книги / Изобретенческая реальность принципы достижения технических преимуществ в объектах техники с помощью физических явлений, свойств и эффектов

верхнее зеркало —кольцевое.В центре под фотоэлектронным умножи- телем 2 радиатор 1 покрыт чёрным поглотителем 5.

Помимо научных экспериментов,детекторы элементарных частиц находят применение в медицине (это рентгеновские аппараты с ма- лой дозой облучения, томографы, лучевая терапия), в материалове- дении (или дефектоскопии),для предполётного досмотра пассажиров

ибагажа в аэропортах.

Втеории относительности Эйнштейна есть предсказание назван- ное «парадоксом часов», которое имеет место в опытах с элементар- ными частицами.

Нестабильная частица в состоянии покоя характеризуется опре- делённым средним временем жизни до распада. Если эта частица движется равномерно с определённой скоростью, то наблюдается

увеличение среднего времени её жизни. Среднее время жизни части- цы возрастает пропорционально её полной энергии (t = t0 . E/E0, где t0 — среднее время до распада в состоянии покоя, E0 — энергия покоя, равное m0 c 2, E — полная энергия (сумма внутренней и кинетической энергий)).

Убыстрых мюонов,π-мезонов и K-мезонов (частиц соударения ну- клонов) наблюдалось возрастание среднего времени жизни в десятки раз вточном соответствии с данным законом.Пока частица движется, скорость её распада замедляется. Если рассматривать процессы, про- текающие внутри нестабильной частицы, как часы отсчитывающие время, то в движущейся частице время, текущее до распада, замед- ляется.

Это явление переносят и на движущиеся тела. Часы неподвижной частицы отсчитывают несколько средних сроков жизни, пока она бы- стро движется.Собственные часы быстродвижущейся частицы как бы замедляют свой ход, и по ним проходит только малая доля среднего времени жизни частицытекущегодо распада.Остановившаяся неста- бильная частица распадается через время, равное сохранившейся доли среднего срока жизни состояния покоя.

Теория относительности распространяет этот вывод на любые фи- зические процессы, в том числе и на биологические процессы.

Представляется, что космонавт, путешествуя в космосе со скоро- стью, близкой к скорости света, постареет меньше, чем его ровесник, оставшийся на Земле. Ход времени в космическом аппарате, а значит

ибиологические процессы в человеке, замедляться, по сравнению

сходом времени на Земле. Часы внутри космического аппарата пока- жутменьшую продолжительностьпутешествия,чем часы,оставшиеся на Земле. В этом и заключается феномен «парадокса часов».

Действительно, длительные сроки нахождения на орбитальной станции, быстро вращающейся вокруг Земли с постоянной скоро-

340

стью, дают признаки омоложения близнеца — космонавта, по срав- нению с его братом на Земле. Но, омоложение столь незначительно, что после возвращения с орбиты в течение очень короткого вре- мени возрастные признаки близнецов возвращаются в состояние, имевшееся до полёта. Как долго может сохраняться «парадокс ча- сов» неизвестно. Похоже, что сохранение эффекта «парадокса часов» не может поддерживаться внутренними процессами, сжатая време- нем пружина биологических процессов с большой скоростью рас- прямляется на Земле.

Космические лучи или космическое излучение приходит к нам равномерно со всех направлений мирового пространства. Природа космического излучения является бесконечно сложной. Первичное космическое излучение (излучение, приходящее из мировых глубин

вземную атмосферу), состоит из быстро движущихся положительно заряженных частиц: протонов и в меньшем числе α-частиц и других ядер. Энергия первичных частиц космического излучения огромна и измеряется миллиардами электрон-вольт,а в некоторых случаяхдо- ходитдажедо фантастических значений 10 21 эВ,при этом,чем больше энергия частицы, тем меньше встречается таких частиц в первичной компоненте. Механизм ускорения, с помощью которого во Вселенной образуются частицы такой огромной энергии, изучается.

Из первичного космического излучениятолько малаядолядоходит до поверхности Земли. Подавляющая часть первичных частиц ещё

вверхних слоях атмосферы сталкивается с ядрами атомов, входящих

всостав воздуха. Ввиду громадной энергии первичных частиц такие

соударения приводят к расщеплению атомных ядер с испусканием быстрых нейтронов,протонов и α-частиц.Кроме того,соударения ча- стиц большой энергии с ядрами атомов воздуха сопровождаются об- разованием новых частиц: различных мезонов и гиперонов. В зави- симости от вида гипероны превращаются в мезон и нуклон (нейтрон

или протон). Мезоны превращаются затем в электроны, позитроны или γ-кванты.

Наряду с размножением частиц в атмосфере происходит их погло- щение,аналогичнотому,как происходитпоглощение α-,β-и γ-частиц при прохождении через вещество. В верхних слоях атмосферы пре- обладающим процессом является размножение, и число частиц кос- мического излучения нарастает вплоть до высоты 20 км над уровнем моря. Ниже этой границы главную роль играет поглощение, и интен- сивность излучения падает.

Полная энергия космических лучей очень мала по сравнению

сэнергией, приносимой световым излучением Солнца. Поэтому вли- яние космического излучения на неживую природу Земли невелико, но в развитии жизни оно, возможно, существенно, так как ионизую-

341

щие излучения увеличивают частоту мутаций и, следовательно, ско- рость эволюции. Исследование космического излучения имеет боль- шое значениедля познания элементарных частиц и самой Вселенной. Космическое излучение является естественной лабораторией, в ко- торой осуществляются процессы взаимодействия частиц огромной энергии,далеко превосходящей энергию частиц,ускоряемых самыми мощными лабораторными ускорителями. По мере увеличения энер- гии элементарных частиц возрастаетбогатство явлений,ими вызыва- емых, полнее раскрываются свойства частиц, что привело в своё вре- мя к открытию позитрона и ряда мезонов.Затем подробное изучение этих частиц проводилось уже с помощью мощных ускорителей.

Космическое излучение это безграничный источник астрофизи- ческой информации: сведений о процессах, происходящих в далеких областях Вселенной, где излучение зарождается и распространяется. Оно представляет собой своеобразный поток импульсов приходящий к нам из долговременного хранилища предметного мира, из неуни- чтожимого носителя явлений и эффектов Природы,из центров её бес- предельной нестираемой памяти обо всём.

Нейтроны космических лучей, взаимодействуя с атмосферным азотом, образуют β-активный изотоп углерода  14C, названный ра- диоуглеродом (период его полураспада 5730 лет). Он используется в методе датировки объектов археологии (например, по образцам дерева из гробниц фараонов определены даты смерти этих фарао- нов, которые соответствовали датам их смерти по сохранившимся рукописям). Радиоуглерод содержится в воздухе в форме углекис- лоты. Химические свойства всех изотопов углерода очень близки, их пропорция ( 14C : 12C = 1 : 10 12) сохраняется и в растениях, усваи- вающих атмосферную углекислоту, и в организме животных, пи- тающихся этими растениями. Следовательно, животные и растения обладают крайне слабой, но поддающейся измерению, радиоактив- ностью. После смерти животного или растения поглощение углерода прекращается,и радиоактивность изотопа14C в останках постепенно уменьшается (вдвое за каждый период полураспада, то есть за каж- дые 5730 лет). Сравнивая радиоактивность ископаемых органиче- ских остатков (отнесенную к 1 гуглерода) с радиоактивностью совре- менных растений или животных,можно определить степень распада изотопа14C,а значит,и возраст остатков.За последние 50 ÷ 100 тысяч лет удельное содержание радиоактивного изотопа 14C в углекислоте воздуха не изменилось. А так как углеродный обмен прекращается лишь после смерти организма, то эта природная стабильность стала основой радиоуглеродного метода определения возраста археологи- ческих объектов.

342

Принципы ИЗОБРЕТЕНЧЕСКОЙ специализации явлений и эффектов

Поиск и обнаружение причинных связей между явлениями даёт возможность управлять явлениями. В ИЗОБРЕТЕНЧЕСКОЙ РЕАЛЬ- НОСТИ причинные связи являются основой получения технических преимуществ, которые двигают развитие техники.

Каждый раздел этой темы имеет практику технических приложе- ний, где применение физического явления создаёт техническое пре- имущество перед имеющимися на данный момент возможностями техники.

Отдельные атомы и составляющие их ядра,электроны,атакжедру- гие частицы атомного и субатомного масштаба называют микроча- стицами. Законы, которым подчиняются такие частицы, относят к за- конам микромира.

Тела,состоящиеизогромногочисламикрочастиц,относяткмакро- миру,включая в это понятие нетолько окружающие настела обычных антропогенных масштабов, но и такие гигантские тела, как планеты, звезды, галактики. Каждая материальная микро единица вносит свой вклад в физические проявления объединённой массы микрочастиц входящих в макротела. Структурными материальными единицами макротел являются атомы, ионы, молекулы,частицы,домены и фрак- ции веществ.

Обычная механика это первое приближение к законам реального мира, которое достаточно при изучении движения макротел.

Квантовая механика — это более общая теория, которая включает в себя и механику о движении макротел,то есть цельных масс связан- ных микрочастиц, масс очень больших размеров по сравнению с мас- сами отдельных микрочастиц. Движение и связи микрочастиц (даже, если это не очевидно), эффекты и явления микроуровня аккумулиру- ются до проявления их на макроуровне и выносятся для получения масштабных результатов движения, всего того,что представляет цен- ность для жизни и существования человека.

Это подтверждает всеобщую взаимосвязь всех явлений и процес- сов,указываетна наличие системности втакой многоуровневой взаи- мосвязи,перманентно изменяющейся в зависимости отусловий,мас- штаба тел и их природы.

ИЗОБРЕТЕНЧЕСКАЯ специализация явлений и эффектов основана на законах сохранения, как на фундаменте существования всего, опо- ре всего. Они всеобщи и являются условиями протекания любых фи- зических явлений и эффектов.

Практичность законов сохранения основана на факте строго их действия (проявления), на принципе неуничтожимости всего (мате-

343

рии) и не возникновении всего из ничего,на принципе перехода (пре- вращения) одного в другое и другого в первое.

Законы сохранения имеют соответствующую привязку к масштабу рассматриваемых тел в замкнутых физических системах. К ним от- носят:

•Сохранение инерции (движения или покоя), принцип относитель- ности Галилея и Эйнштейна — одинаковость процессов в любых инерционных системах;

•Сохранение баланса, равновесия сил — сила действия равно силе противодействия;

•Сохранение соответствия выигрыша и проигрыша — «золотое пра- вило» механики;

•Сохранение импульса — сохранение количества движения;

•Сохранения углового момента — момента импульса;

•Сохранение энергии — переход потенциальной энергии в кинети- ческую энергию и обратно;

•Сохранение баланса положительной и отрицательной работы;

•Сохранения внутренней энергии — баланса теплоты и работы;

•Сохранение массы;

•Сохранение заряда;

•Сохранения симметрии, то есть сохранения соответствия (неиз- менности), проявляемое при каких-либо изменениях или пре- образованиях (например: положения, энергии, информации). Это некоторое свойство, сохраняющееся после проведения преоб- разований. Каждой непрерывной симметрии физической системы соответствует некоторый закон сохранения.

Законы сохранения предполагают невозможность достиже- ния каких — то технических преимуществ.

Между тем они достигаются благодаря стоимостной асимметрии (стоимостного отношения): асимметрии «выигрыша и расплаты», «пользы и потерь», «положительного и отрицательного».

Роль стоимостной асимметрии вдостижениитехнических преиму- ществ показал ещё Архимед, применив свой рычаг — прочный стер- жень, асимметрично установленный на точке опоры. Ось опоры и ось стержня взаимно перпендикулярны, что характерно для двигателей и генераторов.

Рычаг имеет техническое преимущество, обнаруженное с древ- нейших времён: максимум получаемого усилия соответствует мак- симальной длине его большого плеча (сила и длина максимального плеча соответствуют друг другу).

«Золотое правило» механики «выигрыш в силе сопровождается проигрышем в пути и наоборот»,типичная стоимостная асимметрия, которая узаконила связь между выигрышем и проигрышем, и их со-

344

ответствием (максимум силы с помощью минимальной силы равно большому пути для короткого плеча).

С одной стороны малое (но,множество) по величине усилие (энер- гия) получает на другой стороне умножение в виде (единичных) больших действующих усилий (энергии). На одной стороне (на сто- роне большого плеча рычага) большой путь приложения малых уси- лий (энергии) получает на противоположной стороне (малое плечо рычага) малый путь приложения больших усилий (энергии).Произве- дение малого усилия на большое плечо рычага (большой путь) с одной стороны равно произведению большого усилия на малое плечо рыча- га (малый путь) на другой стороне.

Большое усилие с помощью малого усилия — это выигрыш (при- обретение силы), а большое плечо для малого плеча — это проигрыш (трата пути рычага).

Равновесие рычага наступает при условии, что отношение прило- женных к его концам параллельных сил обратно отношению плеч, при этом моменты этих сил противоположны по направлению. Поэтому, прикладывая небольшую силу к длинному концу рычага, можно урав- новесить значительную силу,приложенную к короткому концу рычага.

Путь рычага ни чего не стоит, его тратят. Большое усилие ценно, оно приобретается, даёт технический выигрыш, преимущество. От- ношение выигрыша обеспечено соответствующим отношением про- игрыша. Явление выигрыша поддерживается явлением проигрыша, равного затратам нечто дешёвого.

Большое плечо рычага — условно «двигатель», малое плечо — «ис- полнительный орган», а опора с рычагом — «устройство связи между ними, орудие, механизм или машина».

Понятия «двигатель, исполнительный орган, устройство связи, механизм или машина» всего лишь обобщённые названия элемен- тов сторон асимметрии приобретений и трат, пары частей имеющих противоположные качества одного рода.

Исполнительный орган реализует выигрыш, например, обретение ценной силы.

На двигателе сосредоточен проигрыш — то есть всё дешёвое, на- пример, путь большого плеча рычага. Ценное приобретается, а дешё- вое тратится. Техническое преимущество заключается в особой поль- зе требуемой ценности, при этом для её производства потраченные энергия,материалыилиинформациядолжныявлятьсядешёвымиили «бесплатными» (как, например, большая длина плеча рычага). В этом случае эффективность получения пользы максимальна и это является признаком технического преимущества.

Ценное обязательно замещается чем-то «бесплатным» или ненуж- ным. Ценное меньше дешёвого, меньше его трат, но их общий ба-

345

ланс неизменен (закон сохранения количества ценностей). Это соот- ветствует закону сохранения количества движения: всякое полезное движение сопровождается обязательным обратным замещающим движением, чем сохраняется баланс обоих движений.

Отношение выигрыша — основа технического преимущества в чём-то, а отношение расплаты за него — вид соответствующих за- трат чего-то дешёвого, не ценного.

Такова структура технического преимущества и его замещающего наполнения.

Основу технической ограниченности объекта техники составляет технический недостаток чего — то ценного или проигрыш ценного, который оплачен тем же ценным,для чего такой объект создан.

Отношение проигрыша — это основа технической ограниченно- сти объекта техники в производстве чего-то ценного, в котором за- мещающее наполнение этой ограниченности осуществлено тем же ценным, тратой (вычитанием) того же ценного. А ценным в конеч- ном итоге является энергия, затрачиваемая на производство этого ценного.

Такова структура технической ограниченности и её замещающего наполнения.

Чтобы определить причину отсутствия технического преимуще- ства, необходимо уяснить причину вычитания ценного из производ- ства чего-то ценного.

Обычно причина технической ограниченности проявляется при проведении опытно-конструкторских исследований,различного рода испытаний и эксплуатации в условиях потребителя, то есть там, где производится и используется ценное.

Причина технической ограниченности объекта изобретения обу- славливает существование противоположной причины — причины технического преимущества.

Объектстехническим ограничением и объектстехническим преи- муществом в базовой части один и тот же объект, называемый прото- типом (прототипами), поэтому причина технического преимущества является продуктом противоположения причины ограниченности (обращения её в противоположный смысл). Причина технического преимущества противоположна причине технической ограниченно- сти, как богатство или избыток противоположен недостатку. Техни- ческое преимущество, подвергнутое противоположению, раскрывает суть исходной причины технической ограниченности.

Техническое преимущество (в виде «дайте мнеточку опоры,и я пе- реверну Землю») содержит явления противоположные явлениям от- сутствию технического преимущества (например, «носить воду в ре- шете») одного и того же объекта.

346

Отношение явлений образующих техническое преимущество про- тивоположно отношению явлений образующих техническую огра- ниченность, как богатство обеспеченное дешёвым противополож- но недостатку обеспеченное ценным.

Объект, имеющий ограниченность технического результата, в изо- бретательстве назван прототипом, а другой, имеющий в сравнении с ним техническое преимущество — изобретением.

Добавленные в прототип явление и дешёвый ресурс составляют техническое преимущество изобретения над исходным прототипом. Из общей характеристики причины технической ограниченности прототипа выводится физическое явление технического преимуще- ства, которое осуществляется в изобретении с помощью доступного, подходящего и дешёвого ресурса.

Все существующие объекты изобретения — это прототипы, кото- рые содержат врождённую техническую ограниченность. Наличие её постоянно, временно лишь техническое преимущество, что обеспе- чивает поступательное развитие техники. Врождённая техническая ограниченность обусловлена экономическими причинами и изна- чальным ограниченным количеством задействованных физических

ииных явлений (эффектов) в объектах техники.

Визобретательстве действует единственный практический метод достижения технических преимуществ это научно-аналитический способ, то есть метод создания в объекте изобретения причин техни- ческих преимуществ из причинтехнической ограниченности его про- тотипа (или прототипов).

Физическое явление, создающее техническое преимущество, вы- текает из характеристики причины технической ограниченности.

Оболочки всех объектов изобретения имеюттелесное (твердотель- ное) исполнение.

Траты ресурсов в технических преимуществах всегда доступные, подходящие и дешёвые. Источниками ресурсов для трат являются твёрдые тела (металлы, неметаллы), жидкости, газы, источники теп- ла, заряды, электричество, магнетизм, свет (электромагнитные поля), радиация, ядерный распад и синтез. К условно бесплатным ресур- сам относят энергию Солнца, гравитацию Земли, инерцию, воздух, воду, недра и кору Земли.

Основными объектам изобретений являются устройство, способ,

живое и неживое вещество, а также применение их по новому (иному) назначению.

Устройство предназначено для производства требуемых ценно- стей (представляетсобой понятие «чем»).Оно содержитявление,с по- мощью которого это устройство действует и производит требуемую ценность. Это явление обозначает функциональное предназначение

347

устройства. Что и как тратится для производства и функционирова- ния явления указывает на наличие или отсутствие в устройстве тех- нического преимущества.

Способ устанавливает как, каким образом создаются требуемые ценности (представляет собой понятие «как»).

Вещество — это сама ценность и как его получают (представляет собой понятие «что»).

Объекты изобретения предназначены в основном для создания технологических ценностей.Большинство первичных ценностей про- изводятся Природой (климат, воздух, вода, почва, флора и фауна).

Ценным для человеческой цивилизации является всё,чтотехниче- ски обеспечивает человечеству комфортную, безопасную и здоровую возможность существования на планете Земля. Техническое преиму- щество,имеющеесявобъектахизобретения,позволяетсоздаватьцен- ноестребуемымтехническимрезультатом.Там,гдесоздаётсяценное, там есть итехническое преимущество.Ценное итехническое преиму- щество обуславливают друг друга и, найдя одно, находят и другое.

Рассмотрим подробно практику достижения технических преиму- ществ в объектах изобретения, например:

Прототип теплообменника по изобретению а. с. 201107 содержит размещённые в корпусе изогнутые под углом 90 0 трубные доски (ре- шётки) с тремя взаимно перпендикулярными пакетами теплообме- нивающихтруб.Пространство между ними заполнено порошкообраз- ным неподвижным теплоносителем, например, графитом.

Асимметрия передачи тепла между пакетами теплообмениваю- щих труб порождена физическими качествами порошкообразно- го графита: на стороне отдающих труб поток тепла максимальный, на стороне принимающих — он минимальный, а между ними порош- кообразный графит. Асимметрия теплопередачи оплачена тем, что ценно —теплом.Величинатеплоты,достигающая принимающихтеп- лотруб,ценность итехнический результат.Длина путитепла идущего к принимающим тепло трубам бесконечна, и обусловлена структурой кристаллов частиц порошкообразного графита.

Кристаллы частиц порошкообразного графита имеют разную те- плопроводящую способность во взаимно перпендикулярных плоско- стях: по направлению слоёв теплопроводность максимальная, пер- пендикулярно им — минимальная (теплопроводящая анизотропия достигает 5 раз).

Хаотичная ориентация параллельных слоёв (максимальной тепло- проводности) кристаллов частиц порошкообразного графита причи- на бесконечной длины пути движения тепла к принимающим тепло трубам, и это причина трат ценного тепла. Недостаток теплообмена (техническая ограниченность) оплачен потерями ценного тепла.

348

Структурой технической ограниченности и её замещающего на- полнения является малое тепло, оплаченное большим теплом. Это проигрыш,наполненный ценнымтеплом.Причина проигрыша —бес- конечный путьтепла, созданный хаосом частиц графита.

Структура связанных явлений технической ограниченности (или отсутствиятехническогопреимущества)ирасплатызанеё —этоболь- шое тепло, оплаченное за хаос частиц графита.

Техническое преимущество противоположно технической ограни- ченностиипредставляетсявпротивоположномсмысле —этобольшое тепло оплачиваемое малым теплом. Это выигрыш, наполненный ма- лым теплом за упорядоченность частиц теплопередающего вещества, за короткий путь движения тепла.

Структура связанных явлений технического преимущества (богат- ства) и расплаты за него это большое тепло,достигающее принимаю- щиетрубы,оплаченное упорядоченностью частицтеплопередающего вещества (с помощью неизвестного ресурса).

Причина выигрыша — короткий путь движения тепла, созданный упорядоченностью частиц теплопередающего вещества.

Теплопередающим веществом противоположным по свойствам порошкообразному графиту является парафин (неполярный диэлек- трик), молекулы которого поддаются упорядочиванию по пути наи- кратчайшей траектории передачи тепла между пакетами труб, это сплошной материал (а не дисперсный), легкоплавкий, годный для за- полнения межтрубного пространства теплообменника.

Упорядоченная ориентация молекул осуществима с помощью электрического поля и, следовательно, неизвестный ресурс опреде- лён — им является электричество.

Молекулы парафина вытягиваются вдоль направления электриче- ского поля по наикратчайшему пути между его полюсами, а функцию их электродов исполняют пакеты теплообменивающих труб. Упоря- доченность частиц парафина достижима с помощью электричества, а это является техническим преимуществом.

Технический результат преимущества — это большая величина те- плоты, достигающая принимающие тепло трубы (интенсификация процесса теплообмена), он реализован в изобретении а. с. 276088. Физически, техническим преимуществом стало явление упорядочен- ной ориентация молекул парафина по направлению наикратчайшего пути передачи тепла, за что расплатой стало дешёвое электричество, а не ценное тепло.

Явление упорядоченной ориентации молекул парафина соответ- ствует явлению технического преимущества изобретения над прото- типом, оплаченное электричеством. То есть, явление интенсифика- ции процесса теплообмена (явление технического преимущества) это

349