Два интересных примера

Вернемся к задачам.

Задача 34

Небольшие пластмассовые изделия цилиндрической формы снаружи покрывают краской с помощью распылителя. Если распылители включены на полную мощность, цилиндры, почти мгновенно покрываются слишком толстым слоем краски: получается плохое покрытие, которое к тому же долго сохнет. Если распылители работают на минимальном режиме, процесс нанесения краски растягивается на 30 - 40 с и становится управляемым: можно легко уловить нужный момент, когда уже не будет неокрашенных мест, но еще не образуются избыточные слои краски. Однако при этом, естественно, резко снижается производительность. Применение электростатического способа окраски в данном случае исключено. Введение добавок в краску недопустимо. Как быть?

Запишем решение с шага 2.2 (терминов в условиях задачи уже нет).

2.2. Изделие - цилиндр (по правилу 4 берем один цилиндр). Краска (поток краски, факел распыляемой краски) - инструмент (строго говоря, часть инструмента, непосредственно взаимодействующая с изделием). Краскораспылитель без краски не взаимодействует с цилиндром, поэтому не входит в конфликтующую пару. А раз так, значит, наша задача в том, чтобы научиться хорошо красить плохим (любым, даже отсутствующим) распылителем.

По условиям задачи краски может быть очень много или очень мало. Предпочтение надо отдать первому варианту (правило 3). Итак, конфликтующая пара: цилиндр и большое (избыточное) количество краски.

2.3. 1. Большое количество краски легко и быстро наносится на цилиндр (облили его краской или опустили в краску).

2. Большое количество краски образует на цилиндре лишний слой.

Вся задача фактически сводится к ликвидации избытка краски (правда, лучше ликвидировать не вообще, а так, чтобы избыток вернулся в бак). По «здравому смыслу» надо стараться не допустить образования избытка: зачем сначала создавать избыток, а потом его ликвидировать?.. Логика АРИЗ иная: избыточный слой краски можно легко нанести; что ж, прекрасно - наносим его! Изделие покрашено (притом быстро), остается убрать избыток краски. Фактически задача «Как хорошо наносить краску?» заменена задачей «Как хорошо удалять краску?».

2.4. Итак, модель задачи следующая. Даны цилиндр и большое количество краски, которое легко нанести на цилиндр, но при этом образуется лишний, избыточный слой.

3.1. Оба элемента с трудом поддаются изменению. Цилиндр - изделие, а на изменение краски условиями задачи наложены ограничения. Используем в качестве изменяемого элемента внешнюю среду.

3.2. ИКР: внешняя среда сама ликвидирует лишний слой краски на цилиндре, хотя краска подается на цилиндр в большом количестве (с избытком).

3.3. Можно просто показать цилиндр с толстым слоем краски и отметить избыток (рис. 11, а). Можно, используя метод ММЧ, показать границу краски (что такое в данном случае «внешняя среда», мы пока не знаем) в виде маленьких человечков (рис. 11,5). В обоих случаях выделенная зона там, где избыточный слой.

Рис. 11 а, б.

3.4. Далее решение пойдет двояко - в зависимости от того, как мы записали шаг 3.3:

для рис. 11. а

а) для удаления избыточного слоя нужны какие-то силы;

б) эти силы не нужны или даже вредны. Почему? Видимо, чтобы они не тянули вслед за избыточным слоем полезный слой;

для рис. 11,б

а) для удаления лишних человечков нужны какие-то силы;

б) но эти силы вредны, ибо могут утащить и тех человечков, которые примыкают к поверхности цилиндра. На рисунке сразу видна важная особенность: частицы краски соединены между собой связями, притом разными. «Полезные» человечки держатся за поверхность, а «лишние» - друг за друга. Разная сила связи обозначает, что есть признак, по которому можно отличать «лишних» человечков от «полезных».

Если учесть, что даны два вещества (краска и цилиндр) и, следовательно, придется ввести поле, мы вплотную подойдем к решению задачи. Неэлектрическое (таковы условия задачи) поле должно отрывать «лишних» (удаленных от цилиндра) человечков и не должно отрывать «полезных» (ближайших к цилиндру).

Не используем ММЧ, так как задача несложная и метод способен «перемолоть» ее на полдороги.

3.5. ФП: а) выделенная зона внешней среды должна действовать на избыток краски, чтобы его удалять, и не должна действовать на избыток, чтобы он не потянул за собой полезный слой;

б) выделенная зона внешней среды должна быть и не должна быть.

4.1. Здесь явно требуется разделить противоречивые свойства в пространстве. Но как?

4.2. Задача класса 8: взаимодействуют два вещества, причем оба они плохо поддаются управлению (поэтому и плохо взаимодействуют). Решение: нужно ввести поле, которое по-разному действует на эти вещества

Какое именно поле? Электрическое поле отпадает по условиям задачи, магнитное поле - тоже (краска и цилиндр немагнитны, а вводить добавки запрещено. Гравитационное поле уже есть, но оно не дает нужного взаимодействия. Остаются два поля - тепловое и механическое. Тепловое поле может испортить краску, в механическом поле краску надо привести в движение, чтобы при этом удалился лишний слой. Механическое поле должно быть слабым у поверхности цилиндра и сильным в более далеких слоях краски. Рассмотрим приложение 3. Для данной задачи подходят п.п. 6, 7 и 12. Если рассматривать только механические эффекты, ответ очевиден: действуют центробежные силы. Цилиндр окунают в краску и вращают: центробежная сила сбрасывает лишнюю краску. Сбросом управляют, регулируя число оборотов. Одновременно можно обрабатывать много цилиндров (а с. № 242714).

Задача 34 может показаться легкой: цилиндры (банки!), краска - уровень XIX века... Удастся ли с той же легкостью управлять процессом решения современной сложной задачи? Что ж, возьмем современную задачу.

Задача 35

Для исследовательских целей нужно знать так называемую подвижность ионов в газах (скорость их направленного перемещения). Напряженность заданна, расстояние между электродами известно, нужно измерить время дрейфа ионов от электрода к электроду. Так и поступают. В фиксируемый момент времени вводят (у поверхности одного из электродов) ионы, а затем измеряют время их дрейфа под действием поля до другой точки (у другого электрода). Для определения подвижности ионов другого знака полярности меняются на противоположные.

Однажды потребовалось решить эту задачу при условии, что состав газа быстро (30 млс) меняется. Было и дополнительное требование: простота оборудования. Между тем с увеличением быстродействия появилась необходимость создать высоковольтные схемы синхронизации и запуска, на разработку которых нужно было затратить немало времени и сил.

Итак, за 30 млс нужно измерить продолжительность дрейфа ионов обоих знаков. Если проводить измерения последовательно, каждое из них придется выполнять максимум за 10-12 млс. Явно выгоднее проводить измерения одновременно. Задача так и была поставлена. Но проработка по оператору РВС, проведенная до анализа, заставила вернуться к принципу последовательных измерений. Мысленно увеличим размеры ионов: навстречу друг другу движутся противоположно заряженные теннисные шары. Еще увеличим размеры: на встречных курсах движутся противоположно заряженные планеты. Огромные заряды неизбежно вызовут взаимодействие планет. Но ведь подобное взаимодействие должно возникнуть и при сближении противоположно заряженных ионов! Оператор РВС заставил обратить внимание на обстоятельство, которое не было замечено при постановке задачи. Пришлось отказаться от принципа одновременного измерения подвижности ионов двух знаков. Пусть один ион пробежит дистанцию и мгновенно, без потерь времени сменится ионом другого знака. Мы избавляемся от помех, но, увы, проигрываем в дополнительном усложнении оборудования: нужно с величайшей точностью определить момент прибытия на «финиш» иона одного знака, чтобы тут же дать «старт» иону другого знака.

В задаче упомянуто шесть элементов: два электрода, два вида ионов, газ, электрическое поле. Что же взять в качестве конфликтующей пары? «Изделие» - ионы, инструмент - поле. Электроды остаются «вне игры» (как краскораспылитель в задаче 33 и камера в задаче 29).

Однако здесь мы впервые сталкиваемся с «электрической» спецификой задачи. Какой ион включить в конфликтующую пару - положительный или отрицательный? С отрицательного иона, когда он прибудет на «финиш», нужно будет «сдирать» лишние электроны, к положительному иону на финише придется «добавлять» недостающие электроны. В сущности та же ситуация, что и в задаче о краске: идти от «много», убирая избыток, или от «мало», добавляя то, чего недостает?

Когда задача 34 решалась впервые, взяли положительные ионы... и ни к чему не пришли. Потом взяли отрицательные ионы и получили новую идею. Сломать что-то (будь то дом, статуя, молекула или атом) легче, чем достроить - увы, таково правило. Хотя бы просто потому, что для постройки нужно привнести материал извне (его может не оказаться), а для разрушения дополнительного материала не нужно. «Увеличивать энтропию проще, чем уменьшать», - можно пользоваться и такой формулировкой.

Итак, конфликтующая пара «отрицательный ион - электрическое поле». Суть конфликта в том, что поле умеет гнать ион от электрода к электроду, но на «финише» поле без посторонней помощи не может заменить отрицательный ион положительным. На шаге 3.1 в качестве объекта возьмем поле (инструмент), тогда ИКР будет звучать так: «Поле само меняет знак отрицательного иона. сохраняя способность перемещать этот ион». Отчетливо видно ФП: «Поле должно ломать отрицательный ион, чтобы его нейтрализовать или превратить в положительный, и не должно ломать ион, чтобы он пробежал дистанцию». Столь же ясно просматривается и путь устранения ФП (шаг 4.1): разделение противоречивых свойств в пространстве.

На дистанции поле не должно ломать ионы, а у финиша поле должно быть иным - пусть ломает отрицательные ионы, пусть отбирает у них электроны (тогда из отрицательных ионов будут возникать положительные). Как это сделать? У нас уже была такая задача: в столбе воздуха не появлялись ионы (никто не изымал электроны у нейтральных молекул) при слабых полях (радиоволны) и происходила ионизация (шло изъятие электронов у нейтральных молекул) при появлении сильного поля (молния).

Итак, нужно неоднородное поле: у поверхности «финишного» электрода оно должно иметь местное усиление, своего рода «прибрежный риф», о который разобьется «ионный корабль», или гвоздь, на который натолкнется поднимающийся вверх воздушный шарик: натолкнется, лопнет... и пойдет вниз (уже в другом состоянии).

С точки зрения вепольного анализа модель задачи относится к классу 9: взаимодействуют поле и вещество, заменять эти элементы по условиям задачи нельзя (мы измеряем подвижность именно ионов и именно в электрическом поле); нужно обеспечить хорошее управление одним из элементов. Типовое вепольное преобразование: введение второго вещества, хорошо поддающегося управлению или превращающего поле П1 и П1. На «финишном» электроде должно быть вещество, которое превращает относительно слабое поле, общее для всей «дистанции», в местное сильное поле.

Итак, положительный электрод должен иметь «иглу» (или вообще только из иглы и состоять). Положительный потенциал надо подобрать так, чтобы напряженность у «иглы» была меньше начальной напряженности самостоятельного коронного разряда (такой разряд создал бы помехи), но больше критической напряженности, при которой распадаются отрицательные ионы. Вот, собственно, и все. В момент времени Т1, регистрируемый, например, с помощью электронного осциллографа, у внутренней поверхности отрицательного электрода создают сгусток отрицательных ионов, которые под действием поля начинают дрейфовать к положительному электроду. При подходе к нему ионы попадают в область сильного поля и там распадаются на электроды и нейтральные молекулы. Электроны ионизируют нейтральные молекулы газа, вызывая вспышку несамостоятельной положительной короны, в которой возникают положительные ионы.

Регистрируют момент времени Т2 образования этой вспышки, которая одновременно служит и индикатором поступления отрицательных ионов, и генератором положительных ионов, стартующих в момент времени Т2 в обратном направлении. Далее регистрируют момент времени Т3 прихода положительных ионов на отрицательный электрод и получают, таким образом, на одной осциллограмме три отметки времени, по которым определяют времена дрейфа отрицательных и положительных ионов.

Впрочем, это уже технические детали. Важно другое: решение такой задачи по АРИЗ не отличается от решения простых задач с банками, калькой или шлифовальным кругом. Лишь на самом последнем этапе - при переходе от физического решения к техническому - требуются специальные знания. Надо, например, знать, что распад отрицательных ионов может сопровождаться вспышкой. Пока это не отражено в таблице физических эффектов и явлений...

ЗАДАЧИ

Пять приведенных ниже задач надо решить по АРИЗ с шага 2.2 по 4.2. Основное внимание по-прежнему должно быть уделено ходу решения, точному выполнению шагов.

Задача 36

По трубопроводу перекачивают железорудную пульпу (взвесь железной руды в воде). Регулируют поток пульпы с помощью вентиля (задвижки). Но частицы руды, обладающие абразивными свойствами, быстро «съедают» задвижку. Как быть?

Задача 37

Существует способ групповой запайки ампул. 25 ампул, заполненных лекарством, устанавливают вертикально в гнездах металлического держателя (пять рядов по пять ампул). Сверху подводят групповую горелку (пять рядов по пять горелок). Над каждой ампулой оказывается горелка. Огонь запаивает капилляры ампул. К сожалению, способ имеет недостаток: пламя плохо регулируется. Оно то слишком большое, то слишком маленькое. Некоторые ампулы перегреваются, некоторые не запаиваются. Можно, конечно, пустить огонь на полную мощность. Тогда все ампулы запаяются, но в большинстве ампул от перегрева испортится лекарство. Можно, наоборот, пустить очень слабый огонь. Тогда ни в одной ампуле не испортится лекарство, но мнение ампулы не запаяются. Пробовали использовать перегородку - пластинку с дырками, прикрывающую ампулы. Однако если капилляры свободно проходят в дырки, то проходит и огонь. А если капилляры проходят в дырки без зазоров, сложно и долго вставлять ампулы в такую пластинку. К тому же она тоже нагревается и передаст тепло ампулам. Как быть?

Задача 38

Чтобы продемонстрировать равноускоренное движение под действием силы тяжести, используют наглядное пособие, состоящее из наклонной плоскости и скатывающейся по ней тележки. На тележке установлена капельница - сосуд с окрашенной жидкостью, вытекающей в виде отдельных капель через равные промежутки времени. Вдоль пути тележки укладывают бумажную ленту. Если тележка движется равномерно, расстояние между упавшими каплями на ленте одинаковое, если тележка движется ускоренно, расстояние между точками - каплями возрастает.

Чтобы продемонстрировать равноускоренное движение возможно нагляднее, нужно, чтобы на ленте было много капель - отметок, т. е. нужна очень длинная наклонная плоскость. Но длинная плоскость (даже складная, раздвижная и т. п.) неудобна.

Нужно сохранить схему прибора, но сделать так, чтобы при небольших размерах наклонной плоскости на ленте получилось побольше отметок. Увеличивать частоту падения капель нельзя - будем считать, что они и так падают одна за другой.

Задача 39

Известно и широко применяется нанесение покрытий на металлические поверхности (без тока) химическим способом. Его сущность состоит в том, что металлическое изделие помещают в ванну, заполненную горячим раствором соли металла (никеля, кобальта, палладия, золота, меди). Начинается реакция восстановления, и на поверхность изделия оседает металл из раствора.

Процесс проходит тем быстрее, чем выше температура. Но при высокой температуре раствор разлагается, металл выпадает в осадок на дно и на стенки ванны, раствор быстро теряет рабочие свойства, через два-три часа его приходится менять. До 75 % химикатов идут в отходы, это удорожает процесс. Применение стабилизирующих добавок не решает задачу. Как быть?

Задача 40

Информация из журнала «Изобретатель и рационализатор» (1976, № 6, с. 5): «Хорошее мясо тонет " - этот принцип положили в основу своего изобретения (а. с. № 485 380) Е. Г. Савран, Н. Ф. Панков и В. П. Стоянов из ВНИИ птицеперерабатывающей промышленности, предложившие таким образом студить о качестве мяса. Продукт последовательно погружают в раствор поваренной соли различной концентрации». Взяв это изобретение за прототип, сделайте следующее, более совершенное изобретение.