книги / Изобретенческая реальность принципы достижения технических преимуществ в объектах техники с помощью физических явлений, свойств и эффектов
..pdfдит в магнитную энергию, представляющую собой энергию электро- магнита.
Свойство это определённый признак качества рассматриваемого предмета,тела,среды,структуры относящийся безотносительнотоль- ко к ним в определённых условиях.
Например, проницаемый, пластичный, тугоплавкий, коррозион- ностойкий, проводник, изолятор.
Эффект — результат или следствие (реакция) на некоторое дей- ствие,фактическиэффектсинонимфизическомуявлениюиотносится к категории физических явлений и эффектов, например, электромаг- нитные явления, эффект безызносности (обеспечивается, например, металлоплакирующими смазками на основе меди).
В физике часто физическое явление называют эффектом, который обычно снабжён именем первооткрывателя. Например, эффект Маг- нуса — это физическое явление образования подъёмной или прижи- мающей силы,возникающей при обтекании вращающегося кругового или шарового тела ламинарным (невозмущённым) потоком жидко- сти или газа. Направление силы, воздействующей на тело, перпенди- кулярно направлению потока и зависит, например, при постоянном направлении потока среды от направления вращениятела.Здесь про- является результат совместного действия пары физических явлений: эффекта Бернулли и образования пограничного слоя (вихря) вокруг тела, обтекаемого средой.
Вращающееся тело (цилиндр или шар) создаёт в среде вокруг себя вихревое движение. С одной его стороны, где направление вихря совпадает с направлением обтекающего потока, скорость движе- ния среды увеличивается и, соответственно, давление понижается. С противоположной его стороны, где направление вихря направле- нию против движения потока, скорость движения среды уменьша- ется и, соответственно, увеличивается давление. Разность скоростей обтекания тела и возникающая при этом разность давлений образу- ет поперечную силу, направленную от большего гидродинамическо- го давления к меньшему. В футболе закрученный ударом мяч летит по кривой траектории, теннисисты пользуются закруткой теннис- ного мяча, чтобы изменить его траекторию полёта или направление отскока. На морских судах турбопаруса действуют на этом эффекте как ветровой движитель.
Известное или ставшее известным свойство, эффект или явление обязательно связано с противоположным ему свойством, эффектом или явлением, годным и необходимым для достижения технического преимущества в объектах техники, об этом и будет идти речь в этой книге.
Несколько слов о методах.
10
Идеальных методов не бывает (как и «идеальных решений») —тех, что обеспечивают и высокую чувствительность, и точность, и быстро- ту, и всё на свете. «Золотое» правило механики или закон сохранения действует здесь как ограничитель.Надо всегда выбирать главное и то, чем жертвовать. То есть, выигрывать всегда в главном, а проигрывать во второстепенном. Приобретать всё ценное, заменяя его дешёвым. Если нужно очень быстро определить большое количество компонен- тов, то можно жертвовать точностью. И, наоборот, если нужно очень высокая точность,то должны жертвовать временем на анализ. Поэто- му, ставя прежние технические возможности объекта изобретения в положение «чем жертвовать», то новые технические возможности будут определяться на противоположном конце выбора в положении
«главная ценность».
«Конструирование технических систем существенно использует принцип «физической реализуемости». Каж- дая техническая система функционирует, не нарушая фи- зических законов. В то же время сохраняется тенденция к открытию новых, ранее неизвестных, законов природы. Требованием высокой технической культуры становит- ся не только знание уже известных физических законов, но и знание тенденций развития самой физики»
P. Л.ди Бартини
Введение
Способ существования материи — это её непрерывное движение. Одно движение сменяется другим, одно движение передаётся друго- му и обращается в третье. И так совершается непрерывный кругово- ротформдвижения.Почему однодвижениелегко переходитвдругое? Основополагающая причина —в мире всё взаимосвязано.Существует прочная связь между всеми формами движения, и без движения ни- чего не существует.В науке рассмотрены противоположные основные формы движения, которые взаимосвязаны общей сутью. Это исхо- дные состояниядвижения вообще,представляющие собой собственно движение и неподвижность или покой, являющийся по сути относи- тельным.Движение и покой это разные состояния материальной точ- ки в пространстве, являющиеся по сути противоположными или об- ладающими противоположными качествами одного рода. Движение это действительное состояние, покой — относительное,так как покой тоже «совершает» движение, но вместе с точкой отсчёта. Точка отсчё-
11
та имеет своё движение или свою неподвижность (то есть, движение, совпадающее с движением другой точки отсчёта). Движение обычно представляют как чередование мгновений покоя материальной точ- ки при изменении её положения в пространстве относительно точки отсчёта. В движении покой мгновенен, а в покое — движение может не быть или быть. Покой понимают как отсутствие изменений поло- жения материальной точки в пространстве относительно точки от- счёта без учёта какого — то её движения. К состоянию покоя, с одной стороны, относят состояние инертности, как неподвижности отно- сительно точки отсчёта, с другой — инерцию, как сохранение прямо- линейного равномерного движения. Состояние сохранения инерции илипрямолинейного,равномерногоипрактическивечногодвижения относительно точки отсчёта есть противоположность инертности,что то же неподвижности или покоя относительно неподвижнойточки от- счёта.
В данной работе будут рассматриваться противоположные со- стояния различных явлений и эффектов, взаимосвязанные общей сутью, имеющие противоположные качества одного рода. Существо- вание неразрывной связи у противоположных по сути явлений обу- словлено взаимосвязанностью всего в мире или что тоже законами сохранения энергии, импульса, момента количества движения, веще- ства, электрического заряда.
Всеявлениявзаимосвязаныиобразуютсистему,гдедействиеодно- го физического явления поддерживает действие другого физического явления. Одно физическое явление, с помощью которого извлекается требуемая польза или обеспечиваетсятехническое преимущество,на- зывается производящим, а другое, его поддерживающее и заполняю- щее пустоту места пользы или преимущества, называется замещаю- щим.Например,подъём груза оплачивается опусканием уровня воды, расширением сжатого газа или сжиганием топлива, то есть осущест- вляется путём замещения ценного чем-то дешёвым. Нечто ценное приобретается, изымается, а вместо него помещается, кладётся чтото дешёвое,тем самым сохраняется баланс обоих явлений.
Причина ограниченности технических возможностей объекта тех- ники обусловлена одним физическим явлением (свойством, эффек- том), функционирующим в объекте с помощью противоположных качеств одного рода. Оно не рукотворное, оно выявляется при иссле- довании всех процессов протекающих в исследуемом объекте.
Причина неограниченности технических возможностей или тех- нического преимущества этого объекта техники обусловлена проти- воположным физическим явлением (свойством, эффектом), функци- онирующим в объекте с помощью противоположных качеств одного рода. Оно является рукотворным и замещает первое явление.
12
Например, в изобретении а. с. 424238 на «Устройство для малых установочных перемещений» физическим явлением является меха- ническое преобразования вращения винта 3 в его перемещение от- носительно неподвижного корпуса 1.
Материализованными противо- положностями, воплощающими данное физическое явление, явля- ются неподвижный корпус 1 и под- вижныйвинт3.Противоположными качествами одного рода у соеди- нённых противоположностей явля- ются внешняя резьба у винта и со- ответствующая внутренняя резьба корпуса.Причиной ограниченности технических возможностей это- го приборного устройства явля- лась невозможность осуществления
перемещений детали в долях микрона (0,001 мм), контролируемого микрометром 8. Диапазон требуемых недостающих малых и сверх- малых перемещений винта с помощью вращения винта чрезвычайно узок и практически неощутим при его ручном вращении,так как дви- жение винта по витку резьбы корпуса не превышаеттех же долей ми- крона. Это является причиной ограниченности технических возмож- ностей известного приборного устройства. То есть, повернуть винт на доли микрона, чтобы он переместился на доли микрона неощути- мо, очень мало для ручного регулирования. Противоположение этого обстоятельства представляется следующим образом: винт не следует вращать (что в принципе и бесполезно из — за влияния внешних тем- пературных колебаний) для малых перемещений; он после контакта с деталью неподвижен, при этом ручной регулировочный диапазон для задания ему перемещений большой, ощутимый, чтобы достига- лось перемещение винта в долях микрона.
Если рассматривать такое физическое явление как температурное изменение размеров тела вследствие его нагрева или охлаждения в противоположном смысловом значении,то формулируется явление постоянства размеров тела вследствие отсутствия нагрева или охлаж- дения или вследствие постоянной температуры,что требует неиспол- нимых механически перемещений винта. Налицо соответствие по- лученного противоположения с выявленной причиной технической ограниченности: невозможность осуществления механических пере- мещений винта в долях микрона — 0,001 мм в данных условиях.
Действительно, перемещение в долях микрона соизмеримо с несколькими средними расстояниями между узлами кристалличе-
13
ской решётки стали, из которой изготовлен винт. Это практически тождественные качества, что позволяет перейти к последнему каче- ству (к изменению расстояния между узлами кристаллической решёт- ки стали),которое выдаёти обозначаетпричинудостижениятехниче- ского преимущества в данном устройстве.
Меняя расстояния между узлами кристаллической решётки стали, например, нагревом — охлаждением (или иным способом), достига- ются перемещения винта в долях микрона.
Качественный переход заключается в том, что механическое пере- мещение неизменной кристаллической решётки винта замещается на линейно изменяемую кристаллическую решётку неподвижного винта.
То есть, заменой такому физическому явлению как механическое преобразование вращения винта в его перемещение стало противо- положное ему простое физическое явление, основанное на тепловой деформации регулировочного винта. Материализованными противо- положностями устройства, воплощающими это физическое явление, стали деформируемый теплом винт 3 и неподвижный корпус 1.
Коэффициент линейного расширения стали или величина прира- щения нормальной длины винта примерно 0, 000012 град –1, что при- годно для получения требуемого недостающего малого и сверхмалого перемещения деталей приборов.
Контролируемое температурное расширение — сжатие (дефор- мация) установочного винта в объекте осуществлено с помощью на- гревательных элементов подключённых к источнику тока через регу- лировочный реостат. Регулировочный реостат позволяет обеспечить широкий ручной диапазон задания перемещений для малых и сверх- малых перемещений деталей в долях микрона.
Противоположными качествами одного рода для теплового физи- ческого явления являются элементы межатомных связей узлов кри- сталлической решётки стали, из которой изготовлен винт. Техниче- ское преимущество в предложенном устройстве достигнуто тем, что посредствомтепловой деформации регулировочного винта обеспече- ны установочные перемещения деталей приборов в долях микрона.
Спрактической точки зрения связь противоположных причин
ипротивоположных явлений уникальна и представляет огромную интеллектуальную ценность для изобретательской работы,для созда- ния патентоспособных изобретений. Ценность её заключается в том, что переход отодного кдругому втакой паре явлений можетосущест- влятьсялогически с помощьюдействия обращения или чтото же про- тивоположения причин одного из явлений.
Действие обращения рассмотрено подробно в моей предыду- щей книге «ИЗОБРЕТЕНИКА» (Петрозаводск: Verso, 2016. — 318 с.: ил.
14
ISBN 978-5-91997-219-8) и представляетсобой переход отпрямой сути любого явления или свойства к его обратной сути: например, движе- ние может обращаться в «не движение» — то есть, покой. И наоборот: покой — в «не покой» или движение.
Простое равномерное прямолинейное движение, как, например, движение по инерции или бездействия сил,можетобращаться в свою противоположность: ускоренное прямолинейное движение под дей- ствием сил.Для ускоренного прямолинейного движения под действи- емсилобращениеужесоответствуетнедвижениюпоинерцииилибез действия сил, а равномерному прямолинейному движению под дей- ствием равновесия сил, которые, с одной стороны, вызывают ускоре- ние, с другой — сопротивление ускорению.
Для равномерного прямолинейного движения по инерции или под действием уравновешенных сил переход от прямой сути состояния к его обращению происходит, когда равномерное движение обраща- ется в неравномерное движение, ускоренное или под действием неу- равновешенных сил.
Каждое из противоположных движений может быть причиной ограничивающей технические возможности объекта техники и со- ответственно каждое из них может являться причиной открываю- щей неограниченные возможности этого объекта техники. Местопо- ложение той и иной из причин относительно друг друга определяется из исследования первой причины — причины ограничивающей тех- нические возможности объектатехники.Обратное действие заключа- ется в противоположении формулировки физического явления соз- дающего техническое преимущество с последующим определением его соответствия с сутью причины технической ограниченности рас- сматриваемого объекта техники.
Целью движения от одной причины к другой является получение той полезности, которая жизненно необходима, но которая оказа- лась недостаточной для удовлетворения жизненных и технологиче- ских потребностей человека. Продуктами для удовлетворения по- требностей человека относят изобретения, промышленные образцы, полезные модели, товары, товарные знаки и услуги. Они система- тизированы в соответствие с опытом мировой практики по разде- лам Международной Патентной Классификации (МПК). На высшем уровне классификации располагаются продукты раздела A: «Удовлет- ворение жизненных потребностей человека». Ниже располагаются продукты разделов B, С, D, E, F, G, H (Технологические процессы, Хи- мия, Механика, Физика и Электричество), удовлетворяющие техноло- гические потребности человека.Они образуютбазовую основу произ- водства продуктов предназначенных для удовлетворения жизненных потребностей человека.
15
Классификационный индекс по МПК идентифицирует любой про- дукт, обозначает его предназначение и указывает местонахождение
вданной системе.
Воснову изобретательского анализа объектов техники, который полностью представлен в дисциплине «ИЗОБРЕТЕНИКА», положен принцип причинности, принцип логической преемственности при- чины ограниченности технических возможностей и причины неогра- ниченных (безграничных) технических возможностей или что то же технических преимуществ у всех объектов изобретения. Противопо- ложное смысловое значение причины технического преимущества соответствует сути причины технической ограниченности объекта изобретения.
Например, если техническое преимущество данного объекта изо- бретения обусловлено ничтожнымтрением вследствие наличия смаз- ки междутрущимися поверхностями,то противоположное смысловое значение представляется как значительное трение вследствие отсут- ствия смазки между трущимися поверхностями, и именно оно соот- ветствует причине технической ограниченности рассматриваемого объекта.
Для изобретательского анализа технических возможностей объек- тов техники целью и основой работы изобретателя является установ- ление связи сущностей противоположных причин.
Физические (химические и др.) явления и эффекты содержат смысловое значение и (часто) формулировку определённого тех- нического преимущества, которое может быть представлено в про- тивоположном смысловом значении, что раскрывает суть при- чины технической ограниченности. Сравнение произведённого противоположения с результатами исследования объекта изобрете- ния (с конкретной областью, условиями и местонахождения в объек- те техники) позволяет найти между ними соответствие и установить возможность применения данного физического явления или эффек- та в рассматриваемом объекте изобретения в качестве технического преимущества.
Поэтому, систематизированные связки сущностей противополож- ных причин необходимы для успешной изобретательской работы. Они будут способствовать качественному изменению изобретатель- ской работы. Формальный подход в такой работе не даст положи- тельных результатов. Единственным средством избежать негативных результатов является тщательный анализ всех признаков причин ограниченности технических возможностей у объекта изобретения.
Ограниченность технических возможностей это врождённое свой- ство всех объектов изобретений, которое обнаруживается по истече- нии определённого времени.
16
Рассматриваемые здесь явления служат цели демонстрации науч- ного подхода в определении противоположных качеств одного рода и их взаимосвязи.
Связки сущностей противоположных причин, как и свойства, име- ющие противоположные качества одного рода, подробно здесь ис- следуются, точнее, извлекаются из различных областей, изучаемых в физике, химии, технике. Они представлены в общем виде и отно- сятся к движению, свойствам, эффектам и явлениям, и ко всему, что полно описывает действие физических (химических, электрических, внутриатомных) сил используемых для функционирования объектов техники.
Конструкторская и инженерная деятельность заключается в ма- териализации или овеществлении частей физического явления в функционирующие части конструкции машин. Инженерам и кон- структорам, химикам и металлургам важно нарастить материальную структуру физического явления до получения базовой функциональ- ной основы объекта техники.
Таким представляется существо методов материализации физиче- ских явлений в объекты техники человеческим способом.
Природа качеств одного рода физических явлений
Наш предметный мир имеет материальную или что то же веще- ственную природу.
Элементарной неделимой материальной единицей считаются фрагмент вещества, кластер, зерно, домен, частица, корпускула, эле- мент кристаллической решётки, ионный узел, молекула, атом, эле- ментарная частица.
Каждая материальная единица обладает одним или несколькими качествами одного рода, имеющие вещественное воплощение.
Это может быть движение, пространственное расположение, фор- ма сопряжения, заряд, электрическое или магнитное поле.
Общепринятое определение физическое явление следующее: это всякие изменения в предметном мире, не связанные с превращени- ем одного вещества в другое (это химия). Однако к физике относится радиоактивный распад с превращением одного вещества вдругое,на- пример, радий при α-распаде превращается в газ радон.
Рассмотрим,что представляют собой качества одного рода у физи- ческого явления и в чём заключается их противоположное отличие.
Качества одного рода это не просто свойства тел, сред, предмета или объекта, а только те свойства, с помощью которых воспроизво-
17
диться физическое явление, осуществляется действие, воздействие, проход энергии или устанавливается связь между составляющимися его материализованными противоположностями (элементами).
Электрон и протон — материализованные противоположности, имеющие отрицательный и положительный заряды. Качествами одного рода у них является электрический заряд, масса и движение (подвижность). У электрона есть избыток отрицательного электри- чества. Электрон подвижен, легко отдаётся и принимается, напри- мер, в химических реакциях. Протон малоподвижен, тяжёл, тяготеет остаться на своём месте,например,в ядре атома.Упротона,в отличие от электрона, есть недостаток отрицательного электричества.
Материальным носителем качеств одного рода у всех веществ яв- ляется электрон.
Химические связи (перенос электрона, обобществление электро- нов) и механические связи (например, поверхность, нить, шарниры, удерживающие или демпфирующие устройства) являются овещест- влёнными формами соединений противоположных качеств одно- го рода. Например, планетарно образная система атома составлена из лёгкого подвижного электронного облака и тяжёлого положитель- ного ядра.
«Короткое замыкание» между такими противоположно заряжен- ными частями атома предотвращается движением электронов вокруг положительного ядра.
Качеством одного рода у них является движение. Противополож- ными качествами одного рода у частей атома являются движение электронов и «не движение» (или «покой») ядра.
Недостаток электронов в атоме обращает его в ион, положительно заряженную частицу.
Избыток электронов в атоме обращает его в отрицательно заря- женную частицу.
Все ионы обладают качеством одного рода — электрическим за- рядом, и по этому качеству атомы становятся материализованными противоположностями. Любой ион существует в паре со своей проти- воположностью, образуя с ним соединения.
Атом или ион, присоединяющий электроны относят к сильным окислителям,например,такими элементами являются железо,кисло- род, озон, перекись водорода, хлор.
Атом или ион, отдающий электроны относят к сильным восстано- вителям, например, такими элементами являются щелочные метал- лы, водород, магний, алюминий, углерод.
Окислительно-восстановительные реакции основаны на процес- сах отдачи и присоединения электронов, на качестве одного рода — на передаче и захвате электрона.
18
Сплав железо — углерод (металл и неметалл или окислитель и вос- становитель) образован с помощью имеющихся у железа и углерода таких противоположных качеств одного рода формирующих между ними прочную ионную связь. Это соединение представляет распро- странённые в промышленности конструкционные материалы: чугун, сталь,легированная сталь.
Одинаковые атомы, образуя молекулы, и сами молекулы соединя- ютсядругсдругом электронами,расположенными у них с противопо- ложных сторон (например, слева и справа), которые обобществляют- ся, например, по типу ковалентной и ионной связи.
Гальванический элемент собран из пары разнородных металлов (например,меди и цинка с прослойкой электролита): на одном из них осуществляется полуреакция окисления, на другом — полуреакция восстановления с образованием на внешней стороне одного элемен- та избытка электронов, а на другом — их недостатка. Так образуются электрические полюса противоположного знака.
Две мельчайшие капли влаги, сближаясь, оказываются в поле действия собственных молекулярных сил (сил поверхностного натя- жения) и сливаются в одну крупную каплю влаги. У капель качества одного рода расположены в месте контакта с разных сторон, в част- ности, например, у одной капли силы поверхностного натяжения при касании расположены справа и встречаются с такими же силами дру- гойкаплирасположенныеприкасаниислева.Этофизическоеявление подобно взаимодействию двух молекул влаги с противоположно рас- пложенными качествами одного рода.
Бетон и стальобладаютпротивоположными качествами одного рода. Бетон обладает высокой прочностью на сжатие, водостойкостью, жёсткостьюподобноприродномукамню,однакоплоходержитнагруз- кунарастяжениеипотомунеиспользуетсядляизготовлениянесущих
конструкций.
Сталь, наоборот, хорошо выдерживает и сжатие и растяжение, из- гиб, но быстро разрушается от коррозии, а при высоких температурах становится пластичной и теряет свои обычные свойства.
Это пара материалов обладает практически одинаковым темпера- турным коэффициентом расширения, что их роднит и является точ- кой соединения противоположных качеств одного рода, например, прочности на сжатие бетона и прочности стали на растяжение.
Поэтому при соединении стали и бетона образуется удобный строительный материал — железобетон, у которого достоинства обо- их материалов сохранились, например, прочность на сжатие и изгиб, а недостатки, например, бетон не растягивается, а сталь разрушается от коррозии и пластична при высокой температуре — взаимно ком- пенсировались.
19