2.2 Инверсия

Методы инверсии играют важную роль в техническом творчестве. Они предусматривают поиск технических решений в направлениях, существенно отличных, как правило, противоположных принятым в конструировании аналогичных объектов.

Инверсия (от лат. inversio – перестановка) технических решений осуществляется различными методами. Разнообразие методов инверсии обусловлено различием признаков изделия, подвергаемых инвертированию, а также разнообразием используемых для этого способов поиска новых технических решений.

При решении задач идею решения при помощи инверсии или обратной аналогии можно получить путем изменения функций, свойств, или параметров, структуры и.т.д.

Признаки изделия, подвергаемые инвертированию, и соответствующие им методы эвристической инверсии приведены в таблице. Приведенный перечень методов, естественно, является открытым, поскольку способы инвертирования параметров конструктивного исполнения, содержания и формы как самого исполнения, так и образующих его элементов могут быть весьма разнообразными.

Таблица . Систематизация методов инверсии

Признаки исполнения изделия	Методы инверсии
Функция (параметр исполнения )	Метод инверсии физических величин Метод компенсации параметров Метод инверсии направления действия объекта …
Содержание исполнения	Метод инверсии рабочих материалов и веществ Метод инверсии энергии Метод инверсии информации Метод инверсии рабочих процессов Метод компенсации положения объекта …
Форма исполнения	Метод инверсии формы объекта Метод инверсии расположения объекта …
Содержание элемента	Метод инверсии свойств элемента Метод инверсии конструкционных материалов …
Форма элемента	Метод инверсии формы элемента Метод компенсации размеров …

Особенности методов инверсии, перечисленных в табл.6, заключаются в следующем.

Метод инверсии физических величин основан на потенциальной возможности материалов и конструктивных исполнений многих видов изделий преобразовывать одни физические величины в другие. Широко применяется в приборостроении, электротехнической, радиотехнической и других отраслях промышленности.

Примеры. Приборы и аппаратура, преобразующие оптические, звуковые, тепловые и другие величины в электрические; генератор, преобразующий механическую энергию в электрическую; электродвигатель, преобразующий электрическую энергию в механическую, и т.д.

Метод компенсации параметров основан на использовании технических решений, позволяющих поддерживать основные параметры функционирующего изделия в заданных пределах с помощью технических средств, противодействующих нежелательному изменению этих параметров.

Примеры. Технические объекты, в конструкцию которых включены специальные регулирующие устройства (терморегуляторы рабочих процессов, реостаты и др.).

Метод инверсии направления действия объекта предусматривает изменение направления действия (вектора, линии, плоскости) или траектории движения функционирующего изделия с целью повышении эффективности его работы при выполнении им той же функции.

Примеры. Детали, фиксирующие на своей поверхности звуковые сигналы посредством специальных устройств звукозаписи и инвертированные в последовательности: валик фонографа Т.А. Эдисона, пластинка Э. Берлинера, воспроизводящая звук от ее центра к периферии, пластинка братьев Пате, воспроизводящая звук от ее периферии к центру, рычажные устройства, позволяющие изделию выполнять ту же функцию при изменении направления движения его рабочего органа на обратный.

Метод инверсии структуры предусматривает изменение структуры системы на какую либо другую, позволяющую обеспечить улучшенные или более универсальные характеристики. При использовании этого типа инверсии решение задач основывается на изменении структуры. Много - мало элементов, однородные - разнородные элементы, сплошная - дискретная структура, монолитная - дисперсная - пустая, статичная - динамичная структура, линейная - нелинейная, иерархическая - одноуровневая и т.п.

Пример 2.8. Электронная и радио аппаратура ранее имела платы со многими элементами (транзисторы, резисторы, конденсаторы, катушки индуктивности, соединительные провода и т.п.), которые в дальнейшем были заменены микросхемами, а затем и на процессоры. Процессор заменил многие элементы.

Пример 2.9. Суда, как правило, имеют постоянную (статическую) структуру: сухогруз, танкер и т.д. Разработана модульная (динамичная) конструкция судна, которая имеет носовую и кормовую части (оконечности), а в середину (среднюю часть корпуса) может помещаться любой модуль (см. рисунок 2.2). Таким образом, собираются транспортные суда различного назначения. Модульные суда строили в США на Великих озерах.

Рисунок 2.2

Метод инверсии рабочих материалов и веществ предусматривает замену традиционных материалов и веществ, применяемых для функционирования изделия, на нетрадиционные, позволяющие тому же изделию выполнять новые функции или проявлять при выполнении прежних функций новые полезные свойства.

Примеры. Технические средства, обеспечивающие достижение технического эффекта путем преобразования агрегатного состояния веществ (холодильные компрессоры, сатураторы, пульверизаторы, ингаляторы и др.)

Метод инверсии энергии позволяет преобразовать энергию одного и того же вида из одной формы в другую.

Примеры. Инверторы, преобразующие постоянный электрический ток в переменный в электроэнергетических установках; выпрямительные устройства, преобразующие переменный ток в постоянный.

Метод инверсии информации позволяет преобразовать знак сигнала на входе или выходе сигнального устройства на противоположный.

Примеры. Простейшие устройства ЦВМ (инверторы), выполненные на транзисторах или интегральной микросхеме, преобразующие сигналы низкого уровня на входе в сигналы высокого уровня на выходе и наоборот, что эквивалентно логической операции отрицания.

Пример 2.13. Соединять - разъединять (отключать). На этом принципе построены многие средства связи, например, телефонная связь. Когда идет разговор, то обеспечивается связь. Во все остальное время этой связи постоянно нет.

Пример 2.14. Отрицательная обратная связь используется в системах автоматического управления. Текущий параметр сравнивают с заданным или изменяемым, по определенной программе, сводя разницу к нулю. Это и есть принцип обратной связи. Положительная обратная связь используется, например, в усилителях. Сигнал складывается с существующим сигналом и увеличивается (усиливается).

Метод инверсии рабочих процессов заключается в целесообразном изменении направленности или характера протекания рабочего процесса, реализуемого техническим объектом при его функционировании.

Примеры. Технические устройства, преобразующие асинхронные процессы в синхронные, возвратно-поступательные движения во вращательные и наоборот; реверсоры, изменяющие направление движения изделия или его рабочего органа на противоположное; устройства, преобразующие побочные вредные процессы в силовых установках в полезные (обогрев рабочего помещения за счет использования тепла выхлопных газов, использование энергии выхлопных газов для турбонаддува) и т.п.

Пример 2.4. Спортсмены тренируются, бегая по беговой дорожке на стадионе. Сейчас имеются движущиеся беговые дорожки и тренажеры, в которых можно задавать скорость движения ленты, ее наклон и другие параметры.

Пример 2.5. Устройство для тренировки пловца. Пловец на месте, а движется вода (см. рисунок 2.1).

Рисунок 2.1

Пример 2.6. Обычно траву сначала косят, а потом сушат, выбирая для этого самые жаркие и сухие дни. А что если делать на оборот - сначала сушить, причем как можно быстрее, а потом косить? Голландские специалисты сконструировали машину, которая довольно быстро подсушивает траву, обрабатывая ее паром при температуре 300^оС. Ширина захвата машины 6 метров, производительность 40 т/час. Паром можно обработать не только будущее сено, но и картофельную ботву перед уборкой или какую-либо другую культуру, если нужно замедлить ее рост.

Пример 2.7. В печи-гриле вертится приготавливаемая пища, например, курица. Разработан гриль, где приготавливаемая пища неподвижна, а вокруг нее вращаются горячие потоки воздуха.

Метод компенсации положения объекта предусматривает применение специальных технических устройств, компенсирующих отклонение положения функционирующего объекта под воздействием внешних факторов или нейтрализующих (локализующих) действие этих факторов с целью обеспечения стабильности заданного положения или траектории движения объекта в пространстве.

Примеры. Оптические компенсаторы в рефрактомерах; механические компенсаторы, уравновешивающие нежелательные и вредные факторы механическими средствами противоположного действия; гидравлические демпферы для гашения колебаний; электромагнитные компенсаторы для динамической компенсации индуктивности обмоток генератора при переходном процессе, акустические компенсаторы для звуковой пеленгации; устройства, стабилизирующие космический аппарат давлением солнечных лучей.

Метод инверсии формы объекта предусматривает переход от принятых, традиционных форм технического объекта к новым, нетрадиционным, позволяющим изменять в нужном направлении его эксплуатационные свойства или проявлять новые полезные свойства при функционировании.

Примеры. Самолет со складывающимися крыльями; катер на подводных крыльях.

Известно, что для лучшего обтекания водой, или воздухом телу придают соответствующую форму, а поверхность выполняется максимально гладкой. Одной из фирм штата Минисота (США) разработана пленка, снижающая сопротивление воды. Тысячи мелких, почти незаметных для глаз желобков на ее поверхности напоминают в поперечном разрезе зубья пилы и гасят трение жидкости о стенку (корпус судна). Пленку толщиной 6 мм крепят к корпусу яхты, как обои к стенке. Пленку предполагается использовать также на самолетах и автомобилях для снижения сопротивления воздуху.

Метод инверсии расположения объекта заключается в изменении пространственного положения технического объекта без существенного изменения его конструктивного исполнения и принципа действия.

Примеры. Замена токарных станков горизонтального типа с вращающейся планшайбой станками вертикального типа с неподвижной планшайбой, позволяющими обрабатывать крупногабаритные детали.

При решении технических задач производят изменение положения в пространстве на 90^o и 180^o.

Пример 2.15. Ось ветроэлектродвигателей обычно расположена по горизонтали, а электрогенератор находится на башне рядом с ветровым колесом. Американские конструкторы разработали ветряк, колесо которого вращается вокруг вертикальной оси (рисунок 2.3).

Рисунок 2.3

Его генератор находится на земле - для передачи вращения при этом уже не нужны передаточные механизмы, опорная башня может быть проще и меньше. А главное, его работа не зависит от направления ветра и, значит, не нужны устройства, разворачивающие ветровое колесо, словно флюгер, против воздушного потока. В результате конструкция обходится в несколько раз дешевле традиционных.

Метод инверсии свойств элемента (метод антитезиса) предполагает такое воздействие на конструкционные материалы и геометрические фермы конструктивных элементов, при котором эти элементы приобретают диаметрально противоположные свойства;

Примеры. Гибкие валы для сверхскоростных турбин; гибкие сверла для сверхскоростной обработки деталей; гибкие корпусные детали, снимающие чрезмерные напряжения от действия вибрационных нагрузок, и т.п.

Метод инверсии конструкционных материалов применяется в тех случаях, когда одновременно должны быть выполнены предъявленные к ним противоречивые требования.

Примеры. Замена металлических деталей пластмассовыми, обеспечивающими сочетание традиционно противоречивых свойств (например, прочность и легкость).

Метод инверсии параметров – Изменение параметров процесса на противоположные параметры.

Предложили труднодеформируемые и легко окисляющиеся металлы и сплавы ковать в вакууме, и при этом обрабатывающий инструмент и заготовку не нагревать, а охлаждать от 0^оС до порога хладноломкости.

Пример 2.12. Изменение размера детали при токарной обработке обычно выполняют путем контроля за размером изделия. Если контролировать расстояние между щупом и резцом, то можно гарантировать абсолютно точное изготовление деталей. Этот принцип лег в основу новых прецизионных токарных станков, созданных в Швейцарии.

Решение технических задач основывается на изменении временных параметров. Быстро - медленно, непрерывно во времени - квантовано, прошлое - настоящее - будущее.

Пример 2.16. При резке труб нож сминает края. Предложено резку труб осуществлять на большой скорости.

Пример 2.17. Аналоговая техника все больше заменяется дискретной (цифровой). Первоначально это касалось компьютеров и измерительной техники, а в настоящее время большое распространение получили бытовые цифровые приборы.

Метод инверсии формы элемента применяется в тех случаях, когда в рамках традиционной формы не удается найти технические решения, удовлетворяющие принятым ограничениям (например, по габаритам и т.д.).

Примеры. Многорядные аксиально-поршневые двигатели внутреннего сгорания и гидромоторы с прямоугольными поршнями, обладающие высокой компактностью и удельной энергоемкостью по сравнению с традиционными изделиями с круглыми поршнями (изобретения инж. А.А. Смирнова).

Метод компенсации размеров заключается в подготовке и принятии технических решений, позволяющих восстанавливать изменяющиеся при работе ее геометрические формы и размеры и постоянно поддерживать их в установленных пределах.

Примеры. Самозатачивающиеся резцы; регулировочные прокладки; вагонные пружинные буферы; сальниковые компенсаторы и др.