©Злотин БОРИС ЛЬВОВИЧ, ©Зусман АЛЛА ВЕНИАМИНОВНА.
Изобретатель пришел на урок
иллюстрации:
©А.Д. Гладышев,
©Н.А. Асланова
публикация на сайте http://jlproj.org
ПОЛЕЗНЫЕ ДИВЕРСИИ
Разговор в учительской
ИГЗ: Искусство "Химичить"
ЗАДАЧИ:
ПОЛЕЗНЫЕ ДИВЕРСИИ
— Дело было в конце прошлого века. На одном из заседаний Лондонского королевского общества выступал сэр Уильям Крукс и убеждал своих коллег в существовании телепатии,— так начал урок Изобретатель в десятом классе.— Ученые слушали Крукса очень внимательно, они ему доверяли, не случайно они избрали Крукса своим президентом. «Я сам это проверил! — говорил Крукс.— Ко мне пришли два брата, оба высокие, с пронзительными черными глазами. Они проделывали удивительные вещи. Я запер одного из них в подвал, а второго поместил в комнату на четвертом этаже своего дома. Я входил в комнату и тихо говорил ему первое попавшееся на ум слово. Потом запирал дверь на ключ и спускался в подвал к первому, и он тут же повторял мне это слово! Никакой связи между ними не было, подвал был без окон...— Говорили слово — и все? — удивлялись коллеги.
— Ну, не совсем. Когда я произносил слово, телепат клал мне на плечи руки и долго-долго вглядывался в мои глаза. И тот, что в подвале,— тоже: сначала обнимал меня и вглядывался в глаза, а потом говорил слово...
— И как они объясняли этот феномен?
—Телепаты сказали, что я сам являюсь переносчиком «телепатической» энергии, тайну они узнают через мои глаза... Конечно, они демонстрировали свое умение не бесплатно, но за такое открытие не жалко и заплатить!»
— Как вы считаете, ребята, телепатия существует? — спросил Изобретатель. Ребята зашумели, заспорили, но в конце концов выяснилось, что в телепатию они не верят. А что касается братьев с черными глазами, то у них, наверное, был портативный радиопередатчик, как у милиционеров.
— Ребята, когда было изобретено радио?
— В конце прошлого века.
— А вы представляете, каковы были размеры радиоаппаратуры тогда? Радиосвязь можно исключить. Нужно найти другое объяснение. Только не гадать. Давайте работать по правилам. В чем у нас задача?
— Мы должны узнать, что произошло.
— Главное, как!
— Верно. Наша задача — выяснить механизм происшествия, явления. Такие задачи называются исследовательскими. А теперь запомните главное правило. Если нужно решить исследовательскую задачу, ТРИЗ рекомендует использовать прием «обращение задачи». Он заключается в том, что вместо вопроса «Как это произошло?» мы ставим вопрос «Как это сделать?». В такой постановке у нас задача стала изобретательской. А что делать с изобретательской задачей?
— Решать с помощью ТРИЗ!
— Безусловно. Давайте разбираться с телепатами. Представьте, что вы и есть эти братья. Как передать сигнал с верхнего этажа в подвал? Перестукивание? Вообще-то можно. Но учтите, что труб отопления тогда в Англии не было, комнаты отапливались каминами. Да и Крукс бы услышал. Это не годится. Телефон тогда был, конечно, известен. Но заранее телефонизировать дом братья вряд ли могли. Загипнотизировать Крукса, чтобы он забывал сказанное им слово, и внушить ему, что любое слово, названное вторым «телепатом», и есть то самое? Остроумная идея. Только, если братья были такими сильными гипнотизерами, им ничего не стоило обойтись без этого маскарада. Нет, ребята, вы все делаете одну и ту же ошибку. Впрочем, это не ошибка. Просто я не объяснил вам второго правила: в исследовательских задачах решение всегда получается за счет использования веществ, полей, которые уже есть в системе,— за счет ресурсов. Вам нужно передать сообщение. Какие ресурсы у вас есть? Правильно, единственная связь между братьями — сам Крукс, который ходит туда-сюда. Но его не попросишь помочь. Получается противоречие: Крукс должен передать сообщение, чтобы опыт удался, и не должен передавать, чтобы он был уверен в чистоте опыта. Совершенно верно, он должен передавать сообщение незаметно для самого себя. Как самым простым образом использовать Крукса в качестве переносчика слова?
— Дать ему записку! Но чтобы он сам не заметил!
— Братья клали Круксу руки на плечи! Очи могли таким образом прикрепить ему на спину записочку и снять ее!
— А написать ее можно было незаметно, например, держа руку с карандашом в кармане! Ребята обсуждали возможности реализации придуманного ими способа. Потом спросили:
— А вы как считаете, есть телепатия или нет?
— Не знаю,— ответил Изобретатель.— Может быть, и есть, элько в случае с Круксом налицо было...
— Жульничество! — весело подхватили ребята.
— Да, жульничество, только не простое, а хитрое, изобретательское, его труднее придумать и труднее обнаружить. Не зря прославленный ученый попал впросак. Такие «телепаты» и сегодня промышляют. Они соглашаются демонстрировать свое «искусство» перед учеными, журналистами, но всегда отказываются выступать перед профессиональными иллюзионистами, эокусниками, боятся разоблачения! Но довольно о жуликах. Вот другая задача.
Задача 38. В начале тридцатых годов в нашей стране началась разработка новейшей парашютной техники, обеспечивающей возможность выброски больших десантов. Занималось этой работой Особое конструкторское бюро под руководством комдива Павла Игнатьевича Гроховского, опытного изобретателя, человека необыкновенной смелости. Он лично испытывал все свои идеи, например беспарашютное десантирование людей в особой коляске — «авиобусе», которая сбрасывалась с самолета с малой высоты и потом катилась по земле. Для сброса тяжелой техники были сконструированы огромные парашюты, диаметром в сорок метров. Все было рассчитано как будто верно, но при первом опытном сбросе купол лопнул. Случайность? Опыт повторили, и снова груз зарылся в землю. Что делать? Шить парашюты из более прочного материала? Но такой материал тяжелее, а парашют и так весил почти 500 килограммов! И потом, почему все-таки рвались парашюты? Ведь они по форме были полностью подобны обычным и соответственно рассчитаны с тем же запасом прочности.
С минуту ребята молчали, потом пошли первые предложения. Разумеется, они совсем забыли о правилах, которые Изобретатель только что им рассказал.
— Нитки были гнилые!
— Диверсанты подрезали купол!
— Неправильный расчет!
— Слишком тяжелый груз!
Изобретатель терпеливо объяснял, что нитки были хорошие, что вообще все проверялось, было отличного качества. Идеи постепенно иссякли. Ребята выжидательно смотрели на него.
— Пошумели? Теперь вспомним прием обращения исследовательской задачи. Что нам нужно?
— Чтобы парашюты не рвались?
— Нет, сначала нужно узнать, почему они рвутся?
— Не почему рвутся, а как сделать, чтобы рвались!
— Но это же диверсия!
— Правильно, мы придумываем, как устроить диверсию, чтобы сделать ее невозможной,— сказал Изобретатель.
— Так что давайте временно превратимся в диверсантов.
— Диверсию придумать легко, уже предлагали подрезать купол или стропы. — Но это так же легко и проверить. Не сомневайтесь в том, что все парашюты внимательнейшим образом были осмотрены и до сброса, и после. Никаких следов подрезов! Я повторяю вопрос: что нужно сделать, чтобы парашют лопнул?
— Дернуть посильнее!
— Хорошо. А как?
— Дергает груз. Но если груз расчетный, то от этого парашют не должен разорваться. Значит, груз должен быть больше!
— Да ведь сказано было, что груз— нормальный!
— Не спорьте, ребята. Просто здесь противоречие. Кто его сформулирует? Груз должен быть большим, чтобы лопнул купол, и не должен быть большим, чтобы не превышать расчетного или чтобы не заметили при взвешивании. Как такое противоречие разрешить? Во времени? Хорошо. В момент сброса большой, а при взвешивании малый, обычный. То есть груз должен увеличиться в момент раскрытия парашюта. Можно это сделать незаметно? Правильно, трудно. Где же выход? Не знаете? Давайте разберемся. От чего зависит сила, с которой груз дергает парашют? От силы тяжести, понятно. Можем мы ее увеличить? Нет. А если нам нужно увеличить силу рывка? Найти еще какую-то силу? Давайте искать. Откуда ее взять? Представьте себе, что вы стоите на доске, концы которой опираются на два камня. Вы хотите доску сломать, а ничего, кроме собственного веса, у нас нет. Что делать? Встать на доску посередине. Встали, а она не ломается. Что дальше? Подпрыгнуть? Отлично. Видите, силу толчка, рывка, можно увеличить, если как следует разогнаться. А теперь вернемся к парашюту. Что нам нужно? Чтобы груз разогнался. Груз успеет разогнаться, если парашют будет раскрываться медленно. Так ведь большой парашют и будет медленно раскрываться. Груз падает, разгоняется и в момент раскрытия парашюта получается рывок гораздо больше расчетного. Все теперь ясно? Хорошо. Задачу на объяснение причины аварий мы решили. Но как же все-таки сбрасывать большие грузы? Это новая задача. Сначала мы искали причину непонятного явления, а сейчас мы должны придумать, как ее устранить или использовать, если возможно... Как можно избавиться от неприятности?
— Нужно сделать так, чтобы груз не успел разогнаться!
— А как?
— Например, ускорить раскрывание парашюта.
— Можно, только эта задача очень сложная. А еще есть предложения?
— Нужно просто задержать груз! Пусть он начинает падать после того, как парашют раскроется.
— Парашют раскрывается еще в самолете!
— Он там не поместится.
— Стоп! Снова противоречие: парашют должен быть открыт заранее, чтобы не было сильного рывка, и не должен быть открыт заранее, потому что не помещается в самолете.
— А почему раскрытый парашют должен быть обязательно в самолете? Пусть он раскрывается вне самолета, а груз выбросить за ним!
— Действительно! Здорово!
— Это верно, что здорово, но очень опасно,— отрезвляюще прозвучал голос Изобретателя.
— Ведь если случайно задержать груз дольше положенного, парашют запросто может повредить самолет, хвост ему оторвать, например. Или сорвать самолет в штопор. Опять новая задача. Так очень часто бывает — цепочка. Одна тянет за собой другую, кажется, им нет конца. Но если не решить хотя бы самую простую из них, не будет и решения главной задачи.
— Нужно придумать выталкиватель! С часовым механизмом.
— Разве можно заранее определить время? Лучше датчик, который будет сигнализировать, что парашют раскрылся и можно выбрасывать груз.
— Хорошо. А теперь скажите, что такое идеальный выталиватель?
— Выталкивателя нет! А выталкивание есть.
— Кто же тогда будет,выталкивать?
— Сам груз... или парашют.
— Точно! Парашют сам может вытянуть груз, когда раскроется! Только нужно, чтобы груз наготове стоял.
— Этот способ получил название «десантирование тяжеловесов методом срыва»,— сказал Изобретатель.
—К сожалению, ученые из ЦАГИ — Центрального аэрогидродинамического института — тогда дали на него отрицательное заключение. Они считали, что самолет при этом обязательно сорвется в штопор и люди погибнут. Командующий военно-воздушными силами Я. И. Алкснис запретил проводить испытания. Но П. И. Гроховский все-таки провел их, несмотря на запрет. Испытания прошли успешно. Конечно, за нарушение приказа Гроховский понес наказание, но страна получила новый метод десантирования. И во время войны выяснилось, что он годится не только для тяжеловесов. Когда самолет находится низко над землей — десятки метров, прыгать с парашютом нельзя — он не успеет раскрыться. Но если раскрыть его до прыжка, только выбравшись из кабины, то через несколько секунд пилот оказывался стоящим на земле. Этот метод спас жизнь сотням летчиков.
— А еще задачку дадите?
— Дам. И тоже исследовательскую. Только на этот раз мы будем работать немного по-другому, ближе к настоящей науке,— ответил Изобретатель.
— Как идет научное исследование? Вот ученый придумал гипотезу. Теперь нужно ее проверить. И он «задает» природе вопрос — ставит эксперимент, в результате которого получает ответ. Я буду работать за «природу». Вы задаете мне вопрос, я за нее отвечаю, верна ваша гипотеза или нет. Вы описываете эксперимент, который хотите поставить, а я скажу, что в его результате получится. Договорились? Ребята с энтузиазмом слушали условие новой задачи.
Задача 39. В начале семидесятых годов в нашей стране создавались первые цветные телевизоры. Проблем, конечно, было много, но речь пойдет об одном странном явлении. Телевизор тщательно настраивали, то есть сводили в одну точку три луча: «красный», «синий», «зеленый» так, чтобы точка получилась белой. Телевизор мог сколько угодно работать — настройка не сбивалась. Но стоило телевизор хоть на секунду выключить — на экране вместо белой точки появлялись три цветных. При последующих выключениях-включениях точки снова перемещались, хотя и оставались вблизи друг друга. Как это объяснить?
— Итак, с чего начнем решение? Правильно, нужно «обратить» задачу. У нас есть хорошее изображение, мы должны его испортить.
—Как? Сдвинуть лучи? Хорошо. Как телевизор устроен, представляете? Верно, луч — это поток электронов. Как можно им управлять?
— Электрическим или магнитным полем! В телевизоре есть специальные отклоняющие системы... Может быть, они забарахлили?
Но Изобретатель на этот вопрос ничего не ответил. Ребята вспомнили — нужно поставить эксперимент для проверки этой гипотезы. Отклонение зависит от напряжения на отклоняющих электродах и на «пушке», создающей поток электронов. Нужно проверить, как изменяется это напряжение до выключения и после. Если оно меняется, значит, виновато напряжение.
— Хороший эксперимент,— сказал Изобретатель.— Только вот беда: проверили — ничего не меняется! И напряжение, и ток — постоянны.
Ребята обескуражены. Они не сразу понимают, что отрицательный ответ тоже несет информацию. Раз на электродах ничего не меняется, значит, создаваемые ими поля неизменны. Но точки перемещаются. Значит, какие-то поля есть. Противоречие!
— Можно противоречие в пространстве разрешить. Какие-то поля могут быть и вне управляющей системы. Так?
Но Изобретатель снова молчит. Нужно сформулировать эксперимент по проверке влияния полей других источников на работу телевизора.
— Не забудьте, что явление связано с включением-выключением,— напоминает он.
— Электрическое поле создается зарядами. Может быть, при выключении или включении на каких-то деталях возникают заряды? Это ведь можно проверить?
— Можно, конечно. Проверили. Нет зарядов,— коротко отвечает Изобретатель. — Ясно. Будем искать магнитное поле. Приборы для этого тоже есть. Откуда оно может взяться?
— Вообще-то в телевизоре немало всякого железа. Шасси, сердечники трансформаторов, дросселей...
— Это сказал мальчик, занимающийся в кружке радиоэлектроники.
— Чего? — переспросил кто-то из ребят.
— Дросселей — так называют катушки индуктивности. У них обычно сердечники из железа, чтобы индуктивность была выше,— объяснил знаток.— В принципе, если их намагнитить, они могли бы создавать паразитное магнитное поле.
— Почему паразитное? — опять не поняли ребята.
— Потому что вредное, ненужное,— ответил мальчик.
— А почему бы нам не подойти иначе? — вмешался Физик, который тоже заинтересовался задачей, но ответа не знал.
— Нужно посмотреть, что происходит при выключении-включении. Мне кажется, в этой операции спрятана вся хитрость. Вот мы включили ток, и человечки-электрончики побежали по своим дорожкам в транзисторы, конденсаторы, катушки индуктивности, трансформаторы... Выключили — остановились. Может так случиться, что эти пуски и остановки при разных включениях-выключениях происходят немного по-разному?
— Это новая гипотеза. Как ее проверить? — спросил Изобретатель.
— Нужно посмотреть, что происходит в электрических цепях. Это можно сделать с помощью осциллографа,— снова подключился радиолюбитель.— Будет меняться картинка на осциллографе?
— Будет,— подтвердил Изобретатель.— Картинки зависят от многих параметров — в какой момент выключили, в какой включили.
— Не подсказывайте! — закричали ребята.— Мы сами хотим разобраться. Только мы не знаем, как выглядят эти картинки.
— Картинки я вам нарисую,— согласился Изобретатель.
— Только в разных местах схемы они могут быть разные. Например, такие... Или такая...
— А почему кривые на картинках так сильно меняются? В момент включения один вид, а потом — другой?
— Начальный момент называется переходным процессом. А потом режим устанавливается.
— А что меняется в этих картинках при разных включениях?
— Меняются только переходные процессы. Нормальный режим не меняется. — Значит, ток в начальный период может немного меняться?
— Да.
— И по-разному перемагничивать железо?
— Да. В этом и была причина расхождения лучей. Трудно было решать?
— Трудно!
— Ничего. Знаете, сколько времени эта задача «терзала» специалистов? Полгода!
— Ух, какие мы гениальные! — воскликнула девочка.
— Никакие вы не гениальные,— засмеялся Изобретатель.— Разве можно назвать силачом крановщика, который одним нажатием пальца поднимает огромный груз? У него не сила, а хороший инструмент. И у вас есть инструмент — ТРИЗ. Конечно, сегодня я немного помогал вам. Но если будете стараться, успехи придут.
ПОЛЕЗНЫЕ ДИВЕРСИИ
Разговор в учительской
ИГЗ: Искусство "Химичить"
ЗАДАЧИ:
РАЗГОВОР
В УЧИТЕЛЬСКОЙ
— Вы неплохо подготовили ребят,— сказал Изобретатель Физику.— Они
сносно формулируют противоречия, идеальностью пользоваться умеют...
—Я с ними на факультативе рещал изобретательские задачи из книг, которые у вас взял. Противоречия они действительно формулируют, а вот с разрешением пока не так хорошо, как хотелось бы. Я подумал — может быть, стоит их познакомить с таблицей разрешения противоречий?
— Из АРИЗ? Хорошая мысль. Знаете, мы сделаем плакат! — загорелся Изобретатель.— Повесим его в кабинете. Только желательно примеры подобрать поближе к школьному курсу.
| РАЗРЕШЕНИЕ ФИЗИЧЕСКИХ ПРОТИВОРЕЧИЙ | |
| Разделение противоречивых свойств в пространстве | ФП: отверстие стока в баке должно быть маленьким, чтобы вода вытекала медленно, и не чивых должно быть маленьким, чтобы не засорялось. Предложено отверстие стока сделать достаточно большим, а малым — другое отверстие, через которое в бак поступает воздух взамен вытекшей воды. Вода будет вытекать медленно по мере поступления воздуха |
| Разделение противоречивых свойств во времени | П: поплавок, предохраняющий молоко в цистерне молоковоза от плескания, должен быть большим, чтобы покрывать всю поверхность, и малым, чтобы извлекаться через узкую горловину при мойке цистерны. Предложено сделать поплавок из набора шаров — поплавков с магнитными вкладышами. В момент извлечения и засыпки — это груда шаров, а в остальное время — сплошное покрытие, сцепленное магнитными силами |
| Разделение противоречивых свойств системным переходом - объединением в надсистему или дроблением | Ацетатную нить скручивают из множества тончайших волосков. ФП: цветов нитей должно быть много, чтобы получать разные ткани, и должно быть мало, чтобы не приходилось часто мыть оборудование при смене окраски. Предложено постоянно производить волоски трех основных цветов: красного, синего и зеленого, смешивая их в нужной пропорции для получения любого цвета (как в цветном телевизоре). Изменение яркости можно производить введением бесцветной нити |
| Разделение противоречивых свойств фазовым переходом | Для тренировки стрелков машина выбрасывает в воздух керамические тарелочки. ФП: тарелочки должны быть, чтобы тренироваться, и не должны быть, чтобы не засорять полигон осколками. Предложено делать тарелочки из льда |
| Разделение противоречивых совйств за счет физико-химического взаимодействия | ФП: давление воздуха внутри электродвигателя насоса, работающего под водой, должно быть повышенным, чтобы вода не попадала внутрь, и не должно быть повышенным, чтобы не потребовалось дополнительное оборудование. Предложено поместить внутрь вещество, разлагающееся при попадании воды с выделением большого количества газа |
— Отлично! И вот еще что. Мне понравилось, как мы решали последнюю задачу — с устными экспериментами. По-моему, это для ребят очень полезно. Настоящие эксперименты проводить дорого, их количество всегда ограничено, недостаточно для приобретения навыков исследовательской работы. А с устными — никаких ограничений. Я думаю, что подобным образом можно различные темы по физике проходить. Например, не рассказывать им про опыты Рёмера, Физо или Фуко по измерению скорости света, а предложить самим спланировать и описать опыт. Я это тоже попробую на факультативе.
— Придумать хороший эксперимент — большое тонкое искусство,— сказал Изобретатель. — Этому следует учить. Я хочу предложить вам попробовать еще одно учебное упражнение, придуманное Г. С. Альтшуллером, оно называется «Тайна облачной планеты», мы его использовали в курсе развития творческого воображения. Суть его в следующем. Космический корабль приблизился к неизвестной планете, покрытой тонким, но сплошным слоем облаков. Слой облаков условный — сквозь них могут пройти специальные автоматические станции, отправляемые с корабля, но никакое излучение не проходит, никакая связь между станцией и кораблем невозможна. На планете действуют те же физические условия, что и на Земле. Но один какой-то фактор изменен, например тяготение или скорость распространения света. Так вот, задавая станциям различные программы исследований, нужно определить, причем с минимальным числом попыток, какой именно фактор изменен. Вы, преподаватель, отвечаете за планету, а ваши слушатели задают действия станции. Как происходит игра, я вам сейчас прочитаю,— Изобретатель достал из сумки книгу А. Б. Селюцкого и Г. И. Слугина «Вдохновение по заказу».
— В этой книжке две главы написаны Г. С. Альтшуллером, в том числе и про облачную планету.
«— Посылаем станцию с таким заданием: опуститься на поверхность, взять пробы грунта, воздуха... Программу коллективно дополняют: измерить радиацию, сделать снимки и т. д.
— Программа готова. Запускаем станцию.
— Прекрасно. Запустили. Но она не вернулась.
— Как это — не вернулась? Почему?
— Это ваше дело — узнать, почему...
— Хорошо. Отправим еще три станции. В разные места.
— Станции не вернулись...
— Количеством станций мы не ограничены?
— Нет.
— Тогда посылаем еще десять станций.
— Станции не вернулись...
— Ни одна? Учтите, наши станции имеют автоматы, выводящие их на посадку только в безопасном месте.
— А как они узнают, что место безопасно?
— По рельефу хотя бы. Если внизу ровный грунт, значит, безопасно.
— Прекрасно. И все-таки станции, снабженные системами выбора места посадки, не вернулись... Что будете делать дальше?
— Наверное, опасно садиться на поверхность... Пошлем еще одну станцию, но с другой программой. Пусть станция опустится под эти облака, сделает снимки и сразу вернется. Спуститься она должна совсем немного — на метр, не больше.
— Станция вернулась.
— Наконец-то! А снимки получились? .
—Да.
— И что на них?
— Степь, река, холмы, лес... Все как на Земле. Снято с высоты в десять километров. Взяты пробы атмосферы — воздух тоже, как на Земле. Опасной радиации нет.
— А почему посланные в этот район станции не вернулись?
— Это уж ваше дело — узнать, почему...»
Упражнение иногда длится очень долго. Пока не выяснится, что на планете замедленная скорость света— в сотни тысяч раз меньше, чем на Земле.
— Интересное упражнение,— согласился Физик.— Но, наверное, есть какая-то оптимальная стратегия? Чтобы не губить ракеты пачками?
— Оптимальная стратегия есть. Но, конечно, ребята должны
ее сами найти. Она заключается в том, что знакомство с планетой нужно
начинать с микродействия: поднырнуть под облака
на метр, на секунду. Потом увеличить радиус действий: глубже
под облака, подольше. Но вся прелесть упражнения в том, что
даже если ребята найдут правильную стратегию, игра все равно
не потеряет смысла. Ведь главное все же в том, чтобы определить
неизвестный измененный фактор. А для этого они должны задавать вопросы
— эксперименты. А вы — это очень важно —
должны отвечать только на конкретные вопросы. По сути дела,
они сначала должны придумать гипотезу — причину гибели,
потом сформулировать эксперимент, который должен дать ответ, правы они
или нет. А измененный фактор может быть самым
разным: огромное давление или сверхплотность
атмосферы, сверхвысокая или близкая к абсолютному нулю температура,
ураганы со скоростью тысячи километров в час, нелинейный рост силы
тяжести, сдвиги времени, вулканы, чужая жизнь, ловушки иного разума. — Знаете, я слушал вас и вспомнил фантастику Хола Клемента,— перебил его Физик.— Помните его повесть «Экспедиция «Тяготение»? Там действие происходит на удивительной планете Месклин. Планета невероятно велика — тяготение ее превышает земное в 700 раз. И она не шар, а что-то вроде толстой двояковыпуклой линзы и вращается так быстро, что на экваторе тяготение почти компенсируется центробежной силой, там сила тяжести превышает земную только в три раза. Атмосфера там из водорода, моря — из жидкого метана. Температура минус 150 градусов, давление — 8 атмосфер. И все же там есть жизнь и даже разум — маленькие гусеницеподобные месклиниты путешествуют по всей планете, сражаются с чудовищами размерами в сотни раз больше наших слонов. Самое удивительное это то, что в повести все совершенно логично, прослежено влияние необычных условий на жизнь планеты — просто учебное пособие по физическим эффектам!
— Ну и отлично! — одобрил Изобретатель.— Это действительно можно использовать.
— Можно придумать любую планету с особыми условиями, с разными физическими эффектами. Хорошо бы и химика привлечь, и биолога! А если населить планету разумными существами, то и учителя обществоведения. Сейчас говорят, что обучение должно быть комплексным — вот и есть комплексное задание!
—Прекрасная мысль. Правда, что-то в таком духе уже было. В Стэнфордском университете профессор Джон Арнольд учил студентов конструированию подобным образом. Он «отправлял» их на дальнюю планету «Арктурус IV», где были совершенно необычные условия, причем для каждого курса или даже студента они были разными. В новых условиях им предлагалось спроектировать дом, автомобиль, телефон — любое устройство. Нужно было преодолеть массу психологических барьеров, разобраться с условиями жизни на планете, с ее физикой, химией, психологией арктурян, чтобы выполнить курсовую работу. Студенты профессора Арнольда становились прекрасными конструкторами.
ПОЛЕЗНЫЕ ДИВЕРСИИ
Разговор в учительской
ИГЗ: Искусство "Химичить"
ЗАДАЧИ:
ИСКУССТВО "ХИМИЧИТЬ"
— Да, глуп я был,— думал Изобретатель с досадой,— считал, что раз моя специальность — электромеханика, то химия вряд ли пригодится. А ведь зачитывался в детстве фантастикой Жюля Верна, восхищался гениальным инженером Сайрусом Смитом, который в первую очередь с помощью химии сумел создать человеческие условия жизни на необитаемом таинственном острове. В школе химию «проходил», в институте — лишь бы «спихнуть», а теперь недополученные знания ой как бы пригодились! Оказалось, что химия для изобретателя — источник множества великолепных изобретений, неисчерпаемых ресурсов, позволяющих решить чуть ли не каждую задачу самыми простыми, дешевыми средствами. Преувелечение? Нисколько! Химия оперирует веществами, а в любой технической системе их полно, нужно только уметь «запрячь» их в работу. Правда, для этого нужно знать, «как хомут надевать». К сожалению, не один Изобретатель плохо знал химию — «химические» изобретения относительно редки. И хотя популярных книг по химии немало, в них почти ничего не встретишь об изобретательстве. Так что раздел «Химия» оказался самым тощим в изобретательской картотеке. Но кое-что все же нашлось.
Эту задачу Изобретателю предложил один
из его учеников прямо на
занятии. Оказывается, можно изготовить из микропровода высоковольтный
конденсатор огромной емкости (микропровод — это тончайший волосок
металла в стеклянной изоляции). Если из тысяч отрезков микропровода
собрать «пучок», затем половину проводков спаять между собой с одного
края «пучка», а другую половину — с противоположного края, то
конденсатор готов. К сожалению, уложить эти проводки толщиной в
несколько микрон через один совершенно невозможно — никакая механика не
в состоянии манипулировать такими невесомыми предметами. Ведь такой
проводок, подброшенный в воздух, парит как пылинка! Решение было
найдено с помощью химии. Нужно взять два микропровода из разных
металлов, например меди и никеля, и из них намотать катушку — это
обычная операция, хорошо отработанная для микропровода. Если потом
катушку разрезать, получим пучок, в котором чередуются волоски меди и
никеля. Теперь осталось опустить пучок одним концом в реактив,
«съедающий» никель (нужно «съесть» всего несколько миллиметров), тогда
медные проводки «выступят» вперед, затем другим — в реактив,
взаимодействующий с медью (вперед «выступят» никелевые проводки).
Теперь без труда запаиваем выступающие концы — и конденсатор готов! Умение химии избирательно действовать
на одни вещества и не действовать
на другие открывает перед изобретателями массу возможностей. Например,
детали, не терпящие повышения температуры, можно соединить химической
сваркой: на них из раствора высаживается металл, соединяющий детали.
Другая задача: как из отработавшей радиоаппаратуры извлечь имеющи¬еся в
некоторых деталях драгоценные металлы? Для этого блоки дробят и
растворяют, а из раствора извлекают золото, платину, серебро... В середине прошлого века химики
познакомились с металлорганическими
соединениями: веществами, состоящими из углерода, водорода, азота,
кислорода (это обычные для органики элементы), но включающими также
атомы металлов (металл-органических соединений много в человеке,
например важнейший компонент крови — гемоглобин содержит помимо
органики атомы
железа). Правда, полезное применение этим соединениям нашли только в
наше время. Одно из свойств металл органических жидкостей — разложение
при сравнительно невысокой температуре с выделением металла. Поэтому,
если ее нанести на поверхность горячей детали, то на поверхности
образуется тонкая пленка выделившегося из соединения металла.
Особенно здорово работает металлорганика в так называемых
металлоплакирующих (металлопокрывающих) смазках. Такой жидкостью
смазывают трущиеся детали, например в подшипниках скольжения. Как
только в таком подшипнике появится дефектный участок, трение возрастет,
он нагреется, в результате из металлорганической смазки выделится
металл, который закроет дефект и снизит трение до нормальной величины. Одной химической реакции люди обязаны
жизнью. Это — горение. Огонь
когда-то согрел человека, и с развитием человечества развивался,
набирался силы и огонь. Первым горючим материалом было дерево. Затем
научились получать дающий гораздо больше тепла древесный уголь (его
получали, прокаливая дерево без доступа воздуха, например, засыпав
землей и разведя сверху большой костер. При этом из дерева уходила
вода, летучие вещества, снижающие температуру пламени). Затем
научились использовать каменный уголь и кокс, который тоже получали
прокаливанием каменного угля без кислорода. Потом появились горючие
жидкости, гораздо более удобные в употреблении, чем твердое топливо,
горючие газы. А вот в двигателях ракет, где скорость горения гораздо
важнее тепловыделяющей способности, стали использовать различные
пороха. В двадцатые годы один из основоположников ракетостроения
Фридрих Артурович Цандер предлагал в качестве топлива использовать сам
корпус ракеты, сделанный из горючих металлов магния, алюминия. Четко
видна тенденция: сначала топливо природное (дерево, уголь), потом
измененное природное (древесный уголь, кокс, бензин), а затем и вовсе
искусственное (порох, жидкий водород). Для горения нужно не только топливо,
но и воздух, вернее, кислород, а в
более общем виде — окислитель (горение — это тоже окисление.'). И
окислитель развивался вместе с топливом. Сначала обычный воздух, потом
воздух под давлением, потом — обогащенный кислородом, затем чистый
кислород и даже озон, обладающий гораздо большими окислительными
способностями, чем кислород. Сравнительно недавно обнаружили «новый»
кислород — формула та же, что у обычного, а окислительная способность
гораздо выше. Оказалось, что два неспаренных электрона, «отвечающих» за
его «жадность» к другим веществам,
находятся в «возбужденном» состоянии, что делает его во
много раз
активнее. Такой кислород называют синглетным.
Следующий шаг в развитии окислителей —
использование ионизированного
кислорода, плазмы и далее таких могучих окислителей, как фтор. Изменялись постепенно и методы
управления горением. Сначала они были
нехитрыми — меняли количество топлива. Затем перешли к
управлению
подачей окислителя (дутьем), а позднее — введением специальных добавок
— катализаторов, которые могут обеспечить совсем непривычные режимы
горения, например, вообще без пламени, но с большим
тепловыделением
(каталитическое беспламенное горение). В ясный и безветренный день осенью
1871 года в Чикаго вдруг вспыхнули
пожары в сотне мест одновременно. Это было настоящее бедствие: погибло
множество людей, убытки составили 100 миллионов долларов. Но что было
причиной? Версия о поджогах
не подтвердилась. Метеориты в большом количестве? Но Не нашли ни
одного. Обратились к истории и установили, что подобные катастрофы
происходили и в прошлом. Некоторые
считали, что именно так погибли библейские города Содом и Гоморра. Но
наиболее вероятную причину нашли только в наши дни. В
лаборатории профессора М.Дмитриева установили,
что при определенных атмосферных условиях под влиянием солнечного
облучения и грозовых фронтов могут возникать зоны с высоким
содержанием химически активных веществ— окислов азота, перекиси
водорода и других соединений, молекулы которых имеют избыточную
запасенную энергию. Эти образования способны светиться, поэтому
получили название хемилюминесцирующие образования — ХЛО. Гипотеза ХЛО
объясняет необыкновенно высокую температуру чикагских пожаров — в их
огне плавились стальные детали, а также массовые отравления жителей
города. Советские ученые нашли и способ борьбы с ХЛО — навстречу им
стреляют градобойными ракетами, начиненными порошками алюминия,
свинца.
Но ХЛО можно поставить и на службу людям, например создавать с их помощью «химические» лампы. До недавнего времени такие лампы из смеси перекиси водорода, пирогаллола и формальдегида были неуправляемы: выключить их было невозможно, пока не прореагируют все реактивы. Сегодня удалось создать управляемую лампу. Два вещества соединяются и при этом ярко светятся. Слабый ток, проходящий между введенными в лампу электродами, разлагает получающуюся в результате реакции жидкость на исходные компоненты, которые снова вступают в реакцию. И так до тех пор, пока включен ток. У такой лампы много преимуществ: она не боится тряски, ударов, в ней нет волоска, который может перегореть, да и коэффициент полезного действия у нее выше, чем у любой другой, не нужно тратить энергию на нагрев — свечение холодное!
Одно из распространенных противоречий
в изобретательской практике:
«Вещество должно быть, чтобы..., и его не должно быть, чтобы...» Или
«Вещество должно обладать свойством А, чтобы..., и должно обладать
свойством, противоположным (А (X), чтобы...» Разрешать такие
противоречия химия умеет прекрасно. Ведь ей ничего не стоит превратить
одно вещество в другое, полностью изменить его свойства.
Увеличить выход нефти можно, разрушив породу, окружающую скважину. Для этого в нее закачивают под давлением концентрированную соляную кислоту. Дело это нелегкое — нужны мощные насосы, чтобы создать давление, достаточное для проникновения кислоты в пласт, а кислота разрушает стальные детали насоса. Нашли выход: в скважину вводятся газы хлор и водород (исходные продукты для получения соляной кислоты) в нужной пропорции, затем происходит электрический разряд, взрыв — и мельчайшие капли кислоты вбиты его силой в породу. Метод простой, эффективный, сложного оборудования не требует, повторять взрыв можно многократно.
В столовых, ресторанах, кафе требуется
большое количество мыла для
мытья посуды. Нельзя ли обойтись без него? Мыло должно быть, чтобы
посуда была вымыта, и мыла не должно быть, чтобы его экономить. Посуду
опускают в бак с натриевой содой. Остатки пищевых жиров на посуде
реагируют с содой и превращаются в соли жирных кислот — так химики
называют обычное мыло. Мыло получается само, жиры исчезают — способ
явно близок к идеальному. Как только не борются с порубщиками
елок перед новогодним праздником!
Но все равно находятся варвары, которые с топором, тайком пробираются
по ночам в пригородный лес, в городские парки и рубят красивые молодые
елочки. И вот появилась информация о простом средстве, сберегшем все
елочки вокруг небольшого городка: елочки были обрызганы жидкостью,
которая при комнатной температуре начинает испаряться с очень
неприятным запахом, о чем заранее предупредили жителей. Жидкость не
мешает елочке расти, весенние дожди смоют ее без остатка. У водителя Владимира Третьякова
случилась беда: не слил до конца воду
из радиатора своего мощного КрАЗа, в результате в двигателе появилась
трещина — замерзшая ночью вода разорвала блок. Заварить трещину
невозможно — сварной шов не выдерживает рабочих температур, давлений и
вибраций работающего мотора. Но водитель твердо решил спасти свою
машину. Трудно сказать, почему он остановился на эпоксидной смоле.
Ею, действительно, можно заклеить трещину, но она «не любит»
температурных перепадов. Тогда Владимир добавил в нее измельченную в
кофемолке слюду, которая не боится высоких температур, и алюминий,
обеспечивающий высокую теплопроводность. Потом начались испытания:
Третьяков грел на газе молочный бидон, заклеенный придуманной им
пастой. Не сразу он нашел оптимальное соотношение добавок. Но
двигатель с (заклеенной им трещиной прошел еще 365 тысяч
километров!
Сегодня уже немало двигателей и других устройств, работающих в
трудных условиях, восстановлены пастой Третьякова. Интересно, что Третьякову никак не удавалось заинтересовать своим изобретением специалистов — они считали создание подобной пасты невозможным.
С
давних времен известна операция цементации — упрочнения поверхности
металла. Для этого тончайший поверхностный слой мягкого железа насыщают
углеродом, нагревая его в течение десятков часов в присутствии
углерода (древесного угля, толченого рога). После этого деталь
подвергается закалке. В результате внутренняя часть детали, не
насыщенная углеродом, остается мягкой, пластичной, а поверхностный
(несколько десятых миллиметра) науглероженный слой приобретает большую
твердость. Цементация — очень полезная операция, ее можно было бы
широко использовать и благодаря этому экономить высококачественную
сталь, но, к сожалению, она требует много времени и энергии на
нагрев. В 1882 году русский изобретатель Николай Николаевич Бенардос предложил способ электросварки стальных деталей с помощью угольных электродов. Одним из недостатков этого способа было насыщение сварного шва углеродом из электрода, йз-за чего шов становился хрупким. И вот возникла мысль — нельзя ли обратить вред в пользу? Электрическая дуга, горящая между угольным (или графитовым) электродом и стальной поверхностью, насыщает эту поверхность углеродом почти моментально и на довольно большую глубину. Такой способ гораздо экономичнее традиционной цементации, хотя окончательно природа этого процесса еще не изучена.
В 1929 году ледокол «Красин» должен
был выйти на спасение экспедиции
итальянского полярника Умберто Нобиле, пытавшегося, на дирижабле
достичь Северного полюса и потерпевшего катастрофу. Перед
выходом в
море на ледоколе обязательно нужно было сменить несколько броневых
листов обшивки, помятых льдом в предыдущем походе. Операция эта
сложная, ведь стальные
заклепки, крепящие броневые листы, приходится срубать вручную,
зубилами. На такую работу могло уйти несколько недель, а время не
ждало, люди могли погибнуть в любую минуту. Как же ускорить работу?
Советские инженеры вспомнили, что сталь становится менее прочной при
попадании в нее кремния. Они предложили прикладывать к заклепкам
раскаленный кварцевый песок. После этого металл легко поддавался
зубилу. «Красин» вышел в море вовремя. Самый твердый материал — алмаз. С
древних времен люди знали, что его
можно отшлифовать алмазным же порошком по граням, но придать ему
какую-либо другую форму нельзя. А сегодня делают так: на кристаллик
алмаза кладут стальную шестеренку и начинают нагревать. Атомы железа
постепенно проникают в алмаз, вырывают оттуда по атому углерода и
улетают с ним (образуется летучее соединение — карбонил железа).
Процесс идет долго, но постепенно в алмазе возникает определенной
формы выемка. Однажды Изобретатель обошел несколько
десятков людей с вопросом, с чем
у них ассоциируется слово «химия»? И большинство из них, среди которых
были специалисты самых разных профессий, разных возрастов, в том числе
и люди без образования, сказали: с пластмассой. Изобретатель хорошо
помнил то время, когда не было пластмассовых изделий. Он был еще
мальчишкой, когда отец однажды принес пластмассовую вазочку. Ее
поставили на видное место — она показалась красивее, чем хрусталь. А
нейлоновые рубашки? Такие неудобные в носке, но модные и нарядные? Это
сейчас такую рубашку никто не захочет надеть, а тогда за ними гонялись.
Но пластмассы, полимеры своих позиций не сдавали. Они окружают нас — от
корпуса шариковой ручки до водоэмульсионной полимерной краски на
стенках комнаты. Среди множества ставших уже привычными
применений полимеров есть и
необычные. Однажды Изобретатель со своими коллегами долго ломали
голову: как отправить заказчикам хрупкие стеклянные приборы? Ведь при
транспортировке не избежать толчков, ударов — обязательно разобьются!
Выручил полимер. Прибор поместили в ящик и заполнили все свободное
пространство полимерной пеной. Пена затвердела, прочно ох¬ватив со всех
сторон хрупкий прибор. Теперь ящиком хоть в футбол играй — ничего не
случится! Использование смазочно-охлаждающей
жидкости — СОЖ позволяет вдвое
повысить производительность обработки металлов резанием: лучше
охлаждается инструмент, да и эффект «разупрочнения» металлов работает.
Этот эффект был открыт советским ученым Петром Александровичем
Ребиндером и по¬лучил его имя. Он заключается в том, что твердость
твердых тел понижается в присутствии жидкостей с поверхностно-активными
свойствами, например обычной мыльной воды. Жидкость проникает в поры и
«распирает» их. В 1956 году П. А. Ребиндер открыл, что аналогичным
действием обладают и расплавы некоторых металлов. Но вот появилась
полимерная СОЖ, которая повышает производительность резания в десятки
раз. В чем здесь секрет? При нагреве длинные цепи полимера разрушаются
с выделением углерода и водорода. Атомы водорода диффундируют из
горячей зоны в холодную, то есть от сильнее нагретого резца к более
холодной детали, вызывая сильное разупрочняю-щее действие (обрабатывать
деталь теперь легче). А атомы углерода идут в сторону большей
температуры, то есть к резцу, упрочняя его.
Ученые исследовали процессы горения и
вели их скоростную съемку.
Однажды в поисках малодымящей смеси (дым мешал съемкам) попробовали
поджечь смесь порошка титана с углеродом. Фильм получился отличный, а
отходы от сжигания — бесформенные куски, никого не заинтересовали. Но
когда спустя много времени все-таки догадались проанализировать их,—
изумились. Оказывается, без всяких сложностей получили карбид титана —
материал, который с трудом получали в уникальных вакуумных печах! Так
родился новый химико-металлургический процесс, получивший название
самораспространяющегося высокотемпературного синтеза (СВС).
Выяснилось, что получать новые соединения путем сжигания их в смеси
или в атмосфере одного из исходных материалов (например, в азоте)
можно достаточно просто. Более того, можно сразу получать готовые
детали, спрессовав их из соответствующих порошков и потом сжигая.
Задача 40. Известно, что слой олова предохраняет консервные банки от коррозии, к сожалению, порой слишком хорошо. И валяются выброшенные туристами банки десятки лет, уродуя природу. Правда, на Севере это не проблема: при низких температурах олово рассыпается в порошок, и лишенное защиты железо быстро корродирует. Как защитить от засорения южные края?
Задача 41. Можно ли с помощью химической реакции получить магнитное поле?