«После того как я всячески обдумывал вопрос, я пришел к твердому заключению: для того чтобы иметь совершенную паровую машину, необходимо, чтобы цилиндр всегда был так же горяч, как и входящий в него пар. Однако конденсация пара для образования вакуума должна происходить при температуре не выше 30 градусов...
Это было возле Глазго, я вышел на прогулку около полудня. Был прекрасный день. Я проходил мимо старой прачечной, думая о машине, и подошел к дому Герда, когда мне пришла в голову мысль, что пар ведь упругое тело и легко устремляется в пустоту. Если установить связь между цилиндром и резервуаром с разреженным воздухом, то пар устремится туда и цилиндр не надо будет охлаждать. Я не дошел еще до Гофхауза, как все дело было кончено в моем уме!»
4. Принцип асимметрии
Перейти от симметричной формы объекта к асимметричной.
Машины рождаются симметричными. Это их традиционная форма. Поэтому многие задачи, трудные по отношению к симметричным объектам, легко решаются нарушением симметрии.
Примеры. Тиски со смещенными губами. В отличие от обычных, они позволяют зажимать в вертикальном положении длинные заготовки.
Фары автомобиля должны работать в разных условиях: правая должна светить ярко и далеко, а левая — так, чтобы не слепить водителей встречных машин. Требования разные, а устанавливались фары всегда одинаково. Лишь несколько лет назад возникла идея несимметричной установки фар: левая освещает дорогу на расстоянии до 25 метров, а правая — значительно дальше.
Патент США № 3435875. Асимметричная пневматическая шина имеет одну боковину повышенной прочности и сопротивляемости ударам о бордюрный камень тротуара.
Рис. 10. Принцип асимметрии: электроды в дуговой печи сдвинуты в сторону, у загрузочного окна образовалось свободное пространство, что позволяет загружать шихту непрерывно.
Авторское свидетельство № 242325. Дуговая электропечь для плавки чугуна с боковой загрузкой твердой шихты, отличающаяся тем, что с целью создания непрерывности процесса плавления ее подина выполнена асимметрично вогнутой, расширенной к загрузочному окну (рис. 10).
5. Принцип объединения
а) Соединить однородные или предназначенные для смежных операций объекты.
б) Объединить во времени однородные или смежные операции.
Примеры. Авторское свидетельство № 235547. Рабочее оборудование роторного экскаватора, включающее ротор и стрелу, отличающееся тем, что с целью уменьшения усилия резания оно выполнено с устройством для разогрева мерзлого грунта, имеющим форсунки, смонтированные, например, на секторах по обоим торцам ротора (рис. 11).
Авторское свидетельство № 134155. Спасательное водолазное устройство для вывода на поверхность людей, оказавшихся в воздушных мешках отсеков затонувших судов, с применением шлем-масок, отличающееся тем, что с целью повышения эффективности спасательных операций, производимых водолазом, оно выполнено в виде одной или двух шлем-масок, снабженных шлангами и арматурой для присоединения к штуцерному крану, вмонтированному в водолазный скафандр, от которого производится регулирование подачи воздуха в шлем-маски (рис. 12).
Рис. 11. Принцип объединения: раньше приходилось останавливать роторный экскаватор, чтобы разогреть мерзлый грунт; теперь форсунки установлены непосредственно на роторе.
Рис. 12. Еще одно применение принципа объединения.
6. Принцип универсальности
Объект выполняет несколько разных функций, благодаря чему отпадает необходимость в других объектах.
Примеры. В Японии рассматривается возможность постройки танкера, оборудованного нефтеперегонной установкой[38]. Смысл проекта — совмещение во времени процессов транспортировки и переработки нефти.
Авторское свидетельство № 160100. Способ транспортирования материала, например табачных листьев, к сушильным установкам с помощью водяного потока в гидротранспортере, отличающийся тем, что с целью одновременного осуществления промывки табачных листьев и фиксации их цвета используют воду, нагретую до 80—85°C.
Авторское свидетельство № 264466. Элемент памяти на тонкой цилиндрической пленке, нанесенной на диэлектрическую подложку, отличающийся тем, что с целью упрощения элемента сама пленка служит шиной записи-считывания.
7. Принцип «матрешки»[39]
а) Один объект размещен внутри другого объекта, который, в свою очередь, находится внутри третьего и т. д.
б) Один объект проходит сквозь полость в другом объекте.
Примеры. Авторское свидетельство № 186781. Ультразвуковой концентратор упругих колебаний, состоящий из скрепленных между собой полуволновых отрезков, отличающийся тем, что с целью уменьшения длины концентратора и увеличения его устойчивости полуволновые отрезки выполнены в виде полых конусов, вставленных один в другой (рис. 13).
Авторское свидетельство № 110596. Способ хранения и транспортировки разнородных по вязкости нефтепродуктов в корпусе плавучей емкости, отличающийся тем, что хранение их с целью уменьшения потерь тепла высоковязких нефтепродуктов производят в отсеках емкости, расположенных внутри отсеков, заполненных невязкими сортами нефтепродуктов.
Рис. 13. Принцип «матрешки»: компактный ультразвуковой концентратор; 1 и 2 — полые конусы.
Авторское свидетельство № 272705. Устройство для внесения удобрений в почву, включающее бункер и право- и левосторонние дозирующие шнеки, отличающееся тем, что с целью регулирования рабочей ширины захвата каждый дозирующий шнек выполнен из двух ввинченных одна в другую секций (рис. 14).
Рис. 14. Еще одна «матрешка»: ширину дозирующего шнека регулируют, ввинчивая одну секцию в другую.
8. Принцип антивеса
а) Компенсировать вес объекта соединением с другими объектами, обладающими подъемной силой.
б) Компенсировать вес объекта взаимодействием со средой (за счет аэро-, гидродинамических и других сил).
Примеры. Авторское свидетельство № 187700. Способ спуска в скважину и извлечения из нее стреляющей и взрывной аппаратуры, отличающийся тем, что с целью удешевления и упрощения прострелочных и взрывных работ спуск стреляющей и взрывной аппаратуры, производят свободно под действием собственного веса, а подъем к устью скважины — с помощью встроенного в корпус реактивного двигателя.
При создании сверхмощных турбогенераторов возникла сложная задача: как уменьшить давление ротора на подшипники. Решение нашли в том, что над турбогенератором установили сильный электромагнит, компенсирующий давление ротора на подшипники.
Иногда приходится решать обратную задачу: компенсировать недостаток веса. При создании и эксплуатации шахтных электровозов возникает явное техническое противоречие: для увеличения тяги нужно утяжелять электровоз, а для уменьшения его мертвого веса следует делать электровоз возможно более легким. Группа сотрудников Ленинградского горного института разработала и успешно применила простое устройство, позволяющее снять это техническое противоречие и в полтора раза увеличить производительность рудничных электровозов: в ведущих колесах монтируется мощный электромагнит; создается магнитное поле, охватывающее колеса и рельсы; сила сцепления резко возрастает, а вес электровоза может быть снижен.
9. Принцип предварительного напряжения
Заранее придать объекту напряжения, противоположные недопустимым или нежелательным рабочим напряжениям.
Примеры. Авторское свидетельство № 84355. Заготовку турбинного диска устанавливают на вращающийся поддон. Нагретая заготовка по мере охлаждения сжимается. Но центробежные силы (пока заготовка не потеряла пластичности) как бы отштамповывают заготовку. Когда же деталь остынет, в ней появятся сжимающие усилия.
На этом принципе основана вся технология предварительного напряжения железобетона: чтобы бетон лучше работал на растяжение, его предварительно укорачивают. Это едва ли не единственный случай, когда строительная техника использует более передовые методы, нежели машиностроение. Предварительно напряженные конструкции применяются в машиностроении еще очень редко, между тем использование этого приема могло бы дать колоссальные результаты.
Рис. 15. Принцип предварительного напряжения: трубы составного вала заранее скручены в направлении, противоположном рабочей деформации.
Как, например, сделать вал прочнее, не увеличивая его наружный диаметр? Решение этой задачи показано на рис. 15. Вал составлен из вставленных одна в другую труб, предварительно закрученных на определенные расчетом углы. Иными словами, вал предварительно получает деформацию, противоположную по знаку той деформации, какую он получает во время работы. Крутящий момент должен сначала снять эту предварительную деформацию, только после этого начнется деформация вала в «нормальном» направлении. Составной вал весит вдвое меньше равного ему по прочности обычного монолитного.
