Физика и творчество
в твоей профессии

DjVu

      ПРЕДИСЛОВИЕ
      В мире, в котором мы живем, действует множество законов физики. Среди них и такие, которые знает каждый школьник из учебников физики, и такие, которые известны сегодня только немногим.
      В этой книге ознакомление с физическими явлениями происходит не в лабораториях Большой науки, а в условиях каждодневной жизни. Мы покажем, как люди различных профессий стремятся овладеть своим ремеслом и создать новые технологические и культурные ценности. Мы выбрали несколько профессий: физик-станочник, токарь, изучающий физические возможности своего станка, технолог — специалист в микроэлектронике, слесарь-сантехник и др.
      Пожалуй, интереснее всего внедрение физики происходит в решении изобретательских задач. Мы начали книгу именно с этого. Современные изобретатели активно осваивают достижения физики: ими подсчитано, что науке известно около 5000 явлений, а любой специалист знает не более 150. Как добиться того, чтобы творческий замысел изобретателя мог реализоваться с помощью разнообразных физических эффектов? Об этой «охоте» на физические эффекты мы расскажем в первой части — «Техническое творчество и физика».
      Изобретатели пытаются найти сходство между структурой физического явления и схемой будущего технического объекта. Игровые приемы изобретателей, применяющих новые подходы к творческому решению технических задач, очень занимательны, и мы надеемся, что учащиеся получат удовольствие от чтения первой части книги.
      Читатель познакомится с решением интересных проблем, например, нельзя ли сделать оболочку корабля мягкой и эластичной, как кожа дельфина? Оказывается — можно. Для этого надо использовать жидкость, формой которой может управлять магнитное поле. И теплоход, движущийся в водных просторах, сам окажется жидким. Парадокс? Нет, новое техническое решение.
      А вот более будничная задача: как сортировать переспелые помидоры? Разумеется, используя закон Архимеда: контейнер с овощами должен быть погружен в воду.
      А можно ли поднять затонувший корабль в течение нескольких часов? Да. Если сочетать свойства пены и тот же закон Архимеда.
      Во второй части книги «Законы физики и законы технологии» можно узнать о взаимодействии законов физики и технологии в связи с новыми подходами физиков-конструкторов к проектированию станков. Впрочем, как убедится сам читатель, законы технологии еще исследуются и наука о технологии находится в процессе созидания.
      В третьей части «Представление о тупиках в технологии» мы проанализировали ситуации, с которыми встречаются технологи. Здесь можно проследить за логикой физического исследования противоречивых требований к качеству продукции.
      В заключительной части книги «Физика в истории и жизни профессий» мы продолжим разговор о физическом решении профессиональных задач, но перенесем «место действия» в реальные условия будничных дел. От этого проблемы моряка рыболовного траулера не станут менее интересными. Мы покажем, как физические свойства рыбы оказывают влияние на весь режим морской работы рабочих рыболовного флота. Здесь же мы расскажем о людях новой профессии — это физики, ставшие станочниками. Создатели электрофизических станков должны решать физические проблемы, возникающие в процессе работы новых машин. Физики-станочники часто открывают в своей технологии физические явления, еще не известные в экспериментальных лабораториях. Производство предъявляет науке «книгу жалоб» о необъясненных еще новых физических эффектах.
      Среди множества физических решений изобретательских и профессиональных задач каждый может выбрать то, которое ему больше нравится и соответствует условиям применения. Мы желаем удачи нашим читателям, которые, конечно, будут совершенствовать и развивать физические методы изобретательства. Физика — лучший помощник в решении профессиональных задач.
     
      ЧАСТЬ 1. ТЕХНИЧЕСКОЕ ТВОРЧЕСТВО И ФИЗИКА
     
      ПРОФЕССИЯ ИЛИ ПРИЗВАНИЕ?
      Изобретатель не профессия, а призвание, в котором заложено стремление превзойти все то, что создано до сих пор, попытаться сделать пусть небольшой, но свой шаг в развитии техники. Кто он, изобретатель? Каковы мотивы его деятельности? Что зовет его к техническому поиску?
      Интерес к личности изобретателя сопутствовал всей истории человечества: он всегда выделялся своими поступками, мыслями, своим оригинальным подходом к общепринятым ценностям.
      Профессиональные биографии изобретателей разнообразны: среди них — токари, инженеры, конструкторы, монтажники, технологи, ученые. Известный американский изобретатель Эдисон создал за свою жизнь 1098 изобретений. Но когда в мае 1983 г. в Кремлевском Дворце съездов проходил VI съезд Всесоюзного общества изобретателей и рационализаторов, в зале находилось несколько человек, которые приближались в своих творческих достижениях к этой цифре. Появились новые поколения эдисонов. Изменились ли методы технического творчества за прошедшие десятилетия?
      Создатель кибернетики Норберт Винер считал, что Томас Аль-ва Эдисон был переходной фигурой от доморощенных творцов новой техники XIX в. к квалифицированным специалистам нашего времени, создающим изобретение на основе тщательно поставленных экспериментов. Но только ли в экспериментах залог успеха?
      В терминах сегодняшней теории технического творчества можно сказать, что Эдисон работал по методу проб и ошибок. Изобретатель Никола Тесла заметил не без иронии: «Если бы ему понадобилось найти иголку в стоге сена, он не стал бы терять времени на то, чтобы определить наиболее вероятное место ее нахождения, но немедленно, с лихорадочным прилежанием начал бы осматривать соломинку за соломинкой, пока не нашел бы предмет своих поисков».
      Приемы изобретательства разнообразны. Психологи разработали остроумные приемы, помогающие упорядочить творческое
      воображение и направить его к поставленной цели. Мы укажем на некоторые методы технического творчества.
      Судьбы изобретателей сегодня неотъемлемы от их профессиональной деятельности, в которой они черпают свои задачи. Иногда изобретателем оказывается известный ученый-фундаменталист. Французский физик Поль Ланжевен изобрел первое устройство для ультразвуковой пеленгации подводных лодок1.
      Петр Леонидович Капица стал изобретателем промышленного метода получения кислорода. Ему принадлежат изобретения технических приборов и остроумные подходы в физике низких температур. Иногда изобретательское хобби следует за каждодневными исследованиями инженера, конструктора, химика.
      Доктор технических наук Лидия Александровна Рябова по образованию химик. Но все ее работы проводились в пленочной технологии, применяемой в микроэлектронике. Ее профессия оказалась даже не двойственной, а тройственной: она специалист по физическим процессам в тонких пленках, автор химических методов технологии и известный изобретатель. Ей принадлежат многие авторские свидетельства. В своих изобретениях она использует и физику твердого тела, и принципы химической технологии. Новаторство здесь опережает теорию: процессы протекают в таких тонких пленках, где толщина их сравнима с длиной волны электрона, предсказанной в 20-х гг. Луи де Бройлем. Тогда это считалось революционным шагом в науке, граничащим с парадоксом. Существование у первой материальной частицы собственной длины волны ставилось под сомнение. А теперь в технологии микроэлектроники
      1 Подробнее об этом мы расскажем на с. 83.
      проводятся расчеты, связывающие толщину пленки с длиной волны электрона.
      Владимир Борисович Сандомирский работает над квантовыми процессами, происходящими в тонких пленках. Квантовый подход к физическим явлениям начинается там, где приходится учитывать одновременно и волновой и корпускулярный характер поведения частиц. Таким образом, В. Б. Сандомирский выступил в своей работе как чистый теоретик. Однако именно его подход стал основой для расчета практических явлений в тонких пленках, когда электрон проявляет в работе прибора свою двойственную природу.
      Но не все умеют воплотить свои теоретические идеи в технологию. Талант Л. А. Рябовой заключается в том, что она умеет совмещать мысль с действием.
      Современная технология микроэлектроники так близка к научному исследованию, что часто рабочий или лаборант бывает посвящен в планы научных руководителей. Он активно участвует в эксперименте, который становится со временем устоявшейся технологией.
      Неожиданно столкнулась я и с другой интересной изобретательницей — Тамарой Савельевной Кохановской. Она занимается физико-химическими проблемами электрофизических станков. Меня поразила многогранность научных интересов Т. С. Кохановской. Ее статьи я прочла впервые, когда изучала материалы советско-французского сотрудничества в разработке электрода-инструмента для электроэрозионного станка. Электрод-инструмент в электро-импульсной обработке металла — самое слабое звено. Он легко изнашивается под ударами частиц в электрическом разряде, изменяя свою форму. А между тем искажение формы электрода-инструмента влияет на качество изделия. Дело в том, что в электрическом разряде искры или дуги между заготовкой и электродом-инструментом происходит как бы отражение формы электрода-инструмента на заготовку. Это отражение, создаваемое электрическим полем и бомбардировкой частиц, падающих на будущую деталь, и есть требуемая конфигурация изделия. По мере износа электрода-инструмента его форма искажается и качество изделия ухудшается.
      Т. С. Кохановская участвовала в сложнейших физических исследованиях механизма электрического разряда в парах диэлектрической жидкости. Это реальные условия работы электроискрового станка: искра, обрабатывающая металл, проскакивает в парах керосина или другого диэлектрика. Подробно мы описываем эти еще не разгаданные до конца физические процессы в очерке «Физики становятся станочниками». Т. С. Кохановская — среди тех физиков, которые стали станочниками.
      В работе станка физические явления нельзя наблюдать в «очищенном» виде, как это бывает в лаборатории. Обычно эксперимент ставят так, чтобы было удобно наблюдать влияние на процесс какого-либо одного параметра. А в станке одновременно действуют
      многие факторы. Как учесть их физическое воздействие на качество обрабатываемой детали? Очевидно, физической моделью станка будет такой эксперимент, в котором можно учесть одновременное воздействие многих факторов. Такой эксперимент называется многофакторным. Для того чтобы его рассчитать и поставить, надо знать не только физику и математику, но и системный анализ, уметь представлять себе промышленный объект в виде системы. Мы об этом будем говорить в очерке «Тупики в технологии».
      Т. С. Кохановская — одна из тех, кто разрабатывает многофакторный эксперимент.
      В этой книге мы не раз будем возвращаться к работам станочника Александра Ивановича Смирнова. Он интересен и как прогнозист, работающий над физической моделью «станка Будущего», и как изобретатель вполне «сегодняшних» технических систем.
      Впрочем, не всегда легко провести границу между прогнозом и новаторством. Новаторство — это будущее, которое стало сегодняшним днем. А. И. Смирнов считает, что металлообрабатывающий станок должен изменить физический принцип действия, заложенный в нем сегодня. Система датчиков, использующих различные физические эффекты, будет следить за точностью обработки изделия. Таким образом, информация будет контролироваться в станке независимо от энергетического процесса обработки. А в сегодняшнем станке контроль точности обработки совмещается с приложением усилия к заготовке. А. И. Смирнов различает в станке информационные цепи, по которым поступает геометрическая информация (с чертежа или с перфокарты), и энергетические цепи, по которым подается энергия для обработки изделия. Он доказывает, что совмещение информационной и энергетической цепей в станке приводит к искажениям той геометрической формы, которую требуется придать заготовке, т. е. к ухудшению качества. Все рассуждения А. И. Смирнова основаны на доказательстве того, что надо исследовать физические явления, потому что чисто технические решения себя исчерпали.
      Мы кратко обрисовали творческие портреты изобретателей. А теперь перейдем к методам их работы.
     
      1.2. МЕТОДЫ ТЕХНИЧЕСКОГО ТВОРЧЕСТВА
      Какие же методы технического творчества существуют сегодня? Их очень много. Не будем торопиться с описанием содружества физики и изобретательства. Укажем сначала те приемы, которые основаны на других принципах.
      Прежде всего, надо заметить, что за последние годы усилилось влияние психологии на разработку методов научного творчества. Психологам удалось сделать немало интересных наблюдений и суждений, связанных с процессами технического творчества.
      «Изобретательство — это некомическое остроумие, — пишет советский изобретатель Генрих Буш. — Между приемами остроумия и приемами изобретательства есть сходство, которое не является случайным или только внешним. Оно обусловлено общими закономерностями творческого мышления. Процесс создания остроты включает признаки наличия исходных знаний, генерирования ассоциаций между отдаленными понятиями и оценку результата. Основные приемы комического: преувеличение, пародирование (подражание оригиналу с одновременным преувеличением характерных его черт), преуменьшение, необычный темп, неожиданное сближение явлений и процессов, обнаружение поразительного сходства, обнажение контраста, использование противоречий между формой и содержанием, обычным и неожиданным назначением предмета, повторение явлений, нарушение праксеологических или логических норм (логическая инверсия), перестановка, противопоставление, двойное истолкование, сопоставление по отдаленному или случайному признаку — являются одновременно эффективными приемами поиска решения изобретательских задач» .
      Среди гаммы психологических переходов, перечисленных Г. Бушем, обратим особое внимание на один из приемов: «сопоставление по отдаленному или случайному признаку». Именно этот подход лег в основу так называемого «метода гирлянд ассоциаций и метафор».
      Метод гирлянд ассоциаций и метафор
      Проблемную ситуацию часто сравнивают с пропастью между известным и искомым, поскольку отсутствует основание, на чем можно поставить надежные опоры для построения моста между ними. Такая ситуация возникает при поиске решения большинства конструкторско-изобретательских задач. В таких случаях одним из способов «построения моста» является «подвешивание» его на гирляндах ассоциаций и метафор. Иными словами, решение изобретательской задачи осуществляется в результате переноса знания в новую область, использования обходных (ассоциативных) слов и метафорических выражений.
      Приведем пример.
      Пусть требуется найти новые конструктивные решения стульев для расширения ассортимента мебельной фабрики.
      1-й шаг — определение синонимов объекта. Синонимами объекта «стул» являются кресло, табурет, пуф. Составляют гирлянду синонимов: стул — кресло — табурет — пуф.
      2-й шаг — произвольный выбор случайных объектов. Совершенно случайно, например по памяти, или из энциклопедического словаря, или любым другим способом, выбирают несколько имен существительных, которые даже не обязательно должны обозна-
      1 Буш Г. Я. Рождение изобретательских идей. — Рига, 1976.
      чать технические объекты. Отобранные слова образуют вторую гирлянду — гирлянду случайных объектов, например: электролампа — решетка — карман — кольцо — цветок — пляж.
      3-й шаг — составление комбинаций из элементов гирлянды синонимов и гирлянды случайных объектов. Составляют комбинацию из двух элементов, соединив каждый синоним рассматриваемого объекта с каждым случайным объектом. Получают стул с электролампой, решетчатый стул, стул с карманами, стул для пляжа, табурет для цветов и т. д.
      4-й шаг — составление перечня признаков случайных объектов, например: стеклянная, теплоизлучающая, прозрачная электролампа. Определяют признаки случайно выбранных объектов. Необходимо определить возможно большее число признаков, однако в течение ограниченного времени, например в течение 2 — 3 мин. Успех поисков в значительной мере зависит от широты охвата признаков случайных объектов. Поэтому целесообразно перечислять как основные, так и второстепенные, малозначимые признаки.
      5-й шаг — генерирование идей путем поочередного присоединения к техническому объекту и его синонимам признаков случайно выбранных объектов. Например, присоединяя к гирлянде синонимов стул — кресло — табурет — пуф гирлянды признаков электролампы, можно получить следующие соединения: стеклянный стул, теплоизлучающее кресло, колбообразный пуф, прозрачное кресло и т. д.
      6-й шаг — генерирование гирлянд ассоциаций. Поочередно из признаков случайных объектов, выявленных на 4-м шаге, генерируются гирлянды свободных ассоциаций, например, гирлянда ассоциаций по первому признаку случайного объекта — «электролампа». Признаком к ней является эпитет «стеклянная». Гирлянда ассоциаций создается постановкой вопроса: что напоминает слово «стеклянная»? Ответ может быть, например, такой: стеклянное волокно. Далее задается вопрос: что напоминает слово «волокно»?
      7-й шаг — генерирование новых идей. К элементам гирлянды синонимов технического объекта поочередно пытаются присоединить элементы гирлянд ассоциаций. Например, используя только первую гирлянду ассоциаций, можно получить следующие сочетания: стеклянный стул, кресло из стекловолокна, вязаный пуф, табурет для бабушки, кресло для лечения ревматизма, курортное кресло, кресло от жары и т. д.
      8-й шаг — оценка и выбор рациональных вариантов идей. Среди множества нерациональных, тривиальных и даже нелепых идей, как правило, всегда найдутся оригинальные и рациональные. Интересные решения среди всех вариантов составляют 2 — 50%. Отмечена любопытная закономерность: число рациональных вариантов обратно пропорционально их оригинальности.
      Метод гирлянд и метафор, примененный для изобретения новой модели стула
      9-й шаг — отбор наилучшего варианта из рациональных осуществляется разными способами. Весьма простым и эффективным является метод экспертных оценок.
      Метод экспертных оценок — это привлечение к анализу новых технических идей различных специалистов. Проектируемое техническое изделие рассматривается с различных точек зрения:
      1. Изделие должно удовлетворять удобству человека.
      2. Оно не должно нарушать условия общественного порядка.
      3. Конструкция должна хорошо соответствовать условиям окружающей среды (климатическим, радиационным и т.д.).
      4. Могут возникнуть требования исходя из условий биологической среды.
      5. Наконец, изделие анализируется с точки зрения совместимости заложенных в нем физических эффектов.
      Приведем еще один метод технического творчества, предложенный в 1960 г. американским исследователем Уильямом Гордоном.
      Синектика — метод совмещения разнородных элементов
      Этот психологический прием напоминает описанные гирлянды метафор ассоциаций, но его можно считать еще более «психологичным», даже, пожалуй, артистичным.
      Синектика в переводе с греческого означает «совмещение разнородных элементов». Разнородными являются аналогии рассматриваемого объекта в самых непривычных областях: в фантазии, логическом мышлении, а также в различных областях применения проектируемой системы.
      Изобретатели собираются в группы, в которые входят люди разных специальностей: задачу необходимо рассмотреть со всех сторон. Идеи подвергаются сомнению, каждый должен забыть, что он — знаток. Делается все, чтобы сломать предвзятые суждения, развить воображение. Главная цель всех психологических методов — стимулировать творческий процесс, освободиться от господствующей идеи, от традиционного мышления, существующего в данной отрасли техники.
      Вот один из примеров, приведенный известным теоретиком технического творчества Г. С. Альтшуллером.
      Речь идет о производстве стекла. Раскаленная стеклянная лента поступает на валковый конвейер. Продвигаясь между валками, она принимает нужную форму и охлаждается. Качество поверхности стекла зависит от расстояния между валками. Если расстояние велико, то лента будет волнистой.Чтобы получить гладкую поверхность, нужны валки минимального диаметра, почти соприкасающиеся друг с другом. Но такой конвейер будет сложен и капризен. Как выйти из положения? Инженеры создавали специализированные линии для разных сортов стекла, оснащали заводы машинами, которые полировали застывшее стекло. Но толку от этого
      было мало. Господствующая идея известна: нужны валки минимального диаметра. Прекрасно! Доведем диаметр до предела, а идею до абсурда. Сантиметр, миллиметр, сотая миллиметра... Сомнительно, чтобы такой конвейер мог работать. Ничего, пусть не работает. Микрон, сотая доля микрона, молекула, атом... Дальше некуда. Можно ли представить себе диаметр валка размером с атом? Теоретически можно, т. е. — никаких валков не надо. Стекло будет передвигаться не по валкам, а по атомам — по идеально ровному слою атомов расплавленного металла. Жидкий металл — идеальный конвейер!
      Решение задачи найдено в результате освобождения от господствующей идеи: вместо представления о конвейере появилась идея использования расплавленного металла для транспортировки стекла.
      Остановим свое внимание на последнем примере. В нем явно наличествует переход от технического решения — к физическому. Но не будем торопиться. Во всех психологических подходах к техническому творчеству имеется один общий недостаток: в них не учитываются закономерности структуры технических объектов и их связи с физическими явлениями. Все психологические и эмоциональные попытки «раскрепостить» творческую мысль ограничены случайными процессами, совпадениями, озарениями, удивительными находками. Системы в них нет. Приведем еще один подход к проблеме технического творчества, весьма далекий от случайности и, казалось бы, независимый от пересечения физики и техники.
      KOHEЦ ФPAГMEHTA КНИГИ