Развертывание вещества в технической системе.

Процесс развертывания ТС (первая половина волны развития) чаще всего начинается с вещества. Именно на уровне вещества наиболее сильно проявляется действие факторов, сдерживающих увеличение ГПФ.

Большое количество изобретений и усовершенствований, заключавшихся в создании новых подсистем для выполнения дополнительных полезных функций или увеличения существующей функции появились из-за отсутствия требующихся свойств у веществ (материалов) технической системы, или из-за неумения использовать скрытые (неявные) ресурсы вещества свойства, эффекты.

Можно выделить несколько стадий или переходных моментов, в эволюции вещества технических систем:

а) попытки улучшения (выделения) нужного свойства вещества,

б) разделение однородного вещества на функциональные зоны,

в) специализация зон по функциям, переход к неоднородному веществу,

г) составное вещество из специализированных веществ с высокими значениями полезной функции,

д) развертывание составных веществ в подсистемы,

е) свертывание составного вещества или подсистемы в идеальное вещество.

Для увеличения ГПФ требуется увеличить какое-то свойство вещества. Простейшее решение - увеличить М, Г, Э этого вещества (толщину, затраты энергии, вес, габариты). Эта попытка чаще всего наталкивается на противоречие - ухудшаются другие свойства или части ТС. Надо улучшить свойство вещества и нельзя этого делать. Поэтому начинается "очищение", выделение нужного свойства, "гашение" вредных побочных свойств. Так появляется множество вариантов (модификаций, марок) одного и того же вещества - для разных систем, объектов и условий работы.

Например, только в нашей стране выпускается около 3 тыс. марок сталей (НТР: проблемы и решения, 1985, № 6, с.3). Такая сверхспециализация вещества (чуть ли не по новой марке стали для каждой новой технической системы) - вынужденная; раз нет возможности создать материал, перекрывающий весь диапазон требуемых свойств, то приходится идти на получение микроскопических выигрышей в ГПФ путем выделения того или иного свойства вещества.

Примером достижения высокого значения ГПФ может служить а.с. 1066047: прокатный валок преимущественно для многовалкового стана,отличающийсятем, что с целью повышения срока службы и качества проката, он выполнен из монокристалла лейкосапфира, кристаллографическая ось (0,0001) которого ориентирована вдоль оси вращения валка. Предложено использовать драгоценный камень 1 класса, разновидность корунда, с наиболее выгодной ориентацией кристаллической решетки. Значит ли это, что достигнут предел роста ГПФ? Конечно, нет. Впереди - алмазные валки, на которых, впрочем, развитие также не остановится... Если не будет создано вещество тверже алмаза, то потребуется какая-то "хитрость" для увеличения ГПФ (новый способ обработки металла).

Процесс развития обычно приводит к разделению моно-вещества на зоны, слои, части, переходу к составному веществу. Причина проста: при очередной попытке увеличения ГПФ выясняется, что свойством, от которого зависит это увеличение, должно обладать не все вещество, а лишь его часть (рабочая зона). Усилить свойство в зоне легче, чем во всем веществе.

Примеры разделения моновещества на функциональные зоны.

Изобретение бездымного пороха и введение нарезных орудий в середине 19 века совершили переворот в артиллерийской технике: появилась реальная возможность резко повысить дальнобойность орудий. Но увеличение единичной мощности заряда поставило конструкторов в тупик. Даже замена чугуна и меди на сталь не дала желаемого результата: стальные трубы выдерживали давление максимум в 2000 атм. Причем, толщина стенок мало влияла на прочность стволов. Только исследования француза Г.Ламе внесли ясность: он показал, что в трубе, подвергающейся изнутри равномерному давлению, слои металла испытывают неодинаковое напряжение; внутренние слои несут основную нагрузку, а наружные практически не работают. Следовательно, изготавливать орудия с очень толстыми стенками нет смысла, если не заставить работать наружные слои. Эту задачу остроумно решил в 1861 году русский инженер А.В.Гадолин, он предложил усиливать ствол обручами - в горячем состоянии на ствол одевались цилиндры, которые после охлаждения стягивали внутренние слои.

Недавно были проведены исследования древнерусского меча (10 век), найденного в 1900 году. Оказалось, что он изготовлен из неоднородного металла: рубящие кромки имели слой повышенной твердости, а центральная часть клинка была железная с низкой твердостью. Различалась и микроструктура этих зон, то есть это были два материала, соединенные кузнечной сваркой ("Знание - сила", 1986, № 4, с. 7).

Рис. 35. Принцип самозаточки зубов и когтей лежит в основе слоистых резцов А.М.Игнатьева.

Знаменитые самозатачивающиеся резцы А.Н.Игнатьева (рис. 35), изобретенные им в 1926 году, также состоят из нескольких слоев. Биолог по образованию, он задался вопросом "почему клыки и когти животных все время острые?" Ведь они истираясь, должны затупиться. Однако, они не только остаются острыми, но и не меняют угол заострения клина. Оказалось, что всему причина - различная твердость внешней и внутренней стороны клина. Менее твердая внутренняя сторона зуба изнашивается быстрее более твердой наружной. Поэтому и образуется острый клин с найденным природой эффективным углом заострения.

Сам факт перехода от моновещества к слоистому оказывается полезен. Если же каждому слою придать определенные свойства, то можно получить значительный выигрыш в ГПФ. Например, в Институте физико-технических проблем Севера разработаны теплоизоляционные слоистые панели, вдесятеро более тонкие и легкие, чем однородные. Тот же принцип можно использовать для гашения других волновых процессов (акустических, оптических, радиофизических, упругих): каждая граница раздела двух сред с различными свойствами служит источником отраженных и преломленных волн; взаимодействуя с падающей волной, они образуют сложную интерференционную картину и гасят друг друга (НТР: проблемы и решения, 1986, № 22, с. 3).

В Донецком политехническом институте разработаны технологические приемы получения деталей с переменными (по объему) свойствами ("Изобретатель и рационализатор", 1983, № 10, с.26). Авторы утверждают, что можно сделать детали, физико-механические свойства которых будут внутри и снаружи плавно или рывком меняться в полном соответствии с условиями работы этих участков. Например, цапфа вала должна обладать повышенной износостойкостью а сам вал обязан хорошо работать при знакопеременных нагрузках. Следовательно, в цапфах должно быть больше хрома или молибдена а в средней части вала - никеля. В идеале каждая деталь должна иметь как бы мозаичное строение, и в любой ее зоне химический состав, свойства должны находиться в соответствии с характером нагрузок.

После разделения вещества на функциональные зоны, начинается процесс их специализации - каждая зона выполняет только одну функцию. При специализации легче обеспечить рост полезной функции каждой зоны и в целом всего технического объекта.

Итальянская фирма "Пирелли" разработала автопокрышку с асимметричным рисунком протектора, обеспечивающим хорошее сцепление как при езде по снегу и льду, так и при движении по ровной сухой дороге. Такая покрышка сваривается как бы из двух разных половинок. Половина, находящаяся на стороне автомобиля, имеет протектор для езды по снегу и льду и изготовлена из резины, содержащей больше кремния (что обеспечивает лучшее сцепление с поверхностью дороги); наружная половина покрышки имеет протектор для езды на ровной сухой дороге и ее резина содержит больше газовой сажи, которая создает лучшие условия для движения с большой скоростью. Несмотря на асимметрию протектора и разный состав резины, такие покрышки изнашиваются равномерно, и фирма гарантирует до износа протектора пробег 64000 км ("Новое в жизни, науке, технике", серия "Техника", 1982, № 4, с.28).

Фары автомобиля установлены так, чтобы освещать путь впереди машины. Из соображений безопасности неплохо было бы иметь еще одну фару, которая светила бы несколько вверх и вбок, освещая дорожные знаки, стоящие на обочине. В патенте Великобритании 1486587 предложено совместить обе функции в одной фаре. Для этого на внутренней стороне стекла фары делается выступ в виде призмы. Призма рассчитана так, что при переключении на ближний свет часть пучка света от фары отклоняется вбок и вверх, освещая дорожные знаки на расстоянии 25 метров от автомобиля.

Еще более серьезная проблема - ослепление светом фар водителей встречных машин. В мире выдано около 400 патентов на способы предотвращения ослепления ("Изобретатель и рационализатор", 1981, № 6, с.18). Но ни одно из этих изобретений не утверждено комиссией безопасности движения ООН для обязательного повсеместного применения. Всевозможные очки снижают видимость. Фотодиоды, сбрасывающие яркость накала лампы при встречном потоке света или гасящие рефлектор заслонками, требуют полной реконструкции фар, сложны и не вполне надежны. При поляроидных стеклах и фильтрах необходимо четырехкратное увеличение силы света. Кроме того, такие стекла довольно дороги и дефицитны. Так что пока единственный способ борьбы с противоослеплением переключение на ближний свет: водители должны быть взаимно вежливы. Но увы... Проблема решена в а.с. 520487 предложена фара, которая как бы изгибает поток света и он не слепит водителя встречной машины (рис. 36).

Рис. 36.Схема фары с "призматическим эшелоном" по а.с. 520487.

В заявке Франции 2595659 описан способ подчеркивания (выделения) эстетических свойств жидкостей, содержащихся в пластмассовых или стеклянных емкостях в коммерческих целях. В стенках флакона или бутылки формуются различные оптические элементы линзы и др. (рис. 37).

Рис. 37.Способ использования прозрачной жидкости путем фокусировки света через емкость (заявка Франции 2595659).

В США изобретено "голографическое окно" ("Изобретатель и рационализатор", 1987, № 11, с.48). Стеклу придана определенная голографическая структура, с помощью которой освещаются части комнаты, обычно затемненные. Такое остекление может направить солнечный свет вверх на потолок вместо пола, освещать темные углы. Отфильтровывание ИК-лучей удерживает в комнатах прохладу. Солнечный свет можно даже "перекачивать" в помещение без окон через вентиляционный канал с отражающими стенками и затем рассеивать через отверстие в потолке.

Специализация зон по выполняемым функциям приводит, в конечном итоге, к разделению неоднородного вещества на составные части, к замене отдельных частей на вещества с высоким значением полезной функции.

Например, одна из современных конструкций чайника включает в себя трехслойный корпус: медная основа (высокая теплопроводность), покрытая изнутри тонким слоем тефлона (к нему не пристает накипь), а снаружи электрохимическое блестящее защитное покрытие.

В Японии разработан новый напильник из дешевой незакаленной стали, насечка которого покрыта сверхтвердой керамикой (карбидом ванадия). Слой толщиной 3 мкм защищает напильник от коррозии, позволяет обрабатывать твердые сплавы и повышает в 5-6 раз его долговечность ("Техника молодежи", 1987, № 2, с. 48).

Во Франции созданы свинцовые аккумуляторы, вес которых в 4 раза легче обычных: в них оставлен лишь функциональный слой свинца, нанесенный на стеклянные и углеродные волокна ("Знание - сила", 1983, № 8, с. 40).

В больших городах стеклянные поверхности загрязняются столь сильно, что даже частое мытье не дает возможности держать их в чистом состоянии продолжительное время. Изобретен состав "Изольвер" (Франция), который после нанесения на чистую и сухую стеклянную поверхность предотвращает задержание на ней дождевой воды, прилипания загрязняющих частиц и образование инея. Состав химически нейтрален, не поддается действию моющих средств. Одного литра состава хватает на 100-120 кв.м. поверхности ("За рубежом", 1987, № 28, с. 20).

Не всегда есть вещества, выполняющие нужную функцию самостоятельно, то есть "работающие" на собственной энергии или на энергии, имеющейся в системе. Тогда к веществу "пристраивается" обслуживающая его подсистема.

И водители и пешеходы знают, что в солнечный день бывает нелегко разглядеть сигнал светофора. Отражаясь от цветных стекол, солнечный свет создает ложный сигнал. Поэтому появились патенты на светофоры с черными шторками: как только фонарь (например, красный) выключается, его стекло закрывается автоматической шторкой, а шторка другого фонаря (например, желтого) открывается. По пат. Великобритании 1454386 стекло фонаря покрыто пленкой жидких кристаллов с электродами по бокам; когда лампа не горит, жидкие кристаллы не пропускают свет и выглядят как матовая черная поверхность; при включении лампы электрическое поле, создаваемое протекающим током, переориентирует молекулы кристаллов и шторка становится прозрачной.

Одна из фирм Англии выпускает отвертки длиной 280 мм, в которых для удобства работы обеспечивается подсветка. В ручки этих отверток вмонтирована миниатюрная лампочка, свет от которой направляется по четырем световодным волокнам к наконечнику металлического пера отвертки для создания узкого пучка. Питание лампочка получает от двух миниатюрных батареек (Новое в жизни, науке, технике. Серия "Техника", 1982, № 4, с.9).

Рано или поздно, подсистемы или составные вещества должны сворачиваться снова в вещество. Такое вещество, прошедшее один цикл развертывания-свертывания и приобретшее новое качество, обеспечивающее высокое значение ГПФ в конкретной технической системе можно назвать идеальным веществом 1-го порядка (ИВ¹).

Установлено, например, что УФ-свет угнетает растения. Особенно чувствительны к ультрафиолету парниковые растения. Зная об этом, специалисты во всем мире покрывают крыши теплиц еще и светофильтрующей пленкой. Ультрафиолет поглощается, преобразуется в тепло. Установлено также, что свет с длиной волны, лежащей в красно-оранжевой области, благотворно действует на все растения. Они лучше преобразуют его в химическую энергию в процессе жизнедеятельности. Но покрывать парники еще одной пленкой просто невозможно резко упадет светопропускание. Не удались и попытки придания стеклу двух противоположных свойств: не пропускать УФ- и не задерживать ИК-свет.

Задача недавно блестяще решена в ИОНХ им. М.С.Курнакова - там создана пленка, преобразующая УФ-свет в ИК-свет, то есть убирается вредный фактор и добавляется полезный. В качестве преобразователя применен люминофор на основе европия - микродозы люминофора подмешивают в полимер. "Полисветан" (так назвали пленку) дал неожиданно большую прибавку урожая: помидоры и огурцы - на 50 %, салат - на 20 %, арбузы - на 60 % ! (Новое в жизни, науке, технике. Серия "Техника", 1987, № 5, с. 62).