Материал подготовил Борис Злотин

Исследования истории техники и патентного фонда показали, что наиболее идеальные технические решения часто связаны с применением тех или иных специфических эффектов и явлений: физических, химических, геометрических, биологических и т.п. Таких примеров, когда некоторый эффект заменяет целую машину, сложное техническое устройство, сколько угодно. Особую эффективность применения эффектов обеспечивает практическая «безотказность»: любой механизм может сломаться, выйти из строя, но не может «сломаться», например, эффект теплового расширения, он всегда будет надежно «работать».

В семидесятых годах кандидат физико-математических наук, Мастер ТРИЗ Юрий Горин разработал первый указатель физических эффектов и явлений для изобретателей. Указатель построен в соответствии с традиционным делением физики на разделы: механика, теплота, электричество и т.п. и каждый из нескольких сотен приведенных эффектов был снабжен примерами их изобретательского применения. Позже появились указатели химических эффектов и явлений В. Михайлова и Ю. Саламатова, геометрических эффектов И. Викентьева и биологических эффектов А. Лихачева.

Сегодня в Интернете можно найти массу материалов по применению эффектов, о практическом применении некоторых рассказано в недавно выпущенной издательством КТК «Галактика» книге Б. Злотина и А. Зусман «Изобретатель пришел на урок».

Одно время в ТРИЗ возникла наивная вера что разные эффекты – главное направление развития изобретательства, и нужно их набрать как можно больше. Даже казалось, что имея списки множества эффектов можно вообще изобретать «без творчества»: нашел нужный эффект, приспособил… Простой и удобный для практики указатель Горина был дополнен множеством новых эффектов, был переведен в компьютер, потом в софтвере «Изобретающая Машина» появились тысячи эффектов… Это активно рекламировалось и привлекало людей, но практически никак не улучшило возможности решения изобретательских задач, скорее ухудшило, внеся ненужный информационный шум.

Оказалось, что эффекты следует разделить на 2 неравные группы:

• Эффекты-«специалисты» – способные работать только в узкой области, в очень специфических условиях, часто требующие для реализации сложнейшего оборудования. Например, эффект сверхтекучести жидкого гелия, эффект Мессбауэра и т.п. Эти эффекты могут использовать те, кто в этой специфической области работает, и они их, как правило, прекрасно знают. А для прочих изобретателей и инженеров это – экзотика. Интересная, но почти бесполезная.
• Эффекты-«солдаты» – пригодные для использования в разных областях, вроде теплового расширения, фазовых переходов, действия токов и электромагнитных полей, кислот и щелочей, эффектов, связанных с нелинейностями разных материалов, преобразованием полей и т.п. Одним наших открытий стало, что большинство этих «солдат-эффектов» обычный образованный инженер знает – из общего курса физики, из материалов по собственной профессии.

При поиске требуемых для решения инженерно-изобретательских задач эффектов можно использовать обычные источники информации: научную литературу, специализированные базы данных, огромное количество доступной для использования информации по эффектам. По-прежнему, лучшим источником информации остаются широко образованные, эрудированные и опытные специалисты, к которым можно просто обратиться с вопросом: «Как можно сделать вот это?». Интернет очень расширил такую возможность за счет разных форумов и социальных сетей типа Linkedin. Все это сделало почти ненужными специальные указатели эффектов. Главным вопросом стало не то, как найти новый и неизвестный эффект, а то, как понять, какой из известных эффектов можно использовать для решения задачи.

Поиск нужных эффектов

В середине восьмидесятых годов В. Митрофановым, Ю. Саломатовым и С. Литвиным была предложена система поиска физических эффектов для изобретательства, сутью которой было формирование "портрета эффекта" (физического, химического, геометрического, биологического и т.п.), который нужен для решения задачи. 

1. Действия и/или изменения, которые нужно произвести, функции, которые должны выполняться для решения задачи.
2. Объекты, над которыми должны быть проведены указанные действия или которые должны создавать описанные функции. 
3. Ресурсы системы, которые можно попытаться использовать для получения нужного эффекта.
4. Ограничения. Что недопустимо, нельзя использовать или допустить, и почему.
5. Техническая область, где решаются такого рода задачи или выполняются наилучшим образом соответствующие функции.
6. Научная область, в которой искомый эффект предположительно может быть. Часто это можно определить по полям, (См. Перечень) или по параметрам, которые вошли в физическое противоречие¹.

«Портрет эффекта» строится по форме:
«Разыскивается эффект», способный осуществлять (действие или изменение, или функция из п. 1) с объектом или объектами (указать по п. 2), используя ресурсы системы (указать по п. 3) при условиях (указать по п. 4).

Предполагаемые «области поиска»: 

• Техническая (указать область техники по п. 5)
• Научная (указать область науки по п. 6)

Если не удается найти один эффект, который мог бы реализовать нужный "портрет эффекта", то необходимо построить цепочку эффектов.

Физические эффекты

Несмотря на то, что очень многие физические эффекты могут быть использованы в изобретательской практике, «физических» изобретений в патентном фонде относительно мало. Плохо используются даже всем известные эффекты из школьной программы, не говоря уже об открытых сравнительно недавно эффектах аномально низкого трения, ультразвуковом капиллярном эффекте, эффекте Александрова и других. Общее количество разного рода эффектов почти не ограничено, но большая часть из них работает в очень узких и специфических областях,и отлично известна специалистам из этих областей, но почти бесполезна для «широких масс изобретателей».

Задача². На наши занятия по ТРИЗ с детьми нередко приходили гости – ученые-изобретатели… Один из начал рассказ с задачи:
«В печи для обжига цемента исходное сырье – шихту – нагревают горящим газом. Для получения цемента высокого качества необходимо точно контролировать температуру шихты. Это делали с помощью специального прибора – оптического пирометра, определяющего температуру по цвету свечения раскаленного тела. Однако оказалось, что прибор показывает температуру не шихты, а горящего газа. Встала задача: как измерить температуру самой шихты?».
Тут Изобретатель обратился к ребятам: «А что бы вы предложили?».

В нашем «кабинете ТРИЗ» стоял целый шкаф с разными справочниками и учебниками³, ребята в них часто рылись, но больше всего и ребята и преподаватели любили маленький и очень удобный «Справочник по элементарной физике» Кошкина и Ширкевича. Из него быстренько узнали, что для измерения температуры среди прочих эффектов рекомендуется использовать спектры излучения. Причем, у твердых веществ спектр излучения сплошной, а у газов (то есть у пламени) – линейчатый, состоящий из ярких полос, чередующихся с темными.

Сразу двое ребят предложили измерять температуру в зонах, где нет полос от пламени. Изобретатель немного опешил: он и его лаборатория потратили массу времени, чтобы прийти к этой идее. Но радость ребят быстро остудил – это только кажется, что решить легко. А вот на практике оказалось, что очень трудно найти светофильтры, «вырезающие» из широкого спектра нужный участок. Подходящие фильтры удалось найти только у астрономов, которые работают с звездными спектрами и стоят они очень дорого, так что массовое внедрение невозможно…

И тут один из ребят неуверенно сказал: «А вот в учебнике картинка есть, спектр раскладывается призмой в линию… А можно просто закрыть ненужные части спектра и мерить только там, где нет линий от пламени?». Вот тут наш гость был поражен в самое сердце… Да как же так… Почему же мы до этого не додумались?

Почему не додумались… Типичная ситуация, которая, к сожалению, часто случается при неорганизованном поиске нового. Перевалив через высокую гору, то есть решив сложнейшую задачу, путешественник-изобретатель застрял перед следующей маленькой горкой, даже не попытавшись через нее перебраться, не понимая, что перед ним просто новая задача, которую совсем нетрудно решить, если только отнестись к ней именно как к обычной технической задаче, а не организационной, снабженческой и т. п. (см. также статью «Вторичные задачи»)

При решении измерительных задач необходимость использования различных физических эффектов проявляется особенно ярко. По сути дела, все они сводятся к одной проблеме: получить информацию о состоянии имеющихся в системе веществ или полей. Причем эта информация должна быть представлена в виде легко обнаружимого поля, то есть поля, непосредственно воздействующего на органы чувств человека, либо на простейшие приборы, например: компас, электроскоп, термометр.

Задача. Транспортный самолет может, как и другие самолеты, передвигаться по земле с помощью своих двигателей, в том числе иногда и задним ходом, за счет реверсирования потока газов. При этом иногда возникает очень опасное явление - смерч, способный поднять в воздух и втянуть в двигатель увесистый камешек. Специалисты фирмы, строящей эти самолеты, придумали разместить непосредственно под двигателем трубку, через которую можно потоком воздуха «сдувать» смерч, используя имеющийся ресурс - воздух под давлением, создаваемым компрессором, имеющимся на самолете. Но эксперименты показали, что имеющегося давления для этого не хватает. Как быть?

Намек на решение был совершенно очевиден: смерч, втягивающий камни в двигатель, возникает при небольшом давлении, но весьма стоек. Нельзя ли использовать имеющееся небольшое давление для создания «защитного» смерча, который будет разрушать вредный? Вихревое кольцо (тороидальный вихрь) которое многие видели, а кое-кто и сам умеет производить из сигаретного дыма или с помощью детской игрушки «Zero Blaster» – этот вихрь долго не рассеивается и способен передать довольно большой импульс энергии. Если вместо простой трубки, дующей сжатым воздухом, на двигателе разместить вихревой генератор вроде этой (↓) игрушки, проблема смерчей исчезнет.

Когда при анализе мы пришли к идее использования вихревых колец, руководитель группы специалистов буквально схватился за голову: «Это же любимая игрушка моего сына, я ее каждый день вижу, как же мне в голову не пришло…».

Опять то же самое: «В голову не пришло». Множество людей изучало в школе физику, читало о самых разных физических эффектах – и не могли их использовать. Нужно формировать в голове свои собственные «склады памяти», и нужно учиться рассматривать любые эффекты и явления как «потенциальные» или «виртуальные» ресурсы, которые не просто «лежат на складе», а в любой момент могут быть «мобилизованы на работу».

Химические эффекты

По сравнению с «физическими», «химические» изобретения встречаются еще реже. Но и здесь тоже возможны красивые решения. Например, в 1928 году при исследовании разрушения деталей стиральных машин был открыт «Эффект Ребиндера» – понижение прочности твёрдых тел в среде с высоким поверхностным натяжением. Целенаправленное применение этого эффекта позволило создавать специальные жидкости, облегчавшие механическою обработку самых разных материалов. Так, некоторые нержавеющие стали, которые очень трудно сверлить в обычных условиях, идеально сверлятся через слой расплавленного свинца или олова.

Примеры. Забавная история случилась на заводе «Электросила» более 50 лет назад. Большую деталь из титанового сплава не удавалось обработать на токарном станке – при любых режимах резания сильно портилась ее поверхность. Директор завода, который в молодости работал токарем, заявил: «Вы все неумехи, вот я пойду и сам обработаю». И пошел. И обработал без проблем! Когда директор ушел, технологи буквально набросились на токаря. Тот долго отмалчивался, но, когда ему наобещали разные кары и вознаграждения, открыл бачок для смазочно-охлаждающей жидкости. Он как раз собирался немного выпить, но увидев идущую к станку толпу начальства, быстро сунул «маленькую» в бачок, но немного не рассчитал и разбил почти полную бутылку… Оказалось, что добавка спирта обеспечивает отличное резание этого сплава. Эффект Ребиндера в действии!

Химические реакции – очень сильный инструмент, способный разрешить противоречия типа: вещество должно быть, чтобы… И его не должно быть, чтобы…

Пример. Мы работали с очень перспективным проектом создания суперконденсаторов на основе тончащего микропровода в стеклянной оболочке. Идея была проста: набрать из отрезков микропровода пакет, половину соединить с одним электродом, половину – с другим, и получится мощнейший конденсатор с огромной емкостью (емкость тем больше, чем больше проводников, и чем ближе они друг к другу расположены) и очень высоким  напряжением (стеклянная изоляция позволяла выдержать несколько тысяч вольт). Вот только как сделать так, чтобы проводники присоединялись к электродам с разных сторон? Механически это оказалось невозможным – эти проводники слишком тонки.

Типичное противоречие: в микропроводе должно быть электропроводное вещество, обеспечивающее контакт с электродом с одной стороны, и не должно быть электропроводного вещества, обеспечивающего контакт с электродом с другой стороны… При анализе задачи мы обнаружили интересный ресурс – проводники можно выполнять из разных металлов. А значит на них будет действовать разные химикаты.

Была предложена следующая технология.

Наматывается катушка из многих тысяч витков двумя параллельно идущими микропроводами: из меди и никеля. Катушка разрезается, и получается пакет из многих тысяч микропроводов, в котором медь и никель постоянно чередуются. Теперь катушка опускается одной стороной в растворитель никеля, потом другой стороной – в растворитель меди. Потом легко припаять к каждой стороне электроды – конденсатор готов.

Геометрические эффекты

Мало используют изобретатели и геометрические эффекты. А геометрия, например, позволяет осуществлять согласование-рассогласование форм, обеспечивать оптимальное взаимодействие инструмента с изделием и т. д.

Задача. В бумажном производстве используются окорочные машины, представляющие собой огромные (диаметром в несколько метров) вращающиеся барабаны. Снаружи барабан охвачен несколькими обручами, лежащими на катках, благодаря которым он поворачивается. Обручи должны плотно охватывать барабан, чтобы он не проскальзывал, но при необходимости они должны легко сниматься. Как быть?

Противоречие разрешается просто: с помощью клиньев, расположенных встречно по окружности барабана и обруча.

Биологические эффекты

Появляются в патентном фонде и изобретения с использованием биологических эффектов.

Задача. Отпечатки пальцев, оставленные преступниками, фиксируют, посыпая поверхность предмета графитовым порошком, который потом сдувают. Мельчайшие частички порошка, прилипая к следам жира, оставленным пальцами рук, повторяют форму папиллярных линий. Но таким образом нельзя снять отпечаток с ворсистого или липкого материала – порошок будет прилипать в любом месте, а не только там, где оставил отпечаток преступник. Как быть?
Идеальное решение: линии сами становятся видимыми. Но для этого они должны «потолстеть» в тысячу раз. Что может расти само? В первую очередь, живое вещество. Недавно был выведен сорт бактерий, которые активно размножаются, питаясь кожным жиром. Кусок ткани со следами пальцев орошают культурой бактерий и помещают в термостат. Через некоторое время ясно видны колонии бактерий, «выстроившиеся» вдоль папиллярных линий.

При наших консультациях и решении практических задач, связанных с бизнесом, менеджментом, логистикой, обучением и т.п. мы нередко обращаемся также к психологическим и социальным эффектам, но этот материал мы изложим в будущем.

1. Физическое противоречие – так в классической ТРИЗ называли «противоречие свойств».

2. Большинство задач для статьи взято из книги Б. Злотина и А. Зусман «Изобретатель пришёл на урок».

3. Дело было задолго до появления Интернет, сегодня было бы ещё проще.