2.3. Алгоритм розв'язування винахідницьких задач

Використовуючи типові прийоми усунення технічних протиріч, можна розв'язати будь-яку винахідницьку задачу, але виникає проблема перебору 40 можливих варіантів. У простих задачах ці прийоми можна застосовувати безпосередньо, проте такий варіант можливий лише у очевидних випадках. Складніші задачі треба розв'язувати за алгоритмом розв'язування винахідницьких задач (АРВЗ). Послідовність пошуку нових технічних розв'язків має вигляд:

1. Сформулювати задачу з виявом адміністративного протиріччя.

2. Вказати склад (структуру) технічної системи - усі основні елементи, які входять в умову задачі. Якщо є ускладнення у визначенні (чи належить даний елемент системі), треба чітко визначати головну функцію системи. Якщо головна функція системи може бути виконана без даного елемента, то він не входить до складу технічної системи.

3. Вказати недоліки технічної системи (у чому особливість задачі, який з елементів чи яка властивість заважає розв'язанню задачі) - мінімалізація задачі.

4. Виявити змінний елемент (той, який легко змінюється, або вимоги до якого поки що не визначені).

5. Сформулювати технічне протиріччя відносно змінюваного елемента. Структура запису технічного протиріччя: об'єкт повинен мати одну властивість, щоб задовольняти першій вимозі, і повинен мати протилежну властивість, щоб задовольняти другій вимозі.

6. Розв'язати технічне протиріччя за допомогою одного з типових прийомів усунення протиріч [12]. Для конкретизації розв'язування іноді треба сформулювати і розв'язати технічне протиріччя на фізичному рівні (фізичне протиріччя).

III. Застосування прийомів усунення технічних протиріч у методах візуалізації неоднорідностей

Способи розгледіти "майже прозорі" об'єкти існують більше ста років. Вони допомагають зафіксувати багато цікавих газодинамічних явищ - ударні і звукові від вибухів, конвекційні потоки від промислового устаткування і людей. Ця інформація дозволяє дослідникам краще розуміти фізичні процеси, які відбуваються в газових потоках. Вона корисна криміналістам, конструкторам літаків. Як же можна побачити і сфотографувати невидиме?

Ми знаємо, що тіла або поглинають світло, або відбивають, або заломлюють його, або, може бути, все разом. Якщо тіло не відбиває, не заломлює і не поглинає світло, воно не може бути видиме саме по собі.

Покладемо звичайне скло у воду, або ще краще в яку-небудь рідину з більшою густиною. Скла ми майже не побачимо, тому що світло, яке падає із води на скло, заломлюється і відбивається дуже слабо. З тієї ж причини невидимі струмені вуглецевої кислоти або водню в повітрі. Але якщо освітити досліджуваний об'єкт паралельним пучком світла, то побачимо, що, проходячи через неоднорідність, світло відхиляється. Завдяки цьому на екрані можна побачити тінь. В цьому і полягає тіньовий метод.

Сформулюємо протиріччя, що склалися у нас, за допомогою АРВЗ.

1. Формулювання адміністративного протиріччя: треба, щоб тіло освітлювалося паралельним пучком світла, але як це зробити, маючи точковий освітлювальний прилад?

2. Склад технічної системи: джерело світла, неоднорідність, екран.

3. Недоліки технічної системи: не можна зробити так, щоб тіло освітлювалось за допомогою пучка паралельних променів.

4. Змінний елемент: промені.

5. Формулювання технічного протиріччя: промені мають проходити паралельним пучком, щоб правильно освітлювати неоднорідність, і не можуть так проходити, бо ідуть від точкового світильника.

6. Розв'язання технічного протиріччя: це протиріччя легко розв'язується за принципом "посередника".

7. Формулювання фізичного протиріччя: необхідно знайти такий прилад, що зміг би перетворити пучок непаралельних променів у пучок паралельних.

8. Технічний розв'язок: колліматор.

Таким чином можна неоднорідність на екрані, але зображення буде нечітким, розпливчатим. В 1857 році французький фізик Леон Фуко запропонував контролювати точність виготовлення дзеркал для телескопів дуже простим способом. У фокусі дзеркала він поставив одну додаткову деталь - непрозорий екран з гострою крайкою, пізніше названий ножем Фуко. Зображення джерела фокусується на краю ножа. Якщо поверхня дзеркала строго сферична, то ніж перекриває весь світловий пучок, а якщо на поверхні є дефекти, то частина світла буде відхилятися й пройде повз край ножа.

В 1864 році цей метод вдосконалив німецький фізик Август Теплер. Він запропонував використати схему з ножем Фуко для вивчення включень у прозорі середовища, наприклад, при відбраковуванні лінз. Теплер назвав цей спосіб шлірен-методом, від німецького слова Schlieren, що означає неоднорідності (включення) у склі.

Шлірен-метод дозволяє одержувати більш контрастне зображення: частина світлового пучка, що не випробовує перекручувань, відтинається ножем Фуко, мінімізуючи зайве освітлення (паразитне). Відомо, що протиріччя, яке постало перед Теплером і Фуко було розв'язане методом спроб і помилок, що навіть на той час вже вважалось неефективним. Спробуємо вирішити цю проблему набагато простіше.

Розв'язування за алгоритмом:

1. Формулювання адміністративного протиріччя: необхідно, щоб неоднорідність відкидала чітку тінь, але як це зробити?

2. Склад технічної системи: джерело світла, колліматор, неоднорідність, екран.

3. Недоліки технічної системи: занадто яскраве освітлення створює розпливчату тінь.

4. Змінний елемент: промені світла.

5. Формулювання технічного протиріччя: освітлення не повинно бути занадто яскравим, щоб не створювати зайве освітлення, але і не повинно бути тьмяним, щоб тінь була чіткою.

6. Розв'язання технічного протиріччя: це протиріччя також розв'язується за допомогою методу "посередника", бо регулювати силу освітлення з величезною точністю було досить важко.

7. Формулювання фізичного протиріччя: необхідно знайти речовину або прилад, що відсікав би зайве освітлення

8. Технічний розв'язок: таким приладом є ніж Фуко або світловий ніж, а також дві лінзи, що фокусуватимуть промені на ножі.

Шлірен-метод допоміг зафіксувати безліч найцікавіших газодинамічних явищ. В XX столітті цей метод став невід'ємним атрибутом майже будь-яких аеродинамічних досліджень, і вчені мирилися з його недоліками, головним з яких було обмеження в масштабі. Досліджуваний об'єкт не міг виходити за межі простору, де організований паралельний світловий пучок. Пучок фокусувався лінзами або дзеркалами, а розмір цих оптичних елементів строго обмежувався фінансовими міркуваннями. Чим більше діаметр лінзи або дзеркала, тим вища ціна, і навіть метровий масштаб припускав більші витрати. Тому всі шлірен-дослідження в аеродинамічних трубах проводилися з малесенькими масштабними моделями літаків і ракет.

Наприкінці 1950-х один з піонерів високошвидкісної зйомки Гарольд Еджертон запропонував при тіньовій зйомці використати як елемент, фокусуючоий світловий пучок, "відбиваючий" екран. На мікроскопічному рівні цей екран складається з маленьких елементів (катафотів), що відбивають світло в точності в тому ж напрямку, звідки він прийшов. "Відбиваючі" плівки широко використаються в побуті й промисловості - досить згадати дорожні знаки, автомобільні номерні знаки й навіть вставки в одязі та взутті. Використовуючи звичайний тіньовий метод, Еджертон уперше одержав зображення вибуху динамітного капсуля з використанням екрана розміром 1x2 м. Однак пройшло більше 30 років, перш ніж "відбиваючий" екран уперше з'явився в шлірен-фотографії.

Фізик дослідницького центру NASA ім.. Ленглі Леонард Вайнштейн увів у традиційну шлірен-схему ще одну зміну - він наніс на "відбиваюче" полотно вертикальні чорні смуги, перетворивши його (при висвітленні розбіжним пучком) у віртуальний набір щілинних джерел. Замість ножа Фуко у відповідному місці схеми дослідник розмістив негативний растр - ґрати що чергуються прозорих і непрозорих смуг, що відтинають неспотворене "зайве світло".

У результаті були отримані повномасштабні зображення невидимих раніше явищ - ударних хвиль від вибухів, конвекційних потоків від промислового устаткування людей. "Досвідчені фахівці в аеродинаміці знають, що подібна візуалізація дозволяє дослідникам краще розуміти фізичні процеси, що відбуваються в газових потоках", - говорить Вайнштейн.

Як бачимо, новий винахід довго не міг знайти своє застосування на практиці через недостатню впевненість винахідників у вдалому результаті при величезних витратах. Якби це протиріччя розв'язувалось за допомогою теорії розв'язку винахідницьких задач, а в нашому випадку її частиною, алгоритмом розв'язування винахідницьких задач і типовими прийомами усунення технічних протиріч, то винахідник одразу ж міг би бути впевненим в успішному результаті експерименту.

Розв'яжемо це протиріччя за допомогою АРВЗ:

1. Формування адміністративного протиріччя: необхідно, щоб джерело освітлення, колліматор, лінзи і світловий ніж мали великі розміри для того, щоб розглядати газодинамічні явища на великих об'єктах, але як це зробити без великих витрат коштів, якщо навіть метровий масштаб потребує величезних витрат?

2. Склад технічної системи: джерело світла, неоднорідність, дві лінзи, нсвітловий ніж, колліматор, екран.

3. Недоліки технічної системи: маленький масштаб, великі витрати.

4. Змінні елементи: промені світла, екран.

5. Формулювання технічного протиріччя: лінзи мають бути великими, щоб проводити шлірен-дослідження з будь-якими об'єктами, і одночасно вони мають бути малими, щоб зменшити витрати (компроміс не спрацює).

6. Розв'язання технічного протиріччя: це протиріччя можна розв'язати за допомогою принципів універсальності і винесення.

7. Формулювання фізичного протиріччя: промені світла повинні одночасно розходитись і сходитись.

8. Технічний розв'язок: колліматор, лінзи і світловий ніж тепер містяться у шлірен-камері, що одночасно фіксує результати дослідження, а звичайний екран замінюється екраном з катафотів, що змінюють напрям світлових променів. Відтепер можна робити шлірен-фотографії великих масштабів і високої якості.