5.2.2. Подбор и состыковка физических эффектов

5.2.2.1. Понятие физического эффекта

Удовлетворение потребности возможно либо созданием материальных объектов, либо воздействием на потребителя. В последнем случае — это убеждение человека в ненужности его потребности (антиреклама, соответствующее воспитание, общественно-индивидуальное воздействие и т.п.) или создание иллюзии ее удовлетворения (гипноз, наркологическое, лекарственное или хирургическое воздействие и т.п.). Не будем останавливаться на них, как не относящихся к сфере инженерной деятельности.

Удовлетворение потребности материальным способом базируется на том, что в основе функционирования любого устройства лежит физическая реальность — взаимодействие материальных объектов, подчиняющихся физическим законам. Функционирование большинства изделий основывается на использовании нескольких физических законов.

Взаимодействие, описываемое каким-то одним физическим законом, составляет элементарное физическое явления или физический эффект (ФЭ). Физический эффект устанавливает причинно-следственную связь и энергетические потоки между взаимодействующими объектами. В простейшем случае он может быть представлен блок-схемой (рис.17а). Здесь Э₁ — энергия, подводимая к некоторому объекту Н₁, а Э₂ — энергетический результат этого воздействия и Н₂ — носитель этой энергии. Например, тепловая энергия Э₁, подведенная к твердому телу Н₁, вызывает электромагнитное излучение Э₂, носителем которого является поле Н₂ (свет). Такая схема отражает закон преобразования и сохранения энергии.

Рис. 17. Блок-схемы принципа действия

Блок-схема физического эффекта близка к функциональной схеме: каждой функции соответствует свой вид энергетического состояния, а носителям энергии — техническая система и взаимодействующие с нею объекты. Так, у выше приведенного примера будет следующая функциональная схема (рис.17б): нагревать (Ф_и) объект (ТС), чтобы он испускал (Ф) свет (ОВ). Блоки (ИД, ОВ) функциональной схемы конкретизируют условия применения будущего изделия — чем нагревать и как освещать.

Часто функциональную и физическую схемы принципа действия совмещают, т.е. работают с функционально-физической схемой. В этом случае, обычно, над стрелками указывают вид передаваемой энергии, а внизу — выполняемую функцию.

Физические эффекты, составляющие принцип действия, должны быть сопряженными, т.е. выходной поток одного эффекта соответствовать входному потоку другого, последующего. Сопряженные физические эффекты могут образовывать как последовательные, так и ветвящиеся маршрутные цепочки принципа действия. На рис.17б показана блок-схема принципа действия электрической лампы накаливания, включающая два сопряженных физических эффекта ФЭ₁->ФЭ₂, где ФЭ₁ — нагрев проводника током, ФЭ₂ — тепловое излучение твердого тела.

Большинство физических эффектов — сложные, т.е. зависят от ряда условий (имеют несколько входных и выходных потоков). Например, в случае нагрева твердого тела (Н₂) трением необходимо обеспечить не только его движение (Э₁₁) относительно другого тела (Н₁), но и взаимно прижать (Э₁₂) их.

В настоящее время известно большое число физических эффектов (порядка 5 000), хотя выпускник технического вуза обычно знаком с 200...500 эффектами. В помощь инженерам существуют базы данных и справочники физических эффектов, содержащие также описания соответствующих им математических моделей, условия и примеры применения. Имеются компьютерные программы построения физических цепочек. В справочнике приведен материал по основным видам энергии и ее носителей, ряд физических явлений, связывающих основные механические характеристики.

Наряду с физическими эффектами в процессе проектирования и производства учитывают и следующие:

• химические эффекты, характеризующие, например, способы повышения коррозионной стойкости металлов, склеивания деталей и т.п.;

• биологические эффекты, характеризующие взаимодействие живой и неживой природы, например, радиационный и тепловой ожоги, ослепление вспышкой и т.п.;

• психологические, физиологические и социальные эффекты, связанные с закономерностями восприятия технических объектов людьми, их освоением, управлением работой и т.п.

• Часто оперируют не столько физическими эффектами, а принципами действия элементарных устройств, которые могут включать целый ряд физических эффектов. В механике — это следующие элементарные принципы действия:

• рычаг, предназначенный для изменения величины передаваемого усилия и перемещения;

• клин плоский, предназначенный для изменения направления и величины передаваемого усилия и перемещения;

• клин винтовой (винт), предназначенный для преобразования поступательного движения во вращательное и наоборот, для изменения величины передаваемых нагрузок и перемещений;

• ворот, предназначенный для преобразования видов движений;

• пружина, предназначенная для получения больших упругих обратимых смещений.

Функции, выполняемые механическими устройствами, подразделяются на две группы:

• создание механического усилия (силового взаимодействия). Например, удержание одного тела в определенном положении относительно другого. При этом взаимодействие и передача нагрузок между телами осуществляются посредством геометрического (контактного) или силового (фрикционного) замыкания;

• приведение в движение. Такая задача формулируется как энергетическая, т.е. связанная с преобразованием некого вида энергии в механическую. Например, переместить твердое тело относительно опорной поверхности. Здесь возможными будут эффекты, имеющие на выходе кинетическую энергию (перемещение тела как целого) или энергию деформации (взаимное смещение частей тела).