ЗАКОН ЭНЕРГЕТИЧЕСКОЙ ПРОВОДИМОСТИ ТЕХНИЧЕСКИХ СИСТЕМ

(закон сквозного прохода энергии )

Известно, что любая работающая система состоит из четырех основных частей и каждая из них является потребителем и преобразователем энергии. Но недостаточно получить, надо без потерь передать эту энергию от двигателя к рабочему органу, а от него на обрабатываемый объект или в окружающую среду. Это закон сквозного прохода энергии. Нарушение этого закона приводит к возникновению разногласий внутри технической системы, которая в свою очередь порождает изобретательские задачи.

Главным условием «равнопрочности» частей технической системы с позиции энергопроводимости является равенство их возможностей приема и передачи энергии. А эти возможности зависят от уровня развития каждой части системы, которая определяется тремя параметрами – вещество, энергия, организация. Каждый параметр имеет свои показатели.

Вещество: агрегатное состояние, физико-химические свойства, уровень участия (микро-, макро-).

Энергия: вид (механическая, тепловая, химическая и др.), уровень, источник (система, подсистема, надсистема).

Организации по веществу и энергии: размещение в пространстве (линейное, плоскостное, объемное, точечное), выражение во времени (постоянное, временное, импульсивное, ударное и др.), степень динамизации (неподвижные, подвижные, гибкие, пластические и др.), уровень (моно-, би-, полисистема).

В общем плане о развитии вещества, энергии и организации надо судить по степени их динамизации; чем более подвижны эти элементы, тем более высокий уровень их развития. Если в своем развитии части технической системы близки или совпадают между собой, то возникает возможность свертывания их в один работающий орган, то есть повышение степени идеальности. Но чаще приходится встречаться с расхождениями (рассогласованиями) в развитии частей системы. Эти расхождения оказываются на стыках частей системы и порождают разногласия, которые требуют решения.

Обновление энергопроводимости системы производится путем выравнивания уровней развития частей системы. Часто бывает довольно согласовать уровни развития частей только в местах их стыковки.

В любой задаче можно было увидеть эти действия. Причем, в задачах на синтез, развитие или обновление системы приходится повышать уровень согласования, а там, где был вредный веполь и надо было его разрушить, напротив, максимально рассогласовывать уровни развития частей системы.

Так, например, для оценки прочности обшивки космического корабля после встречи с микрометеором проводились наземные испытания. Установка имела вид взрывной камеры, в которой подрывался заряд. Газовая струя, которая выходила из сопла камеры, подхватывала металлический шарик, который играл роль микрометеорита, и разгоняла его до скорости 9 км/с. С этой скоростью он бился в образец обшивки и оставлял на ней вмятину. Изучая эту вмятину, конструкторы судили о прочности обшивки. Установка работала безотказно до момента, когда попробовали разогнать шарик до 11 км/с. Оказалось, что шарик не долетал до обшивки, так как он не выдерживал роста динамического удара скоростной струи газа и разлетался на мелкие куски. Менять материал шарика было невозможно. Испытания остановились. Что делать?

Были предложения разгонять шарик не очень резко, для чего установить две или три взрывные камеры, работающие последовательно, с нарастанием скоростей. Проект оказался дорогим, сложным и труднореализуемым. Десятки других предложенных вариантов требовали продолжительных разработок и больших средств.

Попробуйте действовать в соответствии с теми законами, которые вы уже знаете. Сначала определите функцию системы, потом ее части, вид энергии, которая проходит по ним (поля), место нарушения энергопотока, вид разногласия, которые возникают и обеспечивают согласование уровней развития конфликтующих частей.

Функция – система предназначена для испытания обшивки космического корабля путем удара в нее металлического шарика. Что является работающим органом? Шарик, он завершает функцию и передает энергию всей системе на обшивку. Двигатель – взрывная камера, трансмиссия – газовая струя, средство управления – кнопка подрыва заряда. Энергия, которая проходит по частям системы – механическая. Место нарушения энергопотока – стык между трансмиссией и работающим органом, то есть шарик не может принять весь объем энергии, которую несет газовая струя, и разрушается. Затронут закон сквозного прохода энергии.

Проведем анализ уровней развития трансмиссии и работающего органа. Они согласованы только по трем показателям – расположению в пространстве, времени и виду энергии. По другим показателям есть большие расхождения. Так, агрегатное положение вещества трансмиссии – газ, а работающего органа – твердое тело; трансмиссия использует вещества на микроуровне, шарик как работающий орган еще на макроуровне. Динамизация движения струи газа большая, у шарика же она совсем отсутствующая. Выявленных рассогласований пока что достаточно.

При скорости шарика 9 км/с присутствующие рассогласования компенсировались его свойствами прочности, при скорости 11 км/с резервов прочности шарика уже было недостаточно.

Чтобы установка заработала, надо согласовать эти части хотя бы по агрегатному состоянию вещества. Причем, делать это надо в сторону более динамизованного элемента - трансмиссии. А это значит, что работающий орган должен быть...газовым.

Возникло физическое противоречие - шарик должен быть из металла согласно условиям испытаний и шарик должны быть из газа согласно закону сквозного прохода энергии. Как быть? Припомните основные принципы решения физических противоречий. Примените один из них - распределение противоречивых требований в пространстве, то есть часть шарика должна быть металлической, а часть – газовой. При этом газовая часть должна быть на поверхности шарика, поскольку именно здесь начинаются нежелательные явления и нарушается энергопроводимисть. Теперь можно уточнить задачу.

Как сделать, чтобы в момент удара газовой струи на поверхности шарика мгновенно образовалась газовая оболочка? Ответ в принципе уже получен - нужен взрывающийся шарик. Конструктивно это может быть достигнуто десятками вариантов. Однако лучший из них тот, в котором максимально задействованные вещественно-полевые ресурсы самой системы. В данном случае если шарик обмазать той же самой взрывной смесью, которая есть во взрывной камере, то проблема полностью снимается. От удара газовой струи поверхностный пласт шарика взрывается и газовая подушка, которая появилась, не только амортизирует удар, но и обжимает шарик со всех сторон, нейтрализуя разрывающие усилия при его ускорении.

Подлобных задач множество, и все они, как показывает практика, решаются единым подходом.

Первое правило энергопроводимости системы. Если элементы при взаимодействия друг с другом образовывают енергопроводящую систему с полезной функцией, то для повышения ее работоспособности в местах контакта элементов должны быть вещества с близкими или одинаковыми уровнями развития.

В случаях, когда нужно не восстанавливать или развивать энергопроводимость частей технической системы, а, напротив, разорвать ее, в первую очередь необходимо рассогласовать по уровням развития части, которые контактируют между собой.

Например, при застывании бетон сцепляется с опалубкой, и ее тяжело потом отделить. Две части хорошо согласовывались между собой по уровням развития вещества - обе твердые, шершавые, недвижимые и так далее. Образовалась нормальная энергопроводная система. Чтобы не допустить ее образования, нужное максимальное рассогласование веществ, например: твердое - редкое, шершавая - скользкая, недвижимое - подвижное. Здесь может быть несколько конструктивных решений - образование прослойки воды, нанесение специальных скользких покрытий, вибрация опалубки и др.

Второе правило энергопроводимости системы. Если элементы при взаимодействия друг с другом образовывают энергопроводную систему с вредной функцией, то для ее разрушения в местах контакта элементов должны быть вещества с разными или противоположными уровнями развития.

Третье правило энергопроводимости. Если элементы при взаимодействия друг с другом образовывают энергопроводную систему с вредной и полезной функциями, то в местах контакта элементов должны быть вещества, уровень развития которых и физико-химические свойства меняются под влиянием какого-нибудь управляемого вещества или поля.

Согласно этому правилу выполнено большинство устройств в технике, где нужно соединять или разъединять энергопотоки в системе. Это разные муфты включения в механике, вентили в гидравлике, диоды в электронике и многое другое.