Геометрические эффекты в примерах и задачах (фрагмент)

(Указатель геометрический эффектов (УГЭ) информфонда ТРИЗ)

Историки утверждают, что геометрию придумали греки. Архимед, греческий математик, не оставил после себя записей о своих изобретениях, но, на своем надгробии, завещал изобразить сферу, вписанную в цилиндр.

Есть памятники мученикам науки – собаке в Калтушах, под Санкт-Петербургом, лягушке в Токио… Но, если бы нужно было поставить памятник в честь геометрического тела сыгравшего наиболее важную роль в развитии науки и техники, то им, безусловно был бы ШАР.

Если геометров традиционно интересуют только математические свойства геометрических форм, то изобретателя, как правило, интересует, как можно применить эти геометрические формы в новых технических решениях, т.е. ему важно знать технические функции, реализуемые геометрическими формами, их взаимосвязи с другими формами. Нас окружают технические системы, каждая из которых имеет определенную геометрическую форму. Однако мало кто знает практические приложения даже таких простых геометрических структур, как шар, треугольник, конус, спираль, синусоида, их функциональные возможности, не говоря уже о взаимосвязях с физикой и химией. Геометрию изучают обычно не с точки зрения их изобретательских возможностей, а для описания математических формул. Именно поэтому так редки новые технические решения с её применением. Очень мала доля изобретений, в которых геометрическая форма «работает» в сочетании с каким либо физическим эффектом. Как правило, изобретатели используют в технических решениях геометрию и физику в отрыве друг от друга.

Каково назначение УГЭ?

Изложение ведется в доступной для читателя форме, без специальной терминологии, без размерностей, без математических формул. Рассматриваемые эффекты излагаются кратко и иллюстрируются изобретениями и патентами, описывающими их использование в решении конкретных задач. Описания эффекта изложены простым, общепонятным языком, понятным не только специалисту, но даже школьнику и студенту. Особое внимание уделялось формулировке основной технической функции, которую, используя тот или иной эффект, можно реализовать на практике. Другими словами, задача сводилась к максимальному раскрытию практического приложения эффекта, понятия его сути и возможностей. Поэтому главное назначение – информировать читателя о возможностях геометрии в реализации технических проектов, в познании сути эффектов, в быстром нахождении нужного для решения данной проблемы эффекта и геометрической формы.

Многолетняя практика использования в информационном фонде ТРИЗ «Указателя физических эффектов» (первый разработчик – Ю.В. Горин) показала его безусловную пользу в синтезе новых технических систем. Эффекты в указателе были расположены по функциональному признаку: «эффект – техническая функция», «техническая функция – эффект». Этот принцип построения, удобный при поиске необходимых эффектов, сохранен.

Рекомендации по применению технических функций включены в общую сводную таблицу, исходя из анализа однотипного использования эффектов в различных отраслях техники. Поясним этот процесс анализа на примере построения одного из разделов геометрических эффектов.

Пример 1. Механизированная упаковка плодов в тару мало применяется из-за повреждения их, от соударения друг с другом, при падении в тару. Вследствие таких повреждений плоды быстро гниют. По авторскому свидетельству (а.с.) № 552245 для «борьбы» с подобными соударениями предложено предварительно укладывать в тару слой из эластичных шаров – демпферов. Шары гасят силу удара падающего плода. Аналогично по а.с. № 524545 «Уловитель плодов», шаровые эластичные амортизаторы предложено использовать при механической уборке плодов с кустарников. И здесь, аналогичные проблемы, – защита плодов от ударов о дно бункера уборочной машины.

Общая идея этих решений: Эластичный шар хорошо демпфирует (гасит) энергию удара. Поэтому в раздел указателя геометрических эффектов по шаровым структурам вошла следующая рекомендация: «если необходимо устранить вредное влияние механической энергии на части технической системы, введите между взаимодействующими частями ШАР или россыпь шариков».

Как пользоваться данным УГЭ?

Во-первых, необходимо внимательно познакомиться со всеми его разделами, вдумчиво и неторопливо рассмотреть примеры, иллюстрирующие реализацию эффектов, обдумывая – почему использован именно этот эффект, в чем его преимущество по сравнению с другими? Знакомясь с эффектами, желательно найти способы приложения их в своей технической деятельности для решения производственных задач, постараться воспользоваться сочетаниям эффектов: геометрия + физика, геометрия + химия и т.п. Во-вторых, напоминаем, что материал предназначен для поиска необходимого эффекта при решении реальной технической задачи. Поэтому каждый его раздел заканчивается сводной таблицей эффектов, которая выполнена по принципу: «техническая функция – реализующие её эффекты». Обращаться к таблице следует только после того, как четко сформулирована техническая функция, необходимая для решения задачи.

Как использовать УГЭ в учебном процессе?

Одна из особенностей УГЭ – возможность обучения школьников, студентов, инженеров и научных работников приложению эффектов на практике. Для проведения подобного рода занятий необходимо внимательно изучить определенный раздел, подробно рассмотреть источники информации, подтверждающие практическую реализацию эффекта, выбрать яркий пример и поставить учебную задачу. В учебный процесс с использованием УГЭ можно включать серию упражнений: какие новые применения эффекта можно предложить; каким другим эффектом можно воспользоваться при решении учебной задачи; как данный эффект использовать в космических условиях; как можно использовать его в быту; придумать игрушку для детей, демонстрирующую тот или иной эффект. Подобного рода упражнения с привлечением фантазии и воображения полезны не только при изучении эффектов, но и для развития творческого мышления у слушателей.

Главное назначение – помочь в поиске необходимого эффекта при решении изобретательских задач, сократить потери времени в поиске необходимой информации по эффектам и дать возможность синтезировать и сочетать различные эффекты и формы.

Синусоида.

Стирая бельё вручную мы, не задумываясь, самопроизвольно образуем складки и «перетираем» загрязненные места. Многие прибегают к помощи специальных досок или скалок, имеющих гофрированную поверхность – одно из изобретений наших предков, которые использовали эти же средства и для глажения. Когда гладкое лезвие ножа бессильно (особенно при чистке рыбьей чешуи) берут зубчатый нож или … полотно ножовки по металлу.

В разделе УГЭ «Шаровые конструкции» описано свойство равновесия шара в электрическом поле, которое проявляется и в магнитном. Но достаточно на одном из полюсов магнита сделать зубчатые бороздки как картина равновесия сразу изменится – появляется градиент магнитного поля и результирующая магнитная сила может в десятки раз превысить силы равновесия. Почему внутренняя архитектура атомной станции кроме массивных бетонных перегородок имеет зигзагообразные коридоры и проходы? Такое построение лучевой защиты от прямого удара радиоактивного излучения защищает точно так же, как зигзаг линии окоп, защищает от прямо летящей пули. Пояснения к этим примерам излишни, но этим не исчерпываются свойства криволинейных поверхностей и форм, в частности, синусоиды.

Ключевые слова к разделу: синусоида (косинусоида); гармоника; меандр; выступы; гофры; складки; зигзаг; дуга; волнистая линия (поверхность); S-образная линия (поверхность); криволинейная поверхность; циклоида; эпициклоида; гипоциклоида; циссоида; конхоида Никомеда; улитка Паскаля; лемниската; параллелограмм.

Синусоида (от слов «синус» и греческого «eidos» - вид) – волнообразная периодическая линия, графически изображающая изменение синуса в зависимости от изменения аргумента (функцию синуса впервые ввел во втором веке н. э. великий александрийский астроном Птоломей).

Косинусоида – синусоида, графически сдвинутая на оси Х на ¼ периода.

Синусоидой одного периода является S-образная линия.

Меандр – периодическая «синусоидальная» линия, имеющая прямоугольный профиль, а линия, имеющая треугольный профиль периодической кривой – зигзаг.

Зигзагообразная линия почти на 40% длиннее прямой линии.

Гофра – чередование выступа с впадиной.

Циклоида – кривая, описываемая точкой расположенной на окружности, катящейся без скольжения по наклонной кривой. Точка, расположенная на продолжении радиуса окружности, выходящего за пределы круга, описывает удлиненную циклоиду (трохоиду), а расположенная на радиусе внутри окружности – описывает укороченную циклоиду.

Длина циклоиды равна периметру квадрата описанного вокруг окружности, на которой расположена точка, образующая циклоиду.

При скатывании двух одинаковых по массе шариков по наклонным поверхностям быстрее всех к финишу будет шарик, скатывающийся по дуге, имеющей форму циклоиды.

Теперь перейдем от криволинейной формы к правильным решениям через постановку задач.

Методика подачи задачи следующая. Вначале формулируется ситуационная проблема. Затем, при поиске решения ставится технического противоречие (ТП). Формулируется функция (Ф). Определяются вещественно-полевые ресурсы (ВПР), исходя из условия задачи. Дается решение в виде источника информации – авторское свидетельство (а.с.) или патент, или источник информации.

Задача 1. Для удержания ограды (препятствие для передвигающихся объектов – людей и животных) из сетчатого полотна, типа «Рабица», в вертикальном положении, как правило, используются вертикальные опоры-стойки, которые вкапываются в грунт для надежной фиксации, на случай опрокидывания от резких порывов ветра. Для крепления сетчатого полотна к опоре требуется определенное количество арматуры – это планки, хомуты, фиксаторы и прочие элементы крепежа.

Как установить подобную ограду из сетчатого полотна на скальном грунте? Выкопать скважину под опору здесь представляет определенную трудность и без мощных технических средств, вряд ли обойдешься. Как быть?

ТП: сетчатое полотно должно иметь связь с грунтом через опору-стойку, на случай опрокидывания, и не должно иметь связи для снижения стоимости монтажно-установочных работ.

Ф: увеличить опорную поверхность (площадь поверхности для равномерного распределения нагрузки) и устойчивой связи с грунтом.

ВПР: Сетчатое полотно. Пространство между полотном и грунтом.

Решение.

Заявка ФРГ №2207833, Е04F7/00 от 24.04.74 (РЖ ВНИИПИ вып. 78 №9, 1978 г., с.22)

Предложена ограда (Рис.1) из сетчатого полотна без применения вертикальных стоек. В верхней части кромка полотна прямолинейная, а в нижней части изогнутая зигзагообразно и зафиксирована с грунтом при помощи анкерных крючьев. Наращивание ограды производится соединением встык сетчатых пролетов.

Задача 2. Одним из способов сбора разлитой нефти с морской поверхности является ограждение места катастрофы заградительными щитами. По сути дела, на морской поверхности необходимо соорудить ограду. Но как зафиксировать и сделать устойчивыми на плаву заградительные щиты, быстро развернув заградительное сооружение?

ТП: опора должна быть для заградительных щитов и опору невозможно сформировать в виду зыбкости морской поверхности.

Ф: Требуется увеличить опорную поверхность и обеспечить устойчивость щитов на зыбкой морской поверхности.

ВПР: Пластина щита. Пространство между стенками щитов. Механическое поле разворачивания щитов.

Решение. Патент США №4043131, Е02В15/04, 1977 г.

Предложено заграждение из пластинчатых элементов, причем в верхней части оно из плавающих пластин, в нижней – из нагрузочных элементов. Элементы соединены шарнирно и имеют зигзагообразную конфигурацию, при этом угол зига регулируется натяжной веревкой.

Развитие решения. Патент СССР №1227123, Е02В14/04 от 14.11.83. (Финляндия). /БИ №15, 1986 г., с. 275/.

В заграждении от нефти предложено плавающую и погруженную части соединить гибкой тканью. В собранном виде пластина по высоте становится в 2 раза меньше и может быть упакована в форме буквы «L».

Задача 3. В сельском хозяйстве для полива используется дождевальная установка, формирующая искусственный дождь. Для создания искусственного дождя используются насадки, в которых струя воды дробится на мелкие фракции. Например, внутри конусной трубы вставляется коническая вставка с отверстиями (а.с. №1424769). За счет подобных «преград» водный поток, идущий по трубе, на выходе дробится. Однако дополнительная преграда водному потоку приводит к снижению водяного давления, что приводит к дополнительным энергозатратам для его повышения.

ТП: перегородка должна быть в трубе для дробления водного потока и ее не должно быть, т.к. снижается давление и повышаются энергозатраты.

Ф: дробить водный поток на фракции.

ВПР: Изделие – вода. Внешняя среда – воздух. Внутренняя поверхность насадки. Энергия напора воды.

Решение. А.с. СССР №1426505, А01G25/02 от 01.09.86. /БИ №36, 1989 г., с. 9/.

Предложено в нижней части конусной насадки водного ствола дальнеструйного дождевального аппарата поверхность сделать волнистой, а в ложбинах волн выполнить отверстия. При попадании водной струи на волнистую поверхность в ложбинах образуются вихри и разряжение. За счет сквозных отверстий засасывается воздух, который дополнительно дробит водный поток на мельчайшие фракции.

Задача 4. Для разделения растворов электрохимическим способом электролитическую жидкость необходимо вначале раздробить поток раствора на части. Для этих целей традиционно используют сепараторы, в которых с помощью конструктивных элементов, например, мембран в виде пластин с канавками или сеток, создаются преграды-перегородки, разбивающие водный поток на фракции. Однако любые преграды водному потоку создают высокое гидравлическое сопротивление и скорость истечения жидкости падает. Увеличение водного напора приводит к энергозатратам.

ТП: в сепараторе должны быть перегородки для дробления и перемешивания потока жидкости и их не должно быть, ввиду увеличения гидравлического сопротивления и повышения энергозатрат для поддержания стабильной скорости истечения жидкости.

Ф: дробить на фракции и перемешивать несмешиваемые компоненты водного потока.

ВПР: Изделие – жидкость. Объемное пространство сепаратора. Энергия скорости водного потока.

Решение. А.с. СССР №874090, В01D13/02 от 15.06.76. /БИ №39, 1981 г., с. 35/.

Предложено в сепараторе установить параллельно движущемуся потоку жидкости гофрированные пластины. При обтекании потоком жидкости гофрированных волнистых поверхностей в падинах гофр образуются завихрения, дробящие и перемешивающие несмешиваемые компоненты.

Развитие решения. А.с. СССР №1153965, В01F5/06 от 16.11.83 /БИ №17, 1985 г., с. 26/; А.с. СССР №1204241, В01F5/06 от 16.11.83 /БИ №2, 1986 г., с. 23/.

Предложено перегородки выполнить гофрированными с криволинейной траекторией гофр. Водные потоки, обтекая гофрированную поверхность, за счет завихрений дробятся на фракции, а, за счет криволинейности каналов и прохождения через перегородки, смешивают потоки друг с другом.

Задача 5. Дорожно-транспортные происшествия при наездах на людей совершаются чаще всего на перекрестках, пешеходных переходах и в местах большого скопления людей. Предупредительные дорожные знаки не всегда эффективны для предотвращения ДТП, а ограждения препятствуют продвижению транспорта. Как быть?

ТП: ограждения на опасных участках дороги должны быть с целью снижения скорости движения автотранспорта и его не должно быть из-за загромождения проезжей части.

Ф: создать «препятствия» в многолюдных местах.

ВПР: Пространство дороги. Раздражающий фактор водителя. Скорость передвижения автотранспорта.

Решение. Микро информация 0214 /Журнал «ИР» №2, 1978 г./

В Гамбурге, на площади Гауптмана, мостовая выстлана волнами. Находясь в машине, при проезде по такому покрытию дороги, водитель испытывает сильную вибрацию и вынужден снижать скорость автомобиля.

С 1954 года в ряде западных стран были разработаны ряд мер направленные на снижение скорости водителем при приближении к перекрестку и опасным многолюдным местам. Одно из них – рифление проезжей части дороги валиками, так называемый, лежачий полицейский. Валики окрашивают в желтый цвет (сигнал «Внимание!»), а в краску замешивают стеклянные микросферы отражающие свет от фар. Проезд на скорости по такой преграде вызывает сильную вибрацию и водитель вынужден снижать скорость передвижения.

В России ГОСТ Р 52605-2006 «Искусственные неровности» на лежачего полицейского введен только с 2008 года.

Полный текст фрагмента из работы "Геометрические эффекты в примерах и задачах"

Вячеслава Ивановича Ефремова