Текст книги "Изобретатель пришел на урок. Развиваем креативное мышление"

Из жизни маленьких человечков

Изобретатель вынул из кармана карточку и прочитал: «Жидкость можно уподобить отряду солдат, ламинарное течение – четкому походному строю, турбулентное – беспорядочному движению. Скорость жидкости и диаметр трубы – это скорость и величина отряда. Вязкость – дисциплина, плотность – вооружение. Чем больше отряд, чем быстрее маневры и чем тяжелее вооружение, тем раньше расстраивается походный порядок. И так же в жидкости турбулентность возникает тем быстрее, чем она тяжелее, чем меньше вязкость и больше скорость и чем больше диаметр трубы».

– Какой метод использовал автор этого рассуждения?

– Конечно, метод маленьких человечков!

– Это, наверное, кто-то из ваших коллег, специалистов по ТРИЗ написал?

– Не угадали, – усмехнулся Изобретатель. – Это еще в 19 веке написал Осборн Рейнольдс, один из создателей теоретической гидродинамики, очень сложной и очень важной науки.

– Сложной? Вроде все так просто! – Это благодаря маленьким человечкам, – сказал Изобретатель и подошел к большой магнитной доске, которую заметил еще во время первого урока. Достав из коробочки шесть квадратиков с изображениями маленьких человечков, он со звоном прилепил их к металлу. Затем прикрепил над ними еще шесть вверх ногами. Новые человечки были другого цвета. Все держались друг за друга.

– У вас человечки могут держаться и ногами? Тогда это не ММЧ, а ММО – Метод Маленьких Обезьянок!

Изобретатель написал мелом В₁ и В₂ против каждой группы человечков. – Человечки В₁ держатся друг за друга с силой F_1,1 – сказал Изобретатель. – Человечки В₂ – с силой F_2,2. А с какой силой держатся человечки В₁ и В₂ между собой? Правильно, F_1,2. А теперь давайте порассуждаем, какие значения может принимать сила F вообще?

– В твердом теле F большая, а в жидкости маленькая, почти ноль.

– А в газах?

Может быть, отрицательная? Человечки в газах отталкиваются…

– Хорошо, пусть будет отрицательная. Смотрите, что у нас получается, – Изобретатель нарисовал рядом с человечками табличку (рис. 20).

Рис. 20. «Человеческие игры»

– Давайте посмотрим, что получится, если «поиграть» силой сцепления человечков. Каждая сила может принимать одно из трех значений: +, —, 0. Изобразим это в виде крестиков. – Что получается?

– Сверху твердое тело, снизу жидкость,

– Жидкость не льется вниз, ее держит твердое тело. Разве так бывает?

– Давайте подумаем, бывает так или нет.

Ребята задумались. В кабинете было тихо. Изобретатель не торопил их, медленно прохаживаясь между рядами столов. Догадаются или нет? Ведь это явление они сотни раз наблюдали. Даже здесь, в кабинете, его можно увидеть!

– Да вот же! – вдруг воскликнул один из мальчиков, указывая на кран, под которым висела капля воды.

– Правильно, это явление называется смачиванием! – сказал Физик. – Правда, эту тему мы еще не проходили.

– Ничего страшного! – ответил Изобретатель. – Потом это все будет серьезно, с формулами, а сегодня мы просто разберемся, что к чему.

– Продолжаем. Пусть силы останутся прежними, а вот самих человечков мы сейчас перестроим.

Изобретатель развернул человечков на доске так, что теперь граница раздела между В₁ и В₂ стала вертикальной. Что получилось?

Ребята молчали. Изобретатель понял, что схема оказалась слишком сложной. Он вынул из коробки еще кучку человечков и «достроил» картинку (рис. 21).

– Это стакан с водой! – теперь ребята догадались. – Человечки стакана окружили человечков воды и не дают им убежать.

– Все так считают? – спросил Изобретатель.

– Да! Да!

– А я думаю иначе. Вы забыли про силу F_1,2 – смачивание.

– Ведь твердые человечки притягивают жидких. Что должно получиться? Кто исправит картинку?

К доске вышла девочка и решительно взялась за человечков. Вот как это выглядело показано на рис. 22.

– Человечки твердые, которые наверху, должны тянуть к себе человечков жидкости. И они поползут вверх по стенке!

– Но тогда они могут вылезти из стакана совсем! – засомневался кто-то из ребят.

– Нет, не вылезут! Ведь есть сила тяжести! Гравитационное поле, тяжелое.

– Хорошо! А как сделать, чтобы человечки воды поднимались выше?

– Нужно увеличить силу F_1,2. Пусть твердых человечков будет намного больше, чем жидких, тогда жидких будет проще тащить вверх!

Молодцы, ребята! – похвалил своих учеников Физик. Он подошел к шкафу и достал из него несколько тонких трубок, блюдце и маленькую бутылочку с черными зернышками. Налил в блюдце воды, бросил туда зернышко марганцовки. Вода тут же окрасилась в розовый цвет. Физик опустил трубки в воду и пригласил ребят к столу посмотреть на эффект, который они только что сами открыли, – эти трубки называются капиллярными, – пояснил он. – Они очень тонкие, в них как раз и получается твердого вещества (стекла) много, а воды мало. А почему в этой трубке вода не только не поднимается вверх, ее уровень даже ниже, чем в блюдце?

Рис. 21

Рис. 22

Ребята обратили внимание на эту странную трубку. Да ничего странного! Просто человечки этой трубки не пускают человечков воды, отталкивают их! Это называется несмачивание, – сказал Физик. – Разные вещества по-разному относятся к жидкостям: некоторые смачиваются, другие нет. Да и сами жидкости могут вести себя по-разному, одни смачивают чуть ли не все вещества, а другие очень и очень разборчивы. Например, все жирные вещества водой не смачиваются. Вот эту трубку я смазал маслом.

– Между прочим, как вы думаете, что будет, если на поверхность воды положить тонкую иголку, смазанную жиром? – спросил Изобретатель, доставая иглу. Он аккуратно опустил ее на воду.

– Плавает, Человечки стараются!

Ребята подталкивали друг друга, чтобы лучше рассмотреть. От одного неосторожного толчка стол качнулся и игла… утонула! – Как это объяснить? – спросил Изобретатель. – Почему игла утонула?

– Маленькие человечки воды слабые, чуть-чуть друг за друга держатся. Они расступились от толчка, вот игла и утонула.

– Как на войне: если все твердо стоят, враг не пройдет! А если найдутся трусы, побегут – всем не устоять.

Ребята вернулись на свои места. А Изобретатель снова переставил человечков, теперь твердые человечки были снизу, а жидкие – сверху. Новое условие. Человечки твердого тела не хотят иметь никаких дел с жидкими человечками. Сила F_1,2 – отрицательная. Что будет с жидкостью?

– Твердые человечки отбросят жидких!

Учтите, что силы отталкивания действуют только на очень малых расстояниях. Эти силы имеют молекулярную природу. Как только человечек жидкости оторвался от твердой поверхности, сила отталкивания исчезнет.

– Тогда получится пирамидка вершиной вниз! – на доске появилась новая картинка.

– А пирамидка не рассыплется? – спросил Изобретатель.

– Может рассыпаться.

– Нужно прижать их сверху другими человечками, тогда не рассыпется!

Теперь картинка приняла вид как показано на рис. 23.

– Получается шарик! Ртуть, когда выльется, тоже скачет шариками!

– Верно. Но мы забыли еще об одной силе, когда строили наши пирамидки. О какой?

– О силе тяжести!

– Да. А как она скажется на наших картинках? Ведь правильный шарик получается только тогда, когда капля в невесомости. А если сила тяжести есть?

– Верхние человечки будут стремиться вниз, капля немного сплющится.

– В принципе правильно. Здесь уже важно, каково соотношение между силой тяжести и силой сцепления между собой жидких частиц – F_1,1. Если человечков жидкости мало, то капля будет более круглой. А если человечков жидкости много, тогда капля растечется. Хотя края ее все равно будут скругленными, несмачивание останется. А почему ртуть, несмотря на силу тяжести, становится шариком?

– У нее очень большие силы сцепления!

Верно. Но если удается собрать большую каплю ртути, то она тоже сплющивается. А вообще эксперименты с ртутью опасны – испарения ртути ядовиты. Лучше работать с подкрашенной водой, маслом.

Мы познакомились с двумя вариантами взаимодействия В₁ и В₂. Рассмотрите другие варианты. Что интересного вы получите? Подумайте над этим.

Рис. 23

Разговор в учительской

Занятием Физик был доволен. Но один вопрос не давал ему покоя.

– Знаете, всегда считалось, что материал должен излагаться последовательно, по программе, иначе не будет прочных знаний, нарушится логика освоения науки. Да и непонятно будет. Не вредно ли все-таки забегать вперед?

– Вы же видели, они в материале разобрались, хотя, конечно, на примитивном уровне. Впрочем, может быть, и не стоит называть их понимание примитивным. Они разобрались в механизме действия молекулярных сил. Когда потом будут изучать его подробно, с математическими выкладками, понимание механизма поможет им. Я почитал кое-что о, известных педагогах-новаторах. Так вот, учительница С. Н. Лысенкова всегда «забегает» вперед, обучая малышей. Она решает с ними задачки на «будущие» правила, не рассказывая об этих правилах, не требуя, чтобы все решили. Но когда доходит очередь до этих правил, они усваиваются легко даже самыми слабыми ребятами, потому что они уже знакомы.

– Не верите?

– Я столько повидал ко всему равнодушных ребят.

– Блестящий психолог Рада Михайловна Грановская как-то очень образно написала: «Традиционные методы передачи знаний иногда приводят к тому, что естественный процесс удовлетворения жажды познания превращается в хроническую травму для учащихся». Понимаете? Естественный процесс!

– Может быть, и так… Помню, как изводил меня вопросами мой трехлетний сын. А сегодня ему пятнадцать лет и вопросов он уже не задает.

– Да, это одно из самых тяжелых обвинений в адрес школы и традиционной системы обучения! Но, кроме инстинкта новизны, есть инстинкт узнавания: человеку всегда приятно опознать уже знакомое, известное. Сколько раз наблюдал: передают по радио музыку, в ней что-то знакомое. «Да это же увертюра Бетховена «Эгмонт», – скажет кто-то. И радуется потом, когда после окончания диктор подтвердит: действительно, увертюра Бетховена. Приятно чувствовать, что ты знаешь. Вот на этот инстинкт и «работает» опережение программы. А насчет нарушения логики науки… Так ведь она создавалась далеко не логично. А как захватывающе интересна действительная история науки!

ИГЗ: Фигуры не имеет

«В XIX веке гидродинамики разделялись на инженеров-гидравликов, которые наблюдали то, чего нельзя объяснить, и математиков, которые объясняли то, чего нельзя было наблюдать»… Это насмешливое высказывание принадлежит английскому физику С. Н. Хиншелвуду, президенту Лондонского королевского общества (английской Академии наук) в шестидесятых годах двадцатого века…

А чем, собственно, отличается жидкое от твердого? Жидкость занимает любой объем, принимает любую форму, своей «фигуры не имеет», течет, перемешивается, а твердое неизменно? Но за миллионы лет «течет» и земная кора, под высоким давлением может «течь» очень твердая сталь, не говоря уже о мягком свинце или золоте. А если ударить очень быстро по воде – она будет твердой! Вода не успевает в этом случае расступиться. Изобретатель вспомнил один свой неудачный прыжок в воду с десятиметровой вышки – полгода о нем напоминала ушибленная спина. Между прочим, страх травмы очень мешает спортсменам. Противоречие: накануне ответственных соревнований очень нежелательно удариться о воду, но именно перед ними нужно постоянно тренироваться. Хорошая учебная задача, подумал Изобретатель: В₁ – человек, В₂ – вода, П – вредное поле взаимодействия. Вредный веполь. Можно разрушить его введением модификации В₂ – «мягкой» воды. Например, пены. Просто нужно воду насытить воздушными пузырьками! Проложить в дне бассейна трубы и подавать в зону прыжка воздух. Изобретатель порадовался хорошей идее, потом зашел в «Гугл патент» и выяснил, что это – давно известное изобретение, широко используется при подготовке прыгунов в воду. Но вовсе не расстроился – так случалось много раз в его практике и он такие случаи рассматривал как прекрасное подтверждение эффективности ТРИЗ.

Жидкости взаимодействуют с твердыми телами. Здесь много «хитростей». Пористое тело втягивает в себя воду или другую жидкость, набухает и увеличивается в размерах. При этом возникают достаточно большие распирающие усилия. Древние египтяне вбивали в щели камня клинья из виноградной лозы и смачивали их. Клинья разбухали и ломали камень!

Все знают, что А. Эйнштейн был Великим Физиком. И мало кто знает, что до того, как он создал теорию относительности он работал в патентном бюро и сделал множество собственных прекрасных изобретений. Всем известно явление смачивания – жидкость «прилипает» к твердому телу. А Эйнштейн применил это явление нестандартно: придумал инструмент для захвата очень мелких деталей, которые нельзя ухватить пинцетом. С виду этот инструмент похож на обычную перьевую авторучку. Нажимаешь на колпачок, выступает капелька жидкости и «прихватывает» деталь.

Мчится вперед корабль, рассекая острым носом воду, расходятся в стороны волны. На создание этих волн тратится немалая доля топлива, сгорающего в машинах. И вот в начале тридцатых годов 20 века русский конструктор В. И. Юркевич предложил французской фирме «Пеноэ», строившей рекордно быстроходный трансатлантический лайнер, необычное усовершенствование. В его проекте на носу корабля ниже ватерлинии имелось странное утолщение, которое назвали «бульб» (в переводе с латыни – «луковица»). Это утолщение было рассчитано так, чтобы оно толкало находящиеся над ней слои воды вверх, туда, где должны были образовываться впадины боковой волны. Благодаря этому волны ослабевали, волновое сопротивление падало.

Кстати, Изобретатель вспомнил прочитанную когда-то в журнале «Изобретатель – рационализатор» историю. Старый неудачник, спившийся скульптор изготавливал в НИИ кораблестроения модели кораблей для испытаний. Ему поручили сделать модель корабля с тщательно рассчитанным на ЭВМ бульбом и он ее сделал. Но сделал и другую модель, на которой бульб с его точки зрения «смотрелся лучше», просто был красивее. И эта модель показала намного лучшие результаты, чем рассчитанная «по науке»!

Вы же не думаете, что наука уже знает ответы на все вопросы? На вибрирующую плиту поставили стакан с обычной водой. В воде моментально появились отдельные мелкие воздушные пузырьки. Произошло мгновенное перемешивание воды с воздухом. Это явление было названо вибротурбулизацией. Подбирая частоту вибраций, можно почти мгновенно перемешивать разные жидкости, жидкости с газами или твердыми включениями, сбивать кремы или сливочное масло. А можно наоборот, разделять твердые, жидкие и газообразные фракции смеси. Удивительно, что вопреки закону Архимеда пузырьки не всплывают, а собираются на дне. Удовлетворительного физического объяснения этого эффекта до сих пор нет.

Наверняка каждый слышал о роли науки аэродинамики в авиации. Как ни странно, на заре развития авиации роль эта была попросту вредной. К сожалению, так бывает – теория отрицает возможность создания принципиально нового устройства, а энтузиасты, несмотря на это, его создают. Потом, порой через много лет, находится и теоретическое объяснение.

В аэродинамике со времен Ньютона господствовало убеждение, что крыло птицы в полете поддерживается давлением набегающего потока воздуха, создающего подъемную силу. Американский ученый Ньюком в самом начале 20 века строго математически доказал невозможность создания летательных аппаратов тяжелее воздуха. Но формулы загипнотизировали не всех. Немецкий инженер Отто Лилиенталь, занимаясь исследованием явления обтекания воздухом пластин разной формы, пришел к выводу, что изогнутые пластинки дают куда большую подъемную силу, чем это следует из расчетов Ньюкома. Он первым перешел от расчетов к экспериментальным полетам на самодельном планере. И погиб… Эстафету подхватили братья Уилбур и Орвилл Райт, велосипедные механики по профессии. Не доверяя формулам (а может быть, и не зная о них), они изготовили аэродинамическую трубу из большого деревянного ящика и испытали в ней около 200 разных профилей крыльев. 17 декабря 1903 года их самолет совершил первый в мире полет…

Первое время научная аэродинамика вообще «не замечала», что самолеты летают вопреки ее предсказаниям. Иногда указывала, что это – случайность, предельный вариант и будущего у самолетов нет. Но самолеты совершенствовались, опровергая скептиков. И тогда расчетами занялся наш великий соотечественник – Николай Егорович Жуковский. В ноябре 1905 года он сделал в Математическом обществе доклад, в котором заложил основы теории обтекания изогнутого крыла. А в 1910–1911 годах появились работы Н. Е. Жуковского и другого выдающегося аэродинамика Сергея Алексеевича Чаплыгина, позволяющие точно вычислить подъемную силу крыла. Между старыми и новыми формулами была принципиальная разница. По старой теории подъемная сила создавалась небольшим количеством воздуха, контактирующего с плоскостью, а по теории Жуковского в ее создании участвуют огромные массы воздуха, не примыкающие к крылу непосредственно. Когда полеты получили теоретическое обоснование, развитие авиации пошло намного быстрее.

К твердому телу может «прилипать» не только жидкость, но и газовая струя. Это явление открыл при весьма драматических обстоятельствах румынский естествоиспытатель Анри Коанда. В 1910 году он испытал в полете первый в мире реактивный (турбокомпрессорный) самолет собственной конструкции, с двумя двигателями по бокам фюзеляжа, После разбега самолет взлетел, пролетел несколько десятков метров и упал. Смелый пилот отделался ушибами, но его очень заинтересовало необычное явление: бившие из двигателей языки пламени присасывались, буквально прилипали к фюзеляжу, прикрытому стальными листами. Это прилипание, названное «эффект Коанда» сегодня позволяет создавать высокоэффективные сопла для горелок, улучшить работу аппаратов на воздушной подушке и судов на подводных крыльях.

Сделайте важный вывод – внимательный человек даже неудачу может превратить в открытие! Специалисты по ТРИЗ давно сделали такой вывод: вред нужно стараться превратить в пользу!

Задача 17.

Хорошо играть в настольный теннис мягкой ракеткой. После крученого удара шарик летит по весьма хитрой траектории. Впрочем, это бывает не только в пинг-понге. Известен коварный удар «сухой лист» в футболе, когда мяч летит совсем не туда, куда, казалось бы, должен. Несколько лет назад один футболист вдруг начал бить «сухим листом» постоянно. Оказалось, что он немного «усовершенствовал» свои бутсы. Правда, в награду за эту «рационализацию» его дисквалифицировали. Что он сделал?

Задача 18.

Искусственные алмазы нередко получаются с трещинами. Такие кристаллы нельзя ставить в инструмент – развалятся во время работы. Пробовали их раскалывать по трещинам легкими ударами. Трещиноватые разваливались, но в осколках появлялись новые трещины. Как быть?

Новая игра

Ребята по очереди выходили к доске и предлагали свои варианты сцепления человечков, строили картинки из квадратиков, изготовленных Изобретателем.

У доски Женя. Он предлагает рассмотреть такую комбинацию:

Рис. 24. Абсорбция

Твердое тело притягивает газ. Может так быть?

– Это называется «абсорбция» – очень важное явление, – сказал Изобретатель. – Во время первой мировой войны германская армия применила новое и страшное оружие – отравляющие газы. Страшное потому, что тогда никто не знал, как от него защититься. Пытались найти вещества, способные нейтрализовать отраву, но газ каждый раз меняли, ничего не получалось. Русский химик Н. Зелинский предложил использовать для улавливания газов активированный уголь. Собственно говоря, это обыкновенный древесный уголь, его получают прокаливанием древесины без доступа кислорода. Вот этот уголь и обладает свойством «хватать» и поглощать из воздуха человечков разных вредных газов. Изобретение Н. Д. Зелинского спасло жизнь многим тысячам людей. Какие еще комбинации рассмотрим?

К доске вышел Сережа и оставил человечков неизменными, а изменил только одно: в его схеме крестики стояли только в первой колонке.

– Что это? – спросил он у ребят. Те никак не могли догадаться.

– Это диффузия! – заявил Сережа. – Я в учебнике нашел. Если прижать кусок свинца к куску золота, то через несколько лет они соединятся, потому что их атомы в поверхностном слое перепутаются, как на рис. 24.

– Хорошо. А как можно использовать диффузию? – спросил Изобретатель. Ребята не знали.

В конце сороковых годов советский ученый Н. Ф. Казаков изучал странное явление – небольшие бугорки очень твердого металла, нарастающие на острых кромках резцов при большой скорости резания. Бугорки мешали резанию, заставляли часто перетачивать резцы. Казаков первый догадался, что бугорки возникают из-за диффузии: в зоне резания высокие температуры, резец с большой силой давит на металл, и частицы металла проникают в поверхность резца, сливаются с ним. На базе этого открытия Н. Ф. Казаков сделал выдающееся изобретение – создал диффузионную сварку. Вы уже поняли – он опять-таки превратил вред в пользу!

Оказалось, что если тщательно очистить поверхности двух деталей от окислов и разных примесей, поместить их в вакуум или инертную среду, а затем нагреть и плотно прижать, то с помощью диффузии можно соединить между собой самые разные вещества, несоединимые другими путями, например, нержавеющую сталь с вольфрамом, сталь со стеклом, с алюминием. Диффузионная сварка позволяет экономить сотни тонн стали, цветных металлов, делать легкие конструкции. Не зря ее применяют в космической технике. Кстати, с космосом и диффузией связана одна забавная история. Когда первая попытка американских космонавтов выйти в открытый космос окончилась неудачей, некоторые «жёлтые» газеты писали: «Русские лазеры заварили двери наших кораблей!». Как вы думаете, почему на самом деле астронавты не смогли открыть выходной люк.?

– Наверное, двери заварились сами, от диффузии?

– Конечно! Ведь все необходимые условия для диффузионной сварки были соблюдены: космический вакуум, нагрев ракеты при взлете, люк плотно прижат к корпусу. Но вернемся к нашему рисунку. Как еще можно интерпретировать его?

– Застежка-молния! Там тоже отдельные частички чередуются!

– Застежка-репейник!

– Две шестеренки, как в часах!

– Пусть все силы будут положительными! – предложили девочки. – Это значит, что два твердых тела притягиваются друг к другу. Что это за эффекты?

– Просто одна деревяшка лежит на другой под действием силы тяжести!

– Две железки сжаты в тисках!

– Магнит притянул железку!

– Две противоположно заряженные пластинки.

Следующая схема была такая.

– А у нас уже рассматривали такую схему! – зашумели ребята.

– Да. Но добавим НОВОЕ условие: F_1,1 намного больше, чем F_2,2. То есть теперь человечки В₁ жидкости так сильны что могут отрывать человечков твердого тела В₂ и «забирать» к себе. Что это такое?

– Растворение вещества жидкостью!

Хорошо! Во время войны устанавливали морские мины. Нужно было, чтобы мина всплывала не сразу, а только когда уйдет корабль – минер, чтобы он сам не взорвался. Для этого устанавливали специальный предохранитель, мешающий мине всплыть. А механизм предохранителя фиксировался кусочком сахара. Через определенное время сахар в воде таял, и мина всплывала.

Таня изобразила, как маленькие человечки твердого разбегаются и превращаются в человечков газа.

Рис. 25. Сублимация

– Так неправильно! – сказали ребята. – Сначала они должны превратиться в жидких человечков, а уж потом в газ.

Но Физик поддержал девочку.

– Таня права, – сказал он. – Такое явление есть, называется сублимация или возгонка. Так себя ведет, например, твердая углекислота – сухой лед.

– Мне как-то досталась такая задача – вспомнил Изобретатель. Нужно было обеспечить чистку одного сложного устройства струёй воздуха с мелким песком. Это уже и так делали – но после чистки часть песчинок оставалась внутри устройства, что было недопустимо. Доставать их из устройства слишком сложно. Как быть? И тогда мы предложили чистить «песком» из сухого льда – такие «песчинки» потом сами исчезают, – рассказал Изобретатель.

Ребята выходили к доске, спорили, смеялись. Им нравилось, что придуманные ими эффекты не просто оказались известными и полезными, но и носили такие ученые названия: «абсорбция», «сублимация», «конденсация»…

– Обратите внимание, ребята, – сказал Изобретатель. – Мы строим из человечков веполи. У нас два вида человечков: В₁ и В₂, а между ними какое-то поле, которое ими командует. И командовать можно по-разному. Например, человечки В₁ это поле слушают, а В₂ – нет. Благодаря этому можно менять картинки, заставлять человечков изображать разные действия. Например, что это такое (см. схему)?

– Смесь двух жидкостей В₁ и В₂.

– Хорошо. А теперь представьте, что нам нужно эту смесь разделить.

– Нужно «позвать» одних человечков в одну сторону, а других – в другую!

Но для этого необходимо знать привычки человечков В₁ и В₂, что они «любят»!

Допустим, у нас перемешались вода и бензин. Это нередко случается. В теплую погоду в бензобак попадает влажный воздух, а когда похолодает, из воздуха выделяются капельки воды, происходит конденсация влаги. И тогда в бензобаке оказывается смесь бензина с водой, При движении автомобиля смесь взбалтывается и вода может попасть в двигатель, его работа двигателя ухудшается. А зимой может быть и хуже: капельки жидкости замерзнут в бензиновых шлангах, и мотор остановится.

Особенно страшно это для авиации. Как же быть?

– Нужно найти подходящее поле, которого послушаются наши человечки. – Пусть поможет волшебное слово! – Да, МеТХЭМ!

– Молодцы, что не забыли. Вперед!

– М – механика. Если человечки разного веса, то они просто в конце концов сами разделятся: тяжелые уйдут вниз, а легкие вверх.

– Лучше раскрутить всю смесь! Тогда легкие соберутся в центре, а тяжелые – с краев! – сказала Таня. – Я видела у бабушки в деревне такую вращающуюся штуку, на ней получают масло из молока. Масло легче и оказывалось в середине.

– Эта «штука» называется сепаратор, – заметил Физик. – Слово «сепарация» по латыни означает «разделение».

– А вода и бензин одинаково смачивают твердые тела? – спросил Толик. (Изобретатель начал понемногу знакомиться с ребятами. Толика он запомнил: это он на первом уроке сумел «испариться» из капли жидкости, которую изображали ребята. Этот мальчишка оказался вообще очень подвижным, с трудом сидел на месте, часто отвлекался, но, сосредоточившись, думал быстро и точно).

– Конечно, есть вещества, которые смачиваются водой и не смачиваются бензином, и наоборот, – ответил Изобретатель.

– Тогда просто: нужно «высасывать» воду с помощью капилляров, не смачиваемых бензином! – сказал Толик.

Ребята засмеялись – это же сколько трубочек потребуется! Но Изобретатель их остановил:

– Разве капилляры – это только трубочки? Он вынул из портфеля несколько листиков рыхловатой бумаги и показал, как быстро поднимается по бумаге вода, хотя в лоток окунули только маленький уголок листа.

– Именно такой способ используют, когда хотят проверить, есть ли в нефти вода, – сказал Изобретатель, – нефть бумагу не смачивает, а вода – смачивает и быстро поднимается вверх. Наверное, на этом принципе можно и бензин очищать, только потребуется что-то поплотнее, чем бумага.

– Но ведь такой очиститель будет работать всего один раз, пока не пропитается водой, – засомневался Сережа. Чтобы снова использовать его придется сушить.

– А если использовать колебания?

– Колебания скорее размешивают, чем разделяют! – сказала Таня.

– Действительно, колебания чаще смешивают, чем разделяют, – согласился Изобретатель, – хотя с разделением неплохо справляются так называемые стоячие волны, возникающие при колебаниях. Но об этом мы поговорим в другой раз. А в принципе, как использовать свойство колебаний хорошо размешивать?

– Очень трудно размешивать крем для торта, – сказала Света. – Сидишь и мешаешь по полчаса. Может быть, колебания сделают все быстрее?

– Конечно, на больших предприятиях, где выпекают торты, пирожные, так и делают. И не только при производстве кремов, но и в разных химических процессах.

Вообще, наложение акустического поля часто дает прекрасные решения и внедрить их обычно не очень сложно. Наложение механических колебаний активизирует не только перемешивание, но и многие другие параметры процессов, поэтому широко используется. В том числе и для разделения. Например, если нужно разделить не капельки жидкости, а порошки из металлов разной плотности, бесполезно ждать, пока они сами разделятся под действием силы тяжести – они будут лежать совершенно спокойно. Представьте это себе с помощью человечков. Вот они лежат кучкой. Что нужно сделать, чтобы они разделились? Правильно, нужно заставить их как-то двигаться, потрясти, например. Тогда более тяжелые станут сползать вниз, а легкие – устремятся наверх. Но продолжим разделение наших капелек. Давайте проверим другое поле. Какое следующее?

– Т – тепловое поле! – быстро ответил Сережа, давно дожидавшийся этого момента. У него были идеи, и он боялся, что его опередят. – Тепловое поле скомандует человечкам, чтобы они превратились в твердое тело или в газ. Они разные, значит, превращаться будут по-разному. Что будет, если нагреть смесь?

– Бензин кипит при более низкой температуре, чем вода, – сказал Физик. – Он начнет испаряться.

– Весь бензин испарится, а в бензобаке останется вода, – засмеялись ребята. Но Сережа не растерялся.

– А я эти пары бензина соберу, а потом, после охлаждения, из них получится чистый бензин!

– Именно так, нагревая, а потом охлаждая пары, разделяли на компоненты природную нефть, – сказал Физик. – В том числе и бензин получали. Такой процесс называют перегонкой или дистилляцией (это слово по латыни означает «стекание каплями»). Сегодня для этой цели используют более совершенный способ. Дело в том, что при обычной перегонке получалось довольно мало бензина, но много менее ценных «тяжелых» составляющих нефти – керосин, солярка, мазут. Русский изобретатель В. Г. Шухов предложил «крекинг-процесс», при котором сложные молекулы нефти под давлением и при высокой температуре разлагаются на более простые и легкие, в том числе и молекулы бензина. Бензина становится больше, но отделяют его от остатков по-прежнему перегонкой.

– Может быть, лучше использовать замораживание? – спросил Толик. – Бензин на морозе не замерзает, я видел. А вода замерзнет. Вот и разделение.

– На Севере используют интересный прием, – сказал Изобретатель. – В морозную погоду ставят в ведро железный лом и льют на него сверху бензин тонкой струйкой. Он стекает по лому, а вода намораживается на лом. Или еще проще – перемешивают бензин в ведре холодным ломом – вода намерзает на лом. Молодец, Толик. Следующее поле?