| Требуемое действие, свойство
| Физическое явление, эффект, фактор, способ
|
| 1. Измерение температуры
| Тепловое расширение и вызванное им изменение собственной частоты колебаний. Термоэлектрические явления. Спектр излучения. Изменение оптических, электрических, магнитных свойств веществ. Переход через точку Кюри. Эффекты Гопкинса и Баркхаузена
|
| 2. Понижение температуры
| Фазовые переходы. Эффект Джоуля -Томсона, Эффект Ранка. Магнитокалориче-ский эффект. Термоэлектрические явления
|
| 3. Повышение температуры
| Электромагнитная индукция. Вихревые токи. Поверхностный эффект. Диэлектрический нагрев. Электронный нагрев. Электрические разряды. Поглощение излучения веществом. Термоэлектрические явления.
|
| 4. Стабилизация температуры
| Фазовые переходы (в том числе переход через точку Кюри)
|
| 5. Индикация положения и перемещения объекта
| Введение меток - веществ, преобразующих внешние поля (люминофоры) или создающих свои поля (ферромагнетики) и потому легко обнаруживаемых. Отражение и испускание света. Фотоэффект. Деформация. Рентгеновское и радиоактивное излучения. Люминесценция. Изменение электрических и магнитных полей. Электрические разряды. Эффект Доплера
|
| 6. Управление перемещением объектов
| Действие магнитным полем на объект или на ферромагнетик, соединенный с объектом, Действие электрическим полем на заряженный объект. Передача давления жидкостями и газами. Механические колебания. Центробежные силы. Тепловое расширение. Световое давление
|
| 7. Управление движением жидкости и газа
| Капиллярность. Осмос. Эффект Томса. Эффект Бернулли. Волновое движение. Центробежные силы. Эффект Вайссенберга
|
| 8. Управление потоками аэрозолей (пыль, дым, туман)
| Электризация. Электрические и магнитные поля. Давление света
|
| 9. Перемешивание смесей. Образование растворов
| Ультразвук. Кавитация. Диффузия. Электрические поля. Магнитное поле в сочетании с ферромагнитным веществом. Электрофорез. Солюбилизация
|
| 10. Разделение смесей
| Электро- и магнитосепарация. Изменение кажущейся плотности жидкости-разделителя под действием электрических и магнитных полей. Центробежные силы Сорбция. Диффузия. Осмос
|
| 11. Стабилизация положения объекта
| Электрические и магнитные поля. Фиксация в жидкостях, твердеющих в магнитном и электрическом полях. Гироскопический эффект. Реактивное движение
|
| 12. Силовое воздействие. Регулирование сил. Создание больших давлений
| Действие магнитным полем через ферромагнитное вещество. Фазовые переходы. Тепловое расширение. Центробежные силы. Изменение гидростатических сил путем изменения кажущейся плотности магнитной или электропроводной жидкости в магнитном поле. Применение взрывчатых веществ Электрогидравлический эффект. Оптико-гидравлический эффект. Осмос
|
| 13. Изменение трения
| Эффект Джонсона - Рабека. Воздействие излучений. Явление Крагельского. Колебания
|
| 14. Разрушение объекта
| Электрические разряды. Электрогидравлический эффект. Резонанс. Ультразвук. Кавитация. Индуцированное излучение
|
| 15. Аккумулирование механической и тепловой энергии
| Упругие деформации. Гироскопический эффект. Фазовые переходы
|
| 16. Передача энергии: механической тепловой лучистой электрической
| Деформации. Колебания. Эффект Александрова. Волновое движение, в том числе ударные волны. Излучения. Теплопроводность. Конвекция. Явление отражения света (световоды). Индуцированное излучение Электромагнитная индукция. Сверхпроводимость
|
| 17. Установление взаимодействия между подвижным (меняющимся) и неподвижным (неменяющимся) объектами
| Использование электромагнитных полей (переход, от "вещественных" связей к "полевым")
|
| 18. Измерение размеров объекта
| Измерение собственной частоты колебаний. Нанесение и считывание магнитных и электрических меток.
|
| 19. Изменение размеров объектов
| Тепловое расширение. Деформации. Маг-нито-, электрострикация. Пьезоэлектрический эффект
|
| 20. Контроль состояния и свойств поверхности
| Электрические разряды. Отражение света. Электронная эмиссия. Муаровый эффект. Излучения
|
| 21. Изменение поверхностных свойств
| Трение. Адсорбция. Диффузия. Эффект Баушингера. Электрические разряды. Механические и акустические колебания. Ультрафиолетовое излучение
|
| 22. Контроль состояния и свойств в объеме
| Введение "меток" - веществ, преобразующих внешние поля (люминофоры) или создающих свои поля (ферромагнетики), зависящие от состояния и свойств исследуемого вещества. Изменение удельного электрического сопротивления в зависимости от изменения структуры и свойств объекта. Взаимодействие со светом. Электро- и магнитооптические явления. Поляризованный свет. Рентгеновские и радиоактивные излучения. Электронный парамагнитный и ядерный магнитный резонансы. Магнитоупругий эффект. Переход через точку Кюри. Эффекты Гопкинса и Баркхаузена. Измерение собственной частоты колебаний объекта. Ультразвук, эффект Мёссбауэра. Эффект Холла.
|
| 23. Изменение объемных свойств объекта
| Изменение свойств жидкости (кажущейся плотности, вязкости) под действием электрических и магнитных полей. Введение ферромагнитного вещества и действие магнитным полем. Тепловое воздействие. Фазовые переходы. Ионизация под действием электрического поля. Ультрафиолетовое, рентгеновское, радиоактивное излучения. Деформация. Диффузия. Электрические и магнитные поля. Эффект Баушингера. Термоэлектрические, термомагнитные и магнитооптические эффекты. Кавитация. Фото-хромный эффект. Внутренний фотоэффект.
|
| 19. Изменение размеров объектов
| Тепловое расширение. Деформации. Магнито-, электрострикация. Пьезоэлектрический эффект
|
| 24. Создание заданной структуры. Стабилизация структуры объекта
| Интерференция волн. Стоячие волны. Муаровый эффект. Магнитные поля. Фазовые переходы. Механические и акустические колебания. Кавитация
|
| 25. Индикация электрических и магнитных полей
| Осмос. Электризация тел. Электрические разряды. Пьезо- и сегнетоэлектрические эффекты. Электреты. Электронная эмиссия. Электрооптические явления. Эффекты Гопкинса и Баркхаухена. Эффект Холла. Ядерный магнитный резонанс. Гиромагнитные и магнитооптические явления.
|
| 26. Индикация излучения
| Оптико-акустический эффект. Тепловое расширение. Фотоэффект. Люминесценция. Фотопластический эффект
|
| 27. Генерация электромагнитного излучения
| Эффект Джозефсона. Явление индуцированного излучения. Туннельный эффект. Люминесценция. Эффект Ганна. Эффект Черепкова
|
| 28. Управление электромагнитными полями
| Экранирование. Изменение состояния среды, например увеличение или уменьшение ее электропроводности. Изменение формы поверхностей тел, взаимодействующих с полями
|
| 29. Управление потоками света. Модуляция света
| Преломление и отражение света. Электро- и магнитооптические явления. Фотоупругость, эффекты Керра и Фарадея. Эффект Ганна. Эффект Франца - Келдыша
|
| 30. Инициирование и интенсификация химических превращений
| Ультразвук. Кавитация. Ультрафиолетовое, рентгеновское, радиоактивные излучения. Электрические разряды. Ударные волны. Мицеллярный катализ
|
Рассмотрим для примера ход решения изобретательской задачи.
Задача
При измерениях очень малых весов (или сил) или же при измерениях очень малых изменений веса, происходящих непрерывно, сложной задачей является уравновешивание микровесов. Если измеряемые веса лежат в диапазоне сотых и тысячных долей миллиграмма, то чувствительность весов ограничивается, кроме механических факторов типа трения покоя, также отсутствии или недостаточно точной калибровкой «гирь». Кроме того, в процессе измерения изменений веса микрообразца, даже при наличии соответствующих «гирь», эти изменения могут фиксироваться только при величинах, кратных весу «гирь»
Задачи, связанные с измерением малых и непрерывных изменений веса образцов, возникают при изучении некоторых химических реакций, проводимых с микрообразцами, а также при изучении процессов, например, поглощения (из окружающей среды) или выделения влаги микроорганизмами.
Требуется найти способ уравновешивания микровесов при очень малых изменениях веса (или силы) образцов. Способ должен обеспечивать возможно более плавную непрерывность контроля за изменением веса образца.
Ход решения
Сначала проанализируем задачу с шага 2-3 АРИЗ:
2-3. Дана система из микровесов, «гирь» и груза. Уравновешивание груза «гирями» не обеспечивает требуемый точности и непрерывности.
2-4 а. Микровесы, «гири».
б. Груз.
(Груз, естественно, нельзя менять, остальное может быть изменено).
2-5. Микровесы
(Выбор сделан на основании примечания "б" к шагу 2-5: «гири» - элемент, непосредственно связанный с отрицательным фактором, указанным в условиях задачи).
3-1. Микровесы сами (т.е. без гирь) уравновешиваются, обеспечивая точное и
непрерывное взвешивание.
3-2. Было Стало
3-3. Не может выполнить требуемого действия площадка весов, на которую раньше укладывали гири.
3-4. а. Мы хотим, чтобы вес этой площадки сам менялся - без гирь. Притом менялся контролируемо и плавно.
б. Площадка имеет постоянный вес.
в. Площадка должна в одно и то же время иметь постоянный вес и переменный вес: как элемент конструкции она должна иметь постоянный вес, (точнее - постоянную массу), а как устройство для уравновешивания площадки должна иметь переменный вес.
Отметим, что тут появляется оригинальная идея площадки, которая не имеет постоянного веса: частицы площадки распадаются, испаряются и т.п. Что-то вроде весов или гирь одноразового пользования.
3-5. Обычный путь изменения веса площадки - применение гирь:
чтобы увеличить вес, увеличивали массу. Но этот путь исключен условиями задачи и ходом анализа. Нам надо, чтобы площадка сама меняла вес и не меняла его, т.е. вес должен измениться без изменения массы.
3-6. Изменить вес, не меняя массу, можно, например, используя центробежные силы, закон Архимеда, давление струи воздуха на площадку. Но это грубые способы. Обратимся к таблице применения физических элементов (приложение 1). Таблица подсказывает следующие возможности:
12. Тепловое расширение твердых тел.
34. Световое давление. Контрольный ответ (патент США 3590932) совпадает с 34.
___________________________________
ЗАДАЧА 1 (1-19)x
После изготовления некоторых железобетонных изделий с предварительно напряженной арматурой (балки, колонны, столбы) возникает необходимость измерения напряжения арматуры в готовом (иногда уже установленном на место) изделии. Трудность заключается в том, что арматура находится внутри готового изделия. Чтобы добраться до нее, пришлось бы разрушить бетон, т.е. испортить изделие.
Предложите способ измерения напряжения арматуры без разрушения бетона.
ЗАДАЧА 2 (2-26)
При бурении скважин колонна труб иногда «прихватывается» (т.е. зажимается стенками скважины) в том или ином месте. Чтобы ликвидировать прихват, надо определить (с точностью до 1 м), где именно он произошел. Длина колонны 2-5км, а длина участка прихвата - несколько метров.
Обнаружить место прихвата ударом по трубе и фиксацией отраженного сигнала невозможно: звук не отражается в месте прихвата.
Нескольку колонна состоит из многих свинченных между собой труб, невозможно с требуемой точностью определить место прихвата по углу закручивания колонны при определенной силе.
Нужен простой и точный способ определения места прихвата.
ЗАДАЧА 3 (2-34)
Как защитить от молнии сооружение типа антенны радиотелескопа?
Поставить обычный громоотвод нельзя - он непрозрачен для радиоволн, создает тень, искажает изображение. Можно, конечно, сделать громоотвод из диэлектрика, например, из стекла: тени не будет… но и толку но будет, так как стеклянный стержень не проводит электричества.
Как же быть?
ЗАДАЧА 4
В гидротехнике очень трудоемким является процесс зачистки скальных оснований под гидротехнические сооружения (плотины, здания ГЭС и т.д.). Обычно применяется способ, связанный с проведением буровзрывных работ. Способ обладает существенными недостатками - он требует либо осушения рабочего полигона, либо применения водолазной техники. Кроме того, взрывы, производимые в отдельных точках, не всегда очищают скальное основание от слабосвязанной породы полностью, по всей площади основания. Увеличение мощности взрыва часто бывает недопустимо, т.к. можно повредить само основание. Буровзрывной способ иногда создает дополнительные неудобства, поскольку необходимо убирать взорванную породу, в которой содержаться и крупные блоки. Кроме того, техника безопасности требует прекращения всех работ в округе.
Нужно найти способ очистки скальных оснований от слабо связанных частей породы, позволяющий разрушать и удалять только слабую породу. Дополнительные пожелания: кроме очистки оснований от слабосвязанной породы способ должен обеспечивать возможность «подрабатывать» (выравнивать) и само скальное основание. Будет неплохо, если варианты способа окажутся приемлемыми и для разбивки старых бетонных оснований портовых сооружений.
ЗАДАЧА 5
Широко распространен способ измерения диаметра микропроволок (1-50 микрон), заключающийся во взвешивании куска проволоки определенной длины с последующим вычислением по известной длине, массе и плотности материала диаметра микропроволоки. Способ не очень хороший: по сути дела это выборочный способ, он не дает возможности вести контроль за диаметром микропроволоки в процессе ее волочения. Кроме того, с помощью этого способа абсолютно невозможно контролировать овальность сечения провода.
_____________________________________________________________________
х) В скобках указаны номера задач, взятых из первого и второго выпусков задачника по методике изобретательства.
Способы измерения диаметра с применением механических контактов очень сложны и ненадежны ввиду большой инерционности механических контактов и малой механической прочности микропроволок. При попытке поджатия контактов проволока часто рвется или деформируется, что недопустимо.
Заманчиво применение светотеневых методов, однако здесь есть свои трудности. Как правило, линейные размеры источника света больше диаметра микропроволоки, что приводит к появлению полутеней и резкому снижению точности измерения? при малых диаметрах проволоки сильно сказывается дифракция света, также мешающая повышению точности.
Требуется найти способ контроля диаметра и овальности макропроволоки в процессе ее волочения (т.е. без разрыва проволоки). Способ должен быть достаточно прост и надежен.*
ЗАДАЧА 6
При изготовлении каких-либо покрытий или изделий из порошкообразных веществ необходимым процессом является отбор воздуха из этого порошка (процесс деаэрации).
При применении вакуумных способов (прямая откачка) порошок не уплотняется; кроме того, часть порошка уходит в вакуумный насос, что нехорошо со всех точек зрения (потеря порошка, загрязнение насоса).
Не решает задачу и применение таких способов, как вибрация, встряхивание.
Требуется найти способ обезгаживания, позволяющий получать монолитную и однородную структуру из вещества порошка. Плавление порошка недопустимо.
ЗАДАЧА 7
Для изучения быстропротекающих процессов (развитие электропробоя, молнии и т.д.) применяют метод сверхскоростной фоторегистрации. При этом тем или иным способом осуществляется развертка - фотоизображения по времени с целью получить сведения как о суммарном времени протекания процесса, так и о развитии процесса во времени. Измеряемые интервалы времени лежат в пределах 10-6 – 10-8 сек. Обычно время развития процесса определяется по скорости развертки (если интервалы времени порядка 10-5 – 10-3сек, время развития процесса определяют по времени экспозиции кинокадра). Такой способ дает большую погрешность (до 20 %) из-за невозможности более точно определить скорость развертка непосредственно во время протекания быстрого процесса. Стабилизация скорости фоторазвертка связана с преодолением больших технических трудностей.
Требуется найти способ определения времени протекания быстрых процессов (10-8 – 10-7 сек) с точностью не хуже 3%.
ЗАДАЧА 8
Для проектирования линии электропередач сверхвысокого напряжения (1300-1000 киловольт) требуется испытательная аппаратура, дающая на выходе напряжения до 2000 киловольт. Мощность такой аппаратуры часто бывает незначительной, т.е. очень часто эта аппаратура не может давать больших токов.
Значительную трудность представляет измерение больших напряжений и токов в проводниках, находящихся под этим сверхвысоким напряжением.
При напряжениях до 250 киловольт используются электростатические киловольтметры; величина напряжения определяется по эффекту притяжения пластин конденсатора, изолированных друг от друга на полное напряжение. Создание такой изоляции для прибора - сложная техническая проблема; именно поэтому нет пока электростатических киловольтметров на напряжения свыше 250 киловольт. Однако электростатические вольтметра имеют серьезные преимущества: они практически не потребляют тока и пригодны для измерения и постоянного и переменного напряжения.
Для измерения высоких и сверхвысоких напряжений (до двух - трех миллионов вольт) приходится применять омические (постоянное напряжение), емкостные (переменное напряжение) или же комбинированные емкостно-омические делители напряжения. Все они представляют собой громадные цепочки соединенных последовательно резисторов или конденсаторов; конструктивно они выполняются в виде огромных этажерок (6-10 метров). Электрическая изоляция этих этажерок должна быть рассчитана на полное напряжение; создание таких изолирующих конструкций - сложное и дорогое дело. Кроме того, такая аппаратура обладает довольно значительным токопотреблением и могут нарушать работу испытательных источников.
Измерение токов в проводниках, находящихся под высоким напряжением, также требует создания громадных изоляционных конструкций.
Требуется найти более простой и дешевый способ измерения сверхвысоких напряжений и токов в проводниках, находятся под этим же напряжением, без потери точности (2-3%).
ЗАДАЧА 9
Нужно найти способ очистки отложений накипи на внутренних стенках стальных труб. Химические способы исключаются по условиям задачи. Электрогидравлический удар разрушает саму трубу. Ультразвук не обеспечивает требуемой производительности. Разбуривание также идет слишком медленно.
ЗАДАЧА 10 (2-15)
Пластина памяти электронно-вычислительной машины представляет собой подложку с отверстиями. Для изготовления подложки могут бить использованы любые диэлектрические материалы. В отверстия подложки вставлены ферритовые колечки, их диаметр - десятые доли миллиметра, толщина стенок - сотые доли миллиметра.
При повышении температуры наступает момент (точка Кюри), когда феррит теряет ферромагнитные свойства. Желательно, чтобы точка Кюри была как можно более высокой. Установлено, что если феррит подвергается сжатию, точка Кюри повышается. Будь колечки достаточно крупными, их нетрудно было бы сжать и в таком состояния вставить в отверстия подложки, но колечки очень маленькие.
Нужно найти способ изготовления пластин памяти со сжатыми (в радиальном направлении) ферритовыми колечками.
Контрольные ответы
