©Б.Л. Злотин, ©А.В. Зусман.
Изобретатель пришел на урок
иллюстрации: ©А.Д. Гладышев, ©Н.А. Асланова
ВОЛШЕБНОЕ СЛОВО
Разговор в учительской
ИГЗ: Механика обычная и необычная
ЗАДАЧИ:
ВОЛШЕБНОЕ СЛОВО
Изобретатель вынул из кармана небольшой подковообразный магнит и поднес
его к кучке скрепок, высыпанных на стол. Скрепки дружно подскочили к
магниту.— Как это явление представить с помощью маленьких человечков? — спросил он.
— «Железные» человечки скрепок слушаются магнитного поля!
— Хорошо. А можно увидеть магнитное поле?
— Нет, нельзя! Оно невидимо!
— Невидимо, да не совсем,— сказал Изобретатель и вынул из другого кармана пробирку с черным порошком. Он высыпал порошок на лист бумаги, а потом расположил магнит над листом. На белой бумаге появился рисунок магнитных силовых линий, соединяющих полюса магнита.
— Видите, наши человечки «показали» нам магнитное поле,— улыбнулся Изобретатель.— Они умеют не только слушаться, но и сигналить! Запомните это очень важное свойство магнитных человечков.
— А еще бывают магнитные жидкости! — поднял руку мальчик.— Можно, я расскажу?
— Конечно, рассказывай! — разрешил Изобретатель.
— Я читал книжку, она называется «Еж в стакане». Это про магнитные жидкости. Их получают, размешивая очень мелкий порошок железа в масле или керосине. И такая жидкость становится магнитной. Самое интересное — она может твердеть в магнитном поле, а когда поле уберут — снова становится жидкой.
— Молодец! А тебе когда-нибудь приходилось эту жидкость видеть? — спросил Изобретатель и, не дожидаясь ответа, вытащил еще одну пробирку, внутри которой переливалась жидкость чернильного цвета. Он поднес к пробирке магнит, и жидкость застыла, ощетинившись иглами разного размера. Ребята по очереди подходили к столу и разглядывали странную жидкость. И все согласились, что она в самом деле сейчас напоминает ежика.
— Человечки магнитной жидкости — особенные,— сказал Изобретатель, когда ребята вернулись на места.— Ведь у них две «профессии» — магнитиков и жидких человечков. Поэтому и возможности их велики. Сегодня десятки изобретений сделаны благодаря им. Мы о них еще поговорим. А на каких человечков может действовать электрическое поле?
— На электроны! Можно электроны тоже считать человечками?
— Кто нам может запретить? — рассмеялся Изобретатель.— Человечки наши, как захотим, так и будет. А на кого еще, кроме электронов, действует электрическое поле?
— На ионы. Это атомы, у
которых не хватает электронов
или есть лишние. — Отлично. Значит, есть «электрические» человечки, послушные электрическому полю. Но в обычном веществе они «прячутся», ведь вещество нейтрально. Поэтому их нужно «освободить», например, с помощью трения.— Изобретатель вытащил пластмассовую расческу и несколько раз провел ею по волосам. Затем мелко изорвал уголок бумаги, высыпал кусочки на ладонь и поднес к ним расческу. Кусочки бумаги немедленно притянулись к расческе, но через некоторое время стали отскакивать, падать на ладонь, но, немного полежав, снова взлетали и — Отлично. Значит, есть «электрические» человечки, послушные электрическому полю. Но в обычном веществе они «прячутся», ведь вещество нейтрально. Поэтому их нужно «освободить», например, с помощью трения.— Изобретатель вытащил пластмассовую расческу и несколько раз провел ею по волосам. Затем мелко изорвал уголок бумаги, высыпал кусочки на ладонь и поднес к ним расческу. Кусочки бумаги немедленно притянулись к расческе, но через некоторое время стали отскакивать, падать на ладонь, но, немного полежав, снова взлетали и прилипали к расческе.
Задача 14. Почему кусочки бумаги так странно себя ведутг сначала подскакивают, приклеиваются к расческе, а потом отскакивают от нее и падают вниз? Почему, полежав на ладони, они могут снова притянуться к расческе и снова отпасть?
Это задание ребята получили на дом.А урок продолжался.
— Маленькие человечки нужны не только для вашего развлечения и даже не только для лучшего понимания физики,— сказал Изобретатель,— самая главная их работа — помогать решать изобретательские задачи, встречающиеся в жизни гораздо чаще физических или математических. В ТРИЗ есть целый раздел, в некотором роде устав службы маленьких человечков. В нем записано, какие человечки каких полей слушаются, что умеют делать, а чего не могут. Называется этот раздел «Веполь-ный анализ». Главным элементом этого раздела является ВЕ-ПОЛЬ — от слов ВЕщество и ПОЛе.
Основная идея вепольного анализа — для упрощения решения изобретательских задач вместо сложных реальных техни¬ческих систем рассматривать их простые модели, построенные по определенным правилам из разных веществ и полей. Всем ясно, что такое модель?
— Это что-то вроде машины, но маленькая.
— А что это? — спросил Изобретатель, указав на стоящее в витрине шкафа замысловатое сооружение из маленьких разноцветных шариков, закрепленных на проволочных кольцах.
— Планетарная модель атома!
— Разве она меньше, чем атом?
— Нет, намного больше! Модель может быть и больше!
— А бывает в натуральную величину. Например, перед тем, как изготовить новый автомобиль, иногда сначала делают его деревянную модель, чтобы посмотреть, как он будет выгля¬ деть в натуре. Так что же такое модель?
— Что-то похожее на настоящее, но проще, то, что легче сделать.
— Между прочим, модель не всегда похожа на реальный объект. Например, математическая модель физического процесса — это уравнение. Модель отражает какое-то свойство или группу свойств, наблюдая, изучая ее, можно узнать, что будет происходить с реальным объектом. Для одного объекта можно строить разные модели в зависимости от того, что мы хотим узнать. Так вот, в теории изобретательства простейшая модель любой работоспособной технической системы состоит из трех элементов: двух веществ В1 и В2 и поля П. Под словом «вещество» здесь понимают любой объект, может быть, даже сложную конструкцию, причем одно из веществ, как правило, изделие, которое по условиям задачи нужно обработать, получить, измерить, изменить как-то, а другое — инструмент, который может это изменение выполнить, но при условии, что есть и третий элемент -— поле, энергия для работы инструмента. Например, мы с вами уже имели дело с тепловым полем, магнитным, электрическим, есть и другие. Веполь изображают так
:
— Вот, например, нужно покрыть эту бумагу слоем порошка.— Изобретатель
снова открыл пробирку с железным порошком.— Я его сыплю сверху на лист.
Что у нас изделие? Верно,
лист бумаги. А порошок в данном случае инструмент. А поле
какое? Да, гравитационное. Вот у нас и получился вепбль. Ну а
если нужно покрыть порошком участок потолка? Что изменится?— Изделие теперь не лист, а потолок...
— Гравитационное поле не годится! Нужно другое поле.
— Какое же?
— У нас порошок железный, значит, можно магнитное поле использовать, оно удержит его и на потолке.
— А если порошок немагнитный? Например, песчинки?
Ребята задумались. Чтобы помочь им, Изобретатель демонстративно взял со стола расческу, с которой только что экспери¬ментировал, и начал вертеть ее в руках.
— Электрическое! — тут же догадались многие.— Нужно эту поверхность зарядить!
— И порошок тоже, только другим знаком!
— Ну вот и отлично! — похвалил ребят Изобретатель,— А теперь обратите внимание, что вепольная модель у всех трех решений одинакова.
— Только поля разные!
Изобретатель нарисовал на доске три веполя:
— Про якорь?
— Да. Тогда мы воспользовались другим элементом ТРИЗ — понятием идеальности. Но эту же задачу можно решать и с помощью вепольного анализа. Какая была у нас исходная модель? Помните? Был якорь, или хваталка, и грунт, то есть В1 и В2. А поля не было. Вернее, было, но слабое, мы от него отказались. Как теперь быть?
— Ввести магнитное поле!
— А почему именно магнитное?
— Ну, наверное, потому, что якорь железный.
— У нас не якорь, а хваталка, не забывайте. А хваталка может быть какой угодно. Но не будем гадать. Помните, Шерлок Холмс говорил: «Я никогда не гадаю. Очень дурная привычка: действует гибельно на способность логически мыслить». Сделаем иначе.— Изобретатель повернулся к доске и написал странное слово «МАТХЭМ».
— Это аббревиатура, слово, составленное из первых букв названий наиболее часто встречающихся в изобретательстве полей,— пояснил он.— М — механическое, А — акустическое, Т — тепловое, X — химическое, Э — электрическое, М — магнитное.
— Но разве может быть такое поле — химическое? — спросил Физик.
— Конечно, с точки зрения физики это — «незаконное» поле. Но мы с вами договоримся, что под словом «поле» будем понимать некоторое взаимодействие, обеспечивающее получение нужного нам результата. А химические взаимодействия дают прекрасные решения,— отвечал Изобретатель и продолжал. — Итак, нужно проверить, нельзя ли прикрепить нашу хваталку к грунту, к скале с помощью перечисленных полей.
— М — механическое крепление. Собственно, обычный якорь зацепляется механически. Но, может быть, использовать другую механику?
— Можно снабдить якорь буром, — предложили ребята,-— он просверлит скважину, и якорь в ней зацепится.
— В принципе, неплохо. Но такой якорь станет сложнее, потому что к нему придется приделать бур. Лучше, если наш якорь будет и хваталкой, и буром, так рекомендует принцип идеальности.
— Якорь-штопор! И вращается. Он вонзится в грунт и там останется!
-— Ну что ж, годится! — согласился Изобретатель.— Но механика — это не только перемещение, это еще инерционные силы, давление...
— Можно использовать давление! Сделать якорь-присоску, есть такие устройства. Например, нужно в ванной повесить вешалку для полотенца. Берут такую резиновую штучку, прижимают к стенке, чтобы весь воздух из нее вышел, и она держится за счет давления снаружи. А якорь будет держать давление воды!
— Интересно! Вот только ты, наверное, обращала внимание, что такие присоски плохо держатся на неровных стенках, — ответил Изобретатель девочке, предложившей решение.— Через неровности под присоску заходит воздух, и она отваливается.
— Ну и что? А мы смажем края присоски мылом, мыльная пена не пропускает воздух.
— Правильно! Нужно в якорь-присоску тоже что-то вроде мыла ввести!
— Зачем мыло? Мы же придумали на Дне Знаний — лед!
— Хорошо. Видите, этот путь привел к уже известному решению. Что-нибудь еще давление может дать?
— А взрыв — это тоже давление? — спроил кто-то из ребят.
— Да, взрывная волна — волна давления.
— Тогда можно выстрелить якорь в грунт. Как делают дырки в бетонных стенах — специальным пистолетом!
— А рыбу мы не переглушим? Подводные взрывы распространяются очень далеко. Впрочем, разве что в аварийной ситуации... Есть еще предложения по механическому полю? Нет? Тогда перейдем к акустическому. Акустическое — это звуки, вибрации. Как их использовать?
— Можно сделать якорь как отбойный молоток.
— Хорошо. А тепловое поле?
— Расплавить скалу, чтобы она стала мягкой. Тогда якорь лучше зацепится.
Все засмеялись. Как же, расплавишь скалу под водой! Там ведь ничего гореть не может!
— Ошибаетесь, ребята. Есть такие вещества, они называются термитными, которые могут гореть под водой и создавать высокую температуру. Впрочем, плавить скалу, действительно, довольно сложно. Но хочу обратить ваше внимание на то, что тепловое поле — это не обязательно нагрев, можно и охладить -— тепловое поле со знаком «минус». Решение с охлаждением мы уже знаем, так что пойдем дальше. У нас осталось еще три поля: химическое, электрическое и магнитное. Предлагайте!
— Нужно сделать магнитный якорь!
— Вот придумал! Скала же немагнитная!
— Ну и что? Речь ведь шла о стоянках в гавани. Можно заранее опустить на дно специальные плиты с магнитами. Вот якорь к ним и пристанет, еще и лучше, чем просто в грунт!
— Ну что же, пора подводить итоги.
— А у меня вопрос. Можно? — подняла руку девочка.
— Конечно.
— Зачем мы решаем сейчас эту задачу? Ведь ответ на нее мы знали. Так же неинтересно! — сердито заявила она.
— Понимаешь, в отличие от математических задач и большинства физических, изобретательские задачи часто имеют несколько ответов. Вот и ответ со льдом (есть такое изобретение, поэтому это решение мы называем контрольным ответом) не единственный. Например, предложение использовать магнитную плиту не менее интересно. И, кстати, я такого в литературе не встречал. Так что у вас всегда есть немалые шансы придумать решение лучше контрольного,— ответил Изобретатель.
— И это будет изобретением?
— Ну, от решения до изобретения путь неблизкий, но лиха беда начало! — Изобретатель взглянул на часы.— Сейчас будет звонок, Задание вам дано. Может быть, есть еще вопросы?
— Лучше дайте еще задачку!
— Пожалуйста,-— засмеялся Изобрататель. На занятиях с детьми он привык к таким просьбам. А Физик очень удивился.
Задача 15. Медь высокой чистоты получают электролизом. В ванну, наполненную электролитом — специальным раствором, пропускающим электрический ток, опускают листы «черновой» меди, содержащей большое количество разных примесей, и тонкие пластины чистой меди. Через электролит идет ток, под действием которого маленькие человечки (ионы) меди уходят с положительного электрода (он называется анодом) к отрицательному (катоду). В результате анод постепенно растворяется. Человечки примесей падают на дно ванны, А на катоде скапливается чистая медь. Но у этого процесса есть серьезный недостаток: человечки меди садятся на катод случайным образом, где попало, поэтому не заполняют все пространство целиком, между ними остаются микроскопические пустоты — поры. Они тем больше, чем больше электролизный ток. Так вот, в поры попадает электролит и остается там. Потом во время перевозки готовых листов меди, особенно во влажной атмосфере, электролит выступает на поверхность листов, «украшая» их зелеными, черными пятнами. А это недопустимо. Поэтому каждый лист долго и тщательно моют горячей водой, выдерживают в кипятке часами. Но вода плохо проникает в мельчайшие поры, мытье стопроцентного результата не дает. Как существенно улучшить мытье меди?
Прозвенел звонок. Изобретатель стал собирать и рассовывать по карманам пробирки, магниты и услышал, как кто-то из ребят, выбегая из класса, пропел:Медяшки драить нужно всем,
Не ободешься без МАТХЭМ...
ВОЛШЕБНОЕ СЛОВО
Разговор в учительской
ИГЗ: Механика обычная и необычная
ЗАДАЧИ:
РАЗГОВОР
В УЧИТЕЛЬСКОЙ
— Как вы думаете, они справятся с задачами, которые им зада¬ ли? — спросил Физик.— Задачи-то непростые.
— Не все, наверное. Но это не важно. Главное, чтобы они попытались решать, объяснили, как решали, и чтобы задача их заинтересовала.
— По-моему, интереса к вашим задачам у них хоть отбавляй! Даже дополнительную попросили! А физические задачи они не очень любят. Конечно, они их решают, некоторые даже довольно много, в особенности старшие, готовясь к поступлению в институт. Но все равно, это для них — работа, а ваши задачи — удовольствие. Как вы это объясните?
— Изобретательские задачи вовлекают их в творчество — а это самый верный источник удовольствия, главное — неисчерпаемый,— ответил Изобретатель.
— Но ведь и в физике есть нешаблонные, творческие задачи! Например, сборник, составленный П. Л. Капицей!
— Петр Леонидович был замечательным физиком и прекрасно разбирался в творческом обучении» Я знаю его задачи. Он считал, что их нужно ставить менее определенно, давая ученику возможность самостоятельно подобрать из опыта или справочника недостающие данные. А вы даете их школьникам?
Физик покачал головой:
— Сложноватые задачи, требуют много времени. Кое-что даю на факультативе, там они охотнее работают.
— А чем отличается обстановка на факультативе от урока?
— Ребят меньше, не все приходят. Потом там нет оценок, они не боятся высказываться.
— Вот видите, на творчество ребят влияет и обстановка урока. Она должна быть свободной, каждый должен иметь возможность высказываться, быть услышанным. Нужна «обратная связь» с аудиторией. Вы заметили, как они шуметь начинают при решении задач?
— Да, меня уже коллеги спрашивали, что происходит на уроке, почему такой шум.
— И оценок мы не ставили, как на факультативе. Ребята старались не для оценок, а потому что интересно было. Этот стимул намного сильнее. Я, честное слово, всегда ненавидел и получать оценки и ставить,— признался Изобретатель.
— Да, оценки меня немного беспокоят, что я им выставлю в четверти при такой системе? Но что-нибудь придумаем. А вообще мне нравится система обучения без оценок. Так работает грузинский педагог Ш. А. Амонашвили, только в младших классах. Вы знакомы с его работами?
— Нет, к сожалению.
— Я вам дам почитать о нем и о других учителях-новаторах, хотите?
— Коготок увяз — всей птичке пропасть,— засмеялся Изобретатель.— Пришел, что называется, на часок на День Знаний... Так увяз в педагогике, что по специальности журнал некогда просмотреть. А за книжки, конечно, большое спасибо. Любое дело нужно делать профессионально. Будем набираться школьного опыта.
ВОЛШЕБНОЕ СЛОВО
Разговор в учительской
ИГЗ: Механика обычная и необычная
ЗАДАЧИ:
ИГЗ: МЕХАНИКА
ОБЫЧНАЯ И НЕОБЫЧНАЯ
«Не обойдешься без МАТХЭМ!» — вспомнил песенку ребят Изобретатель и усмехнулся. Все не так просто. Волшебное слово — лишь подсказка, напоминание: посмотри возможность использования этого поля, не забудь про то... Но этого мало,, с полями нужно уметь работать, в первую очередь хорошо знать их свойства, свойства работающих в «паре» с ними веществ. А возможностей бесконечно много. Ведь действие одного поля почти всегда можно усилить, добавив второе, а часто при этом вообще новый эффект получается! Нужен «путеводитель по полям и послушным веществам». Изобретатель достал новую чистую папку, которую озаглавил «МАТХЭМ. Механика обычная и необычная». Что должно попасть в эту папку? Изобретатель раскрыл школьную программу по физике. Вопросов много: силы, масса, давление, мощность, работа, основы статики, кинематики и динамики, твердость тел, упругость и пластичность, законы сохранения, механические колебания и волны... А о новейших открытиях в механике ничего нет. Нет эффекта аномально низкого трения, избирательного переноса, эффекта Александрова... Вот где работы много!
Какой раздел механики появился первым? Наверное, люди сначала научились использовать различные рычаги. Главное свойство рычага — преобразование силы и перемещений: во сколько раз больше перемещение одного из двух плеч рычага, во столько раз меньше сила и наоборот. Изобретатель достал из кладовки кусачки и рассеянно, без особого усилия перекусил гвоздь. «Нужно захватить кусачки с собой в класс,— подумал Изобретатель.— Хоть этот инструмент многие видели, но вряд ли задумывались, как это происходит».
А законы рычага были открыты Архимедом. Это он говорил: «Дайте мне точку опоры, и я переверну мир». Конечно, старик прихвастнул. Впрочем, ему простительно. Вряд ли Архимед представлял себе, каков вес Земли. Кстати, хорошее задание для тренировки — подсчитать, каких размеров должен быть рычаг, с помощью которого можно сдвинуть Землю хоть на волосок. И как долго нужно на этот рычаг давить. А может быть, первым механическим изобретением был не рычаг, а клин? Ведь именно его свойства позволяют хорошо рубить и резать каменным ножом, топором. Не зря боевую часть сабли, меча называли клинком. Ведь по своему действию клин, как и рычаг, — «увеличитель» силы. Во сколько раз больше продвижение вперед, чем в стороны, во столько раз сила, действую щая в стороны, больше силы, продвигающей клин вперед. Благодаря этому свойству клин помогал колоть дрова, даже камни. В переносном смысле слова «вбить клин» означает рассорить, разъединить людей.
...Убили медведя! Но как доставить его к своей пещере? Наверное, первым транспортным средством была простая волокуша — сани. Это хорошо зимой, а летом? На древнеегипетском рисунке шеренги рабов тащат на санях огромную статую. Дорогу перед волокушей посыпают глиной, специальный человек поливает ее водой. Глина от этого становится скользкой, трение снижается. Но этого, конечно, недостаточно. Тогда люди придумали подложить под волокушу несколько круглых стволов. Тащить ее стало почти так же легко, как зимой. Вот только катки все норовят выскочить из-под волокуши, приходится снова и снова их подбирать и подкладывать под груз. Так далеко не уедешь... Появилось колесо-каток, прикрепленное к телеге. Колесо — одно из величайших изобретений человечества, появилось по меньшей мере 5 тысяч лет назад. Сегодня трудно сказать, где именно это произошло, скорее всего — независимо в разных районах Земли. Остатки деревянного колеса, изготовленного в конце IV тысячелетия до нашей эры, недавно обнаружены в Болгарии. Но вот что поразительно: древний народ майя, создавший свою удивительную цивилизацию в Америке, колеса не знал, хотя и использовал деревянные катки.
«Если колесо вращается на толстой оси, оно будет катиться труднее, если на тонкой — ось не выдержит тяжести. Если наружный охват колеса небольшой, то оно застревает в земле, если широкий — шатается из стороны в сторону, а если нужно повернуть вправо или влево — повинуется с трудом. Если втулка слишком свободна, то... она соскакивает, а если чересчур плотна — делается неподатливой. Промежуток между осью и втулкой должен быть скользким. Ролики и колеса делаются из вяза и морского дуба, оси — из остролиста и кизила или, еще лучше, из железа, втулки же лучше всего изготовлять из меди, сплавленной с одной третью частью олова». Так рассуждал, формулировал технические противоречия, подводя итоги накопленного к тому времени опыта создания колес, Леон Баттиста Альберти — знаменитый итальянский механик, архитектор и инженер эпохи Раннего Возрождения. Его труд «Десять книг о зодчестве» вышел в 1485 году, после смерти своего создателя. Изобретатель записывал это и . думал, что и сегодняшним инженерам неплохо было бы уметь четко формулировать противоречия, как это делал Альберти.
«Вообразите, что на вас надвигаются два огромных — в шесть-семь раз выше человека — железных колеса, которые все подминают под себя. Для сравнения представьте себе ручную тачку. Ее обычно возят по доске. Попробуйте прокатить ее по булыжной мостовой. Это вряд ли вам удастся, потому что маленькое колесо не перепрыгнет через булыжник. А извозчик легко двигается по мостовой. Колесо его пролетки имеет диаметр семьсот миллиметров и свободно перескакивает через камни и небольшие выемки. Десятиметровое же колесо будет свободно преодолевать окопы, проволочные заграждения, заборы, даже крестьянские постройки. В бронированной кабине будут расположены пулеметы и пушки».
Эта цитата из книги А. Бека «Жизнь Бережкова», в которой под именем Бережкова описан выдающийся советский конструктор авиационных двигателей, Герой Социалистического Труда А. А. Микулин. «Нетопырь» — так назвали это дикое сооружение — юношеская работа Микулина. Оно было построено и даже испытано. Прокатившись пару сотен метров, «нетопырь» безнадежно застрял в болоте.
Интересно, что рассуждения, приведенные в цитате, правильны, но конструкторы «нетопыря» не сумели разрешить противоречие: колесо должно быть большим, чтобы легко преодолевать препятствия, и колесо должно быть малым, чтобы не быть громоздким, тяжелым. Противоположные требования в данном случае нужно разделить в пространстве. Колесо должно быть большим у земли, чтобы была большая опора, а во всех остальных местах может быть малым. Получается некруглое колесо, изменяемое, динамичное, как принято говорить в ТРИЗ. Интересно, догадаются ли ребята, что это — обыкновенная гусеница танка или трактора?
Очень важно для колеса трение на его оси. Бороться за его снижение начали давно. Не зря Альберти оговаривал, что втулку лучше всего делать из сплавов меди с оловом — бронзы. Из нее и сегодня делают втулки в ответственных деталях. У такой втулки трение низкое за счет того, что микрочастицы олова — мягкого металла — служат как бы смазкой. Известно, что трение качения меньше трения скольжения — не случайно колесо сменило волокушу. Применили этот прием и для оси колеса. Появились первые подшипники. Произошло это, насколько известно, в 330 году до нашей эры. Греки использовали их в конструкции тяжелого тарана. Но потом про них забыли. Возродились подшипники в рисунках Леонардо да Винчи. Но они мало кого интересовали, Даже после того, как в 1794 году в Англии был взят патент на «оси телег с очень легким вращением», промышленность не хотела их использовать. В 1870 году инженеры все-таки решили проверить, как они работают, и пришли к выводу, что теоретические преимущества подшипников не могут быть реализованы из-за недостаточно чистой обработки, Только в конце прошлого века появились шлифовальные станки, обеспечивающие нужную точность. А широкое внедрение подшипников началось после того, как в 1903 году автомобильные гонки выиграла машина, у которой оси колес были закреплены не на бронзовых втулках, мало изменившихся с древних времен, а на шарикоподшипниках. Сегодня невозможно представить технику без подшипников. В одном реактивном самолете их около 10 тысяч штук более чем 200 типоразмеров. А в день во всем мире выпускают более 50 миллионов штук. Чем меньше размер шариков и чем их больше, тем большую нагрузку может нести подшипник. А порой нагрузки огромны! Ротор гидрогенератора вращается с небольшой скоростью, но его вес - сотни тонн! Ротор турбогенератора полегче — несколько десятков тонн, но скорость вращения — 3000 оборотов в минуту. А газовая турбина вращается со скоростью десятки тысяч оборотов. Никакие шарики такой нагрузки не выдержат. Впрочем, самый маленький шарик — это атом, молекула. Такие подшипники, «работающие» на атомах и молекулах, есть — гидростатические, гидродинамические, пневмодинамические. Под вращающийся вал подают под давлением жидкость или газ, вал «плавает» на них. А лучше всего — без жидкостей, газов. Сегодня во многих высокоточных приборах работают магнитные подшипники: в них ротор «подвешен» при помощи постоянного магнита или электромагнита.
Владельцы старых холодильников радуются — не выходят холодильники из строя! Поразительно — стоит компрессор, есть подшипники скольжения, должны же они снашиваться! А они не хотят! Случается, что даже один странный факт, не имеющий теоретического объяснения, сулит новые открытия... К двум советским металловедам, Д. Н. Гаркунову и И-. В. Кра~ гельскому принесли для исследования странную деталь. Это была вполне обычная букса — деталь трения подшипника. Необычным было то, что она проработала несколько положенных сроков и не износилась совсем. В результате ее изучения и было сделано удивительное открытие. Оказалось, что на поверхности детали, содержащей хотя бы небольшое количество меди и работающей в среде смазки, включающей поверхностно-активные вещества (например, глицерин), возникают тончайшие пленки меди в особом состоянии — пластичные, текучие, псевдожидкие. И трение становится как. в жидких телах, то есть гораздо меньшим. Возникающие в процессе работы пары трения мелкие дефекты, царапины тут же затягиваются медью, залечиваются. Поэтому эти пленки назвали сервовитными, в переводе с латыни «служащие жизни». По сути дела в узле трения происходят те же процессы, что и в обычном живом суставе — техника становится все более биологичной. Сегодня этот замечательный эффект применяется даже там, где нет медных деталей — достаточно добавить в смазку небольшое количество растворимых в ней соединений меди, чтобы сервовитные пленки стали образовываться и на стальных деталях.
В области трения сегодня сделано еще одно важное открытие. Вели обычные исследования трения в условиях высокого вакуума при облучении частицами высокой энергии. И вдруг трение упало практически до нуля! Выключили излучение — трение постепенно восстановилось. Включили — снова исчезло. После нескольких лет исследований этого явления выяснили, что за счет дополнительного притока энергии от излучения возникает особая ориентация молекул твердых веществ, при которой трение происходит как «по шарикам». Стало ясно, что эффект аномально низкого трения (АНТ), как его назвали авторы, может быть использован в самых разных областях техники.
Во время войны английским летчикам поставили трудное боевое задание — бомбить немецкие плотины. Для успешного выполнения задания необходимо было, чтобы сброшенная бомба взорвалась у самой плотины, причем на определенней глубине. Сконструировали специальную цилиндрическую бомбу, напоминавшую бочку, длиной в полтора метра, диаметром в метр. Перед сбрасыванием такая бомба раскручивалась в бомбовом отсеке специальным двигателем до скорости 500 оборотов в минуту. Вращающаяся бомба, сброшенная на большой скорости, подпрыгивала на воде, как пущенный «блинчиком» камень, пока не «допрыгивала» до плотины и начинала катиться по ней в глубину. Примерно на глубине десять метров срабатывал гидростатический взрыватель.
«Когда в начале нашего века Д. Хорайн впервые преодолел планку на высоте 2 метра, никто не верил, что человек сможет прыгнуть выше»,— выписал Изобретатель из книги о спорте. Он вспомнил, как в молодости восхищался достижениями В. Брумеля. 2 метра 29 сантиметров — феноменально! А сегодня это достижение достаточно скромное: спортсмены подбираются уже к двум с половиной метрам! В чем же дело? Люди становятся более «прыгучими»? Нет, изменилась техника прыжков. В школе мы прыгали «перешагиванием» или «ножницами». При этом центр тяжести человека (он находится в районе живота) проходил над планкой сантиметрах в тридцати. Потом, в институте, в спортивной секции учили прыгать «перекатом» и «перекидным» способом. При перекате проходишь над планкой боком — расстояние до центра тяжести половина ширины корпуса — примерно пятнадцать сантиметров. При перекидном способе летишь к планке животом — высота центра тяжести семь-восемь сантиметров. А сегодня спортсмены прыгают методом «фосберйфлоп», изобретенным американским студентом Фосбери. Теперь спортсмен находится над планкой спиной вниз, а центр тяжести ближе к спине, чем к животу. Закономерность — высокие результаты связаны с понижением центра тяжести человека при прыжке. Строго говоря, при «флопе» центр тяжести может оказаться даже под планкой: когда спина над ней — ноги опущены, когда над планкой ноги — спина уже внизу. Всё хитрости механики!
Клапаны человеческого сердца открываются и закрываются при каждом его ударе, и за время жизни человека — около двух миллиардов раз. Тончайшие лепестки мышечной ткани выдерживают нагрузки, которые не под силу ни одному из известных нам материалов. Поэтому все попытки создать искусственный долго работающий клапан оказались неудачными — рано или поздно они рвались в месте крепления лепестков. Причина — открывание и закрывание клапана происходит под действием силы тока крови. Так работают все клапаны в технике, и никому не пришло в голову, что в природе он устроен «хитрее». Открытие советских ученых, зарегистрированное в реестре открытий под номером 292, позволило создать искусственный клапан, соперничающий по длительности жизни с естественным. Оказалось, что клапаны в природе открываются не силой тока крови, а с помощью специальных жгутиков, прикрепленных к лепесткам. Разницу в устройстве старого и нового искусственных клапанов можно объяснить при помощи маленьких человечков. Пусть лепесток клапана — это дверь. Раньше она открывалась резким ударом толпы человечков, несущихся по коридору то в одну, то в другую сторону. А теперь появились человечки-швейцары, которые заранее осторожно распахивают двери перед толпой. Нет резких ударов, толчков, при таком «обслуживании» дверь прослужит долго.
Интересно, что многие изобретения сначала появлялись а виде игрушек и только спустя столетия становились техническими устройствами. Волчок — детская забава, но под солидным названием «гироскоп» (по латыни «гиро» — круг) стал сердцем навигационной системы — самолета, ракеты, судов. Другая игруш¬ка — турбинка Гирона. Сегодня турбина — основа энергетики, реактивных двигателей. Художники используют калейдоскоп, придумывая новые рисунки тканей, обоев, узоры. Правда, здесь не только механика, но и оптика работает. Кстати, игрушки изобретают и сегодня, и это ничуть не проще, чем придумывать станки, машины, другую технику. Школьники, изучающие ТРИЗ, придумали несколько новых конструкций Ваньки-Встаньки: с песочными часами внутри, с подвижным грузом, разделенного на две части — голову и туловище, которые могут качаться по-разному. Очень забавно было на него смотреть: то голова и туловище качаются вместе, то вразнобой, то голова застывает неподвижно на качающемся туловище, то наоборот.
Сегодня Изобретатель смотрел в цехе новый пресс. Удивительная штука! С древних времен известна ковка: нагретую деталь деформируют многократными ударами молота. Деталь при этом можно сделать любой формы, но трудно получить высокую точность. Много позже ковки родилась горячая штамповка: заготовку кладут в стальную матрицу, а сверху сильно ударяют другой частью пресса — пуансоном, в результате деталь принимает заданную форму. Точность здесь довольно высокая, но придать одним ударом детали сложную форму могут только сверхмощные прессы с усилием в сотни и тысячи тонн. А пресс, изобретенный советским инженером А. Н. Силичевым, может сделать то же, что эти гиганты, но мощность его в 10—20 раз меньше. Пресс Силичева объединил оба вида обработки — штамповку и ковку. Матрица у него обычная, а пуансон не просто опускается вниз, а качается, как пресс-папье, постепенно формируя заготовку. За несколько секунд — готовое изделие, выполненное с высокой точностью. К сожалению, изобретение А. Н. Силичева, созданное еще в шестидесятых годах, до сих пор не внедрено в нашей стране. А тот пресс, который привел в восторг Изобретателя, изготовлен в Польше.
В реестре открытий под номером 13 зарегистрировано открытие Е. В. Александрова. Советский ученый «покусился» на теорию удара, созданную еще Ньютоном. И сумел доказать, что теория великого физика, без сомнений принимавшаяся более 250 лет, не точна. Используя найденные Е. В. Александровым закономерности, удалось создать совершенно новые ударные механизмы. Например, сделать отбойный молоток, который, сохранив силу удара, стал в четыре раза легче. Даже главную часть его — боек — оказалось возможным сделать из пластмассы! Боек бьет по стальному стержню, под ударами которого ломается твердый камень, а сам боек не страдает!
Задача 16. У партизан
кончилась взрывчатка, но диверсионная группа снова вышла на
железнодорожный путь. Меньшеминуты пробыли бойцы на насыпи и вовремя
исчезли — шел вражеский состав, разогнавшись под горку. И вдруг
паровоз, за ним вагоны летят под откос, что-то вспыхивает,
начинают рваться снаряды — словом, все, как надо! Но как это удалось
сделать без
взрывчатки?
А как можно было бы использовать в технике этот принцип?