домой

Злотин БОРИС ЛЬВОВИЧ, Зусман  АЛЛА ВЕНИАМИНОВНА. 

Изобретатель пришел на урок

иллюстрации:  А.Д. Гладышев, Н.А. Асланова


публикация на сайте http://jlproj.org
 обложка книги
CОКРОВИЩА ВОКРУГ НАС

ИГЗ: "Янтарные изобретения"

Разговор в учительской

ЗАДАЧИ:

сокровища вокруг нас

СОКРОВИЩА ВОКРУГ НАС

— А вы изобретательские задачи для нас специально подбираете? — спросили ребята Изобретателя.
— Конечно,— отвечал он.— Во-первых, задачи должны быть вам понятны, во-вторых, помогать усваивать школьный курс и, в-третьих (что самое важное), красивые, в которых результат получается без сложных изменений, почти без ничего, то есть близкий к идеальному. Ну и, естественно, решаемые.
— А разве ТРИЗ не любые задачи решает?
— Это только философский камень алхимиков может все. Тот, кто утверждает, что для него нет невозможного,— скорее всего жулик. ТРИЗ постоянно развивается, ей становятся доступны все более сложные задачи. Но всегда останутся задачи неправильно поставленные, противоречащие законам природы, глупые, наконец. ТРИЗ не должна решать любую задачу, а вот помочь усовершенствовать любую систему должна. Чувствуете разницу?
— Не очень,— признались ребята.
— Скажем так, ТРИЗ не может решать задачу создания вечного двигателя, но найти способ снизить трение, чтобы двигатель вертелся как можно дольше, в принципе должна. Сегодня в специальных гироскопических приборах добиваются того, что ротор, однажды раскрученный, может не останавливаться неделями.
Но давайте поговорим о красивых задачах. Как вы думаете, почему получаются решения почти без ничего? Ведь из ничего и получишь ничего — помните закон сохранения материи? Или мы его нарушаем? — А разве можно нарушить закон природы?
— Нет, конечно. Просто нужные нам вещества, поля, энергию берем не со стороны, а из того, что есть, но никому не пришло еще в голову использовать.
— А мой папа, когда что-то чинит дома, не бежит в магазин за каждой мелочью, а ищет в кладовке, что можно приспособить.
— Верно. Для того чтобы что-то сделать, в первую очередь нужны инструменты. Наши инструменты для решения задач — инструменты ТРИЗ: вепольный анализ, маленькие человечки, понятия идеальности и противоречия, приемы их разрешения. Но нужны еще и материалы. В ТРИЗ таким материалом являются ресурсы — то, что есть под рукой, в системе, которую мы хотим улучшить. Когда система сложная, большая, в ней много чего подходящего можно найти.
— Как у хорошего хозяина, который все сохраняет!
— Примерно. Но у хорошего хозяина все запасы не просто накиданы, как попало, а разложены по полочкам. Вот и мы сделали нечто подобное.— Изобретатель повесил на доске плакат с таблицей.
— Слова подсистема, надсистема — понятны?
— Подсистема — это, наверное, часть системы?
— Верно. Пример можете привести? Вот часы — система. Какие у нее подсистемы?
— Стрелки!
— Колесики!
— Ремешок.
— Хорошо. А какие подсистемы у автомобиля?
— Двигатель! Корпус! Дверь!
— Как вы думаете, можно сказать: автомобиль состоит из двигателя, корпуса и двери?
— Можно!
— Нет, нельзя! А колеса?
— Хорошо, включим и колеса. А шины нужно включить?
— Не обязательно. Раз сказали про колеса, значит и шины имели в виду.
— То есть шины входят в колеса. Тогда в каком отношении находится шина к колесу?
— Это подсистема колеса.
— Но ведь колесо — само подсистема автомобиля. Значит, для автомобиля это подподсистемы. А надсистема это что?
— В надсистемы входит система, как подсистема — в нее.
— Что такое надсистема для автомобиля?
— Автомобильный парк!
— Автогонки!
— Обратите внимание, что одна и та же система — автомобиль — может входить в разные надсистемы: автогонки, автопарк, транспорт. Давайте нарисуем все это.

Конечно, мы перечислили только отдельные элементы — автомобиля, его надсистем и подсистем. Но даже и в этом случае мы получили непростую схему. И на каждом уровне в этой схеме могут быть свои ресурсы. Мы с вами уже немало задач решили с использованием ресурсов, помните?
— На Дне Знаний вы рассказывали, как во время войны устанавливали пресс. Там мы использовали ресурс — холод, чтобы вода замерзла.
— И воду тоже! Вода — ресурс!
— Хорошо. Вода — это какой ресурс?
— Вещество!
— А холод?
— Энергия!
— А откуда мы их взяли?
— У природы.
— Правильно, из надсистемы. В принципе использовать ресурсы природы выгодно — они дешевы, иногда вообще бесплатны. Кстати, всегда ли хорошо, что ресурсы бесплатны? Правильно, не всегда. Люди привыкают забирать у природы все, ничего не давая ей взамен. А природные ресурсы не бесконечны. Сегодняшняя дешевизна обернется большими потерями в будущем. Еще примеры?
— Парашют выдергивал груз из самолета — энергетический ресурс.
— И только? Помните, нам нужно было, чтобы это выдергивание происходило только после того, как парашют раскрылся. Значит, какой еще ресурс мы использовали?
— Информационный! Не забывайте. Он особенно важен при решении задач на обнаружение, измерение. Еще пример на использование информационного ресурса? — Задача с Круксом! Он сам стал информационным ресурсом — передавал, не подозревая этого, информацию.
— Практически любое действие, любой процесс обязательно дает информационный ресурс, по которому можно узнать, что и как происходит. Давайте разберемся, какие информационные ресурсы создает организм человека? По каким признакам можно судить о его работе?
— По звуку! Врач прослушивает сердце, пульс.
— А у меня коленка щелкает, когда приседаю.
— А мне делали электрокардиограмму.
— А еще? Вспомните МАТХЭМ!
— Спортивный врач заставляет делать приседания, а потом меряет пульс. И еще мы дули в спирометр — измеряли объем легких.
— Стучат по колену молоточком, чтобы нога дергалась!
— Да, так врач проверяет работу нервной системы.
— Вы очень мало сказали про звук,— добавил Изобретатель.— У меня учился инженер, работавший в медицинской лаборатории. Он рассказывал, сколько звуковой информации можно получить от человека. Прослушивая его с помощью специальных микрофонов на всех частотах — от инфразвука до ультразвука, удается установить сотни разных болезней. Ведь все звучит: и кровь, текущая по сосудам и капиллярам, движущийся сустав, напрягающаяся мышца. Конечно, результаты такого прослушивания без ЭВМ не расшифруешь.
— Тепловое поле тоже дает информацию — меряем температуру.
— А я читал, что сегодня сделали тепловизор — вроде цветного телевизора, только разными красками обозначены температуры. Посмотришь с его помощью на человека — и все видно сразу, не то, что с обычным термометром.
— Тепловизор — очень важное достижение,— подтвердил Изобретатель,— по его картинке можно обнаружить больной орган, даже диагноз сразу поставить.
— А почему в МАТХЭМ нет биополя?
— В МАТХЭМ вообще приведены не все существующие поля, а только те, которые чаще всего используются. А изобретений с биополем пока не видать. Да и самого биополя тоже. Впрочем, часто биологическими полями называют вполне обычные, известные поля, но создаваемые живыми организмами.
рис.40 Например, может организм создавать электрические поля?
— Наверно. Вы упоминали электрокардиограмму, она фиксирует электрические поля, связанные с сердечной деятельностью человека. Есть еще энцефалограмма — картина работы мозга в электрических импульсах.
— А магнитные поля организм создает?
— Конечно. Раз есть электрические поля, значит, есть и магнитные. Не всегда можно измерить электрические поля, для этого нужно подключиться к внутренним органам, а это иногда невозможно. А магнитные поля свободно проходят через ткани человека, магнитные датчики можно устанавливать снаружи. Но про человека достаточно. Попробуйте привести примеры использования ресурсов времени или пространства. — Есть такой мультик. Лежит на дороге огромный камень. Его пытаются оттащить, разбить — ничего не выходит. Тогда один мужичок выкопал яму и столкнул в нее камень. Пространственный ресурс!
— Действительно. Только здесь даже интереснее, это не готовый ресурс, его (ямы) раньше не было. Пришлось его специально готовить.
— Я видел, как перевозят большие КамАЗы. Ставят на платформы по два, спинами друг к другу, а на кузов сверху — третий. Наверное, сначала возили по два, а потом догадались, что можно третий приспособить. А насчет ресурсов времени — я смотрю телевизор и делаю уроки одновременно!
— И результаты, конечно, прекрасные? — спросил Изобретатель под смех ребят. Но юноша ничуть не смутился.
— Еще бы! Я Семнадцать мгновений весны видел три раза!
— Знаешь, я этим ресурсом тоже пользуюсь,— сказал Изобретатель.— Только, по-моему, гораздо эффективнее — просто не смотрю телевизор. У меня его нет. Старый сломался, а новый не купил. Столько свободного времени появилось!
— Ну, без телевизора скучно,— сказали ребята.
— Решать изобретательские задачи совсем не скучно, во всяком случае, веселее, чем даже в третий раз смотреть Штирлица. Вам ведь интересно решать задачки?
— Интересно, давайте еще!

Задача 42. Микропредохранитель — деталь, похожая на маленький грибок, внутри которого заделана проволочка, концы которой торчат наружу. Необходимо проверять герметичность грибка. Делают это просто. Сотню деталей, собранных в кассету, опускают в ванну с горячей жидкостью так, чтобы она полностью покрыла детали. Воздух внутри грибка нагревается, и если где-то есть неплотности, вырывается наверх в виде пузырька. Всплыл пузырек - значит, деталь бракованная. Чтобы замедлить всплывание пузырька, используют вязкую жидкость. Но все равно работница, проверяющая детали, может не успеть заметить, от какой из них поднялся пузырек. Отсюда неточность контроля, возможность пропустить брак или забраковать хорошую деталь, низкая производительность труда и высокая утомляемость людей. Какой ресурс здесь нужен для решения проблемы?
— Нужно дополнительное время, чтобы успеть разглядеть.
— Остановить время!
— Проще остановить пузырек! Для этого нужно его сфотографировать.
— Фотографировать кассету с деталями и пузырьками!
 — Как вы считаете, решение с фотографированием — хорошее?
— Хорошее!
— Плохое! Возни сколько — пленку проявлять, сушить, печатать снимки. Лучше записывать на видеомагнитофон! Очень просто!
Просто... Как плохо все-таки ребята представляют себе реально, что такое себестоимость продукции. Сколько этот видеомагнитофон будет стоить, сколько людей потребуется для его наладки и эксплуатации, причем гораздо более высокой квалификации, чем работницы, приглядывавшие за пузырьками раньше. Но, с другой стороны, откуда им об этом знать? Гораздо удивительнее, что и взрослые специалисты не понимают, что, конечно, современная техника — лазеры, видеомагнитофоны, ЭВМ и т. п. — это прекрасно, но дорого, ее целесообразно применять только там, где без нее невозможно обойтись, а не там, куда можно впихнуть. Простое и эффективное изобретательское решение всегда предпочтительнее сложной техники.
— Итак, у нас есть ресурс времени — время после всплытия пузырька, когда мы можем спокойно рассматривать его. Вы предлагаете этот ресурс реализовать с помощью разной техники. А нельзя ли обойтись чем-нибудь попроще?
— А чем? Мы не знаем.
— Допустим, и я не знаю. Назовем то, что мы ищем, икс- элементом. Знакомо вам это понятие?
— Знаем.
— Отлично. Теперь сформулируем, что мы хотим от икс-элемента.
— Чтобы он удерживал пузырьки подольше...
— И прямо над кассетой! Чтобы видно было, чей пузырек!
— Нужно ввести в ванну какую-то преграду для пузырьков.
Например, лист картона. Все пузырьки на нем будут.
— Картон размокнет! И пузырьков не будет видно!
— Значит, нужен прозрачный картон... Да просто стекло!
— Или сетка! С мелкими дырочками... Пузырек за нее зацепится, можно смотреть на него сколько нужно!
— Так и была решена эта производственная задача.
Нам осталось еще поговорить о функциональных ресурсах. В принципе это несложно. Любая машина создается для того, чтобы выполнять какую-то функцию, что-то делать. Но очень часто оказывается, что она может дополнительно делать еще что-то, о чем ее создатели даже не предполагали. Это и есть функциональный ресурс. Например, обнаруживается, что новая мастика для натирания полов — прекрасное средство борьбы с тараканами. Еще примеры. Лет двадцать назад проводились испытания нового судна — газотурбохода Парижская Коммуна. Дело было в феврале, днепровский лиман и Днепр покрылись льдом. Суда ждали ледокола. Неожиданно они увидели фантастическое зрелище: новый газотурбоход развернулся и пошел через лед вперед кормой с большой скоростью. Лед перед ним раскалывался как будто сам собой. Выяснилось, что при таком движении задом наперед мощный винт работал как насос, откачивая воду из-подо льда. Не очень толстый лед зависал в воздухе и проваливался, кололся от собственной тяжести. По реке пошла волна, ломающая лед. Громко гудя, газотурбоход прошел таким образом 28 километров и на всем этом пути очистил от льда реку!
Перед леткой в улья ставят лоток с микроспорами полезных грибков, врагов насекомых-вредителей. На своем брюшке и лапках пчела разносит споры по полю.
Вот сколько ресурсов — помощников изобретателя вы уже узнали. Но это только небольшая их часть. Речь шла в основном о готовых ресурсах, которые бери и пользуйся. А если готового ресурса нет? Что делать? Конечно, можно откуда-то привезти. Только долго ждать, дорого платить за перевозку. Как поступают на заводе, если нужен пруток стали одного диаметра, а есть другого, чуть больше?
— Обточить? Вытянуть до нужного размера!
— Конечно, способов много — нужно обработать, приготовить имеющийся ресурс. Для этого есть не только станки на заводе. Есть и другие инструменты, изобретательские — физические эффекты, например. Мы можем действовать на разные вещества полями, а с помощью веществ изменять поля. Давайте посмотрим, как это делается. Представьте себе, что мы хотим изменить все поля в МАТХЭМ. Как?
— Механическое поле можно превратить в тепловое с помощью трения!
— Или в электрическое поле!
— Любое вещество может превратить тепло в механическое перемещение — расширение при нагреве!
— Механическая мешалка может ускорить химические реакции.
— Электрическое поле создает магнитное и наоборот!
— А как превратить тепло в магнитное поле?
Ребята задумались. Конечно, есть физические эффекты, связывающие тепло и магнетизм напрямую, например эффект Кюри. Так, сталь, нагретая выше точки Кюри, становится немагнитной. Для обычных сталей эта температура довольно высока — 700—900С, но есть специальные сплавы, у которых она может быть практически любой. Но это материал не школьного курса, ребята его не знают. Конечно, Изобретатель не собирается ограничиваться школьным курсом, особенно когда речь идет о таких важных для изобретательства физических эффектах, но сейчас можно пойти и по другому пути.
— Как преобразовать тепло в магнитное поле, вы не знаете. Ничего страшного. А в какое поле легко превратить тепло?
— В механическое!
— А механическое можно превратить...
— В электрическое, а электрическое — в магнитное! — отвечают ребята, не дожидаясь следующего вопроса.
— Правильно, что не удается сделать в один прием, можно провести в несколько. Вот на теплоэлектростанции тепло от сгорания газа превращается в механическую энергию расширяющегося пара, потом во вращение турбины турбогенератора, потом — в электрический ток, который создает магнитное поле.
И всюду на пути превращения энергии стоят вещества: газ, пар, турбина, обмотка электрической машины. Сложная цепь. А нельзя ли повысить идеальность этой системы? Как это можно было бы сделать?
— Уменьшить количество преобразований.
— Верно. Например, тепло можно превращать в электричество, минуя механическую энергию — есть такие устройства — термопары. Два разнородных металла соединяют концами, эти соединения называют спаями.
— Знаем! Один спай нагревают, а другой охлаждают, и тогда между ними возникает разность потенциалов.
— Правильно. К сожалению, пока термопары не могут конкурировать с традиционными электростанциями — низкий коэффициент полезного действия, нельзя получить высоких напряжений. Но работа в этом направлении идет: ищут новые материалы, технологии.
CОКРОВИЩА ВОКРУГ НАС

ИГЗ: "Янтарные изобретения"

Разговор в учительской

ЗАДАЧИ:

ИГЗ: ЯНТАРНЫЕ ИЗОБРЕТЕНИЯ

ИГЗ Уже неделю Изобретатель поглядывал на свой стол с некоторым ужасом: на нем постепенно вырастала гора книг, папок с подшитыми вырезками, карточек. Еще одна гора росла рядом со столом прямо на полу. Электрические и магнитные поля были основной специальностью Изобретателя, до того как он стал изобретателем, кроме того, их применение сегодня, пожалуй, наиболее перспективная область в изобретательстве. Удивительного ничего в этом нет: в любом веществе есть электроны, ионы, а заряженные частицы — очень послушные и чрезвычайно эффективно работающие маленькие человечки. Они прекрасно выполняют команды своих главных начальников — электрического и магнитного полей, а во многих случаях и других: акустического, теплового, активно участвуют и в химических взаимодействиях.

Как уже было сказано, заряженные частички послушны. Но сначала их нужно мобилизовать. Проще всего мобилизовать легчайших человечков-электрончиков, свободно гуляющих в металлическом проводнике, физики называют их электронный газ. Они готовы в любую секунду побежать по команде электрического поля. А вот в жидкостях электрические человечки — положительные и отрицательные ионы тяжелее, менее поворотливы. Правда, пользы от них побольше — они могут переносить вещество. А в диэлектриках электрических человечков нужно сначала освободить из оков нейтральных молекул. Роль освободителей могут сыграть практически любые поля.

Механика — древнейший способ получения электричества, благодаря ей оно получило свое название. Первое электричество получали, потерев куском шерсти янтарь (по-гречески — электрон). Несмотря на древность, способ не забыт: и сегодня для получения очень сильных электрических полей используются мощные электростатические генераторы Ван-де-Граафа, в которых специальные щетки трутся о быстро бегущую бесконечную шелковую ленту.

Изобретатель поменял на кухне зажигалку для газовой плиты. До этого у него была обыкновенная электрическая, со шнуром для включения в розетку. Новая была без шнура. Изобретатель прекрасно знал, как она устроена, но не удержался и разобрал. Сердце зажигалки — два серых маленьких цилиндрика — кристаллы пьезоэлектрического вещества. При механическом воздействии на них (сжатии или растяжении) на их поверхности возникают электрические заряды. Напряжение может быть довольно высоким. Пьезоэлектрические кристаллы работают в лучших микрофонах, превращая звук в электрический сигнал, в динамиках, превращая сигнал в звук.
Наряду со старыми способами получения электричества с помощью механики появились и новые: в современных ветроэнергетических установках ветер теребит большой лист диэлектрика, на поверхности которого вследствие трения о воздух возникают электростатические заряды, которые можно снимать и накапливать. И еще. Если раздробить струю жидкости на чрезвычайно мелкие частички, возникают аэроины — носители заряда.

Один способ получения электричества с помощью тепла известен очень широко: тепло нагревает воду, превращает ее в пар; пар вращает турбину, связанную с ротором электрогенератора. Но много превращений — большая сложность системы. Нельзя ли превращать тепло в электричество сразу? Над костром висит обычный с виду котелок, в нем кипит вода. Но почему-то от него тянутся провода... Это работает партизанский котелок, созданный советскими физиками под руководством А. Ф. Иоффе,— источник питания партизанской рации, работающий на термоэлектрическом эффекте, открытом в 1821 году Т. И. Зеебеком.
Оказалось, что если спаять концы двух проводков, сделанных из разных металлов, то при разной температуре спаев по проводам потечет электрический ток. Величина этого тока обычно невелика, коэффициент полезного действия термопары довольно мал. Правда, созданные сегодня полупроводниковые термопары позволили довести коэффициент полезного действия до вполне приемлемой величины. Благодаря им построены передвижные атомные реакторы типа Ромашка, в которых тепло ядерного реактора превращается в электрическую энергию напрямую.

Аккумулятор, батарейка сегодня известны всем. Так что и химическая энергия напрямую переходит в электрическую. Но, конечно, лучше всего мобилизует электрических человечков их родное электрическое поле. Например, электрическое поле оказывает особое действие на молекулы диэлектриков: оно их выталкивает, превращает в диполи — молекулы, одна сторона которой заряжена положительно, а другая — отрицател но. Этот эффект называется поляризацией диэлектриков. Диполь очень хорошо поддается управлению того же электрического поля. Интересно также, что процесс вытягивания обычно меняет многие свойства диэлектрика: прозрачность, вязкость, размеры и другие. И конечно, эти свойства не остались не замеченными изобретателями.

Мчатся в межпланетном пространстве потоки электронов, протонов и других заряженных частиц, выброшенных Солнцем. Попадая в верхние слои атмосферы, они превращают ее в ионосферу — слой ионизированных частиц. А частицы более высокой энергии проникают в нижние слои атмосферы, ионизируя отдельные атомы и молекулы. Казалось бы, их ничтожно малое количество, но именно взаимодействие заряженных частиц с магнитным полем Земли, ионосферой, с солнечным ветром в значительной степени определяет погоду на планете. Такую гипотезу выдвинул советский метеоролог А. В. Дьяков, и она позволила ему значительно повысить достоверность прогнозов погоды. Жаль только, что несмотря на успешные предсказания А. В. Дьякова, официальная метеорология не использует его методики. Ведь сначала нужно признать, что прав оказался простой метеоролог из Горной Шории, а не сотни кандидатов и докторов наук, предпочитающих предсказывать погоду по старинке...

Главное умение электрического поля — работа с очень мелкими частицами, предметами. Они легко заряжаются или поляризуются и точно выполняют команды электрического поля. Заряженный поток мелких капелек краски равномерно ложится на поверхность и прочно схватывается с ней. Способность диэлектриков поляризоваться используется при создании искусственного меха: на смазанный клеем слой ткани падают волоски, на которые действуют электрическим полем. При этом они поляризуются, ориентируются перпендикулярно ткани, к которой подведен заряд, а затем притягиваются к ней. В первый момент ткань похожа на сильно изношенную зубную щетку, но уже через минуту на ней вырастает густой лес ворсинок.

В холодильной камере висят огромные мясные туши. В обычных условиях туша со временем худеет — часть влаги вымораживается (выветривается), портится вид мяса, ухудшаются питательные качества. От всех этих бед спасает подведенное к тушам напряжение. Частицы влаги из камеры быстро прилипают к мясу, покрывая его тонкой ледяной коркой, удерживающей влагу в туше. Это изобретение в масштабах страны дает миллионы рублей экономии.

Пламя — это плазма, ионизированный газ — огромное количество электрических человечков. Значит, можно управлять горением с помощью электрического поля. Действительно, было установлено, что, создав в топке электрическое поле, можно на 10 — 30% повысить коэффициент полезного действия котлов, работающих на твердом или жидком топливе, причем затраты на создание поля совершенно ничтожны. Кроме того, улучшение сгорания топлива снижает загрязнение атмосферы.

Выше было сказано, что прохождение электрического тока в жидкостях сопровождается переносом ионов, микродоз вещества. Это свойство электрического тока широко используется изобретателями. Пролежавшую столетия на дне моря пушку подняли на поверхность, аккуратно очистили от наросшей корки и поместили в музей. Но через несколько месяцев пушка потрескалась и рассыпалась на части. В чем причина? Виновниками оказались частицы солей, за долгие годы внедрившихся в поверхность металла. После извлечения из воды разрушение усиливается. Поэтому до недавнего времени единственным способом сохранения подобных экспонатов был... аквариум! Но вот несколько лет назад французские археологи придумали, как выманить из-под корки человечков-вредителей. Конечно, с помощью электрического поля, которого должны слушаться ионы солей. Поднятый из воды предмет помещают в ванну с электрическим раствором, включают слабый ток. Через некоторое время корка сама отваливается, открывая чистую поверхность.

Наросты образуются не только на археологических экспонатах. Обрастают микроорганизмами или другими веществами днища кораблей, портовые сооружения, трубопроводы. В качестве человечков-защитников могут выступить пузырьки газа, образующиеся при электрическом разложении воды.

Пузырьки — очень ценная штука! Они необходимы при флотации — обогащении различных руд. Мельчайшие частицы руды, размешанные в воде со специальными добавками, увлекаются пузырьками воздуха, проходящими сквозь воду, и выносятся наверх. Но воздушные пузырьки не очень удобны: их размер трудно регулировать, кроме того, трубы, по которым подводится воздух, часто засоряются. От всех этих неприятностей можно избавиться, если получать пузырьки электролизом, прямо в емкости, где происходит процесс, названный электрофлотацией. Через емкость пропускается электрический ток, вода разлагается, и пузырьки высаживаются прямо на частичках руды. Регулировать процесс теперь очень легко изменением тока.

Электроосмос — перенос перенос твердых частиц, находящихся в этой жидкости. Интересно, что твердые и жидкие частицы стремятся к электродам разной полярности, благодаря чему можно их разделять. Это свойство используют при осветлении соков, других пищевых продуктов, когда необходимо убрать твердые частички, сделать продукт прозрачным, без мути.

Скисло молоко — значит поработали бактерии; они создали отрицательные ионы, вокруг которых начали собираться твердые частички. Но если в молоко ввести два электрода и пропустить через них слабый ток, можно собрать все кислые частицы в одном месте, у анода. Это будет готовый творог. А молоко без кислых частиц — снова вполне хорошее и теперь даже в тепле не скиснет в течение нескольких дней — все центры скисания убраны.

На глубине 30 сантиметров под слоем сухой как пыль почвы расположена сетка. Рядом вбивается в землю стальная труба. Между сеткой и трубой создается небольшое электрическое напряжение. Под действием электропереноса влажные частицы из более глубоких слоев земли поднимаются наверх, делая почву пригодной для роста растений. А соли собираются вокруг трубы — дополнительный эффект обессоливания почвы.

В строительстве проблема противоположная: по пористому кирпичу из земли постепенно поднимается вода, стены начинают плесневеть, мокнуть. Но дело поправимо. Прямо в стене пробивают ряд отверстий, закладывают в них электроды, другие вбивают в землю около дома. На первые подают плюс, на вторые минус — и вода начинает уходить. Теперь можно с помощью того же электрического тока ввести в стены частички гидроизолирующего материала, которые надежно закроют поры и навсегда прекратят доступ воде. После этого ток можно выключать — стенам больше вода не грозит.

Электрическое поле умеет выманивать не только воду или другие частички, но и атомы электропроводных примесей из твердого кварца. Может вводить лекарство через кожу больного без всяких уколов (про лечебную процедуру электрофорез многие слышали). А геологи размещают на местности электроды-ловушки, извлекающие из-под земли атомы разных металлов и узнают, чем богаты недра, далеко ли богатства залегают, насколько велики. И даже более того, давая большой ток, можно собрать рассеянные в толще земли металлы, обогатить руду прямо в земле, по сути дела, создать искусственное месторождение! Уже проделаны подобные опыты, и такое обогащение обещает быть дешевле традиционного обогащения уже добытой руды на фабриках.

Электрические поля прекрасно работают в газах и жидкостях, но в твердых телах они вне конкуренции. Примеров таких в картотеке Изобретателя очень много, и он долго перебирал карточки с целью отобрать наиболее необычные применения. Всегда считалось невозможным получать изделия из вольфрама путем прокатки — слишком он твердый и тугоплавкий. Приложить большие усилия к нему нельзя — металл просто рассыпается. И нагревать до необходимой температуры сложно — не выдержат стальные прокатные валки. И тогда было предложено пропустить между валками сильный электрический ток. В металле всегда есть микротрещины, примеси, нарушения порядка в кристаллической решетке и другие дефекты. Такие участки обладают повышенным сопротивлением электрическому току, поэтому на них выделяется тепло, причем довольно значительное, в то время как заготовка в целом нагревается мало. Тепло подплавляет дефектные участки и помогает их залечиванию. Мелкие трещинки исчезают, а более крупные перестают расти. В результате вольфрам хорошо прокатывается.

Между двумя проводниками, по которым течет электрический ток, обязательно возникает взаимодействие. Если токи текут в одном направлении, провода притягиваются, если в разных — отталкиваются. В обычных условиях эти силы невелики. Но если токи текут большие, то и эффект резко возрастает. Вдоль крыла самолета проложены два провода. Раз в несколько минут на них обрушивается разряд конденсатора. На мгновение токи в проводах достигают многих тысяч ампер, провода резко вздрагивают — и тонкая корка намерзшего на крыло льда разрушается. Так работает электроимпульсная система очистки. Мощность она потребляет небольшую — всего несколько сотен ватт. А ведь раньше на простой электронагрев крыльев при обледенении уходили сотни киловатт. Встряхивание проводников под действием импульса электрического тока может быть очень сильным — с его помощью можно штамповать стальные детали (электроимпульсная штамповка).

Известно, что в твердом теле под действием электрического поля двигаются электроны, а ионы неподвижны. Но оказывается, существуют твердые материалы с ионной проводимостью, так называемые твердые электролиты, в которых ионная проводимость не меньше, чем у некоторых жидких электролитов. Твердые электролиты очень ценный материал. С их помощью можно создавать малогабаритные конденсаторы большой емкости, твердотельные аккумуляторы. Через твердый электролит можно пропускать ионы других веществ, меняя его оптические и электрические свойства, например, сделать прозрачный материал непрозрачным. Изменение оптических свойств под действием электрического поля называют электрохромным эффектом.
Вернемся назад на полтора века. Вольта, Петров, Дэви изучают новое необыкновенное явление — яркое, ослепительное белое пламя, возникающее между угольными стержнями, подсоединенными к мощной электрической батарее — электрическую дугу. Традиционные профессии электрической дуги известны всем: она положила начало электрическому освещению, от нее произошла электросварка.

При размыкании электрической цепи между контактами возникает искровой разряд — искра, ближайшая родственница электрической дуги. Искра для контактов — крайне неприятное явление, она вырывает из них мельчайшие частицы металла, разрушает самые твердые материалы и приводит к выходу из строя оборудования. Пути борьбы с эрозией контактов долго и безуспешно искали во многих странах. Успеха добились советские инженеры супруги Б. Р. и Н. И. Лазаренко. Но главное их достижение оказалось в другом: они догадались, что вредное явление — эрозию контактов — можно заставить приносить огромную пользу. В чем обвинялась искра? В вырывании мельчайших частиц металла. Но ведь это прекрасный способ получения очень мелких порошков. И особенно ценен он, если нужно получать порошок такого твердого и тугоплавкого материала, как вольфрам! Но на этом работа инженеров не закончилась. Оказалось, что с помощью искры можно в том же вольфраме получать отверстия самой причудливой формы. Невероятно: мягкий медный инструмент с помощью искры легко проникал в твердый вольфрам. Так родилась электроискровая обработка. И очень вовремя. Шла Великая Отечественная война. На заводе, изготавливавшем авиационные двигатели, в блоках цилиндров нужно было сверлить глухие отверстия малого диаметра, не имеющие выхода насквозь, и нарезать в них резьбу. Иногда метчик — инструмент, которым резьбу нарезают, ломался, обломок застревал в отверстии. Извлечь его оттуда было чрезвычайно трудно, требовалось много часов работы. Испорченные блоки накапливались, занимали производственные площади. Положение спас электроискровой метод: в отверстие наливали масло, опускали туда электрод квадратного сечения и за полчаса в обломке метчика выжигали квадратное отверстие. Теперь в него можно было вставить специальный стержень и вывернуть застрявший обломок. Если же это почему-то не удавалось сделать, обломок просто выжигали полностью меньше чем за час.
После войны удостоенные за свое изобретение Государственной премии супруги Лазаренко приехали в Молдавию. Руководимый Б. Р. Лазаренко Институт прикладной физики Академии наук МССР широко известен сегодня во всем мире. Здесь развивают и совершенствуют электрические методы обработки металлов, а в последнее время нашли искре и новую работу: обрабатывают фрукты. Искры разрушают межклеточные стенки и увеличивают выход сока. Появился и способ нанесения тончайших покрытий на металлические детали электроискровым способом.

Еще создатель электросварки Н. Н. Бенардос предлагал использовать искровой разряд для повышения плодородия почвы за счет обогащения ее озоном, образующимся при разряде, а также за счет улучшения усвояемости азота. В наши дни предложено с помощью искры уничтожать сорняки, стерилизовать почву, обеззараживать сточные воды.

Огромную силу приобретают искры при разряде в жидкости. Благодаря ее несжимаемости возникает гидравлический удар, способный разрушать самые твердые материалы. В институте сверхтвердых материалов с помощью электрогидравлического удара, получившего имя его изобретателя Л. А. Юткина, превращают синтетические алмазы в порошок. Алмазные порошки, необходимые для изготовления прочных шлифовальных кругов, такой тонкости измельчения не удается получить никаким из известных способов дробления.
Сегодня зарегистрированы сотни изобретений, использующих эффект Юткина. Нужно очистить поверхность металла от окалины? Поместите его в ванну и поручите заботам электрогидравлического удара. Эффект применяется для обеззараживания воды (мощный удар разрывает оболочки бактерий), штамповки из металлических листов. Используют его и в горном деле: для бурения, дробления и обогащения руд, забивания свай. С помощью электрогидравлического удара можно активизировать химические процессы, обрабатывать почву и еще многое другое.
Задача 43. Трансформаторы некоторых типов для удобства закапывают в землю. Однако при этом резко ухудшается охлаждение корпуса, трансформатор может перегореть. Как быть?
Задача 44.
Для опытов и селекционной работы ученым приходится собирать с цветов пыльцу. Это довольно трудоемкая работа. Как ее улучшить?
CОКРОВИЩА ВОКРУГ НАС

ИГЗ: "Янтарные изобретения"

Разговор в учительской

ЗАДАЧИ:

РАЗГОВОР В УЧИТЕЛЬСКОЙ

В прошлый раз поговорить после занятия Изобретателю и Физику не удалось — последнего вызвали на совещание. Но накануне следующего урока Физик позвонил и попросил Изобретателя прийти в школу пораньше. Физик встретил его с большим энтузиазмом.
— Знаете, я, кажется, нашел еще одну возможность использовать ТРИЗ в преподавании физики. Дело в том, что на олимпиадах, вступительных экзаменах в институте часто дают задачи на сообразительность. Их ребята боятся больше всего — неизвестно, как готовиться. Вот, взгляните на эту книжку В. Н. Ланге Экспериментальные физические задачи на смекалку. Я ее перечитал, большинство задач — типичные изобретательские. Их можно прекрасно решать с помощью ТРИЗ. И самое главное — уметь как можно полнее использовать ресурсы. Вот, например.
Задача 45.
Аквалангисту необходимо измерить глубину озера. Но никаких приборов у него нет, кроме обычной цилиндрической мензурки с делениями. Тем не менее аквалангист с задачей справился. Как?
— Действительно, интересная задача,— сказал Изобретатель.— Раз прибора нет, нужно воспользоваться ресурсами. Единственный ресурс — мензурка с делениями. С помощью делений можно определить только объем. Имеем информационный ресурс — измерение объема, а нужно глубину. Значит, нужно найти физический эффект, связывающий глубину под водой и объем. Ну, это просто. Глубина связана с давлением, а давление — с объемом. Давление растет с увеличением глубины, а объем, занятый воздухом, будет уменьшаться с ростом давления. Значит, нужно нырнуть в воду, держа мензурку так, чтобы сохранить в ней объем воздуха, то есть вверх дном. — Да, это закон Бойля-Мариотта: произведение давления на объем — величина постоянная,— уточнил Физик. — Осталось определить, как пересчитать деления мензурки в глубину. Наверху давление — 1 атмосфера. Десять метров воды — еще одна атмосфера, значит, на глубине в 10 метров воздух в мензурке сожмется вдвое. Получается соотношение:
I = 10a/b(м),
где I — глубина в метрах; а — число делений, занятых водой; b — число делений, занятых воздухом. Впрочем, для расчета по этой формуле нужно два замера а и Ь. Можно сделать так, чтобы делать только один. Тогда формула изменится:
I=10 a/(c-a)
где с — длина мензурки.
— В принципе правильно,— сказал Физик,— хотя в ответе формула несколько иная, более точная. Она учитывает плотность воды и величину атмосферного давления.
— Конечно, мой расчет приближенный, для предварительной оценки. Но я убежден, что одно из важнейших достоинств инженера — умение сделать вот такой приблизительный расчет без особых сложностей. Самое интересное, что в подавляющем большинстве случаев его точности вполне достаточно. Давайте прикинем, насколько моя формула хуже, чем та, что в учебнике. Здесь написано:
I=(P0/(*g))*(a/b)
 Здесь Р0 — давление,   — плотность воды, g — ускорение свободного падения. Выпишем их значения: Р0 = 101,3 кПа; = 103 кг/м3; g = 9,8 м/с2.
Изобретатель вытащил микрокалькулятор, с которым он не расставался с тех пор, как сменил на него логарифмическую линейку, и подсчитал: (101,3*103)/(103*9,8)= 10,35.
— Итак, если а= b, то по моему расчету глубина равна 10 метрам, а по точному — 10,35 метра, то есть ошибка в 3,5%. Это много или мало? Как посмотреть. А смотреть нужно так: сравнить точность расчетов с точностью измерений. Мы меряем глубину по делениям мензурки, и ошибка при этом не менее 10%, и то, если деления частые. Если нет — будет еще больше. Да и атмосферное давление колеблется в нормальных условиях процентов на пять, плотность воды зависит от ее температуры, солености, других добавок. Так что можно вполне считать с ошибкой в 3,5% — зато насколько проще расчет! Этому тоже нужно ребят учить.
— Конечно,— согласился Физик.
— А задачка действительно очень хорошая,— продолжал Изобретатель.— Учит думать и учит физике.
— Здесь таких задач много. И я подумал, что для их решения хорошо бы сделать специальную таблицу, в которой отразить связь между разными физическими величинами. Я весь выходной сидел и вот что сделал,— Физик протянул Изобретателю большой лист, разграфленный на клетки. По горизонтали и по вертикали были выписаны различные параметры, а в местах пересечения — в клетках стояли цифры.
— Это — физические эффекты, связывающие параметры,— сказал Физик.—- Здесь у меня список разных физических эффектов по порядку. Вот, смотрите, например, мне нужно определить электрическое сопротивление. Оно связано с длиной и сечением проводника, его удельным сопротивлением, температурой, величиной тока, напряжения. Я хочу попробовать с ребятами составлять такие таблицы прямо на занятиях. Пригодится для физики. Но не только. Я у них еще информатику веду, скоро у нас дисплейный класс будет, мы такие таблицы введем в ЭВМ. Нажал пару кнопок — и задача решена! По-моему, это будет полезно и для изобретательства, не так ли?
— Для ребят, безусловно, очень здорово. А вот для изобретательства...— Изобретатель замялся, не желая разочаровывать физика.— Понимаете, там все сложнее. Такие попытки были, и сейчас в разных местах их составляют для синтеза измерительных систем, датчиков. В принципе и это полезно. Но этого часто совсем недостаточно,— говорил Изобретатель, листая книжку Ланге.— Вот смотрите, другая задача...
Задача 46.
Необходимо возможно точнее узнать диаметр тонкой проволоки, располагая только школьной тетрадкой в клетку и карандашом. Как поступить?
Физик несколько раз посмотрел свою таблицу, но ничего подводящего не нашел. И очень расстроился.
— Не огорчайтесь,— стал его успокаивать Изобретатель,— подойдите к ней с позиций ТРИЗ.
— Единственный информационный ресурс — клеточка. Ее размер — 5 миллиметров, это довольно точная величина. Но диаметр проволочки, как сказано, очень мал. Если бы он был большим, его можно было бы измерить с помощью клеточек. Ага, противоречие: проволока должна быть толстой, чтобы можно было измерить ее диаметр с помощью клеточек, и должна быть тонкой, чтобы...
— Чтобы удовлетворять условию задачи,— помог сформулировать Изобретатель.
— Хорошо. Как же это противоречие разрешить? Во времени или в пространстве не получается...
— А вы вспомните про системные переходы из таблицы, которую ребятам дали.
— Точно! Вся система наделяется одним свойством, а ее части — противоположным! Толстая проволока из тонких проволочек... Ясно! Нужно намотать проволоку на карандаш поплотнее, виток к витку, чтобы получилось на целое число клеточек, а потом это число разделить на количество витков... Да, а таблица моя не помогла.
— Не расстраивайтесь, таблица ваша очень полезна, этим стоит заниматься. Только работа эта непростая. Ведь кроме тех величин, от которых зависит сопротивление, названных вами, есть и много других, не упоминаемых в школьной программе. Кроме того, следовало бы учесть сам характер зависимости, эффекта. Например, сопротивление металлов линейно возрастает с увеличением температуры. А у хрома при температуре 37С электропроводность изменяется резко, скачком. Вообще и другие его физические свойства — упругость, коэффициент линейного расширения, термоЭДС — ведут себя аналогично. И эта аномалия до сих пор не имеет хорошего объяснения. Скачком изменяется и электропроводность газа при пробое. А есть эффекты с очень сложными зависимостями: квадратичными, кубическими и так далее. А еще... Впрочем, идея есть одна, я о ней часто думаю, но времени не хватает заняться вплотную. Понимаете, разных эффектов, закономерностей, законов в физике десятки тысяч. Но ведь большинство их довольно сложны, включают в себя по нескольку других. Например, закон Архимеда. Из чего он состоит? Во-первых, каждое тело имеет свойство занимать собой какое-то пространство. Два тела не могут одновременно занимать одно и то же место. Во-вторых, на каждое тело действует гравитационное поле. В-третьих, тела имеют разную плотность, то есть по-разному взаимодействуют с гравитационным полем...
— В-четвертых, закона Архимеда бы не существовало, если бы давление в жидкости не передавалось бы равномерно во все стороны — закон Паскаля,— добавил Физик.
— А все вместе — это закон Архимеда! Наверное, можно разобрать на составные части и другие эффекты, закономерности.
— Но зачем? — не понял Физик.— Ведь если их сейчас десятки тысяч, то... Понятно! — воскликнул он.— Это как кирпичи, из которых дома строят. Кирпичи одинаковые, а дома разные! Таких эффектов-кирпичиков будет, наверное, и не так много, Во всяком случае, я с ребятами попробую поработать с простейшими школьными эффектами... А чем эта работа будет полезной для изобретательства?
— Одна из непростых проблем сегодня в ТРИЗ — это переход от формулировки физического противоречия к его разрешению. Нередко бывает очень трудно угадать, какой физический эффект может обеспечить выполнение противоположных требований. Как вспомогательный прием мы используем моделирование маленькими человечками — рисуем картинки, стараемся с помощью человечков определить требуемое действие, построить из человечков нужный эффект. Вообще-то человечки очень хорошо моделируют простейшие эффекты, которые могли бы стать кирпичиками...
Вот такие таблицы — таблицы эффектов-кирпичей — наверняка можно будет легко заложить в ЭВМ. Несомненно, найдутся и какие-то закономерности их объединения (строительные законы). Быть может, так удастся открыть и новые, пока неизвестные эффекты. Дополнительное задание. Попробуйте сами составить таблицы физических эффектов, подобные описанным выше. Это, без сомнения, поможет вам лучше понять физику, научиться ее использовать.
Дополнительное задание. Попробуйте сами составить таблицы физических эффектов, подобных описанным выше.  Это, без сомнения, поможет вам лучше понять физику, научиться ее использовать.
вверх продолжение... вверх