LINEBURG


<< Пред. стр.

страница 18
(всего 31)

ОГЛАВЛЕНИЕ

След. стр. >>

Доминирует пространственно-структурный ресурс — между прижимаю-
щими поверхностями тисков на специальной подставке располагаются
подвижные цилиндрические элементы, которые по мере сближения при-
жимающих поверхностей плотно охватывают деталь сложной формы, рас-
пределяя прижимное усилие по большей площади. Это обеспечивает
прочное удержание деталей сложной формы в процессе обработки.
Пример 78. Фундаментальные трансформации в веществе. Примеры моделей и
решений физических противоречий к рисункам 12.5:
a) Вещества должно быть мало, чтобы иметь экономный двигатель, и вещест-
ва должно быть много, чтобы разность в объеме до и после горения была
достаточной для выполнения работы.
Пример разрешения проблемы в веществе (в бензиновом двигателе): в
процессе сгорания смеси небольшого количества бензина с воздухом про-
дукты сгорания в виде высокотемпературного газа стремятся расшириться
и с большой силой давят на поршень, скользящий в рабочем цилиндре.
Выделившейся энергии достаточно, чтобы выполнить работу по переме-
щению поршня, движение которого через трансмиссию передастся на ко-
леса автомобиля, отталкивающиеся от земли и толкающие в итоге автомо-
биль вперед. Проанализируйте роль и других ресурсов.
b) Солнцезащитные очки должны менять свою прозрачность в зависимости от
освещенности и не должны требовать для изменения прозрачности ка-
ких-либо действий пользователя.
Идеальное решение в веществе: хроматические стекла сами меняют свою
прозрачность в зависимости от освещенности!
c) При фотосъемке вспышка должна быть, чтобы получить высокое качество
снимка, и вспышка не должна быть, чтобы на фотоснимке зрачки глаз че-
ловека не были красного цвета (негативный эффект «красные глаза»).
Для предупреждения появления на фотографии так называемых «красных
глаз» при съемке со вспышкой кроме биофизического эффекта реагирования
глаза на вспышку света использован, по крайней мере, временной ресурс, а
именно вспышка меньшей силы, создаваемая с небольшим упреждением пе-
ред основной вспышкой.
Итак, по существу мы провели блиц-реинвентинг 12 технических решений, из
которых не меньше половины являются настоящими изобретениями. Эти
комментарии являются маленьким уроком понимания и выявления ресурсов
в системах и в процессах.
Каталоги 6 и 7 инструментируют фундаментальные трансформации с помо-
щью А-Стандартов и А-Приемов. Действительно, многие стандарты и прие-
мы хорошо согласуются по направленности рекомендаций с определенными
фундаментальными трансформациями. Именно эти стандарты и приемы
включены в каталоги в качестве более детальных и практичных моделей
трансформаций.
А теперь поработаем с более сложными задачами.




Пример 79. Тренировка по прыжкам в воду. Это одна из самых известных в
ТРИЗ задач. Проблемная ситуация заключается в следующем. На тренировках
по прыжкам в воду случаются неудачные попытки. При неправильном вхож-
дении в воду спортсмен может получить травму из-за удара о полную поверх-
ность. Как повысить безопасность тренировок?
Административное противоречие, заложенное в заданном вопросе, превратим
в более конструктивную модель в виде физического противоречия:




Вполне очевидно, что в решении заинтересованы вещественный и струк-
турный ресурсы: нужно сделать какое-то изменение вещества (воды), воз-
можно только в ограниченной части системы (то есть не во всем бассей-
не). Ресурс времени играет вспомогательную роль и допускает, что решение
задачи может применяться только на участке оперативного времени, а
именно, если кто-то, например, тренер, видит, что прыжок может завер-
шиться неудачно.
Обратимся к каталогу 6 Фундаментальные трансформации и Компакт-Стан-
дарты. Просмотр каталога показывает, что несколько позиций представляют
интерес. Воспроизведем их здесь (рис. 12.6) с интерпретацией применительно
к условиям решаемой задачи.
Запишем функциональную идеальную модель па микроуровне: Х-ресурс, в
виде частиц вещества или энергии находится в оперативной зоне и обеспечи-
вает вместе с другими имеющимися ресурсами получение «мягкой воды».
Имея конкретную цель изменения состояния вещества (воды), например, с
помощью соединения воды с каким-то другим ресурсом, обратимся к поиску
ресурсов в системе и в окружении. Наиболее доступным ресурсом является
воздух. Контрольное решение: подавать в воду воздух! Действительно, в опе-
ративной зоне на дне бассейна устроен выход системы нагнетания воздуха с
диффузором, разбивающим большие пузыри воздуха, которые плохо сохраня-
ются в воде, на маленькие, насыщающие весь столб воды в оперативной зоне.
Получаемая временная воздушно-водная смесь имеет значительно меньшую
плотность, чем вода. Прыжки становятся безопасными.
Рассмотрите самостоятельно возможность решения этой задачи с помощью
стандартных трансформаций (раздел 10.2).
Пример 80. Для тех, кто любит газоны, но не очень любит их стричь. «Пробле-
му», спрятанную в названии примера, можно сформулировать в виде админи-
стративного вопроса-противоречия: как реже стричь траву?
Превратим административное противоречие в физическое противоречие:




Вполне очевидно, что в решении должен быть задействован ресурс вещества,
какое-то изменение этого вещества. Можно отметить причастность к решению
пространственного и временного ресурсов, однако, не как «решающих», а как
целевых через идеальный конечный результат: грана растет до какой-то опреде-
ленной длины, а далее прекращает свой рост. Не очевидна роль структурною
ресурса. Однако обращение к каталогу дает по крайней мере три интересных
способа, два из которых как раз относятся к структурному ресурсу (рис. 12.8).




Действительно, реализация идеального результата вполне созвучна первым
двум трансформациям, а вторая трансформация тесно связана с третьей. Во-
прос только в том, чтобы найти и применить, если он известен, или создать ме-
ханизм такого идеального процесса.
Контрольное решение: в университете города Канберра (Австралия) найдено
вещество, которое тормозит рост травы. Работая с гормонами роста растений,
исследователи обнаружили возможность получать вещество с противополож-
ными свойствами, которое замедляет рост газонной травы в три раза. Полив
газонов водой, содержащей анти-стимулятор (замедлитель) роста травы, уве-
личивает время между стрижками газона в несколько раз.
Сверхэффект: применение нового вещества может оказаться перспективным
для уменьшения длины соломины злаков, что уменьшит опасность их полега-
ния под воздействием ветра, дождя и тяжести колоса.
Пример 81. Кто победит — вертолет или самолет? Мы уже проводили учебный ре-
инвентинг самолета с вертикальным взлетом и посадкой (см. пример 4). Ключе-
вая идея состояла в применении приема 07 Динамизация. Для этого в конструк-
циях самолетов испытывались самые разные идеи и их комбинации: раздельные
двигатели — отдельно для создания подъемной силы при взлете и посадке и от-
дельно для горизонтального полета; поворотное крыло (вместе с двигателями):
поворотные двигатели; поворотные сопла реактивных двигателей; поворотные
винты с подвижным приводом от неподвижных двигателей; поворотные лопат-
ки на крыльях для отклонения газовой или воздушной струи и другие.
Что движет разработчиками таких самолетов? Ведь сегодня, казалось бы, в
небе безраздельно доминирует вертолет! Как это происходило и во многих
других областях техники, изобретение вертолета в первую очередь преследова-
ло военные цели. В гонке идей только в принципе предусматривалось невоен-
ное применение таких машин. И это применение состоялось, причем практи-
чески в полном диапазоне возможностей машин с вертикальным взлетом и
посадкой: спасательные служба и медицинская помощь, полицейское патру-
лирование и научные наблюдения, туризм и даже такси. И все же вертолет
представляет собой еще один пример массовой психологической инерции —
он уже есть, а другие технические идеи и возможности все еще остаются
«фантазиями». А то. что этот вид технических систем унаследовал из поенной
практики расточительный расход ограниченного общепланетарного запаса
нефтепродуктов, просто не принимается во внимание и не является до на-
стоящего времени глобальным критерием качества и эффективности. Однако,
специалистам известно, что по сравнению с вертолетом самолет в 5 раз эко-
номичнее и значительно безопаснее. Безопасность связана с возможностью
совершить посадку в режиме обычного самолета с помощью планирования.
И только в последние годы мы видим примеры построения альтернативных
систем невоенного назначения (хотя, безусловно, на базе машин первоначаль-
но военного назначения), например, фирмой Bell Helicopter TEXTRON, USA
совместно с фирмой Boeing. USA — машина Bell/Agusta 609 на базе военных
машины Bell Helicopter (от тяжелой машины Bell Boeing V-22 Osprey до легкой
Bell/Agusta HV 609). Кстати, фирма Bell Helicopter является одним из пионеров
построения самолетов с вертикальным взлетом и посадкой еще с начала 1950-х
годов. В основном, это машины с поворачивающимися двигателями.
И все же известные конструкции самолетов с поворотными двигателями
(крыльями и так далее) явно унаследовали от вертолетов сам «вертолетный
принцип» вертикального старта и посадки, а именно, с помощью огромных
винтов с вертикальной осью вращения. Можно ли радикально повысить эко-
номичность и безопасность самолетов с вертикальным взлетом и посадкой
(по крайней мере, с небольшой полезной нагрузкой, например, до одной тон-
ны), чтобы они могли составить серьезную конкуренцию вертолетам и «гиб-
ридам» вертолетов с самолетами?
Упрошая предельно модель, как это и рекомендует ТРИЗ, можно сказать, что
винты гибридного самолета создают поток воздуха, направленный вертикаль-
но для взлета и посадки. Винты отталкиваются от этого потока и поднимают
весь самолет. Можно также сказать, что вертолет хорошо толкает воздух вниз
и плохо — по горизонтали. А самолет хорошо толкает воздух по горизонтали,
но вовсе не может толкать воздух вниз.
Управлять поворотом винтов сложно и небезопасно. Идеально, если бы они
оставались неподвижными, как у обычного самолета, и были ориентированы
для горизонтального полета. Иными словами, можно ли построить гибридный
самолет, но отправляясь не от вертолета, а от самолета?
Тогда, принимая за прототип обычный самолет, нужно научить его хорошо
отталкивать воздух вниз. Примем эту идею за идеальный конечный результат.
Превратим административное противоречие в физическое противоречие:
Доминирующие ресурсы: временной, пространственный и структурный. Вре-
менной ресурс участвует потому, что острый конфликт связан с двумя времен-
ными фазами полета — по горизонтали и по вертикали. Пространственный ре-
сурс: нужно поворачивать поток воздуха в пространстве. Структурный ресурс:
нужно, по крайне мере, использовать принцип «наоборот», а именно, отка-
заться от вертолетного старта и посадки, а найти иной способ поднятия и
опускания самолета по вертикали.
Сложный характер участия ресурсов подсказывает целесообразность обраще-
ния к Каталогу Фундаментальные трансформации и А-Приемы (Приложение 7):
Контрольное решение: Московский авиационный институт (Москва, Россия)
запатентовал новое техническое решение, аккумулирующее лучшие идеи из
практики создания самолетов с вертикальным взлетом и посадкой (рис. 12.11)
с ключевой идеей управления струями воздуха с помощью гибких поворотных
пластин-решеток.
Машина имеет три винта, приводимые в движение двумя газотурбинными
двигателями (рис. 12.11,а). Носовой винт работает только при взлете и посад-
ке. Подъемно-маршевые винты работают постоянно. Направление и режим
движения зависят от положения управляемых пластин (рис. 12.11,b), которые
менее инерционны и поэтому обеспечивают лучшую управляемость при взле-
те и посадке по сравнению с поворотными винтами. В горизонтальном полете
передние воздухозаборные жалюзи и пластины управления закрыты.
Пример 82. Протезирование сосудов. Ряд операций на кровеносных сосудах, на
стенках пищевода, на желчных протоках и на некоторых других сосудах про-
водится с установкой поддерживающего протеза (трубки, спирали и т. п.)
внутрь или снаружи сосуда. Протез придает сосуду требуемую форму, либо
расширяя сосуд, либо сжимая его. В обоих случаях возникает острое противо-
речие: рабочий диаметр (сечение) протеза не соответствует размеру (сечению)
поврежденного сосуда. Так, в узкий сосуд надо вставить более широкий про-
тез, а на расширенный сосуд надеть узкий протез. Применение протезов с
пружинящими свойствами сложно при большой длине протеза, так как его
трудно удерживать в предварительно сжатом состоянии при установке внутрь
сосуда или, наоборот, в растянутом состоянии при установке поверх сосуда.
Нужен протез, который мог бы сам устанавливаться в нужное рабочее состоя-
ние при исходном состоянии, удобном для проведения операции.
Первая модель физического противоречия: протез должен быть во время опе-
рации небольшим для установки внутрь сосуда и должен быть большим для
постоянного пребывания внутри сосуда после операции.
Вторая модель физического противоречия: протез должен быть во время опе-
рации большим для установки снаружи сосуда и должен быть небольшим для
постоянного пребывания снаружи сосуда после операции.
Важно отметить, что даже сами модели противоречий находятся в остром
конфликте друг с другом, требуя прямо противоположных свойств от мате-
риала протеза! Итак, можно ли совместить «абсолютно несовместимое»?
Очевидно, что прежде всего нужно учитывать следующие три ресурса: про-
странственный — увеличение-уменьшение размеров; временной — интервал
времени на операцию и послеоперационное функционирование протеза; ве-
щественный — нужен материал с особыми свойствами, в идеале имеющий два
устойчивых состояния, переход между которыми был бы управляемым.
В Каталоге Фундаментальные трансформации и А-Компакт-Стандарты (При-
ложение 6) имеется интересный пример в позиции 4.2, связанный с примене-
нием вещества с памятью формы. Если Вы не знакомы с такими материала-
ми, то может быть, Вам будет интересно найти описания таких материалов в
технических справочниках и энциклопедиях.
Контрольное решение: Научный центр хирургии Российской Академии меди-
цинских наук, Московский институт сплавов и стали, Российский государст-
венный медицинский университет и другие институты разработали серию раз-
личных протезов для сосудов на основе металлов с памятью формы. Напри-
мер, спираль из никелида титана, скрученную до небольшого диаметра при
температуре около 0 С, вводят через минимальный разрез в сосуд, где эта
спираль постепенно нагревается до температуры тела, увеличивается в диа-
метре до рабочего размера и расправляет сосуд.




Операция занимает меньше часа и идет без общего наркоза под наблюдением
с помощью рентгенотелевидения. В другом случае каркас, состоящий из мно-
жества полуколец, при нулевой температуре разжимается так, чтобы ширина
«разреза» полуколец стала больше размера оперируемого сосуда, и свободно
надевается на сосуд. После нагрева металла до температуры тела края «разре-
за» сами соединяются, замыкая кольца, и протез надежно охватывает сосуд,
не давая ему расширяться.
Пример 83. Естественный свет в зале парламента. Из центра смотровой пло-
щадки на куполе здания Рейхстага (см. также пример 31) вниз вершиной ви-
сит огромный конус 3, оснащенный 360 зеркалами, отражающими дневной
свет прямо в зал парламента (рис. 12.13).
Физическое противоречие: свет должен быть (постоянно, так как зеркала не-
подвижны) и не должен быть (в яркий солнечный день, чтобы не слепить си-
дящих в зале).
Явно доминируют пространственный и структурный ресурсы. Обращение к
Приложению 7 дает целый ряд подходящих приемов, действие которых мы
рассмотрим при описании контрольного решения:
для отделения избыточного солнечного света от зеркал (05 Вынесение: отделить
мешающую часть — свет; 12 Местное качество: каждая часть должна работать
в наилучших условиях — зеркала) заранее установлен козырек (18 Посредник:
присоединить на время другой объект; 28 Заранее подложенная подушка и
39 Предварительное антидействие: аварийные средства и противодействие
нужно подготовить заранее), который подобен по форме верхней части купола
(22 Сфероидальность: перейти от плоских поверхностей к сферическим) и пе-
ремещается вокруг конуса с зеркалами от исходного положения 1 в конечное по-
ложение 2 по направлению движения солнца (07 Динамизация: характеристики
объекта должны быть оптимальными на каждом шаге работы, сделать объект
подвижным; 22 Сфероидальность: перейти к вращательному движению; 39 Пе-
реход в другое измерение: переход к пространственному движению).

Описание приемов специально встроено в описание решения, чтобы детально
рассмотреть работу приемов в контексте всего решения. Для этого нужно
внимательно прочитать все описание решения несколько раз, останавливаясь
для обдумывания на каждом выделенном фрагменте, пока все описание не
станет легко восприниматься за один проход.
Пример 84. Газовая турбина концерна СИМЕНС. Краткое описание проблем-
ной ситуации заключается в следующем. В любой энциклопедии можно про-
читать, что для всех турбин, применяемых на теплоэлектростанциях, важней-
шим показателем эффективности является коэффициент полезного действия
(КПД). Этот показатель относительно выше у крупногабаритных турбин. Од-
нако с ростом размеров турбин растут проблемы обеспечения их надежности
и долговечности. В первую очередь это связано с относительно небольшой
долговечностью турбинных лопаток — главного элемента, воспринимающего
температурную и механическую нагрузку от струй горячего газа.
В 1995 году в прессе были опубликованы сообщения о новой газовой турбине
концерна СИМЕНС с рекордным КПД для турбин своего класса. Приводился
и снимок турбины на сборочном участке. За счет чего был получен лучший в
мире КПД, в публикациях не сообщалось. Но указывались, что были во мно-
гом решены проблемы, о которых я написал выше. Ранее мне не приходилось
иметь дело с турбинами. Но я готовился к одному из первых своих семинаров
в Германии и поэтому подбирал примеры технических решений германских
фирм. Основываясь только на приведенной информации, в течение одного
вечера я провел реинвентинг и получил результаты, которые и привожу ниже.
Как позднее выяснилось при встречах с разработчиками этой турбины, ход
моих рассуждений почти точно повторил ход их поисков, но как бы ускорен-
ный в сотни раз.
Этап 1. Диагностика. Причина недолговечности турбинных лопаток заклю-
чается в том, что каждая лопатка испытывает экстремальные механические
и термические нагрузки. При этом нагрузки носят ударный циклический
характер. Ударные нагрузки могут вызывать разрушающие резонансные ко-
лебания. Термоциклические нагрузки ведут к ускоренному развитию устало-
стных явлений в материале лопаток. Поэтому турбину иногда приходится
останавливать для ремонта лопаток, что также снижает полезную отдачу от
турбины.
В известных конструкциях имелись две симметрично установленные камеры
сгорания, содержащие по несколько горелок (например, по 8). При выходе из
строя двух или трех горелок турбину также надо останавливать для ремонта как
из-за снижения КПД, так и из-за опасности возникновения вредных вибраций.
При работе камер сгорания продукты горения давят на лопатки и тем самым
поддерживают вращение турбины. Ясно, что лопатка испытывает максималь-
ный механический и тепловой удар сразу за камерой сгорания. Затем давле-
ние на лопатку и ее температура уменьшаются до попадания в зону другой ка-
меры сгорания. И так дважды за один оборот турбины.
Как можно улучшить конструкцию турбины?
Этап 2. Редукция. В качестве нулевой оперативной зоны примем рабочую по-
верхность лопатки. Сформулируем физическое противоречие и представим в
виде ФПМ (рис. 12.15). Из анализа обеих версий ФПМ видно, что идеальным
конечным результатом было бы непрерывное давление продуктов горения на ло-
патку при постоянной температуре!




Далее, из анализа ресурсов нетрудно видеть, что энергетический поток (давле-
ние продуктов горения) не является непрерывным, что не соответствует иде-
альной функциональной модели. Следовательно, решение можно искать в на-
правлении согласования устройства турбины с требованиями идеального ко-
нечного результата.
Однако, для этого необходимо искать ресурсы вне поверхности лопатки в бо-
лее широкой оперативной зоне, например, в объеме рабочего пространства, в
котором перемещаются лопатки. К важнейшим ресурсам относятся: простран-
ственный — весь объем вокруг турбины, включая некоторый объем корпуса
турбины, который непосредственно граничит с рабочим пространством, (его
можно заполнить какими-то устройствами); временной — время перемещения
лопаток между камерами сгорания (это время должно быть минимальным).
Этап 3. Трансформация. Составим «портрет» решения в общем виде, опираясь
на «пространственные» рекомендации таблицы 7 (см. приложения):
Прием 19 «Переход в другое измерение»: использовать многоэтажную компо-
новку, использовать боковые и другие поверхности.
Прием 34 «Матрешка»: пропустить объект через полости (пустоты) в другом.
Прием 02 «Предварительное действие»: расставить объекты так, чтобы они бы-
стрее вступили в действие.
Прием 40 «Непрерывность полезного действия»: устранить холостые и проме-
жуточные ходы, все части объекта должны непрерывно работать с полной на-
грузкой.
Прием 03 «Дробление»: разделить объект на части.
Прием 12 «Местное качество»: каждая часть должна выполнять свою функцию
и в наилучших условиях.
Идея решения (рис. 12.16): камеры сгорания, дающие концентрированный
удар, нужно разделить (по принципу 03) и применить много отдельных горе-
лок, расположенных по окружности рабочего пространства турбины (по
принципам 19 и 34); это сократит время перемещения лопатки между горел-
ками (по принципам 02 и 40), уменьшит перепад температур и ослабит силу
механического удара (по принципу 12).




Пример 85. Самолет XXI века? Воздух не только поддерживает самолет, но и
тормозит его движение. Причем сопротивление воздуха растет в большей сте-
пени, чем скорость самолета. Энергия сожженного топлива расходуется в ос-
новном на работу по расталкиванию молекул сопротивляющегося воздуха
(для сравнения посмотрите еще раз пример Пример 47. Судно на подводных
крыльях). При этом атмосферный воздух разогревает носовую часть аппарата
до недопустимой температуры.
Поэтому для полета с гиперзвуковыми скоростями, например, более 10 М
(число Маха показывает, во сколько раз превышается скорость звука), аппа-
рат должен выходить в высокие разреженные слои атмосферы и даже в ближ-
ний космос. Однако на этом пути возникают фундаментальные проблемы
создания гиперзвуковой машины:
1) конструкция гиперскоростного двигателя;
2) энергоснабжение бортовых систем;
3) топливо для двигателей;
4) перегрев носовой части аппарата;
Решение этих проблем мы рассмотрим на примере реинвентинга гиперзвуко-
вого самолета Нева, концепция которою разработана в Санкт-Петербурге
(Россия) группой инженеров под руководством Владимира Фрайштадта.
Для полетов с гиперзвуковыми скоростями используется прямоточный воз-
душно-реактивный двигатель (рис. 12.17). Его рабочим телом является воз-
дух 1, попадающий в двигатель во время движения через воздухозаборник и
выходящий через сопло в виде раскаленного газа 2. В двигателе сжигается
топливо 3, что приводит к разогреву рабочего тела. Разогретый воздух рас-
ширяется и вместе с продуктами сгорания вырывается через сопло, толкая
самолет вперед.




Проблема: достижение гиперзвуковых скоростей истечения рабочего тела из
двигателя. Ее решение обычно связывалось с дожиганием 4 выходной смеси.
Но это неперспективно для скоростей в 10 М и более. Кроме того, перед каме-
рой сгорания 5 воздух должен иметь значительную плотность, что обеспечи-
вается специальной формой воздухозаборника 6 двигателя (диффузора). Но
уплотнение воздуха за счет создания механического препятствия ведет, по-су-
ществу, к торможению самолета.
Итак, модели физических противоречий:
1) сжатие воздуха перед камерой сгорания двигателя должно быть, чтобы
обеспечить работу двигателя, и сжатия воздуха не должно быть, чтобы не
тормозился самолет;
2) ускорение истечения газов из сопла должно быть, чтобы достигать гипер-
звуковых скоростей, и ускорения не должно быть, так как это противоре-
чит способу получения ускорения (дожигание смеси).
Присутствие взаимно-обратных процессов на «входе» и «выходе» двигателя
явно указывает на целесообразность разработки структурного направления 3.2
из Каталога Фундаментальные трансформации и А-Компакт-Стандарты, а

<< Пред. стр.

страница 18
(всего 31)

ОГЛАВЛЕНИЕ

След. стр. >>

Copyright © Design by: Sunlight webdesign