— Как строят высокие башни? — спросили однажды Ходжу Насреддина.

— Очень просто, — ответил лукавый Насреддин. — Сначала копают глубокие колодцы, а потом выворачивают их наизнанку.

Они появляются совершенно неожиданно, эти варианты, когда достаточно изогнуть, вывернуть наизнанку, сложить в «гармошку» или в «матрешку», использовать сферичность... И решение, которое на первый взгляд требовало применения сверхъестественных эффектов, в ваших руках.

Как, например, измерить высоту пирамиды Хеопса? Очень просто, говорил Фалес из Милета (625–547 гг. до н.э.): «Когда тень от палки станет равной ее длине, длина тени пирамиды будет равной ее высоте».

А что говорят в нашей эре?

Первый намек на применение геометрического эффекта проскочил еще в задаче Робинзона Крузо, когда мы рассматривали лодку как качели. С точки зрения механики качели — это обыкновенный рычаг: на одном конце груз, на другом конце — сила, а между ними — точка опоры.

В задаче о капризной качалке Сережа Швенк (см. гл. 13), только изменив форму емкости для расплавленного металла, избавился от специального подвижного груза в противовесе качалки.

Сечение крыла самолета или корабля на подводных крыльях несимметрично: нижняя часть ровная, а верхняя — выпуклая. Поэтому поток воздуха или воды, разрезаясь крылом, обтекает его сверху и снизу с разной скоростью: снизу путь короче — и скорость меньше. Наверху путь длиннее — и скорость выше. А чем выше скорость потока, тем меньше давление на поверхность крыла. Разность давлений на крыло снизу и сверху и создает его подъемную силу. По сути дела — только за счет разницы в кривизне поверхностей...

Одно из ФП в задаче о бурте хлопка звучало так: каналообразовалка должна быть большой во время создания канала и маленькой во время вытаскивания (под размером понимался ее диаметр).

А ИКР выглядело так: ТС должна сама обеспечивать отделение поверхности каналообразовалки от поверхности хлопка, чтобы устранить трение поверхностей при вытягивании.

Такие формулировки предлагают еще один вариант решения, но уже с использованием геометрического эффекта. Как?

Скатайте листок бумаги в многослойную трубочку. Засуньте в трубочку палец и покрутите кончик бумаги в направлении, в котором сворачивали трубочку. Скручиваясь по спирали, каждый слой бумаги потянет за собой следующий. В результате диаметр трубочки станет меньше, это и есть идея четвертого решения: «жердь» сделана в виде трубы из скатанного в спираль тонкого листового материала. Когда ее нужно вынуть, спираль скручивают и уменьшают диаметр «жерди», отделяя ее поверхность от поверхности хлопка.

Но, пожалуй, самые красивые решения — в свече Яблочкова. Их как минимум два: параллельная установка электродов и изгиб положительного электрода, более длинного, по окружности вокруг отрицательного электрода. Хотя, если помните, были и другие варианты, тоже связанные с геометрией.

С применением геометрических эффектов связаны и некоторые идеи одного из авторов данной книги, частью реализованные в авторских свидетельствах.

История одной идеи связана с работой на Одесской областной станции юных техников, где в течение почти 8 лет работал кружок конструирования и изобретательства. Обычно первое задание, которое выполняли ребята 5–6-го классов, — модель самодвижущейся тележки. Модель очень простенькая. При некоторых навыках ее можно сделать за час-полтора.

К фанерному основанию при помощи разных железок (обычно деталей «Конструктора») на осях крепили 3 или 4 колеса, электрический микродвигатель, батарейку и выключатель. Вал микродвигателя обыкновенной аптечной резинкой соединяли с одной из осей, на которой были колеса. И устраивали соревнования: на скорость, на длину движения по прямой, на подъем...

Здесь было о чем поговорить: и почему не тянет прямая передача вращения с вала двигателя на ось колес, и почему приходится ставить шкив; что такое вращающий момент, как работает коробка скоростей автомобиля и еще о многом.

Основная тема, конечно же, скорость. Анализируя кинематическую схему автомобиля, все довольно уверенно отвечали: скорость зависит от числа оборотов двигателя и передаточного отношения трансмиссии. Зависимость скорости от диаметра колеса замечали немногие. Приходилось задавать дополнительные вопросы, создавать детективные ситуации: «Как, не выключая спидометра, проехать больше, чем он показывает?» (кстати, хороший, хотя и несколько трудоемкий вариант экономии горючего, особенно при холостых пробегах), «Может ли фактическая скорость быть выше той, которую показывает исправный спидометр?» и т.д.

И тут впервые почувствовался, как говорится, «на собственной шкуре» результат многолетней работы с ТРИЗ: идея менять колеса на ходу, во время движения, совершенно естественно перешла в идею о необходимости менять диаметр одного и того же колеса в различных условиях: в зависимости от скорости, несущей способности грунта и угла наклона рельефа. В воображении тут же возникла тележка, которая быстро ехала по ровной твердой дороге на высоких узких колесах. Потом грунт стал мягче, колеса осели, стали ниже и шире. Скорость уменьшилась, хотя двигатель работал на тех же оборотах. Потом пошли бугры и канавы, и перед каждым изменением рельефа соответствующее колесо меняло диаметр, так что тележка все время сохраняла свое горизонтальное положение.

Идея конструкции появилась сразу, как только возникла картинка вращающегося колеса переменного диаметра. Самое смешное, что такое колесо, оказывается, существует лет двести. Нужно только посмотреть на одну хорошо знакомую картинку под другим углом — повернув ее на 90°.

Сейчас и вы засмеетесь. Это центробежный регулятор паровой машины Уатта, только с горизонтальной осью. Оставалось удлинить подвижный рычаг за шарнир (получилась система рычагов, очень похожая на ножницы), соединить свободные концы «ножниц» гибкими и упругими элементами, способными выдерживать вес машины, и понаставить таких ножниц вокруг оси вращения погуще, чтобы между гибкими элементами не было просветов.

Сделать модель такого колеса очень просто. По существу, это китайский фонарик (рис. 8.2).

На этой модели прекрасно видно, почему такое колесо не может хорошо работать: как только вы сдвигаете края фонарика навстречу друг другу, разрезанная часть начинает «выпирать», увеличивается диаметр, и между полосками бумаги появляются просветы. Колесо перестает быть круглым, теряя свое главное свойство: способность плавно перекатываться с точки на точку. Соответственно начинает «прыгать» ось колеса, и вибрация передается всей тележке.

С позиции идеального конечного результата возникающие при увеличении диаметра просветы-промежутки между упругими элементами, образующими наружную поверхность колеса, должны заполняться сами, т.е. теми же упругими элементами.

Попробуйте представить работу колеса на дороге — опорной поверхности. Перекатывание возможно тогда, когда каждая предыдущая точка наружной поверхности колеса находится на одинаковом расстоянии от оси вращения, и все перекатывающиеся точки лежат в одной плоскости вращения. (Для сравнения можно представить себе колесо в виде тонкого диска.)

А теперь вспомните колеса машин-вездеходов с протектором типа «елочка». Ребра елочки сильно выступают над сплошной поверхностью колеса. Чтобы такое колесо не «стучало» по дороге, каждая следующая елочка должна начинаться раньше, чем закончится предыдущая. Опорная точка — точка касания колеса с дорогой — перескакивает с одной «елочки» на другую, а в момент перескока колесо опирается на дорогу обеими «елочками» (рис. 8.3).

Значит, при увеличении диаметра, чтобы колесо из упругих элементов не прыгало, они должны «передавать» друг другу точку опоры, т.е. располагаться под углом к плоскости вращения. И чем больше диаметр, тем меньше должен быть угол между элементом и плоскостью вращения колеса.

Так сформулировалось физическое противоречие: упругие элементы должны располагаться параллельно оси вращения при минимальном диаметре и перпендикулярно оси вращения при максимальном диаметре.

Опять возьмите в руки фонарик. В растянутом состоянии полосочки средней части вытянуты вдоль цилиндра, параллельно его оси. В сдвинутом состоянии полосочки должны не просто торчать наружу, а повернуться на 90° и расположиться перпендикулярно оси цилиндра. Для этого края, сдвигая навстречу друг другу, нужно поворачивать вокруг оси (рис. 8.4).

Технически это решается так же, как обеспечивается вращение пули в нарезном оружии: с помощью винтовых канавок, нарезанных в стволе. При движении по стволу пуля закручивается вдоль продольной оси и приобретает устойчивость в полете.

Основу колеса составляют рычаги, соединенные как ножницы. На верхних концах установлены гибкие элементы, которыми колесо опирается на землю. А нижние концы должны опираться на вал и иметь возможность одновременно перемещаться вдоль него. При этом каждый рычаг будет не только двигаться вдоль вала, но и поворачиваться. Поэтому соединим все нижние концы рычагов шарнирно с муфтами, а муфты посадим на вал. Каждая муфта имеет выступ в сторону вала. А вал имеет винтовую канавку, в которую входят эти выступы. Поэтому муфты, скользя по валу, разворачивают плоскость шарнирно соединенных между собой рычагов и тем самым поворачивают упругий элемент на их верхних концах относительно оси вала (рис. 8.5).

Казалось, задача решена — и принципиально, и конструктивно. И решение вроде неплохое, технически вполне реализуемое. Но тут сын задал вопрос: «А почему бы не соединить соседние концы рычагов друг с другом? И не по одному, а накрест? И просветы закроются, и площадь опоры увеличится!»

Воистину сказано: устами младенца (было ему тогда 11 лет) глаголет истина. Конструкция резко упростилась. Теперь колесо состояло из параллелограммов, загнутых в кольцо и образующих обод, и системы рычагов, изменяющих диаметр колеса за счет изменения длины кольца (рис. 8.6).

Патентный поиск показал, что изменение диаметра колеса интересует многих, особенно сельскохозяйственное машиностроение. А также геологов, полярников и космонавтов. И попадались очень интересные конструкции. Нашего варианта — с помощью двуплечих рычагов изменять длину кольца в виде системы параллелограммов — среди известных не было…

Интересно, что шкив переменного диаметра, созданный по такому же принципу для клиноременной передачи, прошел экспертизу довольно быстро — за неполных два года. Идея сделать шкив возникла сразу же, как только решился вопрос о конструкции колеса. Причем два варианта: плоскоременной — с опорой ремня по тем же упругим элементам, и клиноременной — используя верхние концы рычагов выше точки их шарнирного соединения.

Здесь возникла еще одна задача: при изменении положения рычагов относительно друг друга изменяется и угол между ними. А сечение клиновидного ремня, естественно, постоянное. Противоречие выявлялось настолько ясно и четко, что разрешить его труда не представляло: так как изменить сечение ремня мы не можем, то нужно изменить форму концов рычагов таким образом, чтобы угол между касательными, проведенными в точке касания ремня с поверхностями рычагов, был всегда одинаковым (рис. 8.7, а.с. 1612166).

Кривая оказалась сложной. Строить ее пришлось чисто эмпирически, по точкам, меняя положение рычагов. Впоследствии профессор математики Пермского университета И.В. Шрагин рассчитал форму поверхности рычагов [Меерович М.И., Шрагин И.В., 1994].

Кстати, и здесь при патентном поиске выявилась масса интереснейших конструкций, в частности два немецких патента на шкивы переменного диаметра за 1900 и 1911 гг. (!!!).

Замечательное занятие — копаться в патентном фонде! Берешь в руки описание изобретения и практически сразу ясно, что двигало автором или авторским коллективом — мука творческая или возможность небрежно бросить: «У меня этих авторских за сотню перевалило!». И еще одно видишь, когда берешь в руки Идею: как барахтается мысль человеческая, скидывая с себя толстую закостенелую корку привычных знаний и представлений! Как бьется, разрывая паутину психологических запретов — этого не может быть, потому что не может быть никогда! Как, наконец, вырывается и становится ясной, цельной, без единой лишней детальки — такой, какой и должна быть настоящая Вещь.

Вещей неинтересных в мире нет! Даже такое на первый взгляд серое однообразие, каким представляются бесконечные километры асфальтовых и бетонных дорог, — сущий клад для изобретателей.

Вот несколько примеров.

Что делать с миллиардами изношенных покрышек? Сжигать? Можно отравить атмосферу всей планеты. Перерабатывать? На что? Искусственная резина пока ни на что не пригодна. Шведские инженеры-дорожники предложили добавлять мелко измельченную резину от покрышек в качестве наполнителя в бетон для дорожных покрытий. Новый композиционный материал решил сразу несколько проблем: повысил безопасность движения за счет лучшего сцепления автомобиля с дорогой, уменьшил плотность и стоимость бетона, освободил поверхность Земли от отходов.

Работает на дороге и «геометрия». Большой кусок новой дороги в одном из районов был выложен из прямоугольных бетонных панелей. Стыки между панелями, конечно же, никто не заделал, и были они, естественно, на разных уровнях. Расположены эти стыки перпендикулярно движению машины, и пересекаются они то передней, то задней парой колес одновременно. Возникает стук. Удар колес о стыки не просто мешает пассажирам — он разбивает подвеску машины.

«Это очень сложно — вместо прямоугольных плит выпускать плиты в виде параллелограмма? — спросил как-то один из авторов этой книги дорожно-начальственное лицо районного масштаба. — Тогда колеса будут пересекать стыки по очереди, по крайней мере удара не будет» (рис. 8.8). «Я автодорожник, а не автомобилист!» — ответил тот.

Но вернемся к дорогам. Все изнашивается, стирается и асфальт. Как узнать, сколько его уже стерлось, а сколько еще осталось, чтобы обновить покрытие вовремя, не дожидаясь, пока возникнет дыра? Группа изобретателей (а.с. 1498874) предложила вмуровывать в дорожный асфальт на уровне верхнего слоя цветные шарики — «реперы», которые изнашиваются с такой же скоростью, что и асфальт. Тогда по диаметру цветного пятна можно судить о степени износа асфальта.

В идее есть недостаток, который авторы не учли: как укладывать все шарики одним цветом вниз? Ведь если этого не сделать — будут изнашиваться обе половинки, причем определить, какая больше, не зная, как лег каждый шарик, практически невозможно.

Противоречие достаточно четкое: чем больше износ, тем больше должен быть «пятачок» верхнего цвета. Очевидно, вместо шарика нужно ставить конус — острием вверх. Тогда точно не будет проблем: чем больше цветное пятно, тем больше стерся асфальт. Студенты автомеханического техникума предложили еще один вариант: укладывать плоские двухцветные шайбочки, высота которых равна толщине асфальтового покрытия. Только шайбочки должны быть «склеены» из двух четырехгранных пирамидок по диагонали боковой стороны. Верхняя пирамидка — по цвету асфальта, а нижняя — контрольная — другого цвета (рис. 8.9). Остается только уложить их контрольным цветом вниз.