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

– X – химическое, – продолжил анализ Сережа. – Добавить что-то такое, что не будет реагировать на человечков бензина, но «свяжет», «схватит» человечков воды и вместе с ними от бензина.

– Пусть станут газообразными и сами уйдут! – дополнили ребята.

– В теории изобретательства, когда вводят новое неизвестное вещество или поле, называют его «икс-элемент». Человечки «икс-элемента», «икс-человечки» нам всегда помогут.

– А такие вещества, которые нам разделить бензин помогут, есть? – спросил Сережа.

– Трудно сказать, – ответил Изобретатель. – Нужно посоветоваться с химиками. Так нередко случается при решении изобретательских задач. Идея есть, но оценить ее, развить без специалиста нельзя.

– А еще можно как-то связать человечков воды, чтобы они не портили бензин, например, не замерзали. Есть такие человечки? – спросила Марина. На этот вопрос Изобретатель и Физик тоже не смогли ответить сразу и снова напомнили о необходимости посоветоваться со специалистами. И перешли к следующему полю.

– Наверное, электрическое поле не годится, – сказали ребята. – Вода и бензин ток не пропускают.

Никогда заранее нельзя отказываться от возможности использовать какое-то поле, – сказал Изобретатель. – Нужно сначала подумать. Например, капельки бензина и воды обладают разными свойствами, в том числе и электрическими: электропроводностью, диэлектрической проницаемостью.

– Извините, они еще не знают, что это такое, – вмешался Физик. Но Изобретатель упрямо покачал головой.

– Ничего, узнают. Главное, нужно уметь находить отличия. Предположим, что мы распылили смесь на мельчайшие капли бензина и воды в электрическом поле.

Наверняка они будут по-разному вести себя, значит, это можно использовать для разделения. Недавно была предложена новая установка для очистки бензина и керосина – набор вращающихся дисков из неэлектропроводного материала, наполовину погруженных в очищаемую жидкость. Из-за трения о жидкость диски заряжаются, и к ним пристают капельки воды, частички мусора и другие загрязнения. С магнитным полем – похожая история. Не ясно, как его использовать, но подумать нужно. Вы ведь проходили действие магнитного поля на проводник?

– Да, в прошлом году. Когда проводник движется в магнитном поле, в нем создается электрический ток.

– И еще там действует механическая сила, по правилу какой-то руки, правой или левой…

– Левой. Так вот. У воды электропроводность намного выше, чем у бензина. Каждая капелька воды – маленький проводничок, в ней при движении в магнитном поле возникает микроток, значит, на нее действует сила, «отгоняющая» ее от основного потока в сторону тем сильнее, чем больше магнитное поле и скорость движения. Получается в принципе, что, наложив магнитное поле на поток смеси, можно отделять воду от бензина.

– А что если соединить это с сепаратором? – спросил Женя. – Там все равно жидкость крутится с большой скоростью. Поставить магнит – и пожалуйста, разделяй!

– Интересно, хотя для этого придется обычный сепаратор сильно переделать.

– Можно сделать иначе, – предложил Толик. – Вот эти икс-человечки, «хватающие» воду, должны быть магнитными. Тогда они унесут с собой воду при помощи магнита!

– Есть похожее изобретение, – сказал Изобретатель. – Вы, конечно, знаете, какие экологические катастрофы происходят, когда по поверхности моря разливается нефть? Для сбора разлившейся нефти было предложено рассыпать на поверхность воды пористые гранулы, не смачиваемые водой, но хорошо впитывающие нефть. Но как потом собрать эти гранулы с поверхности воды?

– Понятно! Добавить в гранулы послушных человечков – «магнитиков».

– Да, в эти гранулы стали добавлять железный порошок и собирать магнитом. А вот для очистки воды такой метод, по-моему, еще не применяли. Может быть, это было бы изобретением… Ну как, интересно изучать физику с помощью маленьких человечков?

– Да, похоже на игру!

– А можно такую игру сделать! – предложил Женя. – Кто-то строит картину и спрашивает другого – что это? Только еще цвет использовать. Например, человечки льда, воды, водяного пара – одного цвета. Вот, отгадайте картинку!

Рис. 26. Загадка

Снизу жидкость, сверху твердое тело того же цвета – это та же жидкость, но в твердом состоянии, а еще выше – газ.

– Это похоже на прорубь во льду! – догадался кто-то. – А сверху – пар.

– А если человечки твердого тела будут другого цвета?

– Скважина нефтяная!

– Выключенный фонтан!

– А если теперь наложить поле, например, тепловое? – спросил Изобретатель. – Что будет?

– Сначала ничего особенного – жидкость расширится и поднимется вверх.

– А потом жидкость закипит! – Женя заменил несколько человечков жидкости на человечков газа того же цвета. – Человечки газа станут лезть наверх и толкать «жидких» человечков. Включится фонтан!

– А если просто нагреть трубочку и опустить в воду, что произойдет? – спросила Света.

Женя строил новую картинку. Трубочку он набрал из красных – горячих человечков. Вот она внутри жидкости. В нее забегают жидкие человечки и превращаются в пар, который выходит из трубки.

– И так, пока трубка не остынет? – спросил Женя. – Не уверен… – протянул Изобретатель.

– Я думаю, что в первый момент будет выходить пар. А вот когда немного остынет трубочка, может получиться, как в предыдущей картинке – фонтан из пара и воды, пока трубка совсем не остынет. А вообще-то было бы интересно проверить.

Физик нагрел в пламени горелки тонкую металлическую трубку. Затем сунул ее в стакан с водой и… ничего не произошло! Ребята замерли. Неужели маленькие человечки обманули? Но Физик уже догадался, в чем дело. Он нагрел трубку посильнее, ее конец засветился малиновым светом. Снова опустил ее в стакан, и вот теперь из противоположного конца вылетели брызги, пар, вода! Опыт повторяли три раза к буйной радости ребят.

– А можно еще по-другому играть в человечков, – сказала Света, когда все успокоились. – Как в лото. Перевернем всех человечков вниз картинками и будем брать по очереди наугад и говорить, что получилось.

Она перемешала все картинки с человечками и взяла наугад одну из них. Это оказался человечек твердого тела.

– Это – Земля, – сказала Света. Следующего человечка вытащил Женя.

– Это океан на Земле.

– А это корабль в океане, – сказал Изобретатель, устанавливая своего человечка.

– У корабля на буксире баржа.

– Это воздух вокруг корабля.

– А это кастрюля с супом на камбузе, – заявил под общий смех Толик, который никак не мог придумать, что означает человечек жидкости, но другого цвета, то есть не воды.

– Нужно еще сделать квадратики с названиями полей, – предложила Света. – Тогда будет еще интереснее. Например, если электрическое поле – это гроза, если в воздухе…

– А если в супе? – съязвил кто-то.

– Тогда это электронагреватель! Или молния ударила в камбуз! – не растерялась Света.

Разговор в учительской

– Молодцы ребята, интересные игры придумали, – удивлялся Физик. – А скажите, эти игры в самом деле новые? Был момент, когда мне показалось, что вы ребят «наводите», подталкиваете к идее.

– Жаль, – огорчился Изобретатель, – надеюсь, ребята этого не заметили.

Понимаете, очень важно, чтобы они были уверены, что новую идею нашли сами. Тогда к ней появляется особый интерес, «родительские» чувства.

– А как вы думаете, не страшно, что мы не смогли на некоторые вопросы ребят ответить? – спросил Физик озабоченно. – Помните, как они оживились?

– Вы считаете, что они злорадствовали?

– Не знаю. Скорее всего нет, но все-таки…

– Думаю, что они оживились, потому что почувствовали: речь зашла о чем-то новом, неизведанном. Это всегда так увлекательно! А учитель не обязан знать ответы на все вопросы. Конечно, если эти вопросы не входят в круг обязательных знаний.

– Я понимаю, природа неисчерпаема, всегда найдутся вопросы, на которые нет пока ответов, но все они обычно так далеки от школьной программы. А когда учитель не может ответить, он теряет авторитет, – настаивал Физик.

– Честно признаться, что чего-то не знаешь, – это не потеря авторитета. Ребята такие вещи хорошо понимают. А вот попытки «выкрутиться» действительно его уронят, – отвечал Изобретатель. – Вы еще просто не привыкли. А я часто сталкиваюсь с задачами, решения которых лежат в малоизученных областях науки, техники… Да на многие вопросы ответить сразу просто невозможно, нужно сначала провести исследования, опыты. Нередко для того, чтобы ответить, нужно решить исследовательскую задачу.

– Ну, здесь ТРИЗ уж не поможет, – сказал Физик. – Здесь, как в книге «Два капитана» – «Бороться и искать, найти и не сдаваться».

– Подумать тоже иногда не мешает, – заметил Изобретатель. – ТРИЗ и здесь помогает. В ней есть специальный подход к решению исследовательских задач. И овладеть им может каждый. По-моему, если учитель будет сам с ребятами решать такие задачи, то его авторитету ничего угрожать не сможет.

ИГЗ: Всё колеблется

Изобретатель вспоминал. В молодости он работал слесарем-инструментальщиком, потом конструктором приспособлений для станков, учился вечером на механико-машиностроительном факультете Политехнического института. Потом перешел на электромеханический факультет. И не удивительно, что первые его изобретения были в области механики и электричества. Но вот странно – прошло 40 лет, за плечами больше 1000 успешных проектов в самых разных областях – химии, добыче и переработке нефти, микроэлектронике, пищевом производстве, авиации, медицине, сельском хозяйстве, менеджменте, бизнесе и т. п., в этих проектах двадцать – тридцать тысяч разных решенных задач – а до сих пор число изобретений, связанных с механическим полем больше чем со всеми прочими полями вместе взятыми. Механические поля прекрасно работают и в химии и в медицине и в управлении людьми! Особенно…

Изобретатель открыл новый файл «Механика – колебания, вибрации, волны». Пришел черёд акустического поля – тоже механического по природе, но во многих случаях гораздо более эффективного обычной механики. Есть закономерность в развитии техники – переход к использованию переменных полей вместо постоянных.

Все течет, все изменяется – так говорил в древности греческий философ Гераклит. С еще большим основанием сегодня можно сказать, что все колеблется. Тепловые колебания атомов, шум и вибрации работающей машины, биение человеческого сердца, музыкальная симфония, разнообразные атмосферные явления, полет планет по орбитам – все эти явления есть колебания – движения «из стороны в сторону», описываемые похожими формулами, подчиняющиеся аналогичным уравнениям теории колебаний. Как создаются вибрации, колебания, в том числе и привычный нам звук? Способов множество, срабатывают все поля из МеТХЭМ. Ну, конечно, механика. Изобретатель провел концом скрепки по стеклу на своем столе и поморщился от очень неприятного скрипа. По научному этот скрип называется фрикционными колебаниями (по латыни слово «фрикцио» – трение), то есть колебания от трения, которое происходит между двумя трущимися поверхностями твердых тел. И скрип, вернее, фрикционные колебания много могут порассказать об этих поверхностях, да и о самих твердых телах тоже.

Лет 150 назад молодому инженеру-мостостроителю Дмитрию Ивановичу Журавскому поручили спроектировать железнодорожный мост. Ему очень хотелось использовать в проекте недавно изобретенные решетчатые фермы вместо привычных балок, что позволило бы существенно облегчить конструкцию моста. Но тогда еще не было методики расчета подобных ферм. Д. И. Журавский разработал собственную методику, но она дала странные результаты. Получалось, что в некоторых элементах конструкции вместо ожидаемых сжимающих усилий должны были действовать растягивающие. Конечно, нужно было проверить правильность расчетов на макете, но как определить усилия, если до изобретения тензометрических датчиков (датчиков силы сжатия или растяжения) оставалось еще лет сорок! Журавский решил определять усилия на слух. Он заменил в модели все элементы, которые, по его расчету, должны были испытывать растягивающие усилия, струнами и настроил их в ненагруженном состоянии в унисон (на одну частоту). Затем стал постепенно нагружать модель. После каждого прибавления нагрузки он обходил модель и проводил по струнам смычком. По изменению высоты звука под нагрузкой легко вычислялись действующие усилия. Все измерения совпали с расчетами.

Возбуждать колебания любых частот можно и ударами. В Древнем Риме были построены могучие боевые машины, предки современной артиллерии – катапульты. У катапульты много общего с обычной рогаткой, только вместо резины (о ней в Древнем Риме не имели понятия, да и не годилась она для таких нагрузок) использовали два мощных каната, сплетенных из женских волос. Чтобы камень из катапульты летел в нужное место, необходимо было обеспечить равное натяжение обоих канатов. А как проверить натяжение? Оказалось, что очень просто. По канатам легко ударяли молотком и слушали, как они звучат. Если натяжение было одинаковым, звук получался тоже одинаковым. И точность была отличной, ведь музыкальный слух – достаточно «тонкий» инструмент.

Каждый слышал хоть однажды рычание водопроводной трубы, журчание ручейка, плеск набегающих на берег волн и, конечно, представляет, что создавать звук может текущая вода. Но чаще всего источником звука является поток воздуха. Когда в потоке воздуха оказывается твердое тело, позади него возникают завихрения, воздух при этом колеблется – а это и есть звук. И если тело может перемещаться, изменять свою форму и твердость, то будет меняться высота звука. Так устроены наши голосовые связки: они колеблются под воздействием проходящего через них воздуха, а полость рта и носоглотка служат резонаторами, усиливающими звук. Интересно, может ли звук создаваться теплом?

Несмотря на хорошую память, Изобретатель не мог сразу ответить на этот внезапно возникший вопрос. Потом вспомнился забавный факт – когда Изобретатель был мальчишкой, холодильник нужно было время от времени «оттаивать» – чтобы убрать образовавшиеся внутри наледи. И при этом его пес всегда удирал из кухни. Оказывается, таяние льда сопровождается довольно сильными щелчками, но в диапазоне высоких частот, которые человек не может слышать а собаки слышат. Когда-то этой способностью собак пользовались браконьеры. Они отдавали команды собакам с помощью свистков, не слышных человеку, И еще сообщает о своем кипении чайник, шипит раскаленная сковорода, нагрев металла сопровождается звуками, по которым этот нагрев можно контролировать… Да, тепловое поле тоже «разговорчиво».

Звук «по-химически» – что это такое? Вроде химия – дело тихое. А взрывы?

Насчет «звучания» электрических и магнитных полей сомнений нет. Колеблется кристалл пьезоэлектрического вещества – кварца под действием электрического поля, стальная мембрана под действием магнитного – и из динамика слышна музыка, человеческая речь. Грохочет гром – это электрический разряд, басовито гудит электродвигатель в пылесосе и вентиляторе, звенит электрический звонок…

1858 год. Газовый рожок ровно освещает комнату. Но вот заиграла виолончель, и по комнате побежали световые блики – пламя заколебалось в такт музыке. Так было замечено влияние звука на огонь.

Ревет реактивный двигатель. Рядом включают небольшой динамик. И его звук во много раз более тихий, чем шум воздушной струи, заставляет ее «взреветь» сильнее. Но вот частоту звука динамика меняют, и, словно по волшебству, шум двигателя уменьшается, ускоряется течение воздушной струи. Звук дробит мощные кольцевые вихри, зарождающиеся на выходе из сопла двигателя и создающие шум. Влияние звука на процесс зарождения вихрей в струе жидкости или газа – открытие аэродинамика А. С. Гриневского и акустика Е. В. Власова.

Скрипач взял запыленную скрипку и провел по ней смычком. И вдруг увидел, что по освещенной солнцем скрипке побежали пылинки. Так по преданию был открыт эффект вибротранспортировки, широко используемый сегодня.

Рис. 27. Вибротранспортер

В рудном карьере на стальной ленте вибротранспортера перемещаются, как по щучьему велению, вверх глыбы камня весом в несколько тонн. А вот стальная труба, опущенная вертикально вниз в емкость с мукой или песком. Включается вибрация – и сыпучий груз сам лезет вверх, высыпаясь в нужном месте. Как это все происходит? Весь секрет в подборе формы и ритмики колебаний. Мелкими толчками груз отбрасывается от одной стенки к другой, которая в этот момент двигается вверх, от нее – снова к первой, которая только что двигалась вниз, а теперь тоже пошла вверх. Стенки колеблются вокруг одной и той же точки сотни раз в минуту, а груз ползет и ползет.

Еще одно удивительное явление, связанное со звуком и вообще любыми колебаниями, – эффект самосинхронизации. Еще в 17 веке Христиан Гюйгенс заметил, что если несколько маятниковых часов висят на одной стене, то через некоторое время они все начинают качаться в лад, согласованно. Но этим мало кто интересовался. Только во второй половине нашего века на это явление обратили внимание…

Рис. 28. Самосинхронизация маятниковых часов

Самосинхронизация – свойство самых разных колеблющихся объектов вырабатывать единый ритм совместного движения, несмотря на то, что индивидуальные ритмы различны, да и связи между объектами часто очень слабы. Ученые объясняют этот эффект с помощью сложных нелинейных дифференциальных уравнений теории колебаний. Самосинхронизация очень распространена в окружающей среде, но к ее изучению приступили недавно, и в этой науке еще много белых пятен.

Самосинхронизируются достаточно далеко стоящие друг от друга электродвигатели и автоматические прессы (с этим приходится бороться), органные трубы, квантовые генераторы. Явлением самосинхронизации объясняют то, что Луна всегда повернута к Земле одной стороной. Синхронно машут крыльями журавли в стае, мигают светлячки, переходят в ритмичные аплодисменты нестройные вначале хлопки в театре… Врачи подозревают самосинхронизацию в заболеваниях некоторыми видами раковых опухолей и на нее же надеются в борьбе с ними.

Диким голосом «поет» фуговальный станок, снимая с дерева тонкую стружку. Еще бы! На вращающемся со скоростью 30 000 оборотов в минуту ножевом валу закреплены четыре острых ножа, рассекающие воздух. Визг на весь завод. Избавиться от него помогло предложение молодого рабочего. На валу установили дополнительные четыре… нет, не ножа, это ухудшило бы обработку, а простые стальные пластинки.

Теперь частота «визга» вдвое увеличилась и вышла за диапазон человеческого восприятия. Станок «затих», перешел на ультразвук.

Ультразвук сегодня работает в самых разных областях. Он помогает резать твердые материалы, очищает от грязи поверхности, снижает трение в подшипниках. Если прижать друг к другу детали из разного металла (или полимера) и наложить на них ультразвуковые вибрации, то они сварятся между собой. Правда, толстые слои таким образом не соединить, здесь потребуется обычная электросварка. Но наложение ультразвука при электросварке существенно повышает ее качество: под воздействием ультразвукового капиллярного эффекта жидкий металл лучше растекается, ультразвук «выгоняет» из расплава частицы примесей и газы, улучшает структуру кристаллизующегося металла, снимает возникающие при остывании внутренние напряжения. Все эти преимущества можно реализовать не только в сварке, но и в металлургии и машиностроении, когда речь идет о получении металлов и изделий особого качества.

В радиоэлектронных устройствах иногда требуется задержать один сигнал относительно другого. Для этого его можно пропустить по более длинному пути. Но слишком уж быстро движутся электромагнитные волны, очень длинные линии задержки потребуются. А ультразвуковые линии задержки куда компактнее. На поверхности пьезокристалла напылены два электрода. Первый превращает электрические колебания в ультразвук, второй – ультразвук в электрические колебания. Расстояние между электродами, допустим, миллиметр. Скорость звука в таких крислаллах порядка 5 километров в секунду, то есть в 60 000 раз меньше, чем скорость электромагнитного поля, значит ультразвуковая линия задержки толщиной в миллиметр задерживает сигнал как 60 метров кабеля!

Инфразвук – антипод ультразвука, звуковые колебания сверхнизких частот. Во многом их возможности схожи. Например, инфразвук тоже может активизировать химические процессы, измельчать различные материалы. И хоть ему не под силу создавать такую высокую плотность энергии, как ультразвуку, зато он очень хорошо распространяется, может охватить большое пространство. По этой причине от него гораздо труднее защититься, чем от ультразвука, а защита часто необходима. Несмотря на то, что инфразвук так же не слышен для человека, как и ультразвук, он оказывает на человека вредное действие, вызывая ощущения страха, угнетенности, ужаса (это явление использовано в «Симфонии гнева» советского композитора Б. И. Тищенко. Специально построенная инфразвуковая труба длиной около 8 метров издавала звук частотой 11 Герц). А очень мощный инфразвук частотой около 7 Герц может вызвать сильные боли, внутренние кровотечения, свести с ума и даже убить человека. Не в этом ли загадка судна «Мария Челеста», которое было обнаружено в океане без малейших признаков повреждений, но и без экипажа? До сих пор ломают голову, куда он мог подеваться и почему. А ведь море в штормовую погоду может генерировать очень сильные инфразвуки…

Задача 19.

Группа гангстеров обсуждала очередное дело. И вдруг – стук в дверь. Хозяин спускается вниз, открывает парадный ход – полицейские! Под дулом пистолета хозяин должен вести полицейских наверх и не крикнешь сообщникам… Тем не менее, когда полиция поднялась, никого не было, негодяи успели уйти. Но как они узнали, что нужно уходить?

Задача 20.

Любители музыки слушают записанный концерт музыкальной группы в наушниках. Как сделать, чтобы запись концерта в наушниках максимально соответствовала звучанию музыки, которое слышит посетитель концерта в зале?