Фізичні ефекти

Результати пізнання людиною навколишнього світу виражаються звичайно у вигляді законів і закономірностей природи, правил, прикладів, властивостей, предметів і явищ і т. п. Фізичні ефекти і явища, закони і наукові відкриття – найбільш узагальнене відображення результатів пізнання. Саме вони лежать в глибині, в основі всіх конкретних технічних рішень, формуючи їх ядро – принцип дії (під ним розуміється сукупність фізичних ефектів і явищ, на основі яких реалізуються задані функції технічної системи) або ідеї рішення.

Один і той же фізичний ефект (це результат взаємодії двох або більш об'єктів, який може бути виміряний і повторно одержаний при тотожності умов) може породжувати величезну кількість конкретних технічних рішень, що істотно відрізняються один від одного. Візьмемо для прикладу відомий закон Джоуля - Ленца, що встановлює зв'язок між величиною електричного струму, що проходить через провідник, і кількістю теплоти, що виділяється у ньому. Список технічних рішень, заснованих на даному ефекті, важко перерахувати. Це різні типи електронагрівачів, нагрів і зварка металів опором, електронні лампи, велика кількість вимірювальних і регулюючих пристроїв і багато інших рішень. Саме фізичні, фізико-хімічні і інші ефекти і явища (включаючи закони фізики, наукові відкриття і т. п.) найбільш ефективні шляхи подолання суперечностей під час рішення тієї або іншої технічної задачі. Об'єм знань про них визначає потенційну творчу потужність винахідника. Застосуванню арсеналу фізичних ефектів і явищ передують дослідження їх суті, умов виникнення і дії, аналіз корисних і шкідливих проявів ефекту і т. п., тобто глибоке попереднє вивчення фізики. Необхідно відзначити, що у сучасному підручнику для вузів описано всього лише 150 фізичних ефектів і явищ, тобто близько 3 % від ефектів, відомих людству (загальне число їх складає приблизно 5 тис.).

Роботу зі складання «Покажчика застосування фізичних ефектів і явищ при рішенні винахідницьких задач» почала з 1969 р. суспільна лабораторія методики винахідництва. Надалі лабораторією математичних методів оптимального проектування Марійського політехнічного інституту був залишений фонд фізичних ефектів і явищ, який використовувався як інформаційний масив для узагальненого евристичного алгоритму з орієнтацією на машинний пошук. З'явилися повідомлення про англомовні роботи і за кордоном.

Складання фонду, довідника, покажчика фізичних ефектів і явищ — надзвичайно трудомісткий процес, оскільки їх доводиться брати не тільки із спеціальної літератури, але також з конкретних технічних рішень, де вони знаходяться в прихованому, завуальованому вигляді, іноді у поєднанні з іншими ефектами і евристичними прийомами. Але і після цього фонд постійно потребує доповнення і вдосконалення, тому що немає меж розвитку науки. У зв'язку з цим виникла необхідність у створенні суворої методики виявлення, збору і обробки інформації для подібних фондів.

Структуру різних фізичних ефектів можна представити декількома видами схем (мал. 5.1.) багато в чому аналогічних і таких, що містять вихідні дії, фізичний об'єкт і результати (власне ефекти). До дії відносяться: поля (магнітне, електричне, електростатичне, гравітаційне, теплове, силове), а також різного роду зміни, наприклад, вологості, швидкості руху, концентрації і т. п. Дія може бути постійною як у часі, так і в просторі, вона вимірюється певними величинами і виражається їх чисельними значеннями.

Мал. 5.1. Структура різних фізичних ефектів.

Фізичний об'єкт, що піддається дії, включає широкий клас матеріальних тіл (тверді, рідкі, газоподібні речовини, їх поєднання, а також елементарні частинки, іони, молекули, атоми і т. п.) Результат, власне ефект, виходить найрізноманітнішим: електричний струм, рух, розщеплювання спектральних ліній, електромагнітне поле, зміна псевдощільності рідини, оптична анізотропія. Взаємозв'язок ефекту і дії може бути виражений математичною формулою. Процес збору інформації розбивають на три основні етапи: виявлення ефекту, встановлення обмежень, вибір фізичної моделі. Зібрану інформацію про кожен фізичний ефект зручно систематизувати у вигляді таблиці (карти), що містить наступні відомості: назва ефекту і його шифр; фізичні об'єкти; тип дії; характеристика дії; результат дії (ефект); характеристика результату дії; модель фізичного ефекту; опис суті фізичного ефекту (за літературними джерелами); застосування фізичного ефекту (області техніки, де він використовується або можливо його використання); література.

У вказаній вище формі складені описи для фонду фізичних ефектів узагальненого евристичного алгоритму. Фонд містить біліше 700 ефектів, оформлених у вигляді каталогу і забезпечених довідково-пошуковим апаратом, як за типами дії, так і за результатами (ефектами). Завдяки цьому він може бути використаний при пошуку рішень технічних задач на ЕОМ і безмашинними методами. Результати дії фізичних ефектів, наявних у фонді, дозволяють сформулювати і скласти список функцій, які можуть бути реалізовані з їх допомогою (функції представлені в узагальненому вигляді: нагрівання, розширення, коливання, електризація, переміщення і т. п.).

Для застосування в широкому практичному винахідництві (при безмашинному пошуку інформації) зручно мати довідник по ефектам, складений у компактнішій формі. Оптимальним можна вважати опис фізичного ефекту за чотирма параметрами (мал. 5.2.): А₁ –

вплив, В₁ – фізичний об'єкт, Р₁ – умови, обмеження, С₁ – результат, ефект. При збігу результату С₁ одного фізичного ефекту з дією А₂ іншого, елементарні ефекти можуть утворювати нові, складніші, такі, що складаються з ланцюга двох і більше послідовних сполучуваних ефектів. Наприклад, ефект Джоуля-Ленца (А₁ – електричний струм; В₁ – провідник; С₁ – тепло) і ефект термоелектронної емісії (А₂ – тепло; В₂ – оксидна суспензія; С₂ – випускання електронів) в послідовному поєднанні дають ефект А₁ – С₂ (при проходженні електричного струму через провідник відбувається випускання електронів), закладених у принцип дії електровакуумних приладів.

Мал. 5.2. Схема опису фізичного ефекту

Найбільш простою і зручною формою довідника, вживаного як інструмент у практичному винахідництві, є покажчик, складений у формі таблиці, він містить колонки з назвою необхідної дії (наприклад: пониження температури) і з відповідними йому назвами фізичних ефектів (наприклад: ефект Ранка, магнітокалоричний ефект і т. п.). Варіант такого покажчика представлений у табл. 1 (Додаток 3). Успішно використовувати його можна при хорошому знанні фізики, коли за назвою ефекту розуміють його суть. Покажчик (Додаток 3, табл. 1) дозволяє вирішувати прямі винахідницькі задачі і корисні на етапі пошуку ідеї рішення після того, як сформульовані умови, завдання, ідеальний результат, виявлені технічна і фізична суперечності і визначена, загалом, дія, необхідна для вирішення протиріччя.

Можна вирішувати і зворотну задачу («на застосування»): для конкретного фізичного ефекту знаходять технічне завдання, в якому за допомогою його усувається який-небудь недолік, вирішується технічне протиріччя. Наприклад, автор електрогідравлічного ефекту Л.А. Юткін значну частину свого творчого життя присвятив пошуку технічних завдань, що вирішуються на основі цього відкриття. Сьогодні є величезна кількість винаходів, заснованих на ефекті Юткіна, створених як самим автором, так і іншими дослідниками (зареєстровано більше тисячі авторських свідоцтв). При рішенні задач такого типу зручно користуватися покажчиком ефектів, складеним у формі: «фізичний ефект — можливе застосування, одержувана дія».

Практичне використання фізичних ефектів, проілюструємо, наприклад, фрагментом рішення однієї винахідницької задачі. Недолік, що часто виявляється при експлуатації ліній електропередач (ЛЕП) і електричних підстанцій, - обмерзання проводів, рубильників відкритого типу і т. п. Борються з ним, нагріваючи апаратуру і ЛЕП струмом від спеціальних сильнострумних трансформаторів при знятій робочій напрузі. Такий метод вимагає відключення ЛЕП, додаткового обладнання і т. п. Обмерзання може відбуватися під час снігопаду, коли мерзне сніг, і у відносно гарну погоду - конденсацією вологи з повітря. При цьому часто невідомо, де і скільки налипнуло на дроті снігу. Застосування антиобморожувачів або вібрації не вирішує проблему. Припустимо, що технічне завдання вибране: потрібно знайти спосіб захисту проводів ЛЕП (і іншого обладнання) від обмерзання без зняття робочої напруги і без зміни режимів нормальної роботи.

Рішення. Дана система з металевих дротів із змінним струмом, що знаходяться під високою напругою, і вологого повітря із змінною температурою. Дроти при зниженні температури покриваються льодом.

Сформулюємо ідеальний кінцевий результат: «Середовище само перешкоджає утворенню льоду на поверхні дроту при зниженні температури». Частина середовища навколо поверхні дротів не може виконати необхідної дії. Вона складається з шару вологого повітря, змінного електричного поля (висока напруга) і змінного магнітного поля (електричний струм). Вказані елементи утворюють фізичну систему, що має певну енергію (енергія полів), але її поки неможливо використовувати для боротьби із льодом (змінювати величину цієї енергії за рахунок параметрів електричного і магнітного полів теж не можна). Ми хочемо, щоб частина середовища, що оточує дроти, сама перешкоджала б конденсації пару або нагрівалася при зниженні температури. Але вона не має таких властивостей (варіант фізичної суперечності). Завдання може бути вирішене, якщо енергію слабких електромагнітних полів перевести в енергію нагріву частини зовнішнього середовища, прилеглого до дротів (варіант ідеї рішення). Це можливо за наявності в полі біля дроту короткозамкнутого витка, наприклад, з алюмінію. Цю ідею підказує і покажчик фізичних ефектів: необхідна дія - підвищення температури, фізичний ефект - електромагнітна індукція. Але в нашій системі відсутній короткозамкнутий провідник, потрібний для реалізації ефекту. Значить, його потрібно ввести. Тоді частина середовища приймає вид (стан) короткозамкнутого витка провідника. Проте, через те, що робочі струми в дротах ЛЕП невеликі і магнітні поля незначні, нагрів буде слабким. Необхідно підсилити магнітні поля. Це теж може зробити середовище при зміні стану короткозамкнутого витка: якщо він виконаний з феромагнітного матеріалу, то наявне магнітне поле можна сконцентрувати. Тепер варіант рішення відповідає контрольній відповіді (авт. св. № 288074): «Спосіб захисту електротехнічного обладнання, наприклад роз'єднувачів, від заледеніння шляхом електричного обігріву об'єкту, що захищається, за допомогою укріплених на його поверхні електронагрівальних елементів, що відрізняється тим, що, з метою підвищення ефективності боротьби з ожеледицею зазначені елементи використовують як феромагнітні тіла, наприклад, кільця, що надягають на об'єкт, який захищається, нагріваються змінним магнітним полем, створюваним протікаючим по захисному об'єкту струмом навантаження». Дане рішення теж має недолік (кільця гріються в будь-яку погоду). Він виявляється при зіставленні варіанту рішення задачі з ідеальним кінцевим результатом (виділятися тепло повинно при зниженні температури). Цей недолік породжує нове технічне завдання:

Дана система з металевих проводів із змінним струмом під високою напругою і надітих на стрижень феромагнітних кілець. Кільця нагріваються по всьому інтервалу зміни температури навколишнього середовища, Властивість кільця нагріватися або не нагріватися (нагріватися слабкіше) пов'язана з характеристикою матеріалу (феромагнітний або неферомагнітний). Феромагнітні властивості об'єкту можна змінювати складом матеріалу або температурою (перехід через точку Кюрі). Сформулюємо новий ідеальний кінцевий результат. Середовище само перестає нагріватися (нагрівати кільце) при підвищенні температури вище 0 °С. Фізична суперечність: середовище повинно одночасно передавати

кільцю феромагнітні властивості, щоб нагрівати його в змінному магнітному полі при низьких температурах, і не повинно їх передавати, щоб не нагрівати при високих. Контрольна відповідь: матеріал кільця підібраний так, що його точка Кюрі лежить трохи вище 0 °С. (див. журнал «Винахідник і раціоналізатор» № 2, 1967, с. 23).

Розглянемо деякі технічні рішення, засновані на застосуванні фізичних ефектів і явищ:

1. Енергія, що поглинається матеріалом, на який впливає імпульсне ядерне випромінювання, вимірюється шляхом детектування теплового розширення цього матеріалу, тензодатчиками (пат. США № 3569707). У даному пристрої використаний ефект теплового розширення.

2. Спосіб лабораторного обезводнення нафтових продуктів, при якому, з метою прискорення процесу в нафтопродукт поміщають папір, його капілярами вода піднімається і випаровується з поверхні (авт. св. № 118936). Заснований на використанні капілярних явищ.

3. Спосіб сушки ізоляції кабелів в шахтних електромережах з ізольованою нейтраллю (авт. св. № 240825), що відрізняється тим, що з метою спрощення процесу, струмоведучі жили кабелів під'єднують до позитивного полюса джерела струму, негативний полюс якого сполучають із землею, для здійснення сушки за рахунок використання явища електроосмосу.

4. Спосіб зниження втрат натиску при переміщенні рідини трубопроводом, що полягає в тому, що з метою досягнення рідиною властивості псевдопластичності до неї вводять довголанцюжковий полімер, наприклад, поліакриламід у кількості 0, 01- 0, 2% за масою (авт. св. № 244032). Заснований на ефекті Томса.

5. Спосіб вимірювання опорних реакцій машин і верстатів в експлуатаційних умовах, що відрізняється тим, що, з метою визначення реакцій в опорах з гумовим пружним елементом, вимірюють величину деформації вільної поверхні гумового пружного елементу, за якою судять про величину опорної реакції (авт. св. № 232571). Винахід використовує явища, що виникають при деформації.

6. Спосіб штампування, витяжки, гнучких листових пластичних матеріалів, що полягає в тому, що вказані операції здійснюють дією електрогідравлічних ударів, що виникають у відкритій або закритій посудині, днищем, стінкою або кришкою яких служить оброблений матеріал (авт. св. № 147162). Заснований на електрогідравлічному ефекті

7. Осадженню пилу на відбивачі, відкритому для навколишньої атмосфери, запобігають установкою його на позитивно зарядженій металевій пластині (пат. США № 3562509). Винахід базується на тому, що електричне поле позитивного заряду відштовхує частинки пилу, заряджені переважно позитивно.

8. Спосіб діагностики плазмових струменів, що полягає в пропусканні зондуючого випромінювання через плазму, що відрізняється тим, що для визначення параметрів плазми перетином струменів плазмовий струмінь зміщують у поперечному напрямі за допомогою магнітного поля (авт. св. № 322706). Використані властивості магнітних полів;

9. Вимірюють і записують температуру матеріалу з парамагнітною сприйнятливістю (наприклад, стали під час гарячого плющення) при проходженні його через магнітне поле (пат. США № 3568050). Зміна напруженості магнітного поля, пропорційного парамагнітній сприйнятливості матеріалу, вимірюють за допомогою напівпровідникового датчика і реєструють як температуру матеріалу

10. Магнітна муфта ковзання, що містить корпус і багатополюсний ротор з постійними магнітами, відрізняється тим, що для автоматичного включення і виключення при заданій температурі сну забезпечена шунтами, встановленими між полюсами ротора і виконаними з термореактивного матеріалу, що має характеристику магнітної проникності з точкою Кюрі, яка відповідає заданій температурі. Корпус же виготовлений з матеріалу з точкою Кюрі, відповідній температурі вище заданою (авт. св. №266029).

Це і попереднє винаходи засновані на магнітних властивостях речовин.

11. Пристрій для встановлення заданих проміжків часу, що відрізняється тим, що, з ланцюгом підвищення точності вимірювань при записі сейсмограм, його виконано у вигляді стрижня з розташованим на нім вантажем, що замикає під час вільного падіння контакти, сполучені з електродетонаторами (авт. св. № 189597). Засновано на русі тіл під дією сил тяжіння.

12. У пристрої для електромеханічної обробки (пат. США № 3567604) інструмент здійснює резонансні коливання, які в певній послідовності через торець інструменту і робочу рідину передаються оброблюваній заготівці. Використані явища, що виникають при механічних коливаннях.

13. Спосіб вакуумування рідкого металу методом циркуляції його через вакуумну камеру. Відрізняється тим, що, з метою підвищення ступеня рафінування і дегазування, струмінь металу у всмоктуючій трубі піддають обробці ультразвуковими коливаннями (авт. св. № 345210). Заснований на властивостях ультразвуку.

14. Спосіб видалення осаду, з фільтруючих перегородок, відрізняється тим, що з метою інтенсифікації процесу в зоні видалення осаду створюють кавітаційний потік за допомогою бульбашок газу (авт. св. № 260618). Використаний ефект кавітації.

15. Втулка підшипника виконана з п'єзоелектричного матеріалу і покрита електропровідною фольгою (пат. США № 3239283). Пропускаючи змінний електричний струм, під дією якого п’єзоелектрик вібрує, ліквідовують тертя спокою.

16. Вал гальма покритий напівпровідниковим матеріалом і охоплений металевою стрічкою (пат. США № 3343635). Гальмівний момент залежить від температури напівпровідникового шару і регулюється шляхом пропускання електричного струму через вал і охоплюючу його стрічку. Винахід заснований на ефекті Джонсона-Рабека.

17. У мікровагах для урівноваження невеликих змін маси і сили використаний тиск світла на противагу (пат. США № 3590932).

18. Застосування імпульсного потоку випромінювання лазера для збудження механічних коливань в об'єктах сейсмічного моделювання (авт. св. № 239694).

19. У системі отримання малошумливого електронного променя для ламп пролітного типа охолоджують катод пристроєм, що працює на принципі ефекту Пельт’є (пат. Німеччини № 1299510). Тут використано одне з термоелектричних явищ.

20. Спосіб компенсації температурної погрішності вібраційно-частотних датчиків, що полягає в тому, що з метою підвищення точності і стабільності їх роботи створюють магнітострикційну напругу в чутливому елементі датчика, протилежно направлені напрузі (авт. св. № 224120).

21. Спосіб випаровування матеріалів у вакуумі шляхом високочастотного нагріву. Що відрізняється тим, що для здійснення процесу з кільцевого джерела випаровуванню піддають матеріал у формі диска при частоті поля, що забезпечує появу скін-ефекту на бічній поверхні диска (авт. св. № 281997).

22. Спосіб оцінки розподілу контактної напруги за величиною деформації пластичної прокладки, що розташовується в зоні контакту між дотичними поверхнями, що відрізняється тим, що з метою підвищення точності як пластична прокладка використовують плівку з оптично чутливого матеріалу, яку потім просвічують поляризованим світлом у напрямі дії контактних сил, і за картиною смуг судять про розподіл контактної напруги (авт. св. № 249025), спосіб заснований на явищі фотопружності.

ФВА - це метод системного дослідження об'єкту (виробу, процесу, структури), направлений на підвищення ефективності використання матеріальних і трудових ресурсів. По своєму внутрішньому змісту ФВА - це комплексно-цільова програма, об'єднуюча три основні складові: техніко-економічний аналіз, організаційно-технічні заходи і наукову методологію пошуку нових рішень.

Важливий економічний підхід при виборі вузлів і деталей, що підлягає поліпшенню. Значущість економічних розрахунків зростає, якщо доводиться вибирати між декількома варіантами. Наукова методологія пошуку нових рішень - головна відмінність ФВА. Ефект ФВА досягається за рахунок цілеспрямованого пошуку нових, ефективніших технічних і організаційних рішень. Організаційно-технічні заходи ФВА включають створення постійно діючих органів ФВА, організацію робіт по пошуку нових рішень; їх експлуатації і впровадженню. Робота по пошуку нових рішень ведеться за допомогою тимчасової робочої групи (ТРГ). Створюється також експертна комісія з відповідальних фахівців. Керує нею головний інженер. Ця комісія разом з ТРГ відбирає найбільш ефективні рішення, розробляє програму досліджень, доопрацювань і впровадження. ФВА – комплексна програма. Його успіх досягається тільки поєднанням усіх трьох складових: економіки, організації і методів пошуку нового. В даному випадку упор буде зроблений на методологію пошуку нового. ФВА має наступні етапи: підготовчий, інформаційний, аналітичний, творчий, рекомендаційний і впровадження.

§ Підготовчий етап включає: