Основы инженерного творчества(Суздальцев А.И

ра Мередит Тринг и Эрик Лейтуэйт утверждают: «Творчеству научить нельзя, однако творческими способностями наделено поразительно много людей, и эти люди могут научиться эффективно применять свой талант к решению поставленных задач [17].

Наступил XXI век, век сверхсложных проблем и сверхновых технологий, век формирования новых государств и новых революций в технике. Россия пытается выйти из глубокого кризиса и ищет свое место в мире. Обладая огромной территорией и колоссальными природным ресурсами, по продолжительности жизни Россия находится лишь на 142 месте среди государств мира (рис. В.1) [12]. Локомотивом, способным вывести страну из кризисного состояния, является научно-технический прогресс, одним из основных звеньев которого является изобретательская деятельность инженеров, ученых и студентов. И здесь уместны слова гениального конструктора самолетов О. Антонова:

«Промышленность движется вперед только благодаря изобретателям… Будь моя воля, я построил бы для них заводы, оборудовав их по последнему слову техники!»

Чтобы Россия стала развитой технической державой, нужно позаботиться о подготовке творческих молодых специалистов, в первую очередь выпускников вузов. Чтобы вовлечь их в активную изобретательскую работу, необходимо [7]:

- широко разъяснять студентам значение изобретательской деятельности, воспитывать и обучать их в духе творческих поисков;

-нужно сообщать студентам знания в области изобретательского права, научить их патентной культуре;

-замечать и поощрять успехи студентов в этой работе, морально

иматериально их стимулировать.

Следует констатировать, что по основам, методам и технологии инженерного творчества имеется достаточно большой арсенал учебных пособий и в первую очередь отечественных авторов: Половинкина А.И., Альтшуллера Г.С., Азгальдова Г.Г., Повилейко Р.П., Вочнова Б.С., Шубникова А.В., Буша Г.Я., Чуса А.В., Голдовского Б.И., Вайнермана М.И., Мелещенко Ю.С., Титова В.В., Кудрявцева А.В.

Из зарубежных авторов выделяются работы Пойа Д., Диксона Дж., М. Тринга и Э. Лейтуэйта. А вот по вопросам изобретательского права, являющимся необходимой второй частью действительно созданного изобретения, учебных пособий практически нет. Эта часть включает защиту новых технических решений охранными документами (в большинстве случаев патентами), поскольку без правовой защиты эти решения могут стать жертвами конкурентов.

10

можно отметить только книги Ежова А. П., Никифоровой Г.Л., Денисова Г. А. и «Справочник изобретателя» Дикарева В. И. [7].

Работая в течении 30 лет консультантом Орловского областного совета ВОИР по вопросам патентоведения (оформлено около 1000 заявок на изобретения), и имея более 100 своих авторских свидетельств

ипатентов, автор данного пособия пришел к выводу, что процесс получении охранного документа (патента) является не только венцом созданного изобретения, но и процессом изучения патентного права, это в свою очередь, формирует у изобретателя новые качества, в частности более быструю и более объективную ориентацию в поиске

исистемном представлении своего собственного изобретения. Другими словами, патентное право – это обратная связь, ускоряющая процесс формирования технической сущности изобретения и закрепляющая на государственном уровне юридическое право изобретателя.

Данное пособие включает в себя две взаимосвязанные и взаимодополняющие части. Первая часть «Инженерное творчество» базируется в большинстве своем на трудах Половинкина А. И. [14], на теории решения изобретательских задач (ТРИЗ) Альтшулера Г. С.[1, 2, 18] и трудах других авторов [13, 15, 23], а также на лекционном материале автора по дисциплине «Основы инженерного творчества», преподававшейся продолжительное время студентам Орловского государственного технического университета, а вторая часть – на лекционном материале по дисциплине «Основы патентоведения», преподававшейся аспирантам и адъюнктам. Многие примеры в пособии взяты автором из его собственных изобретений. Рисунок, вынесенный на обложку пособия, означает по мнению автора то, что процесс творчества и процесс получения патента на результат творчества – дело чрезвычайно тонкое, символом которого является игра в шахматы, но эти два процесса неразрывно связаны, переходя один в другой по пути развития научно-технического прогресса, символом чего являются весы и китайская мудрость.

ЧАСТЬ 1. ИНЖЕНЕРНОЕ ТВОРЧЕСТВО

ГЛАВА 1. ИСТОРИЯ НЕКОТОРЫХ ИЗОБРЕТЕНИЙ И ИЗОБРЕТАТЕЛЕЙ

12

Мир кажется кучей мусора, рассыпанного наудачу, но за игрой стихийных сил и случайностей скрывается прекраснейшая гармония.

Гераклит

Инженерная карьера потому и заманчива, что люди со средними способностями могут творить, т. е. могут испытывать счастье, доступное только одаренным людям: поэтам, музыкантам, художникам и ученым.

В.Е. Грум-Гржимайло

В настоящее время прогресс техники настолько высок, что ежедневно в различных точках земли создаются тысячи изобретений, но этот статус они принимают только в том случае, если они защищены охранными документами (в подавляющем большинстве случаев патентами), дающими право патентообладателю полностью распоряжаться данным изобретением.

Такое положение в мире сложилось не сразу, и, по мнению автора, этому предшествовало четыре исторических этапа (периода):

-период безымянных изобретений (до Архимеда);

-период именных изобретений без защиты прав;

-период промышленного внедрения с индивидуальной правовой защитой (XVII – XIX вв.);

-период массового глобального внедрения с фирменной правовой защитой (XX в.).

Сегодня просматривается тенденция получение Европатента, Евроазиатского патента, Мирового патента. Быстро развивающиеся информационные технологии бесспорно приведут к тому, что только наиболее крупные изобретения, касающиеся жизни всего человечества, будут иметь статус Мирового патента, а более мелкие изобретения останутся в статусе национального патента. Ниже рассматривается история некоторых изобретений и изобретателей в соответствии с указанными периодами.

1.1. Период безымянных изобретений

13

ним дошедшим до нас его изображением является барельеф колесницы фараона из города Ур в Месопотамии (III-е тысячелетие до н. э.). Не вызывает сомнения, что изобретение колеса произошло в два этапа. Вначале люди стали использовать катки из бревен для перемещения тяжелых камней – как оказалось, трение при этом было существенно меньше, чем при использовании простых волокуш. Затем неизвестный гений изобрел ось с подшипниками, что давало двойной выигрыш: во-первых, момент силы трения уменьшался пропорционально отношению диаметра оси к диаметру колеса, вовторых, появилась возможность подбирать обе трущиеся поверхности и сглаживать их для уменьшения трения. В качестве смазки, причем, судя по всему, очень рано, стали использовать бараний жир. Колесо со спицами появилось в Восточной Персии и в Египте (Фивы) между

2000 и 1500 гг. до н. э.

Другие крупные технические достижения еще до первой промышленной революции связаны с заменой мускульной силы человека вначале силой тягловых животных, а затем силой воды и ветра. Потребовалось немало изобретений, прежде чем человек научился в полной мере использовать силу лошади и буйвола. Первым появилось седло, много позднее – стремена. Это позволило всаднику держать оружие обеими руками. Подковы предохраняли копыта лошади от повреждений, а хомут позволил с наибольшей эффективностью использовать силу лошади, чтобы вращать ворот, тянуть повозку или плуг, который сам по себе был значительным изобретением, увеличившем площадь культивируемой земли.

Первые водяные колеса были своеобразными насосами, приводимыми в действие мускульной силой человека или животных. При вращении колеса сосуды, укрепленные по ободу, заполнялись водой внизу и поднимались вверх, где вода выливалась в желоб. Греческому мыслителю Филону Византийскому, жившему во 2-ой половине II в. до н. э., принадлежит учебник механики, в котором приводится описание колеса с широкими лопастями: поток вращал колесо и вода небольшими порциями с помощью лопастей поднималась вверх. Это изобретение послужило толчком к появлению подливного водяного колеса; значительно позднее появилось и наливное (верхнебойное) колесо, для которого требовалась большая разность уровней воды, но меньший поток. Водяное колесо по виду мало чем отличается от водоподъемного, но по сути является уже не насосом, а двигателем. Такими водяными колесами приводились в действие мельничные жернова.

15

Силой ветра, запряженной в парус, стали пользоваться гораздо раньше. Имя изобретателя паруса не известно, но искусство хождения под парусами, развивавшееся на протяжении веков, превратилось в научную дисциплину и достигло апогея в минувшем столетии. Парусный спорт до сих пор остается одним из увлекательнейших развлечений, и не исключено, что по мере уменьшения запасов нефти мы со временем вернемся к использованию крупных грузовых и даже пассажирских парусных судов, построенных на основе новейших материалов — с пластиковыми корпусами и нейлоновыми парусами. Возможно, эти суда будут в виде катамаранов с полужестко связанными корпусами.

1.2.Период именных изобретений без защиты прав изобретателей

Период, продолжительностью около двух тысяч лет, связан с именами Архимеда, Герона Александрийского и Леонардо да Винчи.

Архимеда (287 – 212 гг. до н. э.), греческого математика, жившего в Сицилии, стать изобретателем вынудили обстоятельства. Он не оставил после себя записей о своих изобретениях; на своем надгробье он велел изобразить сферу, вписанную в цилиндр, что должно было символизировать его труды по геометрии. Архимеду приписывают создание военных осадных машин, зажигательного зеркала, рычага, архимедова винта, модели движения планет и способа, позволяющего отличать золото от меди по плотности путем измерения количества вытесненной воды

Герон Александрийский (150 – 100 гг. до н. э.) также был греком, но в отличие от своих соотечественников он уже писал книги по механике. К их числу относятся «Пневматика», в которой описаны фонтаны, сифоны, пожарный насос и эолиопил (реактивная паровая турбина, которая вращалась, когда под ней зажигали огонь); книга о военных машинах; «Механика», в которой приводится описание многих механизмов, в частности своеобразного «километражного счетчика» для повозки, измерявшего пройденный путь по числу оборотов колеса, с которым устройство было связано многоступенчатой червячной передачей. Герону принадлежат также книги о водяных часах и о снятии топографических планов (в последней упоминается предшественник теодолита, прибор под названием «диоптра»).

16

Вероятно, следующим изобретателем, чьи творения столь же хорошо известны, нужно назвать Леонардо да Винчи (1452 – 1519 гг.). Человек неистощимой интеллектуальной энергии и любознательности: живописец, скульптор, архитектор и музыкант, он был также изобретателем и ученым. Леонардо создавал архитектурные проекты, руководствуясь прогрессивными санитарными нормами, разработал план орошения Ломбардской равнины, трудился над канализационными системами, предотвращением разливов реки Арно, предусматривал меры борьбы с оползнями. Его научные изыскания были тесно связаны с практическими задачами, которые он пытался решить, или, как, например, его занятия анатомией – с живописью. Свою деятельность он начал с подмастерья у искусного ювелира, скульптора и художника. В посвященном Леонардо да Винчи музее в Милане собрана целая галерея моделей машин, построенных по его эскизам: различные станки, военные машины (в том числе танк, приводимый в движение посредством нажатия рычагов; передние и задние колеса этого сооружения вращались в разные стороны).

Среди замыслов Леонардо имеется проект использования пара для метания снарядов, летательный аппарат (прототип вертолета), движимый мускульной силой человека, и другие аппараты с машущими крыльями – для их создания великий изобретатель скрупулезно изучал полет птиц. Вряд ли его создания нашли практическое применение; кое-кто из критиков склонен даже утверждать, что некоторые эскизы Леонардо да Винчи сделаны по уже известным изобретениям. Как бы то ни было, его тетради и наброски – весьма вдохновляющий пример творческой активности гениального изобретателя, многие творения которого были «изобретены» заново гораздо позже, когда появились новые материалы, двигатели и теоретические знания, необходимые для воплощения идей Леонардо в жизнь (более подробно см. прил. 1.).

1.3.Период индивидуальной правовой защиты изобретений и промышленное внедрение

Период относится к XVII – XIX вв., когда произошла первая промышленная революция, когда появились первые коромысловые паровые машины, газовое освещение, точные станки, начата массовая выплавка стали, изобретены гребное колесо и гребной винт, паровоз,

17

радио, динамит, открыто явление радиоактивности и многое другое, что затем в XX веке позволило человечеству сделать качественный скачок в развитии научно-технического прогресса во всех отраслях его деятельности: от медицины до космических полетов.

Это было время, когда изобретатель-одиночка мог рассчитывать найти и финансовую поддержку, достаточную для создания промышленного образца своего изобретения, и в случае удачи – наладить его промышленный выпуск. Препятствия, которые чинились изобретательству правительством, военными, промышленниками и рабочими, были ничуть не меньше, чем в наши дни, однако финансирование нового изобретения было по средствам отдельному бизнесмену (например, Боултону, деловому партнеру Уатта) или даже самому изобретателю, если прежде ему посчастливилось сделать кое-какие удачные изобретения (в качестве примера можно сослаться на Сименса и Бессемера, Нобеля и Теслу, Эдисона и Парсонса), последние творили уже в конце этого периода, но и им удалось собрать достаточно денег для своих разработок и в конечном счете организовать крупные компании, процветающие по сей день.

Первый паровой коромысловый (балансирный) двигатель, создание которого связывается с именами Папена и Ньюкомена, совмещал в одном цилиндре функции рабочего цилиндра и конденсатора. Ньюкомен предложил использовать струю воды для конденсации пара и создал устройство для автоматического управления подачей пара. Паровая машина, используемая для поднятия воды, была значительным шагом вперед по сравнению с ветряным двигателем, но потребляла такое количество угля, что ее КПД составлял чуть больше 1 %.

Уатт был мастером по изготовлению математических приборов у д-ра Блэка, профессора химии в университете Глазго. В 1763 году ему довелось ремонтировать модель паровой машины Ньюкомена, а уже через два года он пришел к мысли о создании отдельного конденсатора, позволявшего обходиться без охлаждения цилиндра до температуры конденсации пара в конце каждого рабочего хода. Уатту также принадлежит идея выпуска пара в цилиндр лишь в начале рабочего хода, с тем чтобы пар совершал в цилиндре работу, расширяясь до более низкого давления; для этого изобретатель применил скользящий золотник. Он придумал и цилиндр с реверсом пара. Уатт снабдил паровую машину маховиком и парораспределителем.

Деньги для своих разработок Уатт получил вначале от компании Каррон Айронуоркс, а затем от бирмингемского промышленника Бо-

18

ултона. В 1776 году он создал промышленный образец своей машины, а к 1800 году поднял ее КПД до 8 %. К 1800 году, когда истек срок его основного патента на отдельный конденсатор, Уатт установил 100 паровых насосов и 200 паровых силовых приводов. Для преобразования движения качающегося коромысла во вращение ему пришлось применить планетарную передачу, поскольку патент на использование для этой цели коленчатого вала принадлежал другому лицу (более подробно о деятельности Уатта см. прил. 2).

Следующий шаг в развитии паровых машин сделал Тревитик: к 1803 году он построил машину, работавшую при давлении пара 3 атм. За использование давления выше 1 атм. Уатт назвал Тревитика «убийцей» – у того действительно были неприятности с клапанами, а однажды взорвался котел. До тех пор пока двигатель с повышенным давлением пара не был соединен с конденсатором, его КПД был ниже, чем у машины Уатта (кстати, на железнодорожных локомотивах конденсаторы так и не привились). Однако именно двигатель Тревитика сделал возможным создание паровоза: цилиндр этого двигателя при той же мощности имел гораздо меньшие размеры. Использование конденсатора позволило в 1835 году довести КПД до 12 %, а к 1917 году КПД многоцилиндровых паровых машин достиг 16 %.

Примерно к 1880 году Отто и Дизель создали работоспособные двигатели внутреннего сгорания. Вскоре КПД этих двигателей удалось значительно увеличить за счет повышения максимальной рабочей температуры и степени сжатия, несмотря на то что при каждом цикле цилиндр охлаждался до минимальной рабочей температуры.

Изобретателем газового освещения был Уильям Мэрдок. Он работал у Боултона и Уатта и в 1782 году изобрел планетарную передачу для замены коленчатого вала. Мэрдок руководил установкой и эксплуатацией паровых насосов на шахтах Корнуэлла и построил модель паровоза с балансирным паровым двигателем. Было известно, что треть добываемых в Ньюкасле углей летуча и что при нагревании выделяется горючий газ. Мэрдок нагрел уголь в чайнике и поджег газ, выходящий из отверстий, проделанных в надетом на носик чайника наперстке. В 1792 году он устроил газовое освещение в собственном доме, а также использовал угольный газ, закачанный в бычий пузырь, для переносного светильника.

В 1802 году Мэрдок публично продемонстрировал свое изобретение, осветив газом завод Боултона и Уатта в Сохо. Несмотря на то, что Джеймс Уатт-младший отказался запатентовать газовое освеще-

19