Знаю, что и как, но не знаю, каким образом

(Физическое противоречие)

Понять сущность физического противоречия поможет следую­щая задача. При посадке самолета происходит повышенный износ колес шасси. Неподвижные колеса, касаясь набегающих аэро­дромных плит, не могут мгновенно раскрутиться и проскальзывают по их шершавой поверхности. После посадки на колесах можно заметить лысины, которые сняты будто напильником. Это и есть результат встречи неподвижных колес с аэродромными плитами на большой скорости. Для тяжелых самолетов, особенно при неудач­ной посадке, протектор колес шасси изнашивается особенно быст­ро. Как устранить этот недостаток?

Вы можете сказать: «Ну, что это за задача? Нужно всего-навсего предварительно раскручивать колеса, чтобы их окружная скорость была равна линейной скорости посадки самолета». Вот в этом-то и вся сложность. Скорости посадки самолетов различ­ные и зависят от направления и скорости ветра. Кроме того, пробовали ставить на колеса отдельные электродвигатели, но это недопустимо усложняло шасси: требовалось дополнительное мес­то, куда можно было бы убирать эти электроприводы после взлета. А главное, электропривод значительно утяжелял самолет. Колеса раскручиваются всего несколько секунд перед посадкой, а возить электроприводы приходилось постоянно, расходуя на них дорогое в полете топливо.

Возникло серьезное техническое противоречие — улучшили од­но, и сразу недопустимо ухудшилось другое, причем во многих местах. Вероятно, поэтому на большинстве самолетов отсутствуют приводы раскрутки колес. Противоречие так и остается пока не преодоленным.

Давайте уточним задачу, а для этого выйдем на ее перво­причину: найдем тот элемент, который испытывает противоречи­вые требования по физическому состоянию, и определим для него идеал. Если удастся, считайте, что задача близка к решению. Место и момент появления задачи — это поверхность колеса, ко­торая при приземлении касается бетонных плит аэродрома. По­верхность колеса должна быть подвижной, чтобы не происходило проскальзывания, и не должна быть подвижной, чтобы не иметь специальных систем раскрутки.

Идеальное решение — икс-элемент, совершенно не усложняя и не утяжеляя самолет, сам раскручивает до нужной скорости ко­леса самолета, когда они выходят из крыльев.

Что это за икс-элемент? У нас вокруг только струи набегаю­щего воздуха. Попробуем дать им роль этого загадочного икс-эле­мента. Задача уточнилась. Как сделать, чтобы набегающие потоки воздуха сами раскручивали колеса шасси? Из физики известно:

чтобы что-то стало вращаться, нужно приложить пару сил. Но воздух одинаково давит на верхнюю и нижнюю части колеса. Пары не получается. Опять физическое противоречие: воздух дол­жен давить равномерно на колесо, потому что самолет движется весь сразу, и не должен давить равномерно, чтобы появилась пара сил и колесо стало вращаться от их воздействий.

Как разрешить это физическое противоречие? Снова обра­тимся к идеалу: окружающий воздух сам неравномерно давит на части колеса. То есть на одну часть колеса — нижнюю, воздух должен давить, а на другую часть — верхнюю, не должен. Что нужно для этого сделать? Это уже микрозадача, решение которой наверняка доступно многим. Нужно просто перед верхней частью колеса поставить преграду набегающему потоку воздуха в виде кожуха или обтекателя. Воздух, воздействуя на протектор только в нижней части колеса, раскрутит его до скорости, близкой к ско­рости посадки. Проскальзывание колес в момент их касания об аэродромные плиты сведется к минимуму. В глубине технического противоречия всегда лежит физическое. Сформулировав его, мож­но считать, что мы угадали 5 цифр из 6 в нашей лотерее.

Физическое противоречие возникает не между параметрами технической системы, а внутри какого-либо одного элемента или даже в части его.

К одному и тому же элементу предъявляются противополож­ные требования по физическому состоянию. Например, элемент должен быть тяжелым и легким, или горячим и холодным, или магнитным и немагнитным и т. п.

Проследим это на примере, а для этого продолжим разбор уже знакомой задачи о контроле за оттайкой грунта под опорами ЛЭП. В оперативной зоне, т. е. на глубине, где оттаивание грун­та приводит к аварийной ситуации, элементов какой-либо техни­ческой системы нет. Поэтому требования идеальности предъявляем к имеющимся элементам природной системы, т. е. к грунту.

Идеальный конечный результат будет выглядеть следующим образом: грунт, совершенно не усложняя систему, сам выдает на поверхность сигнал о недопустимой величине своей оттайки. Как видите, задача стала звучать несколько фантастично, но посмот­рим, что мешает тому, чтобы это действительно стало так.

Частица грунта, находящаяся на определенной глубине, не в состоянии сама подняться на поверхность и своим видом пока­зать наблюдателю, что она оттаяла и нужно принимать меры.

Вот оно — физическое противоречие! Грунт должен быть твер­дым, неподвижным, чтобы держать нагрузку, и он же должен быть жидким и подвижным, чтобы вынести информацию наверх.

Пусть вас не смущает такой поворот событий — мы добрались до главной болевой точки. Образно говоря, мы уже достали кащее-ву иглу и держим в руках. Остается немногое — переломить ее. В этом помогут общие принципы разрешения физических проти­воречий (см. приложение 1). Более подробно вы с ними познакомитесь позже, а сейчас пока воспользуемся одним из них, который рекомендует исполь­зовать явления, сопутствующие фазовому переходу вещества из одного состояния в другое.

Вы знаете четыре состояния вещества — твердое, жидкое, газообразное и плазменное. В каком состоянии у нас грунт? Почти все виды грунтов включают в себя воду, поэтому при минусовых температурах он образует прочный монолит, который легко выдерживает нагрузку опоры. При плюсовых температурах содержащийся в грунте лед превращается в воду, которая под массой твердых и тяжелых частей грунта вытесняется наверх.

Вот и разрешилось физическое противоречие! Грунт стал твердым и жидким, подвижным и неподвижным.

Подвижная часть грунта — вода и будет служить нам инфор­мирующим органом, который, как диктует ИКР, «сам выдает на поверхность сигнал о недопустимой величине оттайки». Но как от­личить воду, поступившую из нижних слоев грунта, от воды, уже находящейся на поверхности? Это уже новая подзадача. Состав­ляем идеал: «Поступившая на поверхность вода сама резко отли­чается по цвету или иным признакам от воды, которая уже име­ется на поверхности». Как это сделать?

Вероятно, ответ у вас уже готов. На критической глубине оттаивания грунта нужно заранее расположить кусочки какого-ли­бо красящего вещества, например марганцовки. Как только грунт оттает и содержащаяся в нем вода перейдет в жидкое состояние, она тут же растворит кристаллы красителя и приобретет яркий цвет. Под действием давления, развиваемого фундаментом опоры, а также в силу капиллярного эффекта подкрашенная вода вы­ступит на поверхность и окрасит всю окружающую местность.

Совершая очередной облет ЛЭП, пилот замечает по окраске местности неблагополучную опору и сообщает о ней специальной аварийной команде, которая, выезжая на место, производит искус­ственное подмораживание грунта. В краситель, который распола­гается в грунте, можно добавить и люминофоры, тогда сигнал об аварийном оттаивании грунта будет виден даже ночью.

Конечно, полученное решение не является единственно воз­можным. Могут быть применены и другие явления, сопровождаю­щие фазовый переход вещества из одного состояния в другое. Например, лед, превратившись в воду, в силу закона Архимеда, будет выталкивать наверх любое погруженное в него тело. Исполь­зуем это явление. Рядом с фундаментом в мерзлом грунте про­буривают шпур нужной глубины, заполняют .снегом, в который закладывают равномерно по высоте какие-либо плавучие элемен­ты, например деревянные шары. По мере оттаивания грунта снег в шпуре превращается в воду и шары всплывают на ее поверх­ность. По количеству плавающих шаров можно судить о величине оттаивания грунта. Рассмотренный способ защищен авторским свидетельством. Повторяем, все возможные решения касались сохранения уже существующих опор ЛЭП, а не создания новых.

А теперь вернемся к задаче о закалке металлической детали в масле. Вы уже проанализировали техническое противоречие и вышли в оперативную зону, т. е. в зону возникновения перво­причины. Выяснили, что основным виновником возгорания масла является воздух, точнее кислород, который содержится в нем. Теперь составим идеал к воздуху: «Воздух не поддерживает го­рение и сам гасит пламя». Это возможно в том случае, если в воз­духе не будет кислорода, но, с другой стороны, он должен быть, иначе мы с вами задохнемся. Итак, появилось физическое проти­воречие — кислород должен быть и не должен быть.

Один из принципов разрешения физических противоречий ре­комендует разнести противоречивые требования в пространстве (см. приложение 1). Это значит, что там, где находимся мы, в воздухе есть кислород, а там, где раскаленная деталь соприка­сается с маслом, кислорода нет. Как это выполнить?

Задача предельно упростилась, и для многих она уже не пред­ставляет трудности.

Действительно, над поверхностью масла следует образовать какую-то газовую среду, в которой отсутствует кислород. Это может быть углекислый газ, который по удельному весу тяжелее воздуха и всегда будет находиться в ванне над поверхностью масла. Теперь масло хотя и будет нагреваться, соприкасаясь с горячей деталью, но гореть не будет, так как в этой зоне нет кислорода. Как это выполнить? Берем углекислотный огнетуши­тель и обрабатываем им масло. Проблема решена! Можно еще более упростить решение — добавить в масло вещество, которое при высокой температуре, разлагаясь, выделяет инертный газ.

Обобщим изложенное. Выходя в оперативную зону задачи (а она всегда лежит в месте возникновения первопричины), на­ходят элемент, не выполняющий нужную функцию или порождаю­щий нежелательное явление, и предъявляют к нему требования с позиции идеала. Если в оперативной зоне такого элемента техни­ческой системы нет, то предъявляют требования идеальности к ближайшему элементу окружающей среды. И вот здесь, как пра­вило, возникает внешне непреодолимое физическое противоречие. На этом этапе окончательно формулируется собственно задача, которую нужно решать, применяя свои знания по физике, химии и другим наукам.

А теперь подведем итоги рассмотрения противоречий и попро­буем сформулировать их основные признаки, причины возникно­вения и возможные последствия и условия разрешения.

АДМИНИСТРАТИВНОЕ ПРОТИВОРЕЧИЕ.

Основные признаки — несоответствие в производственной ситуации желае­мого и действительного. Возникновение противоречий между технической системой и человеком или природой. Обострение старых и появление многих новых технических и социальных задач на уровне надсистемы.

Причины — отсутствие новой или исчерпание возможностей старой техни­ческой системы для удовлетворения повышенной или вновь возникшей потреб­ности.

Последствия — повышение вредного влияния на надсистему, природу, че­ловека.

Условия разрешения — анализ ситуации. Локализация нежелательного яв­ления, перевод в подсистему и выявление технического противоречия.

ТЕХНИЧЕСКОЕ ПРОТИВОРЕЧИЕ.

Основные признаки — ухудшение каких-либо частей системы при улучшении других. Возникновение нескольких новых технических задач на уровне системы.

Причины — исчерпание возможностей технической системы. Неверный выбор места изменения системы. Борьба со следствием, а не с причиной.

Последствия — усложнение системы и надсистемы, резкое повышение мате­риальных и экономических затрат.

Условия разрешения — проведение причинно-следственного анализа, выявле­ние первопричины возникновения нежелательного явления и микрозадачи в под­системе. Определение физического противоречия.

ФИЗИЧЕСКОЕ ПРОТИВОРЕЧИЕ.

Основные признаки — возникновение противоречивых требований к физи­ческому состоянию одного элемента подсистемы. Выявление одной новой физи­ческой задачи на уровне подсистемы.

Необходимость внесения изменений в один элемент или в часть его.

Причины — несоответствие состояния вещества элемента или вида энергии требуемому.

Последствия — усложнение системы, введение новых элементов и новых ви­дов энергий.

Условия разрешения — уточнение физических требований по времени и пространству. Задействование ранее неиспользуемых веществ и энергий, имею­щихся в системе, подсистеме и надсистеме. Использование знаний законов при­роды.

Отметим, что задача может быть удовлетворительно решена на любом этапе ее обработки. Это зависит от имеющегося опыта и знаний. Но чаще всего приходится уточнять задачу, добираясь до одного-единственного противоречия на физическом уровне.

Как это делать и какие инструменты использовать при раз­личных уровнях противоречий, мы узнаем в следующих главах. А пока вашему вниманию предлагаются задачи, которые не по­хожи друг на друга, но для своего решения потребуют единого подхода. Воспользуйтесь основными принципами разрешения фи­зических противоречий (приложение 1).

Задача № 27. Известен способ подъема затонувших кораб­лей с использованием понтонов — стальных цилиндров объемом от 50 до 5000 м3. Их заполняют водой, опускают на дно и прикрепляют к корпусу затонувшего судна. Затем со спасательного судна по шлангам подают сжатый воздух, вытесняя из понтонов воду. Понтоны всплывают, поднимая корабль на поверхность. Способ применим лишь на относительно небольших глубинах — несколь­ко десятков метров. С увеличением глубины — несколько сот метров — компрессоры спасательного судна не в состоянии развить давление воздуха, способного вытеснить воду из понтонов. Увеличение мощности компрессоров наталкивается на их чрезмер­ную сложность и энергоемкость. Это техническое противоречие. Сформулируйте ИКР по отношению к воде, которая находится в понтонах, выявите возникающее физическое противоречие и разрешите его, используя знания школьной физики.

Задача № 28. В одной из латиноамериканских стран во время профессионального матча по боксу спортсмены и их тренеры столкнулись с загадкой. Довольно средний боксер неожиданно одержал ряд побед, причем все — накаутом.

Проигравшие рассказали, что в начале боя его удары были вполне обычны, но постепенно тяжелели, достигая через неко­торое время страшной силы, как будто боксер бил не обыкновен­ной перчаткой, а камнем. Но перчатки перед боем проверяет судья, в них ничего не спрячешь. Менять конструкцию перчатки не допускается. Как спортсмен превращал мягкую перчатку в твердую?

3 а д а ч а № 29. Плужковый сбрасыватель сыпучих материа­лов с ленты конвейера должен плотно и сильно прижиматься к поверхности ленты. Однако при этом лента недопустимо быстро изнашивается. Как устранить износ ленты?

3 а д а ч а № 30. Как перейти речку, не замочив обувь? Пред­ложите как минимум четыре способа.

Задача № 31. На некоторых нефтеперерабатывающих за­водах первичный подогрев нефти осуществляется в трубчатых змеевиках, которые с внешней стороны обогреваются рядом фа­кельных форсунок. Для повышения производительности установ­ки увеличили факел горелок. Большое пламя стало касаться по­верхности труб, возникли участки местного перегрева, приводя­щие к пригару нефти. Пришлось убавить факел, но тогда нефть не успевала прогреваться. Как увеличить факел, избежав прямого контакта пламени с поверхностью трубы?

Задача № 32. Один крестьянин нашел старинный кувшин. Как только он открыл его, оттуда, как и положено в сказках, вылетел злой джин.

Я должен убить всякого, кто выпустит меня на волю,— сказал джинн.— Так я запрограммирован, и ничто не сможет оста­ новить меня!

А ты можешь выполнить мою одну последнюю просьбу? - спросил крестьянин.

Конечно! Я всемогущий, я мгновенно выполняю все, но затем ты простишься с жизнью. Приказывай любое, кроме того, чтобы я не убивал тебя или чтобы я убил сам себя. Я жду одну минуту!

Прошла минута, крестьянин отдал приказ и остался жив, хотя условия не были нарушены. Что было приказано джинну?

3 а д а ч а № 33. Как предотвратить истирание днища ковша экскаватора?

Высшей истинностью обладает то, что является причиной следствий, в свою очередь истинных.

Аристотель