Глава 8. ЗАКОНЫ ПРИРОДЫ ВОКРУГ НАС, ИЛИ ОТ ФП — К ИКР

В гл. 3, исследуя историю развития объекта, мы от костра добрались до лампы дневного света. Такие экскурсы в прошлое проделывали мы на самых разных занятиях в самых разных аудиториях с самыми различными объектами: ручками, домами, транспортными средствами, инструментами, станками, даже с джинсами и носками. Выяснилось, что вещей неинтересных в мире нет! Даже история такой прямой железной палки, какой выглядит железнодорожный рельс, полна не только драматических, а часто и трагических событий. Куча проблем: материал, профиль сечения, технология изготовления, способ крепления к полотну, стыковка между собой... Для первой железной дороги в Англии рельсы отливали из чугуна. Длина одной отливки — 1 м. И 2000 отливок на 1 км дороги! Понятно, что так долго продолжаться не могло. Металлургическая промышленность получает мощный стимул для развития способов производства и обработки металлов, растут мартеновские печи, появляются прокатные станы. Для их изготовления нужны металлообрабатывающие станки и инструменты, методы анализа и контроля, новые приборы и материалы...

При прокладке первых телефонных линий в США в качестве изоляторов на столбах для проводов использовались... горлышки от стеклянных бутылок. Изоляция на проводах (резиновая, лаковая) и керамические изоляторы появились позже. А вместе с ними родилось и материаловедение — наука, изучающая свойства различных материалов и возможность их применения.

Кстати, к каждому телефонному аппарату тянули два провода. Есть фотографии нью-йоркских улиц тех лет — конец XIX — начало XX вв. Представляете себе эту паутину!? Изготовлять тонкие многожильные провода еще не умели, как не умели «уплотнять» каналы связи — сейчас тысячи абонентов разговаривают по одному проводу, не мешая друг другу. Все чаще вместо металлических проводов используют оптоволоконные — тончайшие стеклянные нити, по которым идет свет, лазерный луч... А как изменили мир мобильные телефоны, не привязанные к проводам!

На одном из семинаров слушатели предложили в качестве объекта рассмотреть лампочку накаливания. Прослеживая историю лампочки, мы заново столкнулись с проблемами, которые возникли полторы сотни лет назад. Тогда это были ПРОБЛЕМЫ! Сейчас для их решения достаточно знаний физики на уровне средней школы. И некоторого знания ТРИЗ... Поэтому обратимся к истории лампочки и проанализируем, как при ее создании использовались законы природы.

Сразу договоримся, что будем рассматривать лампочку как источник местного освещения. И только. Тепло от ее горения, спектр излучения, другие эффекты оставляем пока в стороне. Зато в полном объеме используем ТРИЗный метод анализа каждого изменения объекта: потребность — основная функция — принцип действия системы — конструкция — новые требования — возникновение технического противоречия — формулирование и разрешение физического противоречия — новое конструктивное решение — новые требования...

Возможность использовать свечение электрической дуги в качестве источника света отметил еще в 1802 г. русский академик В.В. Петров. Но прошел не один десяток лет, прежде чем дуга действительно «заработала» в прожекторах.

Впрочем, работала она плохо. Чтобы зажечь дугу, два электрода, расположенные друг против друга, сближали с помощью специального механизма. Когда дуга зажигалась, электроды разводили на расстояние, при котором дуга давала максимальную яркость. Но дуга «выгрызала» торцы электродов (на этом принципе, кстати, основана электродуговая сварка), расстояние между ними увеличивалось, и дуга рвалась — гасла.

Приходилось все время сдвигать электроды. Началась разработка регуляторов, которые сохраняли бы постоянное расстояние между электродами. Один электрод, например, все время перемещался винтом, винт вращался от пружины или отдельного двигателя. Не получалось. Дуга — ребенок капризный, стабильного режима не имеет.

Вот и первое задание (задача 1): предложить идею датчика для автоматического регулирования длины дуги, при этом желательно не забыть, что дело было 130 лет тому назад.

(Принцип автоматического регулирования поясним на таком примере. Необходимо, например, поддерживать в помещении температуру 20 ± 1 °С. Для этого в качестве датчика температуры используется двухпозиционный термометр, который замыкает контакты при температуре 19 и 21 °С. Схема управления нагревателем строится таким образом, что при замыкании контактов «19 °С» нагреватель включается, а при замыкании контактов «21 °С» — выключается. Ваша задача — найти параметр, связанный с длиной дуги, и на его основе предложить идею датчика для автоматического регулирования расстояния между концами электродов.)

Но электроды все равно сгорают, и их необходимо менять. Понятно, что чем длиннее электрод, тем реже его нужно менять. Но с увеличением длины электрода возрастает длина всего аппарата (типичное ТП, не правда ли?). Как быть? Это задача 2.

С этими задачами столкнулся начальник телеграфной части Московско-Курской железной дороги П.Н. Яблочков. Как-то ночью ему пришлось промучиться с прожектором на передней площадке паровоза, освещая полотно железной дороги для царского поезда. Сходя утром с паровоза, он понял, что не успокоится до тех пор, пока не сконструирует стабильный источник света.

Регуляторы долго не получались. Историки рассказывают, что решение пришло к Яблочкову, когда он вертел в руках два карандаша, сближая их и разводя. Можно предположить, что ход мысли был таким: «Дуга горит между торцами электродов. Между ними должно быть определенное расстояние. Когда часть электродов сгорит, такое же расстояние должно стать между следующими частями электродов. Потом — между следующими. И так на всей длине электродов. Может, такое расстояние должно не стать, а быть?! Заранее?!» И Яблочков, сведя карандаши на «нужное расстояние», поставил их на столе параллельно друг другу (рис. 8.1).

Идеальное решение: регулятора нет, а функция его выполняется! (Вообще-то это должно было быть задачей 3...)

Но дуга на идеальное решение ответила весьма оригинально: она сбежала вниз по электродам и перегрызла их у основания! Яблочков задумался. Вы тоже — ведь это задача 4. Когда Павел Николаевич заставил дугу спускаться «как надо», возникла еще одна задача: электрод, к которому подключали +, сгорал быстрее, дуга перекашивалась, ее длина опять росла, и дуга опять гасла. Здесь есть минимум три решения, все годятся. Найти их — задача 5.

И наконец, последняя задача, пожалуй, самая сложная. Расстояние между электродами-карандашами было выбрано таким образом, чтобы дуга при определенном напряжении сети горела в оптимальном режиме. Но при данном напряжении и таком расстоянии дуга сама не загоралась! Для этого нужно или сблизить электроды, или увеличить напряжение в момент включения.

Сблизить электроды, как вы понимаете, было нечем. Обеспечить скачок напряжения можно, но это опять-таки сильно усложняло схему и плохо отражалось на работе остальных элементов цепи.

Яблочков опять нашел красивое решение: он установил между концами электродов тоненькую перемычку. В момент включения она сгорала, поджигая дугу.

И что, свечу можно включить только один раз? Не устанавливать же перед каждым включением перемычку?!

Вопрос поставлен абсолютно правильно. Это и есть задача 6: Предложите принципиальную идею многократного включения свечи. Хорошо бы получить ИКР...

«Русский свет!» — назвали свечу Яблочкова на Всемирной Парижской промышленной выставке 1878 г. «Русский свет!» — повторяли парижане, собираясь вечером на набережной Сены в ожидании, когда разом вспыхнут все фонари.

Конечно, это далеко не все задачи, которые пришлось решать Яблочкову, зажигая свою свечу. Как, например, подать ток на электроды? Ведь свечи придется менять после того, как они сгорят. Каким должен быть выключатель на одну свечу? На несколько свечей? Ведь сила тока прямо пропорциональна их количеству. Как защитить цепь от замыканий? И еще множество других проблем, чтобы создать работоспособную сеть местного освещения.

Электрическая свеча горела, затмевая огонь восковых свечей, керосиновых ламп и газовых рожков. Но для трезвомыслящих специалистов, а Яблочков тоже принадлежал к их числу, недостатки свечи были слишком очевидны: наличие открытого пламени, испарение электродов и обмазки, небольшой срок службы...

Меняясь в деталях, электрическая лампочка накаливания по принципу действия за 100 лет существования практически не изменилась. Это совсем не значит, что при ее создании и потом не возникало никаких проблем.

Они, безусловно, были. Давайте представим себя изобретателями лампочки (вместо Эдисона и Лодыгина) и подумаем, какие могут возникнуть технические трудности и как с ними бороться.

Проблема № 1, без сомнения, это подбор материала нити накаливания. Вы, вероятно, не забыли, что после выбора принципа действия системы идет выбор рабочего органа. Эдисон в поисках подходящего материала перебрал около 6000 вариантов (данные о Лодыгине неизвестны).

При всей своей гениальности и огромной результативности (Эдисон получил более 1000 патентов!) методы, которыми пользовался Эдисон в поисках идеи, были крайне непроизводительны. Широко известна их оценка талантливым чешским ученым и изобретателем Николаем Теслой, который некоторое время работал в лаборатории Эдисона: «Если бы Эдисону понадобилось найти иголку в стоге сена, он бы не стал терять времени на то, чтобы определить наиболее вероятное место ее нахождения. Он немедленно с лихорадочным прилежанием пчелы начал бы осматривать соломинку за соломинкой, пока не нашел бы предмета своих поисков. Его методы крайне неэффективны. Он может затратить огромное количество времени и энергии и не достигнуть ничего, если только ему не поможет счастливая случайность. Вначале я с печалью наблюдал за его деятельностью, понимая, что небольшие творческие знания и вычисления сэкономили бы ему 30% труда. Но он питал неподдельное презрение к книжному образованию и математическим знаниям, доверяясь всецело своему чутью изобретателя и здравому смыслу американца».

Справедливости ради нужно отметить, что в то время свойства материалов, тем более в такой новой и специфической области знаний, как нагрев электрическим током, были мало известны. Исследования тех лет легли в основу таблиц, которыми мы сейчас пользуемся.

Интересно, а как бы вы, уже имея «небольшие творческие знания», искали иголку в стоге сена?

Попробуем применить полученные знания и повысить производительность интеллектуального труда. Для этого, очевидно, нужно рассмотреть нить как элемент нескольких систем: нить и источник энергии (электрический ток); нить и внешняя среда; нить и зрение человека. Ограничимся пока этим, хотя число систем можно продолжить. Например, нить и возможности производства — технология, стоимость и т.д.

Итак, каким требованиям должна удовлетворять нить накаливания с точки зрения источника энергии? Чтобы выполнялась основная функция (излучать световую энергию), используется принцип действия — преобразование электрической энергии в оптическую нагревом рабочего тела до высокой температуры, при которой оно начинает светиться. Основной показатель здесь, как для всякого преобразователя энергии, — это коэффициент полезного действия (КПД). Не менее важен и относительный параметр — количество световой энергии с единицы поверхности рабочего тела.

Нить и внешняя среда — это возможность максимального применения объекта с точки зрения его совместимости с другими системами, его безопасность при эксплуатации и ремонте, экологичность и другие параметры.

Нить и зрение человека — это спектр излучения рабочего тела, соотношение спектральных составляющих, их соответствие солнечному свету.

Анализ можно продолжить. Что он дает? Чем шире представление об объекте, тем больше ограничений мы на него накладываем, тем меньше поле поиска и проще выбор. А сколько времени и средств экономится! Ведь мы реальные эксперименты заменяем мысленными!

Что же в конце концов нам нужно от нити накаливания? С небольшой поверхности — высокую яркость свечения видимого спектра излучения, при этом рабочее тело не должно терять механическую прочность. Чтобы электрическая энергия расходовалась на рабочем теле, а не в проводах, его сопротивление должно быть в сотни и тысячи раз больше сопротивления проводов. Круг сузился до предела. Внутри его — материалы с высоким удельным сопротивлением, высокой температурой плавления и высокой механической прочностью. Справочники предлагают или керамику, или группу металлов: никель, хром, кобальт, молибден, вольфрам. Керамика оказалась неподходящей по спектру излучения и КПД, кроме того, ненадежной с точки зрения механической прочности (при перегреве иногда взрывалась). Из металлов самым подходящим оказался вольфрам. И практически до настоящего времени он остался основным материалом для нитей накаливания.

Слишком подробно и немножко нудно? Ничего не поделаешь, это и есть серые трудовые будни науки. Без них любая самая красивая идея остается только красивым мыльным пузырем. Конечно, 140 лет назад свойства материалов проводить электрический ток были практически неизвестны и только изучались. Поэтому выйти сразу на нужный материал Эдисон не мог. Но проделать такой элементарный анализ, как только что мы с вами, мог и должен был.

И тут возникает естественный вопрос: можно ли успешно решать любые технические задачи, не обладая знаниями в соответствующих областях? И вообще нужно ли «предварительно» знать, что соответствующий физэффект существует?

Частично ответ на эти вопросы дает структура АРПС, шаги которого отличаются от шагов АРИЗ-85В именно требованием сначала четко сформулировать свойства вещества, которое должно разрешить физическое противоречие, и только потом искать подходящий физэффект, в котором эти свойства могут быть реализованы.

Конечно, знать все невозможно, поэтому при решении сложных узкоспециализированных задач нужно обязательно обращаться к специалистам. Как правило, получив точный и подробный перечень требований, специалисты достаточно легко и быстро предлагают ряд физических эффектов, которые могут реализовать эти требования. И кстати: еще в 1973 г. Юрий Васильевич Горин, один из первых и лучших учеников Г.С. Альтшуллера, проанализировав несколько тысяч описаний изобретений, составил Указатель физических эффектов и явлений — одну из ценнейших составных частей информационного фонда ТРИЗ. В этом указателе систематизированы различные физэффекты, порой достаточно «тонкие», даны рекомендации, какие эффекты — или их сочетания — можно применять для решения различных технических проблем, и приведены примеры таких решений.

Аналогичный фонд применения химических эффектов, содержащий более 1000 примеров, собрал еще один из первых ТРИЗовцев — Валерий Алексеевич Михайлов, кандидат химических наук, доцент Чебоксарского университета.

Так что, конечно, чем больше вы знаете, тем легче вам понять физическую сущность процессов и явлений, создающих проблемную ситуацию. А без такого анализа выйти на ИКР не удастся...

А вообще-то основной недостаток нашей системы образования как раз и заключается в том, что знания нам дают, но не учат, как их можно применять...

Вот простая задача — «О заготовке для труб». Существует способ изготовления труб, особенно большого диаметра, из прокатного листа. Для этого заготовку раскатывают в лист, а потом сворачивают в трубу (или в две половинки) и сваривают. Здесь и возникает проблема: чтобы получить лист нужной площади и толщины, заготовка должна иметь строго определенный объем. А отрезают ее от болванки, которая имеет неправильную форму. Приходится отрезать больше, взвешивать, а потом убирать лишнее. Отнимает эта процедура много времени, да и отходов получается много. Как быть?

Принцип решения таких задач, на которые до сих пор выдаются вполне серьезные авторские свидетельства, был предложен еще две тысячи лет назад жителем г. Сиракузы гражданином Архимедом. Он заметил, что уровень воды в ванне поднимается на столько, сколько занимает объем его тела. Остается вовремя остановиться и отметить уровень воды, соответствующий необходимому объему заготовки, на самой болванке. ИКР — жидкость может сделать это сама. Для чего ее достаточно слегка подкрасить, а потом отрезать заготовку по линии, которую оставила подкрашенная жидкость на поверхности болванки.

Вернемся к задачам дугового прожектора — прообраза свечи Яблочкова. При горении дуги (задача 1) концы электродов обгорали, расстояние между ними увеличивалось, и дуга рвалась — гасла. Требовалось предложить идею датчика для автоматического регулирования длины дуги.

В чем был основной недостаток механических регуляторов? В том, что дуга горела сама по себе, а регуляторы крутились, сдвигая электроды, сами по себе. Не был согласован ритм работы частей системы. Отсутствие этого согласования сразу вылезает наружу, как только мы сформулируем ИКР: дуга должна сама регулировать свою длину. Иными словами, между одним из параметров дуги и регулятором (его еще называют «исполнительный механизм») должна существовать четкая обратная связь. Если, например, мы хотим регулировать длину дуги по расстоянию между контактами, нужно установить «датчик расстояния», который будет включать подкручивающий двигатель. Но как определять это расстояние — оно ведь все время меняется? И какой датчик выдержит такую температуру?

Можно регулировать длину дуги по изменению яркости — для этого нужен чувствительный датчик светового потока. Сейчас их много, особенно полупроводниковых, но в то время фотоэффект Столетова еще не был открыт.

Проще всего — с точки зрения элементарной физики — рассматривать дугу как участок электрической цепи, через который идет ток и который имеет свое сопротивление с соответствующим падением напряжения. Эти три величины связаны одним из самых известных законов электротехники — законом Ома.

Дуга — это нагрузка цепи, на ней падает основная часть напряжения. При увеличении расстояния между электродами сопротивление участка увеличивается, что приводит к уменьшению силы тока. Соответственно — при уменьшении расстояния величина тока растет. Эти отклонения еще 140 лет назад можно было ловить приборами и использовать для включения-выключения двигателя. И — никаких проблем сейчас, в век электроники.

Теперь попробуем удлинить электроды, чтобы увеличить время их горения, не увеличивая размер всего устройства (задача 2). И техническое, и физическое противоречия здесь сформулированы предельно ясно, поэтому применять для поиска решения такое мощное оружие, как АРПС, нет смысла. Используем другой метод: так называемое ТРИЗное «каратэ».

В задаче о техническом водопроводе мы заметили, что производительность «обдиралки» и ее размеры взаимосвязаны. Такая взаимосвязь составляет суть ТП, и она существует в любой задаче. В свое время Г.С. Альтшуллером и его учениками был составлен перечень взаимосвязанных показателей: вес, мощность, размеры, производительность, удобство эксплуатации и т.д. — всего 39 параметров. С их помощью удалось (на это «удалось» ушло 15 лет!) составить таблицу типовых приемов разрешения технических противоречий.

Анализируя патентный фонд, Г.С. Альтшуллер сделал ошеломивший его самого вывод: в разных областях техники задачи решаются одинаково! Нет задач «авиационных» и «кондитерских», т.е. функциональных. Нет задач «механических» и «электрических», т.е. структурных. Эти признаки для классификации изобретательских задач не годятся. Есть один общий критерий: прием, с помощью которого можно разрешить техническое противоречие!

И начались поиски типовых приемов. Для начала было отобрано 40 000 сильных решений. Их анализ позволил сформулировать 35 приемов.

Вдумайтесь в это соотношение: 40 000 задач — и всего 35 приемов! Казалось, можно вздохнуть с облегчением и праздновать победу: то, над чем бились десятки и сотни исследователей методики технического творчества (кстати, наука о методах поиска новых технических решений давно называется эвристикой), обнаружено и сформулировано!

В основе периодической таблицы Менделеева — атомная масса элементов: параметр абсолютно объективный. В основе отбора и формулирования приемов — тоже объективный параметр: способ разрешения технического противоречия.

Дальше процесс решения представлялся так: в задаче выявляется противоречие, для разрешения которого методом перебора находят подходящий прием.

Но часть задач выявленными приемами не решалась. Значит, рассуждали исследователи, мы обнаружили еще не все приемы. Были отобраны еще 15 000 задач с сильным решением. Их анализ дал всего 5 новых приемов.

В настоящее время в информационном фонде ТРИЗ — 40 приемов. Большинство из них детализировано и раздроблено на 2–3 подприема (всего приемов с подприемами — около 100).

И тут появилось свое противоречие: чтобы успешнее решать каждый тип задачи, приемов должно быть много, и они должны быть максимально специализированы. Но, чтобы сократить время и число перебираемых вариантов и охватить как можно больше задач, приемов должно быть минимальное количество, т.е. каждый из них должен быть универсальным.

Представляется, что именно на этом этапе был сделан один из самых важных шагов по формированию ТРИЗ как науки: не цепляясь за результат, полученный с таким трудом, исследователи сумели осознать, что приемы — только часть методов, с помощью которых можно решать задачи. Причем часть, наверное, наиболее консервативная, не имеющая диалектического развития. И поняв это, пойти дальше — к алгоритму решения задач. Правда, приемы не остались совсем заброшенными... Работать с приемами трудно по двум причинам. Во-первых, ни один прием не укажет прямо, каким должен быть принцип действия нужного вам устройства. Он только подсказывает, в каком направлении лучше всего искать решение.

И второе: приемов много. Как выбрать тот, направление которого «лучше всего»?

Для этой цели была составлена таблица использования основных приемов устранения технических противоречий (см. например, http://www.temm.ru/ru/section.php?docId=4562). Разверните ее и посмотрите первый левый столбец и верхний горизонтальный ряд. Обозначения в них — от 1 до 39 — полностью совпадают. Это, как вы уже поняли, взаимосвязанные параметры. В клеточках на поле таблицы проставлены числа от одного до сорока. В каждой клеточке одно, два, три, а то и пять чисел. Это — номера приемов.

Как решать задачи с помощью таблицы? Прежде всего, получив условие задачи, вы определяете, что нужно в ней изменить: увеличить, уменьшить, ускорить, замедлить и т.д., и находите нужную строчку в вертикальном столбце. Кстати, вариантов решений — таких строчек — может быть несколько, и все их надо рассмотреть. Потом для каждого изменяемого параметра (для каждой строчки) вы выясняете, что недопустимо изменяется, и находите эти параметры в верхнем горизонтальном ряду. Записываете номера приемов, которые находятся в клеточке на пересечении строки и столбца в том порядке, в котором они даны. Именно в этом порядке следует рассматривать приемы для поиска решения.

Если у вас несколько вариантов сочетания параметров, выпишите те приемы, которые встречаются чаще всего, и начинайте поиск решения с них.

В качестве примера можно рассмотреть задачу о мешалке для расплавленной стали. Вы, конечно, ее помните. Давайте попробуем решить эту задачу по таблице приемов.

Итак, во время работы мешалки происходит ее растворение. Можно сказать, что нужно повысить продолжительность действия подвижного объекта (строка 15), так как происходят недопустимые потери вещества (столбик 23). На пересечении получаем приемы: 28, 27, 3, 18.

Если вспомнить, что мешалку из обычной стали пытались заменить жаропрочной, но эта замена резко повышала стоимость устройства, то задачу можно сформулировать так: нужно уменьшить потери вещества (строка 23), но при этом недопустимо возрастает сложность устройства (параметра стоимости нет, и ее можно рассматривать как сложность) — столбец 36. Получаем приемы: 35, 10, 28, 24.

Прием 28 «Принцип замены механической схемы» встречается дважды. Начнем с него.

Подприем 28а советует нам заменить механическую схему оптической, акустической или «запаховой», иными словами, перенести принцип действия системы на микроуровень. Совет был бы хорош, если бы наша задача была на «измерение» или «обнаружение». Хотя... Интересно, есть ли способ перемешивания с помощью ультразвука? Ведь подприем 28б прямо советует использовать поле — магнитное или электромагнитное — для взаимодействия с объектом.

Решение слишком сложное — нужно менять всю систему. Но его можно использовать при новом проектировании...

Прием 27 «Принцип дешевой недолговечности взамен дорогой долговечности» как раз у нас и присутствует. Он тоже не подходит.

Прием 3 «Принцип местного качества» уже дает недвусмысленный намек:

3а — структура объекта должна быть неоднородной;

3б — разные части объекта должны выполнять различные функции;

3в — каждая часть объекта должна находиться в условиях, наиболее благоприятных для ее работы.

Да... С одной стороны, похоже на рисунки из серии «Что бы это значило?». С другой — попробуем разобраться.

Согласно рекомендациям приема 3, однородную мешалку нужно сделать неоднородной, чтобы каждая часть выполняла свои функции в наиболее благоприятных условиях. Пойдем от противного. Наиболее неблагоприятные условия — на поверхности мешалки, которая контактирует с расплавом стали. Значит, поверхность должна контактировать и не плавиться. Наверное, идею сделать мешалку с покрытием из жаропрочной стали или из керамики можно было найти без приемов, но работать такие мешалки не будут: покрытие из жаропрочной стали все равно передаст тепло внутрь, и от всей мешалки очень скоро останется только ее жаропрочная оболочка... Керамическая мешалка температуру выдерживает, но при перемешивании вязкой стали ломается. Для прочности ее нужно армировать, т.е. вводить внутрь стальной стержень — условно говоря, создавать железобетонную мешалку.

Но мы еще не проверили, что советует прием 24 «Принцип посредника». В качестве посредника, т.е. промежуточного объекта, который можно на время присоединить к мешалке и который не будет передавать действие температуры расплава стали на поверхность мешалки, может выступать твердый шлак. Но как об этом догадаться?!

Как видите, с приемами работать действительно тяжело. Нужен большой опыт решения задач, чтобы переводить намеки рекомендаций приемов в принципы действия механизмов. Но овладеть приемами надо, за ними стоят способы реализации законов развития технических систем. Это первое. И главное. Второе, тоже очень важное: за приемами стоит весь огромный мир техники — от простейших рычагов до тончайших физических эффектов. Формально это уже другие разделы информационного фонда — указатель физических эффектов и явлений, а также указатель геометрических эффектов. Но фактически их разделить невозможно, большинство приемов можно реализовать только с помощью физических и геометрических эффектов.

Попробуем использовать типовые приемы устранения ТП для поиска решения задачи 2 — о длинных электродах. Самая подходящая строка — третья: «Длина подвижного объекта». Самый подходящий столбец — седьмой: «Объем подвижного объекта» (в восьмом столбце — прочерк). Рекомендуемые приемы: 7, 17, 4, 35.

Что они нам предлагают? «Матрешку» — один объект размещен внутри другого объекта, который, в свою очередь, находится внутри третьего, и т.д. (7а), или один объект проходит сквозь полость в другом объекте (7б). Электрод в виде телескопической антенны — теоретически вполне подходящее решение, но реализовать его практически будет довольно сложно.

Прием 17 рекомендует обеспечить возможность перемещения или размещения объекта в пространстве в трех измерениях (17а), а также использовать многоэтажную компоновку вместо одноэтажной (17б). То же самое, только намекая значительно более тонко, предлагает сделать прием 4: «Перейти от симметричной формы объекта к асимметричной». Если принять за ось симметрии линию дуги и электродов, то намек можно понять так: электрод должен изогнуться. Но он же прямой, жесткий! Так последуйте совету приема 35 и сделайте его гибким, динамичным. Тогда вы получите то, что происходит все чаще и чаще — комплексное решение.

Еще какие-то неясности? Плохо представляете себе, как это выглядит? Разорванная велосипедная цепь, смотанная в спираль. Катушка проволоки. В конце концов электрод, выполненный в виде спиральной пружины. Но тогда его нужно будет не просто подавать в зону дуги поступательно, а еще и вращать. А еще можно перемещать ввинчивая, тогда поступательное и вращательное движения совмещаются. Как в резьбе.

С этой задачей очень сходна задача 5: при разной скорости сгорания электродов (положительный сгорает быстрее отрицательного) получить постоянную длину дуги.

Первый вариант напрашивается сразу: пусть плюс и минус меняются местами, тогда оба электрода будут сгорать одинаково. Но в те годы переменный ток получать и использовать умели плохо. Поэтому давайте формулировать противоречие для постоянного тока.

Если рассматривать процесс сгорания электрода как его расплавление и испарение, то одно физическое противоречие можно сформулировать так: дуга должна вызывать повышенное расплавление электрода и при этом увеличение расплавления не должно происходить за счет длины. А за счет чего же? А за счет ширины, т.е. площади поперечного сечения. Короче говоря, положительный электрод должен быть толще.

А если все-таки попытаться сохранить толщину электродов одинаковой? Тогда ФП нужно формулировать иначе: положительный электрод должен быть длиннее отрицательного, и в каждый момент времени горения дуги их верхние концы должны находиться на одинаковом расстоянии друг от друга.

Чтобы наглядно увидеть лучшее решение, проделайте мысленный эксперимент. Поставьте на столе рядом два карандаша, как в свое время это сделал Яблочков. Теперь представьте, что один карандаш наполовину короче другого. А вам нужно, чтобы их верхние концы были на одном уровне. Обычный инженер опускает нижний конец длинного карандаша вниз и постепенно, по мере сгорания верхнего конца, подталкивает его наверх, для чего ставит специальный регулятор, т.е. опять усложняет систему... Специалист, знающий ТРИЗ, формулирует противоречие: длинный карандаш должен располагаться на одном основании с коротким карандашом и занимать такую же высоту, как и короткий. Для этого он давит на верхний торец длинного карандаша, чтобы прижать его. Что, не идет? Почему? Твердый? Тогда плохо, где-то в вашем сознании еще сидит психологическая инерция. Ведь вам никто не мешает представить карандаш резиновым (или термины все-таки помешали?!), такой можно легко прижать.

Одно требование мы выполнили. Но у нас образовалось «пузо» — лишняя часть длины торчит в сторону, и расстояние между частями «пуза» и вторым электродом стало переменным. А должно быть постоянным, одинаковым, равным расстоянию между концами электродов. Что делать? Будем загибать «пузо» вокруг отрицательного электрода, сохраняя положение верхних концов на одном уровне. В результате положительный электрод обходит отрицательный по окружности, образуя спираль. ФП разрешено полностью!

Такое решение предложил П.Н. Яблочков. На контрольный ответ можно было выйти и с помощью приемов: «Матрешка» (прием 7) — отрицательный электрод расположен внутри положительного, в результате конструкция получается объемной (прием 17).

Над четвертой задачей вы еще думаете? Уже решили? Понятно, ведь пара намеков была сделана.

А все-таки разберем задачу еще разок, без «озарений», действуя по правилам. Прежде всего, как положено, разберемся, почему дуга падает вниз. А потому, что она все время находится между проводниками — наружными поверхностями электродов, которые имеют сопротивление. А так как электрическая цепь всегда стремится замкнуться по участку с наименьшим сопротивлением, то дуга сбегает вниз и останавливается у основания электродов — «на полу», который сделан из изолятора.

Задачу можно решить разными способами. При нашей подготовке достаточно хорошего логического анализа: если поднять «пол» выше, то и дуга остановится выше. Поднимем «пол»-изолятор до верхних концов электродов — дуга загорится и никуда не упадет. Первая часть задачи решена: пространство между электродами нужно заполнить изолятором, и по мере сгорания электродов уровень «пола»-изолятора тоже должен понижаться. При идеальном решении — понижаться сам. Воздействовать на изолятор может только дуга, точнее, ее температура, других ресурсов нет.

Отсюда вторая часть решения: состав изолятора должен обеспечивать его сгорание со скоростью сгорания электрода. Подобрать такой состав специалисту по керамике — не проблема.

По свече Яблочкова остается задача 6 — самая сложная. Применим к ней АРПС. Так как условие уже фактически сформулировано, перейдем сразу к первой части.

Шаг 1. ТС для зажигания дуги состоит из электродов, керамического изолятора между ними и проволочной перемычки, замыкающей электроды. После первого включения свечи перемычка сгорает и, чтобы обеспечить повторное зажигание дуги, необходимо установить между электродами новую перемычку, но делать это каждый раз технически сложно.

Схема задачи:

ОФ — замыкание электродов свечи для зажигания дуги.

ПД — установка проволочной перемычки между электродами.

Заменим термин «проволочная перемычка» понятием «перемыкалка».

Состав системы — электроды, изолятор.

НЭ1 — невозможность повторного зажигания дуги.

СУ — установить новую перемыкалку.

НЭ2 — сложность установки новой перемыкалки.

Если устанавливать новую перемыкалку, то устраняется невозможность повторного зажигания дуги, но возникает сложность с ее установкой.

Если новую перемыкалку не ставить, то сложности с ее установкой не возникают, но сохраняется невозможность повторного зажигания дуги.

Шаг 2. Постановка изобретательской задачи.

Необходимо, не устанавливая каждый раз новую перемыкалку и тем самым не усложняя систему, обеспечить возможность повторного зажигания дуги.

Шаг 3. Оперативная зона (ОЗ): поверхность изолятора между электродами.

Шаг 4. Оперативное время (ОВ): Т = Т1 + Т2 + Т3, где конфликтное время Т1 — время включения дуги (сгорания перемычки); Т2 — время от выключения дуги до ее повторного включения; Т3 — время горения дуги.

Шаг 5. М-ФП: промежуток между электродами должен быть проводящим во время поджигания дуги и непроводящим во время ее горения.

Шаг 6. μ-ФП: в промежутке между электродами должны быть проводящие частицы вещества во время поджигания дуги, и таких частиц не должно быть во время ее горения.

Шаг 7. ИКР: Система должна сама обеспечивать наличие проводящих частиц вещества между электродами во время поджигания дуги и непроводящих — во время ее горения.

Как же обеспечить выполнение ИКР? Рассмотрим детально процесс горения дуги после ее первого поджигания: от высокой температуры образуются пары электродов и обмазки-изолятора. После того как дугу погасили, легкие фракции паров улетучились, а тяжелые осели, в том числе и на поверхность изолятора между электродами. Значит, есть слой, нужно только, чтобы он «стал проводящим».

Прокрутим эту цепочку обратно: слой образуется из паров, пары — из материалов электродов и обмазки. Значит, в этих материалах должны быть элементы, которые, сгорая (может быть, реагируя друг с другом в процессе горения при высокой температуре), образуют пары, которые могут осесть и создать тонкую проводящую пленку. Даже не сплошную. Электрики хорошо знают, что пробой воздушного промежутка, особенно на поверхности какого-либо материала, может проходить по «мостикам» из проводящих участков. Именно это свойство использовал Яблочков. Немножко физики, немножко химии...