6.4 Криволинейность (эпк)

Развитие идёт не по спирали,

А вкривь и вкось, вразнос, наперерез

Владимир Высоцкий

Сущность правила состоит в том, что для решения задачи объект или его элементы должны иметь криволинейную форму.

Приём ЭПК1 «Криволинейный элемент»: перейти от прямолинейных частей объекта к криволинейным, от плоской поверхности – к сферической, от куба или параллелепипеда – к шару и т.д., увеличить кривизну, перейти от равномерной кривизны к неравномерной *.

Задача 6.33. Фасонный токарный резец – сложный и дорогой инструмент. При каждом затуплении режущих кромок его перетачивают, сошлифовывая слой материала. После нескольких переточек резец утилизируют. Чтобы увеличить срок службы резца, увеличивают размер режущей части, делают её в виде столбика. Но увеличение размеров инструмента вызывает неудобства в эксплуатации, а иногда и невозможность его установки из-за недостатка рабочего пространства.

Как увеличить число возможных переточек, не увеличивая существенно габариты резца?

Решение задачи – так называемый круглый фасонный резец, который представляет собой диск с выемкой для образования режущей кромки. В любом радиальном сечении резец имеет заданный фасонный профиль. Круглый резец позволяет производить в три раза больше переточек по сравнению со столбиковым фасонным резцом такого же размера.

Задача 6.34. Вам приходилось видеть, как рабочие передвигают тяжёлый рельс? Несколько человек поддевают рельс ломами и по команде переворачивают. Потом снова поддевают и снова переворачивают. Работа тяжёлая и опасная: если рабочий зазевается, рельс может вырвать лом из рук.

Как помочь рабочим?

Решение. Бревно или трубу такого же веса, как рельс, перекатывать значительно проще, так как они имеют круглое сечение. Вот и данную задачу предложено решить, придав рельсу на время перекатывания форму бревна. Этого добиваются с помощью двух пар магнитных накладок, у которых одна сторона выполнена по дуге окружности, а другие – по форме рельса. Пара накладок вместе с сечением рельса образуют круг, что позволяет перекатывать рельс подобно бревну.

Пример замены прямолинейных элементов криволинейными мы также видим в задаче 2.4 про Карлсона, у которого лопасти винта для уменьшения его диаметра свернуты в плоскую спираль.

А замена шестигранной формы гайки или головки болта на овальную делает её более долговечной: исключается смятие рёбер шестигранника, ключ теперь не срывается и не бьёт по рукам.

Американскому изобретателю выдан патент на круглые каблуки. Время от времени их можно поворачивать стоптанной стороной внутрь.

Приём ЭПК2 «Вращение»: перейти от поступательного движения к вращательному; использовать центробежную силу.

Задача 6.35. При тушении пожара необходимо, чтобы струя воды или специальной жидкости била как можно дальше. Для этого её под большим давлением необходимо разгонять на возможно большем пути. Но длинный брандспойт неудобен для пожарного.

Как быть?

Решение. Внутренняя поверхность брандспойта имеет спиральный жёлоб. Путь воды по жёлобу увеличивается без увеличения длины брандспойта.

Задача 6.36. При обработке плоских поверхностей на строгальном станке резец совершает возвратно-поступательные движения, снимая с заготовки стружку (так называемое главное движение), а стол с заготовкой после каждого двойного хода резца перемещается на небольшую величину (движение подачи). Недостатком такого процесса является невысокая скорость резания, так как в конце каждого хода должен быть осуществлён реверс главного движения. Кроме того, снятие стружки производится только во время прямого (рабочего) хода резца, во время же обратного (вспомогательного, или холостого) хода обработка не производится.

Выход предложил ещё в 1818 году американский предприниматель Эли Уитни. В чем состояло его изобретение?

Решение. Уитни изобрёл принципиально новый способ обработки - фрезерование, где режущий инструмент - фреза совершает непрерывное вращательное движение.

Задача 6.37. Ружьё появилось на вооружении армий различных государств ещё в 14-15 столетиях. Оно неоднократно модернизировалось, на смену аркебузе приходила пищаль, затем мушкет, потом кремнёвое ружье. Но и это оружие не могло удовлетворить требований армии: небольшая дальность и низкая точность стрельбы. И вот в 19 веке появляется винтовка, которая успешно решает эти проблемы.

В чем состоит отличие винтовки от кремнёвого ружья?

Решение. Винтовка - так называемое нарезное оружие. Внутри ствола нарезана винтовая канавка - отсюда и название. Пуля, двигаясь по стволу, получает вращательное движение.

Токарь целый день стоит у станка, не удивительно, что к концу смены у него болят и ноги, и спина. А почему бы ни поставить у станка вращающийся стул, как у пианиста?

Если при навивке пружины одновременно закручивать и проволоку, её механические характеристики заметно улучшаются.

Приём ЭПК3 «Качение»: заменить скольжение качением, применить ролики, шарики.

Характерный пример использования этого приёма – шарико- и роликоподшипники. Роликоподшипники изобрели древние греки ещё в 330 году до н.э. – они применяли их в колёсах стенобитных машин. А с падением Римской империи подшипники были забыты. Вновь их «изобрёл» и научно обосновал только Леонардо да Винчи в 15 веке, а применять их стали только с 1900 года.

Задача 6.38. В механизме подачи прецизионного станка имеется винтовая пара. Для вращения вала подачи требуется большой момент, что вызывает большие деформации в системе, существенно снижающие точность обработки. Для обеспечения необходимой точности требуется уменьшить вращающий момент в 3...4 раза. Принцип подачи инструмента изменять нежелательно.

Как быть?

Решение. Проблему решает так называемая шарико-винтовая пара. Винт и гайка имеют одинаковые спиральные канавки в виде жёлоба полукруглого сечения. В жёлобе, как в шарикоподшипнике, расположены шарики. Механизм работает как обычная винтовая пара, только трение скольжения заменено трением качения.

Задача 6.39. В цехе возникла необходимость переместить тяжёлый станок. Подогнать подъёмный кран нет возможности.

Как быть?

Решение. В 1935 году австрийский археолог Ганс Юнкер нашёл у подножия пирамиды одинаковые каменные шары диаметром 19 см. Ганс продемонстрировал, как с помощью таких шаров один человек передвигает каменную глыбу весом в несколько тонн. Позднее были найдены не только «шарики», но и «ролики» – каменные цилиндры диаметром 20 и длиной 90 см. На стенах древнеегипетских гробниц найдены рисунки, изображающие процесс передвижения огромного каменного монолита с помощью таких катков. Вот и в нашей ситуации можно воспользоваться этим древним способом. Нужно приподнять один край станка домкратом и подставить под станок цилиндрический каток. Таким же образом подставить второй каток под другой край. Теперь станок можно передвигать вручную с помощью рычагов. Третий каток подставляют под станок уже при перекатывании, затем снова первый и т.д.

Задача 6.40. При вспашке земли плугом приходится преодолевать как силу разрезания земного пласта, так и силу трения. Это требует большой мощности трактора. Если бы удалось уменьшить силу, действующую на плуг, то количество плугов при той же мощности трактора можно существенно увеличить.

Как этого добиться?

Решение. Венгерские изобретатели предложили сделать лемех плуга вращающимся. Сила трения снижается, что уменьшает и общее сопротивление при вспашке.

Задача 6.41. Турбины ГЭС работают под огромной нагрузкой. Вследствие действия больших центробежных сил в них возникают большие растягивающие напряжения. Чтобы иметь возможность воспринимать ещё большую нагрузку, желательно заранее создать в рабочем колесе турбины остаточные напряжения сжатия. Тогда они будут нейтрализовать рабочие напряжения растяжения.

Как этого добиться?

Решение. Чтобы создать в турбине остаточные сжимающие напряжения, отливку рабочего колеса при остывании вращают. В результате между наружными и внутренними зонами отливки возникают напряжения сжатия.

Непременный атрибут туриста – тяжёлый рюкзак. Зимой для его транспортировки по ровному насту применяют лёгкие санки. А почему бы не вшить в дно рюкзака тонкий стержень и приложить два лёгких пластмассовых колёсика, чтобы и летом не тащить его на спине, а там, где позволяет рельеф, спокойно катить по земле?

В 1834 году понадобилось доставить из города Валдая в Петербург 12 колоколов для Смольного собора. Самый большой колокол весил 10 тонн. Дороги в нашем понимании не было. Сметливые работники предложили обшить колокол досками, что позволило катить его с помощью 15 лошадей.

Похожая проблема возникла в начале прошлого века: нужно было перевезти стволы корабельных орудий. В.Г.Шухов (конструктор знаменитой башни – см. задачу 3.26) предложил надеть на ствол колёса, как на ось.

Это интересно:

Самым выдающимся изобретателем всех времён и народов по праву считают американца Томаса Эдисона – 1099 патентов в США и около 3 тыс. в 34 других странах. Счётчик голосов и биржевой указатель, телеграф и телефон, пишущая машинка и фонограф, лампа накаливания и механизм магнитной сортировки руды, кинематограф и аккумулятор, методы получения анилина, толуола, нафталина и других веществ, ночной бинокль и способ тушения пожаров – перечень изобретений Эдисона можно продолжать очень долго.