книги / Изобретенческая реальность принципы достижения технических преимуществ в объектах техники с помощью физических явлений, свойств и эффектов

поезда. Раскаты грома это многократное повторение очень сильного треска от длинной, растянутой на многие километры, молнии.

Часть энергии падающей волны поглощается телом, от поверх- ности которого происходит отражение. Звуковые волны хорошо от- ражаются от гладких твёрдых поверхностей и поглощаются мягкими ворсистыми поверхностями (из бархата или войлока, а также поверх- ностью ковра).

Реверберация (гулкость) или послезвучание это отражение зву- ка в пустых помещениях от многих поверхностей. В помещениях заполненных мягкой мебелью, бархатными занавесками, коврами гулкость не возникает. Тишина образуется благодаря быстрому по- глощению указанными предметами звуковой волны. Звуковые ка- чества помещений (аудитории, филармонии,театра) проектируются

вархитектурной акустике (наряду с физической, физиологической

имузыкальной акустикой). Выдерживается определённый баланс между поглощением и отражением звуковой волны в помещении, чтобы не нарушалась естественность восприятия данного рода звука (речи, музыки).

Консонанс или приятное для слуха созвучие в музыке состоит из нот с отношением периодов (основных частот) в виде небольших целых чисел 2: 3 (квинта), 3: 4 (кварта), 4: 5 (большая терция).

Диссонанс или неприятное на слух созвучие состоит из нот с от- ношением периодов (основных частот) в виде больших целых чисел (например,19: 23).Далее звук воспринимается как шум,в спектре ко- торого доминируют множество разных частот.

Длина звуковой волны в воздухе при частоте 1000 герц составляет 33,7 см,в воде —1,45 м,тогда как при частоте 100 герц её длина в воз-

духе — уже 3, 37 м, а в воде — 14, 5 м.

Длина волны λэто расстояние,на которое распространяются коле- бания за один период. То есть, расстояние между ближайшими точка- ми синусоидальной волны,колеблющимися в одинаковой фазе,равно длине волны. Чем короче период или выше частота,тем меньше дли- на волны, и наоборот, чем длительней период или ниже частота, тем больше длина волны.

Вслучае,когдаразмерыпрепятствиязначительнопревышаютдли- ну волны,то позади него образуется область «звуковой тени», «тиши- ны»,что используется при экранировании волн и при защите отшума. Если размеры препятствия сравнимы с длиной волны, происходит огибание волной края препятствия,за которым она распространяется практически так же,как если бы этого препятствия не было.Это явле- ние называется дифракцией.

Из-за дифракции нельзя с помощью диафрагм, рупоров полу- чить сколь угодно узкий волновой пучок. Если диаметр отверстия

40

в экране становиться сравним с длиной падающей волны, то поза- ди него образуется полукольцевые волны,расходящиеся как отточеч- ного источника волн.

Влияние одной волны на распространение другой не происходит, волны налагаются одна на другую, их колебания слагаются в каждой точке среды, не влияя на их распространение через данный участок среды и вне его.Наложение волн одинаковой частоты или одинаковой длиныволныприводиткобразованиючередующихмаксимумов(уси- ления колебаний) и минимумов (ослабления), представляющих собой интерференцию волн. Устойчивая интерференция возникает только при условии когерентности волн, то есть, когда они имеют одинако- вый период и неизменный сдвиг по фазе колебаний.Источникитаких волн называют когерентными. Максимум получают там, где разность хода двух интерферирующих волн колебаний равна целому числу длин волн (чётному числу полуволн), минимумы — там, где разность хода равна нечётному числу полуволн. Наложение когерентных волн приводит к перераспределению энергии волн: интенсивность в мак- симумах больше простой суммы интенсивностей двух волн, а в ми- нимумах — интенсивность меньше суммы их интенсивностей. При накладывании некогерентных волн интенсивности просто складыва- ются, и максимумы с минимумами не возникают.

Интерференционные явления используется для измерения длин волн: разность хода двух волн от максимума до следующего максиму- ма (или от минимума до минимума) равно длине волны.

Интерференция двух когерентных волн одинаковой интенсивно- сти, направленных навстречу друг другу, формируют стоячую волну, то есть волну с неподвижными узлами (где нет колебаний) и места- ми с наибольшей амплитудой колебаний — пучностями. Две встреч- ные бегущие волны образуют чередующие узлы и пучности. Пере- носа энергии не происходит, энергия остаётся неизменной, переходя из кинетической энергии в потенциальную энергию и обратно.

Стоячие волны в протяжённых телах можно наблюдать с помощью способа немецкого физика Э. Хладни (1787 г.) или хладниевых песоч- ных фигур.Они возникаютна пластинке (плоской или изогнутой) при возбуждении в ней стоячих волн, например, проводя смычком по её краю. Песок сбрасывается с пучностей и концентрируется на узловых линиях, образуя картину узловых линий на поверхности пластинки при её колебаниях.

Колебания упругихтел (например,камертона,струны) представля- ют собой стоячие волны в этих телах. У струны есть целый набор соб- ственных (свободных незатухающих) частот, кратных наиболее низ- кой частоте — основной частоте. Частоты, превышающие основную частоту в целое число раз, называют обертонами.

41

Резонанс (нарастание амплитуды вынужденных колебаний) ис- пользуется для усиления звука (акустический резонанс). Для этого применяются резонаторы (резонансные ящики), действие которых основано на резонансе колебаний объёма воздуха (колебательной си- стемы), заключённого в них, с частотой источника звука. Сильно ре- зонирует открытая полость устройства на частоту, равную основной частоте колебаний воздуха в ней. Источник звука (камертон, струна) укреплённый на стенке (деке) такого резонатора (ящика) деформиру- ет эту стенку в такт собственных колебаний, в результате чего объём воздуха в полости резонатора колеблется с той же частотой.

Придлине резонансного ящика,равной 1/4длины волны создавае- мого источником звука в воздухе, частоты колебаний столба воздуха в ящике и источника звука совпадаюти,в результате,из отверстия ре- зонатора излучается более сильный звук, чем от источника звука. Ко- лебание столбов воздуха в трубах применяется в духовых музыкаль- ных инструментах (трубы органа, флейты, валторны, рожка, свистка).

Для хорошего звучания размеры излучателя звука должны препят- ствовать быстрому выравниванию давления (сжатия и разрежения) воздуха по обе его стороны. Резонаторы и резонансные ящики обла- дают таким преимуществом, так как их длина равна 1/4 длины волны и выравнивание давления вокруг них гораздо меньше, чем вокруг ис- точника звука (например, струны). Как правило, колеблющийся источ- ник звука (мембрана, струна) лучше излучают высокие частоты, длина волны которых невелика по сравнению размерами источника.Но,хуже низкие частоты,так как выравнивание давления длинных волн проис- ходит быстрее. Чтобы затруднить выравнивание давления по обе сто- роны от источника звука, удлиняют расстояние между передней и зад- ней сторонами источника звука (мембраны) с помощью экрана.

Камертон излучает более интенсивный звук, если одна из его но- жек закрыта экраном. Объясняется это тем, что расстояние между ножками гораздо меньше длин волн,излучаемых ими.Волны распро- страняются навстречудругдругу или в противофазе,что приводитре- зультате их наложения (интерференции) к взаимному ослаблению.

Громкостьзвука (музыкальноготонаданной высоты) определяется амплитудой колебаний. Высота звука (музыкального тона) определя- ется частотой колебаний: чем выше частота,тем более высокий звук.

Если приёмник звука движется со скоростью навстречу к источ- нику звука, то регистрируемая им частота звука от источника повы- шается. Если приёмник звука со скоростью удаляется от источника звука, то регистрируемая им частота звука от источника понижается (эффект Доплера).

Можно заставить звучать один источник звука на высоте звучания другого источника звука, как говорится в унисон (на одной высоте),

42

что используется для настройки музыкальных инструментов и орке- стра. Источники звука (струна, камертон) откликаются (колеблются) на звук той же высоты и сходного тембра, что и у них.

Для человеческого слуха существенны только частоты и амплиту- ды всехтонов,входящих в состав звука,то естьдля неготембр (специ- фический оттенок) звука определяется его гармоническим спектром. По различным тембрам мы легко распознаём звуки голоса, трубы, рояли, скрипки.

Звук, представляющий собой музыкальную ноту (периодическое колебание), но не тон (гармоническое колебание совершаемое источ- ником звука), состоит из суммы наиболее низкого (основного) тона и обертонов.

На преобразовании колебаний воздуха, вызванных источником звука,в механические,электрические,магнитные,электромагнитные колебания основаны устройства для записи звука на соответствую- щие носители (на грампластинки, магнитную плёнку, лазерные ди- ски). Воспроизведение (акустическая имитация) звука осуществляет- ся с помощью обратных преобразований.

Для звукового восприятия человека не важно, что заставляет воз- дух колебаться — одна мембрана или целый оркестр, важно чтобы колебания были одинакового или очень близкого гармонического спектра.

Из истории техники известно,Эдисон (примерно 1882 г.) взял обык-

новенную телеграфную ленту и попробовал пропустить её под остри- ём иглы в тот момент, когда диафрагма с этой иглой начинала коле- баться под действием его собственного голоса. На ленте отчётливо обозначилась череда из точек. Это указывало на то, что колебания диафрагмы записаны на ленте. Затем, проводя этой лентой под иглой так, чтобы точки на ленте попадали под остриё иглы, Эдисон заста- вил колебаться и иглу и диафрагму. И здесь он едва смог расслышать очень слабый собственный голос, произносивший «алло, алло». Так или почти так, в общих чертах, был смоделирован из подручных средств зачаток устройства фонографа и определён принцип фонографа (зву- козаписывателя).

В звуковой волне, которая соответствует обычной речи, избыточ- ноедавление составляетоколо одной миллионнойдоли средней вели- чины атмосферногодавления.Органу слухачеловекафизиологически показано комфортное звуковое поле (наибольшая чувствительность слуха наблюдается в диапазоне частот 1 ÷ 5 кГц), в котором далеко до звукового давления болевого порога, когда боль в ушах начинает ощущаться при звуковом давлении 20 Па или интенсивности звука 1 Вт/м 2. При большей интенсивности звука ухо перестаёт восприни- мать звук, а при очень большой интенсивности наступает контузия

43

или разрыв барабанной перепонки. Неслышимый человеком звук ниже 17 герц относят к инфразвуковому диапазону, а более 20 кгц — ультразвуковому.

В изобретении а. с. 988288 на «Устройство для ультразвукового фо- кусированного воздействия на биологические ткани» сосуд для им- мерсионной (усиливающей яркость, увеличивающей изображение) жидкости имеет форму эллипсоида вращения, в одном из фокусов которого установлен источник ультразвуковых колебаний, а другой служит для размещения биологической ткани.

Фигура, образованная линией, к любой точке которой касательная составляетравные углы с радиусами одной идругой фокальнойточки, называется эллипсом.

Эллипсоид вращения это поверхность, полученная при вращении эллипса вокруг одной из его осей. Источник ультразвуковых колеба- ний может быть сферическим и возбуждать колебания со сфериче- ским волновым фронтом.Эллипсоид,при условии отражения,соберёт в одном фокусе всю отражённую энергию ультразвуковых колебаний, вышедших из другого фокуса (сумма двух радиусов для любой точки эллипсоида величина постоянная,поэтому ультразвуковые колебания попадут на биологическую ткань без смещения во времени).

Устройство содержит: 1 — эллипсоидный сосуд; 2 — источник ультразвуковыхколебаний;3 —био- логический объект; 4 — иммерсион-

(дифракция), имеющего два диаметрально расположенных органа слуха,что позволяет воспринимать различия или разность фаз

вколебанияхзвуковойволныприходящейвкаждыйорганслухаотис- точника звука. В результате, благодаря сдвигу фаз колебаний в обоих органах слуха, человек получает ощущение, указывающее направ- ление на источник звука. Эту способность ориентироваться на звук называют бинауральным эффектом. Этим эффектом обладают прак- тически все живые существа на Земле. На нём основаны устройства звуковой пеленгации.

Физические эффекты и явления могут приобретать качество тех- нического преимущества в тех объектах техники, в которых посред- ством их использования достигается увеличение производства тре- буемой пользы.

44

В практике есть и негативные (даже курьёзные) примеры того, как не следует их использовать, чтобы не получился объект негодный к применению (техническую химеру).

Например,визобретенииа. с.84460на«Устройстводляповышения акустической отдачи телефона» за 1948 г. известный «теоретик реше- ния изобретательских задач» бакинский писатель-фантаст Г. С. Альт­ шуллер и Р. Б. Шапиро предложили использовать в качестве среды передающей акустические колебания на барабанную перепонку чело- века вместо воздуха — жидкость (воду). Авторы считали, что «воздуш-

ный промежуток между мембраной телефона и барабанной перепон-

кой» не справляется с передачей акустических колебаний, и пытались использовать известное физическое явление: «в воде колеблющаяся пластинка пошлёт волну в 3,5 тысяч раз более интенсивную,чем при таких же ко- лебаниях в воздухе».

Каквидноизрисунка(справа),устрой- ство содержит полость, примыкающую к мембране (обкладке) телефона, и сооб- щённую с ней специальную коническую эластичную насадку 6, соприкасающейся с барабанной перепонкой человека 7. По- лость и насадка заполнены жидкостью (водой).

Можно себе представить какое, в слу- чае увеличения интенсивности волны в несколько тысяч раз, будет

звуковое давление на барабанную перепонку человека, если ГОСТом допускается 6 ÷ 10 Па (при звуковом давлении 20 Па уже ощущается боль в ушах).

При колебаниях мембраны (обкладки) телефона замкнутый на ба- рабанной перепонке объём воды выталкивается из отверстия насадки

ивтягивается в него.То есть,при движении мембраны на барабанную перепонку из отверстия насадки выдвигается столбик воды пропор- циональный отношению площади мембраны к площади отверстия насадки, при обратном движении мембраны в полости насадки обра- зуется область пустоты примерно тех же размеров. Понятно, что ам- плитуда движения воды через отверстие насадки очень значительная

итакое воздействие воды приводит к баротравме или разрыву бара- банной перепонки.Давление воздуха в полости среднего уха (за бара- банной перепонкой) равно атмосферному и его недостаточно, чтобы противодействоватьсильному внешнему воздействию,болеетого оно не препятствует втягиванию барабанной перепонки в отверстие на- садки.

45

Авторы, опасаясь «акустических ударов, небезопасных для барабан-

ной перепонки», установили в насадке акустический фильтр 5, назван-

ный ими «антифоном».

Но, антифоном (с греч. «звучащий в ответ») вообще — то считают особую чередующую организованность церковного духовного пения. Поэтому смысловое значение названия акустического фильтра не со- ответствует его предназначению. По замыслу авторов «антифон» усе-

кает «большую мощность звуковых колебаний» до «нормальной гром-

кости», что фактически сразу обнулило «техническое преимущество решения».

Думаяобезопасности,авторызаботливоснабдилиустройстводаже электрическим подогревателемдля подогрева водыдо «температуры человеческого тела».

Однако для человеческого уха, барабанная перепонка которого фи- зиологически приспособлена к колебаниям в воздухе, а не в воде, су- щественнытолько частоты и амплитудытонов входящих в состав звука (в спектр тонов), что невозможно передать с помощью воды. Авторы могли сами собрать предлагаемое устройство телефона и проверить на себе его работоспособность,но,видимо,посчитали это излишним.

Врезультате получилась типичная техническая химера опасная для здоровья человека.

Появление её вполне объяснимо лишь недостаточной квалифика- цией патентных экспертов послевоенного времени.

Визобретенииа. с.83099на«Устройстводляаускультации»Г. С. Аль- тшуллер и Р. Б. Шапиро в 1949 г.предложилитакой же способ усиления звуковых колебаний, заполняя водой «прибор, выполненный, в извест-

ной форме,(например,в форме фонендоскопа)».

Аускультация —этометодмедицинскогодиагностическогопрослу- шивания характерных звуковых колебаний издаваемых внутренними органами человека при их работе. В фонендоскопе врач выслушивает вибрации эластичной мембраны, вплотную прижатой к телу челове- ка, чтобы ограничивались её движения. Тогда мембрана существен- но снижает громкость звуковых колебаний, низы становятся очень тихими, а высокие частоты — хорошо слышимыми. Мембрана, таким образом, выполняет в фонендоскопе функцию излучателя требуемых звуковых колебаний,а столб воздуха в полости фонендоскопа —функ- цию резонатора, настроенного на спектр волн исходящих из тела че- ловека.Для медицинской диагностики важны и существенны частоты

иамплитуды тонов входящих в спектр звуков работы внутренних ор- ганов человека.

По замыслу же авторов внутренняя полость фонендоскопа вплоть до барабанной перепонки человека заполнена водой, что сразу ли- шила фонендоскоп резонатора. И здесь, как и в телефоне, колебания

46

мембраны выталкивают из отверстий эластичных насадок и втяги- вают в них столбики воды пропорциональные отношению площади мембраны к площади отверстий насадок, благодаря чему врач будет ощущатьлишь боль в ушах,переставая воспринимать звук.Убедиться в этом можно было легко и авторам.

На этом у создателя «теории решения изобретательских задач» (триз) не закончились сомнительные изобретения. В изобретени-

ях а. с. 71289, 85954, 111144, 120909, 124859 отсутствуют технические преимущества от использования выбранных им физических явлений и эффектов. В них обнаруживается лишь техническая ущербность ис- ключающая возможность применения изобретений на практике.

Положительная и отрицательная работа

Понятие«работы»,какфизическойвеличины,определённымобра- зом связано с движением тел под действием силы. Работа, как произ- ведение силы на перемещение точки приложения силы, совершается и определяется при условии совпадения направлений силы и пере- мещения. Отсутствие перемещения указывает на отсутствие какой — либоработы,идействиесилперпендикулярныхнаправлениюпереме- щения (когда угол между направлениями силы и перемещения равен 90 0) также не создаёт работы (например, при перемещении по гори- зонтальной плоскости работа силы тяжести равна нулю). В Механике работа силы это мера действия величины и направления силы, а так- же перемещения её точки приложения. Направление действия сил по отношению к направлению перемещения имеет смысловое значе- ние в том, какая именно совершается работа: положительная или от- рицательная. Если угол между направлениями силы и перемещения менее 90 0, то работа положительная. То есть, если сила увеличивает скорость перемещения, ускоряя движение тела, то она совершает по- ложительную работу.В противоположность этому,если сила замедля- ет скорость перемещения, то есть, ускорение действует против дви- жения (скорости) тела, то она совершает отрицательную работу. Угол между направлениями силы и перемещения в этом случае больше 90 0, но менее или равно 1800.

На положительную работу тратятся энергия, материалы, тогда как на отрицательную работу, как правило, затрат нет, они бесплатны или минимальны. Положительную работу относят к полезной работе, к работе по получению нечто ценного. Отрицательная работа всегда направлена против положительной работы и, потому она отнимает часть полезного, и требует своей компенсации за счёт ценной пользы и, тем самым, приводит к уравновешиванию действующих противо- положно сил.

47

Работа совершается при изменении состояниятела,например,при опускании груза, при раскручивании пружины, при остановке движу- щеготела.Тогда работа равна произведению величины силы надлину перемещения (A = F . s), работа силы тяжести равна произведению ве- личины силытяжести,действующей на груз,на расстояние,с которого он опущен (A = P . h).

Полезная работа совершается действующими силами, а отрица- тельная работа — силами сопротивления, которые возникают сразу

смомента появления действующих сил.

ВФизике приняты ещё и обобщённые силы (давления, поверх- ностного натяжения и др.). Это величины, зависящие не только от ко- ординат (во внешних силовых полях, например, гравитации, то есть от потенциальной энергии), но и от внутренних параметров си- стемы (например, температуры) t или её энтропии. Работа сил дав-

ления p при изменении объёма V системы равна их произведению: δА = p . dV. Работа сил поверхностного натяжения при изменении по-

верхности системы: δА= – σdΣ,где σ —коэффициентповерхностного натяжения, dΣ — элемент поверхности. Работа намагничивания си- стемы: δА= – Н dJ,где H —напряжённость внешнего магнитного поля, J — намагниченность вещества.

Если в Механике dА полный дифференциал, то в Термодинамике принят δА — не полный дифференциал. Это объясняется зависимо- стью работы от длины пути, при котором для кругового процесса воз- вратсистемы в исходное состояние можетоказатьсятаким,что работа системы не будет равна нулю, чем пользуются во всех тепловых дви- гателях.

При δА = – δА энергия взаимодействия системы с внешними тела- ми не меняется в процессе совершения работы.

Роль сил сопротивления в Природе велика. Без действия сил со- противления, например, сил трения, невозможно перемещение мобильной техники использующих контактные движители (колёса, гусеницы). Для ходьбы человеку достаточно обычной обуви. Сила трения покоя железнодорожного или шоссейного полотна, противо- действующая скольжению,всегда направлена вперёд и сообщает,на- пример,человеку или ведущим колёсам любого транспортного сред- ства ускорение вперёд. С помощью сил трения покоя совершается как положительная работа перемещения транспортных средств, так и отрицательная работа торможения, и приобретается она бесплат- но. Это весьма удобные условия, привычные на Земле или в любом опорном мире, где есть гравитация.

В безопорном мире, таком, как космос, где нет гравитации, отри- цательную работу необходимо совершать с помощью трат энергии, веществ,материалов.Технические средства,предназначенныедля со-

48

вершения положительной работыдолжны обязательно снабжатьсята- кими же техническими средствами,но используемые для совершения отрицательной работы. Двигатель, сообщающий движение объекту вперёд, должен иметь другой двигатель, сообщающий этому объекту движение назад,чтобы его затормозить.Положительная работа в кос- мосе часто направлена на компенсацию отклонений объекта от вы- бранной точки покоя, так как там нет покоя, всё подвержено вынуж- денному свободному движению.

На простых машинах (блок, рычаг, ворот), передаточных механиз- мах (зубчатые передачи, ременной или цепной привод) работа пере- даётся с одного конца на другой практически без изменений, поэто- му положительная или полезная работа равна отрицательной,то есть противоположной ей работе. Полезная работа сопровождается отри- цательной работой и от их взаимного уничтожения суммарная или общая работа равна нулю.

Это положение называют принципом сохранения работы. Но, так как не вся работа может быть передана на пользу потребителя из-за разногородапотерь,тоэффективностьпередающегомеханизмастали характеризоватькоэффициентом полезного действия (к. п. д.).КПД — это отношение отдаваемой механизмом полезной энергии к под- водимой энергии. Польза, получаемая потребителем, это требуемая ценность, для производства которой энергия, материалы или инфор- мация должны быть дешёвыми или «бесплатными». Тогда эффектив- ность получения пользы максимальная. Дешёвое или «бесплатное» тратится, чтобы получить ценное, поэтому ценное обязательно заме- щается «бесплатным» или ненужным.То есть,всякое полезноедвиже- ниесопровождаетсяобязательнымобратнымзамещающимдвижени- ем, чем сохраняется баланс обоих движений.

Для установления равномерного и прямолинейного движения (перемещения) нужны и положительная и отрицательная работы. С помощью них регулируется ход движения: набор скорости и замед- ление. Сила, ускоряющая объект техники, увеличивает его скорость до тех пор, пока сила, замедляющая этот объект техники, не станет ей равной. Такое равновесие противоположных сил пригодно и ис- пользуется для измерения величин движущей и замедляющей дви- жение сил.При уменьшении или исчезновении движущей силы начи- нает действовать противоположная ей сила, ускоренно замедляющая движение объекта техники.Она действуетдо момента,пока не станет равной движущей силе или нулю. Прекращение движения (или пере- мещения) объекта техники означает исчезновение (обнуление) как движущей, так и замедляющей сил, или отсутствие как положитель- ной,так и отрицательной работ.

Несколько уточняющих пояснений о «простых машинах».

49