4.4.2. Особенности использования закона при решении изобретательских задач.

Задача 1. При массовом применении роботов участились случаи их "бунта", неповиновения, непредусмотренных движений и действий, могущих привести к аварийным ситуациям. Причины: ложные срабатывания датчиков, внезапные неисправности в "мозгах" роботов. Допустим, оператор заметил, что назревает явная авария. Как с безопасного расстояния усмирить робота - мгновенно остановить его, изменить программу или вовсе выключить?

Решим эту задачу с точки зрения правильной энергетической проводимости. Существует ли хорошая проводимость между частями ТС (робота) и органом управления (человеком)? Нет, в этом-то, как раз, и состоит задача: как эффективно управлять роботом на расстоянии (выключать его)?

Любые механические манипуляции (рубильники, кнопки и пр.) следует сразу отвергнуть - на них нет времени. Нужна мгновенная связь - раз! и выключил. Здесь подходит только электромагнитное поле, оно действует на расстоянии. У оператора имеется микропередатчик с излучателем света - светодиодом ( как маленькая красная лампочка) - нажал кнопку и закодированный сигнал выключит робота или подаст ему любую другую команду. Но тут же возникает другая проблема: как точно (и быстро) попасть светом в приемное "окно" робота? Найдено остроумное решение - микропередатчик вмонтирован в очки оператора, для наводки достаточно посмотреть на робота (глаза наводятся очень точно!).

Следующую задачу вы решите теперь не задумываясь.

Задача 2. Для пожарных машин и машин "Скорой помощи", спешащих на вызов, дорога каждая секунда. А если на светофоре горит красный свет? Тогда им приходится или терять драгоценное время или мчаться наперерез машинам, создавая опасную ситуацию. Как быть?

На радиаторах этих машин устанавливается дополнительная фара, испускающая инфракрасные лучи. Детектор (приемник) на светофоре, приняв сигнал от машины, включит зеленый свет или задержит его переключение, если он уже горит, пока машина не минует перекресток. Дальность действия фары 500 м.

В США испытывается система, позволяющая снимать показания с домашних счетчиков электроэнергии, газа и воды, просто проезжая по улице на машине, счетчики оборудуются маломощными приемо-передатчиками, которые в ответ на сигнал из проезжающего микроавтобуса выдают в эфир кодированные данные о показаниях счетчика и номер потребителя. Компьютер, установленный в фургончике, запоминает данные. За рабочий день так можно снять показания с 24 тысяч счетчиков. Это в 80 раз быстрее и в 2-3 раза дешевле, чем сбор данных контролерами-обходчиками ("Наука и жизнь", 1988, № 6, с. 68).

Одна из самых впечатляющих разработок последних лет - способ индивидуальной маркировки радиодеталей при их серийном выпуске (Институт физики и неорганической химии АН БССР). Само производство деталей высоко автоматизировано, достигнуты огромные скорости линии. Но на участке маркировки затор; ни одна из известных установок не справляется с такими объемами. Предложенный способ (НТР проблемы и решения, 1978, № 21, с. 2) основан на использовании маломощного короткоимпульсного ИК -лазера и полимера с повышенной светочувствительностью для получения четкого и стойкого изображения. В процессе изготовления детали измеряются ее характеристики (абсолютно одинаковых деталей не бывает) и тут же мгновенно маркируется (лазер управляется микропроцессором).

Приемники инфракрасного излучения перед дверями лифта фиксируют тепловое излучение пассажиров и эти данные поступают в ЭВМ, которая подает кабину на тот этаж, где больше ожидающих. Использован бесплатный ресурс - тепло людей. В результате эффективность эксплуатации лифта возрастает на 20 процентов ("Химия и жизнь", 1984, № 9, с. 23).

А.с. 1 004 127: Способ сварки термопластичных пленок инфракрасным излучением, по которому для увеличения скорости и повышения качества сварного шва, перед нагревом на пленку наносят светочувствительный слой, соответствующий по размерам и конфигурации свариваемому шву.

Задача 3. Большие помещения (склады, ангары и т.п.) нет смысла отапливать зимой, так как они редко посещаются людьми, а хранящимся в них деталям и машинам холод не причиняет вреда. Но иногда людям приходится довольно долго работать в этих помещениях и при этом выполнять действия, требующие точных и быстрых движений. Теплая одежда мешает, сковывает движения. Снять ее невозможно - холодно!, а работать в ней неудобно. Как быть?

Давно возникла идея снабжать человека индивидуальным подогревом (спираль, вшитая в тонкую рабочую одежду), это намного выгоднее обогрева всего помещения. Но быть подключенным к источнику тока или носить его с собой крайне неудобно. Идеальнее было бы решение, когда "изделие" (человек) обрабатывалось бы на расстоянии. Энергия должна проходить к человеку сквозь воздух, без потерь (не нагревая воздух и другие предметы). Какое поле без потерь проходит через воздух? Электромагнитное - можно использовать инфракрасные лучи (ИК-нагрев) или радиоволны сверхвысокой частоты (СВЧ-нагрев). Например, недавно в США проведены исследования по обогреву человека СВЧ-излучением с длиной волны 1 см: излучение поглощается молекулами воды в подкожном слое и возникающие тепловые ощущения такие же, как обычно; для обогрева квартиры достаточно всего 60 Вт, то есть энергии, расходуемой одной электролампочкой. Эта идея, кстати, была описана А.Беляевым в научно-фантастической повести "Изобретения профессора Вагнера" (1928 г.).

Способ можно использовать и с другой целью: например, в ФРГ выпускается ИК-излучатель для защиты помещений (столовых, кондитерских и т.п.) от мух и других насекомых; излучение безвредно для человека, но полностью уничтожает насекомых на площади 250 кв.м.

Изобретен также утюг с ИК-нагревом (а.с. 538 074): на внутреннюю стенку корпуса нанесено светоотражающее покрытие, а подошва прозрачная; утюгом можно гладить сразу после включения.

Та же идея использована в конструкции радиационного паяльника (а.с. 1 081 605, 1 227 928), который способен разогревать под пайку (или под отжиг, или пластмассу и др.) участок платы, не касаясь его: прогревается пятно диаметром 5-15 мм до температуры 1300 град.

В Англии разработана теплица с обогревом микроволнами не воздуха, а непосредственно растений. Такой способ обогрева обходится вдесятеро дешевле, чем сжигаемые нефтепродукты. Пришлось, правда, несколько изменить конструкцию остекления: на зиму стекла закрываются пластмассовыми шторками с напыленным тонким слоем металла (бронза, цинк) для отражения микроволн внутрь теплицы и пропускания солнечного света ("Изобретатель и рационализатор", 1987, № 12, с. 19). Сообщается также об использовании маломощных микроволновых обогревателей в птичниках ("Химия и жизнь", 1988, № 9, с.127).

Определенным энергетическим "дальнодействием" обладают и другие сочетания электрических и магнитных полей, например, можно эффективно использовать индукционные токи и электродинамические силы.

Задача 4. Для получения образцов сверхчистых сплавов на основе тугоплавких материалов - вольфрама, карбидов титана, циркония, ниобия и вольфрама с температурой плавления в 3000-4000 град, не подходит обычный способ плавки в тиглях. Любой тигель при таких температурах сильно загрязнит сплав. Как быть?

Поскольку подходящих тиглей не существует, ученые попросту отказались от них (А.Фогель, В.Смирнов, В.Федоров. Получение высоких температур при плавке металлов во взвешенном состоянии в атмосфере инертного газа. "Известия АН СССР, металлы", 1975, № 9). Расплавленная капля в их установке парит ни к чему не прикасаясь над высокочастотным индуктором: наводимые проплавляемой навеской вихревые токи не только нагревают ее, но и не дают ей упасть (по закону Ленца наведенные токи стремятся предотвратить всякое изменение магнитного потока).

Висеть в поле индуктора может, естественно, не только расплавленная капля, но и любой электропроводный материал. Меняя напряженность, частоту, давление и другие характеристики переменного магнитного поля можно перемещать деталь в пределах некоторого пространства действия поля индуктора. Если же детали (заготовке) некуда будет двигаться, то она будет деформироваться под действием электродинамических сил (два проводника со встречными токами отталкиваются).

Задача 5. Для укупорки бутылок используются алюминиевые колпачки, которые обжимаются вокруг горлышка специальными роликами из инструментальной стали. Ролики (от 3 до 6) забраны в специальную головку, состоящую из сорока деталей, требующих при сборке точности часового механизма. Механизм закатывает колпачок около 2 сек. на одной бутылке. Стекло подвергается значительным давлениям, часть сосудов не выдерживает, скалывается венчик горлышка. Поэтому бутылки вынужденно делают толстостенными, тяжелыми, что увеличивает расходы на транспортировку. Другой распространенный вид брака - недостаточная герметичность пробки. Требуется предложить идею нового способа укупорки бутылок теми же колпачками. Способ должен обеспечивать производительность в 100 - 1000 раз больше, чем прежний, и не ломать стекло при значительно больших отклонениях геометрических размеров горлышка и неровностях на его поверхностях. Что бы вы предложили?

Еще в 1924 году П.Л.Капица, исследовавший свойства сильных магнитных полей, высказал идею о возможности использования в промышленности электродинамических сил для деформирования металлических заготовок. С 60-х годов этот способ применяется в авиационной и автомобильной промышленности.

По а.с. 455 066, 848 466 предложено устройство магнитного формования для укупорки бутылок, в котором нет движущихся частей, а точность и аккуратность обработки заготовок сравнима с газостатической штамповкой. Скорость укупорки одной бутылки 0,0001 с. ("Изобретатель и рационализатор", 1983, № 7, с. 15).

Разработан также способ электродинамической сепарации твердых бытовых отходов с целью извлечения из них лома цветных металлов. Технология предусматривает подачу исходной смеси в рабочую зону, воздействия на нее бегущим магнитным полем, разгрузку продуктов разделения. Для более полного извлечения частиц металла воздействие магнитным полем осуществляют в противоположных направлениях в плоскости, перпендикулярной плоскости движения исходной смеси (а.с. 934 600). В системе должна быть также хорошая проводимость и для отходов энергии, например, быстрый отвод теплоты трения для предотвращения перегрева ТС. Остроумно применила это правило, но с прямо противоположными целями группа антифашистов и советских военнопленных, работавшая в войну на заводе фирмы "Даймлер-Бенц". Завод выпускал двигатели, часть которых была запрограммирована на аварию через определенное время работы. Ни одна проверка органов технического контроля Германии не смогла установить истинной причины и группа так и не была раскрыта. Суть введенного на заводе дефекта состояла в том, что после некоторой наработки двигателя прекращалась подача масла к шатунному подшипнику одного из поршней, подшипник перегревался и происходил отрыв шатуна с поршнем.

Две задачи на измерение с использованием уже имеющихся в ТС или даровых полей.

Задача 6. Требуется предложить идею простейшего прибора для прогнозирования ураганов, бурь, штормов.

Конечно же, здесь надо использовать поле, исходящее от очага возникновения урагана. Какое? Еще А.С.Попов ответил на этот вопрос. Его "грозоотметчик" успешно регистрировал атмосферные электрические разряды. Этот же принцип использован в приборе Института физики Земли АН СССР проволока-антенна улавливает электромагнитное излучение, образующееся при зарождении сильных атмосферных вихрей, и от наведенного электрического тока звенит звонок. Необыкновенно просто ураган сам звонит в звонок, извещая о своем приближении.

Задача 7. Крупные энергетические установки опутаны хитросплетением труб и трубочек, каждая из которых периодически проверяется на герметичность. Для этого в трубы подают гелий и к каждому сварному шву, соединению прикладывают датчик специального газоанализатора. Метод этот затяжной и неэффективный приходиться наугад тыкать датчиком во все места в поисках утечек гелия. Кроме того, гелий дорогой газ, хранится он в громоздких баллонах, их надо перетаскивать и т.д. Хорошо бы использовать воздух, но как определить место его выхода, ведь кругом тоже воздух.

В задаче содержится сильный заряд психинерции: раз гелий анализировали, значит и для воздуха надо искать "хитрый" способ анализа. В то время как проще всего использовать бесплатное поле, возникающее при выходе воздуха из микротрещин звуковое (свист). По а.с. 1201704 предложено определять место утечки микрофоном на длинном щупе, свист отчетливо слышен в наушниках, а вес приборчика всего несколько сот грамм. На том же принципе основан разработанный в ФРГ прибор ("Юный техник", 1986, № 10, с.33) для определения с точностью до 1 м места утечки воды в городских водопроводных сетях с глубиной заложения до 5 метров.