Достижению ИКР препятствуют природные процессы. Это и обуславливает физическое противоречие.
ФП: вода в проруби должна замерзать, так как взаимодействует с холодным воздухом, но она не должна замерзать, чтобы не пробивать ломом каждый раз прорубь (не ломать лед).
Следует подчеркнуть, что формулировка ИКР и ФП определяет направление поиска решения — не разрабатывать устройство для прорубания, а не допускать замерзания воды.
Изменение системных свойств рассматриваемого объекта можно сделать введением дополнительных компонентов (веществ или полей).
Какие вещества и поля можно ввести в систему, чтобы вода не замерзала?
Какими свойствами должны обладать эти вещества?
Какие ресурсы можно почерпнуть из НС?
Возможные решения
В лед вмораживают металлическую трубу (рис. 7.2.) Нижние слои воды более теплые. Металл хорошо проводит тепло.
Рис. 7.3
На поверхность воды, в трубу наливают жидкость с низкой температурой замерзания, которая не смешивается с ней и легче воды (например, бензин, керосин, масло).
Труба дает еще один эффект — при наличии течения не вымывает эту жидкость.
Для уменьшения конвективного теплообмена с воздухом прорубь можно накрыть крышкой из теплоизоляционного материала (например, из пенопласта) или палаткой.
Задача 7.5. Из замкнутого резервуара с непрозрачными стенками в химический реактор поступает агрессивная и ядовитая жидкость. Требуется измерять скорость истечения этой жидкости, однако никаких измерительных устройств на пути этой жидкости ставить нельзя (рис. 7.3).
Состав системы: резервуар, расходный трубопровод, агрессивная и ядовитая жидкость.
Задача на измерение, обнаружение.
ТП: Измеряющее устройство должно быть для осуществления контроля расхода жидкости, но его нельзя установить внутри расходного трубопровода.
Переход от ТП к ФП в этой задаче встречает определенные трудности. Это связано с тем, что в условии задачи не объясняются причины
Рис. 7.4
запрета устанавливать его в потоке жидкости. Вероятно, что детали измерительного устройства не могут вступать в контакт с жидкостью.
Следовательно, нужно поискать обходные пути.
Здесь можно наметить два пути решения проблемы.
Измерительное устройство (ИУ) поставить снаружи расходной трубы.
Вместо прямого измерения попытаться применить косвенное измерение. То есть измерять не расход жидкости, а какой-то другой параметр, по которому можно было бы определять расход.
Можно ли ИУ поставить не на расходную трубу, а в другое место?
Рассмотрим первый путь.
Если измерительное устройство поставить снаружи расходной трубы, то пока непонятно, как измерять расход, на каком физическом принципе действия может работать такое устройство.
В трубопроводе имеется жидкость. Надо измерять некоторые свойства этой жидкости, в частности, ее скорость. Измерительное устройство и жидкость разделены стенкой трубы.
Если измерять свойство вещества нельзя прямым контактом, значит, нужно использовать поля, которые могут проникать сквозь стенку трубы. Такими полями могут быть звуковые и ультразвуковые, электромагнитные волны.
Из физики известен эффект Доплера — изменение частоты колебаний, воспринимаемой наблюдателем при движении источника колебаний. Применяется для измерения скорости потока гетерогенных (неоднородных по составу) тел.
ФП: Для применения эффекта Доплера в трубе должна быть гетерогенная среда, но из резервуара течет однородная жидкость.
Как сделать поток гетерогенным? Очевидно, нужно ввести в систему еще одно вещество.
Возможные решения
Ультразвуковыми колебаниями создать явление кавитации или вдувать в расходную трубу газ, например, воздух, чтобы по трубе перемещались пузырьки. Использовать эффект Доплера.
Устройство сложное.
Рассмотрим второй путь — косвенное измерение.
Для решения задачи нужно понять, как изменяются связи между компонентами системы, когда происходит истечение жидкости (рис. 7.4).
Рис. 7.5
Из задачи понятно, что при истечении жидкости взаимодействия между резервуаром и расходным трубопроводом 1, а также между жидкостью и расходным трубопроводом 2 не изменяются. А взаимодействия между жидкостью и резервуаром 3 изменяются — уменьшается уровень жидкости. Каким образом можно использовать это обстоятельство?
Очевидно, измеряя скорость изменения уровня жидкости, можно получить скорость жидкости в расходной трубе. Для этого достаточно знать, как меняется площадь поперечного сечения резервуара по высоте.
Если вводить вещества в контакт с агрессивной жидкостью нельзя, значит, нужно использовать поля, например, ультразвуковое для измерения положения границы раздела между жидкостью и воздушной прослойкой в резервуаре. Можно использовать оптические методы.
Кроме того, нужно посмотреть, какие еще свойства изменяются при уменьшении уровня жидкости.
Изменяются вес резервуара, объем воздуха над жидкостью. Значит, можно производить измерение этих параметров.
Возможное решение
Вместо скорости истечения агрессивной жидкости измерять скорость поступления воздуха в резервуар. Для повышения точности измерения, возможно, придется контролировать еще давление воздуха внутри резервуара, атмосферное давление, а также температуру воздуха.
Задача 7.6. При приземлении самолета можно наблюдать, что в момент касания колес с бетонным покрытием аэродрома появляется легкий дымок. Это результат динамического взаимодействия резины колес с аэродромным покрытием, который приводит к интенсивному износу покрышек. Как устранить это явление?
В этой задаче формулировка противоречий не столько помогает выйти на тот или иной прием его разрешения, сколько помогает глубже вникнуть в суть явления и осуществить целенаправленный поиск решения.
Состав системы: шасси, колесо самолета. Надсистема — воздух, бетонное покрытие.
Конфликтующая пара: колесо самолета и бетонное покрытие.
Анализ явления. Посадочная скорость самолета большая. В момент касания бетонного покрытия колесо неподвижно. Из-за большого момента инерции оно не может мгновенно раскрутиться и какое-то время скользит. В этот момент происходит значительное истирание покрышки.
Износа покрышки не будет, если нижняя точка колеса будет иметь такую же скорость, что и самолет.
Следовательно, нужно устройство для раскручивания колеса, но такое, которое бы не усложняло систему, чтобы его масса, габариты и энергоемкость стремились к нулю.
Например, ставить на каждое колесо двигатель для его раскручивания недопустимо — это значительно усложняет конструкцию, увеличивает вес конструкции.
ТП: Если на шасси установить специальное устройство для раскручивания колеса, то это усложнит систему, но устранит нежелательное явление — износ покрышки.
ФП: Устройство для раскручивания колеса должно быть. И его быть не должно, чтобы не усложнять систему и не увеличивать ее массу.
ОЗ — колесо, покрытие взлетно-посадочной полосы (ВПП), ОВ — момент касания ВПП и время, когда самолет идет на посадку.
Следуя принципу идеальности, нужно при минимальных усложнениях в системе обеспечить требуемое свойство.
Значит, нужно попытаться использовать имеющиеся ресурсы в рассматриваемой ТС или НС.
Во-первых, найти энергию, и, во-вторых, найти способ ее использования для преобразования в механическое движение — вращение колеса.
Здесь целесообразно сформулировать ИКР.
ИКР: Колесо само раскручивается до встречи с бетонным покрытием.
Самолет идет на посадку с большой скоростью, торможение происходит за счет аэродинамических сил. Таким образом, имеется бесплатная энергия — скоростной напор воздушной среды (рис. 7.5, а). Как его можно использовать для раскручивания колеса?
Если свободно подвешенное на оси колесо находится в воздушном потоке, то из-за симметричности обтекания оно вращаться не будет.
Рис. 7.6
Получаем ФП: Колесо должно вращаться, чтобы в момент касания оно не скользило по бетону, и оно не будет вращаться, так как нет условий для возникновения крутящего момента.
Значит, нужно создать крутящий момент. Из приведенной схемы видно, что при симметричном обтекании момента не возникает. Следовательно, нужно сделать так, чтобы сумма аэродинамических сил, действующая на нижнюю часть колеса, была больше, чем на верхнюю часть.
Выберем изменяемый элемент. Очевидно, что он должен быть на самолете. Это может быть либо элемент рассматриваемой системы, то есть колесо, либо ближайшей надсистемы, в которую входит колесо, то есть шасси.
