Довольно часто приходится встречаться с задачами, в которых технические противоречия не присутствуют в явном виде, а скрыты в глубине административных противоречий: нужно что-то сделать, а как сделать — неизвестно. Такие противоре­чия свидетельствуют о возникновении изобретательской ситуации, но не содержат даже намека на правильный путь решения. Подобные задачи можно решать, не выявляя скрытых технических противоречий, при помощи вепольного анализа (далее вепанализ).

В технике широко применяется моделирование как один из наиболее эффективных методов исследований технических систем. Модель создается для того, чтобы правильно оценить вполне опреде­ленные характеристики, свойства системы (процесса); модель может быть совершенно не похожей на исследуемый объект (математическая модель). Замена реальных технических систем моделями пресле­дует цель сократить время и масштаб исследований. Операции, которые сложно или невозможно производить с реальными ТС, про­водят с моделями, а результаты распространяют на исследуемые ТС с учетом условий подобия. Для решения технических задач необходимо использовать модели ТС, отражающие структуру конфликтного участка системы /21/. То есть модель ТС одновременно является и моделью задачи.

При переходе от ситуации к модели задачи необходимо построить условную     минимальную схему ТС, в которую входят два взаимодействующих вещества и поле, возникающее в результате этого взаимодействия. В качестве одного вещества В₁ в модели используют любой, даже очень сложный объект (точнее подлежащую изменению или обнаружению часть объекта), который называют изделием, а в качестве второго вещества В₂ — инструмент, который может выполнить требуемое действие. Поля взаимодействия могут быть самыми различными. Подобная модель, состоящая из двух      веществ и поля, получила название веполь. Только при наличии трех элементов ТС становится работоспособной — это минимальная модель работоспособной, управляемой ТС.

Вещество в вепанализе понимается более широко, чем это обыч­но принято: не только вещество как вид материи, но и техниче­ские системы (или их части), внешняя среда и даже живые орга­низмы. Замена названия объекта нейтральным словом «вещество» сразу снимает пресс инерции предыдущего знания об объекте, противоречие выступает рельефнее. Любой объект — это система (в том числе «обычное» вещество — если заглянуть в его микроструктуру), поэтому, оперируя вещест­вами в вепольных формулах, мы, по сути дела, проводим действия над системами.

Понятие поле в вепанализе также отличается от принятого в физике. Физических полей (взаимодействий) всего четыре: грави­тационное, электромагнитное, сильное (ядерное) и слабое (эле­ментарных частиц). Проявлением действия этих полей объясняют все процессы в природе. Однако для техники такого деления не­достаточно: технические системы чрезвычайно «чувствительны» к количественным и качественным характеристикам полей. Поэтому в вепанализе используют более детальную их классификацию: механическое (давление, удар, импульс), звуковое (ультра-, инфра-), тепловое, электрическое (электростатическое, электрический ток), магнитное, электромагнитное, оптическое (УФ, ИК, видимые лучи), ионизирующее излучение, радиоактивное излучение, химическое (окислительные, восстановительные, кислые и щелоч­ные среды), запаховое и т. д. Веполь должен иметь, как минимум, две связи, объединяющие три элемента:

Вепольные формулы позволяют записывать преобразования при решении технических задач, то есть показывают, что имеется в исходной ситуации и что получено путем преобразования веполя. Например, необходимо получить на поверхности термопластического материала ворсинки: в исходной ситуации имеется од­но вещество В₁ -термопласт. Для решения задачи в термопласт вводят ферромагнитный порошок В₂ и воздействуют на него маг­нитным полем (П_маг), то есть осуществляют переход к полному веполю:

Практика показывает, что если в ТС отсутствует нужное полезное действие, то в ее модели недостает одного или двух элементов веполя. Такую модель называют неполным веполем.

Следовательно, если в условиях задачи имеется неполный веполь, то для решения задачи необходимо достроить его до пол­ного, введя недостающие элементы

Существует ряд правил синтеза веполей.

1) Невепольные системы (один элемент) или неполные вепольные системы (два элемента) должны быть достроены до полного  веполя:

2) Нередко в условиях задачи уже даны два вещества и поле, но они плохо взаимодействуют между собой и их нельзя заменять на другие. Веполь как бы есть (все три элемента заданы), и его как бы нет, он не «складывается». То же иногда получается и при до­стройке веполя. Значит, нужно улучшить веполь: увеличить управ­ляемость веществ, обеспечить требуемое действие поля, изменить в нужную сторону характер взаимодействия элементов. Есть не­сколько правил на преобразование веществ и полей в веполях  введением в вещество добавок (легко управляемых, с нужными свойствами) с образованием комплексного веполя. При этом до­бавку вводят: а) внутрь вещества (внутренний комплексный веполь); б) снаружи (если введение внутрь запрещено усло­виями) — внешний комплексный веполь.

Исходная              а)  внутренний            б)  внешний

вепольная                  комплексный              комплексный

система                      веполь                          веполь

 

Пунктиром показано отсутствующее взаимодействие, скобка­ми — внутренняя комплексная связь (внешняя — без  скобок).

Пример 1. О процессе износа режущего инструмента судят по последователь­ному появлению разноцветных вставок, запрессованных на опре­деленных глубинах от режущей кромки (а. с. 905417);

Пример 2. Для производства полых пористых металлических шариков металл наносят на полистирольные шарики, которые затем растворяют в органиче­ском растворителе (пат. США 3371405); чтобы не смять при обра­ботке тонкостенную оболочку, ее гофры заполняют легкоплавким металлом, который удаляют после обработки (а. с. 776719).

 

3) Если в ТС запрещено вводить посторонние вещества, то задачу решают введением имеющегося во внешней среде вещест­ва с образованием веполя на внешней среде, т. е. в качестве В₃ используют вещество, которое уже есть в окружающей систему среде (воздух, вода, грунт и т. д.); используются свойства этих веществ или способность их взаимодействия с веществом ТС:

Пример 1. Для создания хорошего контакта со льдом ультразвуковой из­лучатель (при измерении глубины реки через лед) присыпают сне­гом и утрамбовывают его (а. с. 900233);

Пример 2. Для очистки железнодорожных путей используют набегающий на тепловоз поток воздуха, направляя его под нужным углом с помощью щитков и отверстий (а. с. 1054483).

 

4) Если внешняя среда не содержит нужных веществ, то это вещество может быть получено заменой внешней среды, ее разло­жением или введением в нее добавки — образуется веполь на внеш­ней среде с добавками:

Пример 1.  Для повторного использования отходов пластмассы их вначале дробят на мелкие частицы, а затем сортируют по крупности на вибросите. Но в вибросите частицы электризуются от трения друг о друга и слипаются в большой комок. Оператор пытается разбить комки палкой и… получает высоковольтный разряд статического электричества. Поэтому предложено обдувать вибросито ионизи­рованным воздухом, который нейтрализует возникающие за­ряды;

Пример 2. Прежде чем поставить свиней на откорм, им надо сделать при­вивки, чтобы в стаде не разразилась эпидемия; животных загоняют на полчаса в камеру, где они дышат горячим воздухом, насыщенным аэрозольными ка­пельками вакцины.

5) Если нужен минимальный (дозированный) режим действия, а обеспечить его  по условиям задачи трудно или невозможно, то используется максимальный режим, а избыток убирают. При этом  избыток поля убирают веществом, а избыток вещества — полем. Избыточное действие показано двумя стрелками.

Пример 1. Чтобы при пожаре стальной каркас высотного здания не пере­грелся и не потерял устойчивость, полые колонны и другие элементы заполняют водой, которая циркулирует внутри каркаса, а при заки­пании воды пар сбрасывается в атмосферу.

Пример 2. Для получения тонкого слоя краски на изделие наносят избы­точное покрытие, окуная изделие в бак с краской. Затем изделие вращают и центробежные силы сбрасывают избыток краски (а. с. 242714).

6) Если нужно обеспечить максимальный режим действия на вещество, а это недопустимо, то максимальное действие направляют на другое вещество, связанное с первым:

Пример. При изготовлении предварительно напряженного же­лезобетона нужно растянуть проволоку. Для этого ее нагревают, от тепла она удлиняется, и в таком виде ее закрепляют. Чем выше температура, тем больше удлинение. Однако при температуре выше 400 °С она недопустимо портится. Предложено (а. с. 120909) на­гревать нерасходуемый жаропрочный стержень, который от нагрева удлиняется и в таком виде соединяется с проволокой. Охлаждаясь, стержень укорачивается и растягивает проволоку, остающуюся холодной.

7) Если нужен избирательно-максимальный режим (макси­мальный режим только в определенных зонах), то поле должно быть либо максимальным, и тогда в местах, где необходимо минимальное воздействие (В_мин), вводят защитное вещество; например, пористая пла­стинка преграждает путь пламени к возгораемым местам детали, но свободно пропускает тепло для нагрева всей детали (а. с. 1000033):

либо минимальным, тогда в место, где необходимо максимальное воздействие (В_макс), вводят вещество, дающее локальное поле, например, термитные составы — для дополнительного теплового воздействия (в зазор между свариваемыми деталями — а. с. 743810), взрыв­ные составы — для механического воздействия (способ чеканки: художник фломастером рисует задуманное на медном листе, затем наносит пульверизатором в нужных местах взрывчатое вещество, лист кладут на резиновую «наковальню» и взрывают заряд):

Взаимодействие двух веществ может быть вредным, не­нужным. Если в условии задачи имеется вредный веполь, то его нужно разрушить введением третьего вещества или поля. Разрушение веполей также подчиняется определенным пра­вилам.

8) Если между двумя веществами в веполе возникают сопря­женные — полезное и вредное — действия, причем непосредственное соприкосновение веществ сохранять не обязательно, то задачу ре­шают введением между двумя веществами третьего вещества, «да­рового» или достаточно дешевого:

Волнистой стрелкой показано вредное (ненужное) действиe.

Пример 1. Зимой 1919 г., спасаясь от холода, студенты Московского авиатехникума соорудили прямо в аудитории, где слушали лекции Н. Е. Жуковского, печку. Но в суровые морозы печка не могла прогреть все помещение. Поэтому на нее поставили бак с водой — своего рода тепловой аккумулятор. Работать-то он работал, но только нещадно парил, мешал заниматься. Сырость оказалась хуже холода. Тогда Н. Е. Жуковский посоветовал налить поверх воды машинного масла. Простейшая хитрость удалась — вода не испарялась, долго сохраняла тепло.

Пример 2. В новом способе перевозки жидкостей в автоцистернах без риска перевернуться на вираже используют легкие шары (поплав­ки, мячи) — поверхность жидкости под ними остается неподвиж­ной даже при скорости 60 км/ч (а.с. 833 462)

9) Если невозможно применить первое правило (когда исполь­зование посторонних веществ запрещено или нецелесообразно), то задачу решают введением между двумя веществами третьего вещества, являющегося видоизменением первого или второго.

Смысл этого эффективного способа разрушения веполя в том, что он позволяет устранить сильное противоречие: третье веще­ство надо вводить, чтобы нейтрализовать вредную связь, и нель­зя вводить, чтобы в системе не было посторонних веществ.

Пример. При перекачке жидкости в трубопроводных системах (напри­мер, криогенных) иногда возникают аварийные ситуации из-за внезапной остановки жидкости (например, при быстром перекры­тии трубопровода); в трубопроводе резко повышается давление (гидравлический удар), волна повышенного давления с высокой скоростью распространяясь по трубопроводу, сметает все на своем пути. Не помогают ни предохранительные клапаны, ни защитные устройства. Замечено, например, что газированная жидкость пол­ностью поглощает энергию удара. Но гасить гидравлический удар нужно мгновенно, насытить жидкость газом не успеешь, а заранее вводить газ нельзя. Как быть?

По а.с. 1078178 предложено использовать известный физический эффект — кавитацию, при которой из жидкости выделяется растворенный газ (а он есть абсолютно во всех жидкостях, но находится в растворенном состоянии), кавитацию возбужда­ют с помощью ультразвука (процесс похож на момент закипания воды); третье вещество (газированную жидкость) не вводят, оно мгновенно получается из самой жидкости, а при "выключении" ульт­развука оно также мгновенно исчезает (газ снова переходит в раствор). Формула решения имеет вид:

10) Если непосредственное соприкосно­вение веществ должно быть сохранено, то вводят второе поле, ней­трализующее вредное действие (или превращающее его во второе полезное действие)

Пример 1. При изготовлении втулок из стального порошка через него про­пускают электрический разряд, частицы свариваются, но возни­кающее при разряде сильное магнитное поле вдавливает частицы в центральный стержень, который потом трудно извлечь из втулки. Поэтому через проводник внутри стержня в момент разряда пропу­скают импульс тока противоположного направления.

11) Если в веполе необходимо устранить вредное действие поля на вещество, то вводят третье вещество, оттягивающее на себя вредное действие поля.

Пример. Для защиты емкостей с водой от разрыва при замо­раживании в них вводят эластичные вставки (камеры), заполненные воздухом, — резиновый или пластмассовый шланг, мяч и т. п. (а. с. 641967, 668634):

Здесь третье вещество (эластичная вставка) принимает на себя давление расширяющейся при замерзании воды; вставка сжимается, деформируется, зато ёмкость остается целой.

С развитием технической системы изменяется и её вепольная формула в сторону увеличения вепольности, развёртывания веполя.

Самое простое усложнение – это удвоение.

12) Если нужно повысить эффективность вепольной системы, задачу решают превращением одной из частей веполя в независи­мо управляемый веполь с образованием цепного веполя.

Существует три возможности образования цепного веполя.

а) Развертывание вещества в веполе:

В₃ или В₄, в свою очередь, может быть развернуто в веполь.

Пример. Изобретен декоративный светильник, который с из­менением атмосферного давления меняет цвет в обычном светиль­нике светофильтр один и он закреплен неподвижно, а в новом свето­фильтры закреплены на гофрированной вакуумной камере, которая меняет свой объем в зависимости от атмосферного давления и пере­двигает разноцветные светофильтры (а.с. 779726):

б) Развёртывание связей в веполе:

В этом случае в связь В₁ – В₂  встраивается звено П₂ – В₃.

Пример. В патенте Великобритании 824047 предложено устрой­ство для передачи вращения с одного вала к другому: валы встав­лены с двух сторон в цилиндрическую муфту, в зазоре между ни­ми — магнитная жидкость, твердеющая в магнитном поле, муфта — это электромагнит. Если электромагнит не включен, валы (B₁, В₂) свободно вращаются (от П₁) относительно друг друга. При вклю­чении электромагнита (П₂) жидкость (В₃) становится твердой и жестко связывает валы, т. е позволяет передавать вращающий момент.

в) Изменение положения центра тяжести: часто эффективность движущейся системы может быть повышена за счет управляемого изменения ее центра тяжести

Пример 1. Трактор для работы на крутых склонах имеет подвижный центр тяжести (а. с. 508 427)

Пример 2. Игрушка «Ванька-встанька» с целью расширения игровых воз­можностей имеет внутри стержень со свободно перемещающимся по нему грузом   (а. с. 645661).

Пример 3. Полый молоток, в котором свободно перемещается ртуть (при замахе — в рукоятку, при ударе- в боек), хорошо устраняет про­тиворечие: для хорошего удара молоток должен быть тяжелым, а для экономии силы рабочего — легким.

13) Если дан плохо управляемый веполь то, нужно повысить его эффективность, причем замена элементов этого веполя недопустима, задача решается постройкой двойного веполя путем введения вто­рого поля, хорошо поддающегося управлению:

Пример 1. Для очистки сильно загрязненных ампул их заполняют раство­ром и встряхивают (П₁), а вокруг создают разрежение (П₂), и наполняющая их моющая жидкость закипает   (а. с. 295299).

Пример 2. Для повышения сцепления шины с дорогой используется не только вес автомобиля (П₁), но и специальный узор протектора, из углублений которого вытесняется воздух, и с помощью создаваемого вакуума (П₂) шина как бы прилипает к дороге.

Веполи принято называть по действующему в них полю, например: теполь (тепловое поле), феполь (ферровещество и маг­нитное поле), эполь (электрическое поле). Эти три вида веполей очень распространены в современной технике и будут сохранять первенство еще длительное время, так как тепловые процессы наибо­лее часто встречаются в природе и технике, магнитное поле дейст­вует на расстоянии и легко управляет магнитными материалами, а электрическое поле является универсальным видом энергии и в наибольшей степени поддается управлению. Механические системы постепенно уходят в прошлое, механиче­ское действие все чаще вытесняется физическим, технические системы становятся легче, изящнее, эффективнее. Будущее за физическими,   химическими и далее - биологическими «машина­ми».

Остановимся подробнее на феполях. Магнитное поле хорошо всем знакомо, и понимание хода решения задач при его использо­вании обычно не вызывает затруднений. Поэтому всегда надо пом­нить об очень простом, но полезном правиле: если в той части ТС, где возникает конфликт, есть вещество, обладающее магнитными свойствами, то их обязательно надо задействовать на выполнение полезной функции.

И, конечно же, следующий шаг: если таких веществ нет и нет запрета на их введение, то их надо ввести. Иначе говоря, поеди­нок с изобретательской задачей проще всего вести на хорошо зна­комой «территории», такой, как феполь. Правила проведения анализа при этом такие же, как и  рассмотренные выше (феполь — частный случай веполя). Но есть и некоторые особенности.

14) Достройка феполя: использование магнитных свойств вещества, имеющегося в веполе, или замена его на ферровещество (В_ф ) (пока ещё в неизменном виде):

Пример. По всей видимости, первый, кто применил это решение, был китайский император Цинь Ши-хуанди, живший  22 века назад. После очередного покушения на его жизнь он приказал поставить у входа во дворец ворота, изготовленные из огромного цельного куска магнитного железняка. Когда злоумышленник про­ходил через ворота со спрятанным кинжалом, клинок сам выска­кивал из-под одежды.

Изобретений на это правило великое множество. Вот только несколько: ловушка для железа при приготовлении кормов из пи­щевых отходов (а. с. 682217); способ рыхления почвы (как бы дождевыми червями) без повреждения всходов — рыхление прово­дят с помощью кусков стальной проволоки, заранее внесенной в почву и извлекаемой из нее магнитом (а. с. 986309); способ заделки трещин в бетонных конструкциях, предотвращающий вытекание раствора с помощью магнитного бетонного раствора и вбитых зара­нее штырей, подключаемых к электромагниту (а. с. 1074079).

15) Комплексный феполь: введение ферропорошка или магнитной жидкости внутрь или снаружи того вещества, управляемость кото­рого надо повысить (В_ф^м — ферровещество в измельченном состоянии).

Эффективность управления феполем повышается с увеличением степени дробле­ния феррочастиц (а значит, и их подвижности) в ряду: гранулы — мелкие зерна — порошок — жидкость. Магнитная жидкость — это взвесь магнитных микрочастиц в керосине, силиконе или воде.

Пример 1. Для отделения плевел от семян зерно смешивают с ферропорошком и пропускают через барабан с электромагнитами; железные пылинки, запутавшись в ворсинках плевел, вытягивают их за собой в магнитную ловушку (а. с. 831185).

Пример 2. Для предотвращения кровопотерь при операциях на больших кровеносных сосудах в кровяное русло вводят магнитную жидкость и с помощью магнита останавливают кровь в нужном месте (Химия и жизнь.—1981.— № 5.—С. 41); та же идея в основе способа вре­менного перекрытия трубопровода (а. с. 708108).

16) Феполь на внешней среде: ферровещество вводят во внеш­нюю среду и меняют ее параметры так, чтобы управлять находя­щейся в ней системой.

Пример. Чтобы быстро остановить колеблющийся немагнитный элемент, его помещают в магнитную жидкость и управляют ее ка­жущейся плотностью с помощью магнитного поля (а. с. 469059).

С помощью изменения кажущейся плотности жидкости можно очень точно разделять предметы по удельному весу и регулировать их плавучесть в широких пределах (скажем, тяжелый — всплывает, легкий — тонет).

17) Разрушение феполя: используют физэффекты, «отключающие» или магнитные свойства вещества (размагничивание при ударе, нагрев выше точки Кюри), или само магнитное поле (экранирова­ние, замыкание магнитных линий шунтом - перемычкой между по­люсами).

Пример 1. Как зачистить до металлического блеска внутреннюю поверх­ность стальной трубы диаметром 100 мм и длиной 50 м? Если бы это была не стальная труба, то достаточно было бы поместить в нее абразивный ферропорошок и прогнать его по трубе вращающимся магнитным полем. А стальная труба сама является ферромагне­тиком и экранирует действие поля на порошок — образуется вредная связь в феполе. Для ее разрушения перед электромагнитом устанав­ливают кольцевой индуктор, который нагревает трубу выше точки Кюри стали, но ниже точки Кюри порошка (а. с. 312746, 955911).

Пример 2. С помощью постоянных магнитов можно поднимать большие грузы (притягивающая сила современных магнитов в 1000 раз больше их веса), и, в отличие от электромагнитов, им не нужен электрический ток, но как потом «оторвать» от них деталь? В а. с. 304811 предложено оригинальное решение: многосекционный магнит разрезан по высоте на две части, верхняя часть может сме­щаться относительно нижней; если обе части точно совместить, то их общее магнитное поле замыкается на деталь и прочно удер­живает ее, а если верхнюю часть немного сдвинуть, то магнитное поле замкнется внутри самих магнитов и «отпустит» деталь (рис. 5.1).

Рис. 5.1. Принцип действия грузозахватного приспособления: 1 – подвижный

магнитный блок, 2 – неподвижный магнитный блок, 3 – деталь

В вепольном анализе наиболее сильно проявляется основное положение изобретательства: любую задачу можно решить только с использованием ресурса.