1.3. Изобретательская физика (рисунки 10-14, 25-28)

Цель раздела - помочь учащимся осознать, что физические законы являются мощным инструментом решения творческих техничес­ких задач, научиться использовать на практике полученные знания.

Учащимся рекомендуется напомнить, что у материального ми­ра есть свои объективные закономерности, свойства. Они открыва­ются людьми, а затем используются для решения практических задач. Только физических законов, эффектов и явлений известно сейчас около 5000. Ряд из них изучается в школе, профтехучили­ще. Физика - мощное средство решения технических задач. Но фи­зические знания специалистов зачастую существуют как бы сами по себе, обособленно от их практического применения, от мира творческих задач. Анализ патентного фонда показывает, что из-за этого только незначительная часть изобретений основана на прямом применении физических явлений и эффектов. Однако они резко выделяются среди других использованием новых для данной области идей и принципов, выводят технику на качественно бо­лее высокий уровень развития.

В определенном смысле "изобретательская" физика легче "школьной". Ибо в ней, как правило, не требуется знания того, почему "это" происходит и математических зависимостей. Обычно достаточно понимания внешнего проявления явления (электростати­ка - тела с одноименными электрическими зарядами отталкиваются). Главное - умение пользоваться знаниями, а этому надо учиться. Знакомству и обучению использования физики в мире техники по­священо много рисунков и Рисунков.

На рисунке 10 показаны примеры использования электростати­ческих сил. По а.с. № 734331 для приготовления асфалъто-бетонных смесей компоненты распыляют и направляют навстречу друг дру­гу. А по а.с. № 1004515 предложена небольшая добавка - дополни­тельное придание компонентам разноименных электрических заря­дов (и больше ничего!) повышает эффективность смесеобразования. Еще пример. Бумажную ленту подают вращающимися роликами. Иног­да она проскальзывает. Как предотвратить это нежелательное яв­ление? Традиционный путь - совершенствование механической системы, создание на этой базе более надежного механического вза­имодействия. По а.с. № 388989 предложено ничего не изменять, а просто создать на ленте и роликах электрические заряды.

На рисунке 11 приведены три изобретения, основанные на электрогидравлическом эффекте (открыты в 1960 г. Л.А. Юткиным). Сущность эффекта: известно, что жидкость почти несжимаема. Поэ­тому в ней при искровом электрическом заряде происходит преоб­разование электрической энергии в механическую, развиваются вы­сокие и сверхвысокие давления, способные совершать различную работу. Длительность импульса давления исчисляется микросекун­дами. Спектр применения эффекта весьма широк: очистка поверхнос­ти металла от окалины и ржавчины; сварка; получение порошков-ме­талов; бурение; получение эмульсий и пены и т.д.

А.с. № 179788 - (грунтоуплотняющая машина) - типичный пример использования ЭГЭ. Путем подбора соответствующих масс поршня и цилиндра с плитой обеспечиваются малая величина перемещения и скорости поршня (для уменьшения нагрузки на раму трамбующей, машины) и большая величина перемещения и скорости цилиндра, что обеспечивает эффективность уплотнения. Величину давления на грунт можно регулировать изменением параметров разряда, а также формы, числа и расположения электродов. Такое устройство может применяться как навесное оборудование к трактору, экска­ватору, крану или тягачу для уплотнения насыпей, откосов, кот­лованов и для работы в стесненных условиях: уплотнения грунта в траншеях, вокруг опор и т.д.

В а.с. № 147917 приведен способ восстановления размеров полых деталей, например, поршневых пальцев. Осуществляется эта операция следующим образом. В толстостенную обойму, имеющую внутренние размеры, соответствующие внешним размерам поршнево­го пальца, устанавливается деталь. В нее вставляется эластич­ная оболочка с электродами, внутрь которой наливается жидкость. Несколько гидравлических ударов восстанавливают внешние разме­ры детали. Физический эффект понятен, техническое приложение - обширно.

Несколько примеров использования электростатических сил в тех­нике приведено на рисунке 12. Известен способ очистки решеток от масел и грязи, при котором их смывают струей моющей жидкос­ти. Часть жидкости, попадающая в "дырки", расходуется впустую. Эти потери предложено сократить, а разгон частиц струи увели­чить. Достичь этого можно за счет заземления очищаемой поверх­ности и воздействия на нее электрически заряженной струей, с периодически меняющейся полярностью заряда (а.с. № 995901).

На этом же рисунке рассказано о способе улучшения теплоизоляционных свойств материалов, состоящих из полимерных сло­ев. Дело в том, что эффективность таких материалов зависит от сохранности воздушных "прокладок" между слоями. При складировании и эксплуатации материал слеживается, слои смещаются. По а.с. № 1106955 предложено подзаряжать полимерные слои так, что­бы они были обращены друг к другу одноименно заряженными по­верхностям. Силы отталкивания предотвратят деформацию компози­ционного материала.

Рисунки 13, 14 посвящены законам Архимеда и Ньютона. На рисунке 13 предлагаются три задачи.

Задача I. На весы установлена емкость с водой, замерена их масса. Изменятся ли показания весов, если в емкость частич­но опустить подвешенную к потолку гирю, но так, что она не бу­дет соприкасаться с дном и стенками емкости?

Задача 2. В штамповочном цехе необходимо от длинных метал­лических заготовок отрезать куски определенной массы. Но как разметить заготовку, если она имеет переменный диаметр, при­ливы и трещины?

Задача 3. Сложно поддерживать постоянную температуру и влажность в помещениях больших теплиц. Каркас таких теплиц до­статочно массивен, а его периодически необходимо перемещать. Как быть?

На рисунке 14 приведены варианты ответов на эти задания.

На гирю действует архимедова сила, направленная вверх. По закону Ньютона, равная сила действует в противоположном направ­лении. Вот она-то и заставит стрелку весов переместиться, точ­но зафиксировав массу опущенной в воду части гири.

Это явление используется и при решении второй задачи (а.с. № 841959) - заготовку (пруток) предлагается опускать в установ­ленную на весы емкость с водой. Следя за их показаниями, и сле­дует производить разметку.

А по а.с. № 1090280 каркас теплиц крепят на опоры-поплав­ки, помещенные в каналы с водой. В данном случае человеческих усилий хватает для перемещения даже массивных перекрытий.

Обобщая материал по рисунокам 13, 14, целесообразно познако­мить учащихся с основными типами задач, решаемых с использова­нием закона Архимеда. Вот они: регулирование плавучести тел; компенсация веса объектов и их сборка; разделение объектов по плотности; измерение плотности, вязкости и уровня. Есть у закона Архимеда и "ахиллесова пята" – он не проявляет себя в условиях невесомости, и когда нет давления среды на нижнюю поверх­ность погруженного в нее тела. И эти особенности используют изобретатели, в частности, создав якоря, работающие по прин­ципу присоса к грунту и обладающие при сравнительно неболь­шой массе огромной удерживающей силой.

Рисунки 25-28 посвящены использованию тепловых воздейст­вий (нагрева-охлаждения) в изобретательстве. С помощью этого физического эффекта решаются задачи на измерение температуры (вспомните медицинский термометр); небольшие, но точные пере­мещения; регулировку зазоров и герметизацию; деформацию, изгиб пластин; саморегулирование элементов технических систем; безмашинное повышение газового давления; самоудалание монтаж­ных деталей; создание сравнительно дешевых крупных сооруже­ний (например, ледяных хранилищ). Авторские свидетельства № 179489, 476450, 424238 и др. иллюстрируют эти положения.

Материал этих четырех рисунков увязан с основными понятия­ми ТРИЗ и иллюстрирует подходы этого метода к решению техничес­ких задач (подробнее об этом рассказано в разделе 1.5).

Приведенные на рисунках изобретения последних лет убедитель­но доказывают, что давно известные физические законы и сейчас позволяют решать новые технические задачи.

1.4. Методы активизации творческой деятельности

Этот раздел знакомит учащихся с технологией продуктивной творческой деятельности, позволяет получить первоначальные на­выки использования современных методов поиска новых технических решений.

В комплектах наглядных методических материалов будут рассматриваться следующие методы: метод проб и ошибок (МПиО); мозговой штурм (МШ); морфологический анализ (МА); ассоциативные методы, в т.ч. метод фокальных объектов (МФО). В настоящем комп­лекте рассматриваются основные положения первых трех методов, изложены последовательность работы по ним, приведены характер­ные примеры.

1.4.1. Метод проб и ошибок (рисунок 15)

Цель подраздела - показать, что традиционный метод решения творческих задач малоэффективен; объяснить особенности МПиО и его недостатки; подвести учащихся к выводу о необходимости изу­чения и использования более рациональных методов мышления.

"Человек размышляет, перебирает в уме без определенных ме­тодов и плана всю информацию относительно интересующего его предмета. Рано или поздно он наталкивается на решение, отбросив предварительно много вариантов. Эмоциональная установка - жела­ние найти решение - заставляет его отметить благоприятную на­ходку, обратить на нее внимание, остановиться на ней... Этот метод, называемый методом проб и ошибок, в общем одинаков и для животного, пытающегося выйти из клетки, и для ученого, отыски­вающего, например, новый математический аппарат для решения аб­страктной задачи".²

Суть метода: последовательное выдвижение, рассмотрение все­возможных вариантов решения и отбрасывание неудачных. Предпола­гается субъективная оценка их пригодности.

Особых правил выдвижения нет. Обычно идея (проба) формули­руется следующим образом: "а что, если сделать так ...". Если проба неудачна, выдвигается вторая, третья идеи и т.д., пока не будет получен приемлемый результат. Естественно, на практи­ке результаты каждой пробы анализируют, вводятся определенные корректировки последующих проб. Метод эффективен при решении сравнительно простых задач.

Недостаток метода: нет правил выдвижения идей; критерии, оценки субъективны; для получения решений высокого уровня коли­чество проб и ошибок может быть неоправданно велико.

Обычно этот процесс не так хаотичен, как это кажется на первый взгляд. Приступая к поиску, изобретатель опирается на свой предыдущий опыт, техническую литературу по данной проблеме и ищет решение в том направлении, которое хорошо знакомо (то есть при решении новой творческой задачи поиск идей ведется в результате инерционности мышления в привычном, традиционном нап­равлении).

Долгое время считалось, что это единственно возможный ме­тод решения задач. Причинами являлись барьер специализации и инерция традиционных представлений о механизме творчества.

Сущность МПиО рассмотрена На рисунке 15 на примере решения конкретной задачи: как замерить длину искривленного трубопро­вода (его диаметр 30 мм, примерная длина 3 м), если его нельзя предварительно выпрямить. Эту задачу можно использовать и как конкурсную при проведении олимпиады. Представленные на рисунке способы измерения являются отечественными изобретениями: путем приложения к объекту пластичной ленты, последующего ее выпрямления и измерения (а.с. № 221307); путем прокатывания по объекту измерительного колеса (а.с. № 283597).