Страница:
Смысл приема - в переходе от «грубого» движения на макроуровне к «тонкому» движению на молекулярном уровне. С помощью термического расширения можно создавать большие усилия и давления. Термическое расширение позволяет очень точно «дозировать» движение объекта.
Авторское свидетельство № 242127. Устройство для микроперемещения рабочего объекта, например, кристал-лодержателя с затравкой, отличающееся тем, что с целью обеспечения максимальной плавности оно содержит два стержня, подвергаемых электронагреву и охлаждению по заданной программе, находящихся в закрепленных на суппортах термостатируемых камерах и поочередно перемещающих объект в нужном направлении,
38. Применение сильных окислителей
а) Заменить обычный воздух обогащенным.
б) Заменить обогащенный воздух кислородом.
в) Воздействовать на воздух или кислород ионизирующими излучениями.
г) Использовать озонированный кислород.
д) Заменить озонированный (или ионизированный) кислород озоном.
Основная цель этой цепи приемов - повысить интенсивность процессов. В качестве примеров можно назвать способ спекания и обжига дисперсного материала с при-менением интенсификации процесса горения путем продувки воздухом, обогащенным кислородом; плазменно-дуговую резку нержавеющих сталей, при которой в
качестве режущего газа берут чистый кислород; интенсификацию процесса агломерации руд путем ионизации окислителя и газообразного топлива перед подачей в слой шихты и т. д.
39. Применение инертной среды
а) Заменить обычную среду инертной.
б) Вести процесс в вакууме.
Этот прием можно считать антиподом предыдущего.
40. Применение композиционных материалов Перейти от однородных материалов к композиционным.
Пример. Патент США № 3553820. Легкие прочные тугоплавкие изделия выполнены на основе алюминия и упрочнены множеством покрытых танталом волокон углерода. Такие изделия характеризуются высоким модулем упругости и используются в качестве материалов для конструирования кораблей воздушного и морского флотов.
Авторское свидетельство № 147225. Способ записи, при котором используют чернила, содержащие мелкие магнитные частицы. В отличие от обычных, магнитные чернила управляются магнитным полем.
Композиционные материалы - составные материалы, которые обладают свойствами, не присущими их частям. Например, пористые материалы, о которых шла речь в приеме № 31, представляют собой композицию из твердого вещества и воздуха; ни твердое вещество, ни воздух порознь не обладают теми свойствами, которые есть у пористых веществ.
Композиционные материалы изобретены природой и широко ею используются. Так, древесина представляет собой композицию целлюлозы с лигнином. Волокна целлюлозы обладают высокой прочностью на разрыв, но легко изгибаются. Лигнин связывает их в единое целое и сообщает материалу жесткость.
Интересный композиционный материал представляет сочетание легкоплавкого вещества (например, сплава Вуда) с волокнами тугоплавкого материала (например, стали). Такой материал легко плавится, а застыв, обладает высокой прочностью. Постепенно происходит взаимная диффузия частиц припоя и волокон, в резуль^ тате чего образуется сплав с высокой температурой плавления.
Другой композиционный материал- взвесь частиц
кремния в масле - способен твердеть в электрическом поле .
* * *
В статье Э. Долота и И. Клямкина «Обыкновенные эдисоны» приведено любопытное высказывание актера Московского театра сатиры Лепко. Штампы, говорил Лепко, вовсе не помеха в творчестве, наоборот, это рабочее орудие артиста. Весь вопрос в том, насколько широк набор этих штампов. Слабый актер -три или четыре штампа, про него говорят, что он в каждой роли повторяет себя. Сильный, талантливый актер - пятьдесят штампов, сто, может быть…
Знание типовых приемов, этих «штампов» изобретательства, резко повышает эффективность творчества. Возьмем, например, конкретную задачу. Нужно, чтобы при стрельбе дробью заряд не разлетался в стороны, а шел узким конусом. Обычный путь повышения кучности боя - увеличение длины ствола. Но тут очевидное техническое противоречие: выиграешь в форме конуса разлета дроби, проиграешь в длине ствола. Как быть?
Если трудно догадаться сразу, давайте уберем термины «ствол» и «дробь». Какие-то частицы движутся по трубе, и пока стенки направляют движение частиц - все в порядке. Но трубу нельзя сделать слишком длинной, как же направлять полет частиц?
В этой задаче такое же техническое противоречие, как и при сооружений дымовых труб. Следовательно, здесь можно применить тот же прием (№ 29), что и в авторском свидетельстве № 243809: использовать вместо «твердой» конструкции пневмоконструкцию. Пусть частицы движутся в газовых «стенках». Именно так решена эта задача по японскому патенту № 44-20959. В коротком стволе имеются газовыпускные отверстия. На ствол надет кожух, обрез которого совпадает с обрезом ствола. При выстреле пороховые газы выходят в кольцевой канал между стволом и кожухом и выбрасываются в виде кольца, которое охватывает дробовой заряд.
Еще одна задача: как изготовлять волочением трубки из нихрома с толщиной стенок около 0,01 мм при допуске в 0,003 мм? Для изобретателя, незнакомого с типовыми приемами, это задача примерно третьего уровня. Если же изобретатель овладел типовыми приемами, задача покажется ему очень легкой - никак не выше первого уровня. Прием № 34: «Изготавливай объект Ана оправке Б, которою можно удалить растворением, испарением, плавлением, химической реакцией и т. д.». И вот авторское свидетельство № 182661: «Способ изготовления тонкостенных трубок из нихрома, отличающийся тем, что… волочение… осуществляют на деформируемом алюминиевом стержне, удаляемом после обработки вытравливанием щелочью».
Современный изобретатель должен хорошо знать типовые приемы устранения технических противоречий. Без этого немыслима научная организация творческого процесса.
КАК РАБОТАЕТ АЛГОРИТМ
Изучение АРИЗ-71 мы еще продолжим в следующих главах, а пока проследим действие алгоритма на конкретной задаче.
Задача 5
Ледокол продвигается во льдах по принципу клина. Поэтому скорость продвижения и толщина доступных преодолению льдов зависят в основном от мощности энергетических установок ледокола. Путь развития ледоколов - это увеличение мощности их двигателей. У современного лайнера на 1 т водоизмещения приходится 0,5 л. с; у ледоколов это отношение в 6 раз больше. До 70% длины корпуса ледокола занято двигательными установками, топливными емкостями (танками) и различными обслуживающими системами. Ледокол буквально заполнен «двигательной частью», охлаждение двигателей - сложная проблема,
«Периодическое нарушение работы охлаждающей системы в тяжелых ледовых условиях наблюдается на всех ледоколах, и эффективное решение этой проблемы пока не найдено. Например, из опыта американских ледоколов известно, что в ряде случаев не прочность льда, а прекращение подачи охлаждающей забортной воды ограничивает продвижение судна» (Юдовин Б. С. Энергетические установки ледоколов. М., «Судостроение», 1967, стр. 182).
«Двигательная часть» современных ледоколов настолько гипертрофирована, что на судне не остается места для размещения сколько-нибудь значительного количества грузов. Поэтому за ледоколом идет караван из трех-четырех транспортных судов. «Начало и продолжительность навигации в Арктике и в замерзающих портах определяет ледовая обстановка. Ведь принцип действия ледокола, стоит ли на нем паровая машина, как сто лет
назад, или новейший атомный реактор, почти не изменился. С разбега вползает он на преградившее путь ледяное поле и своим весом ломает его. Снова разбег, и снова несколько метров вперед. Надсадно ревут двигатели, скрежещет лед об обшивку. На почтительном расстоянии сзади стоит караван обычных судов, ждет, когда ледокол проложит путь. Но льды становятся толще и толще. Полтора, два, два с половиной метра! Ледокол застревает. Механики пускают машины «враздрай» - в разные стороны. Судно начинает «мотать носом», пытаясь освободиться от ледяного плена. Насосы перекачивают сотни тонн воды из носовых цистерн в кормовые, из левых цистерн - в правые. Ледокол качается с носа на корму, переваливается с боку на бок, разжимая, как клин, льдины… Дорога за ледоколом слишком тяжела для обычных судов. С трудом увертываются они от плавающих ледяных глыб, грозящих распороть им бока. Пространство перед причалами, а иногда и вся акватория порта превращаются в сплошную массу битого льда. Каждый день ледоколы добавляют новые порции. В результате лед смерзается, и вскоре толщина его становится в 2-3 раза больше первоначальной. Теперь уж и сам ледокол не в силах одолеть эту преграду. Такие случаи неоднократно наблюдали в Архангельском, в Ленинградском портах. Короче говоря, мечта капитанов - иметь ледокол, способный преодолевать льды любой толщины и, главное, оставляющий за собой не ледяное крошево, а чистый канал» (Муслин Е. Пушки и лед. «Знание - сила», 1968, №5).
Известны различные способы облегчения продвижения сквозь льды. Издавна, например, применяется разрушение льда с помощью взрывчатых веществ. Недостатки этого способа - большой расход ВВ, низкая производительность, крайняя неэкономичность.
На небольших речных ледоколах устанавливают вибрационные установки. «Многотонные чугунные диски закрепляют на валах специальных машин, которые намертво привинчивают к носовой палубе. Едва только эта машина заработает, ледокол начинает трясти и раскачивать, его нос ходит ходуном, так что не только находиться там - со стороны глядеть страшно! Кажется, что вот-вот виброустройство вырвет «с мясом». Судно бьется о лед, словно в лихорадке,- лед в конце концов не выдер-
живает ударов, поддается» (Каневгский 3. Ледовая пахота, «Знание - сила», 1969, № 8).
Применение ВВ, вибрация - все это не дает существенного эффекта.
Нужно придумать способ, обеспечивающий быстрое продвижение ледоколов во льдах толщиною до 3 м. Способ должен быть экономичен и осуществим при современном уровне техники.
Сейчас мы не будем уточнять задачу - это входит в процесс решения по АРИЗ, введем лишь некоторые обязательные ограничения.
1. По условиям задачи транспортировку грузов по морю нельзя заменять; переброска их авиацией или железнодорожным транспортом отвергается.
2. Нельзя заменять корабль подводной лодкой. Подводные лодки имеют очень большую осадку в надводном положении. В Англии, например, спроектирован подводный танкер с осадкой в 18 м, его придется загружать и разгружать в открытом море.
Решать задачу надо применительно к кораблю водоизмещением в 5-20 тыс. т. Корабль должен иметь в свободной воде нормальную скорость (т. е. 18-20 узлов).
Решение задачи 5
Часть 1
1 - 1. а) Надо увеличить скорость движения каравана судов и ледокола во льдах.
б) Нельзя увеличивать мощность двигателей ледокола - эта возможность исчерпана.
в) Надо снизить стоимость транспортировки грузов в ледовых условиях.
г) Затраты должны быть ниже, чем при использовании лучших современных ледоколов.
д) Цель - снизить стоимость одного тонно-километра транспортировки груза.
1-2. Обходный путь - отказаться от ледокола. Ледокол- машина для изготовления канала во льдах. Если транспортные суда научатся ходить во льдах без канала, отпадет необходимость в ледоколе.
1-3. Итак, с ледоколом или самостоятельно?
а, в) В водном транспорте отчетливо проявляется тенденция к «само» (например, от буксируемых барж - к самоходным баржам).
б, г) Тенденция к «само» наблюдается и в сельхозмашиностроении (различные самоходные установки вместо прицепов), и в авиации (поэтому не были осуществлены многочисленные проекты прицепных пассажирских пла-неропоездов).
д) Обходная задача представляется значительно более трудной, в некотором смысле даже нереальной, дикой: мы хотим, чтобы транспортное судно шло во льдах быстрее ледокола… Но анализ свидетельствует в пользу обходной задачи. Выбираем ее.
1-4. Примем требуемую скорость во льдах равной 6 узлам (втрое больше, чем у существующих ледоколов), толщину льда - 3 м.
1-5. Поправка на время: скорость - 8 узлов, толщина льдов - до 3,5 м (практически это предельная величина).
1-6. То, что нам предстоит придумать, должно надежно работать в полярных условиях. Отсюда требование: как можно меньше подвижных механизмов и выступающих деталей (они смерзаются, ломаются льдами и т. п.).
Часть 2
2- 1а) Анализ патентной информации сразу выявляет чрезвычайно интересный факт: нет изобретений, относящихся к выбранному нами обходному пути. Свыше ста лет развитие ледоколов идет в рамках исходной схемы. Даже наиболее оригинальные изобретения послед^ них лет не выходят за пределы этой схемы. Изобретатели из Ленинградского НИИАрктики и Антарктики предложили разрушать лед системой фрез или импульсными водометами1. В американском патенте № 3130701 предлагается заводить носовую часть ледокола под лед и взламывать лед снизу: опускание носовой части производится затоплением особых цистерн, а подъем - опорожнением этих цистерн и одновременной подачей воздуха в надувную емкость, расположенную под днищем ледокола. По патенту ФРГ№ 1175103предлагается в носовой части корабля устанавливать десятки бивней - «направленных вперед, изогнутых и спускающихся под лед стальных клиновидных плоскостей».
Совсем свежее предложение предусматривает, что «ис-
полнительный орган выполнен в виде расположенных вдоль корпуса, регулируемых по высоте резцов, а в задней части корпуса шарнирно установлена стрела, на конце которой закреплена удаляющая разрушенный лед плита». Это уже не корабль, а специализированный агрегат по изготовлению канала во льдах…
Много авторских свидетельств и патентов выдано на различные устройства для удаления битого льда из-под днища ледокола и очистки канала. Предложено даже специальное ледоочистительное судно, оборудованное установками, направляющими лед под ледяное поле. Система «ледокол - караван» очень далека от идеальной машины: ледокол «возит самого себя», а тут добавится еще одно судно - только для обслуживания канала. Это явно отдаляет исходную схему от идеальной машины.
Патентный анализ, таким образом, подтверждает, что прямой путь ведет в тупик излишней специализации. Мы правильно сделали, отдав предпочтение обходному пути.
б) Мы решаем задачу о продвижении сквозь плотную среду; ведущая отрасль техники в данном случае - горная техника (проходка шахт, штреков, выемка угля, руды и т. п.). Лед - горная порода; посмотрим, как движутся машины в более плотных горных породах.
Здесь уже давно применяют водометы, гидромониторы. Идут эксперименты с различными электрофизическими способами разрушения угля, руды, камня. Используют нагревание токами высокой частоты, контактный электропробой, электрогидравлический эффект и т. п. К сожалению, применить какой-либо из этих методов в нашей задаче невозможно: слишком велик объем льда, который надо разрушать в единицу времени, чтобы обеспечить требуемую скорость движения судна.
в) Обратная задача - не разрушать, а укреплять лед. Решение - армирование льда. Такое решение явно не годится, а чтобы использовать его «с обратным знаком», нужно добавлять в лед что-то, уменьшающее его прочность. Но и этот путь не годится: потребуется слишком большой расход вещества-разрыхлителя.
2-2. Применим оператор РВС. Будем считать объектом корабль, а основным размером - его ширину (от длины мало что зависит).
а) Ширина корабля стремится к нулю. Допустим, она равна 1 мм. Корабль-лезвие?
б) Начнем теперь увеличивать ширину: 10 м, 100 м, 1000 м, 10 000 м… Бее труднее и труднее двигать сквозь лед такую громаду. Положить корабль на бок?
в) Скорость движения корабля близка к нулю. В этом случае можно просто потихоньку растапливать лед. Расход топлива тоже будет стремиться к нулю.
г) Скорость повысилась до 50 узлов, 100 узлов… Корабль должен мчаться, как судно на подводных крыльях. Любой способ разрушения льда не годится - потребуется слишком большая мощность. Нужно придумать нечто, что позволит идти сквозь лед, не расходуя энергии. Как?
д) Допустимые расходы стремятся к нулю. Снова тот же вывод: не разрушать лед (за это всегда надо платить).
е) Если допустимы неограниченные расходы, задача легко решается: применить лазеры, пусть они пробивают дорогу сквозь лед.
2-3. Изложим задачу в двух фразах, убрав такие термины, как «ледокол», «ледорез» или «ледолом» (они заранее привязывают нас к какой-то технологии разрушения льда).
Итак, задача: «Дана система из корабля и льда. Корабль не может идти с большой скоростью сквозь лед». (Можно, вообще говоря, убрать и термин «корабль», но он достаточно широк и вряд ли сильно стеснит воображение.)
2-4. Корабль - технический объект, его можно изменять как угодно. Лед - природный объект, изменять его крайне трудно. Следовательно, надо корабль отнести к «а», лед - к «б».
2-5. Объектом для дальнейшего анализа будет корабль.
Вывод неожиданный: традиционные попытки решения задачи связаны с изменением льда: его ломают, режут, взрывают… Корабль кажется неизменным, мы привыкли к его определенной форме, а лед кажется легко изменяемым На самом деле все наоборот. Чтобы расплавить один кубометр льда - все равно, чем: архисовременным лазером или простым огнем,- нужно затратить 80 000 ккал тепла (без учета потерь). Большое количество энергии нужно и для того, чтобы тем или иным способом искрошить кубометр льда. Куда проще разрушать
Рис. 23. К задаче 5, шаг 3-2. «Было» - корабль дошел до льда и остановился; «Стало» - тот же корабль каким-то образом движется сквозь лед
не лед, а корабль! Ведь корабль можно сделать легко-разрушаемым - это зависит от нас…
Мы пришли к весьма дикому выводу. Кто-то, может быть, уже подходил к этой мысли - и останавливался перед психологическим барьером.
Часть 3
3- 1.Сформулируем идеальный конечный результат (ИКР): корабль сам идет сквозь лед с большой скоростью и с нормальным {как на чистой воде) расходом энергии.
3-2. На рис. 23: «Было» - корабль дошел до льда и остановился; «Стало» - тот же корабль каким-то образом движется сквозь лед.
3-3. Не может выполнить требуемого действия участок АБносовой части корабля, упирающийся в лед. Можно ответить и по-другому: не может выполнить требуемого действия объем корпуса между АБи ВГ.
3-4. а) Мы хотим, чтобы эта часть не упиралась в лед.
б) Она жесткая, твердая, сплошная - поэтому она и упирается.
в) Эта часть нужна для сохранения целостности корпуса и не нужна, чтобы не упираться в лед.
3-5. Поскольку эта часть нужна, придется сохранить ее. А поскольку она нам мешает, придется уменьшить ее до минимума.
3-6. Размеры этой части определяются толщиной льда и шириной корабля. Уменьшить толщину льда мы не можем. Остается уменьшать ширину корабля. Нам не надо,лтобы корабль был вообще плоским (рис. 24, а).Мы рассматриваем изменения той части корпуса, кото-
Рис. 24 Чем уже полоса разрушаемого льда, тем меньше расход энергии.
рая совпадает со слоем льда. Пусть эта часть будет плоской (24,6).
3-7 и 3-8. Получается неустойчивая форма. Чтобы корабль был устойчивым и плоским, нужны две плоскости, соединяющие верхнюю и нижнюю части корпуса (рис. 24, в).
Часть 4
4-1. Общая ширина стенок-лезвий в 20-25 раз меньше обычной ширины ледокола. Следовательно, можно рассчитывать на существенное уменьшение расхода энергии при движении во льдах. Конструкция корабля в целом упрощается (вследствие резкого снижения мощности двигателей). Усложняется решение второстепенных вопросов, например, передвижения людей между верхней и нижней частями при плавании во льдах.
4-2. Такого рода трудности могут быть сняты, если нижняя часть будет только грузовой. Например, танкерной.
4-3. Теперь в идее решения нет недостатков, при условии, что наш корабль будет хорошо двигаться и в чистой воде. Интересно отметить, что в обычном корабле-строении за последние годы тоже наметилась тенденция поднять верхнюю часть корабля над волнами, а нижнюю часть (с двигателями) опустить вниз.
4-4. Современные ледоколы полностью исчерпали возможности своего развития: нельзя поставить на ледокол более мощные двигатели, чем те, какие уже стоят. Новая схема, по которой нужно разрушать как можно меньше льда, имеет только преимущества. Хотя нельзя не учитывать и некоторые моральные стороны перехода к новой схеме: психологическую инерцию, приверженность специалистов к привычному принципу «ломай по* больше» (корпусом ледокола, фрезами, водометами и т. п.).
Часть 5
Хотя идея решения и найдена, обратимся ради контроля к таблице устранения технических противоречий.
5-1. Нам надо увеличить скорость(строка 9). Или производительность (строка 39), если рассматривать корабль как машину для транспортировки груза.
5-2. Известный путь увеличения скорости (производительности) движения во льдах - увеличение мощностидвигателей.
5-3. Выбираем колонку 21.
5-4. Противоречие типа 9-21, приемы: 19, 35, 38, 2. Противоречие типа 39-21, приемы: 35, 20, 10.
5-5. Прием 35(a)-изменение агрегатного состояния объекта - соответствует найденному решению.
Мы могли бы и сразу - без анализа - обратиться к таблице. Но в этом случае ответ был бы неожиданным: «Сделать корабль жидким или газообразным». После шага 3-3, даже если у нас и нет идеи решения, мы знаем часть объекта, к которой надо приложить прием, подсказанный таблицей. Нет необходимости делать корабль жидким или газообразным, достаточно изменить агрегатное состояние той его части, которая находится на уровне льда.
Часть 6
6- 1.Раньше корабль входил в систему «ледокол - транспортные суда, следующие за ним». Коль скоро наше транспортное судно само движется во льдах, отпадает
надобность в ледоколе. Можно рассуждать по-другому: ледокол, освобожденный от излишних двигательных установок, сам может возить груз.
6-2. Поскольку разрушение льда ведется теперь узкими лезвиями, можно использовать такие приемы разрушения льда, которые раньше были неэкономичными, например, различные электрофизические способы.
6-3. Смысл найденной идеи: не идти напролом по всему фронту, а продвигаться узкими лезвиями. Вероятно, эта идея может быть применена в технике земляных работ, где почти всегда идут напролом…
НЕСКОЛЬКО УЧЕБНЫХ ЗАДАЧ
Авторское свидетельство № 242127. Устройство для микроперемещения рабочего объекта, например, кристал-лодержателя с затравкой, отличающееся тем, что с целью обеспечения максимальной плавности оно содержит два стержня, подвергаемых электронагреву и охлаждению по заданной программе, находящихся в закрепленных на суппортах термостатируемых камерах и поочередно перемещающих объект в нужном направлении,
38. Применение сильных окислителей
а) Заменить обычный воздух обогащенным.
б) Заменить обогащенный воздух кислородом.
в) Воздействовать на воздух или кислород ионизирующими излучениями.
г) Использовать озонированный кислород.
д) Заменить озонированный (или ионизированный) кислород озоном.
Основная цель этой цепи приемов - повысить интенсивность процессов. В качестве примеров можно назвать способ спекания и обжига дисперсного материала с при-менением интенсификации процесса горения путем продувки воздухом, обогащенным кислородом; плазменно-дуговую резку нержавеющих сталей, при которой в
качестве режущего газа берут чистый кислород; интенсификацию процесса агломерации руд путем ионизации окислителя и газообразного топлива перед подачей в слой шихты и т. д.
39. Применение инертной среды
а) Заменить обычную среду инертной.
б) Вести процесс в вакууме.
Этот прием можно считать антиподом предыдущего.
40. Применение композиционных материалов Перейти от однородных материалов к композиционным.
Пример. Патент США № 3553820. Легкие прочные тугоплавкие изделия выполнены на основе алюминия и упрочнены множеством покрытых танталом волокон углерода. Такие изделия характеризуются высоким модулем упругости и используются в качестве материалов для конструирования кораблей воздушного и морского флотов.
Авторское свидетельство № 147225. Способ записи, при котором используют чернила, содержащие мелкие магнитные частицы. В отличие от обычных, магнитные чернила управляются магнитным полем.
Композиционные материалы - составные материалы, которые обладают свойствами, не присущими их частям. Например, пористые материалы, о которых шла речь в приеме № 31, представляют собой композицию из твердого вещества и воздуха; ни твердое вещество, ни воздух порознь не обладают теми свойствами, которые есть у пористых веществ.
Композиционные материалы изобретены природой и широко ею используются. Так, древесина представляет собой композицию целлюлозы с лигнином. Волокна целлюлозы обладают высокой прочностью на разрыв, но легко изгибаются. Лигнин связывает их в единое целое и сообщает материалу жесткость.
Интересный композиционный материал представляет сочетание легкоплавкого вещества (например, сплава Вуда) с волокнами тугоплавкого материала (например, стали). Такой материал легко плавится, а застыв, обладает высокой прочностью. Постепенно происходит взаимная диффузия частиц припоя и волокон, в резуль^ тате чего образуется сплав с высокой температурой плавления.
Другой композиционный материал- взвесь частиц
кремния в масле - способен твердеть в электрическом поле .
* * *
В статье Э. Долота и И. Клямкина «Обыкновенные эдисоны» приведено любопытное высказывание актера Московского театра сатиры Лепко. Штампы, говорил Лепко, вовсе не помеха в творчестве, наоборот, это рабочее орудие артиста. Весь вопрос в том, насколько широк набор этих штампов. Слабый актер -три или четыре штампа, про него говорят, что он в каждой роли повторяет себя. Сильный, талантливый актер - пятьдесят штампов, сто, может быть…
Знание типовых приемов, этих «штампов» изобретательства, резко повышает эффективность творчества. Возьмем, например, конкретную задачу. Нужно, чтобы при стрельбе дробью заряд не разлетался в стороны, а шел узким конусом. Обычный путь повышения кучности боя - увеличение длины ствола. Но тут очевидное техническое противоречие: выиграешь в форме конуса разлета дроби, проиграешь в длине ствола. Как быть?
Если трудно догадаться сразу, давайте уберем термины «ствол» и «дробь». Какие-то частицы движутся по трубе, и пока стенки направляют движение частиц - все в порядке. Но трубу нельзя сделать слишком длинной, как же направлять полет частиц?
В этой задаче такое же техническое противоречие, как и при сооружений дымовых труб. Следовательно, здесь можно применить тот же прием (№ 29), что и в авторском свидетельстве № 243809: использовать вместо «твердой» конструкции пневмоконструкцию. Пусть частицы движутся в газовых «стенках». Именно так решена эта задача по японскому патенту № 44-20959. В коротком стволе имеются газовыпускные отверстия. На ствол надет кожух, обрез которого совпадает с обрезом ствола. При выстреле пороховые газы выходят в кольцевой канал между стволом и кожухом и выбрасываются в виде кольца, которое охватывает дробовой заряд.
Еще одна задача: как изготовлять волочением трубки из нихрома с толщиной стенок около 0,01 мм при допуске в 0,003 мм? Для изобретателя, незнакомого с типовыми приемами, это задача примерно третьего уровня. Если же изобретатель овладел типовыми приемами, задача покажется ему очень легкой - никак не выше первого уровня. Прием № 34: «Изготавливай объект Ана оправке Б, которою можно удалить растворением, испарением, плавлением, химической реакцией и т. д.». И вот авторское свидетельство № 182661: «Способ изготовления тонкостенных трубок из нихрома, отличающийся тем, что… волочение… осуществляют на деформируемом алюминиевом стержне, удаляемом после обработки вытравливанием щелочью».
Современный изобретатель должен хорошо знать типовые приемы устранения технических противоречий. Без этого немыслима научная организация творческого процесса.
КАК РАБОТАЕТ АЛГОРИТМ
Изучение АРИЗ-71 мы еще продолжим в следующих главах, а пока проследим действие алгоритма на конкретной задаче.
Задача 5
Ледокол продвигается во льдах по принципу клина. Поэтому скорость продвижения и толщина доступных преодолению льдов зависят в основном от мощности энергетических установок ледокола. Путь развития ледоколов - это увеличение мощности их двигателей. У современного лайнера на 1 т водоизмещения приходится 0,5 л. с; у ледоколов это отношение в 6 раз больше. До 70% длины корпуса ледокола занято двигательными установками, топливными емкостями (танками) и различными обслуживающими системами. Ледокол буквально заполнен «двигательной частью», охлаждение двигателей - сложная проблема,
«Периодическое нарушение работы охлаждающей системы в тяжелых ледовых условиях наблюдается на всех ледоколах, и эффективное решение этой проблемы пока не найдено. Например, из опыта американских ледоколов известно, что в ряде случаев не прочность льда, а прекращение подачи охлаждающей забортной воды ограничивает продвижение судна» (Юдовин Б. С. Энергетические установки ледоколов. М., «Судостроение», 1967, стр. 182).
«Двигательная часть» современных ледоколов настолько гипертрофирована, что на судне не остается места для размещения сколько-нибудь значительного количества грузов. Поэтому за ледоколом идет караван из трех-четырех транспортных судов. «Начало и продолжительность навигации в Арктике и в замерзающих портах определяет ледовая обстановка. Ведь принцип действия ледокола, стоит ли на нем паровая машина, как сто лет
назад, или новейший атомный реактор, почти не изменился. С разбега вползает он на преградившее путь ледяное поле и своим весом ломает его. Снова разбег, и снова несколько метров вперед. Надсадно ревут двигатели, скрежещет лед об обшивку. На почтительном расстоянии сзади стоит караван обычных судов, ждет, когда ледокол проложит путь. Но льды становятся толще и толще. Полтора, два, два с половиной метра! Ледокол застревает. Механики пускают машины «враздрай» - в разные стороны. Судно начинает «мотать носом», пытаясь освободиться от ледяного плена. Насосы перекачивают сотни тонн воды из носовых цистерн в кормовые, из левых цистерн - в правые. Ледокол качается с носа на корму, переваливается с боку на бок, разжимая, как клин, льдины… Дорога за ледоколом слишком тяжела для обычных судов. С трудом увертываются они от плавающих ледяных глыб, грозящих распороть им бока. Пространство перед причалами, а иногда и вся акватория порта превращаются в сплошную массу битого льда. Каждый день ледоколы добавляют новые порции. В результате лед смерзается, и вскоре толщина его становится в 2-3 раза больше первоначальной. Теперь уж и сам ледокол не в силах одолеть эту преграду. Такие случаи неоднократно наблюдали в Архангельском, в Ленинградском портах. Короче говоря, мечта капитанов - иметь ледокол, способный преодолевать льды любой толщины и, главное, оставляющий за собой не ледяное крошево, а чистый канал» (Муслин Е. Пушки и лед. «Знание - сила», 1968, №5).
Известны различные способы облегчения продвижения сквозь льды. Издавна, например, применяется разрушение льда с помощью взрывчатых веществ. Недостатки этого способа - большой расход ВВ, низкая производительность, крайняя неэкономичность.
На небольших речных ледоколах устанавливают вибрационные установки. «Многотонные чугунные диски закрепляют на валах специальных машин, которые намертво привинчивают к носовой палубе. Едва только эта машина заработает, ледокол начинает трясти и раскачивать, его нос ходит ходуном, так что не только находиться там - со стороны глядеть страшно! Кажется, что вот-вот виброустройство вырвет «с мясом». Судно бьется о лед, словно в лихорадке,- лед в конце концов не выдер-
живает ударов, поддается» (Каневгский 3. Ледовая пахота, «Знание - сила», 1969, № 8).
Применение ВВ, вибрация - все это не дает существенного эффекта.
Нужно придумать способ, обеспечивающий быстрое продвижение ледоколов во льдах толщиною до 3 м. Способ должен быть экономичен и осуществим при современном уровне техники.
Сейчас мы не будем уточнять задачу - это входит в процесс решения по АРИЗ, введем лишь некоторые обязательные ограничения.
1. По условиям задачи транспортировку грузов по морю нельзя заменять; переброска их авиацией или железнодорожным транспортом отвергается.
2. Нельзя заменять корабль подводной лодкой. Подводные лодки имеют очень большую осадку в надводном положении. В Англии, например, спроектирован подводный танкер с осадкой в 18 м, его придется загружать и разгружать в открытом море.
Решать задачу надо применительно к кораблю водоизмещением в 5-20 тыс. т. Корабль должен иметь в свободной воде нормальную скорость (т. е. 18-20 узлов).
Решение задачи 5
Часть 1
1 - 1. а) Надо увеличить скорость движения каравана судов и ледокола во льдах.
б) Нельзя увеличивать мощность двигателей ледокола - эта возможность исчерпана.
в) Надо снизить стоимость транспортировки грузов в ледовых условиях.
г) Затраты должны быть ниже, чем при использовании лучших современных ледоколов.
д) Цель - снизить стоимость одного тонно-километра транспортировки груза.
1-2. Обходный путь - отказаться от ледокола. Ледокол- машина для изготовления канала во льдах. Если транспортные суда научатся ходить во льдах без канала, отпадет необходимость в ледоколе.
1-3. Итак, с ледоколом или самостоятельно?
а, в) В водном транспорте отчетливо проявляется тенденция к «само» (например, от буксируемых барж - к самоходным баржам).
б, г) Тенденция к «само» наблюдается и в сельхозмашиностроении (различные самоходные установки вместо прицепов), и в авиации (поэтому не были осуществлены многочисленные проекты прицепных пассажирских пла-неропоездов).
д) Обходная задача представляется значительно более трудной, в некотором смысле даже нереальной, дикой: мы хотим, чтобы транспортное судно шло во льдах быстрее ледокола… Но анализ свидетельствует в пользу обходной задачи. Выбираем ее.
1-4. Примем требуемую скорость во льдах равной 6 узлам (втрое больше, чем у существующих ледоколов), толщину льда - 3 м.
1-5. Поправка на время: скорость - 8 узлов, толщина льдов - до 3,5 м (практически это предельная величина).
1-6. То, что нам предстоит придумать, должно надежно работать в полярных условиях. Отсюда требование: как можно меньше подвижных механизмов и выступающих деталей (они смерзаются, ломаются льдами и т. п.).
Часть 2
2- 1а) Анализ патентной информации сразу выявляет чрезвычайно интересный факт: нет изобретений, относящихся к выбранному нами обходному пути. Свыше ста лет развитие ледоколов идет в рамках исходной схемы. Даже наиболее оригинальные изобретения послед^ них лет не выходят за пределы этой схемы. Изобретатели из Ленинградского НИИАрктики и Антарктики предложили разрушать лед системой фрез или импульсными водометами1. В американском патенте № 3130701 предлагается заводить носовую часть ледокола под лед и взламывать лед снизу: опускание носовой части производится затоплением особых цистерн, а подъем - опорожнением этих цистерн и одновременной подачей воздуха в надувную емкость, расположенную под днищем ледокола. По патенту ФРГ№ 1175103предлагается в носовой части корабля устанавливать десятки бивней - «направленных вперед, изогнутых и спускающихся под лед стальных клиновидных плоскостей».
Совсем свежее предложение предусматривает, что «ис-
полнительный орган выполнен в виде расположенных вдоль корпуса, регулируемых по высоте резцов, а в задней части корпуса шарнирно установлена стрела, на конце которой закреплена удаляющая разрушенный лед плита». Это уже не корабль, а специализированный агрегат по изготовлению канала во льдах…
Много авторских свидетельств и патентов выдано на различные устройства для удаления битого льда из-под днища ледокола и очистки канала. Предложено даже специальное ледоочистительное судно, оборудованное установками, направляющими лед под ледяное поле. Система «ледокол - караван» очень далека от идеальной машины: ледокол «возит самого себя», а тут добавится еще одно судно - только для обслуживания канала. Это явно отдаляет исходную схему от идеальной машины.
Патентный анализ, таким образом, подтверждает, что прямой путь ведет в тупик излишней специализации. Мы правильно сделали, отдав предпочтение обходному пути.
б) Мы решаем задачу о продвижении сквозь плотную среду; ведущая отрасль техники в данном случае - горная техника (проходка шахт, штреков, выемка угля, руды и т. п.). Лед - горная порода; посмотрим, как движутся машины в более плотных горных породах.
Здесь уже давно применяют водометы, гидромониторы. Идут эксперименты с различными электрофизическими способами разрушения угля, руды, камня. Используют нагревание токами высокой частоты, контактный электропробой, электрогидравлический эффект и т. п. К сожалению, применить какой-либо из этих методов в нашей задаче невозможно: слишком велик объем льда, который надо разрушать в единицу времени, чтобы обеспечить требуемую скорость движения судна.
в) Обратная задача - не разрушать, а укреплять лед. Решение - армирование льда. Такое решение явно не годится, а чтобы использовать его «с обратным знаком», нужно добавлять в лед что-то, уменьшающее его прочность. Но и этот путь не годится: потребуется слишком большой расход вещества-разрыхлителя.
2-2. Применим оператор РВС. Будем считать объектом корабль, а основным размером - его ширину (от длины мало что зависит).
а) Ширина корабля стремится к нулю. Допустим, она равна 1 мм. Корабль-лезвие?
б) Начнем теперь увеличивать ширину: 10 м, 100 м, 1000 м, 10 000 м… Бее труднее и труднее двигать сквозь лед такую громаду. Положить корабль на бок?
в) Скорость движения корабля близка к нулю. В этом случае можно просто потихоньку растапливать лед. Расход топлива тоже будет стремиться к нулю.
г) Скорость повысилась до 50 узлов, 100 узлов… Корабль должен мчаться, как судно на подводных крыльях. Любой способ разрушения льда не годится - потребуется слишком большая мощность. Нужно придумать нечто, что позволит идти сквозь лед, не расходуя энергии. Как?
д) Допустимые расходы стремятся к нулю. Снова тот же вывод: не разрушать лед (за это всегда надо платить).
е) Если допустимы неограниченные расходы, задача легко решается: применить лазеры, пусть они пробивают дорогу сквозь лед.
2-3. Изложим задачу в двух фразах, убрав такие термины, как «ледокол», «ледорез» или «ледолом» (они заранее привязывают нас к какой-то технологии разрушения льда).
Итак, задача: «Дана система из корабля и льда. Корабль не может идти с большой скоростью сквозь лед». (Можно, вообще говоря, убрать и термин «корабль», но он достаточно широк и вряд ли сильно стеснит воображение.)
2-4. Корабль - технический объект, его можно изменять как угодно. Лед - природный объект, изменять его крайне трудно. Следовательно, надо корабль отнести к «а», лед - к «б».
2-5. Объектом для дальнейшего анализа будет корабль.
Вывод неожиданный: традиционные попытки решения задачи связаны с изменением льда: его ломают, режут, взрывают… Корабль кажется неизменным, мы привыкли к его определенной форме, а лед кажется легко изменяемым На самом деле все наоборот. Чтобы расплавить один кубометр льда - все равно, чем: архисовременным лазером или простым огнем,- нужно затратить 80 000 ккал тепла (без учета потерь). Большое количество энергии нужно и для того, чтобы тем или иным способом искрошить кубометр льда. Куда проще разрушать
не лед, а корабль! Ведь корабль можно сделать легко-разрушаемым - это зависит от нас…
Мы пришли к весьма дикому выводу. Кто-то, может быть, уже подходил к этой мысли - и останавливался перед психологическим барьером.
Часть 3
3- 1.Сформулируем идеальный конечный результат (ИКР): корабль сам идет сквозь лед с большой скоростью и с нормальным {как на чистой воде) расходом энергии.
3-2. На рис. 23: «Было» - корабль дошел до льда и остановился; «Стало» - тот же корабль каким-то образом движется сквозь лед.
3-3. Не может выполнить требуемого действия участок АБносовой части корабля, упирающийся в лед. Можно ответить и по-другому: не может выполнить требуемого действия объем корпуса между АБи ВГ.
3-4. а) Мы хотим, чтобы эта часть не упиралась в лед.
б) Она жесткая, твердая, сплошная - поэтому она и упирается.
в) Эта часть нужна для сохранения целостности корпуса и не нужна, чтобы не упираться в лед.
3-5. Поскольку эта часть нужна, придется сохранить ее. А поскольку она нам мешает, придется уменьшить ее до минимума.
3-6. Размеры этой части определяются толщиной льда и шириной корабля. Уменьшить толщину льда мы не можем. Остается уменьшать ширину корабля. Нам не надо,лтобы корабль был вообще плоским (рис. 24, а).Мы рассматриваем изменения той части корпуса, кото-
рая совпадает со слоем льда. Пусть эта часть будет плоской (24,6).
3-7 и 3-8. Получается неустойчивая форма. Чтобы корабль был устойчивым и плоским, нужны две плоскости, соединяющие верхнюю и нижнюю части корпуса (рис. 24, в).
Часть 4
4-1. Общая ширина стенок-лезвий в 20-25 раз меньше обычной ширины ледокола. Следовательно, можно рассчитывать на существенное уменьшение расхода энергии при движении во льдах. Конструкция корабля в целом упрощается (вследствие резкого снижения мощности двигателей). Усложняется решение второстепенных вопросов, например, передвижения людей между верхней и нижней частями при плавании во льдах.
4-2. Такого рода трудности могут быть сняты, если нижняя часть будет только грузовой. Например, танкерной.
4-3. Теперь в идее решения нет недостатков, при условии, что наш корабль будет хорошо двигаться и в чистой воде. Интересно отметить, что в обычном корабле-строении за последние годы тоже наметилась тенденция поднять верхнюю часть корабля над волнами, а нижнюю часть (с двигателями) опустить вниз.
4-4. Современные ледоколы полностью исчерпали возможности своего развития: нельзя поставить на ледокол более мощные двигатели, чем те, какие уже стоят. Новая схема, по которой нужно разрушать как можно меньше льда, имеет только преимущества. Хотя нельзя не учитывать и некоторые моральные стороны перехода к новой схеме: психологическую инерцию, приверженность специалистов к привычному принципу «ломай по* больше» (корпусом ледокола, фрезами, водометами и т. п.).
Часть 5
Хотя идея решения и найдена, обратимся ради контроля к таблице устранения технических противоречий.
5-1. Нам надо увеличить скорость(строка 9). Или производительность (строка 39), если рассматривать корабль как машину для транспортировки груза.
5-2. Известный путь увеличения скорости (производительности) движения во льдах - увеличение мощностидвигателей.
5-3. Выбираем колонку 21.
5-4. Противоречие типа 9-21, приемы: 19, 35, 38, 2. Противоречие типа 39-21, приемы: 35, 20, 10.
5-5. Прием 35(a)-изменение агрегатного состояния объекта - соответствует найденному решению.
Мы могли бы и сразу - без анализа - обратиться к таблице. Но в этом случае ответ был бы неожиданным: «Сделать корабль жидким или газообразным». После шага 3-3, даже если у нас и нет идеи решения, мы знаем часть объекта, к которой надо приложить прием, подсказанный таблицей. Нет необходимости делать корабль жидким или газообразным, достаточно изменить агрегатное состояние той его части, которая находится на уровне льда.
Часть 6
6- 1.Раньше корабль входил в систему «ледокол - транспортные суда, следующие за ним». Коль скоро наше транспортное судно само движется во льдах, отпадает
надобность в ледоколе. Можно рассуждать по-другому: ледокол, освобожденный от излишних двигательных установок, сам может возить груз.
6-2. Поскольку разрушение льда ведется теперь узкими лезвиями, можно использовать такие приемы разрушения льда, которые раньше были неэкономичными, например, различные электрофизические способы.
6-3. Смысл найденной идеи: не идти напролом по всему фронту, а продвигаться узкими лезвиями. Вероятно, эта идея может быть применена в технике земляных работ, где почти всегда идут напролом…
НЕСКОЛЬКО УЧЕБНЫХ ЗАДАЧ
Задачу о ледоколе мы решили «в обход»: на первой же стадии решения цель была изменена. Возьмем теперь задачу о дождевателе и рассмотрим такой случай, когда цель не меняется.
Чтобы не было соблазна идти обходными путями, начнем с шага 2-3, а все предшествующие шаги заменим краткой патентной информацией.
Решение задачи 2
Основная тенденция в развитии самоходных дождевальных агрегатов - увеличивать длину крыльев1. Чтобы несколько уменьшить консольную нагрузку на крылья, их снабжают опорными тележками с колесами. Так, например, устроен агрегат по патенту ФРГ № 1068940 (рис. 25, а).В английском патенте № 778716 крылья выполнены в виде шпренгельных (принцип дробления!) ферм (рис. 25, б).К сожалению, опорные тележки не избавляют от необходимости делать крылья жесткими и, следовательно, тяжелыми. Не случайно патент АРЕ № 2698 предусматривает самоходные опорные тележки. Круг, таким образом, замыкается: конструкция вновь усложняется.
Попробуем найти лучшее решение.
2-3. Дана система, состоящая из тележки, крыльев и расположенных на них распылителей воды. Увеличение длины крыльев сильно утяжеляет систему.
2-4. В принципе можно менять все элементы* тележку, крылья и распылители. Но если мы решаем прямую задачу (увеличение размаха крыльев), тележка и распылители должны остаться неизменными Поэтому
а- крылья.
Рис. 25. Основная тенденцияразвития самоходных
дождевальных агрегатов-
увеличение длины крыльев:
а- агрегат
по патенту ФРГ № 1068940;
б- в английском патенте № 778716крылья
сделаны в виде шпренгельных шарнирных ферм.
б) -тележка и распылители.
2-5. Крылья.
3-1. Крылья при поливе сами держатся над полем (при размахе в 200-300 м).
3-2. См. рис. 26.
3-3. Не выполняют требуемого действия «лишние» участки крыльев АБи ВГ.
3-4. а) Нам надо, чтобы АБи ВГсами держались над землей.
б) Мешает вес этих частей.
в) Части АБи ВГдолжны что-то весить (это части конструкции) и в то же время веса у них не должно быть.
3-5. Части АБи ВГбудут держаться над землей, если мы предельно уменьшим их вес (как в задаче о ледоколе предельно уменьшали ширину взаимодействующей со льдом части) или как-то уравновесим крылья.
3-6. Облегчение крыльев - путь, ведущий к надувным конструкциям. Этот путь рассмотрен в условиях задачи. Остается уравновешивание: к частям АБи ВГнадо приложить силы, равные по величине силе веса этих частей и противоположные по направлению. Силы могут быть аэродинамические (у нас крылья), гидродинамические и т. д.
Рис. 26. К задаче 2, шаг 3-2: крылья сами себя держат гидрореактивной силой подаваемой в распылители воды.
3-7. Аэродинамические силы в данном случае малы.
Чтобы не было соблазна идти обходными путями, начнем с шага 2-3, а все предшествующие шаги заменим краткой патентной информацией.
Решение задачи 2
Основная тенденция в развитии самоходных дождевальных агрегатов - увеличивать длину крыльев1. Чтобы несколько уменьшить консольную нагрузку на крылья, их снабжают опорными тележками с колесами. Так, например, устроен агрегат по патенту ФРГ № 1068940 (рис. 25, а).В английском патенте № 778716 крылья выполнены в виде шпренгельных (принцип дробления!) ферм (рис. 25, б).К сожалению, опорные тележки не избавляют от необходимости делать крылья жесткими и, следовательно, тяжелыми. Не случайно патент АРЕ № 2698 предусматривает самоходные опорные тележки. Круг, таким образом, замыкается: конструкция вновь усложняется.
Попробуем найти лучшее решение.
2-3. Дана система, состоящая из тележки, крыльев и расположенных на них распылителей воды. Увеличение длины крыльев сильно утяжеляет систему.
2-4. В принципе можно менять все элементы* тележку, крылья и распылители. Но если мы решаем прямую задачу (увеличение размаха крыльев), тележка и распылители должны остаться неизменными Поэтому
а- крылья.
б) -тележка и распылители.
2-5. Крылья.
3-1. Крылья при поливе сами держатся над полем (при размахе в 200-300 м).
3-2. См. рис. 26.
3-3. Не выполняют требуемого действия «лишние» участки крыльев АБи ВГ.
3-4. а) Нам надо, чтобы АБи ВГсами держались над землей.
б) Мешает вес этих частей.
в) Части АБи ВГдолжны что-то весить (это части конструкции) и в то же время веса у них не должно быть.
3-5. Части АБи ВГбудут держаться над землей, если мы предельно уменьшим их вес (как в задаче о ледоколе предельно уменьшали ширину взаимодействующей со льдом части) или как-то уравновесим крылья.
3-6. Облегчение крыльев - путь, ведущий к надувным конструкциям. Этот путь рассмотрен в условиях задачи. Остается уравновешивание: к частям АБи ВГнадо приложить силы, равные по величине силе веса этих частей и противоположные по направлению. Силы могут быть аэродинамические (у нас крылья), гидродинамические и т. д.
3-7. Аэродинамические силы в данном случае малы.