ВЕПОЛЬ - МИНИМАЛЬНАЯ ТЕХНИЧЕСКАЯ СИСТЕМА

Рассмотрим несколько изобретательских задач.

Задача 9

Нужен способ, позволяющий быстро и точно обнаруживать в холодильных агрегатах неплотности, через которые просачивается жидкость (фреон, масло, водоаммиачный раствор).

Задача 10

Как определять степень затвердевания полимерного состава при изготовлении изделий из полимеров? Непосредственно измерить («пощупать») невозможно.

Задача 11

Как контролировать интенсивность движения частиц сыпучего материала при псевдоожижении?

Задача 12

Нужно предложить легко извлекаемый клин.

Задачи относятся к разным отраслям техники и описывают разные ситуации, в каждой из которых свои трудности. В задаче 9 требуется быстро и точно отыскать маленькие капельки жидкости: «быстро» конфликтует с «точно». В задаче 10 надо ввести датчик в середину затвердевающей массы - и нельзя этого делать, поскольку датчик не должен там оставаться. В задаче 11 датчик можно поместить в сыпучий материал, но какой именно датчик? При одном и том же давлении сыпучие материалы могут двигаться с разной интенсивностью. Задача 12 заставляет сразу подумать о различных механизмах, встроенных в клин. Отчетливо видно техническое противоречие: выигрыш в силе, необходимой для извлечения клина, оплачивается усложнением устройства механизированного клина.

Что общего в этих задачах?

Разумеется, все задачи содержат технические и физические противоречия. Но на этом видимое сходство заканчивается, потому что противоречия в задачах разные.

Сравним теперь изобретения, являющиеся решениями этих задач.

О т в е т к з а д а ч е 9: «Способ обнаружения неплотностей в холодильных агрегатах, заполняемых фреоном и маслом (преимущественно домашних холодильников), отличающийся там, что с целью повышения точности определения мест утечки в агрегат вместе с маслом вводят люминофор, освещают агрегат в затемненном помещении ультрафиолетовыми лучами и определяют места утечки по свечению люминофора в просачивающемся через неплотности масле» (а. с. № 277 805).

О т в е т к з а д а ч е 10: «Способ определения степени затвердевания (размягчения) полимерных составов, отличающийся тем, что с целью неразрушаемого контроля в состав вводят магнитный порошок и измеряют изменение магнитной проницаемости состава в процессе его затвердевания» (а. с. № 239 633).

О т в е т к з а д а ч е 11: «Акустический способ индикации псевдоожижения сыпучих материалов, отличающийся тем, что с целью непосредственного контроля начала и интенсивности движения частиц в среду сыпучего материала вводят металлический стержень - звукопровод, являющийся датчиком звуковых колебаний, которые преобразуются в электромагнитные» (а. с. № 318 404).

О т в е т к з а д а ч е 12: «Устройство для заклинивания, содержащее клин и клиновую прокладку, отличающееся тем, что с целью облегчения извлечения клина клиновая прокладка выполнена из двух частей, одна из которых легкоплавкая» (а. с. № 428119).

Попробуем сопоставить то, что дано в условиях задач, с тем, что получено в результате решения.

В условиях задачи 9 дано вещество (капелька жидкости). В решении введено второе вещество (люминофор) и поле (ультрафиолетовое излучение). Аналогичная ситуация и в задаче 10: дано вещество (полимер), введено второе вещество (ферромагнитный порошок) и поле (магнитное). Та же картина в двух других задачах: добавлено второе вещество (стержень, прокладка) и поле (акустическое, тепловое).

Получается, что каждый раз, когда дано одно вещество, приходится добавлять второе вещество и поле. Зачем?

Ответить на этот вопрос нетрудно: чтобы поле через второе вещество воздействовало на первое вещество или, наоборот, чтобы первое вещество через второе давало на выходе поле, несущее информацию.

В самом деле, очевидно, что нет поля, которое умело бы обнаруживать маленькие капельки фреона или масла. Но есть ультрафиолетовое излучение, которое легко обнаруживает даже ничтожные количества люминофоров, и вот мы вводим эту пару - поле и второе вещество, связывающее поле с первым (исходным) веществом.

Обозначим поле буквой П, первое вещество В₁, второе вещество - В₂. Связи будем обозначать стрелками. Тогда для задачи 9 можно написать схему решения (двойная стрелка направлена от «дано» к «получено»):

П B1Þ B1 ® B2

У задачи 10 такая же схема решения, но вещество В₂ само создает поле, зависящее от состояния В₂, которое, в свою очередь, зависит от состояния В₁. Соответственно схемы решения задач 11 и 12 запишем так:

П B1Þ B1®B2   П B1Þ B1 B2

В решениях взятых нами задач присутствуют три «действующих лица»: вещество В₁, которое надо менять, обрабатывать, перемешать, обнаруживать, контролировать и т. д.; вещество В_{2 -} «инструмент», осуществляющий необходимое действие; поле П, которое дает энергию, силу, т. е. обеспечивает воздействие В₂ на В₁ (или их взаимодействие). Нетрудно заметить, что эти три «действующих лица» необходимы и достаточны для получения требуемого в задаче результата. Само по себе поле или сами по себе вещества никакого действия не производят. Чтобы сделать что-то с веществом В₁, нужны инструмент (вещество В₂) и энергия (поле П).

Можно сказать иначе. В любой изобретательской задаче есть объект: в задаче 9 - капельки жидкости, в задаче 10 - полимер и т. д. Этот объект не может осуществлять требуемого действия сам по себе, он должен взаимодействовать с внешней средой (или с другим объектом). При этом любое изменение сопровождается выделением, поглощением или преобразованием энергии.

Два вещества и поле могут быть самыми различными, но они необходимы и достаточны для образования минимальной технической системы, получившей название веполь (от слов «вещество» и «поле»).

Вводя понятие о веполе, мы используем три термина: вещество, поле, взаимодействие (воздействие, действие, связь). Под термином «вещество» понимаются любые объекты независимо от степени их сложности. Лед и ледокол, винт и гайка, трос и груз - все это «вещества». Взаимодействие - всеобщая форма связи тел или явлений, осуществляющаяся в их взаимном изменении. Четкую характеристику взаимодействия дал Ф. Энгельс: «Взаимодействие - вот первое, что выступает перед нами, когда мы рассматриваем движущуюся материю в целом с точки зрения теперешнего естествознания. Мы наблюдаем ряд форм движения: механическое движение, теплоту, свет, электричество, магнетизм, химическое соединение и разложение, переходы агрегатных состояний, органическую жизнь, которые все - если исключить пока органическую жизнь - переходят друг в друга, обусловливают взаимно друг друга, являясь здесь причиной, там действием...» (К. Маркс, Ф. Энгельс. Соч., т. 20, с. 544).

Сложнее обстоит дело с определением понятия поля. В физике полем называют форму материи, осуществляющую взаимодействие между частицами вещества. Различают четыре вида полей: электромагнитное, гравитационное, поле сильных и слабых взаимодействий. В технике термин «поле» используют шире: это пространство, каждой точке которого поставлена в соответствие некоторая векторная или скалярная величина. Подобные поля часто связаны с веществами - носителями векторных или скалярных величин. Например, поле температур (тепловое поле), поле центробежных сил. Мы будем применять термин «поле» очень широко, рассматривая наряду с «законными» физическими полями и все- возможные «технические» поля - тепловое, механическое, акустическое и т. д.

В решении задачи 12 тепловое поле действует на В₂, меняя механическое взаимодействие между В₂ и В₁:

П B1 B2

Может возникнуть вопрос: почему тепловое поле показано в формуле веполя, а механического поля взаимодействия между В₂ и В₁ в формуле нет? Разумеется, можно было бы записать и так:

где П₁ - тепловое поле, а П₂ - механическое поле.

В вепольных формулах обычно записывают только поля на входе и на выходе, т. е. поля, которыми по условиям данной задачи можно непосредственно управлять - вводить, обнаруживать, изменять, измерять. Взаимодействие между веществами указывают без детализации вида взаимодействия (тепловое, механическое и т. д.).

Принятые обозначения:

D - веполь (в общем виде);

- действие или взаимодействие (в общем виде, без конкретизации);

® - действие;

- взаимодействие;

- действие (или взаимодействие), которое надо ввести по условиям задачи;

~ - неудовлетворительное действие (или взаимодействие), которое по условиям задачи должно быть изменено;

П® - поле на входе: «поле действует»;

®П - поле на выходе: «поле хорошо поддается действию (изменению, обнаружению, измерению)»;

П' - состояние поля на входе;

П'' - состояние того же поля на выходе (меняются параметры, но не природа поля);

В' - состояние вещества на входе;

В'' - состояние вещества на выходе;

В' - В'' - «переменное» вещество, находящееся то в состоянии В', то в состоянии В''(например, под действием переменного поля);

- переменное поле.

В вепольных формулах вещества надо записывать в строчку, а поля сверху и снизу; это позволяет нагляднее отразить действие нескольких полей на одно и то же вещество.