ХИТРОСТЬ И ФИЗИКА

     Вы прочитали треть книги. Если попытаться предельно сжато изложить смысл прочитанного, получится примерно следующее.
     Изобретательские задачи издавна решались (да и сегодня еще решаются) методом проб и ошибок. Метод неэффективный, поэтому на решение задач приходилось тратить много усилий, времени, средств. Изобретения нередко запаздывают на многие годы. Научно-техническая революция потребовала принципиально новых методов изобретательства. Один из таких методов предлагает решать задачи, не перебирая «пустые» варианты. Основная идея такова: технические системы возникают и развиваются закономерно; изучение этих закономерностей дает приемы — инструменты для решения изобретательских задач.
     Приемы, с которыми вы познакомились, можно разделить на три группы:
     - различные хитрости, например прием «сделать заранее»;
    - приемы, основанные на использовании физических эффектов и явлений; к их числу можно отнести прием «изменить агрегатное состояние»;
    - комплексные приемы, включающие и хитрость, и физику, например построение веполей.
     Чаще всего при решении изобретательских задач приходится применять сначала хитрость, потом физику. Успех достигается именно сочетанием того и другого. Поэтому применение физики при решении изобретательских задач очень важно.
     Посмотрим, как происходит «стыковка» хитрости и физики.

Задача 25.

БУДЕТ РАБОТАТЬ ВЕЧНО!

     На одном заводе часто выходила из строя машина-автомат. Это была очень хорошая машина, но в ней то и дело портилась простая деталь — изогнутая труба, по которой сжатый воздух с большой скоростью гнал поток маленьких стальных шариков. Шарики били по стенке трубы в месте поворота и откалывали кусочки металла. Ударившись о стенку, каждый шарик оставлял едва заметную царапину, но за несколько часов шарики насквозь пробивали толстую, прочную трубу.
     — Давайте поставим две трубы, — сказал начальник цеха.— Пока одна работает, другую успеем отремонтировать.
     И тут появился изобретатель.
     — Разве это дело: все время заниматься ремонтом?! — воскликнул он. — Есть у меня подходящая идея... Гарантирую: машина будет работать вечно!
     Потребовалось всего пять минут, чтобы осуществить идею изобретения. Что предложил изобретатель?

     Итак, одно вещество (стальные шарики) механически взаимодействует с другим веществом (стенками трубы). Следовательно, дан ненужный (даже вредный) веполь. На заводе его пытались разрушить, вводя третье вещество — разные прокладки, прослойки. Это теоретически неправильно: для хорошего решения надо, чтобы третье вещество было (оно защитит стенку) и его не было (тогда оно не будет разрушаться). Этим веществом могут стать те же шарики. Только неподвижные, остановившиеся у стенки трубы. Если изгиб трубы изнутри покрыть шариками, стенки перестанут разрушаться. Летящие шарики могут выбить один или несколько шариков из защитного слоя, но его место тут же заполнится одним из мчащихся по трубе шариков.
     На этом хитрость заканчивается. Теперь нужна физика: как получить защитный слой шариков? Физика простая, ее проходят в седьмом классе: надо использовать магниты. Там, где труба изгибается, поставим снаружи магнит. Внутри к трубе сразу прилипнет слой шариков. Задача решена! Интересно отметить, что дробеметные аппараты для упрочнения деталей широко применялись по крайней мере за четверть века до появления авторского свидетельства № 261 207 на магнитную защиту. Все видели задачу, но решали ее иначе — устанавливали прокладки, делали стенки аппарата из более прочной стали...

Задача 26.

СВЕРХТОЧНЫЙ КРАН

     Заведующий химической лабораторией пригласил изобретателя и сказал:
     — Нам надо управлять потоком газа, который по этой металлической трубе идет из одного сосуда в другой. У нас есть краны с притертой стеклянной пробкой, но они не обеспечивают требуемой точности: трудно регулировать величину отверстия, по которому перетекает газ.
     — Конечно, — сказал изобретатель, — вы бы еще самоварный крап поставили.
     Химик сделал вид, что не расслышал замечания.
     — Можно, — продолжал он, — поставить резиновую трубку и зажим. Но и это не дает нужной точности.
     — Зажимы, — усмехнулся изобретатель. — Бельевые прищепки... Тут химик не выдержал:
    — Сотни  лет  так  работаем.  Попробуйте-ка  придумать  кран  не  сложнее «прищепки» или «самоварного крана», а по точности раз в десять лучше.
    — Капелька хитрости плюс физика девятого класса. Надо сделать так...
    Что предложил изобретатель?

     Для нас с вами кран — типичная вепольная система: корпус В₁, поворачиваемая деталь В₂ и поле механических сил П_мех. Под действием поля П_мех деталь В₂ перемещается относительно корпуса В₁, благодаря чему зазор между В₁ и В₂ становится шире или, наоборот, сужается. Веполь уже есть, но работает он неважно. Следовательно, придется заменить веполь, использовать другое поле. Какое именно — электрическое, магнитное, электромагнитное, тепловое?
     Здесь хитрости кончаются и начинается физика. В учебнике физики для девятого класса есть целая глава о тепловом расширении. А нам как раз и надо менять ширину зазора между В₁ и В₂.
     Откроем учебник. Вот и описание опыта: сквозь нагретое кольцо проходит шар, который до этого не проходил. Рисунок кольца и шара — готовая модель нашего крана.
    Сравним полученное решение с авторским свидетельством № 179 489: «Устройство для дозировки малых количеств газа, состоящее из корпуса, и стержня, плотно пригнанного к внутренней поверхности корпуса, отличающееся тем, что, с целью дозировки малых количеств газа с высокой степенью точности, корпус изготовлен из материала, имеющего большой коэффициент теплового расширения, а стержень — из материала, коэффициент теплового расширения которого значительно меньше, чем у материала корпуса».
     Наверное, вы уже поняли, как работает такой кран. При нагревании корпус расширяется сильно, а стержень — слабо. Возникает зазор. Чем сильнее нагрет корпус, тем больше зазор. Смысл изобретения, как видите, в том, что вместо движения больших деталей, «железок», предложено использовать растяжение и сжатие кристаллической решетки.
     Кстати, растягивать и сжимать кристаллическую решетку можно не только тепловым полем. «Некоторые кристаллы, например кварц, сегнетова соль и турмалин, в электрическом поле меняют свои размеры: в зависимости от направления поля они сжимаются или растягиваются», — это из учебника физики для десятого класса. Называется это явление обратным пьезоэффектом. Ну а то, что обратный пьезоэффект можно использовать для создания микрокрана, вы и сами уже догадались.
     Есть еще один похожий эффект — магнитострикция: магнитное поле растягивает (или сжимает) некоторые металлы. Тоже подходящий ответ для задачи о кране.