Стандарты изобретательства. Учебник. ТРИЗ

3.2. Подкласс 1.2. Разрушение веполей

Стандарт 1.2.1. Устранение вредной связи введением В₃

Если между двумя веществами в веполе возникают сопряженные – полезное и вредное – действия (причем непосредственное соприкосновение веществ сохранять необязательно), задачу решают введением между двумя веществами постороннего третьего вещества, дарового или достаточно дешевого. См. схему (3.16).

Пример 3.13. Операции на сердце

Иногда при сложной операции хирургам не хватает времени на ее завершение и такая операция кончается летальным исходом пациента.

Необходимо замедлить все процессы в организме. Раньше это делали с помощью холодных ванн, но охлаждение шло достаточно медленно.

Инженеры из США разработали ледяную гидросмесь (Ice Slurry), представляющую собой специальный лед в виде микрошариков диаметром, равным человеческому волосу (рис. 3.5а). Такие шарики не смерзаются. Благодаря указанным свойствам, эта масса обладает подвижностью воды (шарики скользят друг относительно друга).

Этой смесью предложили охлаждать легкие, вводить в кровь или обкладывать отдельные органы.

Рис. 3.5. Жидкий лед Ice Slurry

Пример 3.14. Сварка алюминия

Алюминий плохо сваривается из-за тугоплавкой окисной пленки, быстро образующейся на его поверхности.

Разработали раствор для сварки, устраняющий пленку. Он состоит из ортофосфорной кислоты, фосфата алюминия и гидрата окиси алюминия¹⁷.

Стандарт 1.2.2. Устранение вредной связи введением видоизмененных В₁ и / или В₂

Если между двумя веществами в веполе возникают сопряженные – полезное и вредное – действия, причем непосредственное соприкосновение веществ сохранять необязательно, а использование посторонних веществ запрещено или нецелесообразно, задачу решают введением между двумя веществами третьего, являющегося их видоизменением. См. схему (3.17).

Задача 3.8. Ковш экскаватора

Условия задачи

Днище ковша экскаватора подвержено сильному износу из-за трения о него грунта и камней при наполнении ковша и при выгрузке.

Как предотвратить износ днища ковша?

Разбор задачи

Использовать стандарт 1.2.2.

В качестве прослойки использовать транспортируемый материал (грунт, камни и т.п.).

Решение

К днищу со стороны грунта приварить невысокие редкие поперечные ребра, разделяющие дно на ячейки. При выгрузке в этих ячейках застревают мелкие кусочки грунта, образуя как бы предохранительный слой над днищем. Кроме того, ребра увеличивают жесткость днища, что позволяет сделать его из более тонкого листа.

Пример 3.15. Очистка газов

Отводящиеся печные газы тепловых электростанций необходимо очищать от кислых компонентов, в частности от сернистого ангидрида.

Аналогичная проблема возникает с очисткой щелочных сточных вод при помощи шлакозолоудаления.

Предлагается для повышения степени очистки проводить адсорбцию кислых компонентов газа щелочными сточными водами.

Объединение двух вредных веществ в одну систему позволяет избавиться от вредного действия этих веществ¹⁸.

Стандарт 1.2.3. «Оттягивание» вредного действия

Если необходимо устранить вредное действие поля на вещество, задача может быть решена введением второго элемента, оттягивающего на себя вредное действие поля. Схема (3.18).

Пример 3.16. Предохранитель

При резком увеличении тока в сети провод может перегореть. Чтобы этого не произошло, используют предохранитель, который может быть одноразовый (плавкий предохранитель) или многократного использования – автомат.

Пример 3.17 Молниеотвод

Молниеотвод предохраняет здание от попадания в них молнии. Молния попадает в молниеотвод и отводит молнию в землю.

Стандарт 1.2.4. Противодействие вредным связям с помощью П₂

Если между двумя веществами в веполе возникают сопряженные – полезное и вредное – действия, причем непосредственное соприкосновение веществ – в отличие от стандартов 1.2.1 и 1.2.2 – должно быть сохранено, задачу решают переходом к двойному веполю, в котором полезное действие остается за полем П₁, а нейтрализацию вредного действия (или превращение вредного действия во второе полезное действие) осуществляет П₂. См. схему (3.19).

Пример 3.18. Защита от радиоволн

Нейл Баллок (Neil Bullock) изобрел накидку для будущих мам, защищающую плод от электромагнитного излучения большинства электрических приборов: радары, микроволновые печи, радио и телевизоры, мобильные телефоны и т. д. Накидка, которую автор назвал MummyWrap, сделана из хлопковой ткани с добавлением меди и выполнена в виде блузки без рукавов (рис. 36). Отражение электромагнитных волн от блузки схематично показано на рис. 3.6а, а на рис. 3.6б показан ее внешний вид.

Рис. 3.6. Накидка от радиоволн MummyWrap

Пример 3.19. Подавление шума

Подавление шума происходит за счет улавливания шума и подачи его в противофазе. Шум складывается с точно таким, но противоположным ему шумом и уничтожается¹⁹.

Стандарт 1.2.5. «Отключение» магнитных связей

Если надо разрушить веполь с магнитным полем, задача может быть решена с применением физэффектов, «отключающих» ферромагнитные свойства веществ, например, размагничиванием при ударе или при нагреве выше точки Кюри.

Задача 3.9. Паяльник

Условия задачи

При пайке электронных компонентов часто необходимо поддерживать постоянную температуру. Это требует использования дорогостоящей аппаратуры. Как быть?

Разбор задачи

Задача решается по стандарту 1.2.5. Представим эту задачу в соответствии со схемой (3.20). см. (3.21).

Решение

Постоянную температуру паяльника можно поддерживать, если наконечник (жало) паяльника покрыть ферромагнитным материалом с точкой Кюри, равной температуре плавления припоя. При достижении температуры точки Кюри, ферромагнитное покрытие теряет свои магнитные свойства и нагрев сердечника прекращается. При снижении температуры ферромагнитные свойства восстанавливаются, и нагрев возобновляется. Таким образом, происходит автоматическое поддержание температуры жала паяльника в определенном интервале без использования термодатчика и управляющей электроники. Нагрев осуществляется индукционным способом с помощью катушки индуктора.

Глава 4. Класс 2. Развитие вепольных систем

4.1. Подкласс 2.1. Переход к сложным веполям

Стандарт 2.1.1. Цепные веполи

Если нужно повысить эффективность вепольной системы, задачу решают превращением одной из частей веполя в независимо управляемый веполь и образованием цепного веполя. См. схему (4.1).

Пример 4.1. Автоматическая система голосования

Система включает в себя необходимое количество одинаковых элементов системы, соответствующее участкам голосования, связанных между собой²⁰.

Пример 4.2. Ультразвуковой скальпель

Ультразвуковые технологии достаточно широко применяются в медицине. Но существует проблема фокусировки луча в малой области. Оптоакустический преобразователь, разработанный в Мичиганском университете, содержит фокусировочный элемент из упругого полимера, покрытого слоем углеродных нанотрубок, которые поглощают лазерное излучение и преобразуют его в тепло. Под действием этого тепла полимерный элемент расширяется, генерирует и фокусирует в очень узкую область (75 мкм в поперечнике и 400 мкм по оси) ультразвуковой пучок частотой 15 МГц, создавая в ней зону кавитации с амплитудой давления более 50 МПа. Такой «ультразвуковой скальпель» позволит проводить более точные медицинские операции, чем традиционные инструменты²¹.

Стандарт 2.1.2. Двойные веполи

Если дан плохо управляемый веполь и нужно повысить его эффективность, причем замена элементов этого веполя недопустима, задача решается постройкой двойного веполя путем введения второго поля, хорошо поддающегося управлению. См. схему (4.2).

Пример 4.3. Самоподдерживающийся генератор электроэнергии

Электрические колебания в металлической «внутренней катушке» испускают индуктивные фотоны по направлению к одной или нескольким «усиливающим катушкам», состоящим из фотопроводника, металлического проводника с легированным полупроводниковым покрытием, или сверхпроводника.

Электроны, обладающие малой инерциальной массой в усиливающей катушке (-ах), получают из «промежуточной катушки» поперечную силу, не имеющую противодействующей силы, что исключает эту силу из закона сохранения энергии. Электроны с малой массой в «усиливающей катушке (-ах)» получают повышенное ускорение, пропорциональное отношению нормальной массы электрона к меньшей массе.

Вторично испускаемая энергия индуктивных фотонов увеличивается пропорционально повышенному ускорению электронов, возводится в квадрат. К примеру, коэффициент усиления индуктивной энергии фотоэлектронов селенида кадмия (CdSe), в котором нормальная масса электрона составляет 0,13x, равен 59x.

Усиленная энергия индуктивных фотонов из «усиливающей катушки» возбуждает колеблющуюся электрическую энергию в одной или нескольких металлических «выходных катушках». Выходная электроэнергия превышает входную, если большая часть усиленной энергии индуктивных фотонов направлена на выходные катушки, а не на промежуточную катушку в качестве противодействующей силы.

После того как внешний источник энергии начинает возбуждать колебания, возврат избыточной энергии делает устройство самоподдерживающимся генератором электроэнергии, который можно использовать для полезных целей²².

Рис. 4.1. Самоподдерживающийся генератор электроэнергии.

Патент США 2012/0080888

Задача 4.1. Дрон

Условия задачи

Дроны сегодня используются не только для выполнения полезных операций, но и таких, как контрабандная доставка наркотиков и других предметов в места лишения свободы, полеты над военными объектами и т. д.

Как не допустить это?

Разбор задачи

Использовать стандарт 2.1.2.

Решение

Компания Department 13 разработала устройство перехвата управления беспилотниками Mesmer. Оно получает доступ к протоколам связи дронов, как это было предложено Defense Advanced Research Projects Agency (DARPA), используя при этом радиочастоты и технологию Bluetooth. Эта система подвергает дроны принудительной посадке.

Антидрон-технология может захватывать данные телеметрии и видео, передаваемые обратно оператору. Это также потенциальная возможность идентификации²³.

4.2. Подкласс 2.2. Форсирование веполей

Стандарты подкласса 2.2 представляет собой механизмы исполнения законов увеличения степени управляемости и динамичности.

Стандарт 2.2.1. Переход к более управляемым полям

Если дана вепольная система, ее эффективность может быть повышена заменой неуправляемого (или плохо управляемого) рабочего поля управляемым (хорошо управляемым) полем, например, заменой гравитационного поля механическим, механического – электрическим и т. д. Эта закономерность показана на рис. 1.6.

Пример 4.4. Светильник

Хемилюминесценция использована фирмой «Ремингтон Армс (Remington Arms)» для создания лампы, в которой свечение возникает при воздействии кислорода воздуха на некоторые химические активные вещества²⁴.

Пример 4.5. Компьютерная мышка

В компьютерной мышке механическое движение шарика, который позволял отследить за движением руки, заменили считыванием информации с помощью лазера.

Стандарт 2.2.2. Дробление В₂

Если дана вепольная система, ее эффективность может быть повышена путем увеличения степени дисперсности (дробления) вещества, играющего роль инструмента. Эта закономерность показана на рис. 1.7.

Пример 4.6. Компьютерные вычисления

Обширные вычисления (например, в области астрономии) могут выполняться значительно быстрее, если их разбить и обработать на многих компьютерах, даже если используется только время простоя.

Пример 4.7. Режущий инструмент

Компания Iscar (Израиль) выпускает режущие инструменты с заменяемой режущей частью (рис. 4.2а), имеющей несколько режущих граней. Когда одна грань затупляется, то режущую часть поворачивают другой гранью. После того как затупляются все грани, заменяют режущую часть, а не весь инструмент. Iscar выпускает токарные резцы (рис. 4.4б), фрезы (рис. 4.2в), сверла (рис. 4.2г).

Рис. 4.2. Режущие инструменты фирмы Iscar

Стандарт 2.2.3. Переход к капиллярно-пористым веществам (КПМ).

Эта тенденция изложена в п. 1.1.

Пример 4.8. Защита насаждений от заморозков

Растения и посевы покрывают полимерной «шубой» из пены, защищая их от заморозков. Она безвредна для растений, долго держится, хорошо защищает почву от мороза, а при необходимости без затруднений смывается водой²⁵.

Пример 4.9. Металлическая микрорешетка

Команда ученых из университета Калифорнии в Ирвине, лаборатории HRL и Калифорнийского технологического института разработали синтетический пористый металлический материал. Это сверхлегкая форма пенометалла, который имеет малую плотность вплоть до 0,9 мг/см³ – самую низкую для твёрдого вещества. До этого самой низкой плотностью обладали аэрогели – 1,0 мг/см³.

Материал практически полностью восстанавливает себя после сильного сжатия²⁶.

Стандарт 2.2.4. Динамизация

Если дана вепольная система, ее эффективность может быть повышена путем увеличения степени динамизации, то есть перехода к более гибкой, быстро меняющейся структуре системы. Закон увеличения степени динамичности изложен в²⁷, а закономерность дробления – в главе 1.

Пояснения.

1. Треугольным символом с волнистой линией обозначена динамичная вепольная система, перестраивающаяся в процессе работы.

2. Динамизация В₂ чаще всего начинается с разделения В₂ на две шарнирно соединенные части. Далее динамизация идет по линии: один шарнир – много шарниров – гибкое В₂.

3. Динамизация П в простейшем случае осуществляется переходом от постоянного действия поля (или П совместно с В₂) к импульсному действию.

Пример 4.10. Тренировка спортсменов

Предлагается интерактивный способ тренировки спортсменов, например футболистов.

За команду противника «играют» изображения, создаваемые излучателями света, установленными на дронах, летающих над игровым полем по заданной тренером программе, создавая определенные ситуации²⁸.

Пример 4.11. Управление амортизатором

На горных велосипедах имеется система автоматического управления амортизатором, подстраивающаяся под конкретные условия дороги. В гидроцилиндре установлены пьезоэлектрические датчики для управления потоком жидкости в гидроцилиндре, тем самым они автоматически управляют степенью амортизации²⁹.

2.2.4.1. Использование фазовых переходов

Эффективная динамизация системы может быть осуществлена за счет использования фазовых переходов первого рода (например, замерзание воды или таяние льда) или второго рода (например, эффект «памяти формы»).

Задача 4.2. Радиолокационная станция

Условие задачи

Имеется мощная радиолокационная станция (РЛС) с довольно массивной антенной большой площади. Антенна закреплена на валу, но поворачивается на нем очень редко и потому не имеет привода, а разворачивается вручную. После разворота антенна на валу крепится с помощью фиксирующего устройства и болтового соединения. Усилия для удержания массивной антенны на валу нужны значительные, и поэтому приходится болты затягивать достаточно сильно, но из-за сильной затяжки вал деформируется и повернуть его в следующий раз становится практически невозможным. Как быть?

Разбор задачи

Использовать стандарт 2.2.4.1.

Решение

Вал удерживается в легкоплавком веществе, которое расплавляется при развороте. В изобретении догадались на конце вала сделать поплавок. Тогда в расплавленном состоянии жидкость будет поддерживать антенну и ее будет легче выставлять в новое положение³⁰.

Пример 4.12. Болтовое соединение

Способ изготовления болтового соединения, преимущественно для работы в условиях вибраций, включает нанесение на рабочую часть заготовки болта материала с эффектом памяти формы (ЭПФ) типа нитинол. После нанесения нитинола производится накатка резьбы при температуре мартенситных превращений (-150 °С) и сборка конструкции. После сборки узла болтового соединения осуществляют его кратковременный нагрев до температуры (80—120) °С до возникновения между резьбовой частью болта, покрытой нитинолом, и резьбовой частью соединяемых элементов прессовой посадки, надежно работающей в условиях вибраций. В случае необходимости в болтовом соединении с болтом, покрытым нитинолом, используют обычную гайку с резьбой, при нагреве которой обеспечивается соединение по прессовой посадке.

В результате повышается надежность болтового соединения, работающего в условиях вибрации, и снижается вес конструкции (рис. 4.3)³¹.

Рис. 4.3. Болтовое соединение. Патент РФ 2 256 108

1 – болт; 2 – слой нитинола; 3, 4 – соединяемые детали.

Стандарт 2.2.5. Структуризация полей

Если дана вепольная система, ее эффективность может быть повышена переходом от полей однородных или имеющих неупорядоченную структуру к полям неоднородным или имеющим определенную пространственную структуру (постоянную или переменную):

Пояснения.

Значок # над буквой П указывает, что поле имеет определенную пространственно-временную структуру.

Пример 4.13. Осаждение капель пара

Для охлаждения теплой воды применяются градирни. Пар подается в градирню, проходя по трубе градирни, конденсируется и стекает в виде струек вниз, тем самым отдавая тепло стенкам градирни, которое может использоваться в дальнейшем. Однако часть пара выбрасывается в атмосферу. Особенно подвижны аэрозоли с малым размером частиц.

Для удержания этих частиц в градирне создаются стоячие волны. Стоячие волны получают генерацией акустический волн, направленных к стенкам градирни и отраженных от стенок волн.

Капли воды соединяются и стекают по стенкам градирни.

Таким образом, полностью используется имеющееся тепло³².

Пример 4.14. Изменение атмосферных условий

Активное воздействие на атмосферные процессы с целью вызывания осадков. Воздействуют на атмосферу над заданным районом электромагнитным излучением в виде импульсов в момент времени, когда заданный район оказывается в соответствующем ему центре ночной стороны Земли

(рис. 4.4)³³.

Рис. 4.4. Изменение атмосферных условий. Патент РФ 2 058 071

1 – генератор; 2 – излучатель; 3 – механизм поворота излучателя; 4 – луч; 5 – поверхность Земли; 6 – слой ионосферы; 7 – заданный район.

2.2.5.1. Пространственная структура поля

Если веществу, входящему в веполь (или могущему войти), должна быть придана определенная пространственная структура, то процесс следует вести в поле, которое имеет структуру, соответствующую требуемой структуре вещества:

Пример 4.15. Обработка металлических материалов

Обработку выполняют от источника постоянного тока в жидкой токопроводящей рабочей среде с регулированием длительности импульса тока. В качестве жидкой токопроводящей рабочей среды используют реологическую жидкость. Длительность импульса тока регулируют вязкостью рабочей среды. Длительность пауз между импульсами тока регулируют по времени восстановления максимального тока в импульсе. Изобретение позволяет повысить производительность, точность обработки, расширить технологические возможности электрохимического процесса в пульсирующем токе³⁴.

2.2.5.2. Использование стоячих волн

Если надо перераспределить энергию поля, например с целью концентрации, или, наоборот, создать зоны, где действие поля не проявляется, следует перейти к использованию стоячих волн.

Пример 4.16. Оборудование для скважин

Механические примеси вредно влияют на работу оборудования в скважине.

Для снижения этого вредного влияния создаются акустические стоячие волны. Для создания акустических колебаний используют магнитострикционное оборудование, требующее подвода электричества при помощи кабеля и генератора ультразвуковых частот.

В предлагаемом устройстве предлагается преобразовывать низкие частоты от работы оборудования с помощью четвертьволновых резонаторов³⁵.

Пример 4.17. Хроматограф

Принцип функционирования хроматографа состоит в том, что по всей хроматографической колонке внутри нее или на ее стенках создают периодическую последовательность стоячих волн колебаний с длиной волны, сопоставимой (и менее) с размером поперечного сечения хроматографической колонки, после чего анализируемую пробу пропускают через созданную последовательность стоячих волн³⁶.

Стандарт 2.2.6. Структуризация веществ

Если дана вепольная система, ее эффективность может быть повышена переходом от веществ однородных или имеющих неупорядоченную структуру к веществам неоднородным или имеющим определенную пространственную структуру (постоянную или временную):

Пояснения.

Значок # над буквой В указывает, что вещество имеет определенную пространственно-временную структуру.

Пример 4.18. Структуризация жидкостей

Структуризация и активизация жидкостей осуществляется с помощью воздействия электромагнитных полей (сильного магнитного, электрического и импульсного светового). Активизация жидкостей, в частности воды и жидких полимеров, приводит к улучшенным свойствам в химических и биологических процессах, в которых используются активированные жидкости.

Активированные жидкости, в частности вода, способствуют уменьшению щелочности, кислотности или жесткости воды, снижению содержания бактерий в загрязненной воде, увеличению времени схватывания и прочности бетона на сжатие, а также повышению скорости роста и жизнеспособности растений. При активации воды наблюдалось физиологическое воздействие на клетки и вирусы, а также на людей³⁷.

Пример 4.19. Структура воды

С. В. Зенин впервые построил геометрическую модель структурированной воды, а затем, используя контрастно-фазовый микроскоп, получил изображение этой структурированной воды. На полученной фотографии хорошо видна ее ячеистая структура. Структурной единицей воды является кластер, состоящий из клатратов, природа которых обусловлена дальними кулоновскими силами. В структуре кластеров закодирована информация о взаимодействиях, имевших место с данными молекулами воды. В водных кластерах за счет взаимодействия между ковалентными и водородными связями между атомами кислорода и атомами водорода может происходить миграция протона (Н+) по эстафетному механизму, приводящая к делокализации протона в пределах кластера.

Вода, состоящая из множества кластеров различных типов, образует иерархическую пространственную жидкокристаллическую структуру, которая может воспринимать и хранить огромные объемы информации.

В случае с водой переносчиками информации могут быть физические поля самой различной природы. Так, установлена возможность дистанционного информационного взаимодействия жидкокристаллической структуры воды с объектами различной природы при помощи электромагнитных, акустических и других полей³⁸.

Пограничный слой воды проявляет физические свойства, отличные от окружающей «объемной» воды, в частности большую электропроводность, меньшую по величине теплоемкость и т. д. Отличия в физических свойствах пограничной и объемной воды, как следует из экспериментальных данных, нелинейно возрастают при приближении к поверхности.

В статье высказаны гипотезы:

– вода в живом организме присутствует только в форме пограничной воды;

– каждая биологическая структура формирует пограничную воду со свойствами, зависящими от молекулярной и пространственной структуры ее поверхности³⁹.

2.2.6.1. Введение экзотермических веществ

Если нужно получить интенсивное тепловое воздействие в определенных местах системы (точках, линиях), в эти места следует заранее ввести экзотермические вещества.

Пример 4.20. Самонагревающиеся контейнеры

Контейнеры работаю на принципе экзотермической реакции.

Тепло генерируется в ходе химической реакции оксида кальция (CaO) с водой, в результате получается гидроксид кальция Ca (OH) ₂. Затем он вступает в реакцию с присутствующим в воздухе углекислым газом (СО2), при этом опять образуется карбонат кальция (он же известняк, CaCO₃) и вода. То есть исходные компоненты возвращаются в первоначальное состояние. Причем реакция нейтральна в плане выработки CO₂.

Такие контейнеры известны давно, еще в 1934 году в США был выдан патент⁴⁰. Совершенствование такого типа контейнеров продолжается до сегодняшнего дня. Многие компании выпускают разнообразные контейнеры для разогревания жидкостей, например кофе и разнообразной пищи.