6.8. «Состояние (эпс)»

К великим истинам ведёт тропа ошибок

Поль Валери

Сущность правила состоит в том, что для решения задачи необходимо изменить состояние материала объекта.

Приём ЭПС1 «Агрегатное состояние»: изменить агрегатное состояние объекта (элемента): твёрдое на жидкое, жидкое на газообразное.

Задача 6.68. Требуется нанести консервирующее вещество на стенки внутренней полости сложной формы

Решение. Предлагается продувать через полость горячий воздух, насыщенный парами консервирующего вещества. Соприкасаясь с поверхностью полости, пары конденсируются, и консервирующее вещество ровным слоем покрывает стенки в самых труднодоступных местах.

Задача 6.69. В центральной части тонкостенной трубы нужно сделать полость большего диаметра. Применить раскатывание трубы в этом месте не представляется возможным. Обычно такие детали изготавливают, штампуя две половинки детали с последующей их сваркой. Производительность такого способа очень низкая. Да и штамповая оснастка является весьма дорогостоящей.

Как быть?

Решение. Инженер А. Бадин изобрёл так называемый «ледяной пресс», использовав с детства известное нам свойство воды расширяться при замерзании. В плотно закрытую трубу под давлением подают воду. В холодильнике или на естественном морозе вода замерзает. Снаружи труба заключена в форму, соответствующую форме готовой детали. Лёд работает как пресс, давление достигает более тонны на каждый квадратный сантиметр, и стенки трубы, расширяясь, заполняют форму. При большом перепаде диаметров операцию можно повторить несколько раз, постепенно увеличивая диаметр формы. Таким способом можно делать на трубах рёбра жесткости, монтажные выступы, фланцы и др.

Задача 6.70. В длинной резиновой трубке нужно сделать несколько точных отверстий диаметром 10 мм. Резина гибкая, просверлить отверстия не удаётся. Пробовали прожигать их раскалённым прутком, ничего не вышло: края отверстия обгорают, крошатся.

Как быть?

Решение. Резина гибкая только при обычной температуре. При замораживании же она становится твёрдой и в таком виде легко обрабатывается резанием. Просверленные отверстия имеют ровную гладкую кромку.

Задача 6.71. На швейной фабрике пускали роботизированную линию. Но детали из ткани нежёсткие, захваты робота сминают их, сшивают гармошкой, получается брак. Не помогли ни прижимы, ни следящие системы с фотодатчиками. Не помогло и смачивание деталей.

- Вот если бы ткань была жёсткой, как жесть, - сказал механик, - линия бы работала как часы.

- Нет, жестяную одежду мы пока выпускать не планируем, - в тон ему ответил начальник цеха.

Где же выход?

Решение. Детали из ткани действительно нужно смачивать. А после этого заморозить. Ткань становится жёсткой, как жесть.

Задача 6.72. Никто не предполагал, какая сложная проблема возникнет перед человечеством с появлением резиновой шины, а именно: куда девать изношенные покрышки? Сжигать их нельзя, продукты горения ядовиты. Топить в озерах или закапывать в землю тоже нельзя – будут отравлены вода и земля. Просто складировать невозможно – ежегодно изнашиваются миллионы покрышек.

Изобрели способ регенерирования резины из утиля. Но это возможно только для покрышек с кордом из естественных или синтетических волокон. А для покрышек с металлическим кордом проблема до недавнего времени оставалась нерешенной.

Где же выход?

Решение. Предложено изношенную покрышку погружать в жидкий азот. Ставшая хрупкой резина рассыпается на мелкие гранулы и освобождает корд. Из гранул по известной технологии регенерируют резину, а корд идёт в переплавку.

Задача 6.73. Все пробовали конфеты в виде шоколадных бутылочек с сиропом. А как их изготавливают? Если наливать в бутылочку жидкий сироп, конфета будет непрочной. А густой сироп трудно заливать в бутылочку. Нагревать сироп нельзя – бутылочка может растаять.

Как быть?

Решение. Рассматриваемый приём нужно применить совместно с правилом ЭПН: не заливать сироп в шоколадную бутылочку, а, наоборот, замороженный в форме бутылочки сироп окунать в жидкий шоколад.

Для надёжной фиксации конца пружины предложено заливать его легкоплавким металлом. Подобную же задачу – вставить сжатую пружину в прибор - решают путём замораживания её в воде в сжатом состоянии.

Однажды известный американский физик-экспериментатор Роберт Вуд пригласил друзей на чаепитие. Но лишь гости расселись и стали размешивать чай, ложечки исчезли. На дне стакана осталось лишь несколько капель белого металла. Оказалось, что ложечки изготовлены из сплава висмута, свинца, олова и кадмия – так называемого сплава Вуда, который плавится при температуре 68С.

Стрельба по тарелочкам – увлекательный и зрелищный вид стрелкового спорта. Но после тренировки или соревнований на поле остаётся множество осколков разбитых тарелочек, уборка их достаточно трудоёмка. Если же сделать тарелочки изо льда, уборки не потребуется.

Приём ЭПС2 «Консистенция»: изменить концентрацию или консистенцию вещества; применить пасту, порошок, пену, гель и т.п.

Задача 6.74. До недавнего времени самым эффективным средством тушения пожаров была вода. Однако и у воды есть недостаток: при высокой температуре она моментально испаряется, и вновь создаётся доступ кислорода воздуха к пламени.

Как быть?

Решение. В воду добавляют 1% минерального масла и 2% полиэтилена особой модификации. При соприкосновении с огнём такой состав образует желеобразную плёнку, через которую не проникает воздух.

Задача 6.75. В цехе предложили новый способ очистки отливок от формовочной земли. Отливки помещают в ванну с водой и с помощью электрического разряда создают электрогидравлический удар. Такой способ позволил существенно повысить производительность очистки. Однако электрогидравлический удар сопровождается сильным грохотом.

-Может быть, оборудовать ванну звуконепроницаемой крышкой, - предложили технологи.

-Нет, это очень сложно, - ответили производственники. - Нужно что-то попроще.

Что бы предложили вы?

Решение. Великолепным шумогасителем является пена. Поэтому в воду добавляют пенообразующее вещество. Эффективным и дешёвым пенообразующим веществом является мыльный порошок.

Задача 6.76. В 1964 году в гавани города Эль-Кувейт затонуло судно, на борту которого находилось 6 тысяч овец. По известной технологии на подъём судна требовалось полгода. Но за это время трупы животных разложатся, может возникнуть эпидемия.

Как быть?

Решение. По предложению датчанина К.Кройера было принято решение закачать внутрь корабля пену из полистирола. 27 миллионов пузырьков подняли корабль на поверхность.

Задача 6.77. При выплавке чугуна в доменной печи образуется шлак, который сливают в ковши и увозят на шлакоперерабатывающую установку. За время транспортировки шлак охлаждается, и на его поверхности образуется твёрдая корка. Чтобы вылить шлак из ковша, в корке пробивают отверстие. Но пробивать отверстие у самой стенки ковша нельзя – можно повредить стенку. Поэтому после слива часть жидкого шлака остаётся в ковше, затвердевает, и его приходится специально выбивать из ковша.

Как обеспечить полный слив шлака?

Решение. Можно закрывать ковш теплоизоляционной крышкой. Но это сложно и дорого. По этой же причине неприемлем подогрев ковша при транспортировке. Простое и эффективное решение – использовать пену, которая является отличным теплоизолятором. Создать её просто: в струю шлака, падающую в ковш, подают воду, она превращается в пар и образует шлаковую пену, которая собирается на поверхности жидкого шлака.

Задача 6.78. Попробуйте продавить песок сквозь металлическую трубку – ничего не получится. Даже если вставить в набитую песком трубку болт и ударить молотком, песок всё равно останется на месте. Даже если стенки трубы «раздуются» от удара.

Где можно использовать такое свойство?

Решение. Явление используют для крепления в грунте тяг строительных конструкций, например, опор высоковольтных линий электропередач. Обычно для закрепления тяги применяют анкеры - стержни с отверстием, для установки которых бурят скважину, опускают в неё анкер, заливают бетоном и ждут, пока он схватится. Предлагается использовать «самозаклинивающиеся» трубки с песком: ударили, песок раздал трубку, и она прочно закрепилась в отверстии.

Ещё одно применение песку придумали французские изобретатели. Чтобы избежать аварии грузовика на горной дороге, вдоль неё выкапывают канаву и засыпают её песком. Если вдруг на спуске откажут тормоза, достаточно повернуть руль, и колёса машины плавно зароются в песок.

Французские изобретатели предложили использовать пену при аварийной посадке самолёта.

Ещё одно применение пены – защита хранящихся в резервуарах нефтепродуктов от испарения.

Приём ЭПС3 «Пористость»: заменить сплошное вещество пористым, увеличить объём пор, заполнить поры веществом с требуемыми свойствами.

Задача 6.79. В алюминиевом корпусе нужно установить стальные втулки, в которых потом нарезать резьбу. При отливке детали втулки устанавливают на дне формы и заливают форму жидким алюминием. Когда алюминий затвердеет, отливку вынимают из формы. Но при остывании отливки вследствие усадки металла втулка отделяется от алюминия. Плохо помогает и выполнение на наружной поверхности втулки бурта, канавки, конуса.

Как быть?

Решение: Втулку предлагается сделать из пористой стали. Жидкий алюминий заполнит поры и намертво соединится со втулкой.

Задача 6.80. Шлифовальный круг представляет собой пористое тело из абразивных зёрен, соединенных связкой. При изготовлении кругов массу прессуют и спекают в печи. Чем больше усилие прессования, тем меньше объём пор, тем круг прочнее. Но чем меньше объём пор, тем хуже условия резания для зёрен, труднее условия стружкообразования.

А как сделать круг с большим объёмом пор и в то же время достаточно прочный?

Решение. При приготовлении смеси в неё добавляют гранулы порообразующего вещества, например, парафина. Круги прессуют под большим усилием, а при спекании парафин выгорает. Образующиеся газы ищут выход и создают поры. Для улучшения процесса шлифования поры можно заполнить поверхностно-активным веществом – уменьшатся силы резания, теплопоглотителем – снизится температура в контакте круга с деталью, раскислителем – не будет образовываться окисная плёнка, размолотым абразивом – создаётся полирующий эффект и т.п.

Интересным представляется применение в качестве абразивного материала так называемого сферокорунда – полых абразивных зерен. При затуплении такого зерна действующее на него усилие возрастает, зерно скалывается и образует новые острые режущие кромки и поры.

Чтобы мыло не тонуло в воде, его делают пористым с замкнутыми порами.

Вот ещё несколько задач на применение правила ЭПС.

Задача 6.81. Известно, что бетон способен выдержать огромные сжимающие нагрузки, но плохо выдерживает изгибающие и растягивающие усилия. Делать же строительные конструкции из прочной стали дорого.

Как быть?

Решение известно – это железобетон: бетонные конструкции, армированные стальными стержнями (интересно, что к этой идее французский садовник Ж. Монье пришёл, укрепляя железными обручами бетонные кадки для цветов).

Широкие возможности открываются и перед метоном –металлобетоном, в которых песок и щебень соединены воедино расплавленным металлом.

Задача 6.82. Если в ёмкости для воды на садовом участке оставить воду на зиму, то лёд может разорвать ёмкость. Спускать воду не хотелось бы – весной она пригодится для полива.

Как быть?

Решение. Предлагается опустить в воду шланг, свесив его концы наружу. Вода при замерзании получит возможность расширяться, не разрушая ёмкости.

Задача 6.83. При забивании свай на верхний конец сваи надевают наголовник – металлический стакан с деревянной или пластмассовой прокладкой. Под ударами молота прокладка быстро разрушается. Если прокладку убрать, будет разрушаться головка сваи.

Как быть?

Решение. Предлагается в качестве прокладки использовать песок, причем дно стакана выполнить сферическим. Такой наголовник практически не изнашивается. Попробуйте усовершенствовать и это изобретение.

Задача 6.84. Для чернового шлифования применяют круги из крупных зёрен прочного абразива, ещё при выплавке вводя в него специальные легирующие добавки. Такие зёрна способны снимать относительно толстые стружки и выдержать большие усилия. Поэтому можно работать на интенсивных режимах шлифования. Круги для чистового шлифования, наоборот, содержат мелкие и непрочные зёрна, которые, разрушаясь, становятся ещё меньше и полируют поверхность детали. Шлифование выполняют в две операции – черновую и чистовую, что ведёт к потере производительности

Как быть?

Решение. Круг для совмещённого шлифования содержит смесь крупных, прочных зёрен с мелкими, хрупкими. Крупные зёрна снимают основную стружку, а мелкие дробятся, располагаются в порах между крупными зёрнами и зачищают риски за ними.

Итак, мы рассмотрели восемь эвристических правил решения технических задач. Эти правила, повторяем, охватывают не все возможные приёмы устранения противоречий, применяемые при решении практических задач. Но для понимания их сущности, да и для практического применения представленный объём правил и составляющих их приёмов вполне достаточен. Более глубокое изучение, с добавлением новых приёмов и с дроблением на подприёмы - это программа деятельности кружков технического творчества и школ молодых изобретателей.

Это интересно:

Мороженое на палочке запатентовал в 1924 году продавец лимонада Франк Эпперсон из Калифорнии. Он оставил на ночь ложечку в стакане с лимонадом. Ночью случились заморозки. А утром Эпперсон взялся за ложечку и увидел, что держит в руке замороженный лимонад.

Выводы

1. Одним из самых простых для усвоения и в то же время достаточно эффективным методом решения технических задач является метод «Эмпирические правила» (ЭП).

Метод включает 8 правил: