Что вы можете предложить?

Упражнение 3.3. В приведённых ниже задачах выявите физические противоречия и попытайтесь разрешить их с помощью приёмов РПП.

Задача 3.39. Для подавления пыли в горных выработках используют водяную завесу в виде тумана. Однако туман ухудшает видимость и вреден для здоровья. Увеличение же величины капель снижает эффективность поглощения пыли.

Как быть?

Решение. Имеем физическое противоречие: капли должны быть мелкими, чтобы эффективно поглощать пыль, и крупными, чтобы не препятствовать нормальному дыханию шахтёров. Применим приём РПП2 «Разделение функций». Создадим завесу из двух слоёв. Внутренний, контактирующий с пылью, будет состоять из мелких капель, а наружный, обращённый к людям – из крупных капель. Каждый слой оптимально выполняет свою функцию.

Задача 3.40. Обмотки электрических машин закладывают в пазы, сделанные в железе статора, и плотно прижимают пластмассовыми вкладышами, имеющими в сечении форму ласточкиного хвоста. Если вкладыш выполнить по размеру паза, он будет надёжно удерживать обмотку, но его трудно вставлять, приходится применять молоток, что может стать причиной повреждения обмотки. Если же вкладыш выполнить с зазором, то вставить его несложно, но крепление не будет надёжным, возможны вибрации обмотки.

Как быть?

Задача 3.41. Вернёмся к задаче 2.7. Для снижения температуры шлифования на поверхности шлифовального круга предлагается сделать пазы. Но такой круг будет работать с ударами, он будет быстро изнашиваться, обработанная поверхность будет волнистой.

Как избежать ударов? Применяя разные приёмы РПП, вы сможете получить и разные решения.

Задача 3.42. Вернемся к задаче 2.6. Мы решили её путем разделения режущей кромки на два участка: участок с малым углом в плане j, прилегающий к вершине резца, и участок с большим j. Но теперь вместо плоской стружки, которая свободно завивалась в спираль, мы имеем корытообразную стружку, завивание которой затруднено. При больших значениях подачи стружка имеет вид прямого стержня, она мешает работе и представляет опасность для станочника.

Как быть?

Задача 3.43. Маленьких детей полезно купать с раствором морской соли или с травяным настоем. Детской ванночки нет. А при купании ребёнка во «взрослой» ванне расход соли и настоя получается неоправданно большим.

Как его уменьшить?

Задача 3.44. Трубы в топках испытывают атаку коррозии с двух сторон: изнутри они разъедаются паром, а снаружи – горячими газами. Пару хорошо противостоит углеродистая легированная сталь, но она не выдерживает высокой температуры пламени. Жаропрочная же сталь хорошо противостоит нагреву, но разрушается под действием водяного пара.

Из какой же стали делать трубы?

Задача 3.45. Охлаждение зоны обработки при шлифовании осуществляют струёй СОЖ. Если поливать зону контакта шлифовального круга с обрабатываемой заготовкой свободной струёй, то воздушный поток, образующийся вокруг быстро вращающегося круга, будет отбрасывать СОЖ от зоны контакта. Повышение же давления струи СОЖ вызывает резкое увеличение расхода СОЖ, а также приводит к необходимости создания специальных устройств, защищающих станок и рабочего от разбрызгивания СОЖ.

Как быть?

Задача 3.46. Сварка трением – один из самых простых способов соединения металлических деталей. Одну деталь закрепляют неподвижно, а другую быстро вращают. Как только детали соприкасаются, в месте контакта температура резко повышается, металл расплавляется. В этот момент детали сжимают, и они свариваются.

А теперь представим ситуацию: в цехе нужно смонтировать трубопровод из 10-метровых труб. Станок для вращения труб не помещается в цехе. Демонтировать оборудование нельзя – сложно и дорого, придётся останавливать производство. Можно сварить трубопровод из коротких труб, например, метровых – для их вращения достаточно небольшого станка. Но это тоже удорожает монтаж, к тому же увеличение числа швов снизит надежность трубопровода.

Как быть?

Задача 3.47. При обогащении руды исходные продукты подают в наполненную жидкостью открытую цилиндрическую камеру. Жидкость вспенивают, и пена, несущая частицы руды, перехлёстывает через край камеры. Для снятия пены используют лопастное устройство, расположенное над камерой: вращаясь, лопасти смахивают пену. При этом лопасти постепенно раскручивают и жидкость в камере, а это затрудняет отделение руды от пустой породы.

Как предотвратить вращение жидкости в камере, не мешая лопастям смахивать пену?

Задача 3.48. При сверлении глубоких отверстий специальным сверлом СОЖ подают к зоне обработки по стружечным канавкам. По этим же канавкам навстречу потоку СОЖ отводится из зоны резания стружка. Она препятствует движению СОЖ, выбрасывает её из отверстия. Кроме того, стружка горячая и, двигаясь в потоке СОЖ, она нагревает жидкость. Поэтому если какая-то часть жидкости и попадает в зону обработки, она уже сильно нагрета, и её охлаждающая способность снижается.

Как облегчить попадание СОЖ в зону резания, не снижая при этом её охлаждающей способности?

Задача 3.49. Резьбу в сквозном отверстии нарезают метчиком. Стружечные канавки метчика имеют наклон, вследствие чего стружка выходит из отверстия впереди метчика. Глубина канавки рассчитывается из условия помещаемости стружки. При недостаточной глубине канавки стружка в канавке уплотняется, «пакетируется», полностью забивает канавку, метчик тормозится, что может привести к его разрыву. Если канавку сделать глубокой, то уменьшится диаметр сердцевины метчика, что также может привести к его разрыву вследствие больших сил трения на калибрующей части метчика.

Как быть?

Задача 3.50. Из всех режущих инструментов наименьший период стойкости имеют свёрла – всего несколько минут. Частая смена инструмента приводит к большим потерям времени.

Как увеличить период стойкости хотя бы в два раза?

Задача 3.51. Резьбу в отверстии можно нарезать метчиком. Но при резании, как мы знаем, перерезаются волокна металла, резьба имеет недостаточную прочность. Можно изготовить резьбу пластическим деформированием при помощи метчика-раскатника. Прочность такой резьбы будет значительно выше. Но при деформации возникают большие усилия, которые могут привести к скручиванию инструмента. Поэтому на практике нарезают сначала метчиком резьбу неполного профиля, которую затем упрочняют при помощи метчика-раскатника. Но такая обработка в два раза менее производительна.

Как быть?

Задача 3.52. Черновое шлифование выполняют крупнозернистыми кругами из высокопрочного абразива. Чистовую обработку производят мелкозернистыми кругами из хрупкого абразива. Поэтому обработку ведут последовательно на двух станках, либо периодически меняют шлифовальные круги на одном станке. И то и другое существенно удорожает обработку.

Как быть?

Задача 3.53. На авиационном заводе для сверления отверстий в труднообрабатываемых материалах применяли свёрла из высококобальтового твёрдого сплава. Попытка увеличить скорость резания привела к быстрому затуплению режущих кромок, особенно их периферийной части. Поэтому с целью повышения стойкости свёрл было предложено делать их из малокобальтового твёрдого сплава. Режущие кромки стали изнашиваться медленнее, но свёрла стали ломаться.

Где же выход?

Задача 3.54. В научно-фантастическом рассказе описана экспедиция на Марс. Космический корабль опустился в долину с очень неровной поверхностью: всюду холмы, ямы, камни. Космонавты быстро снарядили вездеход – колёсный, с большими надувными шинами. Но на первом же крутом склоне вездеход опрокинулся набок.

Как быть? Учтите, что у космонавтов не было возможности переделывать вездеход.

Рассмотрим некоторые решения. Если к днищу вездехода подвесить груз, центр тяжести машины станет ниже, её устойчивость повысится. Но одновременно ухудшится проходимость: груз будет цепляться за камни. Если выпустить воздух из шин, замедлится скорость передвижения. Снабдить вездеход дополнительной парой боковых колес – усложнение конструкции, а мастерских на Марсе нет. Рекомендовать членам экипажа высовываться из окон и держать равновесие, как это делают мотогонщики – опасно.

Что вы сможете предложить?

Упражнение 3.4. А вот несколько задач, решаемых одновременным применением РПВ и РПП.

Задача 3.55. Грузы на складе перемещают с помощью ленточного транспортёра. Для транспортировки грузов в ящиках или коробках поверхность транспортёра должна быть плоской, следовательно, его опорные ролики должны иметь цилиндрическую форму. Для перемещения же сыпучих грузов поверхность транспортёров должна быть вогнутой, корытообразной, поэтому ролики должны иметь вогнутый профиль. Но разместить в складе два транспортёра нет возможности.

Как должен выглядеть транспортёр для попеременной транспортировки сыпучих и тарных грузов?

В качестве подсказки посмотрите решение задачи 3.26.

Задача 3.56. Топливный бак автомобиля – потенциальный источник опасности: при аварии топливо вспыхивает, и это часто приводит к трагедии. Применение огнетушителя не всегда возможно – пожар начинается мгновенно.

Итальянским инженерам удалось сконструировать бак, в котором вспыхивание топлива при аварии исключено. Как выглядит такой бак?

Задача 3.57. При выращивании картофеля по «голландской» технологии клубни при посадке не закапывают в землю, а засыпают земляным валиком. Валик по технологии требуется уплотнить. Для этого применяют специальные катки с вогнутой поверхностью. Но валики после посадки получаются разной формы – высокие и низкие, широкие и узкие и т.п. – всё зависит от состава почвы, её влажности и других факторов. Если форма катка сильно отличается от профиля земляного валика – уплотнение будет неравномерным.

Как же должен выглядеть каток, которым можно надёжно уплотнять валики различной формы?

Задача 3.58. В 800 году папа римский должен был короновать Карла Великого. Перед Карлом возникла проблема: с одной стороны, необходимо, чтобы именно папа возложил на него корону, тогда в глазах подданных он становился императором законно. Но с другой стороны, Карл не мог этого допустить, так как это означало бы, что именно папа дал ему власть.

Карл блестяще справился с задачей. Подумайте, как.

Задача 3.59. Дороги, по которым грузовики возят зерно на элеватор, порой бывают усыпаны зерном на радость птицам. Конечно, рачительный хозяин тщательно укрывает зерно брезентом, но это долгая и кропотливая операция. Машин с открывающимися крышами над кузовом пока нет. Да к тому же такие крыши вдобавок будут мешать при погрузке и разгрузке.

Как быть?

Задача 3.60. Маска электросварщика имеет тёмное стекло, через которое хорошо видно дугу и зону сварки, но ничего не видно, когда процесс сварки прекращается. Для осмотра шва сварщику приходится приподнимать маску, ждать, пока глаза привыкнут к свету (а это около минуты), и только после этого осматривать швы.