Совместный проект журнала "Директор школы" и Лаборатории "ТРИЗ педагогика Украины"

Поиск :: Карта

Занятия ведет
Мастер ТРИЗ,
руководитель Лаборатории "ТРИЗ-педагогика Украины"
Христианского гуманитарно-экономического университета
Марк Меерович

Но сначала – решение задачи домашнего задания №6 – задачи «О запайке ампул».

Для запайки ампул с лекарством их устанавливают в квадратный ящик с ячейками (25х25=625 ампул) и на конвейере подают к газовой горелке. Горелка представляет собой трубу с отверстиями (как в нагревателях горячей воды или газовых духовках), расположенную на некоторой высоте поперек конвейера. Из отверстий вниз выбиваются языки пламени. Эти языки при прохождении ящика с ампулами пламя нагревают шейку ампулы. При нагреве шейка оплавляется, стекло стекает вниз и ампулы запаиваются, герметизируя лекарство.
Но при горении газа длина языков пламени меняется, и не все шейки ампул успевают нагреться до такой температуры, чтобы оплавиться и закупорить лекарство. Часть лекарства не герметизируется, получается брак. Можно уменьшить скорость движения конвейера, но тогда падает производительность труда. Поэтому попробовали увеличить подачу газа в горелки. Длина языков пламени увеличилась, и все ампулы стали прекрасно запаиваться. Но длинные языки пламени начали касаться и тела ампулы, в котором находится лекарство (см. рис.). А лекарство при нагреве портится, опять получается брак. Как быть?

В этой задаче определение основной функции обычно затруднений не вызывает: ОФ - запайка ампул с целью герметизации лекарства. А вот при записи принципа действия (ПД - нагрев языком пламени) обычно упускают одну очень важную деталь - не указывают, при каких условиях ОФ выполняется наилучшим образом. И тогда возникают затруднения в выборе средства устранения и, соответственно, второго нежелательного эффекта. Между тем и то, и другое будут четко определены, если в условии отметить, что 100%-ная герметизация происходит в длинном языке пламени.
Шаг 1. Техническая система для запайки ампул путем нагрева шейки ампулы длинным языком пламени состоит из конвейера, ящика с ампулами и газовой горелки с длинными языками пламени. В процессе выполнения запайки возникает нежелательный эффект НЭ1 - нагрев тела ампулы с лекарством. Чтобы устранить НЭ1 - нагрев тела ампулы с лекарством, можно использовать средство устранения СУ - уменьшить длину языка пламени. Однако при этом возникает новый нежелательный эффект НЭ2 - не все ампулы запаиваются.
Схема задачи:
ОФ - запайка шейки ампул.
ПД - нагрев шейки ампулы длинным языком пламени.
НЭ1- нагрев лекарства.
СУ - уменьшить длину языка пламени.
НЭ2 - нет полной запайки ампул.
Варианты технических противоречий в их крайних состояниях:

ТП1:   CУ ---> HЭ1 ---> НЭ2

Если уменьшить длину языка пламени, то нагрев лекарства исчезает, но появляется неполная запайка ампул.

ТП2:   CУ ---> НЭ2 ---> НЭ1

Если же длину языка пламени не уменьшать, то неполная запайка ампул не возникает, но сохраняется нагрев лекарства.

Шаг 2. Постановка изобретательской задачи:

    СУ ---> НЭ2 + НЭ1

Необходимо найти такой Х-элемент, который, не уменьшая длину языка пламени и обеспечивая тем самым полную запайку ампул, устранил бы нагрев лекарства.

Шаг 3. Определяем оперативную зону ОЗ - зону, где происходит конфликт. Для этого еще раз вспомним, что суть конфликта - в нагреве лекарства длинным языком пламени. Таким образом, конфликтная зона - это зона контакта длинного языка пламени с телом ампулы. Ситуация аналогична той, которая возникла в задаче о мешалке для расплава стали: реальной поверхностью, передающей тепло от пламени к лекарству, является стеклянное тело ампулы. И если мы сумеем отделить ту часть длинного языка пламени, которая находится ниже шейки ампулы, от соприкосновения с поверхностью тела ампулы, то лекарство нагреваться не будет.

Шаг 4. Определяем оперативное время ОВ. Это время Т состоит из времени выполнения основной функции Т3, которое полностью совпадает с временем конфликта Т1, так как нагрев лекарства происходит одновременно с запайкой ампул.

Т = T1 = T3

Как видно из проведенного анализа, в этой задаче оперативная зона делит все пространство на две части, две зоны: в одной - верхней - осуществляется реализация основной функции (запайка шейки), в другой - нижней - возникает нежелательный эффект НЭ1 (нагрев лекарства). А наличие двух зон фактически исключает возможность возникновения противоречия, так как появляется возможность эти зоны просто отделить одну от другой даже в том случае, если эти действия происходят одновременно.

Шаг 5. Физическое противоречие на макроуровне - М-ФП.
Выше отмечалось, что выполнение ОФ и возникновение НЭ1 происходят в различных частях пространства, поэтому формулирование физического противоречия на макроуровне должно устранить возникновение НЭ1 и может выглядеть так: длинный язык пламени должен касаться тела ампулы, поскольку он обеспечивает полную их запайку, и не должен ее касаться, чтобы не нагревать лекарство.

Шаг 6. Физическое противоречие на микроуровне (м-ФП), таким образом, сводится к формулированию требований к частицам, которые должны находиться в оперативной зоне:
- между телом ампулы и длинным языком пламени во время действия длинного языка пламени должны находиться частицы вещества, которые не будут пропускать пламя к телу ампулы.

Шаг 7. Идеальный конечный результат - ИКР: техническая система должна сама обеспечивать в пространстве между языком пламени и телом ампулы во время запайки наличие частиц, которые не пропустят пламя к телу ампулы.

Шаг 8. Определим свойства, которым должны удовлетворять частицы, чтобы обеспечивались необходимые по шагу 7 требования. Частицы должны:
- создавать сплошную отсекающую поверхность, через которую не сможет пробиться пламя;
- быть негорючими и нетеплопроводными;
- быть подвижными - быстро и легко появляться только возле тела ампулы (а не возле шейки!) и также быстро и легко удаляться;
- не попадать в открытые ампулы, чтобы не засорять лекарство;
- быть дешевыми.

Если требование к подвижности частиц распространить на весь ящик, то мы приходим к необходимости обеспечить наличие некоей горизонтальной плоскости из защитных частиц, расположенной как минимум на уровне лекарства в ампулах.

В систему входят, как вы помните, конвейер, ящик с ампулами и газовая горелка с длинным языком пламени. Обеспечить сформулированные на шаге 8 свойства эти элементы не могут. Поэтому попробуем по нужным свойствам подобрать подходящее вещество.

Сплошным, через которое не сможет пробиться пламя, вещество может быть либо в твердом, либо в жидком состоянии.
Негорючих и нетеплопроводных веществ много как твердых, так и жидких. Но обеспечить подвижность твердое вещество может только в том случае, если оно раздроблено до песчинок. А вот создавать с помощью песчинок ровную поверхность, да еще на нужном уровне, очень сложно, жидкость же это делает САМА. И самая дешевая жидкость - это вода.

Вся задача фактически свелась к вопросу - КАК подавать воду в ящики. Чтобы удовлетворить еще одно требование - не засорять лекарство - вода должна подаваться снизу. В идеале (ИКР!) - сама и в нужном количестве. Сделать это довольно просто: дырявый ящик нужно ставить в воду на определенную глубину. Для этого лента конвейера часть пути проходит через ванну с определенным уровнем воды. А ванна, естественно, расположена как раз под горелками с длинными языками пламени...

А теперь сравните, какую задачу вы начинали решать и какую фактически решали. Не надо? Ну не надо! Но путь к “воде” все-таки проанализируем и обобщим.

Для поиска вещества, тем более “на стороне”, нужно, исходя из основной функции, которую должно выполнять это вещество, прежде всего сформулировать главные свойства, которые обеспечат выполнение этой функции. Посмотрите, как мы искали подходящие вещества в предыдущих задачах, и, наверное, согласитесь, что чаще всего первое главное свойство связано с их агрегатным состоянием. Их всего три: твердое, жидкое и газообразное (плазму как состояние вещества рассматривать не будем). И после первого же нашего хода одна треть, а то и сразу две трети возможных кандидатов отпадает. А с ними и соответствующее число “пустых” вариантов.

А дальше нужно максимально детализировать требования к свойствам вещества. И каждое новое требование будет отбрасывать какие-то вещества, которые нужными свойствами не обладают. Так что чем полнее и конкретнее этот перечень, тем меньше число “участников”, и на площади поля, где находятся возможные решения, остаются только самые сильные и надежные. А из них выбрать можно...

А как быть, когда и внутренние ресурсы системы исчерпаны, и даже новые вещества не позволяют решить проблему? Тогда приходится создавать новую систему – с новым принципом действия. Для этого необходимо использовать законы природы (физические и химические эффекты) или применять математические зависимости.

Создание новой системы рассмотрим на примере изобретения «Свечи Яблочкова» – одного из первых устойчивых источников освещения.

Возможность использовать свечение электрической дуги в качестве источника света отметил еще в 1802 году русский академик В.В.Петров. Но прошел не один десяток лет, прежде чем дуга действительно “заработала” в прожекторах.

Впрочем, работала она плохо. Чтобы зажечь дугу, два электрода, расположенные друг против друга, сближали с помощью специального механизма. Когда дуга зажигалась, электроды разводили на расстояние, при котором дуга давала максимальную яркость. Но дуга “выгрызала” торцы электродов (на этом принципе, кстати, основана электродуговая сварка), расстояние между ними увеличивалось, и дуга рвалась - гасла.

Приходилось все время сдвигать электроды. Началась разработка регуляторов, которые сохраняли бы постоянное расстояние между электродами. Один электрод, например, все время перемещался винтом, винт вращался от пружины или отдельного двигателя. Не получалось. Дуга - ребенок капризный, стабильного режима не имеет.

“Вот и первое задание” (задача № 1): предложить идею датчика для автоматического регулирования длины дуги (желательно не забыть, что дело было 130 лет тому назад).

1) Принцип автоматического регулирования поясним на таком примере. Необходимо, например, поддерживать в помещении температуру 20 ± 1град.С. Для этого в качестве датчика температуры используется двухпозиционный термометр, который замыкает контакты при температуре 19 и 21град.С. Схема управления нагревателем строится таким образом, что при замыкании контактов “19град.С” нагреватель включается, а при замыкании контактов “21град.С” нагреватель выключается. Ваша задача - найти параметр, связанный с длиной дуги, и на его основе предложить идею датчика для автоматического регулирования расстояния между концами электродов.

Но электроды все равно сгорают, и их необходимо менять. Понятно, что чем электрод длиннее, тем реже его нужно менять. Но с увеличением длины электрода возрастает длина всего аппарата (типичное ТП, не правда ли?). Как быть? Это - задача № 2.

С этими задачами столкнулся начальник телеграфной части Московско-Курской железной дороги П.Н.Яблочков. Как-то ночью ему пришлось промучиться с прожектором на передней площадке паровоза, освещая полотно железной дороги для царского поезда. Сходя утром с паровоза, он понял, что не успокоится до тех пор, пока не сконструирует стабильный источник света.

Регуляторы долго не получались. Историки рассказывают, что решение пришло к Яблочкову, когда он вертел в руках два карандаша, сближая их и разводя. Можно предположить, что ход мысли был такой: “Дуга горит между торцами электродов. Между ними должно быть определенное расстояние. Когда часть электродов сгорит, такое же расстояние должно стать между следующими частями электродов. Потом - между следующими. И так - на всей длине электродов. Может, такое расстояние должно не стать, а - быть?! Заранее?!” И Яблочков, сведя карандаши на “такое расстояние”, поставил их на стол параллельно друг другу .

Идеальное решение: регулятора нет, а функция его выполняется! (Вообще-то это должно было быть задачей № 3...)

Но дуга на идеальное решение ответила весьма оригинально: она сбежала вниз по электродам и перегрызла их у основания! Яблочков задумался. Вы тоже - ведь это задача № 4. Когда Павел Николаевич заставил дугу спускаться “как надо”, возникла пятая задача: электрод, к которому подключали “+”, сгорал быстрее, дуга перекашивалась, ее длина опять росла, и дуга опять гасла. Здесь есть минимум 3 (!) решения, все годятся. Найти их - задача № 5.

И, наконец, шестая задача, пожалуй, самая сложная. Расстояние между электродами-карандашами было выбрано таким образом, чтобы дуга при определенном напряжении сети горела в оптимальном режиме. Но при данном напряжении и таком расстоянии дуга сама не загоралась! Для этого нужно или сблизить электроды, или увеличить напряжение в момент включения.

Сблизить электроды, как вы понимаете, просто нечем – они стоят параллельно и жестко закреплены. Обеспечивать скачок напряжения можно, но это опять-таки сильно усложняет схему и плохо отражается на работе остальных элементов цепи.

Яблочков опять нашел красивое решение: он установил между концами электродов тоненькую перемычку. В момент включения она сгорала, поджигая дугу.

Так что, свечу можно включить только один раз? Не устанавливать же перед каждым включением перемычку?!
Вопрос поставлен абсолютно правильно. Это и есть задача № 6. Предложите принципиальную идею многократного включения свечи. Хорошо бы получить ИКР...

Успеха!
 

Следующее занятие в Школе Робинзона состоится 1 июня 2005г.

(* Свои ответы на контрольные вопросы Вы можете отправить либо по электронной почте, либо напечатав их в форме, расположенной ниже. Адрес электронной почты: mark_lara@mail.ru. В теме сообщения обязательно укажите "Домашнее задание по Теме 6 курса "Формирование культуры мышления")