечего было ответить и ему было отказано в приёме. Теперь такие задачи легко решают все, кто прошёл обучение ТРИЗ.
Прежде чем привести ответ, рассмотрим аналогичную задачу: как наполнить сосуд легко смешивающимися жидкостями (близкими по плотности), чтобы они не смешались?
Чтобы они не могли взаимодействовать друг с другом, достаточно использовать свойство функциональной структуры – достраивать её сколько угодно (см. Урок № 8: Изобретения по формулам), вводя новые элементы по формуле:
П → O1 ==> П → O1 x O2 ==> ... ==> Результат
Ответ очевиден: нужно налить в сосуд жидкость и заморозить, затем налить вторую, после чего можно разморозить первую жидкость и т. д. (Авт. свид. № 509275).
Теперь легко решить и задачу с абсолютным растворителем: его нужно заморозить, тогда он потеряет активность…
А если вместо жидкости взять две различные металлические пластинки О1 и О2 и соединить их, например, прессованием воедино так, чтобы они представляли собой единую пластинку?
Получим биметаллическую пластинку, которая обладает интересным физическим эффектом: одна из пластин (О1), у которой коэффициент линейного расширения больше, расширяясь, потянет за собой вторую (О2), у которой этот коэффициент меньше. В результате первая пластина изогнёт вторую, но т. к. они жёстко связаны, то и вторая будет помогать первой изгибаться в одну сторону (рис. 5). Здесь мы имеем две физические структуры – одна с О1, а другая – с О2.
Обратите внимание, как этот эффект по сути похож на закон Архимеда (см. рис. 4)! Ведь в обоих случаях эффекты возникают при взаимодействии двух одинаковых физических структур, но в каждой из них элементы О1 и О2 несколько отличаются друг от друга в своих свойствах или параметрах. Объединение двух таких структур приводит к проявлению комплексного эффекта.
На такую физическую структуру (формулу) можно привести множество примеров. Вот несколько из них:
Для повышения эффективности процесса обработки и обеспечения взаимного притяжения частиц потока запылённого воздуха, по Авт. свид. № 523583 потоки разделяют на несколько мелких потоков (О1 и О2), заряжают их зарядами разных знаков (П+ и П-) и потом соединяют.
А для повышения эффективности перемешивания, А.А. Попов и А.И. Савенков мешалку для вязких и пастообразных материалов выполнили в виде двух вращающихся (Пмех.) спиралей – О1 и О2 – вставленных одна в другую. Они не только перемешивают и продвигают смесь вперёд, но и очищают друг друга от перемешиваемого материала Авт. свид. № 1065222).
Итак, анализируя все примеры, отметим, что каждый раз мы строим вначале структуру из двух взаимодействующих объектов. Напомним, что структура представляет собой неполную временную систему (см. Урок № 8: Изобретения по формулам) – два взаимодействующих элемента (обычно поля и вещества), от которых исходило какое-то поле, готовое вот-вот воздействовать на любой третий элемент, совместимое с ним, чтобы образовать временную систему.
Например, молоток бьёт по гвоздю. Но гвоздь, если перед ним будет доска, войдет в неё, а если будет другое мягкое для него вещество, – войдёт и в него. Но если будет более твёрдое, он согнётся. И все эти результаты будут проявлением эффекта удара молотком по гвоздю, которые могут быть использованы для получения заданного результата (эффекта), в частности, в изобретательстве.
Молоток (О1) → Гвоздь (О2) ==> Эффект (удар, движение) → (*) ==> Результат
Где (*) – любое вещество, совместимое с Эффектом и создающее нужный (по условиям задачи) Результат (забитый гвоздь).
В общем виде образуется звено из двух элементов (П и О1). В нём поле П (поток Э, В, И) – обладает свойством потока энергии (например, в виде поля), вещества или информации воздействовать (→) на объект О1 в силу их совместимости. При этом тело О1 в составе звена П2 → О1приобретает свойство воздействовать на другой объект О2. Эту способность, т. е. эффект, образует структура, которую мы назовем физической, потому что она обладает свойством соединяться с любым совместимым с ней объектом О2и проявляться как физический эффект.
Структуры содержатся во всех временных системах, где взаимодействие элементов через определённые качества и образуют структуру физических эффектов (ФЭ).
Обобщая сказанное, представим закон Архимеда в известной уже нам вепольной форме и сравним его с эффектом биметаллической пластинки (см. рис. 4 и 5.).
Рассмотрим, что будет, если налить в сосуд жидкость и раскрутить его вокруг вертикальной оси?
Раскручиваясь, жидкость будет упираться в стенку сосуда, и, не имея возможности вырываться наружу, поползёт по ней, пока не достигнет краёв сосуда и не вырвется наружу маленькими струйками.
Рис. 6. Процесс получения шариков
Ничто теперь не может удержать раскручиваемую жидкость от действия центробежных сил. Ими можно только управлять, изменяя скорость вращения сосуда. Мы наблюдали это не раз. А что дальше будет с жидкостью?
Вырвавшаяся на свободу жидкость, разобьётся на капли...
Это свойство используют для охлаждения металла по Авт. свид. № 531635. А вот французы использовали его для получения шариков. В расплавленный металл (Р) опускают полый шпиндель (А) (рис. 6). При вращении шпинделя расплав под действием центробежной силы (Пцбс.) поднимается по внутренней полости, проходит в наклонные каналы и выбрасывается наружу в виде тонких струек. Здесь заканчивается действие данной временной системы, и она порождает новую систему: струя распадается, встречаясь с воздухом (В), на сферические капли (А1), остывающие в шарики, дробинки (А2). Меняя глубину погружения шпинделя, скорость вращения и сечение наклонных каналов, можно получить шарики различных размеров (патент Франции, № 1551368). Здесь мы наглядно видим действие двух физических эффектов: действия центробежных сил на расплав и действия на них сил поверхностного натяжения (они ответственны за округлость шариков).
Но сами по себе эти силы мало что дают изобретателю, если не знать о физических структурах, которые они создают.
Например, ФЭ центробежных сил (Пцбс.) проявляется в структуре отражённой в записи задачи о шариках.
Задачу о получении шариков в ФРГ решили иначе: перевернули шпиндель (Р) и стали подавать металл (А) сверху. Чтобы расплав не вылился из наклонных каналов, в них разместили пористые вставки, которые удерживают расплав силами поверхностного натяжения (Пс.п.н.). Ведь капли образуются тогда, когда поле центробежных сил (Пцбс.) преодолевает силы поверхностного натяжения (Пс.п.н.) расплава, только тогда он проходит сквозь поры и отрывается от них. Преимущество такой системы – высокая точность: от шпинделя вырываются не струйки, а капли, причём все они имеют одинаковые размеры. Здесь также проявляется дополнительная физическая структура, выполняющая функции управляющего органа – это капиллярно-пористая вставка (А), удерживающая жидкость (Р) за счёт сил поверхностного натяжения (Пп.н.).
[Пп.н.→ А (вставка)] ←→ [Р (жидкость) ==> А (Пп.н.)] → Р → – физическая структура
Иначе говоря, объединяя по определённым правилам разные физические структуры, можно получать новые физические эффекты, причём каждый из них осуществляет, как минимум, одну функцию.
Ещё один пример. Выпускник Минераловодской школы изобретательства В. Козырев решил задачу о получении штапельного волокна с высокими теплозащитными свойствами.
Способ получения штапельного волокна из расплава при температуре 1200 град. С, который подают в быстровращающуюся пустотелую чашу, известен давно. Для этого в стенках чаши имеется очень большое количество отверстий, через которые тонкими струйками вылетает расплав и тут же обдувается холодным воздухом, превращаясь в волокно. Но вот потребовалось волокно, которое было бы закручено спиралью по всей длине. Волокно достаточно хрупкое...
Итак, физическая структура с эффектом центробежных сил уже была известна. Нужно было найти ещё одну физическую структуру, которая закручивала бы волокно по спирали, а это новая функция. Для её осуществления В. Козырев предложил ввести в расплав ферромагнитные частицы размером 3-6 мкм и на вылетающие из чаши струйки расплава воздействовать вращающимся магнитным полем, которое закручивает их по спирали (была также предложена конструкция такого устройства). На это решение было выдано Авт. свид. № 1028611.
Суть его в следующем: с вылетающей струей (Р) была построена временная техническая система, представляющая собой физическую структуру (Физ. С), которая может быть использована во многих технических системах.
Физическая структура
Пмаг. (перепад мерности) → А (феррочастицы) х Р (расплав) → ( * )
Значок (х) обозначает соединение из А и Р. А скобки (*) означают, что в структуру можно ввести элемент (О) или другую структуру, совместимую с элементами (А, Ри Пмаг.) исходной структуры или с ней самой.
Две разные физические структуры взаимодействуют через комплексный элемент (А х Р) – смесь из двух компонент расплава с ферромагнитными частицами. Но элемент (А х Р) создает такую организацию, которая совместима с каждой структурой.
Таким образом, проявление физической структуры на конкретных веществах или полях и есть физический эффект.
Иначе говоря, когда организация данного воздействия находит совместимую с ней организацию другого воздействия или вещества, то их взаимодействие проявляется как физический эффект. А сама формула, отражающая его и тот результат в виде функции, к которому он приводит (например, закручивать по спирали), без указания на природу элементов является функциональной структурой .
Другой пример. Со свойством капиллярно-пористого вещества мы уже знакомы. Эта физическая структура обладает свойством втягивать в себя жидкость за счёт сил поверхностного натяжения. Его использовали изобретатели (Авт. свид. № 403517), выполнив жало паяльника из капиллярно-пористого материала – для отсоса припоя при демонтаже паяных соединений.
Теперь можно записать формулу любого физического эффекта.
Формула физического эффекта: П → А → О ==> Результат (функция)
Каждый из элементов А и О обладают набором свойств (спектром), взаимодействие которых создает тот или иной физический эффект. Если к физической структуре одного ФЭ присоединить совместимую с ним физическую структуру другого или других ФЭ, то всегда можно получить ряд новых комплексных физических эффектов.
Рис. 7. Вращение предметов при одновременном действии на них продольных и поперечных колебаний
Вот пример обнаруженного эффекта. При работе стиральной машины возникают продольные и поперечные колебания, в случае неравномерного распределения белья, т. е. возникновения неоднородности. Двигатель машинки крепится к задней стенке, при этом наибольшая гибкость крышки машинки в её центре. Возникающие колебания в разных частях крышки машины и в направлениях перпендикулярных задней стенке и параллельных ей, имеют разную амплитуду из-за разной её жёсткости, поэтому возникает градиент амплитуд в сторону задней стенки. Все предметы любой формы, находящиеся на машинке, начнут совершать вращательные движения вокруг своей оси и все в одну сторону (ссылка на видео), примерно так, как это показано на рис. 7 (http://physics.nad.ru/Physics/lwave.gif). Таким образом, создать эффект совсем не сложно, в жизнь воплотить его – сложней.
Как просверлить квадратное отверстие?
Геометрические эффекты
Действительно: как просверлить квадратное отверстие? И возможно ли это?
Да, если сверло выполнить в сечении в форме треугольника Релло и вращать его вокруг центра О и О1, то каждая точка на его периметре будет описывать квадрат. Это свойство можно использовать не только для сверления квадратных отверстий, но и, например, для обработки прямых углов и т. д. (Сверление квадратного отверстия).
Рис. 8. Свердение квадратного отверстия
Геометрическая форма часто позволяет лучше организовать проходящие через систему потоки энергии, вещества или информации, чем физические свойства объекта. – Например, многоэтажный дом на сваях, которые выполнены в сечении в виде треугольника Релло (Авт. свид. № 922234, БИ № 15-82). Такая свая обладает повышенной несущей способностью и обеспечивает равнопрочность во всех направлениях на действие изгибающих нагрузок, поэтому треугольник Релло называют фигурой равной ширины.
Рис. 9. Нож в виде логарифмической спирали
Вот ещё одна задача: как разрезать хлеб, чтобы у ломтей был идеальный срез, и булка при этом не мялась?
Её легко решить, если использовать несколько необычную геометрическую структуру– логарифмическую спираль, в форме которой выполнен нож по патенту ГДР № 266995. Нож вращается (Пмех.) под плитой с квадратным отверстием и отсекает от продавливаемого продукта (Р) ломтики или кубик, оставляя на них идеальный срез. Такой нож подчиняется законам гармонии, в частности закону «золотого сечения» (см. Тайны древнерусского Всемера) Дело в том, что угол резания «φ» между лезвием (рис. 9.) ножа (А) и направлением скорости его вращения, остается всегда постоянным. Это свойство логарифмической спирали – пересекать все свои радиус-векторы под одним и тем же углом «φ».
Геометрический эффект
Пмех.→ А (нож в виде логарифмической спирали) ==> Р (изделие) ==> Результат
Формула вещественно-полевой структуры, используемой в этом эффекте, будет иметь такой вид:
П (набор свойств) → А (набор геометрических признаков и свойств) ==> (*)→…
Если к этой структуре вместо (*) добавить, например, любой совместимый с ней объект О1 и изменить поле Пмех. на другое, но совместимое с А, то мы получим формулу геометрического эффекта(ГЭ). Его так называют потому, что в данной структуре решающую роль играет организация вещества «А» на уровне геометрии.
А что, если объединить две разные структуры – физическую и геометрическую?.
Тогда получим комплексный эффект. Например, Р. Кожевников из Москвы предлагает для перевозки наливных грузов (А1) использовать мягкую тару (А2) – вытянутую в горизонтальном направлении торовые (в виде полого бублика) ёмкости.
Рис. 10. Самоходная тара в виде тора
Свойство тора – возможность непрерывно выворачиваться, не теряя при этом своей формы (рис. 10).
Пмех. → А (тор) → (*) ==> – геометрическая структура.
Известно, что жидкость (А1) в поле силы тяжести на наклонной плоскости (Р) имеет физическую структуру геометрического эффекта.
Р. Кожевников объединил две структуры с геометрическим эффектом и получил эффект самодвижения тора (рис. 10).
Пграв. → (А1 ←→ А2) ==> Р – Эффект самодвижения тора.
Ну и чудеса! – скажете вы.
Химические хитрости
Да, чудеса. Но они действительно начинаются там, где хозяйничает химия. Здесь функциональные структуры, известные нам ранее, наполняются «химическим» содержанием.
В последнее время интерес к химии неожиданно стали проявлять представители... уголовного мира. Вспомним про изобретение газовой резки. Так вот, японские карманники уже не прибегают в своей «работе» к помощи примитивной бритвы.
Сейчас они незаметно для жертвы смазывают соответствующую часть его одежды концентрированной кислотой и ждут, когда материя начнёт разлагаться. Остальное, правда, как и прежде, – вопрос ловкости рук.
Химический эффект
А (кислота) → Р (одежда) ==> Результат (разложение ткани)
Элемент А (кислота) – это поток вещества, который содержит в себе звено П → А, в котором П – условно поле химических сил. Но всё это на микроуровне – на уровне атомов, поэтому запись несколько непривычна для физической структуры.
А вот изобретение английских специалистов фирмы «Уим борн». Это аккумулятор тепла, который даже в заряженном состоянии остаётся ... холодным. Секрет в особом веществе – «термогеле», он долгое время может находиться в жидком состоянии – как сверхнасыщенный раствор. Если в раствор (Р) ввести микроскопическую дозу активатора (А) – начнётся кристаллизация, сопровождаемая выделением тепла (Пт.). Вот этот полукилограммовый пакет с «Термогелем» греет 6 часов, пока весь раствор не затвердеет. А дальше аккумулятор нужно зарядить опять, ведь процесс этот обратим – его можно повторить сотни тысяч раз.
Стоит раствор нагреть, как он снова перейдет в жидкое состояние. Формула его химической структуры будет такой:
А (активатор) → Р(раствор) ==> Пт. – химическая структура
Во время гражданской войны подпольщики использовали фотохромный эффект: трёхцветное белогвардейское знамя (Р) вечером пропитывали фотохромным веществом (А) и когда утром его освещало солнце – трёхцветный флаг белых превращался в красный.
И вот ещё один пример. Для создания в литейной форме избыточного давления обычно применяется сложное пневматическое устройство. Изобретатели по авт. свид. № 933295 решили упростить конструкцию: они стали вводить в литейную форму (Р) вещество (А), которое при нагревании выделяет газ. Он-то и создает избыточное давление. Здесь химический эффект переходит в физическую структуру.
Химический эффект. Физическая структура
Пт. → А (вещество) → Р(форма) ==> Пдавл. → Р (форма) → ( * ) ==> Результат
Фактически здесь использован комплексный эффект.
Есть такие вещества, которые называют клатратами. Они образуют соединения преимущественно за счёт геометрии своих молекул. Например, соединение мочевины с молекулой сахара или другими молекулами.
Молекула мочевины скручена спиралью и образует своего рода тоннель, в который, словно гусеница, вползает молекула сахара. Используя это свойство, был предложен способ разделения бензина по фракциям.
С развитием нанометрических технологий, открылась возможность создавать нанообъекты, в которых могут быть реализованы многие комплексные эффекты.
Например, используя особые нановещества – дендримеры. Внутри дендримера могут образовываться полости, заполненные веществом, в присутствии которого дендримеры были образованы. Если дендример синтезирован в растворе, содержащем какой-либо лекарственный препарат, то этот дендример становится нанокапсулой с данным лекарственным препаратом. Заполняя полости дендримеров необходимыми веществами, можно, например, с помощью сканирующего зондового микроскопа собирать из различных дендримеров наноэлектронные схемы. При этом дендример, заполненный медью, мог бы служить проводником и т.п.
Рис. 11. Сборка дендримера из ветвистой молекулы Z-X-Z (верх) и различные виды дендримеров (внизу).
Здесь мы имеем дело с проявлением комплексных «химико-геометрических» эффектов на микроуровне.
Иначе говоря, объединяя по определённым правилам разные вещественно-полевые структуры, можно получать новые простые и комплексные эффекты, причём каждый из них осуществляет, как минимум, одну полезную функцию.
Итак, мы познакомились со многими физическими структурами и эффектами в стране Физических, Геометрических и Химических эффектов. Узнали как можно представить любой эффект в вепольной форме (см. Урок №8: Изобретения по формулам). Узнали и о принципах их синтеза, и теперь мы можем сами их синтезировать.