большой экономии материала без существенных потерь прочности, разработать разнообразные легкие многослойные и ячеистые материалы.
Пустота внедряется даже в конструкциях, где нужна, казалось бы, особая прочность и массивность.
Изобретатель О. В. Соловьев предложил сделать полыми такие высоконагруженные детали, как шарики и ролики подшипников, их кольца и сепараторы, детали зубчатого зацепления, шестерни, колеса, червяки, элементы крепежных соединений — болты, гайки, винты и др. Свою статью в № 4 за 1989 г. «Изобретатель и рационализатор» он назвал: «Достоинства пустоты». В чем же эти достоинства?
Дело в том, что формы контактирующих поверхностей небезупречны и их не удается улучшить в результате обработки. Это сказывается на долговечности изделий: из-за повышенных нерасчетных контактных напряжений происходит разрушение металла в виде выкрашивания либо повышенного износа, что увеличивает первоначальный (монтажный) зазор в контакте. А поскольку все рассматриваемые детали обычно массивны, возникают дополнительные ударные или вибрационные нагрузки, которые усиливают разрушение, как самой зоны контакта, так и всей машины в целом.
Введение же пустоты (изготовление элементов детали полыми) не только уменьшает массивность детали, но и придает ей свойство податливости, упругости и динамичности. Меняются формы и размеры контактирующих поверхностей. Зубцы теперь контактируют не по отдельным точкам или линиям, что имеет место в монолитных конструкциях, а по отдельным или слитным площадкам. Резко снижаются удельные напряжения в металле, существенно повышается контактная выносливость, износостойкость. Динамизация системы приводит к реализации принципа перехода в другое измерение: после того, как все-таки «сработаются» поверхностные слои металла на рабочих поверхностях, они приобретают такой взаимный контакт, который невозможно получить сейчас никакими механическими способами обработки. Интенсивность износа падает до минимального значения.
До сих пор мы рассматривали макропустоту. Но пустота может быть ресурсом и на микроуровне. Например, для кристаллической решетки это пространство между узлами, в которых находятся атомы вещества. В этот промежуток могут быть внедрены атомы другого вещества. На этом основаны многие виды технологий, такие как легирование металлов и сплавов другими металлами или упрочнение отдельных, например, поверхностных слоев деталей и конструкций (борирование, нитрирование, науглероживание сталей и т. д.). Таким способом можно в широких пределах менять свойства материалов.
Комбинируясь с другими веществами, пустота может образовывать комплексные вещества, приобретающие при этом новые свойства и возможности применения. Остановимся поэтому на некоторых из них.
С пеной связано множество легенд. В мифах древних греков рассказывается, как из морской пены родилась богиня любви и красоты Афродита. Вряд ли такой способ рождения богини был случаен. Древние греки предвосхитили много современных научных гипотез, научных истин. Так, в наше время бытует точка зрения, что пена сыграла определенную роль в возникновении жизни на Земле (Джон Бернал, академик А. И. Опарин).
В соответствии с ней, на поверхности мирового океана, под действием солнечных лучей в пене возникли и накопились органические соединения, давшие начало простейшим формам живого вещества, живой материи.
И в современной жизни практически нет такой сферы человеческой деятельности, в которой не нашлось бы применение пены: от космической техники до очистки отходов производства и сточных вод; а есть целые отрасли промышленности, в основе которых имеют место различного рода процессы, связанные с пенообразованием. Этим и объясняется исключительный интерес к теории и практике создания и использования пены.
Рассмотрим примеры ее применения.
В декабре 1968 г. в гавани города Эль-Кувейта затопило судно с большим числом овец на борту. Для подъема судна, с учетом сложившихся условий, необходимо было полгода. За это время трупы овец вызвали бы заражение воды в гавани и в городе, могла возникнуть эпидемия.
Выход из положения предложил датчанин К. Кройер. По его совету изготовили срочно и закачали внутрь судна 200 т полистирольных крупинок, состоящих на 98 % из воздуха. Пена вытеснила воду, закупорила мелкие отверстия, судно благополучно всплыло на поверхность. Что интересно в этом решении?
Идеально, чтобы судно само всплыло. Для этого есть практически только один ресурс — его внутренний объем. Но он заполнен водой. Нужно вещество, которое создало бы подъемную силу, причем вещество легкое. Конечно, лучшими могут быть вакуум или воздух. Создание вакуума в земных условиях всегда требует затрат энергии, а воздух — это неограниченный ресурс. Тем не менее, воздух сам по себе невозможно применить: закачиваемый, он тут же будет уходить через отверстия. Таким образом, должен быть воздух, т. к. он по всему нам подходит лучшим образом, и должен быть не воздух, т. к. он не удерживается внутри корпуса судна. Нужен видоизмененный воздух, нужна пена.
С давних времен человеком замечено, что для теплоизоляции хороша пустота в виде прослойки воздуха. В наших квартирах, кстати, этот принцип реализован в виде двойного и даже тройного остекления окон. Но всегда ли воздушная прослойка является наилучшим решением? Если немного поразмыслить о природе теплопередачи, то окажется, что этот принцип можно улучшить. Дело же здесь в том, что часть тепла переносится за счет конвекции, то есть всплывания теплого воздуха как более легкого, отсюда вывод: надо это всплывание прервать. Вот пена как раз это и делает, оказываясь лучшим исполнителем роли теплоизолятора.
Похожая ситуация и в случае со звукоизоляцией. Каждая стеночка вещества, образующего оболочку пены, многократно отражает звуковую волну, поглощает и превращает в тепло ее энергию, не позволяя вырваться наружу звуку. До сих пор мы рассматривали комбинированное вещество в виде пены. Чем оно было характерно? А тем, что пустота в ней образует замкнутые полости. Рассмотрим твердые пены и зададимся вопросом: а что будет, если вместо замкнутых полостей возникнут сквозные каналы; не будет ли такое вещество обладать какими-либо интересными свойствами? И действительно, такое вещество не только возможно, но и окружает нас повсюду. Это так называемые капиллярно-пористые материалы (КПМ). Простейшими примерами такого вещества является промокательная бумага, резиновая губка.
Но чтобы КПМ выполняла свое назначение, а в данных примерах речь идет о способности интенсивно впитывать жидкости, она должна иметь как можно более тонкие каналы-капилляры, только в этом случае поверхностное натяжение жидкости позволит ей самопроизвольно втягиваться в эти каналы.
Способность КПМ «захватывать» вещества может быть использована для соединения объектов. Предположим, к слитку надо прикрепить пластину с маркировкой. Для этого пластину, одна сторона которой пористая, кладут на дно платформы. После затвердевания металла пластина надежно скрепится со слитком.
Возникает вопрос, где и в какой последовательности следует вести поиск, а затем и рассмотрение ресурсов? В ТРИЗ принят следующий порядок, позволяющий получить результат при минимальном расходе ВПР:
•ВПР инструмента;
•ВПР внешней среды;
•побочные ВПР;
•ВПР изделия, если нет запрета на его изменение.
В этом последнем случае надо иметь в виду, что, как правило, изделие — неизменяемый элемент. Исключения возникают тогда, когда изделие может:
•изменяться само;
•допускать расходование какой-то части, когда его в целом неограниченно много;
•допускать переход в надсистему;
•допускать использование микроуровневых структур;
•допускать соединение с «ничем», т. е. c пустотой;
•допускать изменение на время.
Внутри каждой из перечисленных выше групп источников ВПР наиболее целесообразно пользоваться и
