А.В. Ревенков - Учебник - Теория и практика решения технических задач (1249576), страница 23
Текст из файла (страница 23)
Раздел 2. Приемы и методы решения технических задач 104 Рис. 626. К пояснению свойств гиперболы Возможно определение гиперболы как сечения конуса плоскостью, параллельной двум его образующим. Каноническое уравнение гиперболы имеет вид хз уз — — — =1, 2 о«2 с \ 1 Г Рис. 6.21. Гиперболоиды вращения: а — лвуполостный; б — однополостный Рис. 6.22. Гиперболоиды — линей- чатые поверхности Пример 6.13. Башня Шухова. Свойство гиперболических тел образовывать криволинейную поверхносп, из прямых линий позволило выдающемуся русскому инженеру, выпускнику 1878 г.
Московского Императорского технического училища (МГГУ им. Н. Э. Баумана) В. Г. Шухову получить свою знаменитую Привилегию (патент) )х(а ! 896 «...ажурная башня, характеризующаяся тем, что остов ее состоит из пересекающихся между собой прямолинейных деревянных брусьев или железных труб, или угольников, расположенных по производя- где а и Ь вЂ” постоянные. Гиперболоид — поверхность, образуемая при вращении гиперболы. В зависимости от того, происходит ли вращение вокруг линии, соединяющей Фокусы, или вокруг перпендикулярной к ней прямой, проходящей через ее середину, получается двуполостный (рис.
6.21, а) или однополостный (рис. 6.21, б) гиперболоид вращения. Так же, как и цилиндрические и конические поверхности, однополостный гиперболоид может быть получен скольжением прямой линии (рис. 6.22). Поэтому перечисленные поверхности получили общее название линейчатых. 105 6. Поиск ресурсов при решении технических задач щим тела вращения, форму которого имеет башня, склепываемых между собою в точках Ъ пересечения и, кроме того, соединенных гори- зонтальными кольцамиа (рис. 6.23). ! Башня выполнена в форме однополостного ! гиперболоида.
Прямолинейные образующие башни, соединенные в точках пересечения, придают ей дополнительную жесткость. Если бы приняли решение делать ажурную и в то же время жесткую конструкцию башни цилиндри- ческой формы, то пришлось бы применить Рис 6.23.
Схема фраг- криволинейные стержни, изготовление кото- мента аащнн ШУхова рых является весьма трудоемким процессом. Возникли бы также сложности транспортировки и монтажа конструк- ции, значительно усложнилась увязка размеров стыкуемых элементов конструкции. Практика подтвердила инженерный расчет Шухова. В мире по- строено около двухсот подобных конструкций (маяков, башен, антенн). В СССР выдано более десятка авторских свидетельств, основанных на этом же свойстве, но принцип его использования остался неизмен- ным. Еще одним замечательным свойством гиперболоида является способность изменять бо- О' ковой профиль вплоть до цилиндрической поверхности.
Для этого прямолинейные стержни, образующие гиперболоид, соединяются с торцевыми кольцами шарнирно. При вращении верхнего кольца относительно нижнего вокруг оси Π— О' (рис. 6.24) происходит изменение формы боковой поверхности. Таким образом можно изменять форму вращающегося абразивного инструмента, сельскохозяйственного орудия или фрезы. При вращении колец изменяется угол наклона образующих к основанию. Это позволя- Рнс. 6.24.
Изменение ет выбирать оптимальный угол резания плуга, фоРмы боковой поверх- центробежной мельницы. Возможность регу- ности птцероолонла вращением колец лирования сечения и объема однополостного гиперболоида относительным вращением наружных колец нашло при- менение для изменения проходных сечений в затворах, тормозах, за- хватах, отжимающих устройствах и в других ТО. О 6.2.3. Фцзцческие эффекты В основе физических эффектов лежат явления взаимодействия веществ и полей, которые совместно с формой и временными характеристиками фазовых переменных обуславливают проявление новых системных свойств.
Раздел 2. Приемы и методы решения технических задач 106 Пример 6.14. Эффект Донлера. Из физики известен эффект Доплера, который заключается в изменении частоты колебаний (длины волны), воспринимаемой наблюдателем, если источник колебаний движется относительно наблюдателя или наблюдатель движется относительно источника (рис. 6.25). Д у и Наблюдатель Рис. 6.25.
Иллюстрация эффекта Доллара: тя — скорость Лвюкеяия источника; т, — скорость распространения волны в среде Эффект Доплера имеет чисто кинетическое происхождение. Поэтому он наблюдается для любых волн — звуковых и электромагнитных. По этому принципу работает радиовзрыватель ракет, некоторые расходомеры жидкостей. Эффект Доплера лежит в основе работы датчиков измерения скоростей источников излучений и объектов, которые отражают волны. Жидкие вещества должны быть гетерогенными — иметь границы, от которых бы отражались волны, излучаемые источником, например, твердые частицы, пузырьки газа. Пример 6.16.
Лазерное излучение. Лазер — генератор когерентного света. Идеально упорядоченная (когерентная) волна имеет строго определенные длину и частоту, плоский фронт и является идеально поляризованной. Лазерный луч может иметь в диаметре доли миллиметра и очень высокую плотность энергии. Эти свойства нашли широкое применение в микроэлектронике, послужили основой для многих лазерных технологий; сверление, резка материалов, сварка и пайка, поверхностная обработка для упрочнения, селективное осаждение слоев металла, маркировка и гравировка. Пример 6.16.
Поляризованный свет. Когда поляризованный свет проходит через кварцевую пластинку, плоскость поляризации поворачивается на некоторый угол, величина которого зависит от толщины пластинки. Известно, что толщина пластинки зависит от температуры. Сочетание этих двух эффектов дает новый ФПД вЂ” способ измерения температуры. 6. Поиск ресурсов при решении технических задач 107 Пример б.17.
Сверхпроводимость. В 1911 г. в опытах с сильно охлажденной чистой ртутью было открыто явление сверхпроводимости. Данный физический эффект характеризуется скачкообразным исчезновением электрического сопротивления при критическом значении температуры и выталкиванием магнитного поля из сверхпроводника. Этот эффект использован в ряде устройств; мощные сверхпроводящие магниты, магнитные опоры и подвески, сверхпроводящие сверхвысокочастотные передатчики и приемники, ускорители заряженных частиц и др. Еще больше предложено перспективных проектов типа магнитопланов и магнитоходов, ЭВМ на сверхпроводниках.
Сверхпроводники совершенствуются, их критическая температура повышается, практически до комнатной. Современная техника требует активно~о применения достижений фундаментальных естественных наук в инновационных разработках. В настоящее время сделаны попытки систематизации физико-технических и физико-химических эффектов [38, 117], разработаны программные продукты 1271, которые помогают пользователю в поиске нужных эффектов для синтеза физического принципа действия проектируемого устройства. Просмотр указателей и перечней физико-технических и физико-химических эффектов способствует активизации операционного мышления и помогает провести аналогию при поиске ФПД разрабатываемого устройства.
б.З. Ресурсы пространства и времени В рассмотренных в разд. 3.2 основных приемах влияния на системные свойства объекта использовались абстрактные понятия: компоненты и связи. При решении технических задач эти понятия конкретизируются понятиями вещества и поля. Ресурсами для изменения системных свойств ТО являются: введение, удаление в ТС веществ и полей для создания или разрыва связей между ними, проведение количественных изменений в свойствах веществ и полей. Однако любой ТО существует в пространстве и времени. Поэтому в дополнение к рассмотренным приемам, которые позволяют влиять на системные свойства объекта 1см. рис.
3.5), следует добавить еще два — ресурсы пространства и времени, которые также участвуют в формировании ФПД (рис. 6.2б). б.3.1. Ресурс просгпраиства При решении задачи целесообразно периодически проверять, не присутствует ли в сознании ВПИ, который ограничивает пространственный ресурс.
Практика показывает, что при решении задачи фор- Раздел 2. Приемы и методы решения технических задач 108 Рис. 626. Ресурсы лля формирования системных свойств Тон ~Я вЂ” системные свойства ТС мируется ВПИ, заключающийся в том, что решение ищется на линии, в плоскости, а ресурс пространства — в виде третьего измерения игнорируется. Пример 6.18.
Построить четыре треуюльника из шести спичек. Понятие «треугольник» ассоциируется с плоскостью, и попытки решить задачу в плоскости не увенчаются успехом. «Выход а пространство» сразу приводит к решению — построить пирамиду. К ресурсам пространства можно отнести, с одной стороны, изменение формы объекта (вещества илн поля) и, с другой стороны, взаимное расположение веществ и полей. Пример 6.19. Исследования вольтова столба В. В.
Петровым. Профессор В. В. Петров в начале Х1Х в. проводил исследования с вольтовым столбом. Ему нужен был мощный источник электрической энергии. Для этого он изготовил электрическую батарею. Между медными н цинковыми кружками располагались бумажные кружки, пропитанные электролитом, которые разделяли медные и цинковые элементы. Но вьщавливание жидкости в вертикально установленных столбах препятствовало созданию особо крупных батарей.
По проекту Петрова была изготавлена батарея, состоящая из 4200 медных и цинковых кружков. Общая длина столба составила 12 м, 109 о. Поиск ресурсов при решении технических задач столб лежал в ящиках из красного дерева. Благодаря лежачей конструкции тяжелые металлические кружки не выдавливали жидкости. Получив мощный источник энергии, Петров провел исследования, которые привели его к открытию электрической дуги. Пример 6.20.
Регулятор для дуговой лампы П. Н. Яблочкова. В начале 70-х годов Х1Х в. П. Н. Яблочков пытался решить проблему создания надежного регулятора для дуговой лампы. Угольные электроды выгорали, увеличивалось расстояние между электролами, и дуга в лампе гасла. Над этой задачей бились многие изобретатели. Дуговые лампы имели сложный механизм сближения угольных стержней, который плохо работал. Яблочков нашел оригинальное решение. Оказалось, что достаточно было поставить угольные электроды вертикально, параллельно, изолировав друг от друга каолиновой прокладкой определенной толщины.
Это решение он запатентовал во Франции в 1876 г. Однако работа лампы на постоянном токе приводила к тому, что положительный электрод (анод) выгорал быстрее катода. Это также приводило к увеличению расстояния между электродами. Такую задачу можно решить несколькими способами. Один из них — ресурс пространства. Если один из электродов выгорает быстрее, то его нужно сделать длиннее, сохранив при этом постоянный зазор.