Zostań w domu, zamów taniej!
Nie wychodź z domu i zamów online swoje ulubione pisma 20% taniej. Skorzystaj z kodu rabatowego: czytajwdomu

Vademecum Młodego Wynalazcy

Vademecum Młodego Wynalazcy
Bardzo dobrym przykładem klasycznego rozwoju nauki może być np. odkrycie Galileusza, który doświadczalnie, tocząc mosiężne kule, stwierdził, że ciało poruszające się po równi pochyłej nabiera coraz większej prędkości

Następnie, również doświadczalnie, stwierdził, że różne ciała o różnej masie spadają z jednakową prędkością - jeżeli można pominąć opór powietrza. Oznacza to, że Galileusz musiał zrzucać ze słynnej wieży w Pizie (nie jest to pewne, ale tradycja tak mówi) ciała raczej dość masywne, bo pierwsze z brzegu piórko ptasie natychmiast musiałoby ujawnić wpływ oporu powietrza.

Obydwa doświadczenia Galileusza obaliły obowiązujące do jego czasów twierdzenia Arystotelesa, który dzielił ciała na lekkie i ciężkie, ich ruchy na naturalne oraz wymuszone, i uważał, że czasy spadania ciał są odwrotnie proporcjonalne do ich ciężaru. Uważał, że ciała lekkie oddalają się od środka świata (czyli od Ziemi), a ciężkie dążą do środka Ziemi.

Galileusz na podstawie swoich doświadczeń doszedł do innych wniosków i sformułował tzw. zasadę grawitacyjną, która mówi, że w jednorodnym polu grawitacyjnym, przy braku innych sił (takich jak tarcie), wszystkie ciała spadają z jednakowym przyspieszeniem.

Galileusza można więc uważać za ojca fizyki eksperymentalnej.

Eksperyment wymaga odpowiedniego, metodycznego podejścia, a także - najczęściej - zorganizowania odpowiednich warunków, budowy stanowiska badawczego oraz posiadania odpowiedniego oprzyrządowania i ustalenia metod pomiaru. Wydaje się, że miejsce TRIZ w działalności naukowej w zakresie zwłaszcza nauk przyrodniczych może polegać na generowaniu pomysłów typu "jak to zmierzyć?”.

Bardzo wiele odkryć i ustaleń naukowych dotyczyło właśnie zmierzenia parametrów jakiegoś znanego, ale nie ujętego ilościowo zjawiska. Ogólnie znane przykłady to pomiar: przyspieszenia ziemskiego, prędkości światła, masy elektronu itd. Każdy z tych pomiarów wymagał przygotowania odpowiednich warunków.

I tak: pomiar prędkości światła - jak wiadomo - był dokonany przez Alberta Michelsona. Skonstruował on do tego celu przyrząd nazwany później interferometrem Michelsona. Pomiar prędkości światła powtarzano i Armand Fizeau w 1849 r. zmierzył prędkość światła na drodze nieco ponad 8,5 km, korzystając w tym celu z dwóch wież zamkowych i odpowiedniej aparatury. Kolejny pomiar przyprowadził Foucault w warunkach pracowni.

I właśnie ten pomiar przed laty wraz z kolegami postanowiliśmy powtórzyć w pracowni fizyki naszego liceum (tak, tak - istniały wtedy porządnie wyposażone pracownie przedmiotowe). Nie wnikając w szczegóły, kluczowym dla nas problemem było zmierzenie prędkości obrotowej malutkiej turbinki, obracającej zwierciadełko, na które padał promień światła. Obroty tej turbinki były bardzo duże. Sprzętu elektronicznego odpowiedniego dla takiego pomiaru nie mieliśmy. Metodą jednak "natchnienia” i "zwariowanych pomysłów” pomiar taki wykonaliśmy. Na osi turbinki osadziliśmy lekką blaszkę z otworem, przez który przepuszczaliśmy strumień powietrza, co powodowało gwizd. Wysokość dźwięku zależała oczywiście od obrotów turbinki z blaszką. Żeby określić częstotliwość tego dźwięku, posłużyliśmy się… skrzypcami! Po dokładnym nastrojeniu skrzypiec pociągaliśmy smyczkiem po strunie E i drewnianym klockiem skracaliśmy jej swobodną długość, aż do "zestrojenia” jej dźwięku z dźwiękiem gwizdu powietrza. Wyniki pomiaru, łagodnie mówiąc, "nieco” odbiegały

od ustaleń Foucaulta, w każdym razie prędkość światła wyszła nam powyżej 200 tys. km/s. Czy gdybyśmy wtedy znali zasady TRIZ, to by nam pomogło? Nasze resursy były naprawdę bardzo skromne. Poza jedynym "generatorem drgań”, jakim były skrzypce, nie mieliśmy nic innego. Faktem jednak, że poszukiwanie sposobu pomiaru obrotów turbinki trwało dość długo.

 

Standardy i idea

Spróbujmy sięgnąć do metod profesjonalnych i zajrzyjmy do: "Standardowych rozwiązań zadań wynalazczych” - jednego z najważniejszych narzędzi TRIZ.

Większość studentów zna metodę opracowywania różnych prac projektowych metodą "na przodka”. Mniej elegancka jej forma polega po prostu na niemal skopiowaniu jakiejś starej pracy, ale to co dzieje się w TRIZ, to wykorzystywanie podstawowych idei, jakie powtarzają się w dziesiątkach tysięcy wynalazków. Idei - to nie znaczy, że cokolwiek kopiujemy.

Wyjaśni to prosty przykład.

Metoda walcowania cienkich blach opracowana przez Tadeusza Sędzimira to skojarzenie nacisku walców z jednoczesnym rozciąganiem blachy. Metoda kucia wałów korbowych Tadeusza Ruta to skojarzenie zginania ze ściskaniem. Metoda produkcji trójników przez nacisk na odcinek rury z jednoczesnym rozpieraniem jej od wnętrza olejem pod wysokim ciśnieniem to również skojarzenie dwóch stanów naprężenia. Standard odnoszący się do podobnych sytuacji technologicznych można by sformułować jako: "zastosować skojarzony stan naprężeń”. Jest to więc na pewno podpowiedź, ale nie materiał do skopiowania.

Zajrzyjmy więc do Klasy 4 Standardów: "Standardy na wykrywanie i pomiary systemów”. Pierwsze dwie grupy to:

4.1. Drogi obejścia problemu

4.1.1. Zamiast wykrywania i pomiaru - zmiana w systemie

4.1.2. Wykorzystanie kopii

4.1.3. Kolejne wykrywanie zmian w systemie

4.2. Synteza systemów pomiarowych

4.2.1. Synteza pomiarowego wepola

4.2.2. Przejście do kompleksowego pomiarowego wepola

4.2.3. Przejście do pomiarowego wepola po zewnętrznym otoczeniu

4.2.4. Uzyskanie uzupełnień w zewnętrznym otoczeniu

 

Przykład z podgrupy 4.1.1. Zamiast wykrywania i pomiaru - zmiana w systemie

Patent Nr 471395. Piec indukcyjny do ogrzewania prądami wysokiej częstotliwości, zawierający tygiel i induktor, charakteryzujący się tym, że w celu utrzymania zadanej temperatury, tygiel wykonano z metalu ferromagnetycznego o tzw. punkcie Curie równym temperaturze zadanej.

Materiał ferromagnetyczny tygla oczywiście reaguje na prądy o wysokiej częstotliwości i piec się nagrzewa. Jeśli jednak temperatura w piecu osiągnie punkt Curie, materiał traci właściwości magnetyczne i staje się paramagnetykiem. Przestaje reagować na prąd w.cz. i piec stygnie. Po chwili właściwości materiału powracają i piec się nagrzewa. Mamy więc automatykę bez automatyki! Powstała cała rodzina stopów metali o rożnych punktach Curie, dzięki czemu w ten sam sposób można regulować różne temperatury różnych procesów.

 

Podgrupa 4.1.2. Wykorzystanie kopii

Patent Nr 350219. Kontrolę płytek z wywierconymi otworami prowadzi się, porównując żółty obraz płytki z niebieskim obrazem wzorca. Jeżeli na ekranie pojawi się żółty kolor, to oznacza, że w kontrolowanej płytce brak otworu. Pojawienie się niebieskiego koloru oznacza zbędny otwór.

Patent Nr 359512. Sposób liczenia obiektów polegający na projekcji obrazu liczonych obiektów na ekran i porównaniu go z odpowiednim obrazem wzorcowym. Charakteryzuje się tym, że w celu podniesienia niezawodności procesu liczenia obraz liczonych detali projektuje się na ekran w kolorze kontrastowym w stosunku do koloru obrazu wzorcowego.

Jak widać, bardzo podobne problemy rozwiązano w podobny sposób. Istotne jest tu użycie kopii detalu - czyli jego obrazu i kopii lub wzorca kontrolnego. Na tej zasadzie działają tzw. komparatory, czyli przyrządy do porównawczych oględzin dwóch obiektów przez dwuokularowy mikroskop. W identyczny sposób dokonuje się analiz astronomicznych: przez nakładanie obrazu utrwalonego na kliszy na obraz aktualnie obserwowany. Pojawienie się nowej gwiazdy, tzw. nowej lub komety, jest wtedy łatwo zauważalne.

 

Podgrupa 4.1.3. Kolejne wykrywanie zmian w systemie

Patent Nr 186366. Przy wydobywaniu rud miedzi metodą komorową powstają ogromne podziemne pustki - komory. Na skutek detonacji i z innych przyczyn sufit komór miejscami odwarstwia się i spada. Konieczne jest ciągłe śledzenie stanu komory i obserwacja tworzących się "jam”. Ale jak to zrobić, gdy sufit znajduje się na wysokości 15-piętrowego budynku? Przy przygotowywaniu do eksploatacji złoża metodą komorową zaproponowano zawczasu wiercić z boku nad sufitem otwory i wstawiać w nie różnokolorowe luminescencyjne substancje. Jeśli w jakimś miejscu nastąpi obryw, łatwo po kolorze luminescencyjnej substancji określić jego wysokość.

Bardzo podobnie rozwiązano problem oceny zużycia wierteł do głębokich wierceń geologicznych. Przy głębokości wiercenia rzędu 2-3 tys. m wyciąganie drąga z narzędziem na powierzchnię jest bardzo pracochłonne. Zastosowano więc sposób kontroli stanu "gryzaków” wiertła przez zainstalowanie na narzędziu maleńkich fiolek z mocno śmierdzącym gazem, np. tetrahydrotiofenem - używanym także do nawaniania gazowych sieci miejskich. Pojawienie się tego zapachu u wylotu otworu jest niezawodną oznaką, że gryzaki "poszły”.

Ideowo podobną metodą jest też określanie objętości podziemnych komór, uzyskiwanych metodą podziemnego wybuchu. Do takiej komory zasadniczo nie ma wejścia dostępnego dla personelu, można jedynie wprowadzić tam kamerę, sondę itp. Żeby określić objętość komory, wprowadza się rurę z zamocowaną na końcu syreną pneumatyczną. Następuje uruchomienie syreny i stopniowe zwiekszanie wysokości jej dźwięku. Moment, w którym nastąpi rezonans, jest charakterystyczny dla danej objętości komory. Znając częstotliwość rezonansową powietrza zamkniętego w komorze, można obliczyć jego masę, a tym samym określić objętość komory.

Podobnych przykładów da się przytoczyć znacznie więcej. Samych standardów jest 76, co wydaje się niekiedy liczbą śmiesznie małą, jednakże ogromna większość wynalazków - a są ich przecież miliony - opiera się na tych zaledwie 76 ideach wynalazczych TRIZ. Przypomina to 40 elementarnych zasad wynalazczych i ok. 30 znaków graficznych alfabetów fonetycznych. Pytanie: czy TRIZ może dopomóc nauce - jest pytaniem retorycznym. Oczywiście, że może. Jest tylko jeden warunek: trzeba dobrze znać TRIZ i wszystkie zawarte w nim metody oraz narzędzia. TRIZ się rozwija, pojawiają się już od dawna programy komputerowego wspomagania, chociaż "klasyczny TRIZ” nadal ma wartość. Nie naraża nikogo na obliczenie promienia kuli ziemskiej w wartości 10 mm, "bo tak mi wyszło z kalkulatora!!!”.

Prezes Klubu Wynalazców

Instruktor TRIZ, Jan Boratyński