Повышение проводимости полезных потоков

Закономерность развития технических систем, заключающаяся в том, что в процессе развития повышается проводимость полезных потоков.

· Снижение количества преобразований потока.

Закономерность развития технических систем, заключающаяся в переходе от потока, имеющего много преобразований, к однородному потоку.

Обычно каждое преобразование потока (перевод вещества из одного состояния в другое, смена типов энергии, смена способов представления информации) сопровождается потерями и торможением. Следовательно, снижение количества таких преобразований ведет к повышению проводимости. В идеале преобразований вообще не должно быть, и все компоненты потоков должны сразу иметь вид, необходимый для их конечного использования.

Пример - дизель-генератор (Рисунок 221) и топливный элемент (Рисунок 222):

Рисунок 221 Дизель-генератор

Рисунок 2 Топливный элемент

В дизель-генераторе поток энергии имеет следующий вид:

Химическая энергия топлива ® тепловая энергия ® механическая энергия ® электроэнергия.

В топливном элементе преобразование всего одно:

Химическая энергия топлива ® электроэнергия.

Соответственно, к.п.д. топливного элемента в два раза выше.

· Преобразование потока

Закономерность развития технических систем, заключающаяся в переходе от потока, плохо поддающегося передаче, к потоку, хорошо поддающемуся передаче.

Если имеется значительное cопротивление потоку, а потери при его преобразовании относительно невелики, поток преобразуют к виду, наиболее легко поддающемуся передаче.

Пример - переговорная труба на корабле (Рисунок 223):

Рисунок 22 3 Переговорная труба

С увеличением размеров кораблей пользоваться такими трубами было все труднее. В итоге произошел закономерный переход к интерфону - поток звука преобразовали в удобный для передачи электрический сигнал (Рисунок 224):

Рисунок 224 Интерфон

· Сокращение длины потока

Закономерность развития технических систем, заключающаяся в переходе от длинного потока к короткому.

Обычно многие виды потерь и сопротивлений потоку пропорциональны его длине. Следовательно, для повышения проводимости следует уменьшать длину потока. В идеале поток должен иметь нулевую длину, т.е. его компоненты должны сразу появляться там, где используются.

Пример - бормашина. Раньше сверло приводилось в движение стационарным двигателем через гибкую передачу, а то и систему передач (Рисунок 225):

Рисунок 225 Старая бормашина

Большая длина потока механической энергии накладывала ограничения на скорость вращения сверла, что снижало производительность и увеличивало страдания пациента. В современных системах источник вращения расположен в корпусе бора, т.е. длина потока сокращена почти до нуля (Рисунок 226):

Рисунок 226 Современная бормашина

В качестве примера из другой области можно указать на такой известный всем военным факт, что сильно растянутые коммуникации крайне негативно сказываются на снабжении войск, поэтому сокращение коммуникаций (т.е. уменьшение длины потока снаряжения) - постоянная головная боль стратегов.

· Устранение "серых зон"

Закономерность развития технических систем, заключающаяся в переходе от потока, содержащего области, в которых его поведение не поддается предсказанию с достатоточной точностью, к потоку, свободному от таких областей.

Поскольку поведение потока в "серой зоне" не поддается расчету, параметры этих областей обычно подбирают эмпирически. Поставить достаточное количество экспериментов удается далеко не всегда, поэтому такие области, как правило, недостаточно оптимизированы, что приводит к повышению потерь и сопротивления. Следовательно, устранение "серых зон" косвенно ведет к повышению проводимости за счет более эффективной оптимизации.

Пример - ловля рыбы. Косяк (Рисунок 227) под водой не видно, его поведение точному предсказанию не поддается, поэтому обеспечить устойчивый поток рыбы из моря на борт рыбацкого судна сложно - возникает много лишних затрат на неудачные забросы сетей и холостые переходы.

Рисунок 227 Косяк рыбы

Для устранения серой зоны применили сонар (Рисунок 228) - теперь видно, есть рыба или нет, и можно забрасывать трал прицельно (Рисунок 229).

Рисунок 228 Сонар

Рисунок 229 Трал

Серой зоной также является, например, область взаимодействия потока рекламной информации с потенциальными потребителями, что вызывает перерасход средств на рекламу при ее невысокой эффективности. Устранить эту зону пытаются разными способами, в том числе направляя рекламу на предположительно однородные группы: куклу Барби (Рисунок 230) рекламируют во время рассчитанных на девчонок мультиков (Рисунок 231), а прелести службы в армии (Рисунок 232)- в рекламных паузах мордобойных боевиков (Рисунок 233).

Рисунок 230 Кукла Барби

Рисунок 231 Мультфильм "Русалочка"

Рисунок 232 Реклама службы в армии

Рисунок 233 Боевик

· Устранение "бутылочных горлышек"

Закономерность развития технических систем, заключающаяся в переходе от потока, содержащего области, сопротивление которых значительно больше погонного сопротивления тракта, к потоку, свободному от таких областей.

"Бутылочное горлышко" - область потока с резко повышенным сопротивлением. Очевидно, что устранение таких областей значительно повышает проводимость.

Пример - фильтры, препятствующие проникновению частиц, вызывающих аллергию, на слизистую оболочку носа (Рисунок 234).

Рисунок 234 Фильтры для носа

Хорошо задерживая аллергены, они оказались серьезным препятствием для воздуха (типичным "бутылочным горлышком") - через них так трудно дышать, что такие фильтры широкого распространения не нашли.

Поэтому, в соответствии с трендом, в нашей компании разработали антиаллергенные вставки в нос, работающие по принципу циклона (Рисунок 235):

Рисунок 235 Фильтры для носа (принцип циклона)

В этих вставках в результате закручивания воздушного потока взвешенные в нем твердые частицы центробежной силой отбрасываются к стенкам и прилипают к покрытой невысыхающим клеем поверхности; сам же воздух свободно проходит, почти не испытывая дополнительного сопротивления. Таким образом, "бутылочное горлышко" было устранено.

· Повышение проводимости отдельных звеньев потока

Закономерность развития технических систем, заключающаяся в повышении проводимости отдельных звеньев потока вплоть до физического предела для данного типа проводников.

Поскольку сопротивление потоку сильно зависит от характеристик проводников, их улучшение приводит к повышению проводимости. В идеале характеристики должны соответствовать физическому пределу для данного типа проводников.

Примеров можно привести много. Вот дороги - проводники потока колесного транспорта - развились от грунтовых проселков (Рисунок 236) до скоростных многорядных шоссе (Рисунок 237):

Рисунок 236 Грунтовая дорога

Рисунок 237 Скоростное шоссе

Другой пример - обмотки электрических машин (Рисунок 238). Лучше меди проводника нет (не считая сверхпроводников), поэтому электропроводность повышать не удается. Зато развиваются изоляционные материалы и технологии их нанесения, благодаря чему можно увеличивать напряжение.

Рисунок 238 Статор

· Повышение удельных характеристик потока

Закономерность развития технических систем, заключающаяся в переходе от большого потока низкой плотности к маленькому потоку высокой плотности.

Часто сопротивление потоку не зависит от его удельных характеристик. Поэтому для повышения проводимости выгодно снижать объем потока при одновременном повышении его плотности. В результате по тому же проводнику можно пропустить больший поток, либо при том же потоке снизить затраты на проводник.

Пример - транспортировка газа от места добычи к потребителям. Для повышения производительности на входе в магистральный трубопровод газ сжимают компрессором, так что по трубе данного сечения проходит значительно больше газа (Рисунок 239):

Рисунок 239 Транспортировка природного газа

· Придание потоку дополнительных функций

Закономерность развития технических систем, заключающаяся в передаче всех или части функций одного потока другому.

· Придание потоку функций другого потока

Если поток дополнительно берет на себя функции другого потока, второй становится ненужным. Поэтому суммарная мощность потоков в системе уменьшается без ухудшения функционирования, а значит, растет эффективность.

Пример - карбюраторный двигатель внутреннего сгорания. В нем есть поток электроэнергии, вызывающий искру, которая поджигает топливо-воздушную смесь (Рисунок 240):

Рисунок 240 Свеча зажигания

При переходе к дизельному двигателю функцию "поджигать смесь" взял на себя поток механической энергии, преобразующийся в тепло при сжатии смеси (Рисунок 241):

Рисунок 241 Дизельный двигатель

· Полезное действие потоков друг на друга

Потоки различной природы могут воздействовать друг на друга таким образом, что проводимость системы по отношению к ним возрастает.

Пример - термо-экструзия. Поток тепла полезно действует на поток экструдируемого материала, повышая его пластичность (Рисунок 242):

Рисунок 242 Термо-экструзия

· Полезное действие потока на проводящий тракт другого потока

Поток может улучшать характеристики проводников другого потока, что приводит к интегральному повышению проводимости системы.

Пример: известный физический эффект - охлаждение проводника приводит к снижению электросопротивления. Поэтому при разработке концепции водородной экономики предложено комбинировать линии электропередач с трубопроводами для жидкого водорода. При этом поток отрицательного тепла от водорода заодно будет снижать сопротивление электрического кабеля (Рисунок 243):

Рисунок 243 Комбинированный трубопровод

· Использование одного потока в качестве переносчика второго

Закономерность развития технических систем, заключающаяся в переходе от независимой передачи разнородных потоков к переносу одного потока другим.

Потоки различной природы можно использовать для переноса друг друга: поток вещества может переносить различные виды энергии, поток энергии может переносить информацию и т.п.

Пример - двухтактный двигатель (Рисунок 244):

Рисунок 244 Двухтактный двигатель

В нем, в отличие от обычного двигателя, где потоки топлива и смазочного масла разделены, масло вводят непосредственно в бензин, т.е. налицо перенос одного потока другим.

Другой пример - во времена, когда вычислительная техника использовала перфоленты, возникла проблема - как предупредить пользователя, что лента в катушке скоро кончится? Нашли простое решение - последние несколько метров ленты окрасили в розовый цвет. Дальше просто - раз пошла розовая лента, надо ставить новую катушку. С нашей точки зрения, налицо ситуация, когда поток вещества (лента), несущий, кстати поток информации для машины, стал переносчиком еще одного потока информации - для пользователя.

Еще пример: в бытовой газ добавили сильно пахнущее вещество (меркаптан). Теперь поток газа несет с собой и сигнальный поток, информирующий людей об утечке.

· Передача нескольких однородных потоков по одному каналу

Закономерность развития технических систем, заключающаяся в переходе от передачи нескольких однородных потоков по независимым каналам к их передаче по одному каналу.

Объединение нескольких однородных потоков в одном канале повышает интегральную проводимость системы и снижает затраты на проведение каждого потока.

Пример - многоканальная передача, при которой по одному и тому же телефонному проводу или оптическому волокну передается одновременно множество независимых потоков информации, разнесенных по несущей частоте (Рисунок 245):

Рисунок 245 Оптоволокно

Другой пример - передача информационных сигналов по осветительной сети.

· Модификация потока для повышения проводимости

Закономерность развития технических систем, заключающаяся в придании потоку комплекса свойств, облегчающих его передачу по тракту данного типа.

Иногда удается так модифицировать поток, что сопротивление ему уменьшается. К таким модификациям относятся различные способы снижения вязкости жидкостей, ламинаризация/турбулизация потоков, использование "окон прозрачности" и т.п.

Пример - переход от визуального осмотра (использование потока видимого света) к рентгеновским лучам, для которых тело человека значительно более прозрачно (тот же поток электромагнитного излучения, но сдвинутый по частоте), позволил врачам заглянуть внутрь живого организма без помощи скальпеля и зонда (Рисунок 246):

Рисунок 246 Рентгеновское изображение

· Полное или частичное выведение потока за пределы системы

Закономерность развития технических систем, заключающаяся в переходе от потока, целиком идущего по системе, к потоку, полностью или частично идущему по внешнему по отношению к данной системе тракту.

В некоторых случаях удается пропускать поток через надсистему или окружающую среду. Это позволяет использовать внешние тракты с большой проводимостью, а также снизить требования к системе и затраты на внутрисистемный канал.

Пример - вместо прокладки выделенной линии для быстрой связи домашнего компьютера с Интернет-провайдером используют передачу сигнала по каналу кабельного телевидения (Рисунок 247):

Рисунок 247 Кабельное TV + Интернет

Еще пример - переход от проводных телефона и телеграфа (Рисунок 248) к радиосвязи (Рисунок 249). Передача сигнала через окружающую среду позволила снизить затраты на прокладку и поддержание каналов связи (кабелей, проводов).

Рисунок 248 Телеграфная линия

Рисунок 249 Антенны