Приключение под водой

Задача N33:

Однажды Кусто и его товарищи снимали фильм на большой глубине. Внезапно раздался хлопок, и аквалангист, державший герметичный бокс с осветительной лампой, в мгновение ока очутился на дне. Выяснилось, что из-за большого давления лопнул толстый стеклянный иллюминатор, воздух вырвался наружу, и невесомый до этого бокс (стальной "колокол" с иллюминатором) превратился в пудовую болванку. Попытки оторвать его ото дна оказались тщетными. Как быстро поднять дорогой прибор на поверхность?

Наука побеждать: искусство использовать ресурсы

В задаче N 5 о распиловке толстого бруса содержится противоречие: надо выдерживать заданное направление движения ручной пилы, чтобы обрезанный торец был перпендикулярен поверхности бруса, и не надо это делать, чтобы с работой мог справиться любой новичок. ИКР задачи: пила САМА себя направляет. Возникает идея: по периметру бруса в месте будущего реза прибить направляющие рейки с зазором для полотна пилы (см. рис.31а). Но из-за упрощения работы пришлось отступить от ИКР, ввести в систему дополнительные элементы.

Рис. 31а.

Рис. 31а.

А ведь еще средневековый английский философ Уильям Оккам сформулировал знаменитый принцип методологии науки, получивший название "бритва Оккама": entia non sunt multiplicanda praeter necessitatem1.

Решение тем ближе к ИКР, чем меньше в исходную систему введено дополнительных веществ и полей. В предельном случае необходимо использовать уже имеющиеся в ней ресурсы веществ и полей. Если это не удается, можно привлечь легкодоступные ресурсы ближайшего окружения системы, внешней среды, либо бесплатные "отходы" веществ и полей других систем. Таков один из важнейших принципов ТРИЗ.

Итак, попытаемся в нашей задаче обойтись уже имеющимися в исходной системе ресурсами - ножовкой и брусом. Как, используя только их, получить направляющий паз по всему периметру будущего реза? Напрашивается простое решение: предварительно пропилить этот паз в самом брусе (см. рис.31б).

Рис. 31б.

Рис. 31б.

ИКР задачи N33: тяжелый бокс САМ всплывает на поверхность. Это возможно лишь в том случае, когда он будет легче воды. Рассмотрим имеющиеся в задаче ресурсы: бокс (стальной "колокол"), вода, акваланги, воздух, выдыхаемый аквалангистами. Можно использовать воздух! Надо перевернуть бокс разбитым иллюминатором вниз и заполнить его выдыхаемым воздухом. Именно так и поступили Кусто и его товарищи.

В задаче N32 не оказалось насоса для срочной откачки разлившейся ртути. ИКР задачи: ртуть САМА удаляется из кабины стратостата. Какие ресурсы исходной системы способны заменить насос? В распоряжении Пикара были кран для забора проб воздуха из атмосферы и вакуум за бортом. Перепад давления между кабиной и стратосферой - лучший насос в такой ситуации. Пикар подсоединил кусок шланга к крану и опустил его в лужу ртути. Поворот крана - и ртуть почти мгновенно вылетела за борт.

В фантастической задаче N22 потребовалось срочно повысить устойчивость вездехода на больших пневматических колесах. Простейшее решение - "опустить" центр тяжести как можно ниже, прикрепив снизу груз (камни, песок и др. Ресурсы окружающей среды). Возникает новое противоречие: чем ниже расположен груз, тем выше устойчивость, но тем хуже проходимость, так как груз будет цепляться за выступы поверхности (см. рис.33а).

Рис. 33а.

Рис. 33а.

Разрешить его можно, используя принцип системного перехода, т.е. объединением свойств колес и груза. Например, спрятать груз внутри колес, используя их ресурс пространства (новый вид ресурсов!). Можно засыпать в колеса песок или мелкие камни. При вращении колес груз, следовательно, и центр тяжести будет всегда находиться у самой поверхности (см.рис.33б). Груз есть, и его как бы нет!

Рис. 33б.

Рис. 33б.

В задаче N18 содержится противоречие: сигнальная лампа на борту катера должна ярко светить, чтобы возвращающаяся с берега шлюпка могла найти его ночью в море, и лампа вообще не должна светить, чтобы катер был незаметен с берега. Его можно разрешить в пространстве, т.е. используя ресурсы пространства. Пусть лампа светит ярко, но... только в сторону моря. Тогда шлюпка может в темноте наугад пройти дальше в море, о оттуда, ориентируясь по "маяку", вернуться на катер. Подобное решение описано в повести Л.Соболева "Зеленый луч".

В другой фантастической задаче о вездеходе N24 требовалось устранить истирание колес об алмазные пески. Ничто не может противостоять алмазу, кроме... самого алмаза. В распоряжении космонавтов неисчерпаемый ресурс - алмазный песок. Остается подумать, как из того же песка изготовить защитное покрытие для колес. Например, можно намазать колеса клеем и проехать немного по песку. Как только клей схватится, самое износостойкое покрытие в мире готово.

Кроме уже упоминавшихся вещественных, полевых, пространственных, полезными могут оказаться ресурсы времени (см. задачи на разрешение противоречий во времени) и информации.

В задаче N 31 для подачи сигнала SOS в будущее надо использовать какой-то вещественный ресурс, способный сохранить и сквозь века донести в будущее нужную информацию (ресурс времени). Таковыми могут быть произведения искусства, памятники архитектуры, книги, архивные документы и т.д. Однако существует противоречие: информация, содержащаяся в них, должна быть хорошо понятна людям будущего, и при этом совершенно не привлекать внимание людей начала XX века.

Следовательно, необходимо использовать какой-то информационный ресурс, способный замаскировать содержание сигнала. Так, в фантастическом романе А.Азимова "Конец вечности" хрононавт напечатал рекламу на фоне грозного атомного гриба, в то время еще никому неизвестном, а в архиве будущего сразу бросилось в глаза явное нарушение хронологии. В рассказе В.Журавлевой "Даешь хрононавтику" потерпевший в средневековье аварию написал картину, где на фоне часовой мастерской изобразил поломанный узел машины времени и часы с маятником, изобретенным много позже.

В задаче N30 содержится противоречие: в подвал надо спускаться два раза, чтобы за два включения надежно определить искомый выключатель, но по условиям задачи разрешен только один спуск. Задача легко решилась бы, если в подвале что-то запоминало результат первого включения и сообщило бы его при спуске в подвал после второго включения.

В нашем распоряжении только лампа. Следовательно, ИКР задачи таков: лампа САМА сохраняет информацию о первой попытке включения. Надо определить, какой ресурс лампы способен сохранить информацию до нашего прихода. Свет? Нет, после выключения он исчезает. Остается тепло!

Тогда наше расследование должно происходить следующим образом: включаем и выключаем первый выключатель, затем включаем второй и спускаемся в подвал. Если лампа не горит и теплая, сработал первый. Если горит - второй. А если не горит и холодная - остается третий.

Представьте себе ощущения витязя из известной сказки, который в отчаянной схватке рубил трехглавому дракону одну голову за другой, а на месте каждой отрубленной вырастала новая. В подобной ситуации оказались "эвриканцы", когда принялись решать задачи А-1, А-2 и А-3. Решение каждой из них ставило новые проблемы, о которых сначала не подозревали.

Приключения мысли затянулись сверх ожидаемого. И не сразу ребята осознали, что такая ситуация нормальна, даже обыденна для творчества. Вот небольшой фрагмент этой "битвы"...

Известно, что взрывную волну можно эффективно погасить толстым слоем песка или обычной пены. Но это влечет за собой увеличение размеров установки. ИКР задачи А-1: ударная волна САМА исчезает за пределами камеры. Это возможно, когда сам воздух препятствует ее распространению. В каком случае?

Обычная ударная волна своим возникновением и распространением обязана огромной сжимаемости газообразных продуктов взрыва. А для каких ударных волн воздух не является проводником? Ответ на такой вопрос нетрудно найти в учебнике физики: для ударных волн, возникающих в малосжимаемых средах - жидкостях и твердых телах. Последние являются отличными проводниками ударных волн, но из-за малой сжимаемости не способны передать их менее плотной среде. В этом нетрудно убедиться, крепко взявшись рукой за металлическую трубу, по которой бьют молотком. Удары будут весьма ощутимы, но стоит чуть ослабить хватку, и вы перестанете их чувствовать. Следовательно, заполним камеру жидкостью. Новый вопрос: а как возбуждать в ней ударные волны?

"Фоторобот" искомого явления готов - требуется найти способ возбуждения мощных ударных волн в жидкости без взрывчатого вещества. Теперь его нетрудно найти в учебниках физики или в специальном Указателе физических эффектов и явлений, созданном специалистами по ТРИЗ2. Известно несколько подобных явлений. Например, гидравлический удар, возникающий в больших трубопроводах при быстром закрывании заслонок. Не подходит, так как установка должна быть малогабаритной.

Советские физики А.М.Прохоров, Г.А.Аскарьян и Г.П.Шипуло открыли светогидравлический эффект. Суть его в том, что при пропускании через жидкость мощного лазерного луча в ней возбуждается ударная волна с давлением до миллиона атмосфер! Но где нам взять такой лазер?! Будем искать дальше.

Наиболее подходящим оказался электрогидравлический эффект, открытый Л.А.Юткиным. Суть его в том, что при пропускании через жидкость кратковременного высоковольтного разряда в ней также возбуждаются мощные ударные волны. Чем короче импульс, тем сильнее удар. Важной особенностью эффекта является то, что он наблюдается даже в твердых телах!

Итак, поместим в камеру, заполненную жидкостью два графитовых электрода и пропустим между ними мощный импульс.

На рис.35 показана схема простейшего электрогидравлического генератора ударных волн. Конденсатор С заряжается от источника высокого напряжения, пока не произойдет пробой воздушного зазора А между электродами, формирующими величину и длительность импульса. После его пробоя сформированный импульс пробивает основной зазор В между графитовыми электродами: в камере на миг возникает сверхвысокое давление, происходит кратковременный сильный разогрев электродов.

Рис. 35.

Рис. 35.

При обсуждении всплыли новые проблемы. Например, в будущих экспериментах потребуется проверить широкий диапазон рабочих давлений. Для этого надо регулировать величину и длительность импульса напряжения.

Задача А-7:

При задании параметров ударной волны может возникнуть ситуация, когда ширина воздушного формирующего зазора А, требуемая для его пробоя заданным напряжением, окажется меньше, чем ширина, необходимая для задания определенное длительности импульса. В таких случаях вместо формирующего зазора используют специальные высоковольтные выключатели. Их нет. Необходимо обеспечить пробой большого зазора пониженным напряжением. Как быть?

Представим желательный для нас ИКР задачи А-2: маленькая камера САМА создает внутри себя огромное давление. Как можно создать давление в замкнутом объеме? Очевидно, что в камере должно находиться некое вещество, создающее это давление. Из физики известно, что увеличение давления в замкнутом объеме происходит при стремлении заполняющего вещества увеличить свой объем. В каких случаях увеличивается объем вещества? И тут выяснилось, что обычные школьные знания, которые есть у ребят, могут успешно соперничать с могучим прессом, которого у них нет. Все знают, что вода, превращаясь в лед увеличивает свой объем на 9%. Вспомним стальные трубы с водой, лопающиеся на морозе. Дальше - больше: объем веществ увеличивается при тепловом расширении, при разбухании, при плавлении и затвердевании (и других фазовых переходах).

"Эвриканцы" вспомнили об "оловянной чуме", разразившейся на одном из военных складов Петербурга зимой в конце прошлого века: огромные запасы оловянных пуговиц сами собой превратились в горы невзрачного серого порошка. Уже позже ученые выяснили, что при температуре 13,2°С чистое белое олово превращается в серое олово (объем увеличивается на 26%!).

В справочниках по физике и химии нашлись новые конкуренты прессу - серый чугун, кремний, висмут, сурьма, галлий... Чем больше увеличение объема и чем меньше сжимаемость вещества, тем большее давление создается им в замкнутом объеме. Результаты несложных расчетов впечатляли: при замерзании воды в камере должно развиваться давление в 6800 атмосфер (впоследствии выяснилось, что эта расчетная величина оказалась сильно завышенной), при фазовом переходе белое олово - серое олово - до 120000 атмосфер, а при кристаллизации кремния давление может достигать фантастической величины в 620000 атмосфер! Таким образом, при охлаждении герметичной камеры, заполненной одним из этих веществ мы сможем получить высокое статическое давление без всякого пресса!

Неожиданно были получены интереснейшие "побочные" результаты. Кристаллизуясь при температуре 1415°С, кремний является "бесплатным" источником тепла и давления, автоматически создает идеальные условия для синтеза алмазов известным каталитическим способом. Используя его, можно создать простейшую установку. Но самое важное - сходство его структуры со структурой алмаза. Отпадает необходимость в катализаторах и затравочных кристаллах: кремний сам выполнит роль "программы", заставляющей атомы углерода складываться в алмазную структуру! До сих пор из-за необычайно сложной технологии, искусственные ювелирные алмазы во много раз превышают стоимость природных. Кремний открывает широчайшие перспективы для создания простых термобаростатов для их синтеза!

Но вернемся к нашей "Искусственной алмазной трубе". Посетовав на отсутствие у нас особо чистого олова, решили начать с воды. Установка приобретала все более фантастические черты. Вода при замерзании создаст высокое статическое давление, затем между графитовыми электродами проскочит ослепительная молния, на мгновение возникнет мощная ударная волна и произойдет нагрев электродов. Лед и пламень на миг соединятся в единое целое! Все это завершится быстрым охлаждением графита и падением давления в камере, вызванным частичным или полным таянием воды - что нам и требовалось!

Самое время заняться высокопрочной камерой, способной выдержать огромное давление. В задаче А-3 содержится противоречие: стенки камеры должны быть толстыми, и они же должны быть тонкими. Очевидно, что ни в пространстве, ни во времени эти противоречивые требования разделить нельзя. Остается проверить системные переходы. В соответствии с одним из них, толстую стенку нужно составить из множества тонких. Конкретно это можно сделать, намотав поверх небольшой камеры множество слоев тонкой стальной проволоки или ленты. Так наша исходная цилиндрическая камера превратилась в некое подобие катушки с нитками, точнее с проволокой. Кстати, подобным образом в свое время Н.В.Гулиа решил проблему увеличения прочности маховика (задача N3). Дальнейшие расчеты подтвердили, что проволочная камера способна выдержать в три с лишним раза большее давление, чем изготовленная из монолитной стали.

При обсуждении подробностей конструкции камеры всплыл новый ворох проблем. Например, мы совершенно упустили из вида проблему герметизации внутреннего объема камеры.

Задача А-8:

При высоких давлениях лед способен "протекать" сквозь небольшой зазор между крышкой и стенками камеры. Потеря даже небольшого количества льда (рабочего вещества) недопустима, так как ведет к снижению давления в камере. Приклеивать или запаивать крышку наглухо нельзя: камера должна быть разбираемой. Необходимо устранить зазор. Как быть?

Вернемся к "электрической" задаче А-7. В ней содержится противоречие: воздушный зазор А (см. рис.35) должен быть большим, чтобы сформировать короткий импульс, и он должен быть небольшим, чтобы пробиваться при пониженном напряжении. ИКР задачи: большой воздушный зазор САМ становится проводящим, не изменяя при этом своей величины.

В нашем распоряжении имеются ресурсы - воздух, сильное электрическое поле в зазоре, создаваемое приложенным к нему напряжением, металлические электроды, высоковольтный источник. Как, используя их, сделать непроводящий воздух в зазоре проводником? Ответ очевиден: насытить зарядами - ионами и электронами, т.е. ионизировать воздух. Простейший способ ионизации - электрический разряд. Если рядом с большим зазором проскочит хотя бы маленькая искра, то сильное поле втянет образовавшиеся при этом ионы и электроны в зазор. Ускоренные этим полем заряды вызовут лавинную ионизацию воздуха в основном зазоре, произойдет основной разряд. Практически это можно реализовать, устроив около одного из электродов дополнительный маленький зазор, пробиваемый даже небольшим напряжением (см. рис.37).

Рис. 37.

Рис. 37.

Противоречие задачи А-8: зазор между крышкой и стенками камеры должен быть, и его не должно быть. ИКР: крышка САМА устраняет зазор, после установки на место. То есть крышка должна как-то увеличить свой диаметр. В нашем распоряжении есть мощный ресурс - давление льда. Как, используя его, увеличить диаметр крышки? В простейшем случае по периметру дна крышки можно выполнить тонкостенный легкодеформируемый поясок (см. рис.38). Возрастающим давлением льда такой поясок плотно прижмется к стенкам и надежно загерметизирует камеру. Противоречие разрешено во времени.

Рис. 38.

Рис. 38.

И тут (как обычно!) выявилась новая проблема. Проверьте свои силы на ней и некоторых других.

Задача А-9:

В первые мгновения, когда лед только начинает образовываться, давление недостаточно для деформации пояска крышки. Еще не замерзшая вода будет выдавливаться в зазор, что также недопустимо. Необходимо предотвратить возможные потери воды до полной деформации пояска. Как быть?

Задача А-6:

Электрический контакт в месте соединений "графитовый электрод - токоввод" и "токоввод - шина" обеспечивается путем механической стыковки этих деталей (см. рис.39). Это обусловлено необходимостью сборки-разборки установки. Однако при этом неизбежны электрические потери в этих местах. В конечном итоге это приводит к ухудшению ударной силы электрического разряда. Пайка соединений недопустима. Как обеспечить надежных электрический контакт?

Задача А-11:

При закрывании заполненной водой камеры под крышкой неизбежно остается большой воздушный пузырь. Лед, стремясь расшириться, заполнит эту пустоту вместо того, чтобы создавать давление в камере. Необходимо из закрытой камеры удалять скопившийся воздух. Как быть?

Задача А-15:

Во время каждого эксперимента необходимо точно знать величину давления в камере. Однако введение в камеру дополнительных датчиков уменьшит полезный объем воды, приведет к усложнению камеры. Как быть?

Так, от задачи к задаче, все глубже прорабатывался проект установки и постепенно формировался ее будущий облик. На рис.39 показан эскиз окончательного варианта "Искусственной алмазной трубы".


Разделы:Скорочтение - как читать быстрее | Онлайн тренинги по скорочтению. Пошаговый курс для освоения навыка быстрого чтения | Проговаривание слов и увеличение скорости чтения | Угол зрения - возможность научиться читать зиг-загом | Концентрация внимания - отключение посторонних шумов Медикаментозные усилители - как повысить концентрирующую способность мозга | Запоминание - Как читать, запоминать и не забывать | Курс скорочтения - для самых занятых | Статьи | Книги и программы для скачивания | Иностранный язык | Развитие памяти | Набор текстов десятью пальцами | Медикаментозное улучшение мозгов | Обратная связь