При постановке одной из сцен спектакля «Сирано де Бержерак» режиссер решил в центре позиции, где сражается главный герой, установить флаг на высоком древке. Но флаг висел неподвижно, и это снижало ощущение динамичности действий на сцене. Тогда за кулисами поставили мощный вентилятор. Флаг взвился, сцена «заиграла», но шум от вентилятора был такой, что актеров стало совершенно не слышно. Как быть?

Построим вепольную модель этой задачи. Есть механическое поле Пмех, которое создает вентилятор. Это поле давит на воздух В1, а воздух уже взаимодействует с флагом В2. Все было бы хорошо, если бы воздух не создавал еще одну вредную связь — акустическое поле П2 — шум:

Конечно, можно решать задачу на разрушение вредного веполя — устранить шум. Но лучше поискать другой способ заставить флаг развеваться.

Отбросим систему, которая нас не удовлетворяет (мощный вентилятор), и начнем создавать — синтезировать — новую систему.

Итак, есть флаг — В1. Он свисает под действием силы тяжести, или веса. Нужно ввести вещество В2, которое через поле П компенсирует вес флага и заставит его гордо реять над бастионом. Иными словами, нужно реализовать схему:

Простейшее поле — механическое. Его можно создать, если привязать, например, к флагу резинку или веревочку и дергать их из-за кулис.

Такой вариант для серьезного театра, конечно, не годится.

Механическое поле можно создать потоком воздуха под давлением. Мощный вентилятор не подходит. Поток воздуха должен создаваться возле самого флага. Ресурсы — сам флаг, точнее, древко и полотнище. Их и используем. Древко можно сделать пустотелым — из трубы — и подавать через него воздух. Для выхода воздуха сделаем в трубе в сторону полотнища два ряда отверстий (рис. 13.1).

Если воздух будет все-таки свистеть, выходя из флагштока, пропустим его через полотнище флага. Для этого в полотнище можно вшить трубки и подсоединить их к пустотелому флагштоку. Реактивная сила истекающего воздуха заставит флаг подняться. Что, большой расход воздуха? Критику признаем справедливой. Вторые концы трубок закрываем наглухо. А чтобы флаг «трепетал», будем менять давление воздуха.

Другое решение получается, если использовать электрическое поле, точнее, электростатическое. В основе физического явления — взаимодействие зарядов. Одноименные заряды, как известно, отталкиваются, разноименные — притягиваются. Значит, можно наэлектризовать полотнище флага зарядом одного знака, а сверху, над флагом, повесить пластину, заряженную противоположным знаком. Знаете ли вы, кстати, о существовании электретов — пленочных материалов, на поверхности которых имеется избыток зарядов?!

Магнитное поле тоже позволяет получить неплохой вариант. Чтобы флаг отзывался на действие магнитного поля, он должен быть пропитан ферромагнетиками, например покрашен краской с примесью железа. Можно вшить полоску железной фольги в верхнюю часть флага, а магнит расположить сверху, над сценой.

Электромагнитное поле позволяет реализовать все предыдущие варианты с магнитами, но размеры магнита при этом получаются значительно меньше. Проще всего управлять полем, изменяя силу тока в обмотках магнита.

Химическое поле использовать в этой задаче практически невозможно, акустическое — тоже. Можно попробовать применить тепловое поле — создать поток теплого воздуха, который поднимет флаг. Но этот вариант дорогой.

Красивое, но технически сложное решение предлагает оптическое поле: методами голографии создать видимость флага.

На этом, пожалуй, перебор вариантов заканчивается. Попробуем оценить и обобщить ход решения.

В гл. 11 мы говорили об автономной минимально работоспособной технической системе и о ее составе — рабочем органе, источнике энергии, трансмиссии и органе управления.

Сейчас мы тоже создаем новую автономную работоспособную техническую систему. В качестве рабочего органа в ней выступает флаг, его «работа» — трепетать на сцене. Что же мы с вами делали? Искали ПД — принцип действия системы, и ФЭ — физический эффект, с помощью которого этот принцип действия можно реализовать. При этом поле, которое создавалось в результате действия физического эффекта, выполняло роль источника энергии, а элемент, через который оно воздействовало на флаг, — роль трансмиссии. Не очень понятно? Давайте еще раз, например с электростатическим полем.

Пластинка с зарядами, которая висит над сценой, — это источник поля (энергии). Чтобы флаг на него «отзывался», на нем тоже должны быть заряды, крепко связанные с полотнищем флага. Вот эти-то заряды и будут выполнять роль трансмиссии: передавать энергию поля полотнищу!

При этом становится понятным необходимость соблюдения закона о свободном проходе энергии через все элементы системы, а также его следствие: чтобы управлять системой, можно изменять любой из ее элементов.

Как это выглядит на схеме? Поле зарядов пластины (Пэл) воздействует на заряды на флаге (В2), которые воздействуют на полотнище флага В1.

По закону Кулона сила взаимодействия между зарядами прямо пропорциональна произведению величин зарядов, диэлектрической проницаемости пространства между ними и обратно пропорциональна квадрату расстояния между зарядами:

Значит, управлять процессом «трепетания» можно тремя способами: менять или величину зарядов, или расстояние между ними, или вводить между пластинами и полотнищем экран, например лист бумаги или полиэтиленовую пленку...

Отметим еще одно: наверное, вы согласитесь, что эта задача — на преобразование энергии, в частности энергии электростатического поля в энергию механическую — движение полотнища флага. И решали мы ее, создавая — синтезируя! — новую систему без всяких предварительных ограничений на право использовать тот или иной принцип действия.

Однако гораздо чаще возникают задачи, когда какая-то часть уже существующей системы (подсистема! — помните такое определение?) не в состоянии выполнять предъявляемые ей повышенные требования, и в систему приходится вводить новые элементы — вещества и поля.

Предвидится ехидный вопросик: «А как же ИКР?» Хороший вопрос. Но и ответ не хуже: «А для чего учимся? Чтобы вводить — не вводя. Или — если уж вводить, то самый минимум!» Как, например, это сделал изобретатель Н. Рахманов.

Во многих цехах детали перемещают с одного места на другое с помощью цепных шаговых конвейеров, которые закреплены под потолком цеха. В конвейере на оси колеса закреплен крюк, на крюке висит обрабатываемая деталь. Подходит такой крюк к рабочему месту и останавливается. Рабочий снимает с него деталь, выполняет необходимую операцию и вешает деталь обратно на крюк. Деталь «шагает» на следующую операцию, пока ее не обработают полностью.

Хорошее и удобное устройство обладает одним серьезным недостатком: крюк, когда трогается с места или останавливается, начинает раскачиваться. Деталь может слететь, может задеть рабочего. Как быть?

Очевидно, что если мы решим задачу для одного колеса и одной детали, то это решение можно будет распространить на весь конвейер. Поэтому запишем вепольную модель одного звена. Состоять она будет из колеса В1, крюка В2 и механического поля Пмех, которое двигает конвейер (в нашем случае — крюк, на котором висит деталь).

Выглядеть веполь будет так:

Пмех оказывает полезное действие на колесо, а колесо — на крюк. Но кроме полезного действия Пмех оказывает на крюк и вредное действие (стрелка). Очевидно, эту связь нужно устранить. Представим себе, как должно действовать идеальное устройство: как только крюк начинает качаться, он действует на «что-то», и это «что-то» создает новое поле, которое гасит колебания. Иными словами, устраняет вредное действие Пмех!

Запишем: «что-то» — это новый элемент В3, а новое поле — Пх. В результате в системе должны оставаться только полезные действия.

Теперь остается только перебрать варианты. В принципе перед нами типичная задача на гашение колебаний, которая хорошо известна в технике: при наезде на бугор качается кузов автомобиля; при включении прибора колеблется стрелка; при работе двигателя колеблется — «вибрирует» — основание... Методов гашения колебаний тоже известно множество, есть даже специальный термин — «демпфер» (поглотитель колебаний).

Изобретатель Н. Рахманов нашел почти идеальное решение: он надел на колесо резиновое кольцо, а на крюк поставил маленький резиновый ролик. Поставил их таким образом, чтобы кольцо и ролик плотно прижимались друг к другу. Теперь, как только крюк начинает качаться, ролик перекатывается по кольцу, вминаясь в него, и колебания крюка быстро гасятся за счет упругой деформации резины.

Проверим решение по схеме веполя: механическое поле Пмех движущегося транспортера действует на колесо В1 и надетое на него кольцо В1.1. Через них поле Пмех передается на крюк В2 и далее — на ролик В3. Вообще-то, если быть большим педантом, то надо нарисовать веполь, в котором возникает поле Пмех2 от качания крюка, и именно это Пмех2 передается на ролик В3. Выглядит это так:

Ролик В3, качаясь, создает силу упругой деформации Пуд, которая воздействует на крюк В2, останавливая его качание. Приглядимся внимательно к последней схеме. Возникла она потому, что надо было устранить вредное действие на крюк В2. И мы развернули В2 в самостоятельный веполь, удлинив цепочку записи. Построили цепной веполь.

Из данного примера можно сделать вывод о свойствах веполей: любой элемент веполя может быть развернут в самостоятельный веполь.

Чтобы убедиться в этом, поставим еще одну задачу: определить амплитуду колебаний крюка. Для решения задачи в систему можно ввести новый элемент, а можно использовать уже работающий ролик: посчитать, сколько оборотов он сделает при каждом колебании крюка. Соединим ролик со счетчиком числа оборотов В4. Счетчик может быть любого типа: механический, электрический, магнитный... Соответственно показания счетчика могут выглядеть по-разному: цифры на барабане, импульсы на экране осциллографа, вспышки света, звуковые сигналы... В общем виде — это поле на выходе (Пвых).

Цепочку задач можно продолжить: сколько колебаний сделает крюк-маятник, настолько будет продолжаться и цепочка веполя...

А теперь взглянем на цепочку под другим углом — с точки зрения технической системы. Были колесо и крюк — и одно вредное (для нас вредное!) взаимодействие между ними. Мы его устранили: ввели резиновое кольцо и ролик, не меняя принципа действия всей системы. Решили мини-задачу — создали новую подсистему, которая оказывает на свою «родную» систему только положительное воздействие. Следующие подсистемы — со счетчиками — развивают систему, обогащая ее дополнительными функциями...

И еще приглядимся к скобке (В1•В1.1). Нужно было обеспечить большую силу торможения, и на стальное колесо надели резиновое кольцо. Два элемента объединили в один комплекс — создали комплексный веполь. Такой прием всегда применяется, когда нужно повысить управляемость элемента системы, а использовать внутренние ресурсы не удается.

Чтобы обеспечить надежную управляемость, вводимый элемент должен обладать хорошей «отзывчивостью» на внешнее поле. Как это происходит, мы рассматривали на примере «флага гасконцев».

Среди множества взаимодействующих пар «вещество — поле» технические системы чаще всего выбирают своих любимчиков: железо и магнитное поле, железо и электромагнитное поле. Причины понятны: железо — наиболее распространенный конструкционный материал, и способность отзываться на магнитное поле — его самая характерная особенность. Такая пара даже получила свое особое название — феполь (от названия железа в таблице Д.И. Менделеева Fe — ferrum).

Самый простой пример — способ упрочнения древесно-стружечных плит (ДСП). Сейчас это основной материал, из которого изготовляют мебель. Получают древесно-стружечные плиты из древесной стружки, которую пропитывают специальным клеем, а потом спрессовывают. Выяснилось, что прочность плиты выше, если стружка расположена в общей массе не как попало, а вытянута в длину в одном направлении. Как этого добиться?

Запишем в вепольном виде исходную ситуацию: клей В1 создает связующее поле Пс, которое склеивает стружку В2.

Прессование в этом технологическом процессе проводится над готовой массой, поэтому в схему конфликта его можно не включать. Необходимо вытянуть стружку в длину в одном направлении, причем желательно это сделать до заливки клеем — в густой массе двигать стружку будет значительно труднее.

Для этого на стружку нужно чем-то подействовать (слова, даже самые хорошие, не помогают!). Подействовать можно только полем, например, механическим — подуть на нее или раскрутить в центробежной машине. И если один конец стружки держать, то под действием этих сил стружка вытянется во всю длину. Но как поймать каждую за хвост? Вот если бы один конец был тяжелее другого...

Стружка — особа безответственная, неотзывчивая. Нет в ней внутренних свойств, за которые можно было бы «зацепиться». Поэтому схема прямого воздействия полем не срабатывает. Приходится вводить дополнительное вещество — В3.

Чтобы решить задачу, стружку предварительно обрабатывают мелким железным порошком, а потом помещают в магнитное поле. И каждая стружечка вытягивается «по ниточке» вдоль магнитной силовой линии. Теперь и клей можно вылить. Материал ДСП приобретает определенную структуру — структурируется.

Применение ферромагнитных частиц и магнитного поля в качестве руководящей и направляющей силы — один из наиболее известных, широко применяемых и перспективных методов. В технике для структурирования можно применять практически все известные поля: центробежные — при вращении более тяжелые элементы «отодвинутся» от оси вращения, вытянувшись по радиусу; акустические — за счет свойства колебаний создавать выступы и впадины, концентрировать энергию в местах образования «стоячих» волн при наложении колебаний; вызывать и использовать резонансные явления; тепловые — меняя температуру в различных точках, можно перемещать между этими точками вещества и объекты...