5 марта 2017 г.

УЧЕБНЫЕ ЗАДАЧИ. Указатель физических эффектов и явлений Ю.В.Горина.

УЧЕБНЫЕ ЗАДАЧИ

на применение физических эффектов

Рассмотрим для примера ход решения изобретательской задачи.
Задача
При измерениях очень малых весов (или сил) или же при измерениях очень малых изменений веса, происходящих непрерывно, сложной задачей является уравновешивание микровесов. Если измеряемые веса лежат в диапазоне сотых и тысячных долей миллиграмма, то чувствительность весов ограничивается, кроме механических факторов типа трения покоя, также отсутствии или недостаточно точной калибровкой «гирь». Кроме того, в процессе измерения изменений веса микрообразца, даже при наличии соответствующих «гирь», эти изменения могут фиксироваться только при величинах, кратных весу «гирь»
Задачи, связанные с измерением малых и непрерывных изменений веса образцов, возникают при изучении некоторых химических реакций, проводимых с микрообразцами, а также при изучении процессов, например, поглощения (из окружающей среды) или выделения влаги микроорганизмами.
Требуется найти способ уравновешивания микровесов при очень малых изменениях веса (или силы) образцов. Способ должен обеспечивать возможно более плавную непрерывность контроля за изменением веса образца.

Ход решения
Сначала проанализируем задачу с шага 2-3 АРИЗ:
2-3. Дана система из микровесов, «гирь» и груза. Уравновешивание груза «гирями» не обеспечивает требуемый точности и непрерывности.
2-4 а. Микровесы, «гири».
б. Груз.
(Груз, естественно, нельзя менять, остальное может быть изменено).
2-5. Микровесы
(Выбор сделан на основании примечания "б" к шагу 2-5: «гири» - элемент, непосредственно связанный с отрицательным фактором, указанным в условиях задачи).
3-1. Микровесы сами (т.е. без гирь) уравновешиваются, обеспечивая точное и
непрерывное взвешивание.
3-2. Было Стало





3-3. Не может выполнить требуемого действия площадка весов, на которую раньше укладывали гири.
3-4. а. Мы хотим, чтобы вес этой площадки сам менялся - без гирь. Притом менялся контролируемо и плавно.
б. Площадка имеет постоянный вес.
в. Площадка должна в одно и то же время иметь постоянный вес и переменный вес: как элемент конструкции она должна иметь постоянный вес, (точнее - постоянную массу), а как устройство для уравновешивания площадки должна иметь переменный вес.
Отметим, что тут появляется оригинальная идея площадки, которая не имеет постоянного веса: частицы площадки распадаются, испаряются и т.п. Что-то вроде весов или гирь одноразового пользования.
3-5 . Обычный путь изменения веса площадки - применение гирь:
чтобы увеличить вес, увеличивали массу. Но этот путь исключен условиями задачи и ходом анализа. Нам надо, чтобы площадка сама меняла вес и не меняла его, т.е. вес должен измениться без изменения массы.
3-6. Изменить вес, не меняя массу, можно, например, используя центробежные силы, закон Архимеда, давление струи воздуха на площадку. Но это грубые способы. Обратимся к таблице применения физических элементов (приложение 1). Таблица подсказывает следующие возможности:
12. Тепловое расширение твердых тел.
34. Световое давление. Контрольный ответ (патент США 3590932) совпадает с 34.
___________________________________

ЗАДАЧА 1 (1-19)x
После изготовления некоторых железобетонных изделий с предварительно напряженной арматурой (балки, колонны, столбы) возникает необходимость измерения напряжения арматуры в готовом (иногда уже установленном на место) изделии. Трудность заключается в том, что арматура находится внутри готового изделия. Чтобы добраться до нее, пришлось бы разрушить бетон, т.е. испортить изделие.
Предложите способ измерения напряжения арматуры без разрушения бетона.

ЗАДАЧА 2 (2-26)
При бурении скважин колонна труб иногда «прихватывается» (т.е. зажимается стенками скважины) в том или ином месте. Чтобы ликвидировать прихват, надо определить (с точностью до 1 м), где именно он произошел. Длина колонны 2-5км, а длина участка прихвата - несколько метров.
Обнаружить место прихвата ударом по трубе и фиксацией отраженного сигнала невозможно: звук не отражается в месте прихвата.
Нескольку колонна состоит из многих свинченных между собой труб, невозможно с требуемой точностью определить место прихвата по углу закручивания колонны при определенной силе.
Нужен простой и точный способ определения места прихвата.

ЗАДАЧА 3 (2-34)
Как защитить от молнии сооружение типа антенны радиотелескопа?
Поставить обычный громоотвод нельзя - он непрозрачен для радиоволн, создает тень, искажает изображение. Можно, конечно, сделать громоотвод из диэлектрика, например, из стекла: тени не будет… но и толку но будет, так как стеклянный стержень не проводит электричества.
Как же быть?

ЗАДАЧА 4
В гидротехнике очень трудоемким является процесс зачистки скальных оснований под гидротехнические сооружения (плотины, здания ГЭС и т.д.). Обычно применяется способ, связанный с проведением буровзрывных работ. Способ обладает существенными недостатками - он требует либо осушения рабочего полигона, либо применения водолазной техники. Кроме того, взрывы, производимые в отдельных точках, не всегда очищают скальное основание от слабосвязанной породы полностью, по всей площади основания. Увеличение мощности взрыва часто бывает недопустимо, т.к. можно повредить само основание. Буровзрывной способ иногда создает дополнительные неудобства, поскольку необходимо убирать взорванную породу, в которой содержаться и крупные блоки. Кроме того, техника безопасности требует прекращения всех работ в округе.
Нужно найти способ очистки скальных оснований от слабо связанных частей породы, позволяющий разрушать и удалять только слабую породу. Дополнительные пожелания: кроме очистки оснований от слабосвязанной породы способ должен обеспечивать возможность «подрабатывать» (выравнивать) и само скальное основание. Будет неплохо, если варианты способа окажутся приемлемыми и для разбивки старых бетонных оснований портовых сооружений.

ЗАДАЧА 5
Широко распространен способ измерения диаметра микропроволок (1-50 микрон), заключающийся во взвешивании куска проволоки определенной длины с последующим вычислением по известной длине, массе и плотности материала диаметра микропроволоки. Способ не очень хороший: по сути дела это выборочный способ, он не дает возможности вести контроль за диаметром микропроволоки в процессе ее волочения. Кроме того, с помощью этого способа абсолютно невозможно контролировать овальность сечения провода.
_____________________________________________________________________
х) В скобках указаны номера задач, взятых из первого и второго выпусков задачника по методике изобретательства.

Способы измерения диаметра с применением механических контактов очень сложны и ненадежны ввиду большой инерционности механических контактов и малой механической прочности микропроволок. При попытке поджатия контактов проволока часто рвется или деформируется, что недопустимо.
Заманчиво применение светотеневых методов, однако здесь есть свои трудности. Как правило, линейные размеры источника света больше диаметра микропроволоки, что приводит к появлению полутеней и резкому снижению точности измерения? при малых диаметрах прово¬локи сильно сказывается дифракция света, также мешающая повышению точности.
Требуется найти способ контроля диаметра и овальности макропроволоки в процессе ее волочения (т.е. без разрыва проволоки). Способ должен быть достаточно прост и надежен.*

ЗАДАЧА 6
При изготовлении каких-либо покрытий или изделий из порошкообразных веществ необходимым процессом является отбор воздуха из этого порошка (процесс деаэрации).
При применении вакуумных способов (прямая откачка) порошок не уплотняется; кроме того, часть порошка уходит в вакуумный насос, что нехорошо со всех точек зрения (потеря порошка, загрязнение насоса).
Не решает задачу и применение таких способов, как вибрация, встряхивание.
Требуется найти способ обезгаживания, позволяющий получать монолитную и однородную структуру из вещества порошка. Плавление порошка недопустимо.

ЗАДАЧА 7
Для изучения быстропротекающих процессов (развитие электропробоя, молнии и т.д.) применяют метод сверхскоростной фоторегистрации. При этом тем или иным способом осуществляется развертка - фотоизображения по времени с целью получить сведения как о суммарном времени протекания процесса, так и о развитии процесса во времени. Измеряемые интервалы времени лежат в пределах 10-6 – 10-8 сек. Обычно время развития процесса определяется по скорости развертки (если интервалы времени порядка 10-5 – 10-3сек, время развития процесса определяют по времени экспозиции кинокадра). Такой способ дает большую погрешность (до 20 %) из-за невозможности более точно определить скорость развертка непосредственно во время протекания быстрого процесса. Стабилизация скорости фоторазвертка связана с преодолением больших технических трудностей.
Требуется найти способ определения времени протекания быстрых процессов (10-8 – 10-7 сек) с точностью не хуже 3%.

ЗАДАЧА 8
Для проектирования линии электропередач сверхвысокого напряжения (1300-1000 киловольт) требуется испытательная аппаратура, дающая на выходе напряжения до 2000 киловольт. Мощность такой аппаратуры часто бывает незначительной, т.е. очень часто эта аппаратура не может давать больших токов.
Значительную трудность представляет измерение больших напряже¬ний и токов в проводниках, находящихся под этим сверхвысоким напряжением.
При напряжениях до 250 киловольт используются электростатические киловольтметры; величина напряжения определяется по эффекту притяжения пластин конденсатора, изолированных друг от друга на полное напряжение. Создание такой изоляции для прибора - сложная техническая проблема; именно поэтому нет пока электростатических киловольтметров на напряжения свыше 250 киловольт. Однако электростатические вольтметра имеют серьезные преимущества: они практически не потребляют тока и пригодны для измерения и постоянного и переменного напряжения.
Для измерения высоких и сверхвысоких напряжений (до двух - трех миллионов вольт) приходится применять омические (постоянное напряжение), емкостные (переменное напряжение) или же комбинированные емкостно-омические делители напряжения. Все они представляют собой громадные цепочки соединенных последовательно резисторов или конденсаторов; конструктивно они выполняются в виде огромных этажерок (6-10 метров). Электрическая изоляция этих этажерок должна быть рассчитана на полное напряжение; создание таких изолирующих конструкций - сложное и дорогое дело. Кроме того, такая аппаратура обладает довольно значительным токопотреблением и могут нарушать работу испытательных источников.
Измерение токов в проводниках, находящихся под высоким напряжением, также требует создания громадных изоляционных конструкций.
Требуется найти более простой и дешевый способ измерения сверхвысоких напряжений и токов в проводниках, находятся под этим же напряжением, без потери точности (2-3%).

ЗАДАЧА 9
Нужно найти способ очистки отложений накипи на внутренних стенках стальных труб. Химические способы исключаются по условиям задачи. Электрогидравлический удар разрушает саму трубу. Ультразвук не обеспечивает требуемой производительности. Разбуривание также идет слишком медленно.

ЗАДАЧА 10 (2-15)
Пластина памяти электронно-вычислительной машины представляет собой подложку с отверстиями. Для изготовления подложки могут бить использованы любые диэлектрические материалы. В отверстия подложки вставлены ферритовые колечки, их диаметр - десятые доли миллиметра, толщина стенок - сотые доли миллиметра.
При повышении температуры наступает момент (точка Кюри), когда феррит теряет ферромагнитные свойства. Желательно, чтобы точка Кюри была как можно более высокой. Установлено, что если феррит подвергается сжатию, точка Кюри повышается. Будь колечки достаточно крупными, их нетрудно было бы сжать и в таком состояния вставить в отверстия подложки, но колечки очень маленькие.
Нужно найти способ изготовления пластин памяти со сжатыми (в радиальном направлении) ферритовыми колечками.

Контрольные ответы

1. А.с. 255820
2. А.с. 142242
3. А. с. 177497
4. А.с 129945X/
5. А.с. 148827X/
6. А.с. 283885X/
7. А.с. 178905X/
8. -
9. Патент США 3446666
10. А.с. 266853
________________________________________________________________
х/ Формула изобретения имеется в тексте справочника.

 

В НАЧАЛО УКАЗАТЕЛЯ