Ю. В. Горин ПИРОГА РОБИНЗОНА, или Размышления о применении физических эффектов и явлений при решении технических задач

Все согласны с тем, что необходимо вооружить инженеров информацией о методах творческого применения физических эффектов и явлений. Вопрос в том, как это сделать.

О том, как непроста простая физика
Инженер знает несколько сот физических эффектов и явлений, а их — тысячи. Следовательно, нужно познакомить инженеров с «малоизвестной физикой» — той, которую не изучают ни в школе, ни в вузе. Однако первые же экспериментальные семинары по ТРИЗ показали, что проблема намного сложнее. Чтобы уяснить суть дела, обратимся к задаче о шаровых молниях.
Установка для исследования шаровых молний представляет собой камеру, заполненную гелием (давление — 3 атм). Под действием мощного генератора магнитных колебаний в гелии возникает плазменный разряд, напоминающий шаровую молнию. Разряд удерживают в центральной части камеры с помощью соленоидов, расположенных вне камеры. В ходе опытов потребовалось увеличить мощность генератора. Шаровая молния стала более горячей (следовательно, менее плотной) и... всплыла. Стенки камеры начали плавиться, опыт пришлось прервать. Возникла задача: как удержать молнию в центральной части камеры?

Впервые эту задачу пришлось решать академику П. Л. Капице и его сотрудникам. Сначала попытались увеличить мощность соленоидов, удерживающих молнию «на привязи». Это ничего не дало: разряд принимал причудливую форму, от него протягивались к стенкам камеры тонкие отростки, стенки перегревались и плавились. Тогда сферическую камеру заменили цилиндрической. В сущности, пошли на полную замену установки: пришлось менять не только камеру, но и систему охватывающих ее соленоидов. Исследование было прервано на долгие недели. Наконец новую установку запустили — и снова молния стала всплывать вверх... Вот тогда Капица нашел выход из положения. Шаровая молния всплывает кверху, значит, надо сделать так, чтобы не было «верха» и «низа». Капица предложил раскрутить газ. Взяли обыкновенный пылесос, подсоединили к камере, газ стал вращаться, и молния больше не всплывала. Школьная физика! Но для ее применения потребовалась незаурядная изобретательность Капицы...
Более половины патентуемых технических решений, связанных с физическими эффектами, основаны на предельно простой школьной физике. Ее хорошо знает каждый инженер, школьные физэффекты примелькались, стали привычными. Возник своеобразный психологический барьер: размышляя над задачей, инженер зачастую вообще не вспоминает о непритязательных физэффектах из школьных учебников.
«Указатель» первоначально представлялся путеводителем по «физической экзотике». Но практика обучения ТРИЗ показала: прежде всего нужен справочник, 80—90% которого посвящены творческому применению самых простых физэффектов.
Справочник, библиотека или ЭВМ!
Еще одна задача: При электролизе водного раствора соли на катоде постепенно образуется слой металла. Необходимо отделить этот слой, не повредив катод, с которым металл прочно сцеплен. Сдирку (выразительный термин, не правда ли?) ведут вручную — труд тяжелый, малопроизводительный. Пытались наносить на катод разного рода покрытия, смазки и т. д. Результат отрицательный: ухудшается процесс электролиза, загрязняется электролит. Ваше предложение?
Электролиз — школьная физика. Но в данном случае этой физики явно не хватает, нужны какие-то тонкости, нюансы. «Указатель» охватывает лишь первую сотню физических эффектов и явлений: механические колебания, вращение, тепловое расширение, электростатику, магнетизм и т. д. Вузовская физика (курс общей физики, сопротивление материалов, специальные предметы) — это еще по крайней мере 500 физэффектов. Большую часть из них инженер когда-то «проходил», но не помнит. Какую-то часть помнит по названиям. Активно используется не более 5—7% фонда вузовской физики. В результате технические решения, основанные на этой физике, запаздывают на десятки лет. Вот типичный пример. В 1978 г. — с опозданием по меньшей мере на полстолетия — запатентован аккумулятор тепла, использующий аномальную теплоемкость ферромагнетиков в зоне фазовых магнитных превращений (а. с. 640106).
Итак, вместо компактного «Указателя» требуется многотомное издание. Разница принципиальная. Однотомник можно прочитать несколько раз и, поскольку он в основном включает хорошо известные эффекты, нетрудно запомнить главные идеи. Представления о возможностях физэффектов органически войдут в инженерное мышление, перестанут быть внешней информацией. Освоить так пять или десять томов невозможно.
Что ж, пусть информация о физэффектах остается внешней: в конце концов, можно сориентироваться и в десятитомном справочнике. Но ведь есть еще и «сверхвузовская» физика! То, что пока известно лишь физикам и отражено в специальной литературе, например, квантовые эффекты, связанные с энергетическим состоянием поверхностных электронов металла в магнитном поле. Использование этих эффектов сулит заманчивую возможность управлять скоростью химических реакций с помощью магнитных полей (Г. Кринчук и др. Письма в ЖЭТВ, т. 19, вып. 7). «Указатель», вобрав физику «сверхвузовскую», превратится в библиотеку из 40 или 50 томов...
И вот тут (или раньше?) появляется спасительная мысль: надо использовать ЭВМ! Огромная память ЭВМ вместит сведения о всех физэффектах — и школьных, и вузовских, и «сверхвузовских». А как прекрасно, как современно это звучит: банк физэффектов с использованием ЭВМ...
Из опыта Робинзона
Оказавшись на необитаемом острове, Робинзон Крузо, естественно, попытался выбраться оттуда и начал строить лодку, точнее, пирогу. «Я повалил огромнейший кедр... Двадцать дней я рубил самый ствол, да еще четырнадцать дней мне понадобилось, чтобы обрубить сучья». Месяц Робинзон потратил на придание стволу дерева внешних обводов лодки. И еще три месяца — на выдалбливание лодки изнутри. «Я был в восторге от своего произведения: никогда в жизни я не видел такой большой лодки из цельного дерева». А потом выяснилось, что нет никакой возможности дотащить пирогу до воды или подвести воду к пироге... «Одним словом,— с горечью отмечает Робинзон,— взявшись за эту работу, я вел себя таким глупцом, каким только может оказаться человек в здравом уме».
Собрать «банк физэффектов» — работа огромная, но в принципе выполнимая. А что дальше? Не произойдет ли с этим «банком» то, что произошло с пирогой Робинзона?..
Предположим, Вы — ЭВМ
Да, предположим, что Вы — ЭВМ. Вам нужно решить задачу:
Для изготовления типографских печатных форм в полиграфии применяют цинковые пластины, покрытые слоем светочувствительного материала. К такой пластине прикладывают негатив, затем вымывают незасвеченные места покрытия и заливают пластину азотной кислотой. Там, где светочувствительный слой смыт, азотная кислота «выедает» цинк, образуется рельефная поверхность — клише. Способ очень трудоемок, полученный рельеф недолговечен. Ваше предложение?
Задача ясна: вместо цинкографии необходим новый способ получения клише — простой, быстрый, экономичный. Надо использовать какой-то физический эффект. Но какой именно? ЭВМ добросовестно перебирает «банк»: электростатика? электролиз? магнитострикция? эффект Пойнтинга? фотоупругость? пироэлектричество?
Предположим, Вы — вполне современная ЭВМ. Вы быстро перебрали сотни тысяч хранящихся в Вашей памяти физических эффектов и явлений. Ну и что? Как узнать, какой эффект подходит для решения задачи, а какой не подходит? В принципе подойти может любой эффект, заранее ничего нельзя сказать...
Вернемся к цинкографии. Нетрудно заметить, что она основана на применении комплекса физических и химических эффектов. Значит, перебирать надо не только одиночные эффекты, но и бесчисленные комбинации разных эффектов. И нет никаких критериев отбора, никаких признаков, позволяющих сказать, что вот это сочетание эффектов решает задачу, а другое сочетание ее не решает.
Чтобы собрать «банк физэффектов», нужен колоссальный труд, потому что основная масса сведений рассеяна в безбрежном океане физической литературы. Каждые 10—12 лет объем сведений по физике удваивается. Придется соответственно увеличивать и объем «банка физэффектов». Впрочем, почему мы говорим только о физэффектах? «Банк» должен включать и химию, и геометрию...
Робинзон признается: у него не раз возникала мысль о том, что лодку трудно будет опустить на воду. Но он отгонял эту мысль «глупейшим ответом»: прежде сделаю лодку, а там уж, наверно, найдется способ спустить ее... Неразумно собирать «банк эффектов», предполагая, что потом каким-то образом удастся использовать ЭВМ для поиска необходимого эффекта или сочетания эффектов.
Сила анализа
Лет 15 назад основу информационного фонда ТРИЗ составляли комбинационные приемы: инверсия, дробление, объединение и т. д. В те годы не раз высказывалась мысль о том, что надо собрать побольше приемов, вложить их в память ЭВМ и заставить машину отыскивать нужный прием. Выяснилось, однако, что сочетаний приемов бесконечно много и нет критериев для выбора нужного сочетания. Развитие ТРИЗ пошло в ином направлении. Были выявлены закономерности, позволяющие анализировать задачу и шаг за шагом приближаться к искомому ответу. Аналогичная ситуация складывается ныне с фондом физэффектов. Возможность нащупать ответ на трудную задачу, вслепую перебирая физэффекты, практически равна нулю. Нужен анализ — своего рода мост между задачей и ответом.
Возьмем, например, задачу об электролизе и используем типичную для ТРИЗ операцию перехода к идеальному решению. Условия задачи не содержат претензий к самому процессу электролиза. Поэтому идеальное решение в данном случае выглядит так: в технологии электролиза ничего не меняется, но слой осажденного металла приобретает способность легко сниматься с катода. Переход к идеальному решению сразу отсекает множество «пустых» вариантов. Идеальное решение не может быть основано на «посторонних» физэффектах, полях и веществах, оно должно использовать то, что уже есть в технической системе. Следующая операция — определение физического противоречия. Между катодом и металлом должна быть легко разрушаемая прослойка, позволяющая отделять металл от катода, и не должно быть никакой прослойки, чтобы не было отступления от идеала. Быть и в то же время не быть прослойка способна лишь в двух случаях: если она является видоизменением вещества катода или видоизменением вещества металла. Тогда прослойки как бы нет (нет постороннего вещества) и она как бы есть (ее вещество все-таки чем-то отличается от уже имеющихся веществ). Условия задачи ничего не говорят о материале катода, поэтому остается одна и только одна возможность — выполнить прослойку из видоизмененного металла.
Всего две операции из богатого арсенала ТРИЗ, но мы с математической точностью пришли к ответу: между катодом и металлом находится тонкий слой того же металла, осаждается этот слой электролитически и отличается хрупкостью, непрочностью. Остается заглянуть в любое самое простое пособие по электролизу, чтобы конкретизировать ответ: «легколомаемый» слой можно получить, увеличив силу тока. В а. с. 553309 (1977 г.!) это сформулировано так: «...с целью значительного сокращения затрат ручного труда при сдирке катодных осадков и исключения загрязнения катодного осадка и электролита катод покрывают рыхлым губчатым слоем осаждаемого металла, который наносят электролитически в режиме предельного тока».
Попробуйте теперь применить этот подход к задаче о цинкографии. По условиям задачи плоха (громоздка, трудоемка) вся технология получения клише. Поэтому идеальное решение не связано с сохранением старой технологии. Есть лист вещества (не обязательно цинка!), к которому приложен негатив. Под действием света этот лист сам превращается в клише. На листе «вырастают» буквы...
Искать закономерности

В нынешней ТРИЗ четко отработан путь от исходной ситуации к задаче, затем к модели задачи и (через формулу идеального решения) к физическому противоречию. Далее накатанная дорога обрывается: переход от физического противоречия к физическому ответу пока намечен, так сказать, пунктиром. По-видимому, именно здесь должны быть сосредоточены основные усилия разработчиков.
Прокладывать дорогу между физпротиворечиями и фондом физэффектов надо с двух сторон. Необходимо искать закономерности, позволяющие вести анализ и после того, как сформулировано физпротиворечие. В то же время сам фонд физэффектов следует строить так, чтобы он наилучшим образом «стыковывался» с аналитическим аппаратом ТРИЗ. Как это может выглядеть, видно, например, из статьи о капиллярно-пористых веществах: выявлена линия развития технических систем, выделены «узлы» этой линии. Такой подход позволяет упорядочить множество казавшихся несвязанными физэффектов, «привязать» их к вещественным структурам, вскрыть логику последовательного использования физэффектов в технике.
* * *
Работа по освоению фонда физэффектов только разворачивается. Тем важнее с самого начала вести ее разумно. С учетом опыта Робинзона...