5 марта 2017 г.

Введение. Указатель физических эффектов и явлений Ю.В.Горина.

ВВЕДЕНИЕ
1.
Начнём с фактов.
Открытие: При температуре ниже 2,19°К (-270,97°С) в жидком гелии наблюдается явление сверхтекучести – вязкость равна нулю, трения внутри жидкости нет, теплопроводность почти бесконечна (Капица П.Л., 1938 г.). Авторское свидетельство №250115: «Применение жидкого гелия в состоянии сверхтекучести в качестве смазки подшипников жидкостного трения.
Открытие: В некоторых кристаллах, например, в кристаллах арсенида галлия, возникают периодические колебания тока, если напряжённость электрического поля в кристалле достигает определённой критической величины(Дж.Ганн, 1963 г.). Авторское свидетельство №267706: «Применение диода Ганна в качестве стабилизатора тока в непрерывном и импульсном режиме».
Значительное число изобретений основано на прямом применении физических явлений и эффектов.
При этом используют как вновь открываемые явления и эффекты, так и старые, хорошо известные явления. Вот, например, авторское свидетельство №275751(1969 г.): «Регулируемый лабиринтный насос, содержащий цилиндрические статор и ротор, отличающийся тем, что, с целью регулирования насоса с помощью изменения температуры, ротор и статор выполнены из материалов с различными коэффициентами линейного расширения». Сотни лет известно тепловое расширение, десятки лет известны лабиринтные наносы, а изобретение сделано всего несколько лет назад.
Подобная картина наблюдается довольно часто: существуют и должны быть решены изобретательские задачи; существуют и должны быть применены в решении этих задач физические явления и эффекты; однако задачи и их решения существуют отдельно.
Почему так происходит?
Первые изобретения на основе нового открытия делаются, как правило, исследователями, работающими в той или иной узкой области физики. Эта группа людей достаточно малочисленна и, естественно, часто даже не подозревает о наличии множества задач, решение которых настоятельно требует применения открытого физического эффекта. В то же время широкий круг изобретателей, как правило, не имеет информации о сути нового открытия. Эти люди достаточно хорошо осведомлены о явлениях, относящихся непосредственно к их области деятельности, но не знают открытий, сделанных в других областях. Информация о физических эффектах разбросана, как правило, в огромном числе сугубо специализированных изданий, следить за этой информацией чрезвычайно сложно.
К сожалению, изобретатели зачастую не используют и старые, давным-давно известные физические эффекты и явления. Знание основ физики – неотъемлемая часть современного образования, в том числе и нетехнического, однако слишком часто эти знания лежат без применения. Иногда изобретатели забывают о существовании нужного для решения задачи физического эффекта, иногда не решаются использовать эффект, относящийся к «чужой» области.
Значительную роль играет и своего рода психологическая инерция: изобретатели не привыкли видеть в применении физических явлений и эффектов приёмы решения изобретательской задачи. Много лет задача получения высокого напряжения решалась с помощью стандартного способа с применением двух обмоток трансформатора; лишь в конце 60-х годов к решению этой задачи было применено (Япония) явление пьезоэлектричества. Причина очевидна: пьезоэффект лежит в области, традиционно не имеющей отношения к технике высоких напряжений.
Конечно, далеко не все изобретательские задачи могут быть решены применением того или иного явления или эффекта из физики или химии. Тем не менее, изобретателю необходимо знать физические явления и эффекты, необходимо привыкнуть к мысли, что физические явления и эффекты представляют собой достаточно мощные и универсальные «ключи» от многих хитрых замков изобретений.

2.
Общественная лаборатория методики изобретательства при ЦС ВОИР ведёт исследование по выявлению общих закономерностей применения физических эффектов и явлений в изобретательстве. Цель исследования состоит в том, чтобы дать изобретателям практически работоспособную методику применения физических эффектов и явлений при решении изобретательских задач.
Для достижения этой цели необходимо, прежде всего, собрать физические эффекты в единый «Указатель», снабдить каждый эффект кратким описанием и показать на конкретных примерах, как тот или иной эффект может быть применен при решении изобретательских задач.
Первый выпуск такого «Указателя» мы и предлагаем вниманию изобретателей.

3.
Провести чёткую грань между физическими явлениями и физическими эффектами практически невозможно. Обычно под явлением понимается какой-либо процесс, например, прохождение тока через проводник. Каждый процесс сопровождается какими-то внешними проявлениями, например, нагреванием проводника, проявлением магнитного поля и т.д. – короче, физическими эффектами. Очень часто физические эффекты являются следствием нескольких, одновременно действующих процессов, явлений.
Законы и правила, по которым протекают физические явления, во многих случаях известны нам лишь приблизительно. Законы Гука, Ома, Фарадея, Столетова, Бернулли, множество безымянных законов – все это положения, справедливые лишь при каких-то определенных условиях и ограничениях. При попытках конкретного применения какого-либо явления никогда не следует забывать о приближенном характере описывающих это явление законов – вполне допустимо использовать не только сами законы, но и исключения из них.
В физике, а точнее, в природе, существует, однако, ряд законов, которые выполняются точно и, безусловно, по крайней мер, в доступных человечеству областях пространства и времени. Эти законы вытекают из самых общих свойств пространства и времени и представляют собой свод фундаментальных законов природы – и физики тоже. Законы сохранения энергии, импульса, момента импульса – эти законы справедливы всегда и везде, и любое решение технической задачи не должно вступать в противоречие с ними; в противном случае это решение является либо фундаментальным открытием, либо элементарной ошибкой. Чтобы оценить, в чём состоит противоречие вновь выдвигаемой идеи и какого-либо хотя и общеизвестного, но приближенного закона физики, необходимо хорошо понимать или хотя бы знать физическую сущность явлений, описываемых этим законом.
«Указатель физических эффектов и явлений» - не учебник и не справочник по физике; он не призван заменить «Курс общей физики» или «физико-энциклопедический словарь». Явления и эффекты описываются в «Указателе» конспективно и, как правило, на основе чисто феноменологических представлений. Во многих случаях приводится только описание внешних проявлений эффекта, упоминаются области, где этот эффект уже применён, и дается ссылка на литературу. Тому две причины. Во-первых, физика не есть «набор прекрасных и законченных математических законов, из которых вытекает точное и непреложное описание природы». В каждом разделе физики есть нерешённые, хотя порой и кажущиеся удивительно простыми, проблемы. Во-вторых, большинство явлений, в частности, магнетизма, атомной физики, физика ядра и элементарных частиц описываются законами квантовой механики – законами весьма «непривычными», в особенности для людей, физическое образование которых строилось на законах и понятиях классической физики. Очень часто идеи и следствия квантово механических представлений не могут быть сведены к классическим аналогиям. В квантовой механике справедливы фундаментальные законы, но квантовый характер взаимодействия и дискретность основных физических величин – энергии, импульса – очень часто противоречат «здравому смыслу». Именно поэтому некоторые явления и эффекты изложены в «Указателе» только в виде определений и фактов. Следует, однако, заметить, что все микропроцессы приводят в конечном счете к макроскопическим следствиям. Отметим еще, что мир квантов, мир необычных представлении и обычных явлений - весьма интересен и достоин если не подробного изучения, то хотя бы тщательного (и непредубежденного) ознакомления с ним (См., напр., Л.Пономарев "По ту сторону кванта», серия «Эврика», МГ,1971 г.).
«Указатель», таким образом, пособие по методике решения изобретательских задач, а не учебный материал по физике.
Можно рассматривать «Указатель» как своего рода сборник готовых решений, но без задач. Применение этих решений к некоторым конкретным задачам иллюстрируется авторскими свидетельствами, патентами и техническими описаниями. Для удобства использования первый выпуск разбит по разделам, каждый из которых относится к определенной области физики. Подобное разбиение, естественно, страдает условностью; физические явления слишком тесно взаимосвязаны, и часто в каком-либо внешне простом эффекте (например, повороте магнитной стрелки в поле тока) налицо признаки, позволяющие отнести этот эффект к различным разделам. Очевидно, что с точки зрения классификации и систематизации эффектов более предпочтительна система, в которой за основу взят характер задач, а не решений. А еще лучше иметь таблицу «задача – решение» и алгоритм применения такой таблицы. Сегодня это достижимо лишь в самом первом приближении ориентировочная таблица приведена в конце "Указателя". Общественная лаборатория методики изобретательства при ЦС ВОИР работает над детализацией и уточнением этой таблицы.

4.
Как применять "Указатель"?
Прежде всего, надо внимательно его прочитать, обратив особое внимание на связь между сутью каждого физического эффекта и типом задач решаемых с его помощи. Это обогатит изобретателя идеями сильных решений. После ознакомления с каждым параграфом
и осмысливания приведённых: примеров обязательно следует поразмышлять о том, к каким еще задачам или к какому еще классу задач применим данный эффект или группа эффектов.
Чтобы проверить, насколько освоены изложенные в "Указателе" эффекты и явления, необходимо рассмотреть учебные задачи. Эти задачи составляют специальный раздел «Указателя».
При решении задач, как учебных, так и реальных, надо твердо помнить, что задача должна быть сначала обязательно проанализирована по алгоритму изобретательских задач АРИЗ-71 с шага 2-3 до 3-6. Попытка применить физические эффекты без анализа задачи ча¬ще всего превращается в обычный перебор вариантов. До тех пор, пока анализ не выявил содержащееся в задаче противоречие и его причины (шаги 3-5 и 3-6), трудно определить - какой именно эффект нужен для решения задачи.
С другой стороны, именно здесь, в диапазоне от шага 3-4 по шаг 3-6, зачастую с особой остротой ощущается необходимость применить "что-то", использовать какое-то "средство", какой-то "ключ". Анализ, например, показывает, что объект должен быть одновременно большим и небольшим, а вот как это сделать, анализ сказать, естественно, не может. Именно здесь на помощь изобретателю должны придти приемы, в том числе и основанные на использовании физических эффектов и явлений.
В «Указателе» приведена таблица применения некоторых эффектов. Эффекты имеют в большинстве случаев очень широкое применение. Таблица, основанная на анализе патентных материалов и выявлении тенденций развития техники, указывает не все, а только наиболее сильные области применения эффектов.
Иногда задача может быть решена прямым обращением к таблице. Но рассчитывать на это не надо: таблица еще не детализирована. Целесообразнее обращаться к таблице после того, как решение задачи доведено до шага 3-6 или 5-6. В колонке 3 надо отыскать требуемое по условиям задачи действие, тогда колонка 2 укажет возможные физические эффекты и явления. После этого следует прочитать имеющуюся в «Указателе» информацию о выбранном эффекте, а затем – обратиться к специальной литературе.
Можно просматривать эффекты подряд: это требует значительно большего времени, но иногда приводит к оригинальным решениям.

***

При составлении «Указателя» использованы примеры из картотеки Общественной лаборатории методики изобретательства, а также из личных: картотек В.Гутника, Т.Кенгерли, В.Митрофанова.
Общественная лаборатория и автор будут благодарны читателям за соображения и замечания по «Указателю», и за указание на примеры, позволяющие глубже раскрыть возможности того или иного физического эффекта.