Веполь - минимальная техническая система

Для начала рассмотри несколько изобретательских задач.

Задача 1. Нужен способ быстро и точно обнаруживать в холодильных агрегатах не плотности, через которые просачивается жидкость (фреон, масло, водоаммиачный раствор).

Задача 2. Как определить степень затвердевания полимерного состава при изготовлении изделия из полимера? Непосредственно измерить ("пощупать") не возможно.

Задача 3. Как контролировать интенсивность движения частиц сыпучего материала при псевдоожижении?

Задача 4. Нужно предложить легко извлекаемый клин.

Задачи относятся к различным отраслям техники и относятся к разным ситуациям, в каждой из которых свои трудности. В задаче 1 требуется быстро и точно отыскать маленькие капельки жидкости: здесь "быстро" конфликтует с "точно". В задаче 2 надо ввести датчик в затвердевающую массу и в тоже время нельзя этого делать, поскольку датик не должен там оставаться. В задаче 3 датчик можно поместить в сыпучий материал, но какой именно датчик? При одном и том же давлении спучие материалы мгут двигаться с разной интенсивностью. Задача 4 сразу наталкивает на мысль о различных механизмах, встроенных в клин. Здесь отчётливо видно техническое противоречие: выигрыш в силе, необходимой для извлечения клина, оплачивается усложнением устройства механизированного клина. Что же общего в этих задачах?

Понятно, что все задачи содержат технические или физические противоречия, но на этом видимое сходство заканчивается, поскольку противоречия в задачах разные. Попытаемся обнаружить нечто общее в решениях этих задач.

Ответ к задаче 1. "Способ обнаружения неплотностей в холодильных агрегатах, заполненных фреоном и маслом (преимущественно домашних холодильников), о т л и ч а ю щ и й с я   тем, что с целью повышения точности определения мест утечки в агрегатах вместе с маслом вводят люминофор, освещают агрегат в затемнённом помещении ультрафиолетовыми лучами и определяют места утечки по сравнению люминофора в росачивающемся через неплотности масле" (а.с. № 277805).

Ответ к задаче 2. "Способ определения затвердивания (размягчения) полимерных составов о т л и ч а ю щ и й с я тем, что с целью неразрушаемого контроля состава воодят магнитный порошок и измеряют изменение магнитной проницаемости состава в процессе его затвердивания" (а.с. № 239633).

Ответ к задаче 3. Акустический способ индкации псевдоожижения сыпучих материалов о т л и ч а ю щ и й с я тем, что с целью непосредственного контроля начала и интенсивности движения частиц в среду сыпучего материала воодят металлический стержень - звукопровод, являющийся датчиком звуковых колебаний, которые преобразуются электромагнитные (а.с. № 318404).

Ответ к задаче 4. "Устройство для закаливания, содержащее клин и клиновую прокладку, о т л и ч а ю щ и й с я тем, что с целью облегчения извлечения клина клиновая прокладка выполнена из двух частей, одна из которых легкоплавкая" (а.с. № 428119).

Сопоставим условия задач с их решением.

В условии задачи 1 дано вещество (капельки жидкости), а в решении введено второе вещество (люминофор) и поле (ультрафиолетовое излучение). Аналогичная ситуация и в задаче 2: дано вещество (полимер), введено второе вещество (феромагнитный порошок) и поле (магнитное). Такая же картина и в двух других задачах: добавлено второе вещество (стержень, прокладка) и поле (акустическое, тепловое).

Получается, что каждый раз, когда дано одно вещество, приходится добавлять второе вещество и поле. Зачем?

Ответить на этот вопрос не сложно: чтобы поле через второе вещество воздействовало на первое вещество или, наоборот, чтобы первое вещество через второе давало на выходе поле, несущее информацию.

Действительно не существует же поле, которое могло бы обнаружить маленькие капельки фреона или масла, но есть ультрафиолетовое излучение, которое легко обнаруживает дажже ничтожные количества люминофоров, именно для этого введено поле и второе вещество, связывающее поле с исходным веществом.

Обозначим поле буквой П, первое вещество В₁, второе вещество - В₂. Связи будем обозначать стрелками. Тогда для задачи 1 можем написать схему решения (двойная стрелка направлена от "дано" к "получено"):

 

В1

В2

В1

П

 

У задачи 2 такая же схема решения, но вещество В₂ само создаёт поле, зависящее от состояния В₂, которое в свою очередь, зависит от состояния В₁.

В1

В2

В1

П

Соответственно схемы решения 3 и 4 запишем так:

 

 

В решениях приведенных задач присутсвует три "действующих лица": вещество В₁, которое надо менять, обрабатывать, перемещать, обнаруживать, контролировать и т.д.; вещество В₂ - "инструмент", осуществляющий необходимое действие; поле П, которое даёт энергию, силу, т.е. обеспечивает действие В₂ на В₁ (или их взаимодействие). Нетрудно заметить, что эти три "действующих лица" необходимы и достаточны для получения требуемого в задаче результата. Само по себе поле или сами по себе вещества никакого действия не производят. Чтобы сделать что-то с веществом В₁, нужны инструмент (вещество В₂) и энергия (поле П).

Иными словами: в каждой изобретательской задаче есть объект (в задаче 1 - капельки жидкости, в задаче 2 - полимер и т.д.). Этот объект не может осуществить требуемое действие сам по себе, для этого он должен действовать с внешней средой или с другим объектом. При этом любое изменеие сопровождается выделением, поглощением или преобразованием энергии.

В решении задачи 4 тепловое поле действует на В₂, меняя механическое взаимодействие между В₂ и В₁:

В1

В2

П

 

 

П2

В2

П

В1

Может возникнуть вопрос: почему такое поле показано в формуле веполя, а механическое поле взаимодействия между В₁ и В₂ в формуле нет? Разумеется, можно бы записать и так:

 

где П₁ - тепловое поле, а П2 - механическое поле.

В вепольных формулах обычно записывают только поля на входе и на выходе, т.е. поля которыми по условиям данной задачи можно непосредственно управлять - вводить, обнаруживать, изменять, измерять, Взаимодействие между веществами указывают без детализации вида взаимодействия (тепловое, механическое и т.д.)

Принятые обозначения:

- веполь (в общем виде);

- действие или взаимодействие (в общем виде, без конкретизации);

- действие;

- взаимодействие;

- действие (или взаимодействие), которое надо ввести по условиям задачи;

- неудовлетворительное действие (или взаимодействие), которое по условиям задачи должно быть изменено;

- поле на входе: поле действует;

- поле на выходе: "поле хорошо поддаётся действию изменению, обнаружению, измерению)";

- состояние поле на входе;

- состояние того же поля на выходе (меняются параметры, но не природа поля);

- состояние вещества на входе;

- состояние вещества на выходе;

- "переменное" вещество, находящееся то в состоянии В¹, то в состоянии В¹¹ (например, под действием переменного поля);

- переменное поле.

В вепольных формулах вещества надо записывать в строчку, а поля сверху и снизу; это позволяет нагляднее отразить действие нескольких полей на одно и тоже вещество.

 

Лекция 12  Построение и преобразование веполей

На первых порах представление технических систем в виде веполей наталкивается на чисто психологические трудности. Нечто подобное наблюдается при освоении ребёнком понятия "треугольник". Треугольник - минимальная геометрическая фигура. Любую более сложную фигуру (квадрат, ромб, четырёхугольник и т.д.) можно свести к сумме треугольников. Именно поэтому изучение свойств треугольника выделено в особую науку - тригонометрию. Веполь - система из трёх элементов В₁, В₂ и П - играет в технике такую же фундаментальную роль, какую треугольник в геометрии. Зная несколько основных правил и имея таблицы тригонометрических функций, можно легко решать задачи, которые без этого потребовали бы кропотливых измерений и вычислений. Точно так же, зная правила построения и преобразования веполей, можно легко решать многие трудные изобретательские задачи.

Первое правило, с которым мы познакомились, состоит в том, что невепольные системы (один элемент - вещество или поле) и неполные вепольные системы (два элемента - поле и вещество, два вещества) необходимо - для повышения эффективности и управляемости достраивать до полного (три элемента - два вещества и поле).

В задаче о разделении древесной щепы и коры даны 2 вещества, и, следовательно, для достройки веполя нужно ввести поле. Огромное поисковое пространство резко сужается; нужно рассмотреть всего несколько вариантов. В сущности, если отбросить поля сильных и слабых взаимодействий (в данной задаче они ведут явно к слишком сложным решениям), остаётся два поля: электромагнитное и гравитационное. Учитывая ничтожную разницу в удельных весах коры и щепы, нужно отбросить сразу и гравитационное поле. Остаётся одно поле - электромагнитное. Поскольку магнитное поле не действует на кору и древесину, можно сразу ставить решающий эксперимент: как ведут себя щепки в электрическом поле? Оказывается в электрическом поле частицы коры заряжаются отрицательно, а частицы древесины - положительно. Это позволяет построить сепаратор, обеспечивающий надёжное разделение щепок и коры.

Если бы щепки не электризовались, что тогда? В этом случае правило о постройке веполя сохранило бы силу. Задача состоит в том, чтобы удалить один вид щепок. Следовательно, мы имеем право считать, что дано одно вещество, которое надо перемещать. Достроим веполь: добавим к этому веществу пару "вещество" и поле. Например, для раздробления ствола ветвей нанесём на кору ферромагнитные частицы, а затем - после дробления - используем для сепарации магнитное поле. Тут уже не требуются эксперименты: магнитное поле заведомо способно перемещать "омагниченную" кору.

Это решение можно изобразить так:

П

В2В3

В1

В2

В1

 

Дана смесь двух веществ, которые сами не могут разделиться. Решение состоит в достройке веполя, причём вместо В₂ следует взять комплекс (В₂В₃). Возможность строить "комплексные" веполи намного расширяет область применения правила о достройке веполя.

П^I

В1

П^II

В1

В2

(В2В3)

 

 

Здесь В₁ - холодильный агрегат; В₂ - холодильная жидкость; В₃ - люминофор; П¹ - поле на входе (невидимое ультрафиолетовое излучение); П¹¹ -поле на выходе (видимое излучение люминофора).

Правило достройки веполя непосредственно вытекает из самого определения понятия "веполь": минимально полная техническая система заведомо эффективнее неполной системы, поэтому данные в задача невепольные и неполные вепольные системы надо достраивать до полных веполей. Существуют и друге правила, относящиеся к построению и преобразованию вепольных систем. Использование этих правил лежит в основе вепольного анализа, составляющего один из важнейших разделов теории решения изобретательских задач.

Рассмотри две задачи.

Задача 5. Для направленного бурения скважин используют отклонитель. Это патрубок, установленный между трубобуром (электробуром) и забойным наконечником. Кривизна обычного отклонителя не поддаётся управлению с поверхности. Приходится часто прерывать бурение, поднимать всю бурильную колонну, чтобы заменить отклонитель или откорректировать его положение. Это довольно не удачная схема действий.

Эта задача решается по правилу достройки веполя: дано одно вещество, надо перейти к веполю. Отклонитель должен состоять из двух взаимосвязанных веществ и менять изгиб под действием поля. Решение заключается в применении биметаллической трубы и теплового поля. Запись выгляди так:

Птеп

В^11

В^111

В1

 

Вещество В₁ здесь разделено на две части, неодинаково воспринимающие тепловое поле.

Задача 6. Для очистки горячих газов от немагнитной пыли применяют фильтры, предоставляющие собой пакет, образованный многими слоями металлической ткани. Эти фильтры удовлетворительно задерживают пыль, но именно поэтому их потом трудно чистить. Приходится часто отключать фильтр и подолгу продувать его в обратном направлении, чтобы выбить пыль. Как быть?

Задача была решена так: в качестве фильтра стали использовать ферромагнитный порошок, помещённый между полюсами магнита и образующий пористую структуру. Отключая и включая магнитное поле, можно эффективно управлять фильтром. Поры фильтра могут быть маленькими (когда ловят пыль) и большими (когда идёт очистка фильтра).

В условиях этой задачи уже описана вепольная система: есть В₁ (пыль), есть В₂ (пакет ткани), есть П (механическое поле сил, создаваемых полем воздуха). Решение состоит в том, что:

- В₂ раздробили в феррамагнитный порошок В_ф;

- действие поля П направили не на В₁ (изделие), а на В_ф (инструмент);

- само поле стало не механическим (П_мех), а магнитным (П_м).

 

Это можно записать так:

Пмех

В1

В2

В1

Вф

Пм

 

Сильное решение получено благодаря тому, что реализовано правило развития веполей: с увеличением степени дисперсности В₂ (инструмента) эффективность веполя повышается; действия поля на В₂ (инструмент) эффективнее действия на В₁ (изделие); электрические (электромагнитные, магнитные) поля в веполях эффективнее неэлектрических (механических, тепловых и др.). Вряд ли стоит доказывать, что чем мельче частицы В₂, тем более гибким может быть управление инструментом. Очевидно также, что выгоднее менять инструмент (это зависит от нас), а не изделие (зачастую являющееся природным объектом). Порознь целесообразность этих преобразования очевидна, но сила правила заключается в использовании системы преобразований.

В некоторых задачах требуются устранить вредное взаимодействие двух объектов. В таких случаях надо использовать правило разрушения веполя. Запишем формулу веполя в общем виде:

n

В1

В2

 

Разломать этот "треугольник" можно различными путями: удалить один из элементов, "оборвать" связи, заменить поле третьим веществом и т.д. Анализ большого числа задач на разрушение веполя показал, что самым эффективным решением оказывается введение третьего вещества, являющегося видоизменением одного из двух имеющихся.

Задача 7. В светокопировальной машине по стеклу протягивается калька с чертежом. К кальке прилегает светочувствительная бумага. Стекло (сложной формы) сломалось. Изготовление нового стекла требует значительного времени. Поэтому решили поставить оргстекло. Однако оказалось, что калька при движении электризуется и прилипает к стеклу. Как быть?

Инженеры, не знающие правила о разрушении веполя, обычно начинают перебирать варианты, связанные с удалением электрических зарядов. Но отводить заряды, не загораживая, и не усложняя аппаратуру, очень сложно. С позиций вепольного анализа задача решается иначе. Между калькой или видоизменённым стеклом. Проще взять кальку - она дешевле. Поскольку эта калька должна находиться между стеклом и калькой с чертежом, нужно, что вводимая калька была прозрачной и не задерживала свет. Значит, надо взять чистую кальку. Задача решена. Если протянуть чистую кальку по стеклу, она прилипнет. Калька с чертежом теперь пойдет не по стеклу, а по этой прилипшей кальке.

На этом примере хорошо видно, почему в правиле говориться, что введённое третье вещество должно быть видоизменением одного их двух имеющихся. Если просто ввести какое-то третье вещество, могут возникнуть осложнения: "чужое" вещество будет плохо чувствовать себя в "посторонней" ему технической системе. Нужно чтобы третье вещество было и чтобы его; тогда оно не сломается, не удорожит систему, не нарушит её работу - словом, не привнесёт ни каких осложнений. Правило разрушения веполя, указывая на необходимость использования одного из имеющихся веществ (видоизменив его), подсказывает, как преодолеть противоречие "третье вещество есть и третьего вещества нет".

Правило достройки веполя тоже включает указание на преодоление противоречия. Поле должно действовать на вещество В₁, и поле не должно (не умеет) действовать на это вещество. Вводя вещество В₂ и действуя через него на В₁, мы тем самым преодолеваем противоречие.

Таким образом, вепольный анализ, как и анализ АРИЗ, построен на решении задач выявлением и устранением противоречий.

Часто приходится решать задачи, в которых противоречие возникает из-за того, что нужно сохранить имеющийся веполь и в то же время ввести новое взаимодействие. Такова, например, задача 7.

Задача 8. Металлический цилиндр обрабатывается изнутри абразивным кругом. В процессе работы круг истирается. Как измерять диаметр круга, не прерывая шлифовки и не выводя круг из цилиндра?

По её условиям еже дан веполь, причём "хороший" нужный: механическое поле П_мех через В₂ (круг) действует на В₁ (цилиндр). Невыгодно перестраивать этот веполь или ломать его, поскольку условия задачи не содержат ни каких претензий к самму процессу шлифовки. Такие задачи решаются по правилу построения веполей.

Как видно из формул, суть решения состоит в том, что В₂ (инструмент) разворачивается в веполь, продолжающего цепь.

П^I

В

В

П^II

П1

П2

П

В

В задачах на измерение и обнаружение веполь должен иметь на выходе поле, которое легко обнаружить и измерить. Поэтому при решении этих задач конечное звено цепи В₁ - В₂ -... обычно имеют такой вид:

 

 

Например, в задаче 1 люминофор преобразует параметры оптического поля (невидимое ультрафиолетовое излучение превращается в излучение видимое): П¹ П¹¹. Не менее часто встречаются излучение, генерируемое самим веществом, входящим в веполь.

Если вещество должно превращать одно поле в другое (или менять параметры поля), можно сразу определить необходимый физический эффект, используя простое правило: название эффекта образуется соединением названных двух полей. Например: оптико - аккустический эффект.

Попт

В

Пак

 

Задача 9. Из-за сдвига горных пород буровую колонну иногда намертво "прихватывает" в скважине. Чтобы ликвидировать прихват, внутрб буровой колонны на глубину прихвата опускают вибратор, но вся сложность в том, как узнать на какой глубине возник прихват?

Зона прихват невелика - несколько десятков метров, а длина колонны, порою, - километры. Задача не решается непосредственным зондированием; не годится и предложение измерять деформацию колонны при определённом усилий (буровую колонну нельзя рассматривать как жесткий стержень;

 к тому же колонна испытывает не учитываемое трение о стенки скважины). Какой выход из ситуации?

Вепольная схема решения задачи несложна:

П

П1

В1

В2

В1

В2

П2

 

где П₁ - механическое поле на входе; П₂ - поле на выходе; В₁ - горная порода: В₂ - бурильная колонна.

Обычно при решении таких задач целесообразно иметь на выходе легко поддающиеся обнаружению и измерению электромагнитное поле. Веществом - преобразователем целесообразно взять стальную трубку, а не горную породу поскольку мы не знаем, какая именно окажется порода на месте прихвата, свойства же стали всегда известны. Сталь - ферромагнетик; логично, прежде всего, использовать именно магнитные свойства стали: эти свойства уже есть и их не нужно добывать извне. Таким образом, определилось название нужного физического эффекта: механомагнитный (в физике он называется магнитоупругим эффектом); магнитное поле ферромагнетика меняется в зависимости от напряжения, испытываемого ферромагнетиком.

Внутрь опускают прибор, ставящий через каждый метр магнитные метки. Затем лебёдкой дёргают колонну вверх. От ударной нагрузки все метки выше места прихвата размагничиваются без изменений. Это легко обнаруживается магнитометром.

П1

В2

В1

П2

Почти все вепольные преобразования связаны с введением вещества и поля. Каждый раз, вводя в систему новые вещества и поля, мы уменьшаем степень идеальности. Возникает противоречие вещество или поле надо вводить, чтобы получить новое свойство, и в тоже время этого не следует делать, чтобы не усложнять систему. Такие противоречия устраняют свёртывание системы. Например, в качестве одного вещества можно использовать внешнюю среду. Широкое применение двойных веполей объясняется, в частности, тем, что двойной веполь - свёрнутая структура; В₁ и В₂ образуют два веполя с П₁ и П₂:

 

По предложению И.М. Ворткина, степень свёрнутости системы оценивается коэффициентом K:

Для простого веполя К=1/3: построение веполя требует трёх элементов. У комплексного веполя К ниже - . У двойного выше - 2/4, т.е.  . Чем больше К, тем выше степень идеальности системы. Повысить К можно использованием естественных элементов или даровых искусственных элементов, уже имеющихся в системе.

Известна, например, система, приподнимающая крышу парника для проветривания. Эта система включает "измерительный веполь" (угол подъёма зависит от температуры) и "меняющий веполь" (механический привод для изменения угла наклона крыши). На два веполя приходится пять элементов (поле в "измерительном" веполе даровое). Коэффициент свернутости равен 2/5. По а.с. №383430 предложено использовать крышку с прогибающимися биметаллическими пластинами. Такие пластины не только выполняют функцию "измерительного" веполя, но и сами себя изменяют - поднимают крышку при повышении температуры. На два веполя здесь приходится только два вещества, т.е. К = 2/2 = 1. В аналогичной крышке, выполненной из металла с эффектом памяти формы, оба веполя заменены одним веществом, К = 2.