ПРЕДИСЛОВИЕ РЕДАКТОРА ПЕРЕВОДА
     
      Лучше всех объяснить предмет может тот, кто его выстрадал, для кого он является плодом глубоких раздумий, работа над которым принесла ему разочарование и радость.
      Книга «Как изобретать?» написана двумя английскими изобретателями, имеющими большой опыт научной, лекционной и изобретательской деятельности.
      Мередит Тринг — профессор кафедры машиностроения в колледже королевы Марии Лондонского университета. Прежде он занимал пост руководителя физического отделения Британской научной ассоциации по исследованиям чугуна и стали и профессора химического машиностроения университета в Шеффилде, а также состоял членом нескольких комитетов, связанных с промышленными научными изысканиями. Им написано несколько книг, в том числе «Человек, машины и завтрашний день» и «Машины: слуги человека или его хозяева?» В настоящее время совместно с Р. Круксом Тринг редактирует сборник «Энергия и человечество».
      Эрик Лейтуэйт — профессор электромашиностроения Имперского научно-технического колледжа в Лондоне, консультант нескольких промышленных компаний. В 1965 году за изобретения в области линейных электродвигателей был удостоен золотой медали имени Брауна Королевского научного общества. Лейтуэйт принимает участие в телевизионных научно-популярных передачах для школьников; им создано несколько научно-популярных фильмов для школы. Его перу принадлежат книги «Передвижение без колес», «Инженер в стране чудес», «Удивительные электрические машины» и ряд других.
      В книге «Как изобретать?» советский читатель найдет описание и других эпох, и другого общества, но в ней нашли отражение общечеловеческие черты, касающиеся психологии творчества, взаимосвязи человека и природы, влияния образования и воспитания на становление творческой личности.
      Нельзя не согласиться с авторами, когда они го ворят: «Творческие способности имеются у поразительного большинства людей... но лишь немногие из тех, кто наделен талантом изобретателя, умеют развить этот талант и пользоваться им». Эти наблюде,-ния перекликаются с теми положениями, которые были отмечены в связи с 60-летием принятия ленинского декрета об изобретениях,--- декрета, положившего начало принципиально новым правовым формам, обусловившим массовое развитие технического творчества трудящихся в нашей стране.
      Свою главную задачу авторы видят в том, чтобы пробудить в читателе творческое начало, научить его видеть в предмете то, чего еще никто не видел, над чем никто не задумывался, иными словами, призывают его к наблюдательности. Этому посвящены главы «Искусство изобретать», «Умение физически мыслить», «Инженер учится у природы». В них акцентируется внимание на аналогии и симметрии как на свойствах, учет которых при изучении предмета независимо от принадлежности его к области физики или биологии, механики или электротехники позволяет раскрыть характеристики, быть может еще никем не познанные, никем не замеченные. В настоящее время в мире насчитывается свыше 15 миллионов патентов, так что кое-кому призыв авторов к созданию чего-то нового может показаться неуместным. Однако это не так. Тринг и Лейтуэйт на ряде примеров убедительно показывают, что в результате технического прогресса человечество сталкивается с новыми проблемами в своей деятельности, в частности в области сельского хозяйства, энергетики, транспорта и др.
      Особенно хочется обратить внимание на те разделы книги, где говорится о загрязнении окружающей среды как о факторе, воздействующем на человека. В самом деле, ресурсы планеты истощаются. Природа загрязняется, и необходимы срочные меры, чтобы сохранить ее неповторимую красоту. Многочисленные аварии нефтяных танкеров, образование смога за счет выхлопных газов автотранспорта заставляют многих англичан задумываться над проблемами, которые не так остро ощущаются в нашей стране. Тем не менее охрана среды представляет собой проблему, разрешение которой должно стать внутренней потребностью всех людей, наделенных творческой фантазией. В этом отношении книга найдет благодарного читателя.
      Нам представляется весьма поучительной глава «Умение „думать руками"». В самом деле, вряд ли в какой-либо другой области появляется так много изобретений, как в тех случаях, когда требуется подогнать «инструмент по руке» или изготовить действующую модель, чтобы провести испытания изобретения. Производственные и конструкторские навыки очень важны для человека и составляют значительную часть творческого воспитания.
      Англичане нередко говорят: «Наш остров маленький, и мы Должны много работать, чтобы обеспечить себя всем необходимым». Эти слова можно отнести и к изобретателю, ибо изобретатель должен быть трудолюбив. Рассуждения авторов о трудовом воспитании молодежи вполне соответствуют тенденциям в школьном образовании в нашей стране и будут, несомненно, полезны многим преподавателям.
      Ценность этой книги еще и в том, что, рассказывая читателям о работе над собственными изобретениями, авторы как бы раскрывают творческий процесс изобретательства. При этом они подчеркивают важность и случайных наблюдений, и знакомства с литературой, и знания тонкостей изобретательского права (которое, кстати сказать, к моменту выхода книги претерпело изменения)
      Прочитав книгу, советский читатель может воспользоваться некоторой совокупностью приемов и логических правил, рассмотрение которых в определенной последовательности может привести к решению
      1 См. Вопросы изобретательства, 1979, № 7. В год выхода книги «Как изобретать?» английское патентное право претерпело изменения, что приблизило его к международным нормативам.
      поставленной задачи. Следует, однако, отметить, что в отечественной литературе также имеются книги, посвященные этой теме. В качестве примера сошлемся на книгу Альтшуллера «Алгоритм изобретения» , которая послужила основой для построения учебной программы для изобретателей.
      Знакомство с такого рода книгами, а также умение пользоваться приведенными в них рекомендациями, бесспорно, помогут в благородной задаче воспитания творческой личности.
      Будучи крупными специалистами в соответствующих областях знания, авторы книги «Как изобретать?» уделяют много внимания воспитанию молодежи, участвуя в различных комиссиях по оценке творческих работ школьников. Это делает их книгу особенно интересной и доступной широкому кругу читателей. Книга хорошо написана и иллюстрирована многочисленными примерами.
      Надеемся, что она будет полезна и советским читателям, и они пополнят многотысячный коллектив Общества изобретателей и рационализаторов.
      Заслуженный изобретатель РСФСР д-р хим. наук В. В. Патрикеев
     
      1 Альтшуллер Г. С. Алгоритм изобретения. — М.: Московский рабочий. 1973; см. также Петрович Н. Т. Беседы об изобретательстве. — М.: Молодая гвардия (серия «Эврика»), 1978.
     
     
      ПРЕДИСЛОВИЕ
     
      В наши дни общество нуждается в хороших изобретениях еще больше, чем прежде: природные ресурсы истощаются, а треть быстро растущего мирового народонаселения страдает от недоедания.
      «Изобрести» — значит применить к решению задачи принцип, в корне отличающийся от всего, что использовалось для этой цели ранее, принцип, к которому нельзя прийти в ходе обычного логического рассуждения.
      «Изобрести» — значит сделать нечто новое. Патентная литература полна слов «новый», «новизна» — и неудивительно: ведь главным признаком любого подлинного изобретения является его новизна. И в юридическом толковании законов о патентах понятие новизны трактуется шире, чем просто «новые конструкции», ибо патенты могут быть выданы также на новые процессы и методы. Обыденное и юридическое определения изобретения различны: нельзя получить патент на идею (чтобы не закрыть ей дорогу к практическому осуществлению) и на применение на практике уже известных идей.
      В более широком смысле под изобретением можно понимать новую идею в любой области: так, комик «изобретает» новые шутки, клоун — новую смешную походку, автор детективных рассказов — новый сюжет и т. д. Но в этой книге мы ограничимся в основном юридическим толкованием термина «изобретение» и будем говорить об изобретениях новых полезных конструкций.
      Главная цель книги — дать людям, в которых горит творческая искра, возможность использовать свои способности для изобретения практически полезных
      вещей. Как показал наш собственный опыт, лишь немногие из тех, кто наделен талантом изобретателя, умеют развивать этот талант и пользоваться им. Более того, нынешняя система образования препятствует такому развитию, ибо учащимся старательно вдалбливают, что они не способны создать что-либо такое, что не было бы лучше сделано до них. Мы считаем такое положение дел крайне неблагополучным и пытаемся указать читателю этой книги на большие и малые задачи, представляющие ценность для человечества (гл. 3), а также проиллюстрировать, как можно приступать к работе над теми проблемами, которые ему кажутся действительно важными.
      Творчеству научить нельзя, однако творческими способностями наделено поразительно много людей, и эти люди могут научиться эффективно применять свой талант к решению поставленной задачи.
      С нашей точки зрения — и об этом говорится в книге — для развития изобретательских способностей следует «воспитывать» свои эмоции (гл. 3 — 4) — для того чтобы выработать в себе целеустремленность, упорство и настойчивость; упражнять интеллект (гл. 5 — 6) — для того чтобы пользоваться методом аналогий и проверять соответствие своих изобретений законам природы; совершенствовать физическое мышление (гл. 7) — для того чтобы воплощать идеи в реально действующие конструкции. В гл. 10 мы делимся с читателем собственным опытом и рассказываем о методах, которые сослужили нам хорошую службу.
      Преподаватели, стремящиеся пробудить в своих учениках способность к изобретательству, возможно, найдут для себя полезными гл. 2 и 8. Тем же, кто хотел бы отыскать оригинальные решения применительно к проблемам окружающей действительности, мы рекомендуем внимательно изучить гл. 4 — 6, а также задачи, приведенные в гл. 8. Глава 4 посвящена изложению наших представлений о способах подхода к «моменту озарения». Читателя, занимающегося теоретической стороной изобретательства, могут заинтересовать гл. 1 и 2, тогда как для инженера-практика или ученого могут оказаться ценными гл. 7 и 9, в которых рассказывается о воплощении идей в реальные конструкции.
      В своей книге мы умышленно не останавливались на экономических вопросах, поскольку, с нашей точки зрения, преждевременное введение экономических факторов в техническую задачу может помешать практическому осуществлению изобретения. Нетрудно показать, что такие выдающиеся технические достижения, как, например, паровая турбина или массовое производство стали, были бы признаны экономически совершенно невыгодными, если бы какая-нибудь комиссия взялась оценить их до того, как были построены действующие образцы и экономические затруднения удалось преодолеть с помощью вспомогательных изобретений. Об экономической невыгодности этих проектов твердили все тогдашние технические авторитеты — именно поэтому мы советуем будущим изобретателям полагаться на собственное мнение и не поддаваться обескураживающим утверждениям авторитетов.
      Мередит Тринг
      Лондон, 1976 Эрик Лейтуэйт
     
     
      Глава 1
      Что такое «изобретение» и можно ли научиться изобретать?
      М. Тринг
      Вы можете стать изобретателем
     
      Многие ошибочно полагают, что изобретателем может стать лишь один человек из нескольких тысяч. Напротив, большинство из нас на определенных этапах жизни проявляют подлинную изобретательность. Другое дело, что гораздо реже в результате такой изобретательности появляется новый прибор, или производственный процесс, или же изделие, которые составляют коммерческую ценность. Всякий раз, когда мы сталкиваемся с задачей, не имеющей очевидного логического решения, и находим для нее неожиданное, оригинальное решение, мы изобретаем.
      «Изобретением» можно назвать зарождение идеи, которая в дальнейшем получает овеществленное воплощение. Изобретение предназначено для удовлетворения человеческих потребностей, для разрешения возникающих проблем, причем делается это нетрадиционными методами, иными словами, совершается некий идейный качественный скачок. В основе изобретения лежит не простое увеличение количества или размера, не использование новых материалов — здесь существенна новизна основного конструктивного принципа. Творческую сущность изобретения составляет именно этот переход к новому конструктивному принципу, который не может быть выведен из известных идей путем логического рассуждения. И то обстоятельство, что данное изобретение уже было сделано кем-то раньше, не умаляет заслуги изобретателя, если, разумеется, он не знал этого и самостоятельно пришел к открытию.
      Женщины, занимающиеся хозяйством, изыскивают способы экономить время и труд, по-новому размещая
      кухонные принадлежности и оригинально планируя жилище. Немалую изобретательность проявляют садоводы. Для всех творческих работников изобретательность играет не меньшую роль, чем профессионализм. Канцелярский служащий изобретает более удобный способ классификации документов. Домашние мастерские являют пример изобретательности в хранении инструментов и организации рабочего места в предельно ограниченном пространстве. Даже в области управления, в сфере человеческих отношений изобретательность позволяет разрешить казалось бы неразрешимые задачи. Нам приходилось быть членами жюри, которые оценивали детские изобретения, и мы только диву давались обилию и разнообразию идей, нередко относившихся к области наших непосредственных профессиональных интересов. «Как же мы сами до этого не додумались?» — восклицали мы; эти слова могут относиться к любому из подлинно значительных изобретений.
      Конечно, невозможно собрать случайных людей — имей они даже университетские дипломы с отличием и самый высокий «коэффициент умственного развития» — и обучить их искусству изобретать. Способность находить оригинальные решения должна быть заложена в человеке, и научить этому нельзя. Однако эта способность встречается у людей гораздо чаше, чем мы привыкли думать, основываясь на сравнительно небольшом числе людей, добивающихся успеха на изобретательском поприще. Тут уместно провести аналогию со спортом: бегун-марафонец непременно должен быть жилистым человеком, а олимпийский чемпион по толканию ядра обязательно обладает вну шительным телосложением. Но из этого вовсе не еле дует, что если кто-то от рождения имеет широкие кости и сильные мускулы, то он станет чемпионом. Такой человек должен всесторонне развиваться физически, тренироваться, разрабатывать определенные мышцы, набирать вес. Ему нужны тренеры, и хотя они не обязаны сами быть классными спортсменами, лучше если на финальной стадии тренировок хотя бы один из тренеров будет иметь за плечами опыт собственных выступлений в соревнованиях. А главное, спортсмен должен твердо верить в победу и неуклонно добиваться ее.
      Мы пришли к выводу, что успехи на экзаменах по научным и техническим дисциплинам отнюдь не связаны со способностью студента к оригинальному мышлению. Мы склонны считать, что университетские отличники ни в большей, ни в меньшей степени, чем двоечники, способны к такому мышлению. Правда, слабые студенты чаще выдвигают идеи, попросту противоречащие известным законам природы (как, скажем, «вечные двигатели»), тогда как хорошо подготовленные студенты сразу же отвергают подобные идеи, даже не обсуждая их ни с кем. Но для последних препятствием к оригинальному мышлению является чрезмерная склонность к анализу и непомерное уважение к авторитетам.
      Показательным примером того, что способность к практически полезным изобретениям заложена во многих людях, служит деятельность английских физиков в годы второй мировой войны. До войны многие из них жили в обособленном мире чистой науки, и их отношение к науке как нельзя лучше отражали слова Резерфорда: «Занятия физикой потеряли бы всякую прелесть, если бы кто-нибудь нашел для них практическое применение». Однако, когда война заставила их искать решения прикладных задач, они изобрели радиолокатор, нашли способ размагничивания кораблей, разработали приборы ночного видения и сыграли немаловажную роль в создании атомной бомбы.
      Способность к оригинальному творческому мышлению распространена очень широко; позволительно даже утверждать, что она присуща большинству нормальных людей. Под «оригинальными» мы понимаем здесь идеи, новые для изобретателя, который прежде ни в каком виде не встречался с подобным решением проблемы. Разумеется, нередко случается, что к такому же или аналогичному решению до него пришли другие изобретатели, но сам он об этом не знал (а если и знал, то не это послужило толчком к его собственной идее). Почему же люди столь ограниченно пользуются своими способностями и чаще всего лишь в мелочах?
     
      Образование и изобретения
     
      Ответ на этот вопрос заключается главным образом в трех основных пороках системы образования, принятой во всех промышленно развитых странах. Эти пороки в равной мере присущи системам всеобщего образования во всех странах независимо от их политического строя и исторических особенностей.
      Обучение призвано всесторонне готовить человека к полноценной жизни. У истинно образованного человека голова, сердце и руки, — говоря языком науки, умственные способности, эмоциональная сфера и практические навыки — должны быть развиты-до наивысшего совершенства. Большинство систем образования основывается на принципах, выдвинутых еще Платоном. В результате люди, способные добиться сколько-нибудь значительных успехов в сфере умственного труда, сосредоточивают свои усилия на теоретической подготовке и смотрят на физический труд свысока — их обучение уделяет мало места практическим навыкам. В Англии, например, ребенок вступает в пору экзаменов, едва перешагнув за свой первый десяток лет, и у него уже не остается времени на занятия тем или иным рукоделием.
      Следовательно, один из пороков системы образования заключается в пренебрежительном отношении к физическому труду как к занятию, не подобающему интеллектуалам. Нередко приходится слышать, как человек, мнящий себя интеллектуалом, не только без тени смущения, но даже с гордостью говорит: «Я и гвоздя забить не сумею». В гл. 7 мы увидим, что практические знания, которые можно получить, лишь работая руками, для изобретателя не менее важны, чем работа в лаборатории для ученого. Мы выражаем это фразой: «Думайте руками». Иными словами, для того чтобы способности к изобретательству могли развиться у каждого, кто имеет к этому задатки, необходимо в совершенстве освоить хотя бы одно ремесло в период получения общего образования. Тогда человек не только сумеет воплотить свои идеи «в металле», но и познает прелести творческого ручного труда, — труда, дающего, пожалуй, наиболее полное внутреннее удовлетворение.
      К тому же «интеллектуальное» образование само по себе страдает одним общим пороком. Как в области гуманитарных (несмотря на уверения, что здесь поощряется и воспитывается оригинальность), так и в области естественных наук студентам преподносятся факты, догмы, устоявшиеся мнения, теории и теоремы, которые они затем в полупереваренном виде извергают на экзаменах. Лишь по-настоящему хороший преподаватель учит студентов самостоятельно мыслить, вырабатывать собственное мнение и делать выводы; научные дисциплины не часто преподаются так, чтобы студент мог проводить самостоятельные исследования, получать результаты и выдвигать гипотезы1. Это приводит к двум печальным последствиям. Во-первых, студент редко находит удовольствие в получении знаний. Во-вторых (и с нашей точки зрения, это наихудшее), он считает себя неспособным к самостоятельному мышлению. А уверенность в себе — мы еще будем говорить об этом ниже — одна из предпосылок успешной изобретательской деятельности. Дело можно поправить, позволив студентам часок-другой в неделю работать над еще не решенной проблемой. Это даст им возможность получить какие-то собственные результаты, которые затем будут обсуждаться в ходе свободной дискуссии.
      Недоверие, с которым сталкивается человек, высказавший оригинальную идею, можно проиллюстрировать на следующих примерах. Представьте себе, что я заявил, будто можно передвигаться в несколько раз быстрее пешехода (затрачивая при этом меньше усилий), балансируя на двухколесной педальной повозке. Не будь велосипед уже изобретен, мне бы сказали: «Мы не акробаты?» А если бы я стал утверждать, что можно передвигаться еще быстрее с помощью машины, внутри которой каждую минуту происходит несколько тысяч взрывов, меня встретил бы хор возражений: такая машина не только неудобна, но опасна.
      А между тем именно этот смысл н заложен в латинском глаголе «educare» («вытягивать», «извлекать»), от которого произошло слово «образование» в английском и ряде других европей-. ских языков.
      В гл. 8 мы рассмотрим некоторые пути развития и поощрения самостоятельности в молодом изобретателе, а в гл. 9 расскажем о способах превращения идеи в законченную конструкцию.
      Воспитание эмоций, бесспорно, труднейшая задача образования, современная же система образования совершенно пренебрегает ею. Верно, конечно, что,, изучая великие произведения искусства и литературы, знакомясь с жизнью знаменитых ученых и изобретателей, работая под руководством настоящего учителя, можно попутно получить и эмоциональное воспитание. А ведь именно эмоции являются той дви-, жущей силой, которая заставляет нас добиваться чего-то вопреки нашей природной лени и инертности. Восточная мудрость называет тело.повозкой, ум погонщиком, а чувства лошадью, которая тащит повозку. Воспитать эмоции — значит обуздать лошадь, чтобы погонщик мог уверенно управлять ею. Задачу создать что-то действительно стоящее, например изобрести нечто полезное для человечества, можно уподобить вытаскиванию повозки из болота и подъему ее на крутую гору. Для этого лошадь должна собрать все свои силы, а погонщик должен умело ею управлять и быть совершенно уверенным в возможности достижения конечной цели.
      При образовании, ставящем своей целью формирование цельной личности, задачу воспитания эмоций решить труднее всего; мы оказались неспособными дать молодому поколению возможность определиться в жизни, создать ему все необходимые предпосылки для выбора достойной цели. Это является одной из причин усугубляющихся проблем в обществе, достигшем материального изобилия. Среди них можно назвать загрязнение окружающей среды, безработицу, работу, не дающую удовлетворения, трудности, с которыми приходится сталкиваться народам развивающихся стран, расточительную эксплуатацию природных ресурсов в ущерб будущим поколениям, гонку вооружений. Все перечисленные проблемы в конечном счете ведут к ухудшению «качества» жизни индивидуума. Воспитание эмоций должно начинаться с объяснения простой истины: нельзя смешивать понятие материального жизненного уровня, который в нашем перенаселенном мире по необходимости ограничен, с понятием содержательности жизни — чем содержательнее жизнь каждого отдельного человека, тем полнее жизнь окружающих его людей. Если будущий изобретатель хорошо уяснит для себя разницу между этими двумя понятиями, он сможет направить свои усилия на конструирование машин, улучшающих «качество» жизни, ее содержательность и не создающих дополнительных проблем для общества материального благополучия. В гл. 3 мы попытаемся назвать некоторые области, в которых изобретатель, отчетливо представляющий себе эту разницу, имеет наибольшие возможности добиться успеха и содействовать повышению качества жизни людей.
     
      Изобретение как творческий процесс
     
      В этой книге мы исходим из того, что любая творческая, в частности изобретательская, деятельность подчиняется закону, который по своей природе не является ни случайным (казуальным), ни причинно-следственным (каузальным). По сути дела, мы считаем, что жизнь человека в различные моменты подчиняется трем различным законам.
      1. Закону случайности подчиняются случайные события, вызванные стечением различных независимых обстоятельств. В качестве утрированного примера можно привести кирпич, падающий на голову идущего по улице человека. В физике этот закон получил признание в первой четверти текущего столетия, когда в дополнение к классической физике с ее причинно-следственными связями была разработана квантовая механика. Элемент случайности может быть введен в программу счетно-решающей машины.
      2. Закон причинности отражает логические следствия действий человека. Если есть слишком много — растолстеешь, если выпить слишком много — опьянеешь. Этот закон заложен в основу действия счетно-решающих машин, во всяком случае, когда они исправны. В приложении к человеческому мышлению — это цепочка логических умозаключений, которая настолько объективна,
      что приводит любого человека к одному и тому же выводу. К этой категории относятся все законы классической физики.
      3. Свобода воли — возможность для человека осуществлять свободный выбор или принимать решение, которое заранее невозможно предсказать, поскольку это решение не является прямым; логическим следствием предшествующих событий; не является оно также и случайным. Внимательно анализируя свои поступки, всякий может убедиться в том, что по крайней мере в мелочах он имеет подлинную свободу выбора, хотя й-’1 пользуется ею крайне редко. Многие слова в языке относятся именно к проявлению в человеке свободной воли: смелость, самодисциплина, самоконтроль, решительность, настойчивость, сила воли, внутренняя борьба. Единственным примером этого закона в физике служит «демон Максвелла», способный регулировать энтропию системы, открывая и закрывая маленькую дверцу и разделяя тем самым молекулы газа на молекулы с высокой и низкой энергиями. Это довольно показательный пример действия закона свободной воли: именно он позволяет творчески одаренному человеку создавать порядок из хаоса. Реализовать «демона Максвелла», разумеется, нельзя, поскольку человеческое сознание, необходимое для проявления свободной воли, не может «существовать» на микроскопическом уровне.
      Стоит нам признать, что хотя бы иногда мы живем, подчиняясь закону свободной воли, и мы готовы к внутренним переменам: мы способны, принимая на первых порах незначительные решения, готовить себя к принятию серьезных решений. Подобно художнику, готовящему себя к созданию полотен,’которые он хочет написать, будущий изобретатель может готовить себя к изобретению тех вещей, которые он хочет изобрести. Наша книга в значительной степени посвящена методам такой самоподготовки.
      Творческая деятельность ученого, работающего в области чистой науки, время от времени приводит его к созданию новой гипотезы, позволяющей глубже понять наблюдаемые явления, или к установлению того факта, что неожиданный результат проводимых им опытов — не просто проявление «закона природной подлости», а новый, до сих пор неизвестный феномен. Истинный художник постоянно стремится к творческим открытиям, но лишь временами ему это удается. В свою очередь изобретатель бьется в поисках подлинно оригинальной идеи, которая позволила бы удовлетворить одну из практических потребностей человека.
     
      Что такое изобретение?
     
      Артур Кёстлер в своих книгах, в частности в книге «Акт творчества» [1], вводит для анализа творческого процесса понятие «бисоциации», которое он определяет как решение задачи в одной области взаимосвязанных идей Путем привнесения в эту область идеи из совершенно иной сферы. Изобретение нового процесса или прибора — процесс, в такой же степени творческий, как и создание научной гипотезы, объясняющей экспериментальные наблюдения, поэтому метод Кёстлера, безусловно, применим к анализу изобретений. Всем хорошо известна история о том, как Архимед выпрыгнул из ванны с криком «Эврика?», когда придумал способ измерения объема царской короны, чтобы определить, золотая она или медная. Вот достойный пример изобретения, основанного на приложении к практической проблеме научного наблюдения, которое до тех пор с этой проблемой не связывалось. Многие, если не все, изобретения, можно подвести под понятие «бисоциации» в том смысле, что они решают, казалось бы, неразрешимую практическую проблему с помощью идеи, которая хорошо известна в какой-то другой области, но к которой, нельзя прийти путем логических построений или систематического поиска в наперед заданной области знаний (такой поиск мог бы осуществить и компьютер).
      Близкая к кёстлеровской идея содержится и в высказанной Эдвардом де Боно концепции «побочного мышления», под которым он понимает отход в рассуждениях от нормальной цепи логических построений.
      Свою мысль де Боно иллюстрирует на примере девочки, попавшей в руки злодея. Последний принуждает ее вытащить свой жребий из мешка, в котором, по его словам, находятся три белых и три черных камушка. Обнаружив, что на самом деле все камушки в мешке черные, девочка вытаскивает один и тут же его выбрасывает, а затем утверждает, что вытащил% белый. Злодею ничего другого не остается, как согласиться с ней, иначе его обман будет раскрыт [2].
      Эмоциональный момент Настойчивость и целеустремленность в решении задачи
      задачи исправил игры»
      Рис. 1.1. Как рождается изобретение.
      С нашей точки зрения, обе рассмотренные концепции относятся лишь к работе интеллекта, между тем как для подлинного изобретения необходимо участие эмоций и физического мышления. Под «подлинным изобретением» в этой книге понимается идея, способная привести к созданию устройства (механического, электрического или электронного), использование которого по-новому и гораздо лучше удовлетворяет некоторую человеческую потребность. Поэтому изобретение неотделимо от серьезного желания найти способ лучшего удовлетворения той или иной потребности человека и понимания физических и технических закономерностей и принципов не только умом, но и «на ощупь», т. е. руками и глазами. Лишь совокп-
      ность всех перечисленных условий позволит создать практически полезную конструкцию (рис. 1.1).
      Всякий, кто сделал хотя бы небольшое изобретение, способен оценить важность работы эмоциональной сферы. Изобретатель должен начинать работу с твердой верой в успех, сколько бы ему ни твердили ёб ожидающей его неудаче или о том, что до него над подобной затеей работали куда более умные люди. Он также должен быть совершенно уверен в важности решения поставленной задачи — это даст ему необходимые нравственные силы. Ему придется искать не одно решение, а целое множество оригинальных идей, поскольку большинство из них придется отвергнуть либо по причине их ошибочности, либо потому, что они сопряжены с такими побочными явлениями, которые сведут на нет их потенциальную ценность. С другой стороны, сама идея поначалу может показаться нереальной, но в результате дальнейших эмоциональных усилий появится новое изобретение, которое устранит первоначальные затруднения. Будущему изобретателю непременно придется пережить моменты уныния, когда и ему самому проблема будет казаться неразрешимой или когда идея — его любимое детище — при дальнейшем рассмотрении окажется незаслуживающей внимания. Успеха добьется лишь тот, у кого хватит сил продолжать борьбу, даже когда исход ее кажется безнадежным. И великие изобретатели прошли через такие трудности; пусть это послужит утешением для молодого человека, поставившего перед собой цель найти оригинальное решение проблемы.
      Процесс изобретательства всегда эмоционально окрашен; иными словами, подготовка к нему заключается не только в выяснении конкретной задачи, которую вы намерены решить, но и в получении твердой уверенности, что задача эта действительно заслуживает усилий. В наши дни намерение составить себе состояние на оригинальном изобретении уже не является достаточной побудительной силой по двум причинам. Во-первых, изобрести что-то, на чем можно было бы нажить капитал, сейчас неизмеримо сложнее, чем в прошлом веке. В те времена промышленная революция стремительно открывала возможности для создания новых инструментов, машин, материалов, и предприимчивый изобретатель имел реальную возможность обеспечить себе материальное благополучие. Сейчас же даже в таких быст-роразвивающихся областях, как электроника, полупроводниковая техника, электронные вычислительные машины, работы ведутся коллективно, и у изобретателя-одиночки мало шансов на успех, если он лишен правительственной или иной солидной поддержки.
      Во-вторых, промышленная революция дошла уже до той точки, когда то, что сулит экономическую выгоду, не всегда приносит пользу человечеству; виной тому такие факторы, как безработица или работа, не дающая удовлетворения, загрязнение окружающей среды, шум, истощение природных ресурсов, гонка вооружений, разрыв между промышленно развитыми и развивающимися странами и т. д. Подробно на этих вопросах я останавливался в своих книгах «Человек, машины и завтрашний день» [3] и «Машины: слуги человека или его хозяева?» [4]. Здесь же достаточно сказать, что если побудительным мотивом к изобретению оказывается личная выгода, то изобретателя неизбежно будут одолевать сомнения относительно социальной значимости его работы. Если, например, он пытается создать роботов, способных снизить себестоимость продукции, то он не может не задуматься над тем, как повлияет его успех на рост безработицы. Поэтому в гл. 3 мы попытаемся установить, какие изобретения окажут наибольшую пользу человечеству в настоящем и в будущем для того ограниченного пространства, в котором мы живем на космическом корабле под названием «Земля».
      Эмоциональный аспект изобретательского творчества можно проиллюстрировать образной аналогией, уподобив изобретателя всаднику на норовистом коне, который скачет по полю, окруженному высокой изгородью. Всадник твердо намерен выбраться на волю и без устали направляет коня на полном скаку на изгородь, но всякий раз изгородь оказывается слишком высокой, и конь отказывается прыгать или же прыгает и терпит неудачу. Однако, если всадник решителен и настойчив, он в конце концов найдет в из-
      городи место пониже, заставит коня перескочить че« рез нее и окажется на свободе.
      О важности физического эксперимента в изобретательском творчестве можно судить по примерам из жизни великих изобретателей; биографические сведения о некоторых из них приведены в гл. 2. Все они в молодости возились в мастерских или в домашних лабораториях, где ставили различные опыты и мастерили полезные штуки для дома. (В качестве довольно курьезного примера можно сослаться на па-ровую детскую коляску Парсонса.) При этом они овладевали опытом практического конструирования, учились «ощущать» прочность и жесткость конструкций. Замечательным примером способности к пространственному мышлению служит мастерство Бакминстера Фуллера, создателя сложных жестких пространственных конструкций: геодезических куполов, решетчатых мачт и жестких тетраэдрических перекрытий. Понимание того, как «работают» те или иные конструкции, позволяет изобретателю мысленно представить себе в действии приборы, над которыми он трудится, — ключ к этому дает лишь его собственный опыт. Когда студентом я изучал физику в Кавен-дишской лаборатории, то на лекциях Резерфорда меня более всего поражала его способность мысленно строить модели структуры атома исходя из собственного опыта. Модель атома была создана главным образом на основе практического опыта, тогда как общая теория относительности была разработана Эйнштейном как приложение определенного математического аппарата к объяснению физической реальности. Возможно, поэтому ему так и не удалось в последующие пятьдесят лет создать единую теорию электромагнетизма и гравитации.
      Методику «мышления с помощью рук» мы подробно рассмотрим в гл. 7, где обсудим также методы обучения этому искусству в школе и университете.
      На рис. 1.2 схематически показана роль изобретения в человеческом познании. На вертикальной оси отложена «степень фундаментальности» знаний: внизу — фундаментальные знания, вверху — более поверхностные, практические. Горизонтальная ось отражает направленность познания в область удовлетво-
      рения человеческой любознательности относительно устройства мира и законов природы (направление влево) или же в область удовлетворения физических потребностей, включая и эстетические потребности (направление вправо). Принято считать, что развитие чистой науки автоматически приносит благо челове-, честву, но на самом деле это не так. На нашем ри сунке развитие чистой науки показано движением вниз в левой части диаграммы: вначале — наблюдение природных явлений, а уже на их основе — созда-ние описательной теории (гипотезы). Гипотеза позво-ляет обобщить накопленные факты в рамках простых теоретических предпосылок — сошлемся на закон наследственности Менделя или специальную теорию относительности Эйнштейна.
      Следующий этап — экспериментальная проверка теоретических выводов. С этой целью проводится experimentum crucis — решающий эксперимент, призванный либо окончательно подтвердить, либо опровергнуть теорию, по крайней мере на данном отрезке времени. Только в том случае, если изобретатель убедится, что научная теория, воплощенная в изобретение, послужит более полному удовлетворению человеческой потребности, мы вправе говорить о том, что наука дала практические плоды. Закон Менделя был применен для выведения ценных сортов пшеницы,
      фруктов и овощей, но для этого потребовалось вмешательство изобретателя, который понимал,, что новые свойства окажутся полезными. Специальная теория относительности содержала идею о том, что массу можно превращать в энергию, но практическую реализацию этой идеи невозможно было предвидеть до тех пор, пока через тридцать лет не удалось расщепить ядро урана. Помнится, как во время второй мировой войны я позвонил своему бывшему заведующему учебной частью в Кембридже и спросил у него, можно ли получить энергию из атомного ядра (директор Британской научно-исследовательской ассоциации по исследованию угля, где я в то время работал, как раз готовил доклад о перспективных источниках энергии). Ответ был весьма уклончив, а между тем в то время он работал над секретным проектом Тьюб-Элойз (кодовое название работ, связанных с созданием атомной бомбы).
      Различные способы, которыми изобретение способно перевести знания из левой части нашей диаграммы в правую, подробнее обсуждаются в гл. 7, здесь же мы обязаны нанести удар по снобизму представителей «чистой науки». Они любят подчеркивать фундаментальность чистой науки в противовес прикладным наукам и технике, которые, с их точки зрения, являются дисциплинами поверхностными и занимаются лишь простыми задачами, значение которых преходяще. Это все равно что игнорировать верхнюю левую и нижнюю правую части нашей диаграммы, так что «чистый» ученый ставит себя в нижнюю левую ее часть, оставляя для инженера верхний правый угол. Изобретателю, мол, нет нужды быть знакомым с основополагающими научными теориями, его дело — работать над созданием практически полезных устройств, основываясь на общих, поверхностных представлениях о природе вещей. Спору нет, многие изобретатели успешно шли по этому пути, однако в нашем распоряжении имеется множество примеров изобретений, которые начинались с глубокого научного понимания сути явления и проходили через стадию основательного инженерного экспериментирования (ему соответствует нижняя правая часть диаграммы). Электронная лампа была разработана на основе
      представлений о поведении облака электронов в вакууме; рекомбинационная сварка Лэнгмюра основана на теории диссоциации; создание атомных электростанций стало возможным после того, как были измерены эффективные сечения различных ядерных реакций; изготовление транзисторов и других полупро-, водниковых приборов было бы невозможно без: фундаментальных исследований свойств полупроводников.
      Правая нижняя часть диаграммы соответствует изучению физико-химических свойств материалов, которыми предполагает воспользоваться изобретатель для своих целей. Только зная эти свойства, инженер сумеет воплотить свою идею в устройство, которое будет не просто работать, но работать надежно, экономично и эффективно.
      Как можно видеть из диаграммы, изобретательство — это тот творческий акт, в ходе которого знания, до тех пор представлявшие лишь академический интерес, обращаются на удовлетворение потребностей человека.
     
      Качества, необходимые для изобретателя
     
      Разумеется, человек, лишенный искры оригинальности, никогда не станет изобретателем. Однако по крайней мере у половины нормальных людей такая искра есть; все же другие качества, без которых изобретатель немыслим, могут быть развиты надлежащим обучением и самодисциплиной. Чтобы успешно заниматься изобретательской деятельностью, гораздо важнее уметь преодолевать препятствия — будь то собственное невежество, косность окружающих или «вредность» неодушевленных предметов, — чем постоянно выдвигать новые идеи. Удачливый изобретатель — это человек, который обладает способностью проникнуть в суть идеи и осуществить ее вопреки всем препятствиям (часто путем дополнительных изобретений), вплоть до создания практически полезного устройства. Именно это имел в виду Эдисон, когда говорил, что изобретение — это 10% вдохновения и 90% пота.
      Нередко основная идея решения той или иной проблемы известна многим людям, которые одновременно над ней работают. Так, Парсонс был только одним из многих, кто работал над созданием паровой турбины; своим успехом он в одинаковой мере обязан как хорошо оснащенной мастерской, так и удачным догадкам относительно наилучшей формы лопаток турбины. Теория движения пара в турбине (квадрат «Испытания материалов» диаграммы на рис. 1.2) была создана значительно позднее. Еще более показателен тот факт, что, когда в 1912 году лорд Фишер обратился к Парсонсу с предложением поработать над созданием газовой турбины, тот ответил, что не считает это теоретически возможным. Вероятнее всего, он подразумевал невозможность создания такого компрессора, который имел бы достаточно высокий к. п. д. и не потреблял всю мощность турбины.
      Приведенный пример свидетельствует о том, что сама идея создания газовой турбины носилась в воздухе за три десятка лет до того, как Уиттл успешно претворил ее в жизнь. Я вспоминаю, как в 1938 году обратился в научно-исследовательскую лабораторию Фирт Браун, с тем чтобы подобрать для своих работ по горению особо жаропрочную сталь. Тогда я сказал им: «Если у вас есть такая замечательная сталь, вы вполне могли бы работать над газовой турбиной». На что мне ответили: «Мы и работаем».
      Итак, первое качество, необходимое изобретателю, — это порой доходящая до наглости уверенность в себе: он совершенно уверен, что добьется успеха, и преисполнен решимости его добиться. Такая уверенность в себе присуща всем детям, к которым родители относятся с любовью. Беда только в том, что дальнейшее образование слишком часто подавляет в ребенке эту черту: ребенок воспринимает даваемые ему знания как нечто изначально существующее и начинает сомневаться в собственной способности сделать что-то новое. Помочь восстановить веру в свои силы можно, только ставя перед учащимся творческие задачи возрастающей трудности: лишь так он сумеет убедиться в том, что может самостоятельно
      найти нужное решение. Глава 8 посвящена методам воспитания такой творческой уверенности в себе.
      Второе качество также относится к области эмоций: мы имеем в виду настойчивость и усердие, помогающие преодолевать препятствия и противодействие и не отступать перед неудачами и трудностями. У некоторых людей такого упорства больше, чем у других, однако любой зрелый человек способен проявить настойчивость, если он уверен в значимости своей работы не только для самого себя, но и для человечества. Вероятно, человеку, склонному к интроспекции, легче добиваться умозрительной цели, не предаваясь отчаянию при неудачах, однако бесспорно, что и самый явный экстраверт способен черпать силы из сознания ясно поставленной цели.
      В-третьих, изобретатель должен вырабатывать в себе интеллектуальную и физическую сноровку, необходимую для успешной работы, способность проводить разумные аналогии и оперировать моделями, в которых сохранены все основные контуры задачи и опущены несущественные детали, а также умение «думать руками», создавая сложные движущиеся конструкции. Ему не обязательно в совершенстве владеть математическим аппаратом, составлять дифференциальные уравнения и решать их — это делается уже на более позднем этапе, после того как выкристаллизовалась основная идея. Эдисон говорил: «Для математических расчетов я всегда могу нанять специалистов», — и он действительно поступал именно так.
      В-четвертых, изобретатель должен хорошо знать самого себя: знать, когда следует мобилизовать все силы на решение задачи, а когда лучше дать задаче «отлежаться», в какое время суток и при каких условиях ему лучше работается, — быть может, среди ночи, а то и пропустив стаканчик-другой или же объясняя проблему другим. Особенно важно уметь подавить в себе критическое начало: чтобы новая идея не погибла под гнетом возражений, не успев даже окончательно сформироваться, нужно научиться избавляться от смирительной рубашки внутренних запретов.
      Наконец, у изобретателя должен быть особый «изобретательский» взгляд. Иными словами, он должен смотреть на все творения человека так, словно он только что прилетел с Марса, и всегда задаваться вопросами: «Почему это делается так, а не иначе? Чего хотят этим добиться? Нужно ли создавать только шума н загрязнений? Можно ли достичь поставленной цели другим путем? Почему градирня имеет такую форму? Нужно ли испарять в градирне воду? Почему трубы некоторых электростанций разделены внутри на четыре части? Почему у судового винта три, четыре или пять лопастей? Почему у судов не бывает четырех винтов? Почему винт вытеснил гребное колесо? Нужны ли поезду колеса? Почему у машины выхлопная труба снизу? Зачем в сливной бачок в туалете наливают столько воды? Почему так гудят лампы дневного света? Должен ли пылесос работать с таким шумом? Обязательно ли добавлять свинец в бензин?» Эти и тысячи других вопросов могут натолкнуть человека на изобретение. Точно так же ученый относится к любому явлению: «Как же объяснить, все это? Как увязать этот феномен с другими явлениями наиболее простым способом?»
      Изобретатель, который уже решил для себя, что какая-то проблема требует нового подхода, будет смотреть на все с точки зрения этой проблемы. Любое, самое незначительное наблюдение может послужить ключом к ее решению. Классический пример сказанному — история с Джеймсом Уаттом, который хотел найти лучший двигатель, чем мускульная сила или ветер, и заметил, как пар с силой поднимает крышку чайника.
     
     
      Глава 2
      История некоторых изобретений и изобретателей
      М. Тринг
      Истоки техники
     
      Первой ступенью в развитии техники можно счи-тать появление у человека оружия и ручных орудий труда, которые расширяли его физические возможности. За обыкновенным камнем и деревянной дубинкой последовали обточенные кремни, специально изготовленные деревянные и костяные орудия, костяная игла с ушком и изобретение, во многом увеличившее силу человека, — деревянная рукоять, которая прочно крепилась к каменному топору, наконечнику копья или молоту. Без этого человек не смог бы рубить деревья, копать стоя или охотиться на крупных животных.
      Другим блестящим изобретением был лук со стрелами. Использование тонкой и прочной бечевы для накопления энергии в согнутой деревянной пружине, с тем чтобы сообщить легкой стреле большую начальную скорость, требовало творческого мышления на очень высоком уровне и, бесспорно, не могло быть сделано на основании случайного наблюдения.
      Умение обращаться с огнем, который позднее стали раздувать мехами из шкур, позволило человеку плавить медь, бронзу и, наконец, железо. Впоследствии это привело к появлению средневековых доспехов, меча (особо прочные и острые мечи считались волшебными) и ручных инструментов, среди которых следует выделить топор, тесло и плотницкие инструменты (многими из них люди пользуются по сей день). Сочетание легкого деревянного топорища с тяжелым топором было замечательным изобретением, пришедшим к нам из глубин каменного века. Изобретение лопаты, которую можно погружать в твердую почву, упираясь ногой, позволило обрабатывать землю на глубину, необходимую для выращивания овощей, чьи корни уходят глубоко в землю. Мотыга, которой пользовались прежде, обрабатывала лишь верхний слой; на глинистых почвах, преобладающих в Англии, она была практически бесполезной.
      Наиболее значительным изобретением, с точки зрения современной техники, было изобретение колеса. Ацтеки и инки сумели достичь высокого уровня в строительстве каменных сооружений, не зная колеса, но лишь за счет эксплуатации огромного числа рабов. В западной цивилизации колесо известно со времен фараонов. Древнейшим дошедшим до нас изображением является барельеф колесницы фараона из города Ур в Месопотамии (третье тысячелетие до н. э.). Не вызывает сомнения, что изобретение колеса произошло в два этапа. Вначале люди стали использовать катки из бревен для перемещения тяжелых камней — как оказалось, трение при этом было существенно меньше, чем при использовании простых волокуш. Затем неизвестный гений изобрел ось с подшипниками, что давало двойной выигрыш: во-первых, момент силы трения уменьшался пропорционально отношению диаметра оси к диаметру колеса, во-вторых, появилась возможность подбирать обе трущиеся поверхности и сглаживать их для уменьшения трения. В качестве смазки, причем, судя по всему, очень рано, стали использовать бараний жир. Колесо со спицами появилось в Восточной Персии и в Египте (Фивы) между 2000 и 1500 гг. до н. э.1
      Другие крупные технические достижения еще до первой промышленной революции связаны с заменой мускульной силы человека вначале силой тягловых животных, а затем силой воды и ветра. Потребовалось немало изобретений, прежде чем человек научился в полной мере использовать силу лошади и буйвола. Первым появилось седло, много позднее — стремена. Это позволило всаднику держать оружие обеими руками. Подковы предохраняли копыта лошади от повреждений, а хомут позволил с наибольшей эффективностью использовать силу лошади, чтобы
      1 Eco U., Zorgoli G. В. A Pictorial History of Inventions, Weidenfeld and Nicholson. 1962.
      вращать ворот, тянуть повозку или плуг (который сам по себе был значительным изобретением, удесятерив шим площадь культивируемой земли).
      Греки придумали геометрию и увлекались отвле ченными идеями — они считали, что свободные граж дане должны направлять свои интеллектуальные силы на изучение законов гармонии Вселенной. Механику же и ремесла они оставляли на долю рабов и чужестранцев. До сих пор человечество не избавилось от того, что я называю «Платоновой ересью», — от пренебрежения, которое выказывал механикам этот греческий философ-гуманист и математик. Архимеда (287 — 212 гг. до н. э.), греческого математика, жившего в Сицилии, стать изобретателем вынудили обстоятельства. Он не оставил после себя записей о своих изобретениях; на своем надгробье он велел изобразить сферу, вписанную в цилиндр, что должно было символизировать его труды по геометрии. Архимеду приписывают создание военных осадных машин, зажигательного зеркала , рычага, архимедова винта, модели движения планет и способа, позволяющего отличать золото от меди по плотности путем измерения количества вытесненной воды.
      Герон Александрийский (150 — 100 гг. до н. э.) также был греком, но в отличие от своих соотечественников он уже писал книги по механике. К их числу относятся «Пневматика», в которой описаны фонтаны, сифоны, пожарный насос и эолиопил (реактивная паровая турбина, которая вращалась, когда под ней зажигали огонь); книга о военных машинах; «Механика», в которой приводится описание многих механизмов, в частности своеобразного «километраж-ного счетчика» для повозки, измерявшего пройденный путь по числу оборотов колеса, с которым устройство было связано многоступенчатой червячной передачей. Герону принадлежат также книги о водяных часах и о снятии топографических планов (в последней упоминается предшественник теодолита, прибор под названием «диоптра»).
      1 Согласно легенде, с помощью множества плоских зеркал Архимед поджег неприятельский флот. — Прим. ред.
      Вероятно, следующим изобретателем, чьи творения столь же хорошо известны, нужно назвать Леонардо да Винчи (1452 — 1519). Человек неистощимой интеллектуальной энергии и любознательности, он был магистром нескольких искусств (живописи, скульптуры, музыки и архитектуры), а также изобретателем и ученым. Леонардо создавал архитектурные проекты, руководствуясь прогрессивными санитарными нормами, разработал план орошения Ломбардской равнины, трудился над канализационными системами, предотвращением разливов реки Арно, предусматривал меры борьбы с оползнями. Его научные изыскания были тесно связаны с практическими задачами, которые он пытался решить, или, как, например, его занятия анатомией — с живописью. «Платонова ересь» не коснулась его, возможно, потому, что свою деятельность он начал с подмастерья у искусного ювелира, скульптора и художника. В посвященном Леонардо да Винчи музее в Милане собрана целая галерея моделей машин, построенных по его эскизам: различные станки, военные машины (в том числе танк, приводимый в движение посредством нажатия рычагов; передние и задние колеса этого сооружения вращались в разные стороны). Среди проектов Леонардо имеется проект использования пара для метания снарядов, летательный аппарат (прототип вертолета), движимый мускульной силой человека, и другие аппараты с машущими крыльями — для их создания великий изобретатель скрупулезно изучал полет птиц. Вряд ли его создания нашли практическое применение; кое-кто из критиков склонен даже утверждать, что некоторые эскизы Леонардо да Винчи сделаны по уже известным изобретениям. Как бы то ни было, его тетради и наброски — весьма вдохновляющий пример творческой активности гениального изобретателя, многие творения которого были «изобретены» заново гораздо позже, когда появились новые материалы, двигатели и теоретические знания, необходимые для воплощения идей Леонардо в жизнь.
     
      Энергия ветра и воды
     
      Первые водяные колеса были своеобразными насосами, приводимыми в действие мускульной силой человека или животных. При вращении колеса
      сосуды, укрепленные по ободу, заполнялись водой внизу и поднимались вверх, где вода выливалась в желоб. Греческому мыслителю Филону Византийскому, жившему во второй половине II в. до н. э., принадлежит учебник механики, в котором приводится описание колеса с широкими лопастями: поток вращал колесо и вода небольшими порциями с помощью лопастей поднималась вверх. Это изобретение послужило толчком к появлению подливного водяного колеса; значительно позднее появилось и наливное (верхнебойное) колесо, для которого требовалась большая разность уровней воды, но меньший поток. Водяное колесо по виду мало чем отличается от водоподъемного, но по сути является уже не насосом, а двигателем. Такими водяными колесами приводились во вращение мельничные жернова. Одной из причин развития сталелитейной промышленности в. Шеффилде послужило наличие в окрестностях текущих с Пеннинских гор рек и ручьев со значительным напором.
      На основе водяного колеса была сконструирована водяная турбина — с помощью таких турбин вырабатывается значительная доля электроэнергии в развитых странах. Однако для водяных турбин требуется большая разность уровней (бьеф) и большой запас воды в водохранилище (например, для производства 1 МВт-ч энергии необходимо 370 000 т-м воды). Это возможно, только если водохранилище расположено в сотнях метров выше турбины и питается водами реки, берущей начало в горах, где выпадает много осадков.
      Силой ветра, запряженной в парус, стали пользоваться гораздо раньше. Имя изобретателя паруса не известно, но искусство хождения под парусами, развивавшееся на протяжении веков, превратилось в научную дисциплину и достигло апогея в минувшем столетии. Парусный спорт до сих пор остается одним из увлекательнейших развлечений, и не исключено, что по мере уменьшения запасов нефти мы со временем вернемся к использованию крупных грузовых и даже пассажирских парусных судов, построенных на основе новейших материалов — с пластиковыми корпусами и нейлоновыми парусами. Возможно, эти
      суда будут иметь вид катамаранов с полужестко связанными корпусами.
      Ветряные мельницы появились в раннем средневековье; их работа основана на остроумном изобретении: на лопасти, поставленные под углом и образующие ветряное колесо, действует постоянный вращающий момент, когда направление ветра совпадает с осью колеса. Ветряное колесо послужило прототипом воздушного винта, который устроен по тому же принципу.
      На ветряных мельницах появилась и первая система автоматического регулирования: на вращающейся башне ветряной мельницы ставился второй ветряк поменьше, ось которого была перпендикулярна оси основного колеса. Если направление ветра менялось и переставало совпадать с осью основного колеса, начинало вращаться малое колесо, которое через систему передач вращало башню до тех пор, пока плоскость основного колеса вновь не становилась перпендикулярной направлению ветра.
      Чтобы предохранить лопасти от поломки при сильных порывах ветра, было придумано немало оригинальных устройств. Так, каждая лопасть составлялась из множества маленьких лопастей, которые поворачивались на осях, перпендикулярных основному крылу, наподобие жалюзи. С помощью тяг, проходящих у концов маленьких лопастей, последние можно было поворачивать рычагом, расположенным у оси колеса, и ставить в такое положение, чтобы ветер свободно проходил сквозь крыло ветряка. Многие изобретатели ломали голову над созданием ветряного колеса с вертикальной осью, которое вращалось бы независимо от направления ветра; такое колесо действует аналогично чашечному анемометру.
      Современной действующей конструкцией такого колеса является ротор Савониуса: он состоит из двух половин 160-литровой металлической бочки, разрезанной по плоскости симметрии, проходящей по оси цилиндра. Обе половины закреплены на вертикальной оси, и в плане ротор напоминает букву S. Я помогал своему отцу строить ветряное колесо с откидывающимися лопастями — у этого колеса с одной стороны ветру подставлялась большая площадь, чем с другой. Всем упомянутым ветрякам присущ общий недостаток: их трудно укрепить достаточно прочно, чтобы они противостояли порывам ветра. Впрочем, у колеса, сконструированного отцом, шарниры лопастей можно было открывать так, что под давлением ветра лопасти получали возможность откидываться назад с обеих сторон. В ближайшие десятилетия, очевидно, произойдет возрождение ветряков (как и парусных судов), особенно там, где их можно реально использовать для накопления энергии: например, для закачивания воды в водохранилище с целью орошения полей или для нагрева воды.
     
      Начало первой промышленной революции
     
      Мы выберем несколько изобретений, относящихся к тому периоду в истории техники, когда появились первые промышленные коромысловые паровые машины, газовое освещение, были созданы точные станки, начата массовая выплавка стали, изобретены гребное колесо и гребной винт, паровоз, и закончим работами Парсонса и Эдисона. В Англии этот период приходится примерно на XIX век. Это было время, когда изобретатель-одиночка мог рассчитывать найти финансовую поддержку, достаточную для создания промышленного образца своего изобретения, и в случае удачи — наладить его промышленный выпуск. Препятствия, которые чинились изобретению правительством, военными, промышленниками и рабочими, были ничуть не меньше, чем в наши дни, однако финансирование нового изобретения было по средствам отдельному бизнесмену (например, Боултону, деловому партнеру Уатта) или даже самому изобретателю, если прежде ему посчастливилось сделать кое-какие удачные изобретения (в качестве примера сошлемся на Сименса и Бессемера). Эдисон и Парсонс творили уже в конце этого периода, но и им удалось собрать достаточно денег для своих разработок и в конечном счете организовать крупные компании, процветающие по сей день.
      Первый паровой коромысловый (балансирный) двигатель, создание которого связывается с именами Папена и Ньюкомена, совмещал в одном цилиндре
      функции рабочего цилиндра и конденсатора. Ньюко мен предложил использовать струю воды для конденсации пара и создал устройство для автоматического управления подачей пара. Паровая машина, используемая для поднятия воды, была значительным шагом вперед по сравнению с ветряным двигателем, но потребляла такое количество угля, что ее к. п. д. составлял чуть больше 1%.
      Уатт был мастером по изготовлению математических приборов у д-ра Блэка, профессора химии в университете Глазго. В 1763 году ему случилось ремонтировать модель паровой машины Ньюкомена, а уже через два года он пришел к мысли о создании отдельного конденсатора, позволявшего обходиться без охлаждения цилиндра до температуры конденсации пара в конце каждого рабочего хода. Уатту также принадлежит идея выпуска пара в цилиндр лишь в начале рабочего хода, с тем чтобы пар совершал в цилиндре работу, расширяясь до более низкого давления; для этого изобретатель применил скользящий золотник. Он придумал и цилиндр с реверсом пара. Уатт снабдил паровую машину маховиком и парораспределителем.
      Деньги для своих разработок Уатт получил вначале от компании Каррон Айронуоркс, а затем от бирмингемского промышленника Боултона. В 1776 году он создал промышленный образец своей машины, а к 1800 году поднял ее к. п. д. до 8%. К 1800 году, когда истек срок его основного патента на отдельный конденсатор, Уатт установил 100 паровых насосов и 200 паровых силовых приводов. Для преобразования движения качающегося коромысла во вращение ему пришлось применить планетарную передачу, поскольку патент на использование для этой цели коленчатого вала принадлежал другому лицу.
      Следующий шаг в развитии паровых машин еде лал Тревитик: к 1803 году он построил машину, работавшую при давлении пара 3 атм. За использование давления выше 1 атм Уатт назвал Тревитика «убийцей» — у того действительно были неприятности с клапанами, а однажды взорвался котел. До тех пор пока двигатель с повышенным давлением пара не был соединен с конденсатором, его к. п. д. был
      ниже, чем у машины Уатта (кстати, на железнодо рожных локомотивах конденсаторы так и не привились). Однако именно двигатель Тревитика сделал возможным создание паровоза: цилиндр этого двигателя при той же мощности имел гораздо меньшие размеры. Использование конденсатора позволило в 1835 году довести к. п. д. до 12%, а к 1917 году к. п. д. многоцилиндровых паровых машин достиг 16%.
      Примерно к 1880 году Отто и Дизель создали работоспособные двигатели внутреннего сгорания. Вскоре к. п. д. этих двигателей удалось значительно увеличить за счет повышения максимальной рабочей температуры и степени сжатия, несмотря на то что при каждом цикле цилиндр охлаждался до минимальной рабочей температуры.
      Изобретателем газового освещения был Уильям Мэрдок. Он работал у Боултона и Уатта и в 1782 году изобрел планетарную передачу для замены коленчатого вала. Мэрдок руководил установкой и эксплуатацией паровых насосов на шахтах Корнуэлла и построил модель паровоза с балансирным паровым двигателем. Было известно, что треть добываемых в Ньюкасле углей летуча и что при нагревании выделяется горючий газ. Мэрдок нагрел уголь в чайнике и поджег газ, выходящий из отверстий, проделанных в надетом на носик чайника наперстке. В 1792 году он устроил газовое освещение в собственном доме; он также использовал угольный газ, закачанный в бычий пузырь, для переносного светильника.
      В 1802 году Мэрдок публично продемонстрировал свое изобретение, осветив газом завод Боултона и Уатта в Сохо. Несмотря на то что Джеймс Уатт-младший отказался запатентовать газовое освещение, Боултон и Уатт сделали Мэрдока своим компаньоном, и после 1805 года ряд заводов был оснащен газовым освещением и установками для перегонки угля. Сэр Гэмфри Дэви высмеял идею освещения улиц газом, спросив, не собираются ли компаньоны устроить газовую станцию в соборе Св. Павла. В 1808 году работа Мэрдока «Об использовании угольного газа для практических целей» была удостоена медали Королевского научного общества. В 1814 году «Газовая
      компания Лондона и Уэстминстера» установила газо-вые рожки на Вестминстерском мосту, а в последую щие несколько лет газ осветил улицы Глазго, Ливер пуля и Дублина. У Мэрдока не было патента на га-зовое освещение, и это изобретение не принесло ему денег. Он был управляющим на заводах Боултона и Уатта и придумал ряд усовершенствований паровых двигателей, вакуумный метод транспортировки грузов по трубам, пневматический двигатель, пароход, у которого две паровые машины вращали 90 кривошипов с веслами, и другие полезные устройства.
      Фрэнсис Пти Смит (Смит «Винт») был одним из многих изобретателей судового винта. Судя по описанию этого изобретения в книге Сэмьюэла Смайлза «Изобретения и промышленность» (Лондон, 1884 год), оно содержало все атрибуты крупного открытия:
      1) усовершенствование было основано на принципе, в корне отличавшемся от ранее использовавшихся;
      2) идея приходила в голову многим, но разработку ее вскоре бросали;
      3) изобретение встретило серьезную оппозицию, которую удалось преодолеть лишь благодаря огромной настойчивости автора. Не последнюю роль сыграла н счастливая случайность.
      Паровые машины в сочетании с гребными колесами успешно испытывались на судах в 1788 и 1801 годах; к 1815 году пароход совершал регулярные рейсы по Темзе. В одном из писем Джеймса. Уатта от 1770 года можно видеть набросок «специального весла». В- 1785 году Джозеф Брама запатентовал способ передвижения судов с помощью паровой машины, вал которой был соединен либо с гребным колесом, либо с винтом в виде плоской спирали. В период с 1790 по 1815 годы гребные винты были запатентованы в Вене, Англии и Америке. В 1834 году Ф. П. Смит, 26-летний фермер-скотовод из Ромни Марш, построил модель кораблика, которая приводилась в движение пружинным двигателем, с гребным винтом. Испытав свою модель, Смит убедился, что винт имеет неоспоримые преимущества перед гребным колесом. Два года спустя он получил патент на способ передвижения кораблей с помощью вращающегося винта, погруженного в воду, и сумел добиться ссуды на постройку судна водоизмещением 10 т с двигателем мощностью 6 л. с. Винт на этом судне имел два полных витка — вероятно, Смит рассматривал воду как мягкое, но плотное вещество вроде глины, в котором винт как бы нарезает резьбу и движется вперед. Однако при испытаниях винт ударился обо что-то под водой, половина его отломилась — и судно рванулось вперед с удвоенной скоростью.
      Тогда изобретатель поставил гребной винт с одним витком, но, бесспорно, он был далек от правильных теоретических представлений о работе винта, отбрасывающего при вращении реактивную струю воды назад. Более того, построенная Робертом Уилсоном в 1827 году модель винта куда больше напоминала привычные нам гребные винты с лопастями. Но лишь Фрэнсис Смит упорно разрабатывал свою идею на протяжении всей жизни, поэтому именно его следует считать основным изобретателем. В 1837 году Смит вывел свое 10-тонное судно в открытое море, выдержал суровый шторм и сумел достичь скорости в 7 узлов.
      Другой изобретатель, швед Эрикссон, чей паровоз «Новелти» на гонках 1829 года пришел вторым после «Ракеты» Стефенсона, также запатентовал в 1836 году «спиральный гребной винт» и построил 12-метровый корабль с двумя такими винтами диаметром 1,5 м, который развивал скорость до 10 узлов. Этот корабль он продемонстрировал лордам Адмиралтейства, которые совершили на нем небольшую прогулку по Темзе. Но их милости выразили «полное неудовлетворение результатами эксперимента», — как выяснилось, только потому, что один из высоких чинов заявил, будто «кораблем будет невозможно управлять, поскольку движущая сила приложена к корме».
      Военно-морской флот США был оснащен двумя кораблями с винтами Эрикссона, построенными в Англии, и после неудачи Эрикссон переехал в Америку. Там он построил броненосец «Монитор», который принимал участие в боевых операциях во время гражданской войны, но не получил за него денег от американского правительства.
      Британское Адмиралтейство испытало корабль Смита в 1838 году и осталось довольно экспериментом, но потребовало постройки и испытания корабля водоизмещением 200 т. Смиту удалось найти финансовую поддержку своему изобретению, и он основал фирму «Шип пропеллер компани»; в октябре 1838 года на воду был спущен корабль «Архимед» водоизмещением 237 т. Лорды Адмиралтейства убедились, наконец, в возможности управлять кораблем, у которого движитель находится на корме. Но прошло много лет, прежде чем судно было принято на вооружение: главный корабел ее величества королевы Виктории не признавал железных судов, паровых машин и всяких прочих новшеств. Одно за другим появлялись крупные пассажирские суда с винтовыми движителями (среди них выделялась «Великобритания» Брюнеля), а Адмиралтейство все еще занималось экспериментами. Срок действия патента Смита истек в 1856 году; к этому времени гребными винтами было оснащено 327 военных кораблей и еще больше торговых судов. Смит не добился патентных выплат, однако позднее в его пользу была устроена подписка, он получил государственную пенсию-и был удостоен дворянского звания.
      Первая выплавка стали была произведена в 1750 году в шахтной печи Хантсмена. В печи высокая труба создавала воздушную тягу через слой кокса; при этом огнеупорный горн нагревался до температуры, достаточной для выплавки высокоуглеродистой (с содержанием углерода до 1%) инструментальной стали. Для выплавки 1 т стали требовалось 3 т кокса. Бессемер, который получил солидный доход от секретного способа приготовления «золотой» краски из бронзовых опилок, в 1854 году начал опыты по выплавке больших количеств стали в отражательной печи путем сплавления чугуна с цементной сварочной сталью. Он обратил внимание на то обстоятельство, что чугун, на который попадает воздух, превращается в сталь и не плавится, образуя корку, тогда как находящийся внутри чугун вытекает. Это навело его на мысль варить сталь путем продувки воздуха через расплавленный чугун с целью окисления углерода.
      Вначале Бессемер пытался вдувать воздух через верх шахтной печи, затем построил цилиндрический жестко закрепленный конвертер, у которого воздух подавался через отверстия снизу. Наконец он понял необходимость интенсифицировать процесс про дувки и изобрел грушевидный «бессемеровский конвертер», который можно было наклонять для заливки расплавленного чугуна и разливки готовой стали. В 1856 году изобретатель прочитал в Британ ской академии доклад «О производстве стали без топлива» и в течение месяца продал привилегии многим железоделательным компаниям. Однако ни одной из них не удалось получить этим способом хорошую сталь, и Бессемеру пришлось выкупать привилегии обратно. Как оказалось, его первые опыты были удачными потому, что он пользовался чугуном из Бэрроу — этот чугун имел очень низкий процент фосфора и высокое содержание марганца. Бессемер добился успеха лишь после постройки собственного сталеплавильного завода, для которого он импортировал чугун из Швеции. В послед ние годы жизни он занимался разработкой солнечной печи и потратил много денег на проектирование судна с пассажирской каютой на кардановом под весе — этим он хотел избавить пассажиров от морской болезни.
      Уильям Сименс также имел возможность работать над своей сталеплавильной печью с регенерацией тепла лишь благодаря небольшому состоянию, полученному от изобретенного им в 1851 году бытового расходомера для воды. Идея регенеративного теплообменника была впервые применена Стирлингом в его приборе для подогрева воздуха, вдыхаемого туберкулезными больными. Позднее этот же принцип был использован для повышения к. п. д. двигателя, работающего на горячем воздухе по циклу Стирлинга (цикл имеет такой же теоретический к. п. д., как и цикл Карно). Сименс попытался разработать регенеративный паровой двигатель, но потерпел неудачу.
      В 1856 году совместно с братом Фредериком Сименс применил принцип регенерации тепла для подогрева воздуха, подаваемого в горн, стремясь повысить температуру горения и увеличить эффек-тивность печи. В 1861 году он получил патент на колосниковый газогенератор, позволивший использовать в сталеплавильной печи угольный газ, — это было удобнее, чем непосредственно сжигать уголь. Газ и воздух для горения подогревались в регенеративных теплообменниках. Первая удачная сталеплавильная печь с открытым подом была построена в сотрудничестве с братьями Мартен в 1863 году. В 1865 году на выплавку 1 т стали Сименс затрачивал 1,5 т угольного шлама. В 1868 году он открыл собственное сталеплавильное предприятие в Южном Уэльсе. К 1873 году производительность этого завода достигала 1000 т стали в неделю.
      Примерно до 1950 года печь Сименса с открытым подом (так называемый «мартен») использовалась шире, чем бессемеровские конвертеры, так как бессемеровский процесс позволяет использовать лишь незначительное количество металлолома, и поэтому в конечном счете на производство 1 т стали затрачивается больше кокса (с учетом доменного процесса), В последние годы кислородно-конвертерный метод стал наиболее распространенным способом получения стали из чугуна; железный лом переплавляют в дуговых электропечах. Я сам на протяжении 20 лет работал над процессом непрерывной разливки стали, В промышленных масштабах эксперименты в этой области проводили Говард Уорнер в Австралии и Глинков в России. Вместе с тем консерватизм в сталелитейной промышленности в нынешнем столетий ничуть не меньше, чем в минувшем.
      Главная заслуга в развитии металлорежущих станков принадлежит Модели — благодаря ему на смену токарному станку с ручным инструментом и неуклюжим установкам для сверления пушечных стволов (с помощью которых Рэмфорд опроверг теорию теплорода) пришли точные механизмы. Проработав некоторое время у Брама над станками для изготовления замков, Модели в 1794 году открыл собственную механическую мастерскую. Он изобрел салазки для токарного станка и изготавливал болты и гайки с такой точностью, что они были взаимозаменяемы, а его интерес к астрономии был настолько велик, что он сам конструировал телескопы.
     
      Переходный период: от XIX века к веку XX
     
      В этом разделе мы подробно рассмотрим творческие биографии двух знаменитых изобретателей, основоположников новых отраслей промышленности, которые сыграли важнейшую роль в переходе от сравнительно невысокого материально-технического уровня XIX века к высокоразвитой технике третьей четверти XX столетия. Ни тот ни другой не были первооткрывателями идей — основные идеи- их изобретений «носились в воздухе», над ними работали и другие изобретатели. Но каждый из них обладал способностью быстро определять, какие дополнительные изобретения нужно сделать и в каком направлении следует работать, чтобы довести идею до практического осуществления, до создания промышленных образцов. Эдисону принадлежит честь создания электрической лампы накаливания и развития крупных электростанций, генераторы которых приводились в действие паровыми машинами. Парсонс заменил поршневой паровой двигатель паровой турбиной и тем самым открыл путь к мощностям в сотни миллионов ватт.
      Редко удается проследить путь творческой мысли великих изобретателей: они по большей части были людьми замкнутыми и не рассказывали о ходе своих рассуждений даже в письмах. Поэтому их биографам не остается ничего другого, как основываться на их изобретениях или же на собственных догадках. Однако внимательное изучение биографий обоих великих изобретателей может дать представление о принципах изобретательства в целом.
      И Эдисон, и Парсонс довели свои идеи до практического осуществления. Они обладали двумя важнейшими качествами: способностью «думать не только головой, но и руками» и уверенностью, преданностью своему делу и непоколебимой решимостью преодолеть все препятствия. На наш взгляд, они не отличались сверхъестественными изобретательскими способностями, а скорее выработали в себе чутье к тому, где находится «центр тяжести» задачи, и настойчиво искали к нему пути.
      Т. А. Эдисон (1847 — 1931) [5]
      По меткому определению Норберта Винера, Эдисон был переходной фигурой от доморощенных изобретателей прошлого века к квалифицированным специалистам нашего времени, основывающим свои изобретения на тщательных и систематических экспериментах. В 1876 году Эдисон основал первую в мире промышленную исследовательскую лабораторию в Менло-Парке, штат Нью-Джерси (теперь эту лабораторию в нетронутом виде перенесли на специально отведенный участок вблизи Детройта; там можно даже увидеть большой буфет под лестницей, где изобретатель часами прятался от всех, когда ему нужно было спокойно подумать).
      Любознательность Эдисона проявилась еще в детстве. В школе его относили к разряду тупиц; тогда мать забрала его из школы и приобщила к чтению. Он так и не научился грамотно писать, но в девять лет прочитал книгу по физике, которая целиком захватила его воображение. Он занялся самообразованием и проделал все химические опыты, описанные в книге. В десять лет Эдисон построил в подвале телеграфный аппарат, а через два года устроился разносчиком газет в поездах, выторговав для себя право продавать пассажирам всякую снедь. В 1861 году в багажном вагоне поезда он соорудил лабораторию, в которой мог заниматься химией и электротехникой.
      В возрасте 15 лет Эдисон попытался читать «Математические начала натуральной философии» Ньютона, но не осилил их. Позднее он признавался, что «с тех пор потерял вкус к математике». Идеи другой книги — «Ремесла, мануфактуры и шахты» Ури — пришлись ему больше по сердцу: автор высмеивал ученых-пуристов, пренебрегавших паровым двигателем, и воздавал хвалу механикам и ремесленникам, превратившим паровую машину в автоматическое чудо техники. Эдисон из хлама смастерил приличный телеграфный аппарат и пошел работать помощником телеграфиста. За пять лет он стал опытным телеграфистом и изобрел репитеры, которые работали хорошо, но не были предусмотрены правилами. Он видел свои изобретения во сне, но они исчезали, как только он просыпался. Эдисон пытался изобрести дуплексный телеграф, который мог бы одновременно передавать два сообщения, но тут он потерял работу, и дуплексный телеграф придумал кто-то другой. Работая телеграфистом, будущий изобретатель уделял больше времени своим экспериментам (в основном по электротехнике) и чтению научной литературы, чем службе. Большое впечатление произвели на него «Экспериментальные исследования по электричеству» Фарадея: здесь приводились ясные описания без всякой математики.
      В 1869 году, когда ему был 21 год, Эдисон оставил работу в телеграфной компании «Уэстерн юнион» в Бостоне и решил стать свободным изобретателем. Свой первый патент он получил в июне 1869 года — это была «электрическая машина для голосований», предназначенная для конгресса США; ему удалось собрать у бостонских промышленников несколько сотен долларов под свою будущую работу. Но машину отвергли как нежелательную с политической точки зрения, и Эдисон решил посвятить себя созданию только таких изобретений, которые могли бы принести коммерческий успех. Однако все его идеи потерпели фиаско, и он приехал в Нью-Йорк без гроша в кармане. Там ему здорово повезло: ему удалось установить причину поломки «золотого индикатора» — указателя курса золота на бирже; поломка имела катастрофические последствия. Он получил хорошую должность, а с ней возможность работать над своими проектами буквопечатающих телеграфных аппаратов. Затем Эдисон объединился с колле-гой-изобретателем Поупом и заключил союз под вывеской «Электрические инженеры и конструкторы», но союз распался, когда он понял, что делает всю работу за треть доходов. Эдисон вновь поступил на работу в компанию «Уэстерн юнион», но уже на должность изобретателя. Здесь он заработал 40 ООО долларов на устройстве, которое синхронизировало биржевые телеграфы с центральным аппара-
      том. Он основал небольшое предприятие со штатом в 50 человек и стал выпускать биржевые телеграфы — сам он был и изобретателем, и суровым мастером.
      С 1871 по 1876 год Эдисон работал над телегра-фом и указателями биржевых курсов; деньги на свои разработки он пытался заработать, продавая аппараты, бесперебойное действие которых ему приходилось обеспечивать. Финансовые схватки между жестоко конкурирующими телеграфными компаниями Джея Гулдса и «Уэстерн юнион» были для него источником постоянных неприятностей — он поносил «узколобых капиталистов», ставя им в противовес «легкомысленных изобретателей». Когда какой-нибудь прибор отказывался работать, Эдисон запирался со своими ближайшими помощниками в мастерской и просиживал там десятки часов, пока не удавалось найти и устранить неисправность. А случалось, он снимал всех своих «механиков» с работы над серийной продукцией, чтобы они помогли ему в разработке новой идеи. Хотя Эдисон живо интересовался теорией явлений (тем, что в гл. 5 мы называем «физическим мышлением»), с которыми сталкивался, он всегда пользовался эмпирическими методами, пытаясь с их помощью найти ключ к решению задачи.
      Он обладал огромной интуицией и превосходно «чувствовал», где искать решение, какие эксперименты проводить; его энтузиазм и любознательность не имели границ. Он также твердо верил, что следует постоянно держать в уме не одну, а целый ряд проблем, ожидающих решения, и всегда был готов воспользоваться удачной идеей для решения если не одной, то другой задачи. Несмотря на это, он мог делать изобретение практически «по заказу», если оно требовалось в той области, с которой он был знаком или мог познакомиться, читая книги. Читал Эдисон очень быстро и все прочитанные сведения при необходимости мгновенно извлекал из памяти. Хотя он и не имел формального научного образования, он самостоятельно глубоко изучил электротехнику, механику и химию.
      К 1874 году Эдисон закончил многолетнюю работу над созданием квадруплексного телеграфа, по которому можно было передавать два сообщения во встречных направлениях по одной паре проводов. Он не умел мыслить абстрактными образами, поэтому для того, чтобы наглядно представить себе сложный характер токов в проводах, построил гидравлическую модель токов — еще один пример того, что для работы над изобретением нужно иметь ясное представление о физической сущности явлений. Математические уравнения, как бы точно они ни отражали физические процессы, бессильны дать толчок инженерной творческой мысли, ими можно воспользоваться позднее, для проверки. Квадруплексным телеграфом закончился первый этап успешной изобретательской деятельности Эдисона. В этот период он также построил дуговую лампу с питанием от батарей и проводил эксперименты по получению искр с помощью высокочастотных электромагнитных волн, которые он называл «поистине неведомой силой».
      В 1876 году изобретатель построил собственную лабораторию в 40 км к юго-западу от Нью-Йорка и отказался ото всех промышленных начинаний, чтобы целиком посвятить себя «изобретательскому бизнесу». Вначале лаборатория в Менло-Парке насчитывала полтора десятка сотрудников, все они были механиками; позднее Эдисон нанял математика, стеклодува и ряд других специалистов. По всей видимости, это была первая промышленно-исследовательская лаборатория в мире. В ту пору многие «чистые» ученые, в том числе Клерк Максвелл, с пренебрежением относились к инженерам-практикам (такое отношение, впрочем, встречается и по сей день). Эдисон не скрывал своего стремления к коммерческому успеху, называл себя «промышленным ученым» и не менее пренебрежительно относился к физикам и математикам.
      В 1875 году компания «Уэстерн юнион» обратилась к Эдисону с предложением заняться созданием телефона; компания не сторговалась с Беллом, который запросил за свои патенты 100 ООО долларов. Заменять свои телеграфы более совершенными компания не хотела — как выразился Эндрю Карнеги, «первооткрыватели не получают прибылей». В 1912 году член Верховного суда США Д. Брандейс
      заметил: «Крупные организации не терпят прогресса. Они не принимают крупной игры. Возьмите газовые компании — они не желали иметь дела с электрическим освещением. Или телеграфные компании — «Уэстерн юнион», например, — они не хотели связываться с телефоном».
      Вклад Эдисона в развитие телефона заключался в том, что он отделил микрофон от наушника, а к 1878 году разработал удачную конструкцию угольного микрофона, в котором звуковые колебания изменяли сопротивление. Компания «Уэстерн юнион» в
      1879 году продала свои телефонные разработки компании «Белл».
      Нередко, начиная работу в одном направлении, Эдисон сталкивался с явлением, которое подсказывало его изощренному уму решение совсем другой проблемы. Так, его работа над граммофоном началась после того, как он создал телеграфный репитер, делавший рельефные оттиски на бумажном диске. Ему также помогло наблюдение, что мембрана телефона колеблется со значительной амплитудой. В 1877 году Эдисон создал свой неуклюжий, но вполне работоспособный фонограф, в котором запись звука производилась на цилиндр из оловянной фольги. Цилиндр приводился в движение рукояткой, для большей равномерности вращения снабженной маховиком; время записи составляло всего минуту. Это изобретение принесло ему мировую известность. Эдисон предсказал своему детищу множество применений (сейчас для этих целей используются магнитофоны), а также придумал способ получения восковых копий с основной матрицы. Но в 1878 году он оставил работы над граммофоном на десять лет и занялся главным изобретением своей жизни.
      В сентябре 1878 года Эдисон убедился, что электрическую дугу, питаемую от одного источника, нельзя распределять по искровым промежуткам и использовать для освещения домов наподобие газовых рожков. Одному из репортеров он заявил, что предвидит создание центральной электростанции, которая способна осветить весь Нью-Йорк, и сказал, что решит эту задачу в шестинедельный срок.
      Он понял, что ему нужно создать разветвленную схему освещения с большим количеством лампочек примерно по 8 свечей, соединенных параллельно и снабженных отдельными выключателями; сопротивление каждой лампочки должно было составлять 100 — 200 Ом. Целью изобретателя, как он сказал репортерам, была не материальная выгода, а «первенство в решении проблемы».
      Вначале Эдисону удалось заставить светиться нить накаливания из обугленной бумаги в вакууме в продолжение 8 мин. Затем он применил платиновые нити, соединенные с автоматическим регулятором, замыкавшим нить накаливания накоротко, едва она перегревалась. Эти нити светились уже 10 мин, и по словам изобретателя, успех его был обеспечен. После этого Сильванус П. Томпсон опубликовал статью, в которой утверждал, будто все попытки создать лампы накаливания обречены на неудачу и разговоры Эдисона о разветвлении токов свидетельствуют о его полном невежестве в области электротехники и электродинамики.«Своими заявлениями Эдисон нарочно поставил себя в затруднительное положение, чтобы иметь стимул разрешить эти затруднения». Эти слова принадлежат Ф. Р. Эптону, математику, который работал с Эдисоном. Когда Эптон впервые появился в Менло-Парке, Эдисон попросил его вычислить объем колбы электрической лампочки. После того как Эптон больше часа провозился с вычислени-Яхми, Эдисон сделал это за несколько секунд с помощью мензурки с водой.
      Эдисон основал собственную компанию под вывеской «Электрик лайт компани» и собрал на свои изыскания 50 000 долларов. Это насторожило газовые компании, занимающиеся освещением. Парламентская комиссия в Великобритании, которую консультировали лорд Кельвин и Джон Тиндаль, пришла к выводу, что проекты Эдисона «не заслуживают внимания инженеров и ученых», а сэр Уильям Прис в своей лекции в Королевской академии утверждал, что «если э. д. с. в цепи постоянна, то при включении в цепь дополнительных лампочек последовательно сила их свечения уменьшается обратно пропорционально квадрату числа лампочек, а при параллель-
      ном соединении — обратно пропорционально кубу их числа. Следовательно, создание разветвленной электрической сети есть не что иное, как ignis fatuus и обречено на провал».
      Эдисон интуитивно понимал закон Ома лучше любого профессора и сознавал, что лишь создание лампы с внутренним сопротивлением 100 — 200 Ом и разработка электрогенератора со стабильным напряжением на выходе позволят осуществить централизованное электроснабжение без слишком большого количества проводов. В январе 1879 года он сделал первую лампу с платиновой нитью, имеющую высокое внутреннее сопротивление, а затем испытывал нити из сплава платины с иридием, а также из бора, хрома, молибдена, осмия и никеля — с вольфрамом работать еще не умели, поэтому он не пытался сделать нить из этого металла. Эдисон прилагал значительные усилия, чтобы получить высокий вакуум, и обнаружил, что, откачивая лампу при подогретой нити, можно несколько повысить температуру плавления нити и удалить газы, сорбированные нитью. Однако финансисты выразили сомнение в успехе его замысла, когда он обратился к ним за дальнейшей помощью; это воздвигло перед ним препятствие в виде «каменной стены в сто футов вышиной». Эдисон отказался от платины и совместно с сотрудниками испытал 1600 образцов различных материалов.
      К середине 1879 года ему удалось сконструировать динамо-машину с непосредственным приводом на 350 об/мин, практически постоянным выходным напряжением и более высоким к. п. д. (90%), чем у прежних. Этого он добился за счет использования наборных магнитопроводов из листового железа и толстых медных проводов в обмотках. Он также научился запаивать колбы при давлении 10-5 атм.
      Затем Эдисон вернулся к опытам с угольной нитью, используя новую методику дегазации. Ему удалось создать нить сопротивлением 200 Ом (длиной 150 мм и диаметром 0,4 мм) из отожженной каменноугольной смолы. 21 октября 1879 года время свечения обугленной хлопчатобумажной нити достиг-
      1 «Свет слабоумного» (лат.).
      ло 13,5 ч; за этим последовали новые опыты с различными обугленными материалами растительного происхождения, и в декабре, после четырнадцати месяцев экспериментов, срок службы нити накаливания из обугленного картона составлял уже 170 ч. Об этом успехе написали газеты, и Эдисон снова получил финансовую поддержку. Наконец были найдены нити из обугленного бамбука, которые служили до 1200 ч.
      После этого Эдисон занялся разработкой сети центрального электроснабжения. Он сконструировал динамо-машину с регулятором напряжения, предохранители, выключатели, электропатроны с винтовым цоколем, подземные кабели с изоляцией из смолы, трехпроводную распределительную сеть для уменьшения расхода медных проводов на данное количество лампочек. В 1880 году он установил электрическое освещение на корабле «Колумбия», в том же году построил действующую модель электрической железной дороги, но столкнулся с проблемой патентных приоритетов и отказался от проекта. К рождеству 1880 года лаборатория в Менло-Парке была освещена электричеством — здесь было установлено 425 лампочек по 16 свечей; ток для них давал генератор мощностью 120 л. с. На устройство электрической сети ушло свыше 12 км медного провода.
      Эта демонстрация имела успех, и, несмотря на противодействие газовых компаний, Эдисон получил концессию на освещение Нью-Йорка электричеством. Он тщательно исследовал экономическую сторону проекта и выяснил, что на питание лампочки в 16 свечей будет затрачиваться — 0,18 кг угля в час, что примерно соответствовало затратам угля на газовый рожок такой же яркости. Тогда Эдисон снова занялся производственной деятельностью и основал компании по производству компонентов системы электрического освещения и строительству системы в целом.
      Строительство системы освещения Пёрл-стрит в Нью-Йорке было начато в сентябре 1882 года, но сразу же столкнулось с целым рядом трудностей. Это в первую очередь касалось организации фабрик по изготовлению компонентов системы и пуска системы в действие. Разрешением возникших проблем Эдисон
      был всецело занят много лет. В этот период были заложены основы всей электротехнической промышленности. По словам Эдисона, в те годы он был не изобретателем, а администратором; ему пришлось столкнуться с множеством судебных исков, так как его конкуренты то и дело выискивали кого-нибудь, кто выдвигал аналогичные идеи до Эдисона. Однако Эдисон и его сотрудники выиграли окончательный процесс, поскольку Эдисон первым осознал необходимость создания ламп с высоким внутренним сопротивлением и первым создал работоспособную систему. На суде в 1880 году он заметил: «За последние десять лет у меня перебывало множество математиков; и все они оказались никчемными специалистами... Математика всегда шла следом за экспериментами, а не перед ними... Я нанимаю математиков, а не они меня».
      К этому же периоду относится открытие «эффекта Эдисона» — движения электрических зарядов в откачанной колбе от отрицательно заряженной нагретой нити к впаянной в колбу металлической пластине. Изобретатель пытался использовать этот эффект для контроля температуры нагретой нити; впоследствии это привело к открытию электрона, созданию вакуумной электронной лампы и электроники в целом (имей Эдисон достаточное научное образование, он, вероятно, сам занялся бы работами в этой области). В 1889 — 1904 годах он сконструировал практическую модель 35-миллиметровой киносъемочной камеры.
      В 1889 году Эдисон стал яростным противником энергосистемы переменного тока, разработанной конкурирующей компанией «Вестингауз» и позволявшей передавать ток на значительное расстояние.
      В 1887 — 1888 годах он вернулся к фонографу и придумал для него пружинный привод с регулятором оборотов, доведя свое изобретение до промышленного образца. В 1892 году Эдисон продал свою долю в компании «Дженерал электрик» и несколько лет работал над проблемой обогащения железных руд. Однако, когда было открыто месторождение богатых железных руд в Месаби, он прекратил изыскания, в которые вложил два миллиона долларов собственных денег.
      Последней значительной работой Эдисона было создание железоникелевого аккумулятора.
      Чарльз Парсонс [6]
      Некоторые сведения о характере творческой деятельности Чарльза Парсонса можно почерпнуть из его записок; у него можно многому научиться. Его отец, граф Росский, был любителем техники. Он построил в замке Бирр, где Чарльз провел большую часть детства и получил домашнее воспитание, кузницу и механическую мастерскую, в которых можно было изготавливать любые механизмы и даже телескопы. С отцом и братьями будущий изобретатель конструировал паровые машины, электромагниты и телескопы; для морских прогулок они построили парусную яхту с металлическим корпусом. В те годы в Кембридже не было инженерного отделения, и Парсонс закончил в 1877 году математический факультет. На выпускных экзаменах он был одиннадцатым — он хорошо решал задачи, но плохо запоминал теоремы. Его комнаты были завалены техническими моделями, среди которых был и эпициклоидальный паровой двигатель с очень высоким числом оборотов. Для проверки своих идей Парсонс не прибегал к высшей математике, предпочитая ей арифметические расчеты и прикидки «по порядку величины». Позднее он говорил, что пять лет, отданных изучению математики, были самыми изнурительными в его жизни.
      По окончании Кембриджа он провел три года в обучении у сэра Уильяма Армстронга в Ньюкасле, где почерпнул много нового из области инженерной механики и конструирования. Парсонс решил для себя, что будет заниматься не отвлеченной натурфилософией, а практическим конструированием. К тому времени уже существовало понятие к. п. д. тепловых машин и была очевидна необходимость увеличения коэффициента расширения пара в тепловых машинах. Парсонс не мог не видеть недостатков, присущих одноцилиндровому паровому двигателю.
      В 1884 году он стал младшим компаньоном Кларка Чепмена в Гейтсхеде, и они начали совместную работу над электрогенераторами для морских судов (тогда предполагалось еще дуговое освещение). Парсонс прекратил прежнюю работу над ракетами и торпедами — он писал, что именно тогда решил сконструировать паровую турбину, которая могла бы не посредственно приводить в движение высокооборот ный электрогенератор. В 1885 году он построил тур бину, развивавшую мощность 6 л. с. при 18 000 об/мин и расходе пара 68 кг на 1 кВт-ч. К 1889 году, когда изобретатель решил расстаться с Чепменом, на его счету уже были турбины мощностью 20 л. с. при расходе пара 28,5 кг на 1 кВт-ч.
      Как активные, так и реактивные турбины тогда не были новинками; Лаваль в то же время работал в Стокгольме над конструкцией реактивной турбины по типу турбины Герона, у которой пар выходил с большой скоростью из концов S-образной трубки наподо бие фейерверочной шутихи. Вскоре Лаваль разработал активную турбину с несколькими неподвижными паровыми соплами, которые сужались к середине и расширялись вблизи выходного отверстия. Пар со сверхзвуковой скоростью выходил из сопла и попадал на лопатки турбины. Теория сопла Лаваля была разработана к 1888 году. Лаваль также первым использовал гибкий вал для самобалансирования ротора активной турбины, вращающегося с огромной скоростью (в идеале скорость движения лопаток равна половине скорости истечения пара). Мощность таких турбин была доведена до 500 л. с.
      Парсонс также употребил гибкий вал, но ему пришла в голову блестящая мысль о многоступенчатом расширении пара — это исключало необходимость доводить скорость пара до сверхзвуковых величин (порядка 1000 м/с), как в одноступенчатой турбине. Такой расчет позволил значительно увеличить мощность турбин — до многих сотен мегаватт — без риска разрыва лопаток центробежными силами. Струя пара равномерно проходит через такую турбину от одной ступени к другой; нет нужды прибегать к клапанам и подвижным парораспределителям.
      Вначале турбины Парсонса потребляли больше пара, чем поршневые паровые машины, и имели лишь то преимущество, что были компактными и быстро вращающимися, это позволяло соединять их с генераторами постоянного тока без промежуточного редуктора. Однако Парсонс поставил своей целью экономию топлива, и к 1897 году разработал близкие к
      оптимальным требования к форме и расположению лопаток. Ему удалось достигнуть тысячекратного рас- ширения пара без промежуточных потерь, в то время как теоретический к. п. д. поршневой паровой машины с тройным расширением составляет всего 16%
      В тот же период Парсонс разработал турбину с параллельным потоком, у которой пар поступал посередине и выходил с обеих сторон; таким образом компенсировалась осевая реактивная сила. Изобретатель также понял необходимость делать лопатки ротора длиннее по мере расширения пара. Он экспериментировал с турбинами, ступени которых были концентрическими и лежали в одной плоскости, но обнаружил, что они уступают турбинам с осевым расположением ступеней.
      Парсонс вынужден был реконструировать генератор, чтобы полнее использовать преимущества машин с большим числом оборотов. Он применил в генераторе относительно слабый магнит из чугуна, стремясь уменьшить потери на гистерезис, и разработал регулятор напряжения, управлявший напряженностью магнитного поля. В 1885 — 1889 годах на военно-морских судах во всем мире было установлено около 400 турбогенераторов мощностью до 75 кВт, дававших постоянный ток низкого напряжения при большой токовой нагрузке. К 1885 году потребление пара было доведено до 15,6 кг на 1 кВт-ч.
      В 1889 году Парсонс решил отделиться от Кларка Чепмена и основать собственную фирму, но по соглашению, заключенному в ту пору, когда Парсонс и Чепмен были партнерами, все патенты принадлежали фирме. Тяжба длилась три года, и все это время Парсонс пытался доказать, что его патенты стоят очень мало (каких-нибудь 2000 фунтов стерлингов), а Чепмен старался оценить их подороже. Эксперты Парсонса утверждали, что его идеи не новы. Им удалось откопать патент, выданный в 1848 году Роберту Уилсону на роторные двигатели, размещенные на общем валу и приводимые в движение последовательно паром одного котла. В свою очередь сэр Уильям Томсон, эксперт Кларка Чепмена, заявил, что Парсонс самостоятельно пришел к этой идее и сделал ее работоспособной, разработав удачный спо-
      соб смазки, обеспечив динамический баланс с помощью полужесткого подшипника, а также применив схему параллельного потока и неподвижные лопатки криволинейного профиля для отклонения и ускорения струи пара на входе в следующую ступень.
      Конец тяжбе положил Кларк Чепмен. Он заявил, что для того, чтобы продемонстрировать свою уверенность в значимости патентов, он будет работать над их практическим осуществлением. Самостоятельно Парсонс сделал попытку создать турбину с радиальным потоком, но столкнулся с большими трудностями. Он сумел выкупить свои патенты у Чепмена лишь в 1894 году.
      По свидетельству Дугалда Кларка, патентного агента Парсонса, свои новые идеи изобретатель обычно излагая ему как минимум минут двадцать, пока, наконец, удавалось понять, что же именно он имеет в виду, — Парсонс явно не обладал умением выражать суть дела двумя словами. Как легко заметить, основная заслуга Парсонса состоит в том, что он отчетливо представлял себе конкретную задачу, например смазки, утечки пара, конденсации, вибрации, прочности и формы лопаток. Всесторонне изучив проблему, он решал ее либо с помощью оригинальной технической мысли, либо посредством нового конструктивного подхода, основанного на ясных физических представлениях. Так, идеи, лежащие в основе создания турбины, не были новыми, но Парсонс сумел реализовать их на практике за счет целого ряда дополнительных изобретений. Он упорно работал над уменьшением удельного расхода пара, пока к. п. д. турбины значительно не превзошел к. п. д. поршневой машины с тройным расширением.
      Когда в 1898 году Парсонс попросил продлить срок действия патента, выданного ему в 1884 году, выяснилось, что его затраты на эксперименты превысили общий доход (с учетом 7% годовых на капиталовложения), — иными словами, труды почти полутора десятков лет не принесли ему никакой выгоды. Только личное состояние изобретателя позволило ему продолжать разработку турбины вопреки глубоко безразличному, а подчас просто враждебному отношению окружающих. От турбоэлектрогенератора Парсонс перешел к применению турбины в качестве основного судового двигателя: в 1894 году корабль «Турбиния» развил скорость в 35 узлов. Срок действия патента Парсонса удалось продлить на пять лет, так как судебная комиссия палаты лордов сочла, что автор не получил достаточного вознаграждения. По мнению членов комиссии, если обладатель патента в течение срока его действия получил меньше 10 000 фунтов стерлингов, то срок действия следовало продлить.
      Стремясь продемонстрировать преимущества турбины в качестве судового двигателя, Парсонс в 1894 году основал акционерную компанию «Марин стим тэрбин» с капиталом 25 ООО фунтов стерлингов и построил 33-метровое судно «Турбиния», оснащенное радиальной турбиной мощностью 1000 л. с. После успешных испытаний судна («Турбиния» развила скорость 32,25 узла на мерной дистанции в одну милю) в 1897 году была создана новая компания «Парсонс марин стим тэрбин» с начальным капиталом в 240 000 фунтов стерлингов.
      При предварительном проектировании «Турбинии» Парсонс проводил модельные испытания корпуса судна (на моделях длиной 0,6 м и 2 м), причем его особенно интересовали возможности перехода на глиссирование и необходимая для этого эффективная мощность двигателя. Мощность он изучал с помощью гребного винта, приводимого в движение резиномото-ром со скоростью 8000 об/мин, и на основании модельных испытаний предсказал мощность, необходимую для «Турбинии», с точностью до 3%. Гребные винты испытывались в натуральную величину. Наи-лучших результатов после 31 испытания семи конструкций Парсонс добился, применив три винта на одной оси. Измеряя момент вращения с помощью пружинного датчика, он принял решение установить винты на раздельных валах, каждый из которых приводился в движение осевой турбиной. Это позволило ему довести скорость судна до 34 узлов. Мой отец был младшим морским офицером на одном из судов во время смотра 1897 года в Спитхеде, когда Парсонс описывал на «Турбинии» круги вокруг строя кораблей. Прошло почти восемь лет, прежде чем во-
      енно-морское ведомство решило признать турбину в качестве судового двигателя. Было это в марте 1905 года.
      Другая история рисует Парсонса в совершенно ином свете (она относится уже к более позднему времени). 3 ноября 1912 года лорд Фишер писал Парсонсу: ...хотелось, чтобы Вы продолжили работу над своей турбиной, применив к ней принципы двигателей внутреннего сгорания». А 21 ноября того же года, выступая в Королевской комиссии по двигателям и топливу, Парсонс сказал: «Я не думаю, что когда-либо появится газовая турбина. Газовые турбины совершенно нереальны».
      Потребовалось четверть века, прежде чем Уиттл и другие исследователи доказали, что можно сконструировать воздушный компрессор, который имел бы достаточно высокий к. п. д., чтобы не отбирать у турбины всю полезную мощность.
     
      XX век
     
      Тщательный анализ изобретений, сделанных в текущем столетии, проведен в работе [7]. Авторы делают вывод, что по сравнению с изобретателями-оди-ночками современным корпорациям принадлежит гораздо большая доля изобретений, чем прежде. Они приводят цифры, основанные на патентной статистике?
      Процент изобретений, принадлежащих корпорациям 1900 1913 1936-1938 После второй мировой войны США 18 — 58 54-64 Великобритания — 15 58 68 (1965 год)
      По мнению Джукеса, эти цифры несколько завышают долю корпораций, поскольку, во-первых, корпорации патентуют немало вспомогательных изобретений, а также заручаются патентами для подавления конкуренции, между тем как в некоторых областях, например в области перегонки нефти или в фотографии, по-настоящему значительные идеи были выдвинуты изобретагелями-одиночками. Во-вторых, нередко изобретатели-одиночки уже на ранних стадиях передают свои патенты корпорациям. В одних областях (химия, электроника) доля корпораций больше, в Других (авиация, двигатели внутреннего сгорания) — меньше. В тех областях, которые достигли настолько высокого уровня развития, что для проверки новой гипотезы требуются работа высококвалифицированных специалистов и затраты порядка сотен тысяч фунтов стерлингов, у изобретателя-одиночки нет надежды на успех, который иногда выпадал на долю изобретателей в прошлом. Но и теперь официальные круги, включающие в наши дни и крупные корпорации, не менее яростно, чем прежде, противостоят всяким значительным новшествам. Это в основном объясняется двумя причинами: эксперты безразличны, ибо видят, что их знания оказываются ненужными, а администраторам не очень хочется прикладывать усилия, чтобы переключиться на нечто новое. Классический подход к любым новшествам, который можно условно разделить на три этапа:
      (1) это не будет работать;
      (2) если и будет, то окажется неэкономичным;
      (3) я придумал это первым,
      в наши дни еще реже доходит до третьего этапа, чем в XIX веке.
      В еще больший упрек нынешнему столетию можно поставить то, что при изучении основных принципов физики и химии, которые необходимы изобретателю, работающему в любой области, будущий изобретатель часто теряет веру в себя. Эта книга направлена в основном против такого расхолаживания.
      Джукес приводит примеры изобретателей, добившихся успеха в XX веке; есть немало других, кто получил хорошую подготовку в своей области и начал работу над изобретениями без поддержки крупных корпораций. Среди них Уиттл (авиационный газотурбинный двигатель), Ленд (фотоаппарат «Полароид»), Ванкель (роторный ДВС), Моултон (гидравлический амортизатор и велосипед с колесами малого диаметра), Коккерелл (аппарат на воздушной подушке), Фергюсон (установка плуга непосредственно на тракторе), Бакминстер Фуллер (геодезические купола). Недостаток места не позволяет нам более обстоятельно остановиться на новшествах XX века, однако в следующих трех главах мы учли выводы авторов работы [7] и воспользовались некоторыми приведенными ими примерами.
     
     
      Глава 3
      Что нужно изобрести?
      М. Тринг
      Все ли полезные изобретения уже сделаны?
     
      Прошлый век по праву можно назвать периодом расцвета изобретателей-одиночек. Сименс и Бессемер разработали процессы, которые способствовали тому, что объем выплавки стали достиг сотен тысяч и миллионов тонн в год. Эдисон и Парсонс основали крупнейшие компании, а авторы менее значительных изобретений — таких, как английская булавка или свободный ход велосипеда, — составили себе на них состояние. Однако сотни других изобретений остались за бортом — либо потому, что для их реализации не было подходящих материалов, либо они были экономически невыгодны, либо просто потому, что оказались неработоспособными, как, например, вертолеты с паровой машиной в качестве двигателя: шансов подняться в воздух у такого вертолета было не больше, чем у вертолета Леонардо да Винчи, движимого мускульной силой, за пятьсот лет до того.
      Вместе с тем девятнадцатый век был и временем расцвета того, что Сэмьюэл Смайлз назвал «работой себе на пользу» (ему принадлежит ряд книг об изобретениях, написанных в этом духе). Единственным критерием для оценки изобретения было, составил ли себе изобретатель на нем состояние, причем состояние, нажитое на пулеметах, было ничем не хуже, чем нажитое на английских булавках.
      Нередко приходится слышать, что времена изобретателей-одиночек прошли, что в наши дни только крупные корпорации могут позволить себе роскошь разрабатывать новые идеи. Если оценивать изобретение исключительно с точки зрения приносимой им прибыли, это верно, но лишь отчасти; к тому же в США можно найти немало специалистов, сделавших изобретения в области электроники и точного приборостроения и основавших небольшие предприятия по производству своих приборов. Многие из них добились успеха исключительно благодаря крупным правительственным контрактам, но есть примеры и того, как индивидуально сделанные изобретения (в частности, электрокопировальный процесс «ксерокс» или процесс моментальной фотографии Ленда) позволили основать прибыльные крупные промышленные предприятия.
      Как пишет в своей автобиографии Невилл Шгот, в 30-е годы, когда он руководил заводом, новая фирма еще могла за два-три года из хлама собрать приличный самолет и продать его. Теперь даже крупная фирма не в состоянии разработать новый авиационный двигатель или фюзеляж самолета без прямых или косвенных государственных дотаций, покрывающих большую часть стоимости разработок.
      Какая же роль отводится изобретателю-одиночке? Ясно, что он не в силах состязаться с корпорациями, если только у него нет солидной финансовой поддержки (как у компании «Ховертрейн», соперничающей с «Бритиш рейл»1).
      1 «Ховертрейн» — компания по строительству поездов на воздушной и магнитной подушке; «Бритиш рейл» — крупнейшая железнодорожная компания Великобритании. — Прим. перев.
      Однако крупные корпорации в своей безудержной погоне за прибылью рубят сук, на котором сидят, — они не задумываются над ущербом, который приносят сейчас и будут приносить в будущем людям и окружающей среде (табл. 3.1). Изобретатель, не связанный по рукам и ногам погоней за дивидендами, может свободно выбирать для себя цели и задачи. Разумеется, он сталкивается с трудностями по финансированию своих изобретений, однако инертность крупных корпораций создает не меньшие сложности в финансировании любых изобретений. Так или иначе, бесспорно, что усугубление перечисленных проблем приведет к необходимости радикально изменить направление развития промышленности.
     
      Пагубные последствия развития техники
     
      Ущерб, наносимый окружающей среде
      I. Загрязнение воздуха, угарным газом и, другими продуктами неполного сгорания, сажей, соединениями свинца, двуокисью серы, окислами азота, хлористым, фтористым, цианистым водородом, радиоактивными газами и пылью, окисью кальция.
      11. Загрязнение воды: сточными водами заводов, содержащими кислоты и щелочи, солями свинца, кадмия, ртути, канализационными стоками, в которых содержатся частички удобрений и пестициды с ферм, нефтью, сливом горячих вод.
      III. Загрязнение почвы: захоронением ядовитых отходов, мусором, шлаком, заброшенными промышленными предприятиями, осадками, содержащими свинец и радиоактивные вещества.
      IV. Шум и вибрация: вызываются самолетами, легковыми автомобилями и грузовиками, бытовым и заводским оборудованием, шумы от устройств переменного тока.
      Ущерб, наносимый человечеству в настоящее время
      V. Военная техника: бомбы, военные самолеты, межконтинентальные баллистические ракеты, пушки, танки, дефолианты.
      VI. Бедственное положение населения: нищета в развивающихся странах, трущобы и бедные фермы в промышленно развитых странах.
      VII. Аварии и несчастные случаи: в самолетах и на автомашинах, в результате кораблекрушений, на подземных выработках, промышленных предприятиях, бытовые травмы.
      VIII. Противоестественные и нездоровые условия жизни, особенно в городах: перенаселенность, малопривлекательный ландшафт, безвкусная пища, дорожные заторы, одиночество, невозможность уединения, недостаток физической нагрузки, жизнь в высотных домах.
      Ущерб, наносимый будущим поколениям
      IX. Истощение запасов ископаемого топлива: нефти, природного газа, угля, руд с высоким содержанием урана.
      X. Опасность радиоактивного заражения: отходами атомных электростанций из-за невозможности безопасного захоронения радиоактивных отходов.
      XI. Истощение запасов металлических руд: железа, меди, никеля, хрома, цинка, ртути, олова, вольфрама.
      XII. Нерациональное использование земли: однопольное земледелие, сведение деревьев и кустарников, сжигание стерни, отсутствие гумус-образующих удобрений, покрытие почвы бетоном и асфальтом, уплотнение земли тяжелыми сельскохозяйственными машинами.
      XIII. Нерациональное использование запасов пресной воды: снижение уровня подземных вод за счет бурения артезианских
      Продолжение табл. 3.1 скважин, заиливание плотин, расход воды на охлаждение в градирнях; неразумное расходование воды в туалетах и т. п.
      Оплачиваемый труд
      XIV. Неполное использование человеческих способностей: исчезновение ремесленного искусства, механизация учебного процесса и сферы обслуживания, работа на конвейере, отсутствие личной ответственности за качество продукции.
      XV. Безработица, вызванная социально необоснованным повышением производительности труда.
      ленности в ближайшие пятнадцать лет. Поэтому изобретатель-одиночка может смело работать над изобретениями, призванными как-то разрешить эти проблемы. Тем самым он получит уверенность в том, что занят общественно-полезным трудом, а это — наилучший способ выработать в себе эмоциональную движущую силу и вселить уверенность в успехе. К тому же здесь открыт простор для изобретательского поиска, ибо промышленность обходит вниманием эти области.
     
      Техника и вопросы морали
     
      Предстоит ответить на вопросы типа следующих:
      Над чем предпочтительнее работать: над скоростным самолетом или более безопасным? Над самолетом с салоном первого класса или с дешевыми местами для туристов?
      Что лучше: увеличить «приемистость» автомобиля или уменьшить потребление горючего и количество вредных выбросов?
      Что лучше: изобрести складную детскую коляску или танк? Можно ли при каких-либо обстоятельствах считать гуманным изобретение усовершенствованной военной техники?
      Что важнее: создать эффективный реактор-размножитель или найти способ обезвреживания радиоактивных отходов?
      Способна ли ядерная энергетика полностью обеспечить человечество энергией в следующем столетии?
      Следует ли направлять свою изобретательность на разрешение проблем развивающихся стран и на нужды человечества в XXI веке?
      Будут ли роботы способствовать увеличению безработицы? Следует ли их создавать?
      В каком направлении следует развивать железные дороги (имеются в виду скорость, надежность, тип и расход локомотивного топлива, шум, безопасность, грузооборот, пропускная способность) ?
      РаВДтоналыю ли создавать машины со сроком службы всего в несколько лет?
      При ответе на эти вопросы следует исходить из представлений о человеческих потребностях. Я позволю себе высказать два таких представления — они основаны на чисто личных убеждениях и, следовательно, не могут быть логически доказаны.
      1. Человеку нужно прежде всего субъективное ощущение исполнения своих чаяний, которым определяется для него смысл жизни. При этом накопление материальных ценностей, проблемы, связанные с питанием и удовлетворением других потребностей, важ ны лишь постольку, поскольку они способствуют улучшению качества жизни в целом. Если же потребление благ переходит границу, за которой оно влечет ухудшение качества жизни, то истинная ценность этих благ для человека уменьшается. Подобно тому как увеличение числа ежедневно потребляемых с пищей калорий вначале укрепляет здоровье, но затем, при переедании, вредит ему, рост «денежного жизненного уровня» вначале способствует повышению качества жизни (ибо разрешает проблемы потребления товаров первой необходимости, надлежащего образования, человеческого общения, поездок и путешествий); когда же он становится выше нормальных потребностей, необходимых для полноценной жизни, качество жизни по ряду причин ухудшается. Это можно видеть на примере стран, достигших изобилия: в них растет число людей, бегущих от нормальной жизни к алкоголю, наркотикам, в изолированные секты и общины; увеличивается процент самоубийств, преступлений против личности, вандализма, стрессовых заболеваний и нервных расстройств.
      Есть много причин этого ухудшения качества жизни, или ее полноценности, вследствие избыточного
      изобилия. Поскольку общее количество потребитель ских товаров ограничено в силу ограниченности мировых ресурсов, человек, потребляющий во много раз больше причитающейся ему при равном разделе доли, либо относится к своему богатству как к оправданию смысла собственной жизни (иными словами, подменяет понятие полноценности жизни количеством накопленных материальных благ), либо страдает от угрызений совести, сознавая свою расточительность в то время, когда другие голодают. Другая причина может заключаться в том, что обладание значительным богатством накладывает отпечаток на человеческие взаимоотношения: их подтачивает опасение, что дружеские связи небескорыстны.
      2. Ощущение полноценности жизни возникает, когда человек использует все свои таланты и способности, чтобы произвести нечто полезное для других людей. Это значит, что необходимо постоянно учитывать возможное влияние своих изобретений на настоящее и будущее человечества и на тот мир, в котором мы живем.
      Исходя из этих двух постулатов, можно построить шкалу «моральной ценности» всевозможных изобретений. В высшую категорию попадут те из них, что непосредственно направлены на повышение потенциальной полноценности жизни. К ним относятся изобретения в области медицины, способствующие восстановлению здоровья людей и возвращению их к нормальной жизни; усовершенствования в области образования, связи, путешествий с целью отдыха, а также изобретения, способствующие развитию искусства и ремесла.
      Следом идут все изобретения, позволяющие человечеству удовлетворять насущные потребности при сокращении рабочего дня и без применения однообразного утомительного труда.
      В нижнюю категорию «безусловно вредных» попадут изобретения, относящиеся к войне и пыткам, а также все безответственно сделанные изобретения, влекущие за собой пагубные последствия, как-то: загрязнение окружающей среды, шум, неэстетичность, истощение природных ресурсов.
      Горько сознавать, что за последние двести лет изобретатели в нашем обществе увеличили «произво-
      дительность труда» солдата (которую можно измерить количеством производимых за час разрушений) в десятки тысяч раз, в то время как фактор роста производительности труда фермера или рабочего гораздо ближе к 10, чем к 100.
      Чуть выше границы между «добром» и «злом» на нашей шкале располагаются изобретения, которые позволительно назвать «косметическими», или новомодными. Сами по себе эти изобретения безвредны, но они не способствуют улучшению жизни и таким образом также влекут за собой четыре названных выше пагубных последствия. В эту категорию попадают изобретения морально устаревшие, подверженные капризам моды, никчемные безделушки, неоправданно большие машины (например, легковые автомобили), изобретения для рекламы, одноразовые упаковки и многие электронные устройства.
      В двух своих книгах «Человек, машины и завтрашний день» и «Машины: слуги человека или его хозяева?» я развиваю тезис о том, что продолжение существующей в настоящее время тенденции развития нашего «общества изобилия» неизбежно приведет к катастрофическому падению качества жизни в высокоразвитых странах и ничего не даст для повышения уровня жизни в развивающихся странах. Многие авторы приходят к аналогичному заключению: общество, основанное на идее постоянного роста жизненного уровня, неизбежно уничтожает то, что имеет для его членов подлинную ценность. Я, однако, делаю вывод, что этого можно избежать, если радикально изменить этические основы нашего общества и мерилом жизненного успеха считать не накопление материальных благ, а полноценность жизни и самоотдачу индивидуума. Можно вообразить себе общество XXI века, в котором человек будет жить в гармонии с окружающей средой, экономно расходуя природные ресурсы за счет экономии топлива, полной вторичной переработки металлов, отсутствия предметов разового использования (потребительские товары будут рассчитаны на десятилетия) и практически полного отсутствия загрязнений. Я назвал такое общество «творческим», поскольку человек будет получать удовлетворение не от накопления материальных благ, а от творческих занятий искусствами и ремеслами. У каждого будет достаточно свободного времени и энергии, чтобы посвятить себя творчеству, — машины освободят людей от утомительного и однообразного труда, и это позволит зарабатывать на жизнь без того напряжения сил, с которым сейчас связан труд даже в промышленно развитых странах.
      Ниже мы обсудим те изобретения, которые необходимы, чтобы избежать катастрофы «общества изобилия»; они будут способствовать тому, чтобы уже в XXI веке каждый человек мог полностью реализовать свои способности и творческие возможности.
     
      Техника для развивающихся стран
     
      Шумахеру принадлежит термин «промежуточная технология» в применении к технологии, разрабатываемой специально для развивающихся стран. Она занимает промежуточное место между нынешним уровнем этих стран и уровнем техники в высокоразвитых странах. Заманчиво, конечно, иметь специальное название для техники, которую еще предстоит изобрести, но я сомневаюсь, что нам вообще следует идти в этом направлении: это означало бы, что развивающиеся страны вместе с новой техникой получат и все те неприятные последствия, с которыми мы сталкиваемся в развитых странах. Поэтому я предпочитаю пользоваться термином «гуманная технология», к которой мы должны стремиться и в богатых, и в бедных странах.
      Главные проблемы, которые призвана решить гуманная технология, — это обеспечение каждого жителя менее развитых стран нормальной пищей, образованием, жильем, одеждой, транспортом. При этом нужно избежать:
      загрязнения среды до опасного уровня; ущерба для растительного и животного мира; безработицы;
      чрезмерного истощения залежей природного топлива, особенно нефти, без которой немыслим современный транспорт.
      На конференции в Стокгольме в 1972 году пред-ставители некоторых развивающихся стран высказывались в таком духе: «Нам нужны те блага, которыми пользуются жители высокоразвитых стран, и нам неважно, что, получая их, мы будем так же загрязнять среду обитания, как это делается в богатых странах». Однако если изобретатели найдут способ создавать подлинные блага, избегая при этом неприятных последствий, то у развивающихся стран хватит благоразумия предпочесть для себя именно такую технику. Единственный реальный путь для изобретателя при этом — отправиться непосредственно в ту или иную страну и приложить свои творческие способности к решению проблем, с которыми он там. столкнется. Предложения, которые я высказываю на страницах этой книги, основаны на нескольких кратковременных поездках в Нигерию и Аргентину (Аргентину можно отнести к странам с промежуточным уровнем развития технологии; это подтверждается, например, тем, что потребление энергии на душу населения здесь близко к среднемировому уровню, составляющему 2 т условного топлива в год).
      Множество проблем связано с использованием воды для бытовых и сельскохозяйственных нужд. Во многих районах земного шара почти вся годовая норма осадков выпадает в течение короткого муссонного периода; задача сводится к тому, чтобы создать запас воды на сухой сезон. К несчастью, большие плотины можно строить только там, где осадки выпадают достаточно высоко в горах. В любом случае в плотинах задерживается ценный активный ил, который несет вода, и плотины заиливаются на протяжении жизни двух поколений людей. Очевидно, большую ценность представляло бы изобретение, позволяющее накапливать воду в водохранилищах, сооруженных вдоль основного потока, или дающее возможность отводить их от крупной плотины. Следует также предотвратить испарение большого количества накопленной в резервуаре воды.
      «Группа по развитию промежуточной технологии» [[8] уже разработала проект водосборника на одну семью. Он делается с помощью пластмассовых мешков и полотнищ: выкапывается глубокий цилиндрический резервуар, дно и стенки которого обкладываются мешками с землей. Конический коллектор вокруг резервуара в период дождей заполняет его водой; пластмассовые полотнища, которыми резервуар закрывают во время засухи,- предотвращают испарение воды.
      Другая важная задача — подъем воды из колодца или канала для орошения полей. Мы пользуемся для этой цели дизельными или электрическими насосами — такое решение отражает высокий уровень современной техники, — однако выгоднее использовать более дешевую энергию, например солнечную йли энергию тепла, получаемого от сжигания мусора. Капитальные затраты на постройку этих систем также должны быть низкими. В настоящее время профессор Данн исследует возможность использования теплового насоса Гемфри, который работает на газе, получаемом путем ферментации сточных вод. В университете Ахмаду Белло в Нигерии разрабатываются солнечные установки с очень низким к. п. д.
      Наконец перед нами стоит задача орошения пустынь и превращения их в плодородные земли. Единственным источником воды для этого является море, но соленость морской воды столь высока, что необходимо ее опреснение, а источником достаточно дешевой энергии для этой цели может быть только Солнце. Необходимо отыскать метод конденсации влаги, не требующий больших капитальных затрат, и транспортировки воды в нужном направлении. Найти реальное решение поставленной задачи не так трудно, однако едва ли этому будет уделяться достаточное внимание до тех пор, пока энергия и продукты питания в высокоразвитых странах не станут цениться намного выше, чем сейчас.
      Промышленно развитые страны всегда стремились снимать с полей как можно более высокий урожай с гектара, причем с минимальными затратами труда. Последнее условие не очень актуально для развивающихся стран. Вот почему для них непригодны разработанные в высокоразвитых странах сельскохозяйственные механизмы и методы связывания азота из воздуха, требующие больших затрат энергии, а также добыча ископаемых калийных и фосфорных удобрений, которые в конечном счете сбрасываются в море. Их нуждам гораздо больше отвечает повторное использование азота, фосфора и калия из компоста и городских канализационных отходов (при устранении связанного с последними риска эпидемий), а также более широкое использование растений, способных связывать азот из воздуха.
      Ущерб, который может нанести в этих странах интенсивная эксплуатация земли с целью кратковре-менной выгоды (уничтожение лесов и кустарников, однопольная система земледелия, уплотнение земли тяжелыми тракторами, широкое использование пестицидов), окажется для них роковым. Здесь нужно решить задачу получения наилучших урожаев при обработке земли либо вручную, либо с помощью недорогих механизмов, работающих на местном топливе, простых в эксплуатации и обслуживании и не утрамбовывающих почву. Уже предложены методы обработки земли, заменяющие пахоту, которые не хуже (а порой и лучше) уничтожают сорняки, готовят почву к посеву и требуют меньших энергетических затрат. Но эти методы еще не приспособлены для различных типов почв и климатических условий, так что перед изобретателями открывается широкий простор для творческой деятельности.
      Способ получения белка из листьев (важный вклад в его разработку внес Н. У. Пири) дает до 2 т пригодного в пищу белка с гектара в год на широтах Англии и до 6 т — в тропическом климате. С помощью этого процесса можно получать белок из любых свежих листьев и даже из водорослей тем же путем, как это происходит в организме жвачного животного (коровы, овцы, козы). Вначале разрываются оболочки растительных клеток, затем из них извлекается сок; содержащийся в соке белок под действием кислот или тепла денатурируется и отделяется от сока. Уже построены машины для реализации этого процесса (их мощность порядка 10 л. с. при непрерывном процессе и порядка 1 л. с. при порционной переработке), однако они требуют дальнейшего усовершенствования, особенно в области создания эффективного механизма с ручным приводом для использования в отдаленных селениях. Единственные промышленные механизмы такого типа представляют собой переделанные машины для переработки сахарного тростника и винтовые прессы, первоначально рассчитанные на совершенно иное сырье и иные процессы.
      Проводятся многочисленные экспериментальные работы по ферментации органических отходов и фекалий для производства метана и метанола, по переработке этих и других отходов методом стерильного компостирования с сохранением фосфора, калия и микроэлементов. Такие растения, как бобовые, клевер и люцерна, которые способны интенсивно связывать азот из воздуха в процессе фотосинтеза, могут сэкономить энергию, затрачиваемую ныне на производство искусственных азотных удобрений. В решении всех этих проблем изобретатели могут оказать большую помощь. Требуются изобретательские находки и в области строительства дешевых сельскохозяйственных хранилищ, и в разработке методов хранения пищевых продуктов.
      Наконец, существует немаловажная проблема перевозок сельскохозяйственной продукции, машин и механизмов по пересеченной местности при отсутствии дорог. Здесь могут найти применение вертолеты и аппараты на воздушной подушке, но они потребляют слишком много топлива. Изобретателям предстоит придумать такой транспорт, который расходовал бы не больше горючего, чем грузовик на хорошей дороге. Одно из перспективных решений заключается, безусловно, в использовании дирижаблей, особенно если удастся оснастить их движителем, основанным на эффектах пограничного слоя (см. гл. 10), который позволит уменьшить мощность, затрачиваемую на передвижение. Другое возможное решение — «механический слон», шагающий на ногах-амортизаторах (см. «сороконожку» в гл. 10). Сейчас разрабатывается модификация «сороконожки» на мягких надувных ногах для транспортировки бревен через вырубки с пнями высотой до полуметра.
     
      Опасные условия труда
     
      В мире, вероятно, никогда не переведутся любители острых ощущений, которые будут лазить по скалам, забираться в пещеры или совершать под парусом кругосветные путешествия в одиночку. Но мы не имеем права заставлять людей делать опасную работу, когда машины могут делать то же — и лучше. Ясно, что в первую очередь для этой цели могут использоваться «истинные роботы» (т. е. механизмы, не требующие постоянного контроля со стороны человека). Но есть множество сфер, где работа слишком сложна для заранее запрограммированного робота и требует постоянного учета обстоятельств, которые невозможно предвидеть. В таких случаях за работой робота должен постоянно наблюдать квалифицированный оператор, имеющий возможность вмешиваться в его действия и получающий полную информацию через свои органы чувств. Советские специалисты успешно управляли по радио самодвижущимся роботом на Луне, используя телевизионную обратную связь от робота к оператору, поэтому задачи, которые мы приведем ниже, требуют не столько поиска новых теоретических принципов, сколько конструкторской смекалки.
      Первоочередная проблема, требующая решения в этой связи, — разработка подземных залежей твердых полезных ископаемых (металлических руд, золота, алмазов, угля, глинистых сланцев и нефтеносных песков) таким образом, чтобы человек вообще не спускался под землю, подобно тому как сейчас происходит добыча нефти, природного газа, воды и растворимых солей. Существуют методы подземной газификации угля; в этой области проводится много экспериментальных работ. Однако таким способом не удается получать высококачественный газ даже в специально сконструированных газогенераторах, загружаемых сортовым углем, так что это явно не самое лучшее решение проблемы использования ограниченных угольных ресурсов. Путем расчетов, основанных на опубликованных данных анализов угольного газа, мне удалось показать, что большая часть угля остается под землей в виде кокса.
      Не решены также серьезные проблемы, связанные с поглощением тепла на испарение подземных вод, с утечкой газа в подземные полости и с необходимостью переноса труб в новые участки после поджигания пласта. Сейчас вполне реальным представ-
      ляется создание управляемого с поверхности подземного «крота», оснащенного газотурбинным электрогенератором. К такому «кроту» может по трубам поступать воздух с поверхности. Затем воздух сжимается компрессором, под давлением подается в зону горения угля впереди механизма, а газообразные продукты горения расширяются в турбине, приводящей в движение компрессор и электрогенератор, после чего выводятся на поверхность, как и вырабатываемая «кротом» электроэнергия. Можно также добывать уголь в жидком виде, подобрав для этого подходящий растворитель (например, антрацен).
      Вполне реальны также методы добычи углеводородов из нефтеносных песков прямо под землей с помощью нагрева или подачи водяного пара без извлечения песка на поверхность. Но для добычи рудных ископаемых (например, медных и урановых руд, а также твердого угля для приготовления кокса), часто залегающих тонкими пластами на большой глубине, необходим телеуправляемый «крот», способный находить пласт, разрабатывать его и подавать минерал в раздробленном виде на поверхность. Такой способ ценен не только с точки зрения охраны здоровья человека, подвергающегося на подобных работах риску заболеть пневмокониозом и раком легких, но и с чисто экономических позиций. Он позволит добывать полезные ископаемые, залегающие глубоко под землей, под морским дном, в очень крутых или очень тонких пластах.
      Двадцать лет назад считалось, что запасы угля в Великобритании обеспечивают его добычу в течение 250 лет на уровне 200 млн. т в год. Теперь министерство угольной промышленности утверждает, что этих запасов (при использовании традиционных методов добычи) хватит лишь на сто лет при ежегодном потреблении на уровне 120 млн. т, хотя за истекшие два десятка лет были открыты новые месторождения, содержащие больше угля, чем было израсходовано в этот период. Причина заключается в том, что высокая стоимость ручной добычи угля делает разработку трех четвертей наших угольных запасов экономически невыгодной. Создание машины, способной добывать уголь из-под земли без необходимости для
      человека спускаться в шахту, обеспечило бы нас энергией на двести лет (если, разумеется, мы будем экономны). Такой машиной может стать самодвижущий-ся подземный «крот», разрабатывающий угольный пласт и подающий раздробленный уголь на поверхность в виде взвеси в воде, или же видоизмененные современные машины для сплошной выемки, управляемые роботами.
      Уже разработаны такие устройства для работы на дне моря, но и здесь испытывается нужда в изобретениях, которые позволили бы осуществлять с надводного корабля или с берега управление бурением скважин и проходкой шахт в континентальном шельфе, ремонтировать подводные кабели, проводить на дне океана биологические исследования и геологические изыскания.
      Другие задачи из этой области относятся к тушению пожаров н спасению людей, терпящих бедствие. Для спасения людей из охваченных пожаром зданий или самолетов, попавших в аварию, нужен, видимо, теплоизолированный скафандр с водяным охлаждением и силовым приводом или коляска, способная подниматься по лестницам и проникать в очаг пожара. Для тушения пожаров в нежилых помещениях необходим самодвижущийся агрегат-огнетушитель, управляемый с безопасного расстояния и доставляющий в очаг пожара наиболее эффективное средство пожаротушения. Еще одна проблема — разработка робота, который был бы способен тушить пожары на нефтяных скважинах и закрывать фонтанирующие скважины.
     
      Медицинская техника
     
      Изобретатель, посвятивший себя разработке технологии, направленной на благо человечества, придает первостепенное значение созданию приборов, помогающих врачам сохранить здоровье людей, бороться с болезнями, увечьями, несчастными случаями, возвращать престарелым, слепым, инвалидам возможность вести относительно нормальную Жизнь.
      Особенно нужны новые изобретения в следующих областях медицинской техники:
      t. Диагностическая аппаратура, в первую очередь устройства для обнаружения функциональных расстройств организма на ранних стадиях, а также устройства для ранней диагностики серьезных нарушений внутриутробного развития плода.
      2. Протезирование — создание аппаратов и машин, позволяющих инвалидам вести более нормальную жизнь. К ним относятся не только искусственные конечности и инвалидные коляски, способные передвигаться по лестницам, но и различные приспособления для облегчения повседневной жизни слепых, престарелых, больных артритом и людей, потерявших конечности.
      3. Трансплантационная техника — разработка искусственных заменителей внутренних органов, суставов и даже, быть может, мышц, получающих энергию за счет кислорода воздуха и содержащихся в крови питательных веществ. В будущем возможно создание таких искусственных органов, вживляемых в организм, как глаз, сердце, почки, легкие, печень.
      4. Хирургический инструментарий — изо-бретение приборов для наложения швов, которые избавят хирурга от ручного накладывания лигатур. Не исключена возможность создания управляемых на расстоянии микроманипуляторов, позволяющих хирургу работать в таких условиях, как если бы оперируемый орган увеличился в десятки раз. При этом врач сможет руководить операцией с пульта, расположенного вне стерильной операционной, и пользоваться несколькими парами «рук»: при необходимости он закрепляет одну пару в нужном положении и переходит к другой. «Руки» будут сильнее человеческих и в то же время меньше. Миниатюрная телекамера со световодом сможет заглянуть туда, куда не достает взгляд хирурга.
      5. Больничное оборудование — в этой области могут быть сконструированы приспособления, освобождающие медсестер и санитарок от тяжелой и неприятной работы и тем самым дающие им возможность полностью сосредоточить свое внимание на уходе за больным. В моей лаборатории уже разрабатываются больничные кровати с гидравликой, которые позволяют изменять положение больного, устройства для перекладывания неподвижных больных с каталки на кровать, приспособления для смены простыней. Испытывается нужда в приспособлениях для автоматизации раздачи горячей пищи и лекарств, для гигиены и туалета иммобилизованных больных, для удаления и уничтожения мусора.
     
      Изобретения, делающие труд более интересным
     
      Одним из наиболее неприятных последствий промышленной революции оказалось то, что ремесленное искусство на производстве уступило место разделению труда, в результате чего работник каждые несколько секунд или минут повторяет одну и ту же несложную операцию. Это лишило людей возможности гордиться своей работой, и многие заводские профессии не дают людям полного удовлетворения. Но мы не можем перевести стрелки часов на двести лет назад и вернуться к ремесленному изготовлению продукции по следующим соображениям:
      1. Население земного шара слишком велико, чтобы всех можно было обеспечить жизненно необходимыми товарами без использования машинного производства.
      2. Сейчас уже невозможно отказаться от тех благ, которые дают машины рядовому человеку (в частности, транспорт, бытовые удобства, хорошая одежда, санитария и гигиена, профилактическая медицина, образование и средства человеческого общения, отдых).
      Вот почему изобретателю остается лишь довершить начатое и создать машины, которые делали бы всю однообразную работу на предприятиях: производство отдельных частей, сборку, проверку, упаковку и транспортировку. Там, где производятся миллионы однотипных товаров (например, электрических ламп), либо ведется промышленная переработка жидкостей или газов (например, на нефтеперегонных
      предприятиях), производство может быть полностью автоматизировано. А там, где пока нельзя обойтись без человека-оператора, следует подумать о создании самообучающегося робота.
     
      Образование и человеческое общение
     
      Над этими проблемами работает много солидных организаций, однако здесь найдется место и для самостоятельно работающего изобретателя, который задумывается прежде всего над истинными потребностями человека, а не над возможностью быстрого сбыта, и не движется по проторенному пути без оглядки на ограниченность природных ресурсов и пределы человеческих возможностей.
      Вероятно, можно создать машины, избавляющие нас от необходимости держать в голове груз различных фактов, малоупотребительных слов и даже целых «словарей» иностранных языков. Задача заключается в том, чтобы дать человеческому уму возможность пользоваться «информационными банками», энциклопедиями и словарями с такой же быстротой и легкостью, как если бы он держал все эти факты в своей памяти, прибегая к их помощи для собственного творчества, создания чего-то нового, для сочинения литературных произведений. Возможно, будет изобретен портативный компьютер, переводящий наш родной язык на некий универсальный, который затем такой же компьютер иностранца переведет на его язык. Конечно, для общения с компьютером нам придется пользоваться каким-то упрощенным вариантом английского языка, чтобы исключить возможность двусмысленного перевода, и таким образом общение будет происходить лишь на уровне относительно простых понятий и фактов.
      Ценным изобретением была бы пишущая машинка, способная печатать под диктовку, чтобы говорящий мог немедленно прочитать и отредактировать сказанное. Трудность заключается в том, чтобы подстроить такую машинку к конкретному типу произношения и обеспечить правильную орфографию. Последняя сложность легче преодолима в языках с орфографией, близкой к фонетической, таких, как русский или немецкий. Мы могли бы экономить газетную бумагу, создав устройство, которое при наборе определенного кода воспроизводило бы на телевизионном экране любую газетную полосу.
      В области образования крайне желательно создать видеозаписи или кинофильмы, в которых урок или лекция воспроизводились бы с такой полнотой, чтобы преподаватель мог сосредоточиться на основной задаче обучения: обсуждении с учащимися пройденного материала и выяснении, насколько глубоко он усвоен.
     
      Пассажирский и грузовой транспорт
     
      Главные изобретения в области грузового транспорта должны быть направлены на то, чтобы снизить потребление топлива, уменьшить шум и загрязнение окружающей среды и сделать все возможное, чтобы грузовой транспорт не мешал пешеходам и пассажирам. При перевозке грузов обычно нет необходимости в чрезмерной скорости, поэтому мы, вероятно, вернемся к использованию водных путей, в частности, для перевозки угля. В первую очередь нужно увеличить пропускную способность магистрали. Задача сводится к тому, чтобы найти способ перевода барж на другой уровень, который был бы лучше систем шлюзов, использовавшихся ранее для этой цели. Сходные проблемы стоят перед железнодорожным транспортом. Использование железных дорог для дальних перевозок тех грузов, которые сейчас перевозятся автомобилями, потребует различных приспособлений для облегчения погрузочно-разгрузочных работ с контейнерами самых разных габаритов.
      Для перевозки грузов с минимальными затратами топлива там, где отсутствуют дороги (да и для пассажирского транспорта), вероятно, найдут применение дирижабли, скорее всего заполненные гелием. Изобретатели должны подумать над созданием конструкций, выдерживающих сильные ветровые нагрузки, над уменьшением расхода топлива за счет применения движителей, основанных на эффектах пограничного слоя, над обеспечением подъема и спуска дирижабля без потерь гелия (возможно, путем использования небольших резервуаров с водородом). Понадобятся приспособления для причаливания дирижаблей на специальных площадках, а также средства доставки пассажиров на воздушный корабль и обратно.
      Не исключена вероятность изобретения способа доставки продуктов питания и других повседневных товаров (в частности, мыла, газет, белья из прачечной и в прачечную) с помощью миниатюрных разветвленных конвейеров, проходящих где-нибудь под мостовыми: предмет можно будет положить на конвейер и закодировать его доставку по нужному адресу.
      Именно тогда, когда мы обращаемся к изобретениям в области транспорта будущего, особенно бросается в глаза расхождение между тем, что представляет собой истинное благо для человека, и давлением, которое оказывает на него «общество изобилия». Последнее стремится обеспечить деловому человеку максимальную скорость передвижения. Но необходимость в этом исчезнет, как только мы усовершенствуем видеотелефонную связь до такой степени, что в деловых совещаниях смогут принимать участие люди, находящиеся в разных частях света, и каждый сможет видеть всех собеседников. Мы уже сейчас сталкиваемся с неприятностями, возникающими из-за того, что при перелете на большое расстояние человеческий организм не успевает приспосабливаться к изменению суточного ритма и климата. При дальнейшем сокращении времени перелетов напряжение станет, пожалуй, невыносимым для всех, исключая наиболее закаленных пассажиров.
      Рядовому пассажиру нужны от транспорта безопасность и разумная скорость; транспорт не должен создавать шума и загрязнений среды и должен потреблять настолько мало энергии, чтобы каждый человек хотя бы раз в жизни имел возможность выехать за пределы своей страны. Это, безусловно, потребует множества изобретений в сфере железнодорожного, водного и воздушного пассажирского транспорта.
      В странах с развитой сетью железных дорог рушение проблемы рельсового транспорта может заключаться в использовании поездов на воздушной или магнитной подушке, передвигающихся без колес со скоростью до 160 км/ч, но использующих рельсы для обеспечения устойчивости. Такие поезда могут приводиться в движение линейными электродвигателями. Что касается проблем, связанных с автобусными перевозками на небольшие расстояния, то здесь изобретателям предстоит уменьшить удельный расход топлива, устранить загрязнение среды продуктами неполного сгорания топлива, уменьшить шум. Столкнувшись с острой нехваткой жидкого топлива, остающегося наиболее удобным видом топлива для автомобильного и воздушного транспорта, мы надеемся, что новые изобретения позволят значительно усовершенствовать электрический аккумулятор и топливный элемент, использующий воздух и углеводороды для выработки электрического тока. Во всяком случае, единственным видом частного транспорта в городах будут, по всей видимости, электромобили или «гибридные» автомобили, у которых двигатель, работающий в постоянном режиме, будет заряжать электрический или инерционный аккумулятор [9].
     
     
      Глава 4
      Искусство изобретать
      ЧАСТЬ 1 М. Тринг
      Развитие изобретательских способностей
     
      В гл. 1 мы сравнили изобретателя со спортсме ном, стремящимся к победе на Олимпийских играх. Ясно, что для победы необходимо постоянно и на стойчиво развивать свои способности на протяжении многих лет. В этом разделе я попытаюсь сформулировать основные принципы «тренировки» будущего изобретателя.
      Первым делом он1 должен выработать в себе изобретательский взгляд, иными словами, научиться смотреть на все, что его окружает, спрашивая себя: «А почему это сделано или устроено именно так? Нельзя ли сделать по-другому, лучше?»
      1 Я пишу «изобретатель» и «он», имея в виду не только мужчин, но и женщин, — женщины ничуть не уступают мужчинам в изобретательности и чаще придумывают полезные вещи для повседневного обихода.
      Это относится к зданиям и мостам, инструментам и кухонной утвари, станкам, дымовым трубам и каминам, само летам, гребным винтам судов, к водопадам, волнам и ветру как к возможным источникам энергии и к собственному телу (рассматриваемому как механическое и химическое устройство). Изобретатель экспериментирует в процессе любой ручной работы, какую ему приходится делать: моет ли он посуду, копается ли в саду, пилит ли бревна; он всегда задумывается над тем, нельзя ли сделать работу быстрее и лучше, чтобы меньше уставать, экономнее расходовать электричество и воду, равномерно, рас пределять мускульное усилие между мышцами правой и левой стороны тела. Подобное экспериментирование для изобретателя столь же необходимо, как для ученого работа в физической или химической лаборатории.
      Вырабатывание в себе такого подхода к окружающей действительности не только позволяет доискиваться до первооснов того или иного явления или конструкции, но и способствует накоплению полезной информации. Работая над созданием роботов, я внимательно присматривался ко всему, что мне приходилось делать руками, и пытался представить, как мог бы сделать то же самое робот с электронным мозгом. Способность человека к тончайшей координации движений и к оценке возникающих в процессе работы обстоятельств настолько меня потрясла, что (по этим и другим причинам, изложенным в гл. 3) я решил заняться телеуправляемыми механизмами, которые постоянно находятся под контролем квалифицированного оператора (подробнее см. гл. 10).
      Второе качество, которое обязан выработать в себе изобретатель, — это уверенность в себе (порой доходящая до наглости); он должен быть убежден, что добьется успеха там, где остальные потерпели неудачу, даже если друзья и подвергают его насмешкам за то, что он берется за непосильную задачу. Такой уверенностью в себе обладают дети, и будущий изобретатель должен пронести это качество через годы учения; если уверенность в своих силах утрачена, ему надо ее восстановить. Самый естественный путь к этому — постоянно изобретать разного рода полезные штуки для повседневной работы: различные приспособления для письменного стола, для кухни, для занятий в часы досуга, для домашней мастерской. В процессе конструирования таких приспособлений изобретатель поймет, что на пути от первоначальной идеи к работоспособному изделию конструкция непременно претерпевает существенные изменения. Примеры, которые приведены в гл. 8, на наш взгляд, также помогут будущему изобретателю укрепить веру в собственные способности.
      Третье качество, которое должен воспитывать в себе изобретатель, — настойчивость; именно настойчивость поможет ему преодолеть неудачи и трудности, которые обязательно встречаются на пути к новому. Всегда может случиться, что в ходе экспериментирования возникнет какое-то серьезное непредвиденное препятствие. Вот здесь-то изобретатель и должен трезво, не поддаваясь отчаянию, уяснить для себя: результат ли это принципиальной ошибки, заложенной в исходной идее, или эту трудность можно преодолеть за счет изменения конструкции или вспомогательного изобретения. Как правило, изобретателя поджимают время и деньги; в такой ситуации только он один способен принять верное решение. Он должен смотреть правде в глаза: с одной стороны, не отвергать с ослиным упрямством очевидные факты, а с другой — не давать отчаянию разрушить веру в собственное изобретение, если идея действительно того заслуживает. Если изобретатель знает заранее, что его ждут трудности, ему легче будет с ними справиться.
      Упорству и настойчивости помогает и глубокое внутреннее убеждение в том, что работа над данным изобретением полностью оправдана с моральной и общественной точки зрения и что изобретение представляет ценность для человечества. Путь к этому лежит через то, что Уильям Джеймс назвал «моральным эквивалентом войны», — обретение той решимости, какая бывает у человека в военное время. Вот почему важно выбрать для себя такую задачу, которая, по убеждению изобретателя, важна для человечества (подобно упомянутым в гл. 3).
      Далее, изобретатель должен научиться пользоваться своими творческими способностями, иными словами, познать самого себя. Прежде всего для этого нужно понять, когда и при каких обстоятельствах он наиболее активен творчески. У каждого одаренного человека бывают периоды, когда он находится в «супернормальном» состоянии: голова полна всяческих новых идей, а все внутренние помехи — усталость, лень и т. п. — отступают под натиском энергии и энтузиазма. У разных людей это бывает в разное время суток. Одни просыпаются среди ночи
      оттого, что их осенила идея, другим думается лучше всего ранним утром, третьим — ближе к полуночи. Способность мыслить связана с физическим состоянием организма и положением тела — помогают удобная, расслабленная поза (не следует сидеть скрючившись или развалясь), не слишком полный желудок, не слишком большая усталость, прогулка на свежем воздухе (пожалуй, пешие прогулки лучше всего способствуют желаемому состоянию). Все это помогает, но, разумеется, автоматически не приводит человека в наилучшее состояние для творческого процесса.
      Эксперименты, о которых недавно рассказывал журнал «Сайентифик Америкэн», показывают, что люди, занимающиеся трансцендентальной медитацией, способны приходить в такое состояние, когда ритмы мозга становятся более регулярными и спокойными, о чем свидетельствуют электроэнцефалограммы. Следовательно, посредством внутреннего контроля над собой можно добиваться различных состояний умственной активности.
      Важным показателем творческого состояния служит «отключение» самокритики, которая обычно мешает новым идеям появиться на свет. Многие из родившихся мыслей не выдерживают последующей проверки, однако среди них будут и такие, которые можно развивать дальше. Поэтому нужно научиться подавлять в себе критическое начало, по крайней мере до тех пор, пока идея не выразится в эскизе на клочке бумаги или в нескольких словах, указывающих, в каком направлении следует искать решение задачи. Критика заглушается сознательным усилием воли. Нужно сказать себе: «А не может ли решение находиться там-то?» — и двигаться в этом направлении, отбросив все внутренние возражения.
      Рассказывают, будто мысль о расположении атомов углерода в бензольном кольце химику Кекуле пришла в голову, когда он был слегка навеселе. Он ехал на верхней площадке двухэтажного автобуса, и ему вдруг представилась змея, кусающая себя за хвост. Бесспорно, небольшое количество алкоголя действительно расслабляет внутренние тормоза. Но вместе с тем у большинства людей алкоголь
      притупляет остроту мышления, так что идея, которая в состоянии опьянения казалась прекрасной, оказывается несостоятельной при отрезвляющем свете дня.
      Изобретатель обязан овладеть искусством мобилизовать для творчества всю свою эмоциональную энергию, т. е. подходить к проблеме с такой целеустремленностью, как если бы от ее решения зависела его жизнь. Вот почему самые крупные изобретения делаются людьми, отчетливо сознающими их необходимость. У большинства людей творческое состояние ума неразрывно связано с физическим здоровьем.
      Творческая активность, несомненно, требует от человека огромного запаса эмоциональной энергии, которая позволяет оптимистически смотреть на вещи и тем самым избавляет изобретателя от пессимизма (вызванного, в частности, скептическим отношением окружающих или кажущейся неразрешимостью задачи). Правда, известны случаи, когда человеку больному или переутомленному или же находящемуся в состоянии нервного стресса удавалось найти в себе достаточно сил, чтобы сделать изобретение или совершить иной творческий подвиг. Но бесспорно одно: если вы хотите добиться успеха, вам следует следить за собственным здоровьем не меньше, чем спортсмену, который готовится к ответственным соревнованиям. Действие различных снотворных средств, алкоголя и даже таких стимулянтов, как крепкий кофе, накапливается в организме и притупляет остроту мышления. Ежедневная длительная прогулка (желательно в тени деревьев) поможет восстановить необходимый запас эмоциональной энергии. А излишества в еде вредны не только для тела, но и для ума. На своем собственном опыте я убедился, что сытная еда мешает творческому процессу: когда я придерживался легкой диеты, удачные идеи чаще приходили мне в голову и было проще работать над статьями, требующими ясного конструктивного мышления. Сказанное подтверждается и опытом других людей, которым требовалась предельная ясность мысли для решения особенно трудных задач.
      Пятое качество, которое должен развивать в себе изобретатель, — это способность доискиваться до сути
      проблемы; ему необходимо уметь создать простейшую мысленную модель системы, которую он стремится улучшить. Эта модель не должна содержать ничего лишнего, только самые существенные элементы. Невозможно работать над изобретением, мысленная модель которого содержит массу второстепенных деталей и настолько сложна, что не представляется цельной. Необходимо знать основные законы природы, преступить которые не следует пытаться (всем нам приходится регулярно получать проекты «вечных двигателей» от полных радужных надежд изобретателей, никогда не слышавших о началах термодинамики). Однако не следует и слепо крушить этими законами наполовину оформившуюся свежую мысль.
      Наконец, совершенно необходимым качеством для будущего изобретателя является способность думать руками. (Этому посвящена гл. 7.) Все великие изобретатели постигали это искусство, когда работали в своих домашних мастерских и лабораториях. Только чистый математик способен обойтись без этого качества, изобретателю же без него никогда не удастся изобрести что-то такое, что можно было бы претворить в жизнь.
     
      Принципы изобретения
     
      В этом разделе я попытаюсь сформулировать некоторые принципы, которые, как мне кажется, существенны для изобретения и знание которых может помочь будущему изобретателю в его работе.
      1. Задача, требующая подлинно изобретательского решения, представляется неразрешимой всем, кроме изобретателей подлинно творческого склада. Но те задачи, решить которые действительно возможно, лишь на первый взгляд противоречат законам природы или известным свойствам материалов: все дело в том, что эти законы или свойства трактовались неверно. Таким образом, изобретатель прежде всего должен работать над формулировкой задачи. При этом следует искать такую формулировку, которая не только допускала бы решение задачи, но и вела к главной цели (см. следующий раздел).
      2. Можно начать с открытия какого-либо природного явления, с тем чтобы найти для него применение в дальнейшем. Но гораздо более ценным нам представляется путь, когда изобретатель видит некую человеческую потребность и пытается найти лучший способ удовлетворить ее. Для меня бесспорно, что, если человек не отдает себе ясного отчета, какую насущную проблему можно решить с помощью новых знаний, не стоит и стараться овладевать этими знаниями. В подтверждение своей мысли сошлюсь на пример «открытия ради открытия». Я имею в виду силиконовую «скачущую замазку», вещество, обладающее удивительными свойствами: при быстром воздействии оно очень упруго, при медленном приложении усилия текуче. Но за четверть века замазке не удалось найти достойного применения, несмотря на многочисленные работы в этом направлении и объявленные конкурсы.
      Другой пример — работа голландца Рейнста. Однажды, будучи еще студентом в Цюрихе, Рейнст уронил зажженную спичку в банку из-под варенья, на дне которой было немного метилового спирта. Он заметил, что спирт загорелся не ровным пламенем, а стал производить быстро следующие друг за другом вспышки; после каждой вспышки в банку втягивался воздух. Очень скоро Рейнст нашел способ поддерживать такие осцилляции в течение длительного времени и решил, что таким путем можно добиться интенсивного сгорания топлива и большой скорости истечения продуктов горения без применения воздушного компрессора. Этот принцип позволял также получить высокий коэффициент передачи тепла стенкам камеры, поскольку колебания скорости газов имели большую амплитуду. Всю дальнейшую жизнь Рейнст посвятил поиску практического применения своего открытия, главным образом для паровых котлов и авиационных двигателей. Ему не удалось добиться успеха — отчасти из-за консерватизма промышленности, но, вероятно, в гораздо большей степени из-за того, что преимущества открытого им способа сжигания топлива в постоянном объеме без компрессора бледнели перед недостатками: высоким уровнем шума, неполным сгоранием топлива, невоз-
      можностью контролировать аэродинамический харак-тер потока истекающих газов.
      Этот печальный пример свидетельствует не только о том, что работу следует начинать не просто с интересного наблюдения, а с ясно осознанной потребности в ней, но и о том, что в изобретательском деле очень опасно полностью концентрироваться на каком-либо одном проекте: в доведении изобретения до коммерческой стадии всегда присутствует элемент случайности. Я знал двух изобретателей, которые до конца жизни так и не добились успеха со своей «idee fixe».
      Все ситуации, когда то или иное научное открытие (например, что ядерная реакция может поддерживаться нейтронами, которые выделяются в процессе деления ядер) или наблюдение (например, образования стеклянных бусин после большого костра из водорослей на песке) способствовали появлению изобретений, объясняются только тем, что какая-либо насущная человеческая потребность до тех пор не получила надлежащего удовлетворения. Деление ядер в цепной реакции немедленно повлекло за собой открытие почти неисчерпаемого источника дешевой энергии (который и тридцать лет спустя не используется в полной мере), а пристрастие к украшениям было столь же сильно несколько тысячелетий назад, когда было изобретено стекло, как и в наши дни.
      Настоящая глава посвящена именно тому изобретательскому методу, которому следовали оба автора этой книги: от четкого определения насущной потребности человечества к изобретению устройства, которое сделало бы заметный шаг вперед либо к лучшему удовлетворению этой потребности, либо к уменьшению связанных с этим нежелательных побочных эффектов (в частности, загрязнения окружающей среды, шума, чрезмерных энергетических затрат).
      3. Нередко случается, что задача имеет два и более различных решения (вот почему творческие задачи представляются нам интереснее логических, ведущих к единственному решению). Каждое из этих решений может обладать своими достоинствами и недостатками. Так, среди конструкций самолетов с неподвижной несущей плоскостью монопланы и бипланы существовали бок о бок на протяжении трех десятилетий, пока растущие скорости и появле-ние новых конструкционных материалов не выявили безусловного преимущества моноплана. Аналогичное соревнование шло между авиационными газотурбин ными двигателями с осевыми и радиальными ком-прессорами; в настоящее время из-за необходимости экономить горючее победу одержал вентиляторный осевой компрессор. Еще один пример — мартеновский и бессемеровский способы производства стали. Примерно до 1950 года для массового производства стали предпочтение отдавалось мартеновским печам, однако сейчас конвертерный метод применяется шире, так как он имеет гораздо большую производительность. Наконец, можно вспомнить карбюраторный и дизельный двигатели: каждый из них имеет свою сферу применения, однако растущая нехватка нефти и загрязнение окружающей среды свинцом приведут, вероятно, к тому, что дизель получит более широкое распространение.
      Из всего сказанного следует, что изобретателю нередко имеет смысл познакомиться с менее удачными проектами и выяснить, нельзя ли сделать такое усовершенствование, которое позволило бы приспособить их к постоянно меняющимся нуждам человечества. Не исключено, что эти проекты подскажут изобретателю его собственный новый подход.
      4. Когда идея какого-либо крупного изобретения «висит в воздухе», над ним могут работать (и, возможно, не без успеха) одновременно несколько человек. Это объясняется тем, что потребности людей ясны многим, так же как многим известны материалы и физические явления, которыми можно воспользоваться для удовлетворения этих потребностей, хотя научная теория нередко появляется значительно позже (достаточно вспомнить изобретение стекла). Эдисон и Сван одновременно работали над лампой накаливания и независимо друг от друга добились практических результатов. В начале нашего века успеха с паровой турбиной добились Парсонс и Рато; во время второй мировой войны газотурбинные двигатели были созданы изобретателями в Италии и Германии независимо от Уиттла. Многие изобрета-
      тели искали способ заменить поршень в двигателе внутреннего сгорания вращающимся ротором, но лишь двигатель Ванкеля был доведен до промышленного образца.
      Я склонен считать, что в наши дни изобретателю невозможно добиться успеха в таких популярных областях, если у него нет финансовой поддержки в размерах, сравнимых со средствами, которые крупные компании ассигнуют на исследовательскую работу. Моя собственная работа над телеуправляемым «шахтером» окажется безрезультатной, если я не буду располагать на протяжении нескольких лет ассигнованиями, выражающимися шестизначной суммой.
      5. Сколько-нибудь значительное изобретение нельзя ни запланировать, ни учесть в бюджете. Возможно, изобретение не состоится или окажется таким, что «разглядеть за лесом деревья» будет под силу лишь большой исследовательской лаборатории. С другой стороны, лаборатория такого масштаба может предложить совершенно неожиданную идею, открывающую новые возможности вне области ее непосредственных интересов. Как бы то ни было, в случае появления многообещающей идеи ее разработку и финансирование следует тщательно планировать, причем эти планы должны постоянно пересматриваться (подробнее см. гл. 9).
      6. У всякой подлинно творческой личности бывают дни отчаяния и безнадежности — как до рождения оригинальной мысли, так и после. Настоящий изобретатель должен научиться не терять при этом энтузиазма и верить в успех своей затеи.
      7. Принцип «разделяй и властвуй» применим и к сфере изобретательской деятельности. Нужно уметь выделять центр тяжести проблемы и постоянно совершенствовать это умение. Не пытайтесь одним махом разрешить все проблемы.
      8. После того как вам в голову придет стоящая идея, пользуйтесь методом последовательных приближений. Не следует конкретизировать идею больше, чем это нужно для того, чтобы перейти к следующему этапу работы. Всегда оставляйте для себя как можно более широкий выбор. Именно таким путем идет, например, художник-пейзажист: прежде чем положить на холст краски, он делает грубый набросок. Детали вырисовываются лишь в третьем приближении. Нужно соблюдать правильную очередность: не следует, например, обращаться к экономической стороне дела, пока не будет ясна инженерная. Не следует даже думать об очередном вопросе, пока не решен предыдущий.
     
      Правильный порядок вопросов, на которые предстоит ответить изобретателю, следующий:
      1. Не противоречит ли его идея законам природы?
      2. Может ли изобретение работать и будет ли достигнута желаемая цель?
      3. Может ли изобретение работать с достаточной скоростью, производительностью и т. п.?
      4. Можно ли осуществить его из известных материалов и с помощью существующей технологии?
      5. Будет ли оно надежным и простым в эксплуатации?
      6. Можно ли им управлять, а при необходимости регулировать и настраивать?
     
      Только ответив на эти вопросы, можно переходить к экономике:
      7. Будет ли изобретение достаточно дешевым?
      8. Какова стоимость его эксплуатации и обслуживания?
      9. Каким будет срок службы?
      10. Как часты будут поломки и будут ли они иметь катастрофические последствия?
     
      Экономические вопросы следует рассматривать вместе, поскольку они взаимосвязаны. Так, например, можно согласиться на удорожание изготовления, если при этом увеличится срок службы устройства или уменьшится вероятность его выхода из строя.
      Выбор задачи и ее формулировка
      Первый шаг в изобретении — выбор того, что вы хотите изобрести. Сам я предпочитаю иметь целую коллекцию задач, которые, по моему мнению, заслуживают нового решения. С этой целью у меня заведен большой блокнот, в котором каждой проблеме
      отведено по страничке; здесь я делаю различные пометки. Я также держу эти проблемы в голове и порой нахожу решения, глядя вокруг «изобретательским взглядом». Это не мешает мне сосредоточиться над интересующей меня проблемой. У меня вошло в привычку обсуждать те или иные проблемы с заинтересованным собеседником — когда вновь формулируешь задачу и отвечаешь на вопросы, нередко в голову приходят новые решения; в то же время высказываемые собеседником предложения подтверждают существование множества неисследованных возможностей. Разумеется, может случиться, что собеседник подскажет готовое решение, и в этом случае его заслуга должна быть безусловно признана. Особенно ценным бывает обсуждение задачи со специалистами других профилей и вообще вне научного круга. Они могут подсказать идею из другой области науки или из практики древних цивилизаций и даже первобытного человека. Современная техника с ее расточительным отношением к дешевой энергии, природному сырью, с безразличием к загрязнениям окружающей среды нередко пренебрегает этими идеями. Изобретатель никогда не может быть уверен в том, что он держит в голове всю необходимую информацию; не может он и слишком надеяться на то, что ему под руку попадется устройство, которое подскажет решение проблемы.
      Иногда случается встретить печатное сообщение о каком-либо научном наблюдении, дающем ключ к решению задачи, над которой думает изобретатель. Сошлюсь на собственный пример. Я не занимался целенаправленно проблемой прямого преобразования энергии сгорания топлива в электричество. Но когда мне встретилось сообщение о том, что выдуваемые из стеклянного сопла струей воздуха мелкие частицы кремнезема заряжены отрицательно и прибор представляет собой, по сути, электростатический генератор, я немедленно связал это с возможностью преобразования кинетической энергии истекающих из сопла продуктов сгорания топлива в постоянный ток, что и привело меня в конце концов к магнитогидродинамическому генератору (см. гл. 10).
      Опыт убеждает меня в том, что викторианская манера тщательно скрывать свою идею и не рассказывать о ней никому до тех пор, пока она не будет запатентована и претворена в жизнь, совершенно не годится для второй половины XX века, поскольку сейчас опасность представляют не столько те, кто способен украсть идею и самостоятельно осуществить ее, сколько те, кто мог бы помочь в ее реализации, но слишком погряз в существующих концепциях и не склонен прикладывать усилия к развитию новых методов. Я, к примеру, на протяжении пятнадцати лет твердил о необходимости создания механического «крота» для работы в шахтах, но до сих пор не получил поддержки горных инженеров, которые не в состоянии даже вообразить возможность разработки подземных залежей без того, чтобы в шахту спускались люди. Даже успех советских ученых, создавших телеуправляемого робота, который, подчиняясь командам с Земли, добыл образцы лунного грунта, не убедил горняков. Эта идея сможет получить развитие лишь тогда, когда нехватка угля доведет Совет углепромышленников или министерство угля до такой степени отчаяния, что они решатся на почти безнадежный, по их мнению, шаг.
      Необходимо всеми силами стараться избегать того, что мы называем «фактором ИНН» (Изобретено Не Нами). Нужно быть готовым к сотрудничеству и признавать заслуги людей, внесших ценный вклад. Цель изобретателя должна заключаться не в том, чтобы найти свое личное решение задачи, а в том, чтобы найти для этой задачи хорошее решение. Может случиться, что людям по долгу службы приходится работать над какой-либо одной конкретной проблемой или же их личные интересы сконцентрированы на одной проблеме и они предпочитают в работе над изобретением иной метод, нежели используемый мною метод «группы проблем». Но и в этом случае «изобретательский взгляд» и частое «вентилирование» проблемы на лекциях и во время дискуссий по-прежнему оказываются весьма полезными. И в любом случае для того, чтобы накопить необходимую для изобретения внутреннюю энергию, нужно сконцентрировать свои усилия на конкретной задаче.
      Когда задача выбрана, следует сформулировать основные «правила игры». Эти правила можно представить в виде ответов на следующие вопросы:
      1. Что является главной целью изобретения: уменьшение расхода горючего, экономия конструк-ционных материалов или достижение принципиально нового качества (например, впервые обеспечить человеку возможность летать); обеспечение большей безопасности, упрощение эксплуатации и обслуживания, увеличение надежности?
      2. Что является дополнительной целью изобретения — например, чтобы изобретенное устройство во всех прочих отношениях (помимо главной цели) было по крайней мере не хуже существующих илй чтобы стоимость его была не более чем на 20% выше, если главной целью изобретения является увеличение срока службы втрое?
      3. Каковы ограничения, накладываемые на решение задачи? Именно здесь исходные положения могут оказаться слишком жесткими, и, найдя возможность ослабить одно из неоправданно жестких требований, изобретатель нередко может открыть путь оригинальной идее. Половина дела в изобретении — ясная формулировка цели, которой пытается добиться изобретатель, поскольку очень часто в существующих системах содержатся ставшие традиционными ограничения, которые без ущерба для дела можно отвергнуть. С другой стороны, нередко обнаруживается, что исходные ограничения сдерживают полет мысли изобретателя, особенно если эти ограничения наложены кем-то со стороны, кого мы можем назвать «заказчиком». Один из основных принципов изобретения мы тогда сформулируем так: «Заказчик всегда неправ». Он, как правило, стремится сделать правила игры неоправданно строгими — то ли потому, что в силу собственного консерватизма подсознательно надеется, что изобретатель не справится с задачей, то ли потому, что неспособен увидеть чрезмерную жесткость накладываемых ограничений.
      Таким образом, нельзя сделать изобретения, если с самого начала не выявить в правилах игры такое, которое можно было бы «ослабить» без ущерба для главной цели. Очень часто заказчик предъявляет экономические требования: например, чтобы устройство было пригодным для массового производства из недорогих конструкционных материалов. Эти трудности изобретатель должен преодолевать с помощью уже упомянутого в п. 7 принципа «разделяй и властвуй». Другими словами, он выбирает одно из правил за основное и работает над этой частью проблемы до тех пор, пока ему не удастся найти удачное решение.
      Итак, изобретателю предстоит формулировать правила игры снова и снова, пока он не выделит самую важную часть задачи, требующую изобретательского решения, и не смягчит те правила, которые необоснованно жестки.
      Можно найти примеры описаний этой стадии процесса самими изобретателями. Эдисон постепенно пришел к мысли о том, что дуговую лампу, питаемую большим током, который поступает по толстым медным проводам от близко расположенного генератора, можно заменить лампой накаливания с большим внутренним сопротивлением и малым потребляемым током. Королевская комиссия в Великобритании, поддерживаемая газовыми компаниями, заявила, что Эдисон пытается идти против закона Ома. Однако Эдисон, в процессе своих экспериментов с телеграфом изучивший поведение тока в цепях гораздо лучше членов Королевской комиссии, не отказался от чрезвычайно трудной задачи найти такую нить накаливания, которая разогревалась бы достаточно сильно, чтобы излучать яркий свет, и в то же время не перегорала бы слишком скоро.
      Парсонс зиал, что можно создать паровой двигатель с вращающимся ротором без клапанов и поршней, в котором пар действовал бы на лопатки турбины так же, как ветер на крылья мельницы. Он также понимал, что для создания перепада давлений пар должен расширяться, так что главная изобретательская задача заключалась в поиске оптимальной формы неподвижных и вращающихся лопаток.
     
      Момент вдохновения — творческий акт
     
      Третий шаг на пути к изобретению — накопление эмоционального заряда, способного подавить собственные внутренние возражения и предрассудки и открыть путь новой идее. Нужно думать о том значении, которое может иметь для человечества решение поставленной задачи, и стараться отмести все свои сомнения — не подавляя их и не игнорируя, а убеждая себя в возможности найти такое решение, которое не вызовет подобных сомнений. Здесь особенно уместна аналогия с всадником на поле, окруженном высокой изгородью: перескочить через изгородь удастся лишь тогда, когда и всадник, и конь убеждены, что на сей раз они с этим справятся.
      Укрепив свою решимость, постарайтесь избавить себя от предвзятых мнений, забыть о том, как решается эта задача в настоящее время, не думать об очевидных мелких усовершенствованиях. М. Пирани (который в начале нашего века изобрел вакуумметр Пирани и сделал десятки других изобретений в области электрического освещения, электрических печей и огнеупоров) рассказывал мне, что он никогда не читал научную литературу перед тем, как взяться за новую проблему; он начинал читать книги и статьи лишь после того, как у него появлялись собственные идеи. То же говорил и Барнес Уоллис. И в самом деле, чтение научной литературы с тем, чтобы познакомиться со всем, что уже сделано в этой области, — не самый легкий путь для творчества. Если следовать этим путем, можно легко поддаться убеждению, что все возможности уже испробованы до тебя. С другой стороны, иногда выясняется, что твоя оригинальная идея уже высказывалась и проверялась прежде. В таком случае можно сказать себе: «Это лишь доказывает, что идея стоящая. И я буду тем самым человеком, кто преодолеет препятствия, остановившие других на пути к успеху». При достаточной умственной самодисциплине можно научиться бегло просматривать научную литературу и знакомиться с попытками решить задачу, не падая духом от чужих неудач. Однако при этом очень важно сохранять широту взглядов, не погрязать в
      деталях и всегда быть готовым воспринять идею из совершенно другой области.
      Важно также ограждать себя от тех, кто убежден в неразрешимости проблемы, а также в том, что все стоящие идеи уже высказаны, что у вас не хватит ума решить ее, что вы беретесь сразу за слишком много проблем.
      Ну, а теперь мы подходим собственно к моменту вдохновения.
      Грубо говоря, можно выделить четыре способа, которыми пользуются изобретатели для того, чтобы вдохновить себя на изобретение.
      Первый способ можно назвать насилием над собой — устанавливаются жесткие сроки, и изобретатель заставляет себя упорно размышлять над задачей, пока не появится возможное решение. Так работал Эдисон над лампой накаливания. Он, бывало, запирался в маленьком деревянном буфете и просиживал там многие часы. Этот способ требует колоссального умственного напряжения: всякий раз, как ход мысли, натолкнувшись на препятствие, уклоняется от основного направления, нужно усилием-воли возвращать мысль в главное русло. Для этого необходима исключительная власть над собой. Такой способ может оказаться чрезмерно трудным для многих людей, которые вместе с тем способны прийти к изобретению иными путями.
      На практике инженер нередко сталкивается с острой ситуацией, требующей изобретательского решения. В таком случае особенно важно отключить внутренние сдерживающие факторы, чтобы найти пусть не самый лучший, но приемлемый выход.
      Второй способ можно назвать «высиживанием». Это означает, что сформулирована задача, решение которой пока не ясно, однако изобретатель чувствует, что хорошее решение существует. Тогда (желательно на одном листке бумаги) изобретатель набрасывает условие и вносит туда заметки и поправки, возникающие как в процессе собственных размышлений, так и обсуждений с другими. Процесс «высиживания» может длиться неделями и месяцами, пока, наконец, не забрезжит свет и не появится идея, разрешающая задачу. Конечно, метод «высиживания» не годится
      при решении проблем, для которых установлены жесткие сроки, поскольку на решение могут уйти многие месяцы, а может статься, оно и вовсе не будет найдено. В решении изобретательских задач немалую роль играет случай, и все описанные методики могут лишь увеличить шансы на успех от исчезающе малой величины до более значительной: быть может, даже до одного шанса против двух. Если же изобретатель хочет найти приемлемое решение в течение нескольких месяцев, ему следует дополнить описываемый способ другими.
      В методе «высиживания» большое подспорье оказывает техника «случайного поиска». Проиллюстрировать эту технику поможет такой, правда довольно натянутый, пример: человек идет в библиотеку, находит в каталоге книгу, в которой непосредственно трактуется интересующий его вопрос, а затем направляется к полке с этой книгой, но просматривает не ее, а все книги, стоящие рядом.
      Третий способ поиска оригинальных решений для трудных и важных задач — широко разрекламированный синектический метод, или «мозговой штурм». Группа людей собирается в комнате и обсуждает задачу, пользуясь свободными ассоциациями, причем всякая критика запрещена. Чем шире круг их профессиональных интересов и увлечений, тем лучше. Главное — создать атмосферу сотрудничества, в которой случайно пришедшая в голову одному человеку мысль тут же подхватывается и развивается остальными, так что возможности всякой идеи стать решением задачи исследуются досконально. Этот способ больше подходит экстравертам, в то время как остальными способами чаще пользуются интраверты. Заслуга в сделанном таким методом изобретении принадлежит всему коллективу. Преимущество способа — в его скорости: если за два-три обсуждения не удается добиться успеха, дальнейшие встречи вряд ли целесообразны.
      Четвертый способ — систематический. Он состоит главным образом в том, что составляется таблица или список всех возможных решений, которые зачтем поочередно обдумываются. Если какая-либо возможности представляется перспективной, то она проводится через стадии предварительной разработки, описанные ниже.
      Другой вариант этого способа заключается в том, что проводятся всевозможные лабораторные эксперименты без ясной цели, но в надежде на то, что какое-то наблюдение даст ключ к решению задачи. В некоторых случаях я нахожу для себя полезным отправиться в мастерскую и сделать грубую модель из легко обрабатываемых материалов, обдумывая конструкцию непосредственно в. процессе работы.
      Хотелось бы дать будущему изобретателю три совета, которые помогут ему «поймать» момент вдохновения. Первый совет — научиться подавлять в себе критическое начало, чтобы не уничтожать на корню пришедшую в голову мысль, а позволить ей развиться в более или менее оформившийся проект, недостатки которого можно пытаться устранить. Для этого следует научиться положительно воспринимать любые идеи, будь то свои собственные или кем-то подсказанные. Нужно также верить в существование оригинального решения задачи, которое может быть найдено лишь в борьбе с пессимизмом и безнадежностью — они, как тень, появляются у человека с любым складом характера. Никогда не следует позволять себе роскошь предаваться отчаянию: оно быстро лишает человека творческих сил, которые утекают, как воды сквозь брешь в плотине.
      Второй совет также связан с накоплением творческой энергии. Когда человек действительно одержим решимостью справиться с задачей, ему в голову приходит множество идей, которые на первый взгляд кажутся превосходными, а на деле (после того, как пройдут описанные в следующем разделе стадии предварительной разработки, а иногда и после более глубокого развития, описанного в гл. 7) оказываются не лишенными недостатков, делающих их менее эффективными, чем уже существующие. С этим сталкивались все изобретатели, и успеха добивался лишь тот, кто снова и снова мобилизовал себя на решение задачи, оставив полюбившуюся идею, до тех пор, пока не находил действительно удачного варианта.
      Третий совет выражен изречением «разделяй и властвуй». Не пытайтесь за один присест разрешить задачу полностью. Выберите «центр тяжести» проблемы — ее ключевую трудность — и сконцентрируйте на нем свои усилия. Если вам действительно удастся сделать шаг вперед в разрешении этой трудности, вы скорее всего обнаружите, что при этом нарушаются другие «правила игры». Это повлечет за собой необходимость вспомогательных изобретений. Для доказательства можно привести следующий пример: продукты сгорания топлива — плохие проводники электричества и из-за этого магнитогидродинамический генератор имеет очень высокое внутреннее сопротивление. Выручает мысль о введении в газ легко ионизирующихся, атомов щелочных металлов. Приходится тщательно обдумать все цели изобретения, выбрать главную (например, уменьшение потребления топлива) и сосредоточить свои усилия на ее достижении.
     
      Кристаллизация идеи
     
      После того как изобретатель подавил в себе критическое начало и у него зародилась идея возможного решения проблемы, он должен двигаться дальше с большой осторожностью, чтобы, с одной стороны, не потерять основную нить, а с другой — избежать чрезмерной конкретизации идеи, которая в таком случае сможет развиваться лишь в одном из многих возможных направлений.
      Основной принцип, которого должен придерживаться изобретатель, в математике называется методом последовательных приближений. Как только изобретателю в голову придет любопытная мысль, он должен зафиксировать ее суть на клочке бумаги — либо в виде эскиза, либо в виде краткой записи; это делается для того, чтобы он помнил, в какой области следует искать решение. Очень важно обрисовать идею как можно шире. Не следует детально прорабатывать мысль, чтобы не испытывать сожаления, если затем придется выбросить несколько формулировок или эскизов. Карандашные наброски гораздо предпочтительнее эскизов, выполненных с помощью циркуля и линейки. Этот принцип относится к любой творческой работе: перед тем как писать картину, художник, например, делает предварительный набросок (а лучше — не один) во весь холст; детали прорабатываются позднее. Точно так же новую идею нужно оглядеть «со всех сторон», прежде чем приступать к ее детальной разработке.
      На этой стадии не следует пренебрегать никакими возможностями, поскольку, как только будет готов набросок, придется подвергать его критической оценке. Экономические вопросы — надежность, стоимость изготовления и обслуживания и другие — на первых порах рассматривать не надо; они возникнут позже. Сейчас же важно спросить себя: будет ли конструкция работать, можно ли ее построить на современном уровне техники, обеспечит ли она лучшее решение поставленной задачи? Вы задаете главные инженерные вопросы, и лишь после того, как техническое решение приведено к такому виду, что ответы на вопросы будут положительными, можно переходить ко второй стадии: чертежной доске, калькулятору или компьютеру. Здесь уже появляются детали (форма и размеры, оптимальные конструкционные материалы, узлы смазки, скорости) и рассчитываются ключевые факторы — статические и динамические усилия, устойчивости, к. п. д. Но и эти расчеты производятся с точностью до одной-двух значащих цифр. На этой стадии необходимо лишь получить оценки по порядку величины. Нет нужды излишне вдаваться в подробности, иначе на исследование дороги, ведущей в тупик, можно израсходовать столько сил, что их не останется на «главный проспект».
      Если для того, чтобы яснее представить себе положение частей в пространстве и их взаимодействие, нужно построить модель, ее следует делать из самых податливых и доступных материалов. Наиболее подходящими являются мягкая проволока, пластилин, дерево, детские конструкторы, алюминиевые пластинки. В такую модель легко вносить изменения; не жалко
      ее и выбросить, так что у изобретателя не будет привязанности к конкретной конструкции. Само собой разумеется, что чертежи и модели должен делать сам изобретатель, поскольку лишь он в процессе работы способен развивать свою идею.
      Принцип «разделяй и властвуй» на этой стадии имеет и другое важное приложение: не следует возлагать на одну деталь несколько различных функций; для каждой функции следует вводить в конструкцию отдельную деталь.
     
     
      ЧАСТЬ 2
      Э. Лейтуэйт
      Знание и мудрость
     
      Из всех живых существ на земле лишь человек добывает огонь, носит одежду, обладает воображением, изобретает, использует колесо и, как говорят, сознает неизбежность смерти (хотя в последнем можно усомниться). Есть и еще один признак совершенства (или несовершенства?) человека: только человек пользуется чистыми металлами. На протяжении столетий мы убеждали себя, что колесо — единственная вещь, в которой человек опередил Создателя, творца всего живого. Мы убедили себя в том, что обладаем свободой воли, что делаем то, что хотим, и можем пользоваться этим, творя добро или зло. Мы издавна персонифицировали добро и зло и представляли себе их в виде двух гигантов, схватившихся в вечной борьбе.
      В науке содержится знание, быть может, все сущее знание (если бы только мы имели к нему доступ), но мудрости в ней, пожалуй, немного. Мудрость следует искать в искусстве у древних цивилизаций, которые, возможно, владели этим редким даром в большей мере, чем современное общество. Древняя китайская монада (рис. 4.1) выражает две глубокие истины. Во-первых, она асимметрична —
      у нее есть правая и левая стороны (концепция асимметрии до сих пор озадачивает физиков, и они спорят о частицах и античастицах, о четности и о том, является ли наша Вселенная «левосторонним объектом»), Во-вторых, точки на монаде задуманы как постоянное напоминание о том, что нет зла, в котором не содержалось бы добро, и что всякое добро заключает в себе некоторую долю зла. Нет красоты, которая была бы избавлена от уродливости, как нет и абсолютного уродства. В прошлом я высказывал это же мнение в публичных лекциях, когда говорил, что убежден: единственный неопровержимый закон Вселенной — это то, что в ней нет ни абсолютно черного, ни абсолютно белого, а есть лишь оттенки серого. Законы физики, добавлял я, созданы человеком, а потому нуждаются в постоянных поправках.
      Действительно ли то, что мы изобрели колесо и научились пользоваться металлами, свидетельствует о нашем уме? Об использовании металлов мой коллега Гилберт Уолтон писал: «Вне всякого сомнения, знай мы, как это сделать, мы отказались бы от металлов в пользу органических соединений, которые обладают значительно более широким спектром свойств» [10].
      Мы сейчас стремительно вступили в век пластмасс, и вскоре нас стала беспокоить их стойкость. Пластмассовая упаковка от еды, небрежно брошенная на землю во время пикника, способна сохраниться в течение тысячи лет. Изобретатели уже придумали пластмассы, которые под действием ультрафиолетовых лучей разлагаются на более простые вещества. У этих пластмасс, как и у нас, есть «время жизни». Быть может, мы близки к открытию, почему все живое обречено на смерть, — лишь через это возможна вечная жизнь. История жизни на Земле уходит в глубь веков в сотни раз дальше, чем история человека.
      Возможно, в поисках тех вещей, которые не изобретены нами, а возникли помимо нас и остались незамеченными, нам следовало бы обратиться не к будущему, а к прошлому. Изучая природу, мы можем, как в зеркале, увидеть отражения машин, сделанных человеком. Изображения могут совпадать — и мы обнаружим, что Природа сделала то же лучше нас. Там, где изображения имеют отдаленное сходство, мы можем поучиться у Природы и улучшить наши несовершенные изобретения; там же, где изображениям в зеркале не найдется соответствия в нашем мире, мы попадем в самое трудное положение, так как не постигнем даже их смысла.
     
      История вещей
     
      Для начала зададим себе несколько простых во просов. Например: обязательно ли строить дом из кирпича? Ответ на этот вопрос очевиден. Гораздо труднее сказать, обязательно ли делать окна стеклянными. Прозрачные пластмассы легко поцарапать, кварц слишком дорог. Но нашему воображению легко представить вещество, прочное, как сталь, и прозрачное, как стекло. Когда такое вещество будет изобретено — дело времени. Некоторые вопросы, приведенные ниже, могли бы быть заданы в прошлом. В свое время на них можно было ответить только положительно, но с тех пор многое изменилось.
      Обязательно ли делать корабли из дерева или других материалов легче воды? (Первый железный корабль был построен в 1843 году.)
      Обязательно ли делать ботинки из кожи? (Первые кожзаменители появились в 40-е годы текущего столетия.)
      Обязательно ли делать шины из натурального каучука? (И здесь был найден заменитель в XX веке.)
      Обязательно ли использовать медные провода в линиях электропередач? (Более дешевый алюминий считался слишком слабым на разрыв, пока в 1909 году не придумали провод со стальным сердечником.)
      Теперь, когда эти открытия сделаны, все кажется очевидным.
      Размышления над тем, какие материалы требуют усовершенствования, — хорошее упражнение для изобретателя; они тренируют ум не хуже, чем поиск решений для многих проблем. Должен признаться,
      что пример со стеклом пришел мне в голову не сра зу — даже стеклу уже найдена замена в оптических приборах и подобных инструментах. Автомобильные стекла теперь делаются по большей части трехслойными: стекло — пластик — стекло. Пожалуй, только оконному стеклу еще не придуман заменитель.
      На вопрос, почему тот или иной предмет имеет именно такой размер и такую форму, нередко можно получить ответ: «По традиции». Этой фразой прикрывают всякого рода несуразности, например тот факт, что при производстве наиболее дешевых товаров переоснастка производства обходится настолько дорого, что перекрывает прибыль, получаемую в обозримое время от экономии на производственных расходах. «Традицией» прикрывают и такие умственные барьеры, как суеверие, чувство неуверенности («я никогда не смогу привыкнуть к десятичной валютной системе»1), склонность к ничегонеделанию, для которой нет более мягкого названия, чем лень, высокомерие или в лучшем случае благодушие и самодовольство. И во всех этих «барьерах» немалую роль играет гнет устоявшихся мнений и привычных представлений 2.
      1 До 1971 года в Англии была принята двенадцатеричная валютная система, в которой фунт стерлингов делился на 20 шиллингов, а шиллинг иа 12 пенсов. С 1971 года введена десятичная система: 1 фунт равен 100 пенсам. — Прим. перев.
      2 Здесь автор пользуется модным термином «промывание мозгов» (brainwashing), но понимает под этим не столько сам процесс навязывания чужих мыслей, сколько его результат. — Прим. ред
     
      Борьба с консерватизмом мышления
     
      Если человеку случается сделать изобретение, то обычно он тут же пытается применить его ко всему, что попадается на глаза, вместо того чтобы оставить эту заботу простым смертным, а самому приняться за совершенно новую работу.
      Консерватизм мышления — отнюдь не порождение XX века. Во имя религии людей подвергали ужасным пыткам, не говоря уже о методах словесного убеждения, и это можно проследить на протяжении всей истории религии. И, что хуже всего, мнение, навязанное извне, и вполовину не так страшно, как консерватизм, обусловленный внутренними причинами.
      Мне известно единственное средство борьбы с консерватизмом мышления: ежедневные «очистительные» упражнения для ума, которые могут стать такими же привычными и благотворными, как утреннее умывание. Этот метод (прежде я называл его «язвительным подходом») требует подвергать сомнению практически любое утверждение, с которым приходится сталкиваться. Это наводит на мысли типа: «А почему железный корабль должен тонуть? Позвольте, нельзя ли сделать так, чтобы он не тонул?» Быть может, именно на такую мысль навело знаменитое яблоко, падение которого наблюдал Ньютон. «Падает ли яблоко? А быть может, Земля движется ему навстречу?» Это кажется невероятным, но в свете современных представлений Земля и яблоко действительно движутся навстречу друг другу. Попробуйте отказаться от постулата Эйнштейна о постоянстве скорости света во всех системах отсчета и примите вместо этого предположение, что в действительности скорость света уменьшается с течением времени (для начала можно считать это уменьшение очень небольшим: скажем, на 1% за 10 млн. лет). Этим можно объяснить кажущееся расширение Вселенной. А какие еще следствия можно вывести из этого предположения? Не дает ли оно пищу для новых идей?
      Лишь для того чтобы проиллюстрировать, чего можно добиться, я приведу в пример инженера, который в годы, когда не было ни телевизоров, ни транзисторов, взялся построить радиоприемник, единственным источником питания которого служил кран газопровода. Не стану рассказывать, каким образом это можно осуществить, предоставлю читателям возможность на досуге поразмыслить над задачей. Разумеется, такой приемник не мог стать коммерчески выгодным, но он принес немалую пользу инженеру, отточившему свой ум на решении проблем, с которыми ему пришлось столкнуться при конструировании.
     
      Мода, законы эволюции и директор предприятия
     
      Тесты на словесные ассоциации, без сомнения, обнаружили бы, что у большинства людей слово «мода» связывается со словом «одежда». Однако после минутного размышления мы придем к выводу, что влияние моды простирается куда шире, причем мы даже не отдаем себе в этом отчета. К наиболее очевидным сферам влияния моды относятся жилище и мебель. Планировка обычной гостиной в корне изменилась после того, как камин уступил центральное место изобретению Лоджи Бэрда1 — телевизору. Я знаю по крайней мере одного человека, который, не сделай этого Бэрд, изобрел бы телевизор в самое ближайшее время. И тут мы подошли к той стороне изобретения, которая может быть предметом многочисленных споров. Действительно ли крупные изобретения появляются тогда, когда этого требует уровень техники в данный момент времени? Чувствует ли человек влияние времени или сам повелевает временем?
      Создатели промышленных концернов высказывали мне свое изумление «прорицательскими» способностями руководителей компании «Маркс энд Спенсер лимитед», которые, по словам одного эксперта, «ухитряются выбросить товар на прилавки магазинов в тот самый день, когда на него появляется спрос». Да станет это уроком всем будущим изобретателям? Ваши изобретения должны быть своевременными, иначе вас либо опередят в последний момент, либо вы разделите участь Чарлза Бэббиджа, чей «вычислительный механизм», созданный в 1838 году, должен был дожидаться изобретения электронной лампы и транзистора, чтобы обрести власть над миром. Сам Бэббидж никогда не узнал об этом. Трудная судьба ждет человека, опережающего свое время?
      Есть и другой враг изобретения, опережающего свое время. Я имею в виду человека, который своим
      1 Создание практических систем телевидения связано с именами В. К. Зворыкина, Ф. Фарнсуорта (США), К. Свинтона (Великобритания), советских ученых В. П. Горбовского, Ф. И. Катаева, А. П. Константинова, Б. Л. Розинга, П. В. Тимофеева и П. В. Шмакова. — Прим. ред.
      трудом достигает вершин власти и начинает мнить себя божеством. Мне известна одна крупная промышленная фирма (не в Великобритании), которая в свое время делала лучшую сталь для постоянных магнитов. Ее директор взял манеру самоуверенно заявлять посетителям: «Мы делаем лучшие постоянные магниты, какие только могут быть сделаны». В данном случае отделение фирмы, занимавшееся магнитами, сумело выдержать конкуренцию, но только благодаря научно-исследовательскому сектору, сотрудники которого не останавливались на достигнутом; да и фирма была достаточно сильна, чтобы «съесть» изобретателя-одиночку. Не будь этого, ей пришлось бы сейчас выпускать пирожные?
      А что можно сказать о таких прозаических вещах, как конструирование? Мы ведь наверняка вносим изменения в конструкцию наших машин по мере появления новых материалов и новых изобретений, позволяющих улучшить конструкцию? Ответ здесь зависит от того, что понимать под словом «лучше». В 20-е годы лучшим считался электромотор, имеющий более высокий к. п. д. Мало кто задавался вопросом, во что обходится повышение к. п. д. от 82 до 85%: в моде тогда была эффективность. Благодаря быстрому прогрессу в последующие годы на смену эффективности пришла удельная мощность (киловатты на килограмм массы), которую в свою очередь вытеснила себестоимость, когда настал «бухгалтерский век». Я, разумеется, позволяю себе высказать личное мнение — его может не разделять большинство читателей и тем более бухгалтеры. Но у меня сложилось впечатление, что, по крайней мере в тяжелой промышленности, развитие планируется не больше чем на год-два вперед, поскольку система отчетности требует положительного баланса в бюджете компании к концу текущего или в лучшем случае следующего года.
      Директор производства несет полную ответственность за финансовую политику, и чтобы обеспечить фирме доход, он должен быть таким же безжалостным, как сама эволюция. Он должен избавляться ют всего, что не приносит дохода. К сожалению, он обычно не в состоянии даже приблизиться к эффективности естественного процесса отбора, так как никогда не бывает столь же безжалостным, не слишком охотно признает свои ошибки и по тем или иным причинам уступает искушениям традиций.
      Итак, что же следует знать изобретателю об опасностях, которые таят в себе мода, директор производства и законы эволюции? Пока длится «бухгалтерский век», изобретатели должны играть на руку бухгалтерам. Если они пытаются приостановить загрязнение окружающей среды, они должны изобрести такой способ переработки отходов, который был бы выгоднее промышленнику, чем переработка первичного сырья. Бесполезно организовывать сбор макулатуры, алюминиевых бутылочных пробок или пустых бутылок, если производство бумаги, новых пробок или бутылок будет обходиться дороже, чем если бы промышленник рубил лес или добывал руду. Он и будет продолжать рубить лет, пока не останется ни единого деревца, если вы не изобретете для него машины, которые обеспечивали бы производство товаров из вторичного сырья с меньшими затратами, чем из природного. Разумеется, бухгалтеры будут утверждать, что это не их вина. До тех пор пока домохозяйки не станут бойкотировать фирму, сбрасывающую отходы своих предприятий в реку, в пользу той, которая этого не делает, как может эта другая фирма надеяться на победу в конкуренции? Покупатель заявляет, что это не его вина, — ему нужно содержать семью на ограниченные средства. Боюсь, что все мы виноваты в том, что не стали лучшими изобретателями, чем мы есть. Изобретательская жилка в большей или меньшей степени есть у каждого, но для того, чтобы извлечь из нее пользу, ее нужно развивать. С этой целью мы и создали настоящую книгу.
     
      Во имя удобства человечества
     
      Мы не слишком торопимся признавать изобретения, в первую очередь направленные на повышение удобства. Иногда вопреки здравому смыслу мы даже идем на неудобства в угоду более строгой классификации. Вот наиболее яркие примеры, относящиеся
      к последнему времени. В Лондоне произведена замена первых трех букв телефонных номеров цифрами. Так, номер телефона в Кенсингтоне начинается теперь не буквами КЕН, а цифрами 589, которые даже не соответствуют прежнему положению букв на диске номеронабирателя Далее, нас облагодетельствовали введением почтовых индексов — а у кого хватит памяти держать все эти цифры в голове? И наконец, в Англии введена метрическая система, что само по себе неплохо, если только не доводить дело до крайности. Я не возражаю против того, чтобы в обиходе пользоваться сантиметрами вместо дюймов для измерения, скажем, болтов и гаек. Но существует довольно могучее движение (в частности, среди физиков) за то, чтобы ограничить используемые единицы длины единицами вида [метр ]Зп, где. гг — целое число. Иными словами) будут пользоваться лишь нанометрами (10-9 м), микрометрами (10~6 м), миллиметрами (10_3 м); километрами (103 м), мегаметрами (106 м) и т. д. Мы должны всеми силами противостоять этому, поскольку ни одна из этих единиц не является удобной для измерения большинства окружающих предметов, и то обстоятельство, что 7 дюймов «удобнее», чем 1,778 XIО2 мм или 1,778 X Ю-1 м, объясняется не только привычкой. Заменяя двена-дцатеричную систему (например, число пенсов в шиллинге или дюймов в футе) десятичной, мы приводим в соответствие единицы измерения с принятой в математике системой счисления. Это достаточно убедительный аргумент, несмотря на то что число 12 — более удобное основание системы единиц, поскольку делится на 2, 3, 4 и 6. Метрическая система не позволяет воспользоваться и другим приемом, очень удобным в конструировании, — умножением или делением на степени двойки.
      1 Прежде на дисках номеронабирателей все буквы алфавита были распределены между десятью отверстиями. При наборе лондонского номера требовалось набрать первые три буквы названия городского района и четырехзначный номер аппарата. — Прим. перев.
      С введением десятичной системы мы теряем не столько в удобстве пользования, сколько в нашем внутреннем восприятии длины и пространства. «Удобным» для нас является такой результат измерения, который выражается числом с одной цифрой перед запятой, например, 5,14; 1,37 и т. п., без всяких прицепленных к нему «десяток в какой-то там степени». Предпочтительность таких единиц измерения ярко иллюстрируется примерами из истории техники (а техника возникла куда раньше науки). Люди, сталкивавшиеся с измерениями, пользовались такими единицами, как «локоть», высоту лошади измеряли в «ладонях», «дюйм» был длиной верхней фаланги большого пальца, «фут» — длиной ступни. Каждая единица должна была быть легко воспроизводимой. «Ярд» возник при измерении длины отреза ткани, когда один конец зажимали в зубах, а руку, державшую край ткани, отводили в сторону. Растягивая веревку между вытянутыми в стороны руками, мы получали сажень — именно так первые мореплаватели измеряли глубину, опуская в воду свинцовый груз на веревке (не случайно сажень равняется двум ярдам). Не беда, если мы потеряем дюйм. Но, потеряв сантиметр, мы потеряем еще немного из того, что я называю простотой.
      Любопытно, что в то время, как во всей Европе в измерениях длины, массы, валюты принята теперь десятичная система, в единицах времени используется более удобное число 12, а также результат его удвоения или деления на два. Когда же у нас будут десятичные часы? Аналогично мы пользуемся для измерения углов «градусом», полученным от деления круга на 360 частей («гибрид» 10 и 12?), а градус подразделяем на минуты и секунды, как и единицы времени. Мне никогда не приходилось видеть, чтобы угловую скорость выражали в «минутах в минуту» или «секундах в секунду», хотя было бы занятно сделать это в научной статье, чтобы продемонстрировать непоследовательность современного человека, стремящегося к ясности и испытывающего удовольствие от изобретения новых терминов.
      Даже касаясь самого предмета изобретений, мы обнаружим любопытную вещь: британский патент
      № 1 был выдан в 1617 году Эвону Ратбону и Роджеру Бэрджесу на способ гравировки и печати карт, планов и т. п. Первая серия нумерации патентов закончилась 26 июля 1853 года номером 14 359, а 1 октября 1852 года — хотите верьте, хотите нет? — была открыта вторая серия, также начавшаяся с первого номера. В последний день 1852 года нумерация патентов снова началась с единицы, причем с сентября до конца 1.852 года было выдано не менее 1211 патентов. И до 1875 года нумерация патентов (которые все принято относить ко второй серии) начиналась с первого номера, от первого января каждого года. В годы, последовавшие за 1852, было выдано соответственно 3045, 2764, 2958, 3016, 3200, 3007, 3000 (круглое число патентов в 1859 году отметили, должно быть, шампанским?) — и далее примерно по три тысячи патентов в год. Затем была начата третья серия, разумеется, опять с первого номера; эта нумерация продолжается по сей день. Таким образом, существует по меньшей мере по 25 патентов с номерами от 1 до 1211 и по 24 — с номерами от 1 до 2764. При поиске старых патентов одного номера оказывается недостаточно.
      Первая серия патентов регистрировалась в Патентном Бюро Большой Печати (королевской канцелярии). В соответствии с поправкой к Закону о патентах от 1852 года были введены формальные заявки и учреждена Комиссия по патентам и изобретениям. С 1617 по 1858 год сопровождавшие патенты чертежи представлялись на листах большого формата и подшивались отдельно (теперь это создает заметные неудобства). С 1858 по 1876 год чертежи прилагались к заявкам, но не существовало никаких ограничений на их размер. С 1876 года принимаются лишь чертежи стандартного формата Позволительно спросить: скоро ли от нас будут требовать представления чертежей и заявок в виде стандартных микрофильмов?.
      Этот раздел не столько касается того, как нужно изобретать, сколько служит предупреждением о том
      1 Авторы признательны Н. Грейторексу за информацию о патентной классификации.
      «минном поле», на которое попадет изобретатель, чьи творения не сулят финансовой выгоды, идут вразрез с общепринятыми нормами или даже будут направлены на «подрыв священных устоев». Такой изобретатель может получить признание через сотню лет после своей смерти — а это слабое утешение. Однако история хранит имена тех, кто держался своих идей буквально до «печального конца», — быть может, и мы вдохновимся их примером. Тот, кто шагает один, по-своему счастлив, пусть даже его ждет участь остаться непонятым еще в пятидесяти поколениях людей?
     
      Ассоциация идей
     
      Это явление легко заметить в себе самом и в других людях, поскольку оно рождает мысль, которую можно выразить словами: «Это напоминает
      мне о...».
      Ассоциация идей всегда является потенциальным зародышем изобретения, и ее следует непременно доводить до конца, продолжая сравнение до тех пор, пока оно не теряет смысл. Обнаружив пункт, на котором сравнение застопорилось, попытайтесь выяснить, почему сходство обрывается именно здесь — есть ли для этого фундаментальная причина или возможно какое-либо видоизменение системы, которое позволит продолжить сравнение. В последнем случае можно попробовать поразмыслить над таким видоизменением. Результат может оказаться тривиальным или не заслуживающим внимания, но может быть и любопытным и приведет вас к изобретению.
     
      Координация
     
      С самого рождения (а может быть, и раньше) у ребенка появляются ассоциации идей. Не нужно долго размышлять, чтобы понять: этот механизм необходим для выживания, а потому он инстинктивен. Взгляните, как ребенок тянется ручками к тому, что он не может достать. Он учится координировать зрительные образы с длиной своих рук. Позднее он на опыте выяснит, как далеко ему нужно ползти, чтобы
      достать понравившийся предмет. Обучаясь этому искусству, мы никогда не достигаем совершенства. Вспомните: нам порой требуется несколько секунд, чтобы выяснить, не является ли маленький паучок, висящий на паутинке прямо перед нашими глазами, на самом деле большим пауком, находящимся гораздо дальше от садовой скамейки, на которой мы сидим.
      Маленький ребенок должен быстро набираться опыта, поэтому ему нужно постоянно упражняться в ассоциации идей. Зубное кольцо ребенок засовывает в рот не для того, чтобы помочь прорезаться зубам, и не потому, что ему это просто приятно. Он должен почувствовать, каков «на зуб» тот предмет, который он видит. После множества опытов мы начинаем представлять себе, каким на ощупь будет предмет, который мы видим круглым. Но это чувство не инстинктивное — ему нужно учиться.
      И как при любом другом обучении, здесь всегда бывают пробелы. Многие люди, никогда не державшие в руках змей, считают, что они холодные. У них зрительный образ змеи ассоциируется с образом червя, который действительно холодный. Красные ягоды «выглядят» вкусными, зеленые сливы «выглядят» кислыми, но нетрудно видеть, что здесь можно и ошибиться. Без координации не было бы ни фокусников, ни иллюзионистов. В координации и ассоциации берет начало любопытство, а с любопытства часто начинается изобретение.
      Ассоциация идей простирается и в глубины подсознания. Когда мы слушаем музыку или смотрим на картину, в памяти у нас нередко оживают эпизоды прошлого.
     
      Привычка
     
      На практике невозможно провести границу между ассоциацией идей и любопытным явлением, которое носит название привычки. Привычка — научный термин, в точности соответствующий тому значению, которое мы придаем этому слову в повседневной жизни, когда говорим о привычке к курению, алкоголю, наркотикам и т. п. (Подобные совпадения слу-
      чаются нечасто — достаточно вспомнить такие научные термины, как «колено», «плечо», «собачка», «возбужденный», чтобы представить себе, сколь странной показалась бы нам научная литература, вздумай мы воспринимать слова в тексте в их обиходном значении. В качестве умственной зарядки рекомендуем придумать другие примеры таких слов и составить из них фразу посмешнее.)
      В связи между привычкой и ассоциацией есть некая странность: привычка — враг изобретателя, с которым он должен неустанно бороться, ассоциация — его друг. Каждый вечер вы по привычке запираете входную дверь. Подтверждением служит то, что в дни особенно сильной усталости вы, добравшись до постели, не можете вспомнить, сделали вы это или нет, и идете проверять, порой даже не раз? И всякий раз находите дверь запертой. Более того, если вам случится подумать об этом, когда вы и не слишком устали, то вы далеко не всегда вспомните, запирали дверь или нет: все зависит от того, насколько вы были заняты в тот момент другими мыслями. Усталость, по-видимому, не слишком влияет на привычку, она усыпляет в нас другое свойство, которое служит чем-то вроде «ревизора», проверяющего, все ли сделано из того, что нужно было сделать, — сознательно или механически. У меня лично переутомление берет верх и над привычкой, вот почему в такие моменты я ничего не принимаю на веру.
     
      Страх
     
      Когда мы поймем, что подавление привычки помогает изобретать (поскольку мы перестаем принимать что-либо как само собой разумеющееся и порой даже пугаемся того, что обычно не вызывает в нас страха), мы сможем осмысленно пользоваться этим и в те периоды, когда не столь утомлены физически и морально.
      Одно из важнейших качеств, присущих изобретателю, — способность пользоваться своим воображением. Вместе с тем воображение является одной из составных частей того, что мы называем страхом. Во все времена люди, подверженные страху,
      клеймились как «трусы» и были изгоями общества. Но история, как ее преподавали в школах еще лет сорок назад, была по преимуществу перечислением войн и сражений. Для историков, живших до XIX века, все обстояло просто: были «свои» и «чужие», правые и неправые, друзья и враги. Тогда мы «видели смут ное отражение в зеркале, теперь же — лицом к лицу» Мы знаем, что храбрость «старого образца» м-огла быть обусловлена: опьянением; слепой яростью;
      сильной болью, причиненной врагом; наркотиками;
      гипнотическим состоянием, помимо таких достойных причин, как долг, любовь или самопожертвование во имя необходимости.
      Не подумайте на основании сказанного, будто смелый человек не может изобретать. Это значило бы перевернуть мое утверждение с ног на голову — в таком виде оно не выдерживает критики: один из моих наиболее изобретательных знакомых — одновре менно и самый бесстрашный человек из всех, с кем мне приходилось встречаться. Я бы хотел только по мочь тем, кто не относит себя к храброму десятку:] на мой взгляд, люди, знающие, что такое страх, обладают воображением. Правильно направляемое воображение здорового человека может привести его к крупным изобретениям и вознаградит морально и физически. Но за дар воображения приходится же стоко расплачиваться, когда владеющий им боленз он обречен на непередаваемые страдания. Чувство страха не знает логики.
      Самые лучшие математики могут убедить себя в том, что галлюцинации, возникающие у них в тяжелом гриппозном состоянии, на самом деле не су ществуют, но бояться их они тем не менее будут. Человеку, который боится бабочек, бесполезно доказывать их безобидность. Страх сродни привычке, он лежит в основе суеверия. Изобретатель должен стремиться переносить свой страх на более реальные опасности.
      1 Парафраз стиха 12 гл. 13 из первого послания апостола Павла к коринфянам (Новый завет).
      Познай свои возможности
      Трудно обобщить, какие именно предпосылки (если таковые вообще существуют) могут послужить «трамплином» для изобретателя — образование, на следственность, среда или что-то другое. В свое время я придерживался теории, что на развитии изобретательских способностей сказывается одинокое детство. Я помню, как в детстве не раз играл в игры, предназначенные для двух или более (но особенно для двух) участников, и придумывал способы игры против самого себя, которые учитывали бы особенности характера двух разных людей, один из которой порой стремился надуть другого. В своей книге «Алиса в стране чудес» Льюис Кэрролл упо минает об этом, не забывая и про возможность обмана — за обман Алиса придумывала себе наказа ние. Позднее я убедился, что моя теория о том, буд то лучшие изобретатели мира в детстве страдали от одиночества, неверна — примером тому немало изо бретателей, вышедших из многодетных семей. Но я по-прежнему уверен, что мое одинокое детство сыграло свою роль.
     
     
      Глава 5
      Умение физически мыслить
      Э. Лейтуэйт
     
      По стандартной программе преподавания в совре-менных английских школах детей до 15 — 16 лет пичкают физикой, математикой, химией и биологией независимо от того, есть у них склонность к этим пред-метам или нет. В силу этих же причин тем из них, кто предпочел бы заняться естественными науками, преподносят чудовищный объем других предметов (английский язык и литература, история, латынь и т. п.). В 1968 году герцог Эдинбургский учредил Комитет по преподаванию науки и техники в школе, перед которым стояла задача привести преподавание научных дисциплин в школе в соответствие с потребностями современного технически развитого общества. Поскольку я неоднократно публично высказывал свою озабоченность этим вопросом, мне была оказана честь быть включенным в состав комитета, на заседаниях которого, происходивших ежемесячно иа протяжении ряда лет, нередко председательствовал сам учредитель.
      Сотрудничая в комитете, я занимался и другой деятельностью, связанной со школьным образованием. В частности, мне был предложен пост председателя консультативного комитета по физике в Объединенной экзаменационной комиссии (в то время третьей по величине из девяти подобных комиссий Великобритании, уполномоченных составлять программы экзаменов и тексты экзаменационных работ на уровнях «О» и «А»1). Я занимал этот пост на протяжении шести лет и за это время обнаружил ряд фактов, оказавшихся в новинку не только мне, но и другим членам комитета. К примеру, каждая экзаменационная комиссия является частным предприятием и не подчиняется школьному совету. Как и всякая другая компания, экзаменационная комиссия больше всего боится потерять клиентов. Школы платят комиссиям немалые деньги за услуги, но самый простой способ потерять клиентов — это изменить программу экзаменов. Попробуйте добавить одну-единственную тему (скажем, «магнитные цепи») или исключить из программы тангенс-гальванометр, и 59 школьных учителей физики из 60 выступят с угрозой обратиться к услугам другой экзаменационной комиссии. Причину такого демарша отыскать нетрудно: с какой стати школьный учитель должен стремиться идти в ногу с современной наукой, когда у него и без того работы по горло, а жалованье — одно из самых низких в стране.
      Другую причину консервативности школьной программы, как мне кажется, нужно искать во взаимоотношениях преподавателей, экзаменационных комиссий и книгоиздателей. Мне не разрешили (во всяком случае, так объяснили в экзаменационной комиссии) ввести новую тему в программу до тех пор, пока она не найдет отражения в учебнике. Тогда мы пригласили нескольких книгоиздателей на заседание комитета и спросили, не согласятся ли они издать учебник по физике, содержащий новый материал. «Разумеется, нет, — ответили нам, — ведь на такой учебник не будет спроса. Программы этого не требуют». Как видите, заколдованный круг?
      Так что же собой представляет стандартная программа школьного курса физики и кто преподает этот предмет? Программа содержит тот же материал, который еще я изучал в школе, лишь в конце добавлено немного ядерной физики и электроники,
      дому предмету проводятся на двух уровнях: «О» (общий) и «А» (расширенный), причем каждый учащийся должен сдать один или два предмета на уровне «А» (по своему выбору) и ряд обязательных предметов на уровне «О». Программы экзаменов и тексты экзаменационных работ составляются независимыми экзаменационными комиссиями, — Прим. перев.
      чтобы придать курсу благообразие и осовремененный вид. В подавляющем большинстве случаев препода-ют этот курс люди, которые сами лишь изучали фи-зику. В лучшем случае они имеют диплом физического факультета, в худшем — подходят под пого-ворку: «Кто может работать — работает, кто не может — преподает». И только немногие преподаватели, те, кого школьная программа связывает по рукам и ногам, в прошлом были инженерами.
      Мне хотелось бы верить, что члены комитета делали доброе дело, собирая на ежегодную конференцию преподавателей всех организаций, которые заинтересованы (или должны быть заинтересованы) в надлежащем преподавании науки в школе. Много ли мест, где представители профсоюзов садятся за один стол с академиками (разумеется, в своем официальном качестве)?
      Я начал эту главу с исторического экскурса в недавнее прошлое в надежде выявить некоторые аспекты подготовки наших рядовых современников, которые, вполне возможно, обладают огромными изобретательскими задатками. Тринадцатилетнему школьнику ничего не стоит усвоить любую догму, если вбивать ее в него с достаточной силой. Все мы знаем, что вещество состоит из молекул, которые в свою очередь состоят из атомов; все мы знаем, на что похож атом водорода: на апельсин в Лондоне и булавочную головку в Гилдфорде, а соседний атом находится где-то в Северной Африке. Все это прекрасно, но какую же форму имеет электрон? Следует ответить, что он не имеет формы, иначе мы легко могли бы представить его разделенным надвое, что, как известно, невозможно. А если он не имеет формы, как он может вращаться? В частности, вокруг какой оси? Приходится соглашаться с математиком, который, по слухам, заявил: «Электрон можно описать лишь системой уравнений».
      Почему же в таком случае мы не хотим пойти на откровенность и рассказать нашим школьникам о двух могучих орудиях познания, которыми они смогут пользоваться всю жизнь независимо от того, станут они учеными или нет? Я говорю о симметрии и аналогии.
     
      Аналогия
     
      Аналогию порой несколько пренебрежительно сравнивают со сказкой: она может неверно отражать действительность, но «мораль» в ней есть. Нравится нам это или нет, мы не в состоянии избежать аналогий в жизни, а в сочетании со всеобъемлющим «законом единства природы», который, быть может, является единственным законом физики, она полностью отражает все, с чем мы сталкиваемся в жизни А.
      Камень преткновения скрыт, безусловно, в преподавании. Современное преподавание (по крайней мере, в нашей практике) почти полностью сводится к передаче учащемуся тех или иных факторов и идей. Очень редко школьников предупреждают, что сообщаемые им факты далеко не являются окончательной истиной, а идея (вернее, способ рассуждения о каком-либо предмете), оказавшаяся чрезвычайно плодотворной для одного человека, может ввести в заблуждение другого.
      Разумеется, это сильно затрудняет составление экзаменационной программы и проверку знаний, особенно в широком масштабе. Лишь при оценке работ аспирантов университетов мы можем позволить себе роскошь относиться к их авторам как к людям, блестяще справляющимся с одной задачей и обнаруживающим гигантские пробелы в знаниях других вопросов. В школах же мы заняты массовым производством будущих абитуриентов.
      Вкратце суть аналогии применительно к изобретательскому творчеству сводится к следующему:
      1. Аналогия — это сказка, притча, попытка сделать невидимое видимым, неосязаемое осязаемым, в крайнем случае — создать у слабого человеческого ума иллюзию, будто он понимает то, что лежит за пределами нашего сознания.
      1 «Закон единства природы» — это весьма простая концепция, суть которой сводится к следующему: те явления, которые всегда наблюдались при данных обстоятельствах, с очень большой вероятностью будут и впредь возникать при аналогичных обстоятельствах. Некоторые из таких явлений нам настолько привычны, что иаш мозг автоматически, без участия сознания, отправляет их в соответствующий уголок памяти.
      2. Аналогии никогда не являются истинными. Они неизменно подводят нас при попытке применить их к новым обстоятельствам, но то же можно сказать и о так называемых законах физики.
      3. Аналогия, оказавшаяся полезной для одного человека, может служить помехой для другого. Преподавание (или проповедование?) метода аналогий должно всегда оставлять возможность выбора: принимать предлагаемую аналогию или отвергать ее.
      4. Несмотря на перечисленные подводные камни, будущий изобретатель должен ежедневно упражняться в аналогиях.
      Процесс рассуждения по аналогии проще всего объяснить на примерах. Начнем с относительно простого. Про жителя Лондона, у которого из окна кабинета видны огромные башенные часы Биг Бен, но который тем не менее ежедневно по телефону справляется о времени, можно сказать: «Имеет собаку, а лает сам». Аналогия использована для того, чтобы подчеркнуть мысль, в данном случае — насмешку. В защиту политики, пользующейся не для всех приятными приемами, нередко приводят фразу: «Не разбив яйца, яичницу не поджарить». В этом случае аналогия раскрывает смысл, который в противном случае остался бы не вполне ясным. К таким аналогиям часто прибегал Шекспир: «Грациано говорит бесконечно много пустяков, больше, чем кто-либо в Венеции; его рассуждения — это два зерна пшеницы, спрятанные в двух мерах мякины. Чтобы их найти, надо искать весь день, а найдешь — увидишь, что и искать не стоило»
      Примеры аналогий, которые в большей степени сродни аналогиям, необходимым ученому, можно найти в библейском Новом завете. Иисус Христос прибегал к притчам, чтобы описать то, что недоступно человеческому сознанию, дабы довести до понимания своей аудитории хотя бы один аспект предмета рассуждения: «Царствие небесное подобно горчичному зерну...»2. Понятно, что ему понадобилась не одна притча для разъяснения столь сложной концепции, как «царствие небесное». Эти аналогии относятся к числу полезных, а не «остроумных» аналогий, которым были посвящены предыдущие примеры. Разумеется, аналогии возникли не две тысячи лет назад — они свойственны человеческому мышлению и столь же древни, как сам человеческий разум.
      1 «Венецианский купец», действие 1, сцеиа 1. Перевод Т. Л. Щепкиной-Куперник. — Прим. ред.
      2 Евангелие от Матфея, гл. 13, стих 31.
      Удобнее всего находить аналогии в виде закономерностей или образов, появляющихся в исследуемой нами области и уже знакомых нам в какой-либо иной связи. Часто образ или закономерность отчетливее всего выявляются в математическом описании, ибо для инженера математика — примерно то же, что для секретаря стенография (и даже больше). Это способ выразить в одной строке формул то, что потребовало бы страницы словесного описания. Разумеется, в такой «скорописи» легче усмотреть закономерности, чем в многословном ее эквиваленте.
      Конструирование — это процесс, в ходе которого создаются собственно конструкции и вырабатываются методы. Можно изобрести либо метод, либо конструкцию или и то и другое. Инженер всегда стремится к тому, что выгоднее, будь то конструкции (деньги) или идеи (академические отличия).В скобках указано вознаграждение, которое ждет изобретателя.
      Не только в изобретательской деятельности, но й при решении любых задач очень важно «очистить» проблему или ситуацию от всех второстепенных деталей и сконцентрировать внимание на самой сути. Такое умение приобретается только на опыте. Научить решать задачи гораздо труднее, чем обучить человека тем или иным аспектам изобретательского творчества. Я испытываю немалое огорчение оттого, что, в то время как мне ничего не стоит, взглянув на любую задачу из экзаменационной работы на уровне «А», мгновенно в ней разобраться (я имею в виду, что точно укажу кратчайший путь решения, и приступить к нему мне будет не сложнее, чем за обедом перейти ко второму блюду?), и тем не менее я не в состоянии обучить восемнадцатилетнего школьника этому умению. Остается только надеяться, что они приобретут сноровку, постоянно практикуясь в решении задач. Аналогичную ситуацию я усматриваю и в одной из сторон изобретательства; особенно это относится к тем изобретениям, которые начинаются с постановки задачи. Опыт помогает изобретать и тогда, когда изобретение (как 90% моих собственных изобретений) начинается с наблю-дения какого-либо явления, но здесь он не играет жизненно важной роли, а лишь ускоряет процесс изучения явления. Когда человеком движет любознательность, он редко останавливается на полпути. Но там, где перед будущим изобретателем стоит задача, требующая решения, он становится похож на человека, пытающегося написать письмо ногой, поскольку его руки прикованы к стене.
     
      Симметрия
     
      В нас живет врожденное стремление к симметрии. В ней мы усматриваем красоту, которую невозможно описать уравнениями, — быть может, она длится лишь мгновение, но она оказала влияние на нашу технику, архитектуру, планировку городов, на наши машины и приборы. Трудно дать определение симметрии в нескольких словах. Лучше, вероятно, обратиться за помощью к примерам. Лопата симметрична относительно плоскости, перпендикулярной плоскости рис. 5.1а и разделяющей лопату на две равные части сверху вниз. Такая же плоскость, проведенная на рис. 5.16, уже не разделит ее симметрично. Но, вероятно, нам следовало бы начать с более простых двумерных картинок. Грушевидный объект на рис. 5.2а симметричен относительно линии АВ, поскольку каждой точке с левой стороны контура (X) соответствует точка справа (У), находящаяся на таком же удалении от линии АВ (эта линия называется осью симметрии). Объект на рис 5.26 не имеет оси симметрии, следовательно, он асимметричен. Настоящие груши никогда не бывают такими, как показанная на рис. 5.2а, — они всегда похожи на рис. 5.26, однако же мы называем «грушевидной» идеализированную симметричную форму, как_ на рис. 5.2а.
      Даже двумерные объекты могут иметь больше одной оси симметрии. Прямоугольник, изображенный на рис. 5.3, имеет две оси симметрии: АВ и CD. Он не симметричен относительно своих диагоналей, тогда как квадрат на рис. 5.4а симметричен. Круг имеет бесконечное множество осей симметрии, а эллипс — только две. Размышления над тем, почему это так и где находятся оси симметрии, могут стать, если угодно, началом развития физического мышления.
      На плоской картинке удобно искать оси симметрии с помощью зеркала, ставя его перпендикулярно плоскости картинки по линии, которая исследуется как ось симметрии (линия АА на рис. 5.46). Если она действительно является осью симметрии, то вы, глядя на часть картинки и ее отражение в зеркале, увидите полное изображение, как если бы зеркала не было. Это можно проделать с любой фигурой, имеющей хотя бы одну ось симметрии, — такую фигуру и называют симметричной, хотя есть другие, более абстрактные определения симметрии вроде тех, которыми пользуются в высшей математике.
      В пространстве трех измерений могут существовать оси симметрии и плоскости симметрии. Цилиндр, изображенный на рис. 5.5, симметричен
      относительно оси PQ, а также относительно любой плоскости, проходящей через эту прямую, — он имеет одну ось и бесконечное множество плоскостей симметрии Еще одна плоскость симметрии проходит через его центральное сечение, выделенное пунктиром. Сфера имеет бесконечное множество осей симметрии (осью является любая прямая, проходящая через центр сферы) и бесконечное множество плоскостей симметрии (любая плоскость, проходящая через центр). В таких случаях говорят, что сфера симметрична относительно точки, т. е. своего центра. Пространственная симметрия встречается редко даже в технике.
      Если мы вернемся к лопате, изображенной на рис. 5.1, то обнаружим, что она имеет единственную плоскость и ни одной оси симметрии.
      Испытайте свою способность к физическому мышлению: попытайтесь в уме доказать, что куб имеет 13 осей симметрии, 9 плоскостей симметрии и не обладает трехмерной (точечной) симметрией. Справившись с этой задачей, пред: ставьте себе, что вы смотрите, прикрыв один глаз, вдоль главной диагонали куба (будь куб прозрачным, ближайшая к вам вершина закрывала бы собой наиболее удаленную от вас вершину куба). Что вы увидите, если куб непрозрачен? Другими словами, какую тень отбрасывал бы куб, освещаемый точечным источником света, находящимся на одной линии с главной диагональю?
      Рис. 5.5. Оси симметрии у цилиндра.
      1 Цилиндр имеет также бесконечное число осей симметрии, получающихся в результате пересечения горизонтальной (по рисунку) плоскости симметрии с любой вертикальной плоскостью симметрии. — Прим. перев. - -
      Ответ приведен на рис. 5.6. Мы намеренно поместили его на другой странице, чтобы вы смогли самостоятельно поразмыслить над задачей. Большинство людей, едва речь заходит о кубе, мысленно представляют себе квадрат, а с ним число 4 и чаще всего на этот вопрос отвечают: «Четырехугольник»,
      Рис. 5.7. Оси симметрии у пространственных объектов.
      МЛГ — ось симметрии четвертого порядка (а); ОР — ось симметрии второго порядка (б).
      Человек с тренированным физическим мышлением представляет себе три видимые грани и тень в виде шестиугольника. Более того, это шестиугольник правильный. Но даже если нарисовать такой шестиугольник (рис. 5,6 6), не все смогут увидеть в нем тень, отбрасываемую кубом, до тех пор, пока не будут проведены три дополнительные линии (рис. 5.6а).
      Теперь вы поняли, почему дать определение симметрии довольно трудно. Существуют различные виды симметрии — одни относятся к плоским фигу-рам, другие к трехмерным. В трехмерном пространстве существует несколько типов осей симметрии. Если вращать куб вокруг оси M.N (рис. 5.7а), то он последовательно займет четыре положения, не отличимые друг от друга для внешнего наблюдателя. Линия MN называется осью симметрии четвертого порядка; таких осей у куба три. Вращением вокруг оси ОР куб на рис. 5.76 можно поставить только в одно, неотличимое от исходного положение, поэтому ОР называется осью симметрии второго порядка; таких осей у куба шесть. Кристаллы могут иметь оси второго, третьего, четвертого и шестого порядка, но никогда не имеют осей пятого порядка. У куба четыре оси симметрии третьего порядка, одна из которых показана на рис. 5.8.
      Но не следует забывать, что Рялка-нам известны три измерения и четвертое, которое все ускользает от нас. Примеры всех видов.симметрии можно найти как среди природных объектов, так и среди предметов, созданных человеком. Объекты с одной осью симметрии встречаются чаще, чем с двумя, с двумя — чаще, чем с тремя. А что можно сказать о симметрии в четвертом измерении? Здесь мы посоветуем читателю еще раз проверить себя и дать определение симметрии в четвертом измерении. Но на этом мы остановимся чуть позже — как нам представляется, идея симметрии в четвертом измерении для многих из вас нова и может послужить неплохим испытанием для вашего воображения.
      Из рукотворных объектов, имеющих только одну ось или, подобно рассмотренной выше лопате, только одну плоскость симметрии, упомянем ножи и вилки, писчие перья, застежки-молнии, автомобили, корабли, самолеты (последние три только внешне), велосипеды, одежду (если не обращать внимания на застежки и украшения), оружие (сабли, ружья, пистолеты и т.п.), некоторые здания (опять же только внешне). В природе одномерную симметрию можно обнаружить у всех без исключения млекопитающих, птиц (разумеется, лишь во внешнем облике), а также насекомых и растений на определенных стадиях развития (например, в семядоле).
      Предметов с двумя осями симметрии среди искусственно созданных объектов гораздо больше, чем среди природных. Возможно, это свидетельствует о нашей чрезмерной озабоченности симметрией, которая может отвлекать нас от наших прямых задач. Симметричны карандаши и шариковые ручки, колеса, банки и бутылки, бомбы, пуговицы, основные части большинства электродвигателей гвозди и заклепки и почти все предметы, состоящие из труб. Природа не столь охотно пользуется этим видом симметрии, хотя многие цветы и корни имеют почти круглую форму и, следовательно, близки к двуосной симметрии. Надо заметить, что в растительном мире две оси симметрии встречаются гораздо чаще, чем в животном.
      Под понятие трехмерной симметрии подходят не только сферы в чистом виде, но и все, что основано на сферической симметрии. Человек украшает свои здания и одежду, рисует орнаменты, вдохновляясь сферическими образами. Он воздает должное сфере по субботам, когда от положения кожаной, надутой воздухом сферы на спортивных полях страны зависит слава или бесчестье тех избранных, кто сражается за эту сферу, и радость или разочарование тех, кто следит за ними. Баснословные богатства ждут
      1 О том, что получится, если отказаться от двумерной симметрии в электрических двигателях, см. Laithwaite Е. R. A History of Linear Electric Motors, Peter Peregrinus.
      тех, кому посчастливится угадать, где окажутся восемь таких сфер в одну из суббот1.
      По части сферически симметричных объектов при» рода удовлетворяется яйцами и семенами — зароды» шами жизни, и здесь нам, как изобретателям, веро ятно, есть чему поучиться (разумеется, если мы об» ладаем весомыми познаниями в биологии): ведь именно в природе преобладают объекты, полностью лишенные симметрии. В конце концов, природой управляют не бухгалтеры, и господ этой почтенной профессии следовало бы предостеречь от представ» ления о Создателе как о «величайшем из бухгалтеров», даже если мы согласимся, что все природные процессы в конечном счете ведут к выгоде. Какой бухгалтер позволит 5000 мастеров браться за изготовление статуи великого человека, заранее зная, что 4999 из них в процессе работы испортят свои заготовки и лишь одно произведение искусства появится на свет (сравните яйца насекомых, споры грибов, сперму животных)??
      Любопытным видоизменением объектов, симметричных в двух измерениях, являются объекты в целом трубчатой, конической или пирамидальной формы, на которую наложена инфраструктура, придающая им право- или левосторонность (в нашем понимании). Простейшими примерами служат морские раковины (природные объекты) и винты (искусственные объекты). Сама концепция правосторонности и левосторонности берет свое начало в симметрии. Когда мы смотрим в зеркало, наша правая рука ста-, новится левой, а левая — правой; почему же голова и ноги не меняются местами?
      Мяч для регби имеет три оси симметрии, но не обладает сферической симметрией. Герои одного научно-фантастического романа играют в теинис не иа горизонтальной плоскости, а на поверхности Коши — Римана. Весьма сомнительно, чтобы такое могло когда-нибудь стать реальным. — Прим. авт.
      Автор имеет в виду спортивный тотализатор, в котором участник, предсказавший исходвосьми субботних матчей по регби, получает крупный выигрыш. Мяч для регби имеет яйцевидную форму. Поверхность Коши — Римана — абстрактное понятие в теории функций комплексного переменного. — Прим. перев.
      вращающееся по часовой стрелке, в зеркале вращается против часовой стрелки? Ответ на эти далеко не простые вопросы заключается в осуществляемом зеркалом «зеркальном преобразовании» объекта [10]. Обладай мы, наблюдатели, симметрией в двух измерениях (вероятно, в таком случае у нас глаза были бы по разные стороны головы, рот на макушке, нос между глазами и т. п.), мы не отличали бы у себя правую сторону от левой, но были бы способны отличить направление вращения колеса от направления вращения его зеркального отражения., Из этого следует, что объект с симметрией относительно двух осей теряет одну из осей симметрии, если начинает вращаться относительно нее.
      Математики развили свои таланты до такого совершенства, что мыслят исключительно абстрактными образами и находят в них элегантность и красоту (которые отчасти обусловлены симметрией), соперничающие с красотами картин Ван Гога или Гейнсборо. Сэр Джеймс Джинс однажды заявил: «Бог — математик». Это заявление не следует лишь интерпретировать иначе: «Поскольку я математик, я уподоблен Богу».
      Рассуждения о четвертом измерении
      Итак, что лее сказать о симметрии в четвертом измерении? Попросту говоря, во времени симметрично такое явление, которое, будучи заснято на кинопленку, выглядело бы одинаково, как бы его ни показывать — с конца или с начала. Много ли явлений вы сумеете назвать, которые подходили бы под это определение симметрии во времени (а добавить к этому определению нечего)? Наверное, один-два. Чтобы помочь вам, напомним о колебательном движении с постоянной амплитудой. Однако к этому примеру следует подходить с осторожностью, поскольку большинство колебаний являются затухающими (в частности, колебания обыкновенного маятника), и в зависимости от направления движения пленки ваш глаз отметит нарастание или убывание амплитуды. Ребенок на качелях может по своему желанию изменять размах колебаний или поддерживать его постоянным, но для этого он должен совершать асимметричные во времени движения, которые мы можем научиться распознавать. Опять нас спасает симметрия? Движение клапанов газораспределительного механизма в автомобильном двигателе симметрично во времени; симметричны во времени и движения человека, который чистит зубы (если начало и конец этого действия случайны во времени). Лицо говорящего человека нетренированному наблюдателю покажется симметричным, однако тот, кто умеет читать по губам, легко поймет, в каком направлении движется пленка.
      Если чисто колебательное движение (описываемое лишь простыми уравнениями) симметрично во времени, то симметричным до некоторой степени должно быть и вращение. Если вращение достаточно медленное и позволяет различить отдельные вращающиеся части и если эти части пространственно несимметричны (например, лопасти вентилятора, который гонит воздух в определенном направлении), то движение несимметрично во времени.
      Покойному сэру Лоуренсу Брэггу принадлежат замечательные слова относительно прошлого и будущего:
      «Когда мы проектируем экспериментальную установку и хотим предсказать результаты опыта, нам необходимо представлять себе и вещество, и свет в виде волн. Природа физической реальности такова, что мы можем вычислить лишь относительную вероятность ожидаемого эффекта в разных участках. С другой стороны, когда мы описываем то, что действительно наблюдалось в эксперименте, мы создаем историю частиц, будь то частицы вещества или света. Неопределенное волновое будущее, выражаемое лишь в вероятностях, и постоянно струящееся сквозь тот момент, который мы называем «сейчас», превращается в определенное прошлое частиц. Детерминизм обретает новый смысл».
      Эти слова подтверждают, что время для нас обладает фундаментальной асимметрией. Если это так, удастся ли нам когда-нибудь вырваться из этой умственной тюрьмы (а таких тюрем немало?)? Человеческое невежество можно уподобить множеству
      тюрем, одна внутри другой. Время от времени в процессе «восхождения человека» (пользуясь выражением д-ра Броновского) мы вырываемся из очередного застенка, только для того чтобы обнаружить перед собой новую стену. Но с каждым успешным прорывом доступное нам пространство все расширяется.
      Размышления о симметрии времени — превосходное умственное упражнение для завтрашних изобретателей.
     
     
      Глава 6
      Инженер и изучение природы
      Э. Лейтуэйт
     
      Нередко говорят: нет ничего нового под солнцем. Под этим обычно подразумевают, что не нов принцип, хотя его воплощение (пользуясь патентной терминологией) и оригинально. В качестве примера приведу шаровой шарнир — я убежден, что его изобретатель не сослался на существование такого шарнира в суставах конечностей животных. По утверждению Гилберта Уолтона [10], явления, лежащие в основе электротехники и паровых машин, использовались природой задолго до того, как о них узнал человек, но в одном случае они были слишком малы, а в другом — слишком велики, чтобы мы могли обратить на них внимание. Слишком малы — это понятно; Уолтон имеет в виду слабые электрические токи нервных импульсов, обнаружение которых потребовало высокого уровня развития науки. Но слишком велики? Как мы могли не заметить чего-то только потому, что это что-то было слишком большим? Уолтон подразумевает огромные количества воды, ежедневно испаряемые из океанов и уносимые на возвышенности, что позволяло использовать увеличившуюся потенциальную энергию воды для приведения в движение турбин и водяных колес. А ведь это настоящий паровой двигатель в масштабах целой планеты — в нем есть даже котел, и хотя вода в этом котле не кипит, принцип действия остается тем же самым.
      Можно составить длинный список изобретений, которые человек приписывал себе, пока не выяснилось, что природа использовала их в живых существах уже миллионы лет. Почему-то нам приходится самостоятельно открывать эти идеи, и лишь впоследствии мы находим их в живой природе; это еще раз доказывает, как плохо мы знаем природу. Злые языки приписывают биологам девиз: «Все наблюдать, все описывать, все классифицировать, но избави нас бог от каких-либо выводов». Однако биологи, судя по всему, лучше подготовлены к оригинальным наблюдениям, чем все прочие.
     
      «Это было всегда»
     
      Обратимся к некоторым «инженерным» достижениям природы в надежде, что мы когда-нибудь научимся лучше использовать наблюдения над окру-
      Рис. 6.1. Центр тяжести у насекомого находится ниже вершин опор.
      жающими нас простыми вещами. Начнем с того, что теснее всего связано с колесом — настолько тесно, что природа, казалось бы, и вовсе в нем не нуждается. Я имею в виду принцип низкой подвески (когда конструктор располагает центр тяжести транспортного средства ниже уровня точек подвески). Но взгляните на рис. 6.1: сложная система ног насекомого устроена так, что суставы находятся существенно выше центра масс тела. Такую систему стабилизации с успехом используют самые разные насекомые — пауки, мухи, жуки. Для некоторых видов она имеет такое же жизненно важное значение, как легкие для животных: если насекомое случайно упадет на спину, оно уже не сможет перевернуться и обречено на медленную смерть.
      Всякий, кого когда-нибудь кусала оса или пчела, тут же вспомнит о медицинском шприце — этот прин-цип используют как растения, так и насекомые.
      В использовании орудий труда нередко усматривают признак, отличающий разум человека от инстинктов животного. В частности, умение человека ловить рыбу с помощью приманок и наживок восходит к доисторическим временам. Но этот метод буквально самоочевиден: у большинства других созданий «охотничье снаряжение» является составной частью организма и при повреждении способно к самовосстановлению. Оно не требует починки и ухода, как наши рыболовные снасти, и имей мы возможность выяснить мнение среднего морского обитателя относительно рыбы-удильщика, которая в качестве приманки выставляет перед собой часть собственного тела и в которой можно усмотреть наибольшее сходство с человеком-рыболовом, мы, скорее всего, узнали бы, что такой метод охоты считается примитивным и несовершенным.
     
      Высокий уровень развития техники
     
      Чем эффективнее развивается наша техника, тем больше ее достижений мы находим у живых существ. Дойдем ли мы до такого уровня, когда, оставим позади «низших животных»? По всей видимости, нет — во всяком случае, если исходить из нынешнего положения дел.
      Мы гордимся высокопрочной сталью, однако она уступает паутине в удельной прочности (отношении прочности на разрыв к весу). Мы гордимся своей способностью точно измерять физические величины, однако же, когда требуется создать полностью затемненную комнату для проверки «абсолютной темноты», нам приходится обращаться за помощью к растению Два американских ученых в журнале «Спектрум» [12]; описывают спор ангиофору, которая за несколько часов поворачивает свой «цветок» к малейшей утечке света. Если бы нам удалось искусственно воспроизвести такой датчик, мы бы, несомненно, это сделали. Те же ученые, говоря об имеющихся в нашем распоряжении клеях, заметили: «Если бы кому-нибудь посчастливилось определить состав клея, которым морские уточки 1 столь прочно приклеиваются к поверхностям, и выпустить этот клей в продажу, он нажил бы состояние». Светлячок излучает холодный свет, то есть его свечение не обусловлено высокой температурой. Этот свет излучается в результате какого-то процесса окисления — вот, пожалуй, и все, что нам известно.
      Обыкновенный клоп отыскивает свою жертву, руководствуясь разностью температур между концом своего хоботка и его основанием. Это соответствует измерению температуры с точностью свыше 1/1000°С. Змеи также обладают способностью измерять разности температур такого порядка.
      1 Морское ракообразное, прилипала, — Прим, перед.
      Как и все прочие, биологи порой отказываются признавать наличие явлений, которые мы не в состоянии объяснить. Если, к примеру, животное ухитряется обнаруживать объект, не прибегая к помощи зрения или слуха, то обычно объявляют, что оно использует «механизм обонятельного характера»; в переводе с языка высокой науки это означает, что животное «чует» объект. Будучи энтомологом-люби-телем, я еще в 40-е годы с интересом прочитал, что самцы некоторых бабочек способны отыскать самку на расстоянии до полутора километров. Во время испытаний автопилотов у меня было достаточно времени для того, чтобы смотреть по сторонам, и я обратил внимание на то, как дым от фабричных труб и паровозов уже на небольшом удалении от труб разбивается на вихревые потоки, так что обычное обоняние бессильно определить направление на источник. Для того чтобы определить направление на источник дыма, необходимо:
      относительное перемещение источника и наблюдателя (вспомните, как собака, преследуя дичь, постоянно рыскает вправо-влево); способность сравнивать интенсивность запаха в различные моменты времени (с точки зрения математики это равносильно способности брать производную интенсивности по времени).
      Не стану описывать свои поиски механизма ориентации бабочек — это долгая история (я рассказал об этом в отдельной статье [13]); упомяну лишь, что в ходе поисков я обращался к теории излучения абсолютно черного тела, дифракционным решеткам, микроволнам, антеннам и резонансным полостям в магнетронах, однако лишь к тому, что уже было известно в физике. В конце концов человек, более опытный в биологических исследованиях, чем я, обнаружил, что приемниками излучения являются усики бабочки [14]. Но вряд ли его теория получила бы признание, не будь мы уже знакомы с радиолокационной техникой.
      Вернемся ненадолго в конец XVIII века: в те годы ученый по имени Спалланцани экспериментировал с летучими мышами, изучая их способность ориентироваться в полной темноте. Он лишал мышей возможности издавать звуки и обнаружил, что при этом они теряют способность «видеть». Но ему никто не поверил. Опыты, так или иначе увечащие животных, тогда находились под строжайшим запретом. Хуже всего пришлось бедняге Спалланцани, когда один из признанных авторитетов того времени спросил его во время обсуждения в ученом собрании: «Если они видят ушами, то что же они слышат глазами?» — и зал взорвался хохотом. Но в наш просвещенный век мы со всей серьезностью могли бы сказать: «Отличный вопрос?» Один из тех, что могут привести к настоящему изобретению. Возвращаясь к летучей мыши, следует сказать, что прошло больше столетия, прежде чем мы узнали истину- — и узнали уже после того, как сами изобрели аналогичную систему. Придумай природа двигатель внутреннего сгорания 100 000 лет назад, мы не были бы в состоянии скопировать его до самого последнего времени: мы просто не догадались бы, для чего служит у животного «полость с жидкостью», поскольку сами не умели бы перерабатывать природную нефть.
      Лет через тридцать после того, как акустический механизм летучей мыши был, наконец, признан, Деннис Габор изобрел голографию. Прошел еще десяток лет, прежде чем произвел сенсацию лазер, и голография стала практически осуществимой. А через год зоологи объявили, что акустический локатор летучей мыши дает голографическую картину. «Ну, конеч-
      но, — сказали все мы в один голос, — мышь, как и мы, хочет наблюдать объемное изображение».
      Существует и другой аспект изобретений, до некоторой степени сходный с описанным феноменом наблюдения в природе того, что мы только что изобрели. Лучше всего пояснить это на примере. Если бы техника переменного тока получила признание после изобретения Ппкси генератора переменного тока в 1831 году и сам автор больше прислушивался бы к Фарадею, чем к Амперу, то первым мог бы появиться на свет двигатель не постоянного, а переменного тока. И тогда, если бы в 1974 году человек вдруг придумал коллектор со щетками, для того чтобы
      питать моторы от батарей;
      регулировать обороты двигателей переменного тока без дополнительных потерь; увеличить к. п. д. асинхронных двигателей, то я скажу вам, что скорее всего ожидало бы это превосходное изобретение. Этому человеку возразили бы, что:
      промышленности это не нужно; национальный научно-исследовательский комитет не располагает средствами на разработку проекта;
      такой двигатель может найти применение разве что в игрушках, поскольку пластины коллектора невозможно укрепить достаточно прочно, чтобы они не разлетались под действием центробежной силы;
      даже как игрушка этот двигатель будет слишком дорогим.
      Наше счастье, что коллекторный двигатель появился раньше — мы до сих пор считаем его чрезвычайно полезным устройством?
      Процессы эволюции, в ходе которых развились известные нам формы жизни, будто нарочно скрывали свои секреты, чтобы вовлечь человека в гигантскую игру в прятки, заставить его разгадывать детективную историю, называемую наукой. Один из любимых способов прятать свои секреты природа находит в том, что использует одни и те же наружные
      органы для самых разнообразных целей. У некоторых насекомых «уши» находятся на коленках, а кузнечики пользуются ногами как «голосовыми связками».
      Важность изучения природы для изобретателя понимал Леонардо да Винчи. Что ж, если ему это помогло, то наверняка поможет и нам. Мы должны смотреть на все, с чем сталкиваемся в природе, в надежде найти скрытую цель. И даже если нам известно конкретное назначение какого-либо живого
      Рис. 6.2 Пластинчатые фекалии бабочки Венская императрица.
      органа, мы должны обратиться к нему снова и попытаться обнаружить его дополнительное назначение. Так, хороший продавец всегда пытается продать покупателю что-нибудь еще, хотя и знает, что тот зашел в магазин за определенной вещью.
      На рис. 6.2 изображено нечто, имеющее изящную, декоративную форму. Однако это не что иное, как фекалии бабочки Венская императрица. Такой вид они принимают, только попадая в воду. Если исходить из предположения, что изящная форма служит признаком высокой функциональности, какая цель может стоять за приданием изящной формы выбрасываемым организмом отходам? В ее создании явно
      принимал участие какой-то инструмент, несущий двойную функцию и подобный шприцу кондитера, которым тот украшает торт узорами. Но почему именно такими узорами?
      Если мы обратимся к форме яиц у большинства птиц, то с полной уверенностью будем утверждать, что яйцо легче проходит через яйцевод острым концом вперед (рис. 6.3). Ничего подобного — яйцо движется по яйцеводу тупым концом вперед? Я многим обязан своему коллеге и другу Джеку Фергюсону, который написал мне о яйцах кайры, после того как услышал мои комментарии относительно формы птичьих яиц:
      «Кайры откладывают яйца на уступах скал, как правило, в самых недоступных местах — -очень высоких и открытых всем ветрам. Гнезда у них самые примитивные или вообще отсутствуют. Если яйцо покатится, то Оно будет кататься по очень маленькому кругу и не скатится вниз, В прежние времена, когда рыбаки еще выходили в море из Флэмборо (мыс Флэмборо знаме-
      нит своими гнездовьями кайр), мне доводилось слышать их рассказы о том, как при сильном ветре яйца кайр крутились, словно волчки, но не скатывались с узких уступов скал».
      Разумеется, форма яйца и гладкость его поверхности облегчают птице кладку яиц. Форма яйца несет двойную нагрузку и к тому же делает его внешне привлекательным.
     
      «Лучше нас»
     
      Изобретатель должен быть человеком разносторонним во всех отношениях. Иногда ему следует проявить упрямство, иногда — гибкость. Он должен верить в себя и свои идеи до полной самонадеянности. Но он должен и быть способным к глубочайшему смирению, особенно когда учится у природы. Животные, стоящие на гораздо более низком уровне, чем мы, обладают такими способностями, которые оставляют нашу технику далеко позади. Вот один из очевидных примеров: полет птиц и насекомых, хотя здесь, конечно, человеку во многом мешает величина — мы намного превысили тот размер, при котором возможен естественный полет на нашей планете. Мы можем утешаться мыслью, что чувствуем себя в воде гораздо лучше, чем бабочки или уховертки.
      Но если обратиться к тому, что является общим для большинства живых существ (и лучший пример здесь — средства общения между особями одного вида), можем ли мы быть уверены в том, что опередили живую природу? По большей части наш способ общения можно назвать «последовательным». В письме одно предложение следует за другим, подчиняясь логической последовательности. Внутри предложения слова идут одно за другим и подчиняются сложнейшим правилам, которые мы называем грамматическими и идиоматическими; в разных языках эти правила совершенно различны. В самом слове буквы должны размещаться в строго определенном порядке, и буквы эти неодинаковы в письменностях различных этнических групп. Последствия вавилонского столпотворения живы до наших дней.
      Телепатическая связь вот-вот будет признана наукой — но что это: отмирающее или зарождающееся у нас чувство и пользуются ли им другие живые существа? Я однажды видел, как стая ласточек — их было несколько тысяч, не меньше — совершала крутой поворот в воздухе. Они повернули, как поворачивает полк хорошо обученных солдат, — все одновременно, будто подчиняясь команде. Но, насколько мы знаем, команды не было — или же она была беззвучной?
      Телевидение — чудесное изобретение нашей цивилизации, но насколько оно удобно в качестве средства связи? Для телевизионной передачи мы делим изображение по вертикали на несколько сотен линий, и световое пятнышко на экране движется последовательно вдоль каждой линии, подобно моему перу, бегущему по странице, когда я пишу эти строки. Только сигнал представлен в телевидении модуляцией яркости светового пятна, а не малыми модуляциями горизонтальной и вертикальной амплитуды движений пера. Картинка на экране должна повторяться достаточно часто, чтобы наш глаз не замечал движущейся световой точки, линий, мерцаний; это накладывает ограничения на минимальную частоту линейной развертки, последняя определяет минимальную частоту модуляции, а так называемая несущая частота передатчика должна быть во много раз выше частоты модуляции. Несущая частота поэтому столь высока, что радиоволна уже не может отражаться от верхних слоев атмосферы, как при обычной радиопередаче, а потому для устойчивого приема телевизор должен находиться буквально в пределах прямой видимости антенны передатчика.
      Мы часто полагаем, что природа расточительна, особенно когда речь идет о сперме, спорах и семенах; ведь для сохранения природного баланса из сотен, тысяч, а иногда и миллионов этих «зародышей жизни» должна появиться лишь одна женская особь. Но посмотрим таким же критическим взглядом на наше достопочтенное телевидение и выясним, чего же нам удалось добиться. Каждую линию телевизионного изображения можно подразделить примерно на 1000 точек, или бит информации, так что каждая картинка состоит из 625 000 бит. Система меняет картинку 25 раз в секунду, но эта способность систе-мы нами практически не используется. Наиболее радикально картинка меняется, когда режиссер переключается с одной камеры на другую. Но я уверен, что мы вполне можем смириться с тем, что кадр будет сменяться «наплывом», продолжающимся, скажем, четверть секунды. Если бы кадр полностью сменялся новым 25 раз в секунду, мы получали бы с экрана куда меньше информации, чем могли бы получить о курином яйце, взглянув на омлет?
      В большинстве пьес, документальных фильмов и т.п. подавляющее большинство (свыше 99%) из 625 000 бит информации остается неизменным в течение длительного времени. Художники-мультипликаторы умело используют это в своей работе. Если бы нам удалось придумать электронную систему, позволяющую реализовать этот принцип , мы смогли бы уменьшить полосу частот и передавать телевизионное изображение с такой же легкостью, как речь. Мы охватили бы телевидением весь мир, не прибегая к помощи искусственных спутников, и значительно уменьшили бы стоимость телевизионных передатчиков и приемников. Так не будем же останавливаться на достигнутом? В области средств связи и общения существует огромный простор для усовершенствований. Посчитайте, сколько страниц понадобилось Вальтеру Скотту для описания застолья Седрика Саксонского в «Айвенго» и сколько времени требуется на чтение этого описания. Хорошо тренированный глаз затратит на получение той же информации, вероятно, не более секунды, поскольку глаз действует не только по принципу сканирования изображения, но мгновенно «охватывает» знакомые предметы, которые не требуют такой детализации, какая необходима при их словесном описании.
      1 Подобный принцип передачи телевизионного сигнала называется статистическим уплотнением. Действующая система статистического уплотнения была создана в 1969 году группой сотрудников кафедры радиопередающих и телевизионных устройств Ленинградского института авиационного приборостроения под руководством В. Я. Сорокина («Радио», 1969, № 11, с. 12). — Прим. ред.
      «Широкое образование», за которое многие сегодня ратуют, может положить конец развитию творческих способностей современных Ньютонов, Фарадеев или Максвеллов еще в нежном возрасте, лет в тринадцать. У нас нет готовых рецептов, как улучшить образование наших детей, — разве что кому-нибудь из них посчастливится встретить преподавателя, который своим энтузиазмом пробудит в них тягу к знаниям. Брошенные таким образом семена прорастают на любой почве. Учитель-энтузиаст способен одновременно и воодушевить ученика, и пробудцть в нем чувство глубокого смирения — и биология подходит для этого едва ли не лучше прочих дисциплин. Мы знаем все о гексагональных структурах с инженерной точки зрения. Из физики нам знакомы клапаны и сифоны. Современная технология преподнесла нам застежки-молнии и застежки с микрокрючками Велькро, которые в считанные мгновения соединяют отдельные детали. Но кто рассказал пчелам о первых, моллюскам — о вторых и третьих, а некоторым видам бабочек о застежках Велькро? [15].
      В 1951 году, когда мир отмечал создание первой электронной вычислительной машины, признанный математический гений, ныне покойный Алан Тьюринг, с которым я имел честь быть знакомым, сделал оценку размеров машины, способной реализовать единственную задачу: воспроизводить себе подобных. Такая машина должна была сама изготовлять все компоненты, пользоваться только солнечной энергией и быть реальной на уровне развития техники 50-х годов. Ученый пришел к выводу, что минимальный объем такой машины составит примерно половину объема земного шара. В следующий раз, когда вы будете нежиться на солнце и заметите ползущую по вашей руке черную точку (скорее всего, насекомое), вспомните о том, что это крошечное создание с легкостью выполняет задачу, которую Тьюринг поставил перед своей машиной. Нам к этому еще идти и идти?
      Я предложил пример упражнения попроще, но примерно в том же духе. Представьте, что правительство отобрало пять-шесть лучших ученых и изолировало их (с семьями) от внешнего мира, обеспечив
      все удобства и возможность проводить любые научные эксперименты (исключая право пользования радиоприемниками и передатчиками или йх создания). Перед ними поставлена задача — в течение двух лет создать на благо человечества (перед лицом энергетического кризиса) устройство, непрерывно откачивающее воду из земли с площади 50 кв. м и с глубины до 2 м (100 куб. м земли весят свыше 100 т). Устройство должно получать энергию непосредственно от Солнца и не нуждаться в уходе по меньшей мере 100 лет. Я очень сомневаюсь, что в наш технически просвещенный век они придумают что-нибудь, хотя бы отдаленно напоминающее дерево.
      Подумайте об этом?
     
     
      Глава 7
      Умение «думать руками»
      М. Тринг
     
      Некоторые общеиззестные примеры
     
      В гл. 1 мы утверждали, что изобретательская деятельность, как и любой другой вид творчества, требует совместной работы ума, сердца и рук. Однако важность умения «думать руками» часто недооценивают. Даже Архимед, который, по-видимому, сам страдал от существовавшего у греков предубеждения к прикладной механике, воспользовался собственным экспериментальным наблюдением (когда он забрался в наполненную до краев ванну, вода стала переливаться через край), дополнив его р-ассуждением (объем вытесненной воды равен объему погруженного в воду тела), для того чтобы решить задачу определения плотности металла, из которого изготовлена корона сложной формы. В решении этой задачи принимал участие и его «эмоциональный мозг» — именно поэтому он выскочил из ванны и с криком «Эврика?» помчался в дом.
      В этой главе я вначале попытаюсь продемонстрировать на примерах, как различные изобретатели пользовались своим умением «думать руками», а затем расскажу о некоторых способах развития этой способности в процессе обучения. Цель очевидна: эту способность следует развивать соответствующими упражнениями ие менее интенсивно, чем интеллектуальные способности в ходе подготовки к регулярным экзаменам.
      Научиться «думать руками» можно только тогда, когда вы начнете собственноручно конструировать экспериментальную аппаратуру или действующие модели и с их помощью будете внимательно исследовать происходящие явления.
      В своем докладе по случаю избрания его прези дентом Института чугуна и стали Джек Честере рассказывал, как он изучал вихри в турбулентных потоках в резервуарах неправильной формы, насы-пая опилки в наполненную водой кухонную раковину или наблюдая за течением реки вблизи быков моста.
      Ч. Бойс посвятил многие годы разработке точных калориметров для определения теплоты сгорания светильного и других горючих газов (эти приборы автоматически вводили поправку на температуру, давление и влажность воздуха). Все модели он стро-ил собственноручно; по его мнению, это помогало ему в конструктивном воплощении идей: в процессе физической работы он думал, и дело не пошло бы скорее, поручи он изготовление моделей кому-то другому.
      Бакминстер Фуллер, создатель множества изобретений в области статических структур, вырос на небольшом острове, где он мог ежедневно упражнять свое физическое мышление, наблюдая парусные суда с их сложными структурами парусного вооружения., Бесспорно, его исключительная способность мыслить в трех измерениях и зрительно представлять себе силы, обеспечивающие статическую устойчивость, позволила ему с такой свободой придумывать принципиально новые способы построения пространственных объектов на сферических поверхностях.
      Существенно более древний пример умения «думать руками» дает нам искусный мастер-стрелодела-тель, который определял свойства древка стрелы, сгибая его. Он не знал, что с точки зрения теории собственная частота изгибных колебаний древка должна быть такой, чтобы оперение стрелы, пролетая мимо лука, проделало ровно половину периода колебаний с момента спуска тетивы и не коснулось лука. Всякий опытный ремесленник пользуется этим умением, когда подгоняет рукоятку своего инструмента «точно по руке»; впрочем, к нашему времени большинство наиболее удобных форм рукояток ручного инструмента уже выработано практикой. Каждый, кому доводилось видеть, как легко ломается топорище, если использовать обух в качестве кувалды, способен оценить, насколько удачно приспособлено
      топорище для работы топором по прямому назначению. И лишь тот, кто сам когда-нибудь занимался резьбой по дереву, может по достоинству оценить форму резца, предназначенного для выемки канавок в дереве. У каждого резчика есть любимый инструмент, который он затачивает так, как ему удобно.
     
      Почему умение «думать руками» столь важно для изобретателя
     
      Если мы обратимся к статическим конструкциям типа геодезических куполов Бакминстера Фуллера или к таким простым устройствам, как захват для сбора яблок, то без труда увидим, что путь к этим изобретениям лежал через понимание реальности, если можно так выразиться, «ощупью». Гораздо труднее понять, как «интуиция» Эдисона позволила ему представить, что соединенные параллельно лампы с высоким внутренним сопротивлением могуг получать электрический ток от расположенного далеко генератора, причем для этого не нужны толстенные медные подводящие провода. Но можно быть уверенным, что его представления были основаны на знании электротехники, которую он постигал, экспериментируя с телеграфными устройствами, батареями, дуговыми лампами, — под умением «думать руками» мы понимаем именно такие практические знания.
      Эго умение необходимо на всех четырех стадиях изобретательского процесса, если изобретатель работает над конкретной конструкцией или вообще в области физической реальности. Лишь в сфере чистой математики изобретения могут делаться путем абстрактных рассуждений.
      Начальная стадия — анализ задачи в самом упрощенном и как можно более широком виде, нахождение «центра тяжести» или ключевой трудности. На первый взгляд может показаться, что это чисто интеллектуальная задача, вроде решения математической головоломки, но в действительности здесь важны и эмоциональная сторона (для определения того, чего же именно хочет добиться изобретатель), и физическое мышление. Последнее совершенно необходимо, ибо наши «интеллектуальные» знания, по существу, отвлечены от физической реальности пространственно-временных объектов.
      Интеллект лишь предлагает те или иные концепции, идеи, слова и теории, тогда как опыт в обращении с телами, жидкостями, пламенем, взрывами, механизмами, электрическим током, магнитными силами и теплотой мы приобретаем через наши ощущения и в процессе работы. Я буду называть эти вещи «реальностью» в отличие от тех абстракций, которыми пользуется интеллект. На основе опыта можно создавать гипотезы и теории, однако каждому преподавателю физики известно, что знания студента, не имевшего практики, весьма ограничены.
      В решении проблемы, которую пытается осилить изобретатель, лишь физическое мышление позволяет определить, работает ли он над объектом, реально существующим во времени и пространстве, или имеет дело с чисто логическим казусом. Поэтому на второй стадии работы над изобретением желательно как можно чаще использовать модели, набрасывать эскизы и присматриваться к деятельности существующих конструкций. Важно как можно больше узнать о физической стороне задачи: величине сил, скоростей, температур и давлений. «Думать руками» над задачей очень помогают грубые модели, сделанные в домашней мастерской.
      В творческом процессе физическое мышление неотъемлемо от интеллектуального и эмоционального. Его задача — связать рожденную интеллектом идею с реальностью, воплотить ее в «металле» (под этим мы понимаем все реально измеримое и доступное нашим ощущениям). Только тогда идея получает право на реальное существование в пространстве и времени. Иногда при этом первоначальная идея видоизменяется и обдумывается вновь.
      Третья стадия начинается с создания образца или действующей модели, позволяющей провести испытания. На этой стадии физическому мышлению отведена важнейшая роль. Прежде всего рисуются эскизы и делаются наброски. Для этой цели можно использовать обратную сторону старого конверта, но лучше, если постоянным спутником изобретателя будет небольшой блокнот с чистыми нелинованными листами,
      где можно делать небрежные эскизы (чтобы не испытывать сожаления, расставаясь с ними, если в ходе доработки придется выбросить не один десяток таких эскизов). Умение рисовать от руки не менее важно для изобретателя, чем для рисующего на доске лектора или художника. Рисуя мягким карандашом на нелинованной бумаге, можно постоянно пользоваться резинкой — это очень помогает в кристаллизации идеи, так как часто приходится стирать линии, оказавшиеся скрытыми за другими частями.
      Но изобразительные возможности эскизов ограничены: с их помощью трудно представить себе трехмерные объекты. Геодезические конструкции Фуллера, например, можно рисовать только на сферической поверхности — лишь так удается понять, как он создает свои купола из пяти- и шестисторонних многоугольников. Точно также трудно представить себе работу двух кривошипов, расположенных так, чтобы не мешать друг другу (с этой трудностью я столкнулся, конструируя свою «сороконожку», см. гл. 10). Работая над механизмами, имеющими движущиеся детали сложной конфигурации (как, например, роторный двигатель), полезно делать модели из картона, а в качестве осей вращения использовать чертежные кнопки.
      На этой стадии на долю интеллекта в основном приходится решение тех задач, которые «подбрасывает» ему физическое мышление в процессе работы.
      На четвертой стадии, о которой мы будем говорить подробно в гл. 9, умение «думать руками» имеет первостепенное значение — оно помогает удостовериться, что конструкторские расчеты соответствуют реальности, и все многочисленные детали, не поддающиеся расчету, «похожи на правду». У каждого хорошего конструктора вырабатывается способность предвидеть, взглянув на чертеж, те неприятности, которые могут возникнуть из-за ошибки или из-за неправильного понимания задачи. Для определения этой функции физического мышления, которую мы назвали «умением думать руками», не вполне подходят такие слова, как «ощущение реальности», «правдоподобие»; в последнее время предложен более наукообразный термин «мануализация».
     
      Развитие пространственно-временного воображения
     
      Изобретатель должен развивать в себе способность зрительно представлять себе сложные статические системы в трехмерном пространстве и уметь видеть за двумерным эскизом объемную конструкцию. Очень полезны классические упражнения с листами Мёбиуса, которые делаются из бумажных полосок, склеенных в кольцо таким образом, что один конец оказывается повернутым на 180 и 360° (рис. 7.1а), а затем разрезаются вдоль. Не меньшую пользу приносит изучение более сложных топологических объектов. Многому можно научиться, сгибая куски мягкой проволоки в различные пространственные объекты и зарисовывая их в различных проекциях.
      Для тренировки физического мышления весьма полезна также «задача четырех спичек». Спичку b (рис. 7.16) плоско заостряют; заостренный конец вставляют в прорезь в спичке а так, что они образуют достаточно жесткую букву «Л». Затем к вершине сбоку прислоняют спичку с — это делается для того, чтобы получившаяся пирамида устойчиво стояла на столе. Задача заключается в том, чтобы поднять все три спички в воздух, прикасаясь к ним только четвертой спичкой. Решается она так: конец четвертой спички подводится под верхний конец спички с, вершина буквы «Л» отводится чуть в сторону, спичка с падает на четвертую спичку и ее верхний конец оказывается между верхними концами спичек а и Ь, Теперь, поднимая спичку с, мы поднимаем всю конструкцию.
      Две простые геометрические задачи, основанные отчасти на пространственном воображении, отчасти на раскрепощенности мышления, показаны на рис. 7.1в и 7.1г. Преподаватель рисует большой квадрат и квадрат с половинной стороной, которые изображены жирными линиями. Студенту предлагается разделить «Г»-образную фигуру на четыре конгруэнтные части. Он делает это, какпоказано на рисунке пунктиром. Затем его просят разделить меньший квадрат на пять конгруэнтных частей. Как правило, при этом пытаются отыскать более изящное решение, чем просто разделить квадрат на пять одинаковых полосок.
      «Задача девяти точек» (рис. 7.1 г) требует соединить девять точек четырьмя прямыми, не отрывая карандаша от бумаги и проходя через каждую точку только один раз. Человек с хорошо развитым воображением способен решить эту задачу в уме.
      Еще труднее построить из нитей и проволоки модель мачты Фуллера «Тенсегрпти».
      Это вертикальная мачта любой высоты, состоящая из одинаковых жестких элементов; последние поставлены друг на друга и соединены гибкими нитями, работающими на растяжение (рис. 7.2). В свою очередь элементы мачты состоят из двух V-образных деталей, жестко скрепленных вершинами так, что плоскость одного V перпендикулярна плоскости другого. Нижние концы верхнего элемента подвешены к верхним концам элемента, находящегося под ним, на четырех наклонных нитях; жесткость конструкции по отношению к вращению обеспечивается также вертикальными нитями, соединяющими сходственные концы всех элементов
      1 Сетчатыми мачтами и куполами задолго до Фуллера занимался советский инженер В. Г. Шухов (ему принадлежат перекрытия над торговыми рядами в здании московского ГУМа и над платформами Киевского вокзала, а также радиомачта на Шаболовке — телебашня первого Московского телецентра). — Прим. перев.
      Рис. 7.2. Мачта Фуллера «Тенсегрити» из пяти элементов.
      На рис. 7.3 приведены примеры того, как можно в двух измерениях изобразить пространственно нереальную структуру. Изучение этих рисунков, позволяет понять условность изображений на плоскости.
      И наконец, на рис. 7.4 изображена ситуация, когда вода течет по замкнутому кругу — и как будто все время «под гору».
      Умение зрительно представлять себе движения в сложных механизмах приобретается в играх с детским конструктором. В XIX веке были популярны изящные действующие модели, которые демонстрировали различные преобразования поступательных и вращательных движений — прерывистые, непрерывные, качающиеся и т, п. Некоторые из них и по сей день можно видеть в научных музеях, но современные преподаватели считают их слишком примитивными. Разумеется, изобретатель должен иметь кое-какое представление о том, что уже сделано, однако чаще он предпочитает найти собственное, оригинальное решение задачи.
      Инженерам, работающим в области электротехники, следует развивать в себе способность зрительно представлять поведение силовых линий магнитного и электрического полей; инженеры-механики должны хорошо представлять себе потоки тепла и газов, распространение пламени. Все это можно изучить лишь на моделях, специально построенных в лаборатории с учетом корректных критериев подобия.
      Преподавателям школ, университетов и техниче-ских учебных заведений, желающим развить в своих учениках творческие способности, мы настоятельно рекомендуем изготовить установки, моделирующие потоки воды и воздуха, где была бы предусмотрена возможность легко изменять границы потоков. Модели должны иметь хорошее равномерное освещение; потоки делаются видимыми с помощью дыма или окрашенных частиц-трассеров. Для определения степени турбулентности потока здесь необходимо пользоваться критерием подобия Рейнольдса, а для демонстрации потоков или силовых полей в двух измерениях — двумерными моделями, построенными в соответствии с решением уравнения Лапласа для плоскости.
     
      Роль инструментов в развитии умения «думать руками»
     
      Основную тренировку человек получает, работая с обычными ручными инструментами, какими пользуются садоводы, фермеры, лесники, плотники, слесарй, токари, резчики по дереву. В работе приобретается ощущение прочности и упругости различных материалов, динамики ударов и моментов, поведения гибких нитей и тросов; познается «неуклюжесть» гвоздей всех размеров и действие рычагов и сил при завинчивании шурупов. Коловороты и отвертки с храповиками дают хороший урок соразмерности прижимающего усилия и возвратно-поступательного движения; нужно раскинуть умом, чтобы понять, что удобство, даваемое храповиком, объясняется в этих двух случаях по-разному. Когда это становится понятным, ощущения приобретают прямую связь о интеллектом. Точно так же, когда обнаруживаешь, что, вогнав тупо заточенную отвертку в шлиц винта, ее невозможно там удержать при вращении, начинаешь понимать преимущества новых винтов с крестовидным шлицем перед обычными (наглядный пример изобретения, сделанного, скорее, руками, чем головой)
      Или другая задача: попробуйте объяснить, почему обычные ножницы по металлу (рис. 7.5а) гну г жесть, если резать под малым углом к краю листа. Следующий шаг — видоизменить ножницы таким образом, чтобы режущие кромки не расходились в стороны, при этом расход металла на изготовление ножниц не должен увеличиваться (рис. 7.56). Поучительно сравнить удобство вил и садовой вилки при сборе садового мусора в костер или в компостную кучу. Большой опыт приобретается в подборе надлежащей массы и формы киянок, молотков, топоров, кирок для различных целей — от забивания гвоздей в стены до ломки бетона.
      К задачам, требующим экспериментирования и умения «думать руками», равно как и теоретического анализа, относятся конструкции роликов для мебели, в частности ролика Шепарда почему шарикоподшипники на вертикальной оси нужнее, чем на горизонтальной? Прямое отношение к этому имеет и вопрос: почему изгиб передней вилки на современных велосипедах обеспечивает устойчивость велосипеда при езде по прямой?
      Не менее полезным упражнением оказывается подбор наиболее удобного предмета для какой-либо работы, для которой не придуман особый инструмент. Каждый, кто любит мастерить, вспомнит примеры из своей практики. Приведем лишь один — использование клюшки для хоккея с мячом при чистке водосточного желоба, находящегося на полметра выше лестницы, прислоненной к стене дома.
      Трудно переоценить пользу изготовления инструментов собственной конструкции — в процессе этой работы приходится задумываться над вопросами, которые обычно обходят вниманием: силами, тяжестью, прочностью, балансировкой, удобством в обращении. Вот некоторые простые примеры.
      1. На рис. 7.6а показан мощный одноручный инструмент, оказавшийся очень удобным для подкапывания и обрубки корней, прочистки водосточных желобов, переворачивания больших камней, открывания канализационных люков и для различного рода огородных работ. Он сделан из незакаленной пятимиллиметровой стали; деревянная рукоятка состоит из двух половинок, привинченных болтами.
      1 Ролик Шепарда — довольно крупный ролик для передвижной мебели, имеющий близкую к сферической форму. Вертикальная ось, на которой вращается удерживающая ролик скоба, укрепляется в ножке мебели на подшипниках. Такой ролик позволяет легко передвигать мебель в любом направлении. — Прим. перев.
      2. Карманный инструмент для выпалывания сор няков. Выполнен из полоски мягкой трехмиллиметровой стали шириной 15 мм и длиной 200 мм, один конец которой не слишком остро заточен наподобие стамески, а другой закруглен; обладает достаточной прочностью и позволяет подрезать корни сорняков на глубине 3 — 4 см без больших усилий.
      3. Универсальный инструмент автомобилиста, не занимающий много места в багажнике, который можно использовать как лом, лопату или подкладывать под буксующее колесо. Такой инструмент, вырезанный из старой стальной шарнирной петли для ворот толщиной 10 мм, длиной 800 мм и шириной 75 мм, не раз выручал владельца (рис. 7.66)
     
      Некоторые механические задачи в качестве упражнений
     
      В этом разделе я собрал задачи, с которыми мне так или иначе приходилось сталкиваться, — они могут оказаться полезными для развития умения «думать руками». Те, у кого это умение достаточно развито и кто имеет счастливую возможность найти ему прах-тическое применение (в работах по дому, в саду, в мастерской, на кухне), конечно же, вспомнят множество собственных примеров. Тем не менее приводи
      мые примеры, быть может, лишний раз подтвердят, что обсуждение практических задач помогает привить обучаемым эту важную сноровку.
      Рисунок 7.7 иллюстрирует задачу, которую можно предложить всему классу. Банка с широким горлом закрыта тонкой пробкой, не выступающей над гор дышком. Как вытащить пробку руками? Человек с практической смекалкой быстро сообразит, что нужно нажать на пробку сбоку, повернуть ее поперек и вытащить двумя пальцами.
      Для откупоривания бутылок обычно пользуются штопором. Но есть и другое приспособление — гарпунчик, острие которого поворачивается на шарнире перпендикулярно древку, когда его тянут назад
      Некоторые ошейники для собак представляют собой кусок тонкой цепочки с кольцами одинакового диаметра на концах. Не каждый сразу сообразит, как можно соединить эту цепочку в кольцо.
      А вот пример полезной практической выдумки: кожаный карман-вкладыш, который входит в карман одежды и не дает мелочи протирать дырки, но в то же время позволяет выуживать монеты одной рукой, когда другая держит портфель.
      Если под руками нет красной ленты, чтобы перевязать пачки документов можно разрезать достаточно большой конверт на полоски и обернуть
      1 Английское выражение «перевязать красной лентой» соответствует русскому «положить в долгий ящик». — Прим. перев.
      Рис. 7.7. Пробка в банке. Рис. 7.8. Устройство для откупоривания бутылок.
      Крис. 7.8).
      бумажными кольцами пачки бумаг. При необходимости кольцо можно подтянуть и сколоть скрепкой.
      Один мой знакомый однажды положил в багажник машины складной стул поверх других вещей. Приехав на место, он обнаружил, что багажник не открывается: стул съехал назад и заклинил защелку замка. Тогда он проехал немного вперед и резко затормозил — стул сдвинулся и освободил защелку.
      Тот, кому приходилось сверлить глубокое узкое отверстие в стали, знает, как сильно «уходит» сверло — оно очень гибкое и закреплено только одним концом. Аналогичную картину можно наблюдать, если зажать заготовку в патроне токарного станка и сверлить ее неподвижным сверлом, установленным в задней бабке. Как же высверлить ружейный ствол, длинное отверстие в котором должно быть совершенно прямым? Один из выходов — высверлить отверстие в заготовке, которая значительно толще требуемого ствола, а затем поручить умелому человеку выправить ее молотком, обстукивая со всех сторон и при этом глядя в отверстие. Потом ствол можно обточить снаружи на токарном станке соосно с отверстием..
      Однажды мне пришлось смастерить «козлы» двухметровой высоты, чтобы покрасить потолочные балки в старом сарае с неровным полом. Мне хотелось, чтобы козлы стояли на четырех ногах, расставленных шире, чем верхняя платформа, и при этом не качались, куда бы я их ни поставил. Решение пришло почти случайно — я не стал соединять диагональным брусом углы прямоугольника, лежащего в основании (рис. 7.9); таким образом, нижний прямоугольник оказался единственной стороной из шести, которая не была жесткой. Благодаря этому две вертикальные стороны могут слегка поворачиваться относительно длинной горизонтальной оси верхней платформы, а ножки «подстраиваться» под неровности пола. Окончательная жесткость конструкции обеспечивается самим полом, который лишает ее единственной оставшейся степени свободы.
      Рис. 7.10. Устройство для установки стропил одним человеком.
      Когда я затеял строительство небольшого сарая из подручных материалов, мне пришлось в одиночку устанавливать стропила крыши. В качестве вертикальных опор в землю на расстоянии 3 м друг от друга были врыты шпалы, возвышавшиеся на 2 м от земли. Каждая стропильная ферма состояла из двух брусьев сечением 10X5 см и длиной 2,5 м. Я соединил эти брусья на земле по шаблону, обеспечив жесткость укосиной, но для того, чтобы прибить их к вертикальным столбам, мне нужно было поставить их на место и удерживать в нужном положении, В конце концов я догадался прибить к вершине фермы деревянный брусок такой длины, чтобы он немного не доходил до земли (рис. 7. 10). Этот брус помог мне поднять стропила, поставить их на место, а затем укрепить между двумя 25-литровыми банками с краской. После того как стропила были прочно прибиты к столбам, я снял брусок-рукоятку и использовал его для монтажа следующей фермы
      С другой проблемой, также относящейся к временам моей жизни на ферме, мне довелось столкнуться, когда у тачки сломалось колесо, установленное на оси диаметром 12 мм, Я надумал поставить новое колесо, побольше, с осью диаметром 25 мм. В моем распоряжении не было никаких станков — только небольшая электродрель, которой можно было сверлить в металле отверстия диаметром до 6 мм. Тогда я решил прикрепить дубовые брусочки с наружной стороны старых ушек с помощью болтов, пропущенных в отверстия, и шурупов, предотвращающих вращение брусков. Затем из полосовой стали 3X25 мм выгнул новые подшипники под ось (рис. 7.11), в каждом подшипнике просверлил по два отверстия и прикрепил их шурупами к брускам. Конструкция успешно служит уже три года.
      Придуманное моим отцом устройство для сбора яблок (рис. 7. 12). оказалось настолько удачным, что я сделал несколько таких же не только для себя, но и для знакомых. Натягивая веревки, можно двигать укрепленное шарнирно полукольцо — сорванный плод падает в сетку, где умещается шесть-семь яблок.
      На рис. 7. 13 изображены деревянные тиски, в ко торых зажимаются круглые и квадратные деревянные балки диаметром до 45 см для поперечного пиления. В таких тисках бревна и брусья укрепляются гораздо лучше, чем на обычных козлах, поскольку, здесь их держат параллельные плоскости, зажимаемые прокладками и клиньями, и усилие, возникающее при работе пилой, приходится на вертикальную поверхность.
      Чтобы иметь возможность заниматься в часы досуга своим любимым делом — резьбой по дереву — во время заграничных поездок, я придумал деревянный верстачок (рис. 7.14а), который ремнем прикрепляется к ноге. Я сажусь и закрепляю заготовку перекладиной и двумя винтами, пропущенными через любые отверстия. Верстачок размерами 12X25 см сделан из дерева твердой породы; с одного края прикреплен упор с отверстиями, что позволяет зажимать заготовку и в вертикальном положении. Ее можно также укреплять шурупами, пропущенными снизу. Подстелив под ноги газету, чтобы не сорить, и пододвинув поближе к себе сумочку с инструментами, я могу запинаться резьбой по всем правилам, пользуясь киянкой и резцами. Киянка изготовлена из плоской дубовой дощечки. Для прида-иия ей тяжести в отверстие сбоку пропущен болт (головку его можно использовать как молоточек). Рабочая плоскость киянки закрыта куском толстой кожи, это заглушает стук. Другой инструмент, также весьма полезный для такого рода работ, — универсальная рукоятка (рис. 7.14в), в которой можно зажимать узкую столярную пилку, кусок ножовочного полотна, свёрла по дереву с квадратными хвостовиками. Приспособленная под рукоятку отвертка обеспечивает очень большой рычаг, а столярными пёрками можно сверлить отверстия в дереве диаметром до 25 мм.
      Инструментальный набор побольше (рис. 7. 15), размещенный в ящике из тикового дерева (который служит одновременно верстаком, козлами для пиления и позволяет крепить небольшие слесарные ти-ски), дает возможность заниматься практически любыми столярными и слесарными работами во время загородных поездок на автомобиле. Верхняя крышка сделана из толстых тиковых досок и укреплена на шарнирах; по всему внутреннему периметру сделан уступ, так что крышка плотно прилегает к основанию. Ручка для переноски утоплена в крышке, а вместо замков использованы металлические шпильки.
      На рис. 7.16 изображена портативная чертежная доска с рейсшиной на пружинном зажиме и транспор-тиром особой конструкции. Такая доска удобна для небольших рабочих чертежей. Эту главу я пишу на алюминиевой пластине с зажимом для бумаги; нижний левый угол пластины скруглен, чтобы можно было опереться на него грудью, когда пишешь в поезде. Пружинный зажим для бумаги находится у левого края пластины, так что во время письма лист можно сдвигать вверх — рука имеет опору даже при письме в нижней части страницы.
      Удачным примером для тренировки зрительного представления движений в двух измерениях нам представляется шарнирная решетка с одной степенью свободы. Всем известна простая раздвижная решетка со скользящими шарнирами, которая допускает движение только в одном направлении. Простейший вариант такой решетки показан “на рис. 7.17а. Нетрудно понять, почему подвижный вертикальный стержень всегда остается параллельным неподвижному и почему он может двигаться только в перпендикулярном самому себе направлении. Задача заключается в том, чтобы создать простейшую конструкцию подобного типа, используя только осевые шарниры. Чтобы решить эту задачу, необходимо в первую очередь уяснить для себя, что в основе такой решетки должен лежать параллелограмм, поскольку именно он является шарнирным элементом с одной степенью свободы. Одно из решений приведено на рис. 7.176 — в нем использованы два параллелограмма, соединяющиеся в точках А и В.
      Нарисовав наш механизм в положении, когда расстояние между вертикальными стержнями вдвое больше длины I короткой стороны параллелограмма, мы видим, что все треугольники оказываются равносторонними. Из этого следует, что длинная сторона параллелограмма должна быть втрое длиннее короткой, а расстояние между шарнирами _на вертикальных стержнях должно составлять /д/3. Можно заметить, что механизм состоит из верхней и нижней полурешеток, причем каждый элемент одной полу-решетки движется так, что всегда остается параллельным соответствующему элементу другой. В недавно опубликованной работе, где приводился этот пример [16], показано дополнительное звено, соединяющее центры обоих параллелограммов. Однако легко показать, что это звено является лишним: центры параллелограммов будут совпадать даже в том случае, если убрать соединения Л и В и позволить правому стержню двигаться вверх-вниз при фиксированном левом
     
     
      Глава 8
      Обучение изобретателей
      М. Тринг
     
      Зачем обучать изобретательскому мастерству?
     
      Мы обязаны познакомить молодых людей с методами изобретательского творчества и теми радостями, которые приносит такая деятельность. На то есть три веские причины:
      1. Изобретательство — один из аспектов творческой деятельности, на которую от рождения имеет право каждый человек. Поэтому любой по-настоящему образованный человек должен испытать себя в этой области, дабы узнать, не здесь ли проявляется его одаренность. Утверждая это, мы исходим из аксиомы, что подлинная цель образования — дать человеку возможность полностью раскрыть свои способности.
      2. В изобретательской деятельности заключено одно из самых больших удовольствий, известных человеку, ибо, как всякая подлинно творческая работа, она требует от него одновременно интеллектуальных и эмоциональных усилий, а также умения «думать руками».
      3. Для одних изобретательство станет делом жизни, но и все остальные смогут так или иначе воспользоваться этой своей способностью не только на работе, а и на отдыхе, в домашних делах и вообще в любых неожиданных ситуациях, в которых им случится оказаться. Умению изобретать можно учиться в любом возрасте. Изобретательность ребенка, который только начинает учиться рисовать, обычно пропадает к тому времени, как над ним нависает грозная тень экзаменов. И для учителя нет ничего хуже, чем сказать ученику: «Не забивай себе голову разными идеями и изобретениями — все, что можно, уже сделано».
      Как учить изобретательству?
      Прежде всего учитель обязан всемерно поощрять: свойственную молодым людям веру в свою способность находить оригинальные решения различных задач. Затем он должен помочь учащимся выбрать задачу, заслуживающую внимания, дать примеры таких задач и научить их искать. Поначалу это могут быть задачи, связанные с домом, кухней, школой, автомобилем. Позднее общественная сознательность направит их мысли на помощь больным, инвалидам, одиноким старикам, на предотвращение дорожных аварий и улучшение работы скорой помощи.
      Детям обычно не приходится подавлять в себе критическое начало, которое губит идеи, едва те успевают появиться на свет, но к тому времени, когда они попадают в университет, у них появляются внутренние барьеры из знаний и теорий, полученных без всякого представления о творческом процессе, в ходе которого эти знания были добыты. Поэтому следует дать им возможность испытать себя в изобретательстве, причем начинать лучше с самых простых задач. Предпочтительно заниматься с небольшими группами, человек по десять, — тогда каждый учащийся сумеет предложить собственное решение для каждой задачи. Сам я занимался таким преподаванием восемь лет, и настало время, когда два моих ученика получили патенты на собственные изобретения.
      Мои лекции построены в основном на материале первых семи глав этой книги; в конце каждой беседы мы обсуждаем какую-либо простую задачу, требующую умения «думать руками». У любого преподавателя инженерных дисциплин всегда найдется множество собственных примеров, и, вероятно, их решения будут ничуть не хуже, а возможно, и лучше приведенных здесь. Перечислим еще несколько задач:
      1. Как высзерлить ружейный ствол, чтобы отверстие было совершенно прямым — ведь сверло такой длины обычно уходит в сторону? После сверления отверстие выпрямляют, изгибая заготовку ствола.
      2. Лезвием какой формы удобнее всего обрубать небольшие ветки с деревьев?
      3. Почему у вил для сена два зубца, а у садовых — четыре?
      4. Почему совковая лопата укреплена под иным углом К рукоятке, нежели заступ?
      5. Почему для забивания гвоздей разных размеров пользуются молотками разного веса и почему кувалда тяжелее топора? Почему молот, которым плющат железо, должен быть очень тяжелым?
      6. Придумайте простейший заменитель циркуля.
      7. Почему топорищу придают такую форму?
      8. Почему у складной пилы наклон зубьев противоположен наклону зубьев у обычной пилы?
      9. Расщеплять ствол дерева удобнее всего стальным клином. Но для того чтобы расширить трещину, нужен клин с более тупым углом, стальной был бы слишком тяжелым. Придумайте дешевый деревянный клин, окованный стальной полосой.
      10. Как должны быть сделаны ножницы по металлу, чтобы ими можно было резать большие листы жести и уже разрезанный металл не мешал руке?
      11. Почему специальным приспособлением забивать сваи удобнее, чем обычной кувалдой? Приспособление состоит из куска тяжелой стальной трубы диаметром 13 см и длиной 60 см; верхний конец трубы заварен стальным диском, а с противоположных сторон трубы параллельно ее оси во всю длину идут ручки из дюймовых трубок, которые сверху и снизу загнутыми концами приварены к большой трубе.
      12. Каково соотношение плеч рычага у плоскогубцев? Как его проще всего измерить?
     
      Чтобы развить в своих учениках культуру физического мышления, я даю им также задачи на основные законы физики и механики. Вот некоторые из них:
      1. Эскимосы строят свои жилища — иглу — из снежных блоков; следовательно, температура внутренней поверхности стен равна 0°С. Как же они не замерзают, когда раздеваются?
      2. Как приложен к поверхности Земли вес самолета, вертолета, дирижабля? На какой площади он распределен?
      3. Если дергать скрипичную струну на резонаторе и без пего с одинаковой силой, то в первом случае звук гораздо громче, чем го втором. Откуда берется дополнительная энергия?
      4. Зачем опытный изготовитель стрел для лука определяет собственную частоту каждой стрелы? К моменту, когда после спуска тетивы оперенный конец пролетает мимо лука, стрела должна совершить ровно половину периода колебаний.
      5. Почему у людей, живущих н жарких странах, темная кожа? Ведь темная поверхность лучше поглощает излучение.
      6. Как с помощью калиброванного термостата оценить температуру в электрической духовке?
      7. Где безопаснее располагать непарное колесо трехколесного автомобиля: впереди или сзади?
      8. Почему удар по земле ладонью и предплечьем смягчает падение?
      9. Почему человек может прыгнуть с шестом выше, чем без шеста?
      10. Как помогает трость при ходьбе? Какова ее оптимальная длина? Почему от обычной трости с изогнутой рукоятью у полного человека с больной ногой появляются нервные боли в руке?
      11. Почему у электростанции в Бэнксайде дым выходит через четыре дымохода, расположенных внутри одной большой трубы?
      12. Почему некоторые стальные дымовые трубы снаружи окружены по всей длине спиральным выступом?
      В конце каждой недели я даю задачу посложнее; ответы на нее учащиеся приносят на следующей неделе. Остальная часть этой главы посвящена именно таким задачам; в каждом случае приводится возможный ответ. Вероятно, преподаватели, как и многие учащиеся, смогут найти и лучшие ответы. Критические замечания преподавателя нередко вызьГвают дискуссию, в ходе которой совместными усилиями удается преодолеть возникающие препятствия к осуществлению той или иной идеи. Решения отдельных проблем из числа предлагаемых здесь были получены в моем семинаре именно в ходе такой общей дискуссии.
     
      Перевозка пассажиров в часы пик
     
      Разъяснять эту задачу едва ли нужно. Необходимо предложить способ, который позволил бы тысячам горожан, совершающих ежедневные поездки на расстояние порядка 15 км, делать это с достаточной скоростью и удобствами. Предлагались следующие решения:
      1. Движущиеся тротуары. Для удобства посадки и высадки пассажиров вначале предлагали конструкцию из параллельных дорожек с возрастающей от дорожки к дорожке скоростью движения. Затем студенты одной из групп предложили устроить два гигантских диска, расположенных в одной горизонтальной плоскости, между которыми должна была проходить дорожка движущегося тротуара. По замыслу авторов, диски вращаются с такой скоростью, что линейная скорость на периферии равна скорости тротуара — таким образом, пассажир может перейти
      с тротуара на диск, уменьшить собственную линейную скорость, двигаясь к центру диска, а затем в центре диска перейти на неподвижную платформу. Аналогично осуществляется и посадка пассажиров
      2. Надземный монорельсовый транспорт (на бесшумной воздушной или магнитной подвеске), приводимый в движение линейными электродвигателями.
      3. Управляемые электронным мозгом мпниавтобу-сы и такси.
      4. Система, описанная в моей книге «Человек, машины и завтрашний день» [3]: каждый пассажир имеет при себе легкую хозяйственную сумку-тележку на роликах и с сиденьем, так что в пригородных поездах, автобусах, самолетах и такси надобность в сиденьях отпадает.
      Обычно среди студентов возникают плодотворные дискуссии о том, насколько можно сократить пассажирские перевозки за счет усовершенствования видеотелефона, факсимильной связи и т. п.
     
      Падающая Пизанская башня
     
      И эта проблема хорошо известна. Пизанская башня построена из камня и стоит на каменном фундаменте; грунт под ней до , большей глубины очень мягкий. Башня наклонена, причем по мере того, как вес башни все больше переносится на одну сторону, скорость наклона растет. В ближайшие сто лет, если ничего не будет сделано, башня упадет; всякий подкоп под фундамент исключен, так как это может вызвать падение башни.
      Студенты разработали следующий проект: с той стороны, куда наклонена башня, установить «домкрат» из двух А-образных рам, между которыми помещены воздушные подушки. В подушки нагнетается воздух до тех пор, пока вся башня не будет мягко удерживаться домкратом. Затем под фундамент одна за другой вводятся стальные трубы 30-сантиметрового диаметра; отверстия под трубы выбираются шнековым буром. После того как под фундаментом будет устроена платформа из труб, через отверстия в трубах подается бетон и все основание башни укрепляется. Когда бетон затвердеет, рамы и воздушные подушки будут убраны.
     
      Экономичный автомобильный двигатель, не загрязняющий окружающую среду
     
      Уже строятся электромобили с аккумуляторами, которые в конечном счете работают за счет электроэнергии, вырабатываемой тепловыми и гидроэлектростанциями. Такие автомобили не загрязняют окружающую среду, но им приходится возить с собой громоздкие аккумуляторы, поэтому ни по пробегу, ни по удельной мощности (т. е. мощности на единицу массы двигателя с источником питания) они не идут в сравнение с автомашинами, оснащенными карбюраторными и дизельными двигателями. Сегодня лучшим выходом из положения является создание дизель-электромобиля или дизель-гиромобиля. В обоих вариантах дизельный двигатель (предпочтительно двухцилиндровый, с противоположно расположенными цилиндрами) работает в оптимальном режиме с постоянными оборотами и мощностью. Развиваемая им мощность соответствует мощности, необходимой для легкого автомобиля на крейсерской скорости. Дизель отрегулирован на работу с минимальным расходом горючего при полном сгорании топливной смеси в цилиндрах и низким уровнем шумов. Дополнительная мощность, необходимая при ускорении, отбирается от аккумулятора или быстровращающегося маховика, выполненного из углеродного волокна и раскручиваемого электродвигателем. Аккумулятор или маховик подзаряжаются постепенно при движении в нормальном режиме или ускоренно подзаряжаются, когда автомобиль тормозит или находится на стоянке. Привод задних колес осуществляется отдельными электродвигателями.
      В будущем электромобили — если автомобиль вообще выживет в условиях катастрофического сокращения мировых запасов нефти — будут питаться от
      Топливных элементов, работающих на атмосферном воздухе и жидком топливе.
      В ходе обсуждения весьма полезно провести анализ отдельных (а их великое множество) конструкций роторных двигателей- внутреннего сгорания и рассмотреть их механические и тепловые характеристики.
      Учащиеся могут высказывать различные суждения, предлагать усовершенствования и модификации этих систем. Но в любом случае их следует познакомить с цифрами и фактами: какое количество воздуха потребляет автомобильный двигатель, как используется жидкое и газообразное топливо, каковы запасы жидкого топлива в мире, в чем заключаются нужды и потребности двух третей человечества, проживающих в развивающихся странах.
     
      Проблема дирижаблей
     
      По сравнению с самолетами дирижабли расходуют в десять раз меньше топлива на тонну-километр перевозок; их грузоподъемность может достигать 500 т. Вместе с тем максимальная скорость дирижаблей едва ли может превышать 160 км/ч, а потолок — 1500 м. К тому же водород огнеопасен, а гелий дефицитен. Когда дирижабль привязан, ему угрожают сильные ветры, в полете для него опасны вихри и порывы ветра. Одна из наиболее сложных проблем — посадка воздушного корабля. Если двигатели дирижабля работают на дизельном топливе, то к концу полета его вес оказывается значительно меньше начального, выпускать же гелий для снижения подъемной силы расточительно. Баллоны, в которые можно закачивать избыток гелия, оказываются слишком тяжелыми.
      Одно из решений проблемы — придать дирижаблю форму крыла, чтобы он был чуть тяжелее воздуха, но поднимался в воздух за счет аэродинамической подъемной силы при скорости 100 — 130 км/ч. Другое решение — использовать дополнительные емкости с водородом, расположенные над заполненным гелием фюзеляжем и создающие дополнительную подъемную силу. При этом в дизелях сжигается смесь водорода с дизельным топливом с таким рас-четом, чтобы подъемная сила при уменьшении веса оставалась постоянной; во время полета сжигается смесь водорода с жидким топливом, а перед посад кой — только водород.
     
      Другие транспортные проблемы
     
      Если в качестве основной транспортной системы мы и в будущем станем пользоваться автомобильными дорогами, то необходимо изобрести устройство, позволяющее автомобилю занимать свободное место в потоке других машин, движущихся с постоянной скоростью и на неизменном расстоянии одна от другой. Машины могут перемещаться с помощью электромагнитной или механической системы (нечто вроде троса с крючьями). Это потребует решения проблемы безопасности движения, а также проблемы входа машин в поток и выхода из него в нужном месте.
      Весьма полезным представляется создание такой системы, которая позволила бы отделять после посадки крылья, двигатели и топливные баки самолета от пассажирского салона. Тем самым фюзеляж с пассажирами мог бы превратиться в вагон надземной дороги, доставляющий пассажиров в центр города, а силовые агрегаты направлялись бы на техобслуживание и затем устанавливались на самолет, готовящийся к взлету.
      Человечество нуждается в колесе, которое было бы очень жестким при движении с большой скоростью по дороге, но становилось бы мягким при торможении, обеспечивая большую поверхность контакта с дорогой. Хорошо было бы частично передать ободу такого колеса амортизирующие свойства пневматических шин и подвески, чтобы как-то разгрузить рессоры автомобиля.
      Необходимо также устройство, позволяющее водителю вести машину в густом тумане. Наиболее очевидным решением на данный момент представляется установка мощной инфракрасной фары и экрана, преобразующего изображение, полученное в инфракрасном свете, в видимое.
      Устройства для мастерской
      Одно из устройств, заслуживающих внимания изобретателей, — универсальные тиски, в которых можно было бы зажимать не только цилиндрические предметы и предметы с плоскопараллельными сторо» нами, но также сферы, клинья, конусы и предметы неправильной формы. Для многих предметов удобны губки с треугольными выемками и трехсторонние зажимы (зажимающие предмет в трех точках, отстоя» щих одна от другой на 120° дуги окружности, или по трем линиям, идущим по образующим неглубокого конуса). Одна из губок тисков укрепляется на расположенном по центру слегка подпружиненном шаровом шарнире — это дает возможность обеспечить равномерный зажим с трех сторон.
      Другое полезное устройство — «третья рука», зажим, который можно поставить в любое положение и под любым углом, чтобы удерживать деталь, прикрепляемую к агрегату. В нем же можно зажать ручную электродрель. Это устройство станет намного удобнее, если предусмотреть в нем противовесы, облегчающие его перемещение, и иметь возможность освобождать и фиксировать зажим в любом положении с помощью лишь одного рычага.
     
      Изобретения для нужд сельского хозяйства
     
      По мере того как в мире постепенно истощаются легкодоступные запасы нефти, встает вопрос о замене действующих ныне машин другими, потребляющими гораздо меньше энергии. Мы уже упоминали о легком тракторе небольшой мощности, у которого сзади для лучшего сцепления с почвой установлены «ноги» (такой трактор меньше утрамбовывает почву). Современные тракторы легко переворачиваются, особенно при крутом повороте на склоне, поскольку центр тяжести у них располагается высоко из-за необходимости обеспечить достаточный дорожный просвет под дифференциалом на задней оси. Система, автоматически выравнивающая трактор при поворотах и наклонах, должна иметь большое быстродействие,
      чтобы обеспечить безопасность трактора. Центр тяжести можно понизить, если использовать гидравлический привод ведущих колес или бездиффе-ренциальную схему привода; можно также уменьшить диаметр колес, сделав их все ведущими, но уменьшение диаметра колес скажется на проходимости трактора. Значительно улучшить характеристики колесного или гусеничного трактора могут «сороконожка» или колеса с выступающими наружу «плицами».
      При разработке шагающих механизмов большой интерес представляет поиск оптимальной механической «ноги», которая опускалась бы в грязь вертикально, чтобы улучшить сцепление, но выходила бы из нее наклонно — это позволяет равномернее распределять нагрузку и стряхивать налипшую грязь. Вероятно, наилучшим вариантом был бы механический аналог раздвоенного копыта животных.
      В некоторых местностях выгоднее не пахать землю, а прокалывать в почве большое количество отверстий на глубину 15 — 30 см. Перед изобретателями стоит задача создать самоходную машину, производящую эту операцию с помощью острий, погружаемых в землю вертикально впереди и извлекаемых также вертикально сзади машины.
      Есть места, где существует немало ирригационных проблем, а между тем электрическая энергия, необходимая для работы насосов, обходится довольно дорого. Здесь, возможно, выгодно использовать ветродвигатели, закачивающие воду в резервуары, которые находятся на небольшом возвышении, в зимнее время, когда дует сильный ветер и много осадков. Возможно, следовало бы изобрести ветродвигатели с вертикальным расположением оси ротора наподобие ротора Савониуса или ротора со складывающимися лопастями, которые при слишком сильном ветре можно освобождать, чтобы они свободно располагались по ветру. Требуют усовершенствования и методы орошения, которые позволяли бы равномерно распределять по полю количество воды, эквивалентное 2 см осадков за сеанс, не прибегая к высоким напорам,
      В странах с муссонным климатом необходимо решить проблему хранения воды в подземных или других крытых резервуарах и обеспечить ее подачу в нужные места. Один из подходов к решению этой задачи — разработка недорогого, использующего солнечную энергию насоса, действующего, например, по принципу кофейника Рэмфорда, в котором пузырьки пара поднимают за собой столбик воды.
      Единственным реальным источником воды для орошения пустынь может служить соленая вода из моря или из пробуренных на большую глубину скважин. Мембранный метод обессоливания и опреснение воды путем перегонки с использованием ископаемого топлива (с утилизацией энергии получаемого пара), судя по всему, обходятся слишком дорого. Но можно подумать о применении солнечной энергии для перегонки воды с использованием получаемого в процессе перегонки пара для дополнительных целей.
     
      Солнечная энергия
     
      В настоящее время применение солнечной энергии считается экономически выгодным разве что для небольших домашних водонагревателей, однако продолжающийся рост цен на ископаемое топливо, несомненно, склонит чашу весов на сторону этого вида энергии. Основными проблемами, связанными с внедрением солнечных водонагревателей, являются высокая капитальная стоимость такой установки и трудности, связанные с предотвращением потерь тепла на переизлучение и конвекцию у солнечного коллектора, которые увеличиваются по мере нагрева воды до нужной температуры. Делались попытки использовать стекла с избирательным пропусканием по спектру, а также различные способы теплоизоляции и разные варианты циркуляции воды, но все это требует дальнейшего творческого экспериментирования. Солнечным водонагревателем можно воспользоваться для подогрева воды на 50 — 75% требуемой разности температур, а для дальнейшего нагрева применить электрический или твердотопливный
      нагреватель. Это позволит экономить электрическую энергию и топливо.
      «Соты» из тонкостенных трубочек, поверхность которых сделана черной для инфракрасного излучения и белой для остальной части солнечного спектра, направленные прямо на солнце, могут значительно уменьшить потери на переизлучение и конвекцию, но, конечно, не могут увеличить количество солнечной энергии, приходящейся на единицу их площади; эта энергия несколько меньше солнечной постоянной, вычисленной без учета поглощения в атмосфере и равной 1,4 кВт/м2. С помощью фокусирующих систем зеркал или линз эту величину можно увеличить в сотни раз, причем фокусирование может быть как двумерным, так и линейным. В последнем случае плоскость симметрии фокусирующей системы можно совместить с плоскостью эклиптики — тогда отпадает необходимость слежения за суточным движением Солнца над горизонтом. Для повышения практичности двумерной фокусирующей системы предстоит сделать немало остроумных изобретений. В США предложен проект «пауэр тауэр» — энергетической башни. На вершине 500-метровой башни устанавливается паровой котел, сама башня окружена огромной системой плоских зеркал, которые постоянно перемещаются, направляя солнечные зайчики на котел. Еще более сложным представляется устройство геостационарного спутника Земли непрерывно излучающего солнечную энергию, преобразованную в радиоволны, к приемнику на Земле. Лично я полагаю, что солнечная энергия будет использоваться главным образом для выращивания сельскохозяйственных культур в пустынях, сушки сельскохозяйственных продуктов теплым воздухом, а также для нагрева воды и выработки электричества в небольших масштабах одного хозяйства. Электрический генератор будет состоять, видимо, из батареи солнечных элементов и фокусирующей системы, увеличивающей приходящуюся на батарею мощность излучения в сто и более раз; это позволит обойтись без дорогостоящих солнечных батарей большого размера. Кроме того„ в тропических районах солнечные печи можно использовать для приготовления пищи.
      Очень интересным направлением исследований представляется поиск цепей химических реакций, в которых солнечный фотон в конечном счете разлагал бы воду на кислород и водород.
     
      Летательный аппарат, приводимый в движение мускульной силой человека
     
      Можно с уверенностью сказать, что попытки разрешить эту проблему, комбинируя велосипед с воздушным винтом и крыльями, как у планера, обречены на провал Однако другой подход может оказаться более обещающим: установить винт с педальным приводом так, чтобы он гнал поток воздуха над сильно изогнутой верхней поверхностью крыла. В этом случае спортсмену не придется развивать на земле большую скорость для взлета: подъемная сила в соответствии с уравнением Бернулли возникает за счет уменьшения давления на верхней поверхности крыла, даже если самолет неподвижен. Конструктивно такой самолет можно выполнить в виде биплана, вдоль верхней поверхности крыльев которого проходит очень легкий «бесконечный» ремень; под прямым углом к ремню укреплено множество лопастей, подобных лопастям пропеллера.
     
      Изобретения, которые пригодятся в домашнем хозяйстве:
      1. Домашний аналог гибкого полировального круга, которым можно пользоваться для чистки и полирования. В нем компенсировались бы реактивные моменты и силы (например, за счет использования
      1 В августе 1977 года «мускулолет» с педальным приводом толкающего винта, разработанный американским конструктором Мак-Криди, поднялся в воздух и пролетел 2200 м по замкнутой траектории. При размахе крыльев около 30 м аппарат имел массу 35 кг. 12 нюня 1979 года на аналогичном аппарате того же конструктора велогонщик Б. Аллен за 2 ч 49 мин пересек Ла-Манш. — Прим, перев.
      двух дисков, вращающихся во встречных направлениях, или частей со встречным возвратно-поступательным движением). Там же должно быть предусмотрено устройство для экономной подачи мыла или полировочной пасты.
      2. Автоматический кухонный шкаф, любая полка которого при нажатии кнопки опускается или поднимается на требуемый уровень. Сорок лет назад Бакминстер Фуллер продемонстрировал одну из таких конструкций: в ее основе были два бесконечных ремня, протянутых между роликами на полу и на потолке. К недостаткам конструкции следует отнести ее громоздкость и недостаточное быстродействие.
      3. Укрепленное на раковине устройство для чистки сковородок, позволяющее быстро соскрести подгоревшую пищу.
      4. Небольшая домашняя посудомоечная машина непрерывного действия: грязную посуду ставят на поднос в верхней части машины и включают прибор. Подносы один за другим опускаются вниз, где посуда очищается от остатков пищи и моется. В другой части машины посуда просушивается и на подносах поднимается вверх.
      Преподаватели и студенты без труда найдут массу такого рода задач и их решений.
     
      Хирургические инструменты
     
      Уже существуют машинки для наложения молибденовых скрепок, заменяющих нить, однако все еще есть нужда в устройстве, которое сшивало бы ткани эластичной нитью в тех местах, где это нужно хирургу. Можно подумать о разработке инструмента, внешне напоминающего плоскогубцы, в который заранее заправляется нить; такой инструмент накладывается на ткань и делает несколько стежков. Трудность заключается в пропускании нити нужным образом (для этого можно воспользоваться полуколь-цевой иглой с ушком на рабочем конце) и в заделке концов нити (одно из решений — соединять концы нити подогретой термопластичной пластмассой).
      В усовершенствовании нуждаются также механические пилы и долота для хирургов.
      Разработано немало хитроумных манипуляторов, которые могут использоваться вместе с бинокулярным микроскопом (дающим небольшое увеличение) для несложных хирургических операций и даже для изготовления электронных микросхем в промышленных условиях. Мы разработали специальный столик для микрохирургии с регулируемой опорой для рук, снабженный микроножницами и микропинцетом с педальным приводом; при работе с этими инструментами рука не дергается.
      Будущий изобретатель может многому научиться, конструируя собственный микроманипулятор, в кото- ром каждый инструмент управлялся бы по семи параметрам (три пространственные координаты, три угла поворота и собственно операция), уменьшая перемещения руки в каком-либо масштабе, например 4: 1.
     
      Устройства для облегчения жизни инвалидов
     
      В этой области перед изобретателем открыто необъятное поле деятельности. Можно подумать о создании целого ряда важных устройств и приспособлений.
      1. Устройство с автономным питанием, которое поднимало бы складное инвалидное кресло на крышу автомобиля и укрепляло его там, — это позволит инвалиду с сильными руками войти, сесть за руль и выйти из машины без посторонней помощи.
      2. Устройство для пересаживания инвалида из коляски на сиденье автомобиля.
      3. Устройство, помогающее больному с пораженными артритом ногами пользоваться унитазом.
      4. Аналогичное устройство для ванной. (Мы сконструировали такое устройство с гидравлическим приводом.)
      5. Устройство, позволяющее человеку с одной рукой открывать консервные банки (без электрического привода); безопасные кастрюли и чайник для таких людей.
      6. «Длинная рука», обладающая достаточной чувствительностью и свободой движений и управляемая естественными движениями руки человека, — с помощью такого приспособления можно поднимать предметы с пола или доставать их с высоких полок.
      7. Устройство, подающее сигнал тревоги в тех случаях, когда с одиноко живущим пожилым человеком случается беда. Наиболее остроумное устройство, о котором мне приходилось слышать, подавало сигнал, если в течение суток в туалете не спускали воду. Но, увы, и тогда помощь может запоздать.
      8. Устройство, позволяющее поднять грузного неподвижного больного с земли. Австралиец Дон Джордан изобрел трубчатые носилки из двух частей, которые собираются около пациента; под больного пропускают несколько пластиковых ремней, между которыми распределяется его вес.
      9. Устройство, помогающее ориентироваться слепым. Один из существующих приборов представляет собой трость, соединенную с наушниками; высота звука в наушниках меняется в зависимости от расстояния до предмета, на который направлен конец трости. Можно создать приспособление, предупреждающее слепого человека о том, что наливаемая чашка полна; часы, по которым слепой мог бы определять время; пишущее приспособление, дающее осязаемую линию.
      10. Устройство, передвигаемое вдоль печатной строки и позволяющее слепому распознавать букву за буквой.
      11. Устройство для переворачивания страниц.
     
      Загрязнение окружающей среды
     
      Заслуживают интереса:
      1. Метод сухой очистки горячих промышленных газов от двуокиси серы. Для этой цели можно применить дробленый доломит, однако избавляться от получающегося в результате реакции двойного сульфата кальция и магния трудно.
      2. Устройство для очистки от примесей речных вод перед тем, как они попадают в море, с последующим разделением примесей на тяжелые металлы,
      удобрения (фосфор, калий, гумус) и другие полезные химикалии с целью их дальнейшего извлечения.
      3. Регенеративный теплообменник для использо-вания теплоты затвердевания в сталеплавильной и стекольной промышленности.
      4. Устройство для превращения городских канали зационных отходов и отходов на фермах в сухое чистое порошкообразное удобрение, свободное от свинца.
     
      Проблемы, связанные с пожарами
     
      1. Для того чтобы направить струю воды в горящее помещение, пожарнику приходится подходить совсем близко к очагу пожара, так как струя воды уже на небольшом расстоянии от шланга разбивается на капли и рассеивается во все стороны. Одно из возможных решений — добавить в воду желеобразую-щее вещество, чтобы она била из брандспойта сплошной струей, как горючее вещество из огнеметов (кстати, весьма наглядный пример задачи, которая была решена в военное время потому, что в нее вложили достаточно денег и сил). Такую струю можно направить с земли в окно десятого этажа. Другой вариант — заключать жидкость — огнетушитель в пластмассовую «колбасу», которой можно выстреливать из «углекислотной пушки»: от огня пластмассовая оболочка плавится и освобождает жидкость.
      2. На крупных промышленных автоматизированных предприятиях и складах обнаруживать и тушить пожары может робот, который обходит помещения по запрограммированному маршруту или движется на некоторой высоте по специально проложенному рельсу. Такой робот может быть оснащен дорогостоящим оборудованием для обнаружения пожара: например, он может осматривать помещение инфракрасным детектором и проверять наличие очага пожара ионным детектором пламени. В случае пожара робот поднимает тревогу и одновременно направляет в очаг струю огнетушителя.
      3. Заслуживает внимания проект создания водоохлаждаемого телеуправляемого робота-пожарника, тянущего за собой водяной шланг и кабель связи. Такой робот мог бы подниматься по лестницам, проникать
      в очаг пожара и тушить его, а также спасать находящихся без сознания людей, помещая их в специальную небольшую кабину и вынося из огня.
      4. Разработка средств спасения людей из горящих высотных зданий.
     
      Геологоразведка структуры подземных куполов
     
      Наличие скрытых куполов водонепроницаемых пород сравнительно легко обнаруживается методами сейсморазведки. Но узнать, содержится ли под проницаемой породой нефть, газ или просто вода, можно, лишь пробурив разведочную скважину. Если бы удалось найти более дешевый и быстрый метод взятия проб, разведка новых месторождений нефти стала бы гораздо дешевле.
      В качестве одного из решений можно предложить разработку бура, приводимого в движение у рабочего конца: это может быть, например, бур ударного действия с двигателем взрывного типа, который работает на жидком горючем и жидком кислороде, подаваемым с поверхности. С помощью такого бура получают небольшое отверстие. Если укрепить ствол скважины трубой из стальной ленты, навиваемой с перекрытием по спирали, то для смены бура не придется извлекать из скважины обсадные трубы.
     
      Создание роботов
     
      Создание роботов, способных избавить человека от изнурительного труда, требует решения ряда инженерных проблем.
      1. Разработка механической «руки» с единственным управляемым захватом, способной совершать почти все хватательные движения, которые совершает человеческая рука с практически независимыми движениями пяти пальцев.
      2. Оптический метод обнаружения на столе плоских предметов заданного размера и формы и выяснения их ориентации. «Лобовой» подход сводится к использованию телевизионной камеры и сложного компьютера. Однако гораздо практичнее методы, основанные на использовании объектива с трансфокатором, сканирующего устройства с качающимся зеркалом и от одного до четырех фотоэлементов. Такая система могла бы найти применение для автоматической сортировки деталей.
      3. Создание робота, способного по приказу главного компьютера подходить к заданной ячейке склада (при трехмерной организации ячеек) и извлекать из нее требуемое количество упаковок.
      4. Разработка робота-контролера, бракующего негодные детали, сравнивая их с образцом.
      5. Разработка механических «мышц» для конечностей робота.
     
      Различные устройства
     
      1. Создание устройства для бурения нефтяных скважин на глубине нескольких сотен метров под водой, управляемого с берега. Такое устройство предназначено для выполнения всех операций, в настоящее время осуществляемых машинами и обслуживающим персоналом на буровых платформах.
      2. Разработка электростанции с высоким к. п. д. мощностью 500 кВт для энергоснабжения городских районов или поселков. Электростанция должна работать без постоянного наблюдения со стороны человека. Если топливом для такой электростанции является уголь, его можно превращать в газ в центральном газогенераторе и по трубам направлять на расстояние до 80 км.
      3. Создание телеуправляемой машины для футеровки дуговых печей, способной единовременно устанавливать до 500 кг огнеупорного кирпича.
      4. Создание ткацкого станка без механического челнока. Уже разработан станок, в котором нить утка перекидывается струей воздуха.
     
      Проблемы, стоящие перед развивающимися странами
     
      Как заметил Шумахер в своей книге «Малое — прекрасно», развивающиеся страны испытывают нехватку заводов, оборудования и топлива, но не рабочих рук. Они нуждаются в технике, которая позволила бы им добиться большей независимости и подняться до более высокого жизненного уровня. Шумахер
      назвал такую технику «промежуточной технологией». Потребности «промежуточной технологии» ставят перед изобретателями много интересных и полезных задач, среди которых особого внимания заслуживают следующие:
      1. Насос, приводимый в действие солнечной энергией.
      2. Ветродвигатель с вертикальной осью для приведения в действие насосов. Такой двигатель не нужно ориентировать по ветру; он без труда устанавливается на трубчатой мачте с оттяжками, а мощность отбирается прямо с вала ротора. Ротор может быть сконструирован по принципу откидывающихся лопастей или с лопастями аэродинамического профиля.
      3. Солнечные опреснители соленой воды для орошения пустынь, использующие конденсацию испаренной влаги на внутренней стороне прозрачной полиэтиленовой крыши.
      4. Методы хранения воды в тропических странах с коротким сезоном дождей. Необходимо свести до минимума потери на испарение, которые могут быть значительными при использовании, например, небольших открытых водохранилищ вдоль русла реки. (Уменьшения испарения можно добиться, закрыв поверхность резервуаров слоем плавающих частиц.) Необходимо также найти способ устранить вредные последствия строительства больших речных плотин (заиливание плотин, унос активного ила из верховьев реки, развитие болезнетворных микроорганизмов в стоячей воде).
      5. Энергетическая установка, работающая на любом местном топливе, в частности на хворосте или на некомпостируемых отходах сельского хозяйства. Например, несложный по конструкции паровой двигатель, аналогичный автомобильному, с паровым котлом или газогенератор, работающий на древесном угле и дающий газ для карбюраторного двигателя внутреннего сгорания.
      6. Механическая «лошадь» мощностью в две л. с., у которой для лучшего сцепления с поверхностью задние колеса заменены «ногами» (такая машина могла бы найти применение, например, на рисовых полях).
     
     
      Глава 9
      Разработка изобретения и получение патента
      ЧАСТЬ 1 М. Тринг
      Четыре этапа разработки изобретения
     
      Твердо установлено, что из десятка изобретающих новую вещь или технологию лишь одному удается довести свое дело до конца. Каждый изобретатель, которому приходилось сталкиваться с внедрением нового в практику, знает, что после того, как он корректно сформулировал задачу и нашел для нее подлинно оригинальное решение, его работа только начинается. На следующем этапе ему нужно убедить хотя бы нескольких человек из числа власть имущих, что его изобретение действительно будет работать. Затем он должен показать, что это изобретение экономичнее существующих машин или технологии. И только после этого можно представлять изобретение на рынок и выяснять, действительно ли оно удовлетворяет насущную потребность людей.
      Можно выделить четыре этапа разработки изобретения (рис. 9.1). Впрочем, во многих случаях первый этап оказывается или пройденным, или ненужным, или же осуществляется спустя много лет после внедрения изобретения. Под первым этапом мы понимаем лабораторную работу, необходимую для выяснения физических и химических закономерностей, лежащих в основе изобретения. Необходимо, к примеру, проверить, не противоречит ли новая идея принятой интерпретации первого и второго законов термодинамики, то есть не пытаемся ли мы получить энергию из ничего или из тепловой энергии окружающей среды при постоянной температуре. Если в основе изобретения лежат химические реакции, требуется выяснить знак и величину энергии реакции (иными словами, является ли она эндотермической или экзотермической) и величину энергии активации. В качестве примера изобретений, сделанных задолго до такого рода исследований, можно сослаться на использование огня (реакция горения) и изготовление стекла. Физико-химические свойства стекла изучены в лаборатории лишь в последние полвека, между тем как стеклянные украшения, сделанные путем сплавления песка с золой и солью, были еще у египетских фараонов. Противоположный пример дает нам получение электричества с помощью управляемой реакции расщепления ядра. Атомную бомбу можно было сделать сразу после того, как в лаборатории открыли, что выделяющиеся при делении ядер урана нейтроны позволяют осуществить цепную реакцию деления ядер. Но для управления ядерной реакцией в целях ее мирного использования понадобилось детально исдледовать, как ведут себя изотопы урана U238 и U235 при бомбардировке быстрыми и медленными нейтронами.
      Все производство полупроводниковых приборов основано на сделанных в лаборатории фундаменталь-ных открытиях в области физики твердого тела, так же как в основе электронной лампы лежало открытие Эдисоном электронного потока в вакууме, исходящего от раскаленной нити.
      Через вторую ступеньку на лестнице разработки изобретения переступить нельзя. На этом этапе изобретение впервые реализуется «в металле». Идея начинает претворяться в жизнь, когда строится действующая модель и нужно ответить на вопрос: «Будет ли это работать?» Для создания такого механизма, как «шагающая сороконожка», новых фундаментальных знаний не требуется и работу поэтому можно начинать прямо со второго этапа.
      Первую действующую модель, или прототип, не обязательно выполнять в натуральную величину — часто ее строят в уменьшенном масштабе для экономии средств и времени. Правда, иногда удобнее выполнить модель в увеличенном масштабе. Но в любом случае требуется гарантия, что успешная работа масштабной модели будет свидетельствовать об успешной работе реального устройства. В таких устройствах, как ядерный реактор или МГД-генератор, где рабочий процесс происходит в объеме, а нежелательные явления — на поверхности, увеличение размеров улучшает работу установки, тогда как при увеличении размеров, например трактора, его гусеницы занимают все большую часть находящейся под трактором земли и тем самым ограничивают предельный вес. Аналогично можно разработать топливный элемент мощностью в несколько киловатт, но трудно представить себе такую установку мощностью в 1 ГВт. Следовательно, топливные элементы могут использоваться для обеспечения энергией отдельных домов, но непригодны для большой центральной электростанции. С другой стороны, ядерные реакторы и МГД-генераторы для успешной работы требуюТ строительства еще более мощных электростанций, нежели существующие. Поэтому инженер, работающий над изобретением, должен очень хорошо знать законы подобия [17].
      При разработке новых технологических процессов химического производства в энергетике, металлургии и т. п. под моделью обычно имеют в виду небольшое опытное производство. Когда я разрабатывал в Англии процесс непрерывной переработки стали, минимальные размеры производственной установки определялись наименьшей величиной рабочего канала с пламенным подогревом, при которой тепловые потери еще не превышали подводимого тепла. Такой канал имел диаметр всего 10 см, причем производительность установки составляла 3 т/ч. И здесь мы прежде всего стремились доказать, что установка работает и дает продукцию.
      Пока такого рода работа не завершена, бессмысленно производить какие-либо экономические оценки, поскольку не известны ни капитальные затраты на установку заданной мощности, ни необходимые материалы, ни целый ряд других вопросов, в частности вопрос о надежности и стоимости обслуживания. На все из них необходимо получить ответ прежде, чем начнутся бухгалтерские расчеты. Преждевременные экономические оценки — большая ошибка. Я столкнулся с этим, когда в 1965 году предложил проект механического «крота»-шахтера. Совет углепромышленников признал его экономически невыгодным. Лишь через пять лет выяснилось, что это решение было вызвано следующими соображениями: когда
      подход к угольному пласту роют управляемые человеком механизмы, а крепи ставятся вручную, затраты не окупаются стоимостью добытого угля. А поскольку предложенная мной машина с дистанционным управлением не была построена и испытана, такую оценку сделать было невозможно.
      Не приходится сомневаться, что ни паровая турбина Парсонса, ни электрическая лампа Эдисона, ни процессы производства стали Бессемера и Сименса, да и большинство других великих изобретений, никогда не были бы разработаны до конца, возьмись какая-нибудь официальная комиссия за преждевременную оценку их экономического эффекта.
      Поэтому следует еще раз подчеркнуть, что на вопросы, связанные с экономическим эффектом изобретения, можно отвечать лишь на стадии экспериментального производства. К таким вопросам относятся:
      1. Себестоимость. Какие наиболее дешевые материалы и технологические процессы дают хорошие результаты при изготовлении необходимого количества деталей?
      2. Эксплуатационные расходы: ожидаемый к. п. д., потребление горючего, производительность, стоимость обслуживания и предполагаемое время простоев.
      3. Расчетный срок службы. Этот параметр с трудом поддается оценке, так как зависит от непредсказуемых факторов, которые могут возникнуть в экономике будущего (инфляция, депрессия). Однако инженер-конструктор должен позаботиться о том, чтобы все детали и узлы были рассчитаны на такой срок эксплуатации, в течение которого, по его мнению, еще не исчезнет нужда в создаваемой им машине.
      На горьком опыте познаешь, что отказ от выпуска небольшой серии при переходе от пробного экземпляра к массовому производству качественно новых изделий приводит к огромным затратам времени и средств. Именно из-за этой ошибки многим автомобилестроительным фирмам приходится переделывать тысячи уже проданных машин, когда выясняется, что в их конструкцию вкрался порок, не замеченный при испытаниях единственного образца. Серийные образцы — это десяток или более моделей, сделанных из тех же материалов и, если возможно, по той же технологии, которые будут применяться в массовом производстве. В ходе испытаний серийных образцов не только увеличивается вероятность обнаружения конструкторских недоработок; у разработчика остается время, чтобы, пока не поздно, внести изменения в материалы и технологию. Поскольку в автомобилях и других машинах, рассчитанных на длительную эксплуатацию, неполадки чаще всего объясняются усталостью материала, коррозией и чрезмерными нагрузками, необходима длительная эксплуатация серийных образцов или же испытания очень большого количества этих машин для предотвращения преждевременных отказов при массовой эксплуатации.
     
      Поэтапная работа над изобретением
     
      На рис. 9.2 показано примерное распределение по времени четырех этапов работы над изобретением. За начало отсчета примем момент, когда изобретатель заручается финансовой поддержкой. Все необходимые лабораторные исследования должны начаться сразу так же, как и-работа над конструированием образца или созданием небольшого экспериментального производства. Экспериментальное производство проектируется для изобретений, являющихся основой новых технологических процессов — химических, сельскохозяйственных, пищевых, металлургических, а также способов переработки -топлива. Если же речь идет о новой машине, то на втором этапе изобретатель занимается изготовлением образца.
      Только после того, как испытания модели подтверждают правильность идеи или экспериментальное производство дает первую продукцию, можно переходить к третьему этапу, основываясь на данных предварительных испытаний. Поскольку работы, относя-
      щиеся ко второму этапу, будут по-прежнему полезны для доработки конструкции и внесения в нее существенных изменений, второй и третий этапы будут перекрываться по времени. Масштаб времени на рис. 9.2 условный: единицы на оси времени необходимо умножать на некоторый коэффициент. В быстро развивающейся отрасли, где экспериментальную стадию можно пройти за очень короткий срок (электроника, вычислительная техника), этот коэффициент оказывается малым.
      Чаще всего на переходе от второго этапа к третьему изобретатель отходит на задний план и не котируется в качестве руководителя работ. Это объясняется тем, что в одном лице почти никогда не удается сочетать способности собственно изобретателя, финансиста и коммерсанта. Изобретение, как правило, нуждается в двух «крестных отцах», один из которых имеет опыт финансовой деятельности, а другой обладает терпением, настойчивостью и умением обходиться с людьми, что необходимо для достижения коммерческого успеха.
      Работу над любым по-настоящему крупным изобретением на каждом этапе можно уподобить азартной игре. Но каждый последующий этап обходится по крайней мере в десять раз дороже предыдущего, поэтому необходим какой-то критерий, позволяющий решить, стоит ли переходить к новому этапу или продолжать работу на данном, если стоимость рабоу, как это всегда бывает, неожиданно возрастет. Таким примерным критерием может служить следующая формула [18]:
      Эта формула по крайней мере качественно связывает три важных фактора, влияющих на решение, а именно:
      А — ожидаемый выигрыш в денежном выражении при успешном завершении работы над изобретением;
      В — вероятность успеха (простая дробь);
      С — расчетная стоимость оставшихся работ.
      Разумеется, оценка каждого из этих факторов в значительной степени субъективна, поэтому ее лучше делать коллегиально. При этом очень важно, чтобы у комиссии не было предвзятого мнения ни в пользу изобретения, ни (что случается гораздо чаще) против него. По утверждению Филдена, процесс производства полированного стекла путем отливки стеклянной массы на поверхность расплавленного свинца никогда не получил бы практического воплощения, не принадлежи изобретатель к роду Пилкингтонов, ибо работа над изобретением потребовала столь крупных затрат, что пессимисты наверняка прекратили бы ее задолго до того, как удалось решить главные проблемы.
      Оценку фактора А — ожидаемого выигрыша — в идеальном случае должен предлагать человек, сведущий в денежных делах, чей энтузиазм сочетается с деловым чутьем. Лучше всего, если в этой роли выступает директор организации, которая уже ведет работы над изобретением или намеревается их начать на стадии экспериментального производства или серийного образца. Если он к тому же является и «судьей», то есть председателем комиссии, решающей судьбу изобретения, то в его силах позаботиться о том, чтобы представители «обвинения» (члены комиссии, предпочитающие работать по старинке или вообще выступающие против любых новшеств) не были чрезмерно пессимистично настроены и не застопорили бы работу. При оценке фактора В изобретатель выступает в роли «защитника», но его оценка вероятности успеха всегда оказывается завышенной, тогда как по оценке «обвинения» она нередко вообще равна нулю. Здесь особую важность приобретает позиция председателя комиссии: именно он оценивает объективность выдвигаемых каждой стороной аргументов и дает изобретателю время для разработки способов преодоления трудностей, на которые особенно настойчиво будет указывать «обвинение».
      Расчет стоимости оставшихся работ (фактор С) производит инженер-проектировщик; лучше, если это делает не сам изобретатель, а второй «крестный отец» изобретения. Очен-ь полезно, чтобы он занимал
      такое служебное положение, при котором в случае удачной реализации изобретения он получал бы повышение, а в случае неудачи разделял ответственность, лежащую на всех членах комиссии. Однако если ра-боты над изобретением прекращаются по не подвластным проектировщику причинам — скажем, по политическим мотивам или из-за внезапного истощения источников природного сырья, то неудача никак не должна сказаться на его карьере.
      Требование, чтобы безразмерное отношение Ау(В/С было больше трех, а не единицы, выдвигается с учетом некоторой неопределенности оценок, а также, в расчете на то, что успешные изобретения покрывают затраты на неэффективные проекты. Поскольку расходы на первом этапе даже при работе над крупными изобретениями не превышают нескольких сотен тысяч фунтов стерлингов, мы с полной уверенностью можем признать полезность научных изысканий, весьма тщательно проводимых в научно-исследовательских секторах университетов. Часто эти изыскания финансируются промышленными кругами или правительством, которые не ожидают от них прямой выгоды или довольствуются весьма неопределенной перспективой. Так, например, лабораторные исследования, связанные с получением пищевого белка из листьев, проводятся уже пятьдесят лет, но только сейчас начинают приносить первые плоды.
     
      Второй этап
     
      С началом второго этапа работы над изобретением (постройка образца, его испытания, проверка и усовершенствование) необходимо создать хотя бы подобие комиссии по разработке изобретения и провести оценку по приведенной выше формуле. Расходы на этой стадии могут составлять несколько сотен фунтов стерлингов, а если изобретатель в состоянии построить первые модели в домашней мастерской, и того меньше. Такие модели лучше всего делать из самых податливых, легко обрабатываемых материалов, прочности которых едва хватает для проверки основной идеи; здесь не нужно заботиться о таких
      второстепенных эффектах, как усталость материала или вибрации. Ими можно заняться позже, непосредственно перед демонстрацией изобретения.
      Такие изобретения, как усилители рулевого управления для автомобилей или навесные сельскохозяйственные орудия Фергюсона для тракторов, даже на стадии первых моделей нужно выполнять в хорошо оснащенной мастерской, по тщательно сделанным чертежам и с учетом расчетов на прочность. Но и здесь очень помогают макеты, иллюстрирующие лишь принцип действия и построенные из деталей детского механического конструктора или с помощью появившихся в последнее время наборов для технического моделирования. Я нередко делаю макеты из дерева, проволоки и полосок алюминия просто для того, чтобы иметь что-то объемное перед глазами при обсуждении проекта с чертежниками. А в случае таких сложных проектов, как телеуправляемая система для добычи угля, небольшая хорошо выполненная модель оказывается очень полезной при переговорах с людьми, от которых зависит финансирование изобретения.
      Разработки в области химической технологии, энергетики или металлургии связаны с созданием небольшого экспериментального производства, где проводятся первые испытания с использованием тех же исходных материалов и при тех же давлениях и температурах, которые предполагаются в окончательном варианте проекта. Такая работа длится несколько лет и требует вложения сотен тысяч фунтов стерлингов.
      Эксперименты, которые необходимо проводить на втором этапе разработки, принципиально отличаются как от классических научных экспериментов с одним параметром, так и от статистических экспериментов с многими переменными. В классическом эксперименте одной независимой переменной придают множество различных значений и строят графики зависящих от нее величин, а все прочие параметры поддерживаются постоянными. Подобные эксперименты следует планировать с таким расчетом, чтобы выявить гистерезис (влияние на результат опыта предыдущего
      значения независимой переменной), временную зависимость и случайный разброс.
      В статистическом эксперименте обычно изменяется несколько независимых переменных; чаще всего в отдельных сериях испытаний им придают одно из двух фиксированных значений. Надлежащее планирование эксперимента позволяет выявить не только основную закономерность, но и эффекты второго порядка.
      На второй стадии работы над изобретением обычно проводят одно испытание, причем всем независимым рабочим параметрам придают те значения, которые ожидаются в окончательном варианте проекта, а параметры конструкции выбираются так, чтобы установка работала в предположительно оптимальных условиях, После испытания небольшая рабочая группа, обязательно включающая изобретателя и инженера-проектировщика,, собирается на совет и решает, какие параметры конструкции можно изменить для улучшения ее работы. Разработчикам следует помнить, что до перехода к третьему этапу они должны добиться значительного успеха на втором этапе экспериментов, проведение которых лимитировано временем и отпущенными средствами.
     
      Э. Лейтуэйт
      Изобретения, патенты и юридические процедуры
     
      Патентовать свои идеи — самый верный и легкий способ выбросить деньги на ветер. Мы считаем своим долгом поделиться с читателем этой книги собственными знаниями в этой области и накоплен ным опытом. Изобретение и патент — вещи совершенно разные. Первое основано на идеях и воображении. Принято считать, что способность изобретать — единственное, что отличает человека от других животных. (Мы могли бы высказать и другие соображения по этому поводу, но им здесь не место?) Второе — одна из сторон гражданского права.
      Для начала стоит вспомнить, что миллионы патентов уже выданы. Сопоставьте это с тысячами миллионов людей, имевших возможность придумать что-то новое, и вероятность высказать оригинальную мысль покажется ,вам не большей, чем вероятность выиграть 300 ООО фунтов стерлингов в футбольном тотализаторе. Но если вы не заполните карточек тотализатора, то уже заведомо ничего не выиграете? Даже удивительно, насколько просты некоторые удачные изобретения, скажем, за один 1976 год.
      Если же говорить более серьезно, то хотелось бы дать читателю такой совет: лучше пожалеть об упущенной возможности, чем потерять все свои сбережения. Поэтому, прежде чем вкладывать деньги в разработку той или иной пришедшей вам в голову идеи, посоветуйтесь с опытным человеком, которому вы доверяете. Существуют так называемые «предварительные заявки»; оформление такой заявки стоит недорого (всего 1 фунт), а защищает она права изобретателя от «пиратов» и не слишком порядочных бизнесменов в течение года. Но в эту сумму не входит оплата услуг лица, которое помогло бы так изложить суть вашего изобретения, чтобы защитить вас от конкурентов и в то же время не ограничить ваших возможностей (а ведь составление заявки поистине подобно хождению по минному полю). Квалификация профессионала-патентоведа очень высока — от него требуется университетский диплом хотя бы по одной технической специальности плюс знание законов на уровне адвоката. Вряд ли поэтому стоит удивляться, что за свои услуги они берут немалые деньги.
      Мы сочли, что лучшим введением к разделу о патентных законах — не только интересным, но и поучительным — может послужить краткая история пред мета, уложенная в несколько страниц. Это даст возможность новичку ознакомиться с терминологией и, как я надеюсь, будет любопытно и для более опытных читателей.
      Происхождение патентов — как, впрочем, и происхождение изобретения, самого человека, Земли и Вселенной — покрыто мраком. Хотя патенты придуманы человеком, произошло это не под звуки труб и барабанов и не по велению законодательного акта. По утверждению Гёте, патенты на изобретения «придуманы англичанами, которые из всего пытаются извлечь выгоды и преимущества для себя».
      Хотя Бенджамин Тудельский упоминает об исключительной привилегии на окраску тканей, относящейся еще к XII веку, большинство исследователей сходятся на том, что начало патентам (если таковое возможно найти) положил мэр города Бордо, даровавший в 1236 году привилегию на исключительное право изготовления тканей по английским и фламандским образцам на пятнадцать лет. (Пятнадцатилетний срок соответствует и современным порядкам, но это всего лишь совпадение.) Тот факт, что привилегию подтвердил король Генрих III (бывший в то же время герцогом Гасконским), придал ей, по-видимому, еще больший вес. Фрумкин отмечает, что такая привилегия напоминала патент, но не являлась им в современном смысле, поскольку не относилась к конкретному изобретению.
      Король Эдуард III начал выдавать фламандским ткачам «охранные грамоты», стремясь привлечь их в Англию; первая такая грамота относится к 1331 году. Как утверждают, первый английский «патент на изобретение» был выдан в 1449 году Генрихом VI Джону Утинэму, изготовлявшему матовые оконные
      стекла. Этот патент относится к категории «патентов на импорт»; в настоящее время такие патенты сохранились только в Бельгии, Испании и Латинской Америке.
      Принято считать, что подлинное начало английской патентной системе было положено патентом на нормандское стекло, выданным Генри Смиту в 1552 году. Впрочем, Э. Гульм в своих классических заметках по истории патентного дела к числу первых относит патент, выданный в 1561 году двум иммигрантам на производство кастильского мыла. Первые семь патентов, перечисленные Гульмом, были выданы на 10 или 20 лет. На континенте патенты выдавались сроком на. 7 и 14 лет и 21 год. Позднее срок действия патента, кратный семи годам, был принят повсеместно. В 1853 году были собраны и каталогизированы английские патенты на изобретения начиная с 1617 года. Гомм в превосходном исследовании происхождения и развития патентной системы замечает [19]:
      «Нашему взгляду открывается лишь скелет — мы можем узнать, когда и кому выдан патент, но почти ничего не знаем о самом изобретении, о его принципе действия. Документ, в котором содержатся эти сведения — описание изобретения, о котором мы до сих пор почти не вспоминали, — будет теперь в центре нашего внимания. Описание изобретения исторически появилось в патентной литературе довольно поздно, но в наши дни оно стало основным патентным документом, имеющим большую техническую и коммерческую ценность.
      Описание изобретения — это документ, в котором патентуемое изобретение излагается настолько полно и детально, что всякий сведущий в данном вопросе человек может понять его и применить на практике, не прибегая к дальнейшему экспериментированию. В сам патент оно не входит, но патент ссылается на описание как на обязательное приложение. Несоответствие описания установленным правилам делает патент недействительным. В Англии описание изобретения вошло в практику патентного дела лишь в первой половине XV1H века, но с этого времени н до 1852 года (а в некоторых случаях — до 1883 года) отсутствие описания в течение установленного срока вело к аннулированию патента...»
      Упомянутое условие содержало требование, чтобы описание изобретения и его принципа действия было представлено в Королевскую канцелярию; в противном случае патент признавался недействительным. Считается, что первое описание было представлено Джоном Насмитом в октябре 1711 года. Его изобретение относилось к приготовлению и сбраживанию 206
      сусла из сахара и черной патоки. В патенте содержалось требование представить описание в течение определенного срока. Такая практика существовала более столетия (до 1884 года); однако поправка к закону о патентах от 1852 года совершила переворот в патентном деле и явилась важным шагом на пути к современной патентной системе.
      С 1852 года авторское право стало признаваться не с момента выдачи патента, а со времени подачи заявки. Изобретателю разрешалось представить полное описание изобретения после подачи заявки; таким образом, он мог быть спокоен за свое изобретение: оно либо оказывалось никчемным, либо было защищено с самого начала. По-прежнему разрешалось представлять полное описание после выдачи патента, но краткое, или временное, описание необходимо было представить вместе сзаявкой. Вместе с заявкой можно было представить и полное описание, но если оно не раскрывало сущности изобретения, то заявка признавалась недействительной.
      Указанные изменения в патентной системе сделали ее очень близкой к современной практике, когда в течение 12 месяцев с момента подачи сокращенного варианта необходимо представить полное описание изобретения. Как и все патентное дело, описания изобретений возникли в патентной документации не вдруг. Краткие описания, за которыми не последовали полные, публиковались до 1883 года; с 1883 года их не публиковали, а потому они не стали достоянием широкой публики. Краткое описание позволяет заявителю закрепить свой приоритет на изобретение, которое он затем излагает подробнее и регистрирует это описание за символическую плату. Тем самым он закрепляет свой приоритет и имеет в распоряжении ровно год (за дополнительную плату этот срок можно увеличить до 15 месяцев) на окончательную доработку идеи, которая будет представлена в полном описании. Однако он не имеет права включать туда новые идеи, не отраженные в кратком варианте. Впрочем, если изобретение в значительной степени основано на прежней запатентованной разработке того же автора, изобретатель вправе просить о выдаче так называемого «дополнительного патента».
     
      Изменения патентной системы в 1975 году
     
      Когда эта книга сдавалась в печать, в Англии был издан законопроект о реформе в области патентного дела. Реформа предусматривает ратификацию Кон венции Европейского совета по унификации ряда по Ложений патентного права, Европейской (Страсбургской) патентной конвенции и Международного договора о патентном праве. Если этот закон будет принят, ,то в патентном деле произойдет ряд изменений, среди которых хотелось бы упомянуть следующие:
      1. Каждое описание будет требовать отдельной заявки (в настоящее время при подаче полного описания отдельной заявки не требуется).
      2. Заявка сама по себе будет служить основанием для установления приоритета перед другой заявкой, поданной не позднее чем через год.
      3. Заявка может основывать приоритет на одной или нескольких отечественных или иностранных заявках, поданных не ранее чем за год до нее.
      4. За небольшую плату заявитель получает право зарегистрировать свою заявку вместе с описанием (как сейчас в случае краткого описания). Описание не обязано содержать формулы изобретения (как и краткое описание в настоящее время), но в течение года заявитель должен провести патентный поиск (и уплатить за это немалые деньги). По существу, этот порядок мало чем отличается от прежнего, поскольку сейчас полное описание должно содержать формулы изобретения, если они не были включены в краткое описание.
      5. Вместо этого изобретатель может в течение года подать новую заявку, основывая ее приоритетна предыдущей (это облегчает введение в заявку новых идей). За это взимается небольшая плата; предыдущая заявка по просьбе заявителя может быть аннулирована.
      6. Для ускорения обработки заявок исследование на патентную чистоту будет проводиться отдельно от проверки технической стороны изобретения.
      Патентный эксперт по-прежнему будет иметь право требовать внесения поправок в описание и отказывать в выдаче патента при невыполнении этого
      требования. Другие изменения носят более специаль ный характер, и изобретателя, желающего самостоя-тельно выполнить описание своего изобретения, мы отошлем к законопроекту и изданной в дополнение к нему брошюре с разъяснениями.
      Надеюсь, что эта краткая историческая справка помогла читателю уяснить основные положения британского патентного права, так что нам не придется в следующих разделах этой главы (которые написаны с учетом правил, существовавших до 1975 года) прибегать к слишком специальной юридической терминологии.
     
      Формула изобретения
     
      Краткое описание изобретения, как и явствует из этого словосочетания, лишь в общих чертах характеризует разработку с целью установления приоритета. Полное же описание заканчивается списком формул, начинающимся со слов: «Мое (наше) изобретение заключается в следующем...». За этим следуют пронумерованные формулы изобретения, первая из которых максимально широкая, а последняя обычно настолько узка, что, будь она единственной формулой в описании, она не имела бы никакого смысла Обычно она просто гласит: «Всякая конструкция, построен-ная в соответствии с приведенными чертежами...».
      Вторая формула может зависеть от первой. В таком случае ее начинают, например, так: «Двигатель по п. 1, в котором...». Но она может отражать и иное воплощение той же идеи и быть совершенно независимой от первой (к примеру, это может быть цилиндрический вариант механизма, который в первой формуле был описан как плоский). За формулой, в которой сужается понятие изобретения, очерченное в первой формуле (например, за формулой п. 7), могут последовать еще более конкретные формулы — скажем, пп. 9 — 11, каждая из которых начинается словами: «Устройство по п. 7...». При этом формула п. 8 может совершенно не зависеть от формулы п. 7. Когда конкретизирующие п. 7 формулы будут исчерпаны, за ними могут пойти формулы, к примеру пп. 14 — 16, начинающиеся словами: «Устройство по п. 8...». И так можно продолжать до бесконечности.
      На эту систему формул можно взглянуть и по-иному, сравнив ее с принятой у биологов системой классификации по двум признакам или с генеалогическим древом. Затруднения, правда, могут возникнуть в случае, если, например, формула п. 24 начинается со слов: «Устройство по пп. 1, 2, 8 и 17, в котором...» или даже «Устройство по любому из вышеперечисленных пунктов, в котором...».
      Последними помещаются наиболее конкретные формулы, которые почти всегда независимы и обычно гласят: «Устройство, созданное в соответствии с настоящим описанием и показанное на рис. 2, 3, 5 прилагаемых чертежей...» и т. п. с перечислением всех прилагаемых чертежей. Последняя формула может быть и самой простой: «Устройство, выполненное в соответствии с настоящим описанием и прилагаемыми чертежами». Разбиение чертежей на отдельные группы по разным формулам предпочтительно потому, что некоторые из них могут быть признаны не имеющими новизны, и тогда их изъятие может привести к отказу в патенте. Разбивать рисунки на группы или нет — должен решать составитель заявки.
      Принцип составления формул изобретения в общем сходен со многими другими юридическими процедурами, где внимание обращается не столько на факты, сколько на то, чтобы любыми средствами добиться своей, цели.
      В качестве иллюстрации рассмотрим простой пример, придуманный специально для этого случая. Допустим, некто решил изобрести новый дверной шарнир, автоматически закрывающий дверь. Он может сформулировать свое изобретение так:
      1. Дверной шарнир, снабженный механизмом, прилагающим к двери вращательный момент в случае, когда она находится в отличном от закрытого положении, что вызывает закрывание двери.
      2. Дверной шарнир по п. 1, причем одна часть шарнира закреплена на дверной раме, а другая — собственно на двери.
      3. Дверной шарнир по п. 1, в котором весь механизм закрывания помещается на двери.
      4. Дверной шарнир по п. 1, в котором весь механизм закрывания размещен на дверной раме.
      5. Дверной шарнир по п. 1, в котором одна часть механизма закрывания размещена на двери, а другая — на дверной раме.
      6. Дверной шарнир по любому из названных пунктов, в котором частью механизма закрывания является пружина.
      7. Дверной шарнир по п. 6, в котором названная пружина сдела;на из металла.
      8. Дверной шарнир по п. 6, в котором названная пружина сделана не из металла.
      9. Дверной шарнир по пп. 6 — 8, в котором названная пружина имеет спиральную форму.
      10. Дверной шарнир по пп. 6 — 8, в котором названная пружина выполнена в виде рычага.
      11. Дверной шарнир, построенный в соответствии с настоящим описанием и сопровождающими описание чертежами.
      «Генеалогическая» схема взаимосвязи формул показана на рис. 9.3.
      Эксперт патентного бюро смотрит на первую формулу и определяет, не содержится ли в ней уже известных идей. Если таковые находятся, он отвергает первую формулу как «не обладающую достаточной новизной». Приведенный нами пример мог оказаться в патентном ведомстве и в 1800 году, поскольку идея пружинного дверного закрывателя самоочевидна. Даже в этом случае под формулу п. 1 подходит дверь наподобие люка в полу, крышка которого закрывается под действием силы тяжести. Поэтому формулу п. 1 следует признать непатентоспособной. Формулы пп. 2 — 5 не столь широки, как формула п. 1, но любая из них также может быть отвергнута, если эксперт найдет более ранний патент или соответствующую публикацию или же сможет доказать, что данная конструкция общеупотребительна,
      «Сражение» продолжается до тех пор, пока не будет найдена формула, которую эксперт не отклонит. Зависимые от нее формулы почти наверняка также будут оставлены, однако их задача — всего лишь не допустить, чтобы варианты конструкции могли стать предметом «чужого» изобретения. Даже в 1800 году
      Рис. 9.3. Блок-схема взаимосвязи отдельных формул в гипотетическом патенте на дверной шарнир.
      автор такой заявки едва ли мог надеяться, что формулы пп. 1 — 5 будут приняты — -в них скрыта попытка проверить, может ли его изобретение успешно конкурировать с другими. В приведенном примере его изобретение заключается в использовании пружины, и он возлагает надежды на то, что будет пропущена формула п. 6, а с ней и все последующие. Однако, полагаясь на п. 6, он многое упустил: например, он мог бы ввести отдельную формулу, отражающую использование пневматического цилиндра вместо пружины, и это значительно укрепило бы п. 5, который в этом случае мог бы даже пройти.
      Теперь рассмотрим реальный пример, взаимосвязь формул которого иллюстрирует рис. 9.4. Изобретение
      относится к возвратно-поступательному электродвигателю, описанному в гл. 10, ч. 2.
      Суть нашего изобретения сводится к следующему:
      1. Индукционный электродвигатель, имеющий линейный статор с обмотками, взаимодействующий с линейно движущейся подвижной частью,
      Рис. 9.4. Блок-схема взаимосвязи формул в приводимом примере патента.
      причем электрическое соединение обмоток статора таково, что поле статора перемещается к центру от обоих концов статора, что позволяет осуществить возвратно-поступательное движение линейно движущейся подвижной части с постоянной амплитудой, при этом магнитное притяжение подвижной части к статору уменьшается за счет применения второго линейного статора с обмотками, расположенного параллельно первому статору, причем линейно движущаяся подвижная часть совершает возвратно-поступательное движение в промежутке между двумя статорами.
      2. Индукционный электродвигатель но п. 1, в котором линейно движущаяся подвижная часть установлена так, что она находится ближе к верх- нему статору, чем к нижнему.
      3. Индукционный электродвигатель по пп. 1 и 2, в котором подвижная часть изготовлена из неферромагнитного электропроводного материала.
      4. Ткацкий станок, на основе индукционного электродвигателя по любому из предшествующих пунктов, осуществляющего рабочее перемещение челнока, причем челнок состоит из тонкой полоски неферромагнитного электропроводного материала, на которой укреплена челночная бобина.
      5. Ткацкий станок по п. 4, у которого горизонтальная стабилизация положения челнока при работе с бёрдом осуществляется путем смещения утонченной части челнока относительно обоих статоров.
      6. Ткацкий станок по п. 4, у которого горизонтальная стабилизация положения челнока при работе без бёрда- осуществляется путем устройства двух промежутков между обмотками нижнего статора.
      7. Ткацкий станок по п. 4, имеющий вращающийся механизм, осуществляющий образование зева основы и прибивание нитей утка синхронно с движением челнока, причем предусмотрен периодический способ преобразования энергии челнока в энергию, обеспечивающую шаговое движение названного вращающегося механизма.
      8. Ткацкий станок по п. 7, в котором челнок в крайних положениях приводит в действие храповик.
      9. Ткацкий станок по п. 7, в котором неферромагнитный челнок в крайнем положении проходит между полюсами MarHHTaj расположенного на оси, чем приводит магнит в движение, вместе с осью, каковое движение используется для обеспечения шаговой работы названного вращающегося механизма.
      10, Индукционный электродвигатель в. соответствии с настоящим описанием и рис. 6 прилагаемых: чертежей.
      11. Ткацкий станок в соответствии с настоя щим описанием и прилагаемыми чертежами.
      Язык и стиль патентов
      Цель составителя заявки — как можно шире из дожить свою идею, по мере возможности избегая двусмысленности. Поскольку ничто так не способствует двусмысленности толкования, как запятые, их стараются избегать, и текст заявки начинает звучать наподобие священного писания. Но в отличие от Библии предложения здесь оказываются очень длинными, одно придаточное нагромождается на другое, так что читателя так и подмывает воскликнуть в отчаянии (как воскликнул на одном из конгрессов переводчик-англичанин после непрерывной полутораминутной фразы немецкого делегата): «Ради всего святого, глагол???»
      Нужно что-то сделать, чтобы избавить заявителя и эксперта от необходимости описывать такие явления, как электромагнитная индукция: это раздуло бы описание изобретения на тысячи страниц. По общему соглашению в таких случаях пользуются спасительными фразами. Они, как правило, заканчиваются словами: «...что нетрудно понять специалисту». От каких только сложностей не спасает эта фраза? К «словам-прикрытиям» относится и «средство» в выражениях типа «средство крепления», «средство вращения», «средство перемещения» и тому подобных.
      Такие слова, как «несколько», «немного», «много», также ведут к двусмысленности, и их не пропустит ни один юрист-патентовед. Один есть один, а больше одного — множество, разве что два можно назвать парой. Из-за юридических тонкостей в патентах постоянно встречаются слова «названный», «вышеупомянутый» и «настоящим вышеописанный», чтобы избежать двусмысленного толкования ссылок на предыдущие положения. По той же причине обычно пишут не «другой», а «второй», а первую ссылку так и называют первой.
      Нередко изобретатель опасается, что кто-нибудь возьмет его патент, изменит небольшую деталь (к
      примеру, «90°» хитрец переправит на «между 85 и 95°», избегая прямого упоминания о 90°) и будет преспокойно им пользоваться. Хотя приведенный пример вряд ли будет оправдан судом, заявитель часто старается обезопасить себя использованием таких выражений, как «практически коаксиальный» (хотя он знает, что всегда будет соблюдаться строжайшая коаксиальность) или «вблизи одного конца» (хотя на самом деле то, что он имеет в виду, будет всегда на конце) и т. п.
     
      Мода и слог патентов
     
      По-видимому, язык юристов всегда отставал от разговорного языка. Однако и юридический слог подвержен влиянию моды, и нередко осовременивание стиля убивает прежнее изящество и красоты речи. Достаточно вспомнить знаменитое место из первого послания апостола Павла к коринфянам (стих И, гл. 13), которое в прежнем переводе звучало так: «Когда я был младенцем, то по-младенчески говорил, по-младенчески мыслил, по-младенчески рассуждал». В новом переводе Библии мы читаем: «Когда я был ребенком, моя речь, понимание и мировоззрение были детскими» — и всего-то? Казалось бы, все факты на месте, но кому они теперь нужны? Для таких вещей у немцев есть слово «эрзац», которое было в большом ходу во время второй мировой войны: им обозначали изделия, в известной мере отвечавшие своему прямому назначению, но навевавшие такое уныние, от которого мы так до конца и не оправились.
      В патентной литературе мы также несколько утратили архаичный, но восхитительный стиль. В 1844 году, например, было принято начинать текст патента на первой странице такими словами, как в британском патенте № 10196:
      «Всем, кому попадет в руки сей дар, я, Джозеф Миус из Ладгейт Хилл в городе Лондоне, шлю привет».
      Можно ли придумать лучшие слова, чтобы завоевать расположение читателя? Обновленный вариант этой фразы тоже старомоден, но его уже кос нулась современность:
      «Мы, Эрик Робертс Лейтуэйт из Сербитона (Суррей), У энтвортский тупик, «Сёрклз», и Хью Роберт Болтон из Лондона, Шеффилд Террас 21, оба британские подданные, настоящим объявляем о своем изобретении, на которое покорнейше просим пожаловать нам патент; сущность же изобретения излагается в нижеследующем описании».
     
      Идеи и их приложения
     
      У патентных законов есть два аспекта, которые, на первый взгляд, выражены вполне недвусмысленно и которые, однако, порой приводят к самым сложным противоречиям. Каждый из этих аспектов мы снабдим примером, чтобы пояснить необходимость таких законов в дополнение к здравому смыслу. Они формулируются следующим образом:
      1. Нельзя запатентовать идею в чистом виде.
      2. Нельзя запатентовать новое применение уже известного устройства.
      Первое из этих положений означает, что нельзя, например, запатентовать голословное утверждение: «Предметом моего изобретения является двигатель внутреннего сгорания, использующий воду в качестве горючего». В противном случае множество людей получали бы патенты на подобные вещи в надежде, что в ближайшие лет пятнадцать кто-нибудв действительно изобретет их и окажется связан их патентом. Тем не менее в патентное ведомство поступает множество проектов «вечных двигателей», которые, как известно, неработоспособны и поэтому отклоняются. А если бы первый аспект не использовался и удалось запатентовать «вечный двигатель», то такие изобретения стали бы предметом судебного разбирательства.
      Последний патент на «вечный двигатель» был выдан в Англии в 1856 году К несчастью для ученых
      1 Уже после выхода в свет этой книги в Англии был, наконец, выдан патент № 1510620 на «вечный двигатель». Как ни странно, после патентной реформы изобретателям «вечных мужей и патентных агентов, заявитель обладал достаточными средствами, чтобы после неоднократного отклонения патентным ведомством его заявки дойти со своими апелляциями до палаты лордов, — и палата лордов приняла решение в его пользу. Кому из нас не случалось ошибаться?
      Очень часто встречаются заявки на применение уже известных идей. Допустим, некто изобрел застежку-молнию. Как только его изобретение опубликовано, в патентное ведомство начинают сыпаться заявки на «молнию для застегивания дамских платьев», «молнию для чемоданов», «молнию для мужских брюк», «молнию для наволочек» и так далее до бесконечности.
      Менее очевидно то, что мысль о применении новой идеи к уже известным вещам можно распространить на любой патент, утверждая, что он является просто комбинацией известных технических решений. Пусть изобретатель предлагает использовать для перемещения челнока ткацкого станка установленные в ряд электромагниты, включающиеся последовательно один за другим. Его заявку могут отклонить на том основании, что он просто соединил линейный электродвигатель, запатентованный еще в 1845 году, с автоматическим ткацким станком, запатентованным и того раньше. Справедливость второго аспекта можно понять, поскольку нетрудно представить себе этакого барышника, который загребает деньги, еженедельно упражняясь в комбинировании известных идей. Но где же здесь провести границу? Такая система может выйти боком для человека, который, скажем, изобрел способ управления аппаратом на воздушной подушке с помощью струй воздуха, выпускаемых из сопел, расположенных в различных местах аппарата. Эксперт патентного бюро может заявить ему: «Аппараты на воздушной подушке известны. Реакция воздушной струи известна. В своем изобретении вы лишь соединили вместе известные принципы».
      Именно в таких ситуациях накаляются страсти.
      двигателей» стало проще получить патент, поскольку прежнее требование «соответствия известным законам природы» заменено требованием «практической полезности», — Прим, перев,
      споры между заявителем и экспертом принимают затяжной характер и отнимают много времени и средств: ведь оба — и заявитель, и эксперт — обыкновенные смертные, коим свойственно ошибаться.
      Высказанные в этом разделе мысли, казалось бы, можно обобщить в одном утверждении: «Нельзя патентовать просто идею или просто ее приложение. Можно получить патент лишь на конструкцию», В целом это верно, но и к конструкциям предъявляется множество требований, а в понятие новизны неизбежно вносится элемент субъективизма, сколь бы опытны ни были эксперты, разбирающие дело. В конце концов патентные проблемы — всего лишь частный аспект в сфере гражданского права.
     
      Отказы и неудачи
     
      Отдельная формула, несколько формул или вся заявка могут быть отклонены по целому ряду причин. Эти причины перечислены в ст. 32 английского закона о патентах от 1949 года — «Основания для отказа». Приводим краткое их перечисление.
      1. Содержание данной заявки уже было предметом другой, более ранней заявки.
      2. Заявитель не правомочен обращаться в патентное ведомство.
      3. Информация, составляющая сущность изобретения, получена заявителем нечестным путем.
      4. Заявка не содержит собственно изобретения, (В данном контексте изобретение определяется следующим образом: «Всякая новая конструкция, являющаяся предметом патентов и привилегий по ст. 6 «Закона о монополиях», а также всякий новый метод испытаний, направленный на улучшение производства или управления производством и новый способ производства».)
      5. Идея не обладает новизной. В этом, случае эксперт направляет заявителю подтверждающие отказ факты, и заявитель может оспаривать мнение эксперта.
      6. Идея самоочевидна (не составляет изобретения). Это мнение можно оспаривать вплоть до апелляционного суда высшей инстанции.
      7. Идея бесполезна. Ясно, что подобное утверждение также весьма спорно.
      8. Изобретение описано недостаточно полно или описывается не в самом лучшем известном заявителю виде (заявитель не имеет права утаивать какие-либо аспекты изобретения, которые в дальнейшем могут дать ему превосходство в полемике с экспертом).
      9. Изобретение основано на неверных предпосылках. Упомянутый патент на «вечный двигатель» был все же выдан, поскольку у заявителя нашлись средства, чтобы довести спор до высшей инстанции. Так что и этот довод можно оспорить.
      10. Изобретение противоречит существующим за конам. Так, патент на устройство для взлома квартир выдан не будет. Однако законы меняются: раньше противозачаточные средства были запрещены, а теперь на них выдают патенты.
      11. Изобретение уже где-то секретно используется.
      12. Хотя Это прямо не оговаривается законом, заявка может быть отклонена на том основании, что изобретение представляет собой просто комбинацию известных идей (см. наши соображения по этому поводу в предыдущем разделе).
      Получение патента еще отнюдь не повод для ликований и откупоривания шампанского. Опубликованный патент попадает к промышленнику, который, кем бы он ни был, всегда является самым яростным конкурентом изобретателя. Если он сочтет, что эксперт был слишком покладист или «ослеплен своей наукой», а судья при разборе дела, выслушав доводы специалистов, опротестует решение эксперта, он попросту скопирует изобретение, запустит его в производство и известит об этом изобретателя. Закон в этом отношении предельно ясен: никакой блюститель порядка не станет привлекать плагиатора к ответственности. Это бремя ложится на плечи изобретателя, и ему остается одно из двух:
      1. Ничего не предпринимать. В таком случае патент теряет ценность, ибо всем становится ясно, что при желании изобретение может копировать кто угодно. Подразумевается также, что даже с точки зрения автора изобретение не стоит того, чтобы его копировать.
      2. Подать на плагиатора в суд. Здесь возможны два исхода:
      суд признает патент действительным и заставит плагиатора возместить убытки;
      суд опротестует решение эксперта и тогда дело будет проиграно.
      Как утверждают профессионалы, патент нельзя считать «хорошим», пока он не прошел проверки судебным разбирательством. Промышленники — люди дошлые, и они доводят дело до суда, лишь твердо веря в победу. Так что проверка патента судом не лишена оснований.
      Но может случиться, что судебное разбирательство обернется катастрофой и для изобретателя, и для того, кто оспаривает его права. В качестве примера приведем судебное дело, по поводу которого один из авторов этой книги был приглашен в качестве эксперта со стороны истца.
      Одна французская фирма запатентовала устройство, использующее хорошо известный физический принцип, и выпустила его в продажу. Сравнительно небольшая английская фирма сочла, что идея изобретения «очевидна». Она скопировала конструкцию по последней формуле — то есть по той, которая описывает изобретение в соответствии с прилагаемым к заявке чертежом, — и стала продавать изделие. Французы подождали, пока количество проданных изделий не выросло настолько, что выплата компенсации разорила бы английскую фирму, проиграй она дело в суде, после чего обратились ко мне за консультацией.
      Ознакомившись с материалами дела, я пришел к выводу, что идея и в самом деле очевидна и мой долг — заявить об этом суду. Но английская фирма скопировала конструкцию до мельчайших деталей, а последняя формула в любом случае должна быть признана имеющей юридическую силу. Я предупредил адвокатов французской фирмы (в суде рассматривалась правомочность английского патента), что, по-моему, в результате судебного разбирательства в проигрыше останутся обе стороны. «Что же решит судья?» — спросили меня. «Судья решит дело в пользу ваших клиентов, — ответил я, — и английская
      фирма будет разорена». — «Почему же в таком случае наши клиенты окажутся в проигрыше?» — «Потому, — сказал я, — что из моих показаний и решения судьи станет ясно, что во всем патенте реальную силу имеет лишь последняя формула и любой другой фирме необходимо только поменять местами пару отверстий, чтобы благополучно избежать судебного преследования. Тогда ваш патент не будет стоить и бумаги, на которой он напечатан». И выигрывая, можно остаться в проигрыше.
      Через две недели дело было улажено без суда, и английская фирма взяла на себя функции представителя французской фирмы в Англии. Это был наиболее разумный выход из положения: сам факт, что французы воспользовались услугами представителя, подразумевал правомочность патента (которой тот на деле не обладал) и уменьшал вероятность копирования изобретения другими фирмами.
      Особого внимания требует ведение подобных дел за границей. Хорошо помню судебное разбирательство по опротестованию некоего патента в США, исход которого решил один-единственный чертеж. Обладатель патента — мой соотечественник, которого я хорошо знал, — советовал мне впоследствии прилагать к заявке как можно больше чертежей; они, по его мнению, никогда не будут истолкованы двояко, в то время как словесное описание может быть двусмысленным. Для нас обоих оказалось неожиданным, что в американском суде в качестве доказательства принимаются записи, сделанные и датированные карандашом. Мой друг с горечью заметил: «Видимо, в США существует и неписаный закон, гласящий, что все американские документы по определению подлинны, а все иностранные по определению подложны». Разумеется, мы ни в коем случае.не разделяем этого мнения, а лишь рекомендуем прислушаться к совету опытных людей. Да и в этом случае как выигрыш, так и проигрыш могут обойтись вам недешево.
      К патентным делам вполне применима поговорка «век живи — век учись». Лишь недавно я обнаружил, что если кому-либо удастся найти патент полувековой давности, который «умер естественной смертью», его можно всего за 1 фунт стерлингов переписать на
      свое имя. Только представьте, какие возможности могут открыться, если применить современные материалы к изобретениям, сделанным до начала 20-х годов нашего столетия? Так может стоит прервать на годик-другой работу над этой книгой и отправиться в хранилища патентных библиотек??
      К нам могут обратиться с тем же вопросам, что и к профессиональному «жучку» на ипподроме: «Если вы так хорошо знаете, какая лошадь придет первой, почему бы вам самому на нее не поставить?» Коль скоро мы пишем книгу о том, как изобретать, ответим на этот вопрос так: «В сутках всего двадцать четыре часа». Поистине «велик урожай, но собирать его некому».
      Авторы выражают глубокую признательность Ф. Казинсу за информацию, позволившую им написать эту главу о патентном законодательстве. Читателям, интересующимся последними нововведениями в этой области, следует обратиться к превосходной и всеобъемлющей статье Д. Морали [20].
     
     
      Глава 10
      Некоторые из наших изобретений
     
      ЧАСТЬ 1 М. Тринг
     
      В этой главе мы расскажем, каким путем пришли к той или иной идее и разработали ее по крайней мере до стадии действующей модели. Надеемся, что приводимые примеры помогут проиллюстрировать мышление изобретателя.
     
      Магнитогидродинамический генератор
      Во время второй мировой войны я занимался вопросами использования угля в качестве топлива. Однажды мне попался старый номер журнала Philosophical Magazine, в котором описывалось следующее экспериментальное наблюдение: мелкие частицы
      кремнезема, увлекаемые бьющей из сопла сильной воздушной струей, оказываются отрицательно заряженными. Я занимался поисками способа преобразования в электричество энергии, выделяющейся при сгорании угля, который был бы короче сложного пути через превращение воды в пар, вращение лопастей паровой турбины и ротора электрического генератора в магнитном поле. Я сравнил струю воздуха с частицами кремнезема с бесконечной леитой электростатического генератора Ван-де-Граафа — и меня тут же осенила идея устройства, которое сейчас получило название электрогазодинамического генератора (ЗГД-генератора). Однако расчет показал, что в таком генераторе для микроскопического тока потребуются астрономические разности потенциалов, если предполагать преобразование в электрическую энер-
      гию нескольких тонн угля в час. После месяцев размышлений я продвинулся дальше в довольно очевидном направлении: если бы газы, получаемые при сгорании угля, обладали электропроводностью, можно было бы направить их струю в магнитное поле и получить генератор постоянного тока (с использованием очень большого внешнего магнитного поля). Цифры, полученные при расчетах, выглядели весьма привлекательно. Однако электропроводность газов, даже насыщенных парами натрия (работы по изучению электропроводности пламени бунзеновской горелки я нашел в журнале Annalen der Physik), на несколько порядков ниже электропроводности меди, и такой генератор обладал бы очень высоким внутренним сопротивлением.
      В то время я занимался созданием физического отделения в Британском институте по исследованию чугуна и стали, где руководил работами по сталеплавильным печам, а потому на несколько лет оставил эту идею. Став профессором на кафедре теплотехники в Шеффилдском университете, я вновь вернулся к ней и в своей вступительной лекции в 1954 году упомянул о возможности «непосредственного преобразования энергии горячих газов в электричество при торможении их магнитным полем». По всей видимости, это было первое публичное упоминание об этой идее. Однако, когда Национальная научно-исследовательская корпорация подобрала для меня соответствующие патенты, выяснилось, что еще пятьдесят лет назад появились изобретения, использующие эту идею, и что венгерские изобретатели Халас и Карловиц работали над аналогичной проблемой до второй мировой войны как у себя на родине, так и в США. Они столкнулись с той же трудностью, что и я: для получения достаточной электропроводности рабочего газа, даже насыщенного парами калия, требовалось довести его температуру до 2000°С. Поскольку газ проходит через сопло Лаваля, на входе в сопло (то есть в камере сгорания) его температура должна быть на несколько сотен градусов выше. Такие высокие температуры можно получить только при предварительном подогреве воздуха до 1000 °С или при насыщении воздуха кислородом.
      Позже я выдвинул идею «слоеного» рабочего тела: слои продуктов сгорания в кислороде с высокой температурой перемежались с более толстыми слоями продуктов сгорания в воздухе, имевшими более низкую температуру, рабочий цикл при этом получался экономичнее с точки зрения термодинамики. Но к тому времени в Англии работы по созданию МГД-генератора были приостановлены Советом по производству электроэнергии, и эксперименты в этой области, начатые одним аспирантом, не получили продолжения, хотя во Франции и велись кое-какие работы. В Советском Союзе построена опытная МГД,-электростанция мощностью 25 МВт, работающая на природном газе и воздухе с большим предварительным подогревом
      Есть основания полагать, что ядерная энергия не оправдает надежд, которые возлагались на нее десять лет назад, и не даст нам дешевого источника электроэнергии. В таком случае мои работы по созданию подземного «крота» для добычи угля могут получить необходимую финансовую поддержку, поскольку уголь станет основным топливом. МГД-генератор на угле, разработка которого интенсивно ведется в США, вступит тогда в свои права.
     
      Непрерывное производство стали
     
      Второй крупный проект, о котором я говорил в своей лекции при вступлении в должность профессора, — это печь непрерывного действия для производства высококачественной стали. Работы по непрерывной разливке стали велись физическим отделением Института по исследованию чугуна и стали еще в ту пору, когда я был руководителем отделения. Мне уже тогда были ясны преимущества непрерывного процесса плавки (очень экономное расходование топлива благодаря противотоку тепла) и непрерывного процесса переработки (высокая степень очистки металла благодаря противотоку образующегося шлака). Этот процесс давал также шлак с высоким содержанием фосфора; потребности в таком шлаке будут расти по мере истощения запасов природных фосфатов. Экспериментальная сталеплавильная установка с противотоком была построена нами в Шеффилдском университете в сотрудничестве с фирмой «Юнайтед стил» и компанией по строительству сталеплавильных печей. Даже на такой небольшой установке нам удалось довести тепловой к. п. д. до 50%.
      В ФРГ Шак построил заводскую установку непрерывного действия, в которой для перемещения железного лома по трем направляющим навстречу потоку горячих газов использовались три толкателя. Ему также удалось добиться высокого к. п. д., но он столкнулся с трудностями в устройстве герметических уплотнений. Я создал компанию, целью которой было исследование процессов очистки металла путем противотока шлака, но не мог собрать достаточно средств, чтобы финансировать строительство большого экспериментального завода для испытания высокотемпературной технологии. Австралиец Г. Уорнер, который независимо пришел к этой же идее, сумел построить экспериментальные заводы в Австралии и Швеции, однако полученные им результаты не убедили сталепромышленников в преимуществах непрерывного процесса перед традиционным. В Советском Союзе пущен в эксплуатацию большой экспериментальный завод в Новомосковске.
     
      Движители на эффектах пограничного слоя
     
      Во время второй мировой войны один изобретатель предложил конструкцию подводной лодки, покрытой резиновой оболочкой. Оболочка двигалась назад по корпусу лодки и протягивалась вперед через большую трубу, расположенную вдоль оси лодки. Такая лодка могла бы двигаться в воде без трения. Однако идея не была лишена и недостатков, таких, как трудность устройства входа в лодку и необходимость сильно деформировать оболочку при протягивании ее внутри лодки.
      На протяжении ряда лет я искал пути к уменьшению потерь на трение при движении надводных судов. Вначале мне приходила в голову мысль об устройстве отверстий в подводной части судна, через которые вода засасывалась бы в цилиндр насоса, а затем с силой выбрасывалась назад. Выхлопные газы можно было бы смешивать с выбрасываемой водой, что снизило бы ее вязкость и увеличило бы импульс. Затем я вспомнил о придуманной во время войны подводной лодке и понял, что эту же идею можно применить на надводном судне, реализовав ее в виде широкого «бесконечного ремня», протянутого под плоским днищем корабля от носа к корме. При необходимости такие же ремни можно поставить по обоим бортам. Однако при такой конструкции возникали бы потери на трение в слое жидкости между ремнем и днищем судна. Я решил устранить этот недостаток, заполнив пространство воздухом, другими словами, устроить «воздушный подшипник», чтобы обратное движение ремня совершалось в воздушной прослойке под корпусом судна.
      Построенная в конструкторской лаборатории модель такого судна показалась многообещающей; необходимо было лишь уравнять поток воздуха с бортов. Такой корабль, подобно аппарату на воздушной подушке, способен выходить из воды на берег, но к тому же имеет три преимущества: у него меньше утечка воздуха из-под днища и соответственно требуются вентиляторы не столь большой мощности; в воде он обладает большой остойчивостью, не зависящей от подачи воздуха, поскольку, как и у обычного судна, остойчивость обусловлена гидростатическими силами; в качестве движителя на воде можно использовать тот же ремень, если сделать его линейную скорость больше скорости судна. Исследуя, насколько можно увеличить «сцепление» ремня с водой путем установки на нем поперечных ребер, один из моих аспирантов показал, что сцепление не зависит от высоты ребер, если расстояние между ними не меньше учетверенной высоты.
      Эта идея еще не проверялась на больших судах. Вероятно, такое судно нашло бы применение для транспортировки больших барж: оно могло бы заменять шлюзы или доставлять баржи от реки непосредственно к заводам.
      Другой способ преобразования потока жидкости в пограничном слое в отбрасываемую назад реактивную струю — установка движителя в задней части самолета или корабля. Самой простой реализацией этой идеи является бесконечный ремень с лопастями, подобными коротким лопастям пропеллера и установленными под углом к ремню. Ремень располагается на корме транспортного средства и перемещается в плоскости, перпендикулярной направлению движения корабля. На подводной лодке или на самолете ремень кольцом опоясывает хвостовую часть фюзеляжа. У надводного корабля, модели которого уже испытывались, ремень полностью находится под водой в кормовой части; корму уже не нужно делать сужающейся, так как размеры движителя соответствуют миделевому сечеиию корпуса1. Лопасти здесь движутся поступательно, за исключением участков, где ремень огибает барабаны, приводящие его в движение. Поэтому отпадает необходимость оптимального профилирования каждого отдельного сечения лопасти. Во всех этих конструкциях тягу движителя можно заметно увеличить, если поместить его на входе дозвукового сопла, сужающегося по ходу потока.
      Примерно того же плана и идея создания движителя, расположенного по всей длине крыла самолета. На рис. 10.1 показан один из ее вариантов: компрессор со скользящими лопатками (ось которого проходит вдоль крыла) засасывает воздух через щель в нижней части передней кромки крыла и тем самым уменьшает поток, обтекающий нижнюю поверхность крыла. Воздух направляется в камеру сгорания и затем расширяется в турбине со скользящими лопатками, которая приводит в действие компрессор. Поток воздуха с большой скоростью выходит из отверстий в верхней части крыла вблизи его задней кромки. В силу эффекта Коанды поток отклоняется к поверхности крыла и за счет этого увеличивается поток, обтекающий крыло сверху. Все это в свою очередь повышает подъемную силу и позволяет использовать
      1 Миделевое сечение — наибольшее по плои иди поперечное сечение обтекаемого тела. — Прим. перев.
      более толстые крылья, избегая срыва потока. Циркуляционный поток вокруг такого крыла возникает и тогда, когда самолет не перемещается, поскольку всегда существует поток, огибающий верхнюю поверхность крыла. Таким образом, подъемная сила возникает даже при небольшой продольной скорости самолета.
      Рис. 10.1. Механизм в крыле, создающий тягу и подъемную силу
      Последняя из рассматриваемых здесь идей относится к постройке летательного аппарата, приводимого в действие мускульной силой человека. Таким аппаратом может быть биплан, у которого бесконечный ремень с лопастями проходит у задних кромок обеих пар крыльев. Дополнительная подъемная сила, возникающая при обтекании воздушным потоком верхней поверхности крыльев, облегчит отрыв биплана от земли.
      Шагающие машины
      Лет пятнадцать назад, вынашивая идею создания робота, способного выполнять разнообразные домашние обязанности, я решил заняться механизмом, который мог бы подниматься по обычной лестнице. Вскоре я понял, что для такого механизма найдется и более важное применение: с его помощью сидящий в кресле инвалид получал бы возможность подниматься и спускаться по лестнице.
      У первых моих устройств были две «ноги», приводимые в движение пневмоцилиндрами. Роботы могли подниматься по лестнице, но были очень сложны в управлении. Затем я попытался применить различные кривошипные механизмы и колесо с шестью выступающими за обод «спицами». Кривошипный механизм управлял спицами, вдвигая их внутрь колеса при переносе тяжести на очередную спицу, чтобы уменьшить тряску. Но в конце концов я понял, что никакое колесо не безопасно на лестнице, если его обод может скользить по краю ступеньки — это равносильно тому, что подниматься по лестнице на лыжах.
      И тогда я пришел к идее четырехколесной тележки, каждое колесо которой имело 12 выступающих за обод спиц и которая могла подниматься по лестнице. Спицы выступали наружу настолько, что обод вообще не касался ступеньки. Конец спицы опирается резиновой прокладкой на горизонтальную часть ступени, и все колесо вращается вокруг этого конца, который служит мгновенной осью вращения. Такое колесо не будет скатываться с лестницы, как с наклонной плоскости. Если конец спицы попадает на угол ступеньки, то колесо проскальзывает и опирается на следующую спицу. При надлежащей амортизации тележки «неровность» движения (тряска) не слишком велика. Я много раз поднимался и спускался по лестницам на двух тележках с автономным питанием, которые были построены в нашей лаборатории (рис. 10.2). Сейчас мы разработали трехколесную модель тележки. Эта легко управляемая тележка в состоянии даже совершать повороты на лестнице. Угловая скорость вращения переднего колеса равна среднему арифметическому скоростей задних колес;
      а — кресло с автономным электропитанием, способное подниматься по лестнице; б — управляемое шасси для такого кресла.
      на концах спиц переднего колеса установлены небольшие ролики, позволяющие ему свободно перемещаться вбок. Заставляя одно заднее колесо крутиться вперед, а другое — назад, можно поворачивать тележку на месте (вокруг вертикальной оси, проходящей через середину задней оси). С помощью механического силового привода сидение может поворачиваться вокруг низко расположенной оси, так что вес сидящего человека при движении по лестнице всегда переносится ближе к тому колесу, которое находится вверху.
      Ту же идею выступающих за обод радиальных спиц можно применить и к автомобильному колесу, для которого не нужны шины. Такое колесо при движении по хорошей дороге с большой скоростью может быть сделано очень жестким, а при торможении или движении по бездорожью — очень мягким. Оно состоит из 24 радиальных пневмоцилиндров, у которых на концах плунжеров установлены жесткие резино» вые башмаки, образующие практически непрерывный обод колеса. Небольшой компрессор, соединенный
      с Двигателем автомобиля (например, Дополнительный пятый цилиндр на общем коленчатом валу), создает в пневмоцилиндрах достаточное для нормальной езды давление, так что в обычном состоянии колесо обладает необходимой жесткостью. При торможении воздух из пневмоцилиндров всех четырех колес выпускается и колеса «ложатся» на дорогу, опираясь примерно на шесть башмаков каждое; прилетающая к дороге поверхность колеса становится почти плоской.
      Другая изобретенная мною шагающая машина — «сороконожка» (рис. 10.3). По моему мнению, идеальная шагающая машина для пересеченной местности должна опускать «ноги» вертикально вниз перед собой, перемещаться поверх неподвижных «ног» и поднимать их вертикально вверх позади. Я перебрал множество четырехзвенных шарнирных механизмов для реализации такого движения и в конце концов пришел к мысли, что его совершает чека цепи, перекинутой вокруг двух звездочек. Испытания небольшой модели показали, что перемещать «ноги» вертикально и параллельно самим себе, опуская их впереди и поднимая сзади, можно с помощью двух цепных передач, одна из которых соединяет середины «ног», а другая — их внутренние концы. «Ноги» пришлось сделать изогнутыми, чтобы те из них, которые движутся поверху вперед, не цеплялись за шарниры «ног», на которые в данный момент опирается машина. В упрощенном варианте тележки использовались Т-образные «ноги», приводимые в движение цепями, перекинутыми через две шестизубые звездочки. На горизонтальной части каждой Т-образной «ноги» были установлены два ролика; собственно тележка опиралась на эти ролики специальными салазками. Каждая «нога» имела амортизатор, так что даже на пересеченной местности тележка на салазках двигалась по роликам без тряски.
      Мне предложили разработать машину, способную перевозить бревна весом до 1 т по холмистой местности, на которой могли встречаться пни метровой высоты. Такую машину можно сделать, заменив ноги «сороконожки» продолговатыми надувными камерами, которые будут отгибаться вбок, а не в сторону движения. Машина на таких камерах способна легко переходить через пни, не будет увязать в мягком грунте, а ее сцепление с поверхностью будет достаточно высоким. В настоящее время я работаю над созданием трактора мощностью 2 л. с. У этого трактора впереди находятся поворотные колеса, а сзади — две пары «ног», так что одна «нога» с каждой стороны всегда опирается на землю (рис. 10.4).
      На первой стадии создания протезов для ног с силовым приводом я проанализировал процесс нормальной ходьбы человека и сконструировал устройство, показанное на рис. 10.5. «Нога» у него сгибается в колене, когда «бедро» начинает двигаться вперед, и выпрямляется при движении «бедра» назад.
      На рис. 10.6 показаны протезы для ног в виде внешнего скелета, с помощью которых страдающий артритом человек в состоянии ходить и стоять. Вес его почти полностью воспринимается седлом типа велосипедного, которое укреплено на «внешнем скелете», опирающемся на металлические пластины под обувью. Мгновенная ось вращения искусственного бедра должна совпадать с осью вращения тазобедренного сустава. Чтобы обеспечить такое вращение, мне пришлось применить Т-образный поводок с роликами, катящимися в прорези изогнутой направляющей, установленной под седлом. Центр кривизны дуги прорези совмещался с осью тазобедренного сустава человека, сидящего на седле.
      Идея движения поезда на воздушной подушке по обычному рельсовому пути разработана мною до стадии эскизов и расчетов по порядку величины. Воздух от небольшого компрессора выходит через ряд отверстий в пластине длиной 3 м и шириной, равной ширине рельса. Эта пластина жестко соединена с колесной тележкой. Пока поезд неподвижен, воздух в отверстия не подается и пластина лежит на рельсе, а при подаче воздуха она поднимается над рельсом на несколько сантиметров. По всей длине пластины установлены бортики, упруго поджатые к бокам рельса. Под давлением выходящего воздуха бортики от ходят от рельса на такое расстояние, при котором утечка воздуха через просвет между рельсом и бортиками обеспечивает устойчивое равновесие всей системы.
     
      Телеуправляемые роботы
     
      В этой области мои работы еще не дошли до ста дии практических конструкций — вероятно, потому, что в горном деле консерватизм людей, привыкших работать по старинке, создает непреодолимые барьеры. Однако не за горами время, когда необходимость станет «матерью изобретения», и через несколько лет мы, несомненно, будем работать над созданием «механического шахтера»: нужда в нем обязательно появится, поскольку запасы нефти уменьшаются, а уголь будет все труднее и опаснее (из-за профессиональных заболеваний) добывать.
      Суть идеи заключается в создании такого управляемого на расстоянии устройства, которое подчинялось бы приказам с контрольного пункта и осуществляло бы сборку, поиск неисправностей, ремонт и замену деталей, а также производило бы измерения столь же хорошо, как если бы под землей находился специалист-механик. Доведя аппарат до такого совершенства, мы могли бы разрабатывать методы добычи угля на дне морей, в крутых и узких пластах, в пластах со значительными посторонними включениями. Был бы исключен риск заболеваний раком легких при добыче урана, а при добыче асбеста люди не вдыхали бы асбестовую пыль. Модель такого робота показана на рис. 10.7.
      Пятнадцать лет назад я сконструировал и запатентовал бездымную кухонную печь, работающую на кусках кокса размером 2,5 — 4 см. В сотрудничестве с литейным заводом «Типтон фаундри» мы построили десять таких печей, однако от дальнейших экспериментов пришлось отказаться: как выяснилось, угольная промышленность не сможет продавать уголь этого сорта частным лицам.
     
      ЧАСТЬ 2
      Э. Лейтуэйт
     
      Приводимые в этом разделе примеры изобретений, пожалуй, лучше всего иллюстрируют разнообразие ситуаций, способствующих появлению оригинальной идеи, — разнообразие, столь усложняющее наш рассказ о путях к изобретению. Есть здесь пример того, что я называю «наблюдением и опытом». Нередко наблюдение какого-либо замечательного явления проходит для наблюдателя впустую, в то время как имей он богатый опыт, скажем, в строительстве, он ухватился бы за это наблюдение и основал бы на нем целый класс новых строительных конструкций. Есть примеры изобретения, к которому привело любопытство, изобретения, рожденного необходимостью, редкий случай, когда теория опережает практику и, наверное, самый сложный случай, когда наблюдатель замечает нечто такое, чего недостает. (Сделать это намного труднее, чем заметить что-либо новое.)
      Мое первое «профессиональное» изобретение, которое начало формироваться в моем сознании еще в студенческие годы, относилось к той самой не вполне обычной ситуации, когда теория опережает практику. Получив, если можно так выразиться, «двойную порцию» лекций по индукционным электродвигателям (вначале в политехнической школе в Лондоне, где я проходил подготовку на звание офицера Королевских военно-воздушных сил, а затем в Манчестерском университете, куда я поступил после увольнения из армии в запас), я стал выделять их среди прочих электрических машин. Кстати сказать, мое пристрастие к ним сохранилось до сего дня.
      Автоколебательный индукционный электродвигатель [21, 22]
      Город, в котором я провел свои школьные годы и где поселился сразу после войны, был центром текстильной промышленности, и самую существенную
      роль в моем изобретении сыграло то обстоятельство, что мой лучший школьный друг принадлежал к семье, посвятившей себя текстильному делу. Его отец всегда стремился держаться на переднем крае в своей профессии и в свои пятьдесят лет сохранил такую тягу к знаниям, какую редко встретишь у студентов. Как-то друг сказал, что его отец приобрел ткацкий станок, в котором использовался совершенно новый принцип перемещения челнока: челнок приводился в движение струями воздуха, а не с помощью механических средств. Мне показали этот станок; в те годы ткацкие станки получали привод от общего парового двигателя через систему валов и ременных передач. На вопрос, каким образом управляются воздушные струи, мне ответили, что для этого используются электромагнитные реле. Я тогда позволил себе вскользь заметить: «Если уж вы решили применить электричество на ткацком станке, то почему бы вам не довести дело до конца и не приводить в движение челнок непосредственно электричеством?»
      За этим замечанием, впрочем, стояло то, что я знал о существовании американской катапульты «Электропульт» для запуска самолетов и был уверен, что если можно с помощью линейного электродвигателя создать тягу в 44000 Н, то уж, конечно, ничего не стоит перемещать подобным двигателем челнок. (Это было не только моим первым изобретением, но и первой крупной ошибкой, ошибкой не в деталях, а по существу — такие ошибки позволительно совершать лишь однажды? Я совершенно пренебрег фактором изменения масштаба; тогда я еще не знал, что если большое устройство хорошо работает, то оно не обязательно будет хорошо работать в миниатюре, и наоборот.)
      Сделав это случайное замечание, я задумался над тем, как можно было бы осуществить такую идею на практике: ведь челнок должен свободно пролетать в пространстве между рядами раздвинутых нитей основы (текстильщики называют это пространство зевом). Челнок соединен лишь с нитью утка, которую он оставляет за собой. В конце концов, разве челнок не называют обычно «летучим»? Впрочем, последний факт был лишним для будущего изобретателя.
      Будучи дилетантом в ткацком деле, я искренне полагал, что эпитет «летучий» соответствует действительности. Я знал также, что в дополнение к полезному тяговому усилию линейный двигатель притягивает подвижную часть — в данном случае челнок — к статору раз в десять сильнее, так что-челнок придется передвигать на колесиках, которые неизбежно повредят нити основы. Прошли годы, прежде чем я узнал, что в действительности челнок никогда не «летает»; более того, на больших ткацких станках, используемых для изготовления ковров, лент бумагоделательных машин и т. п., большие челноки и в самом деле катятся на роликах.
      Впрочем, я видел и другую причину, которая еще сильнее помешала бы реализации моей идеи, чем колесики. В те годы челнок совершал 60 — 150 ходов в 1 мин., а для изменения направления движения нужно было переключать хотя бы часть обмотки статора. Тиристоров да и вообще полупроводниковых приборов тогда не было и в помине, так что о переключении с такой частотой мощности в несколько тысяч вольт-ампер не могло быть и речи. Поэтому я решил выяснить, какую именно часть обмотки необходимо переключать. Основная идея иллюстрируется рис. 10.8. Когда челнок движется от точки А к центру, участок PQ включен так, что создаваемая им тяга действует слева направо. Поэтому челнок получает ускорение на всем участке /4Q. Кроме того, переключение можно было осуществлять с низким быстродействием, поскольку среднюю часть нужно было включать в обратном направлении уже после того, как челнок прошел от Q к В и обратно, чтобы ускорять его на участке ВР. Значит длина участка PQ
      должна быть такой, чтобы восполнять потери кине тической энергии челнока на трение за каждый ход.
      Вскоре я понял, что однофазный линейный двигатель способен работать ничуть не хуже, чем его роторный собрат, так что центральный участок может представлять собой просто однофазную обмотку вообще без всяких переключений. Казалось, задача решена. Мало того, она допускала и более простое решение: достаточно было установить однофазную обмотку на всем пути движения челнока, а для изменения направления движения установить пружинные отражатели на концах хода челнока.
      И все же это не было решением задачи по двум причинам, одна из которых весьма практическая, а другая — нет:
      1. Промышленность не нуждалась в этом изобретении (сколько раз после этого мне приходилось слышать подобные заявления?).
      2. Встречное соединение обмоток АР и QB представляло собой очень интересную теоретическую задачу: зависимость тяги от скорости можно было представить математически, и получаемое математическое выражение, несмотря на свою сложность, еще допускало аналитическое решение.
      На этом первом изобретении я показал, как практическая польза может отступить перед изящным решением, венчающим задачу. В подобной ситуации нетрудно погрязнуть в анализе и убить на это годы. И наоборот, можно, как произошло со мной, провести эти годы с большой пользой, выясняя такие подробности работы индукционных двигателей, какие невозможно извлечь из книг, научных статей или лекций. Ничто не заменит «погружения в задачу с головой»?
      Окончательно усовершенствованный вариант моего изобретения можно видеть на рис. 10.9. По виду кривая, изображающая зависимость тяги линейного электродвигателя от скорости, ничем не отличается от кривой, изображающей зависимость вращающего момента роторного электродвигателя от скорости вращения; эти кривые можно найти в любой книге
      по электрическим двигателям. Но взгляните, как фор ма этих кривых играет мне на руку в данной задаче?
      При выходе из состояния покоя в точке А (рис. 10.9а) на подвижную часть действует сила Оа (рис. 10.96). По мере того как подвижная часть ус коренно движется к центру, эта сила, как явствует из рис. 10.96, увеличивается, — рабочая точка на характеристической кривой монотонно перемещается от а к Ь.
      Допустим, что к тому моменту, когда подвижная часть достигла середины статора, она набрала скорость v, соответствующую точке b на кривой. При входе в правую часть обмотки подвижная часть по инерции перемещается вправо в магнитном поле, движущемся влево. Для катушек, создающих это маг нитное поле, подвижная часть движется со скоростью — v, то есть в обратную сторону. Этому соответствует тормозящая сила сс (рис. 10.96); рабочая точка движется по характеристике от с к а. Обратим внимание на то, что по абсолютной величине силы на этом участке меньше сил, действующих на участ ке аЬ. Из-за этого правая часть обмотки будет тормозить подвижную часть несколько дольше и на большем расстоянии по сравнению с областью ускорения. Иначе говоря, подвижная часть остановится в точке В, причем ОВ ЛО. Без всякого переключения
      обмоток подвижная часть движется назад; при этом, поскольку ускорение происходило на большем пути, она к центру достигает большей скорости bb". Такое нарастание амплитуды колебаний будет продолжать ся до тех пор, пока рабочая точка не дойдет до максимума характеристики. Когда же рабочая точка начнет переходить на нисходящий участок кривой, ускоряющие силы будут компенсироваться тормозящими и амплитуда станет постоянной. График будет еще нагляднее, если мы как бы перегнем его по оси Оа, как преобразованный для абсолютного значения скорости. Колебательное движение соответствует циклу ОАВО, OCDO» ОЕ и т. д.
      Рис. 10.11. Характер зависимости тяги от скорости, при котором невозможно возникновение колебательного движения.
      на рис. 10.10. Стрелки указывают ход цикла нарастания амплитуды до устойчивого значения — здесь нет нужды в переключающем устройстве.
      Изящное решение, не правда ли? Но я никак не мог заставить это устройство работать? У всех двигателей, которые я строил, характеристическая кривая имела вид, как на рис. 10.11; при этом, естественно, возникали затухающие колебания и подвижная часть очень скоро останавливалась посреди статора. Я пересмотрел все солидные книги по индукционным электродвигателям, и во всех этих книгах говорилось, что для получения такой характеристики, как на рис. 10.9, требуется увеличить отношение реактивности рассеяния к омическому сопротивлению.,
      Нужно сказать, что реактивность рассеяния характе ризует несовершенство магнитной цепи двигателя, а омическое сопротивление — несовершенство электри-ческой цепи. В то время я не мог оценить странности ситуации, в которой мой успех определялся соотно шением двух «несовершенств», то есть в общем-то второстепенными деталями конструкции электрических машин (или, как говорится в одной музыкальной комедии: «Неужели судьба предопределяется такими мелочами?»).
      Более года я экспериментировал с этим колебательным электродвигателем и в конце концов настолько перегрузил электрические обмотки, что лаковая изоляция вспыхнула и вся обмотка сгорела ярким пламенем. Но это меня не обескуражило (позволю себе употребить упомянутое моим соавтором сравнение со «всадником на поле»), и я решил перемотать обмотки. Техник, которому пришлось заниматься этим, спросил: «Нельзя ли намотать несколько витков толстого провода на каждую катушку вместо того, чтобы мотать много витков тонкого провода, как раньше? С этими катушками столько возни?» Я согласился: в конце концов, всегда можно соединить катушки в каждой половине не параллельно, а последовательно — разницы не будет.
      Если бы речь шла о роторном электродвигателе, я был бы прав в своем последнем утверждении. Но когда катушки были перемотаны и мы приступили к испытаниям, двигатель заработал великолепно. Колебаться начинала практически любая подвижная часть, и трудно было остановить нарастание амплитуды колебаний?
      Так я усвоил, что между последовательным и параллельным соединением существует принципиальная разница, — разница, которая могла ускользнуть (и ускользала?) от внимания многих конструкторов электродвигателей в прежние годы. Однако же пионеры в этой области в минувшем столетии и такие талантливые люди, как Беренд, Феррари и Гейленд, в начале нашего века знали об этом. Чему же я обязан успехом, который тогда окрылил меня, а в последующие годы сослужил мне еще большую службу? Ведь приобретенный опыт оказался очень полезным.
      Конечно, можно было бы все объяснить стечением об стоятельств, собственной глупостью, из-за которой я сжег обмотку, или же случайным замечанием уставшего техника. Но нет, здесь было и нечто более важное. Была настойчивость — упрямство, если угодно, — заставившая меня перемотать обмотки, когда все, казалось, кончилось полной неудачей. Это мое изобретение открыло дорогу другим. Оно положило начало работам по созданию скоростного транспорта, привело к разработке линейных электродвигателей, которые сейчас называют электромашинами с поперечным магнитным потоком; с этого изобретения началась также идея «магнитной реки». Мои рассказы об изобретениях, иллюстрирующих различные подходы, связываются в единое повествование. А идея летающего челнока имеет прямое отношение к следующему изобретению.
     
      Электромагнитная левитация 1
     
      Безусловно, с самого начала я намеревался использовать это свое изобретение в текстильной промышленности. Но здесь я привожу его как пример изобретения, сделанного из любопытства. Все началось с того, что я услышал, будто на Парижской выставке в 1951 или 1952 году (мне так и не удалось точно установить первоисточник) демонстрировалась алюминиевая сковородка, удерживаемая в воздухе переменным магнитным полем; на ней даже жарили яичницу (индукционные токи, наводимые магнитным полем, разогревали сковородку). Уж это я должен был повторить во что бы то ни стало? И как только мне это удалось, я тут же задумался, нельзя ли «вытянуть» всю эту систему в длину и, объединив ее с линейиым электродвигателем, решить наконец проблему «летающего челнока».
      1 Левитация — «парение» предметов без всякой видимой опоры. Первоначально этот термин носил мистический характер, ио сейчас применяется для обозначения удержания предметов во взвешенном состоянии против действия силы тяжести при помощи магнитных и электрических полей, воздушных струй, света н т. п. — Прим. перев.
      Катушки, удерживающие в подвешенном состоянии алюминиевые шарики и диски (как, например, на рис. 10.12 и 10.13), были хорошо известны. В прорези наборного магнитопровода (собрать который из радиально расположенных пластин не так-то просто) укладываются две концентрические катушки. Они питаются переменным током со сдвигом по фазе, так что возникает некое подобие бегущего магнитного поля, которое движется по радиусу к центру катушки и не дает шарику или диску сдвинуться вбок от оси катушки под действием создаваемой самим парящим предметом магнитной тени [23]. С этой моделью я проделал первый из множества мысленных экспериментов, которые мне впоследствии приходилось проделывать не раз при попытках видоизменить известную конструкцию с целью использования ее для решения некоторых задач (как насущных, практических, так и задач из области «искусства ради искусства»),
      В данном случае я представил себе, что система круглых концентрических катушек попадает под паровой каток и в сплющенном состоянии принимает
      Рис. 10.13. Круглый алюминиевый диск удерживается во взвешенном состоянии переменным магнитным полем (в течение короткого времени).
      вид, изображенный на рис. 10.14. К собственной радости я обнаружил, что катушки превращаются в длинные прямые отрезки, уложенные в прорези линейного магнитопровода. Выходящие из магнитопро-вода на его концах участки витков катушек не играли никакой роли, поскольку, по идее, парящая над магнитопроводом пластина могла находиться за многие километры от каждого конца. Набрать такой маг-нитопровод не составляло никакого труда — для него подходили обычные Ш-образные трансформаторные пластины.
      Конструирование первой установки шло своим чередом; подбирая оптимальный сдвиг фаз между токами в обмотках, мы убедились, что сдвиг на 180° ничем не хуже любого другого, так что обмотки можно было соединить последовательно навстречу друг другу, при этом мгновенные токи были направлены так, как показано на рис. 10.14
      И почти сразу нам стало ясно, что парящая пластина «не сможет отличить» такое расположение катушек от расположения, показанного на рис. 10.15;
      новое расположение позволяло сдвигать и раздвигать катушки в соответствии с шириной различных пластин. В изобретениях, сделанных гораздо позже, «очеловечивание» таких неодушевленных предметов, как эта пластина, иными словами, наделение их «вредностью», способностью чувствовать и ошибаться сыграло гораздо более важную роль. Такой подход делает машину вашим соперником в полном смысле слова. (Но если вы начинаете швырять в нее тяжелыми предметами, когда она отказывается слушаться, — значит, вам пора домой?)
      Прямоугольная пластина, парящая над установкой, имела одну степень свободы — как и круг, парящий над концентрическими катушками. Круг мог, свободно вращаться, и при этом в нем не возбуждались тормозящие токи; аналогично пластину можно было перемещать взад-вперед вдоль магнитопровода. Вскоре.стало ясно, что такая подвеска практически идеальна: пластину просто нельзя было успокоить — малейшее воздействие заставляло ее двигаться. Установка служила прекрасным индикатором горизонтальности. На деле, конечно, она реагировала не столько на горизонтальность, сколько на неоднородность пластины, но и это производило сильное впечатление. Столь простое изобретение, сводящееся практически к изменению формы известного устройства, я привел здесь по двум соображениям. Во-первых, оно позволяет проиллюстрировать изобретательский метод, не требуя от читателя специальных знаний; во-вторых, оно оказалось важным для двух других изобретений, на которых мы остановимся ниже. Замечу кстати, что однажды катушки соединили неправильно, так что одна из них оказалась включенной наоборот — и это никак не отразилось на работе устройства?
     
      «Заполнение пробелов»
     
      Одна из изобретательских методик, которую можно формализовать, применяется в том случае, когда изобретатель имеет дело с объектами, допускающими классификацию и «сортировку». Если, предположим, в детском строительном наборе имеется восемь к-убиков, семь прямоугольничков и восемь цилиндриков, причем из предметов каждой формы по два окрашены в синий, красный, желтый и зеленый цвета, так что предметов каждого цвета, за исключением какого-то- одного, шесть, то можно поручиться, что в: наборе недостает одного прямоугольничка и именно
      того цвета, в который окрашено только пять предметов из набора.
      Такого рода классификация очень полезна в био-логии, антропологии и других науках о живой при роде. Первая из открытых птицекрылых бабочек была столь велика и столь отличалась от всех прочих бабочек, что ее отнесли к отдельному отряду насекомых и присвоили родовое название Ornithoptera, Позднее в руки ученых попали и другие виды, и постепенно стало ясно, что они, как и прочие бабочки и мотыльки, относятся к роду Lepidoptera. Окончательно было доказано, что они принадлежат к семейству Papilio. Крылья многих бабочек этого семейства имеют «хвосты» (отсюда их народное название — «ласточкин хвост»). Поэтому еще до того, как впервые удалось поймать бабочку Ornithoptera paradisea, ее существование уже предполагалось.
     
      1 Гистерезисный электродвигатель — синхронный двигатель, у которого вращающий момент возникает при перемагничиваняи массивного ротора с сердечником изматериала с широкой петлей гистерезиса. При относительно невысоком к. п. д. обладает большой надежностью и. долговечностью. — Прим. перев.
      Поработав лет десять над линейными индукционными электродвигателями в Манчестерском университете и став свидетелем успеха коллеги и друга Дж. Уэста (ныне проректора Брэдфордского университета), который сконструировал разновидность -линейного двигателя постоянного тока для управления считывающей магнитной головкой в блоке памяти ЭВМ на магнитных барабанах, я решил систематизировать все основные типы электродвигателей и посмотреть, как каждый из них будет выглядеть в линейном варианте. Однофазные и многофазные коллекторные двигатели, равно как и гистерезисные двигатели, представлялись мне малоперспективными — первые из-за своей сложности, вторые из-за того, что я не сумел придумать для них возможную область применения Но отсутствие синхронных линейных двигателей казалось явным упущением, и я немедленно начал прикидывать, какой могла бы быть конструкция такого двигателя. Мне было известно, что при. запуске синхронный двигатель необходимо разогнать каким-либо способом до скорости, лежащей в пределах долей процента от номинальной, и только после этого он начнет работать самостоятельно. Я попробовал вставить в алюминиевую пластину, служившую подвижной частью, несколько постоянных магнитов, с помощью которых пластина могла разгоняться до номинальной скорости между двумя статорами линейного индукционного электродвигателя. Ни в первых же двух испытаниях два комплекта так называемых «постоянных» магнитов совершенно размагнитились — а стоили они недешево.
      Так как синхронный двигатель с односторонним направлением движения оказался невыгодным или вообще неосуществимым (не следует забывать, что все, о чем я рассказываю, происходило до переворота, совершенного тиристорными преобразователями), я решил ограничиться созданием возвратно-поступательного двигателя. Аналогии между роторным и линейным двигателем, лежащие в основе новой конструкции, стали ясны сразу. Максимальная кинетическая энергия массы, движущейся возвратно-поступательно с амплитудой А и круговой частотой ш, равна Y тА2ау2; двигатель дважды за цикл должен передать эту энергию движущейся массе и вновь получить ее обратно. При таком преобразовании электромагнитной энергии в механическую и обратно неизбежны потери энергии, снижающие к. п. д. двигателя. Поэтому я счел-нецелесообразным использовать в качестве подвижной части тяжелый магнитопровод с обмоткой и решил применить подвижный проводник, движущийся в зазоре неподвижного магнитопровода. Вскоре нам с помощью Уэста удалось создать многообещающую конструкцию, показанную на рис. 10.16. В ней мы разделили магнитные цепи постоянного и переменного магнитных потоков и в то же время использовали в обеих цепях один и тот же магнитопровод. На рисунке буквой А обозначено подвижное кольцо; при использовании машины в качестве генератора переменного тока к нему подводится механическая энергия, а при ее работе в качестве электродвигателя это кольцо совершает механическую работу. В и С — обмотки постоянного тока, создающие встречно направленные магнитные потоки; D и Е — обмотки переменного тока, причем создаваемые ими магнитные потоки складываются. По виду конструк-ция напоминает обычный трансформатор, к которому добавлены полюсные наконечники постоянных элек-тромагнитов; она получилась элегантной, и мы гордились своим творением — нам даже удалось разработать четырехполюсный вариант [24].
     
      Силовые линии магнитного поля переменного тока
     
      Рис 10.16. Устройство синхронного линейного электродвигателя с колебательным движением подвижной части.
      Однако наши труды не увенчались успехом: мы столкнулись с препятствием принципиального характера. Дело в том, что электрические машины работают хорошо только в том случае, если линейная скорость подвижной части достаточно высока, а именно равна б — 10 м/с. В нашей конструкции двигателя это требование выполнялось при амплитуде колебаний, превышающей 8 см (при питании электромагнитов переменным током с частотой 50 Гц), так что даже снабженный пружинными амортизаторами двигатель оказался чудовищем, своей вибрацией
      разрушавшим фундамент, на котором он был установлен. И все-таки работа над этим двигателем пошла мне на пользу: я открыл одну из непреодолимых границ между линейными и роторными электродвигателями. Осциллирующий синхронный двигатель запускается без предварительного разгона, поскольку подвижное кольцо не обязательно должно совершать первое же качание после включения с полной амплитудой. Но стоит снабдить этот двигатель механизмом, преобразующим возвратно-поступательное движение во вращение, как для него понадобится предварительный разгон, как и для обычного синхронного двигателя. «Самозапуску» синхронной машины препятствует именно вращение, а не характер электрических и магнитных взаимодействий.
      Что касается других пробелов в систематике линейных. двигателей, то здесь я хотел бы вспомнить усовершенствованные профессором Полем из Бангорского университета остроумнейшие конструкции линейных двигателей с магнитной задержкой, предназначенных для использования в качестве пусковых двигателей. С появлением полупроводниковых преобразователей, открытием перспектив использования линейных электродвигателей и систем подвески на сверхпроводниках в сверхскоростном транспорте вновь пробуждается интерес к линейным синхронным электродвигателям и линейным машинам постоянного тока.
     
      Рожденный необходимостью
     
      Разработке линейных электродвигателей я посвятил целое десятилетие. Поначалу, движимый чистым любопытством, я публиковал наиболее интересные результаты лишь в надежде на академические лавры, но со временем меня все больше стали вовлекать в дела промышленных предприятий. Так, в середине 60-х годов Национальная научно-исследовательская корпорация, которой я передавал все свои патенты, всерьез обсуждала возможность создания компании Для разработки транспортного средства на воздушной подушке, способного передвигаться со скоростью до 400 км/ч по бетонному «рельсу». Естественно, в качестве основного двигателя был выбран линейный электродвигатель, и с 1967 года я стал консультантом компании. Почти сразу же мы с сотрудником компании «Трэкт Ховеркрафт Лимитед» (ТХЛ) Д. Блиссом изобрели устройство, которое обеспечивало безопасность движущегося транспортного средства даже в случае отключения питающего напряжения в контактной сети. Здесь мне хотелось бы не столько описать принцип нашего изобретения, сколько обратить ваше внимание на плодотворность сотрудничества двух людей: один, знакомый с предметом лишь поверхностно, подает идею другому, чья голова настолько забита техническими подробностями, что он может упустить из виду самое главное — идею?
      Индукционная машина способна работать в качестве генератора, если движение ротора опережает движение бегущего магнитного поля. В этом случае индукционная машина может отдавать электроэнергию в линию, которая ее питала, когда машина работала как электродвигатель, но она не в состоянии работать на чисто активную нагрузку (например, питать электрические лампочки), поскольку должна «знать» (снова очеловечивание?), какова скорость ее бегущего поля — а это определяется частотой питающего напряжения. Другими словами, индукционная машина может отдавать «активные» ватты, если питать ее реактивной мощностью, обеспечивающей бегущее магнитное поле током, сдвинутым по фазе относительно напряжения.
      Идея Блисса состояла в том, чтобы вентиляторы, создающие воздушную подушку, приводились в движение синхройными двигателями. Известно, что синхронный двигатель может отдавать реактивную электрическую мощность, если подводить к нему механическую или активную электрическую мощность. Таким образом, объединение индукционной и синхронной машин создает ситуацию, когда «Джек Спрэтти жирного не ел, жена его — напротив...»1. Остается только найти способ управления системой. В конструкции, запатентованной Блиссом, синхронная машина приводилась
      1 Строка из английской детской песенки. — Прим. перев.
      в движение дополнительным электродвигателем, обороты которого регулировались отдельным датчи- -ком скорости транспортного средства (радиолокацион-ного или какого-то иного типа). Часть обмотки линейного электродвигателя переключалась таким образом, чтобы ею создавалось встречное магнитное поле, тормозящее транспортное средство; эта часть обмотки получала питание от остальной части линейного электродвигателя, которая превращалась в генератор, получая реактивную мощность от синхронных двигателей и одновременно отдавая им активную мощность (синхронные двигатели выступали теперь в роли генераторов переменного тока). Обратная связь через датчик скорости обеспечивала постепенное уменьшение частоты по мере замедления транспортного средства. Идея была превосходная, но ее реализация оказалась слишком сложной.
      Но идея Блисса подсказала мне путь к созданию самостабилизирующейся системы, которая обходится без датчика скорости, усилителя обратной связи и дополнительного привода. На рис. 10.17а показана первоначальная схема, на рис. 10.176 — то, что получилось после удаления «лишних частей». В случае прекращения подачи тока от контактной сети срабатывает автоматический переключатель. У синхронной машины, которая может служить приводом вентилятора, но может быть и гораздо менее мощной машиной, используемой в нормальном состоянии для освещения поезда и других вспомогательных целей, инерция значительно меньше, чем у самого транспортного средства. Она тут же начинает замедлять вращение, а с этим снижается частота тока подмагни-чивания линейного электродвигателя. Поэтому та часть линейного электродвигателя, которая работает в качестве генератора, поддерживает скорость вращения синхронной машины на уровне, который все время чуть-чуть ниже необходимого. Эта система является самостабилизирующейся, поскольку при чрезмерном замедлении синхронного двигателя линейный генератор добавит мощности и немного разгонит его. Двигатели вентиляторов можно включать параллельно линейному электродвигателю.
      Напряжение стабилизируется за счет насыщения магнитопровода роторного двигателя точно так же, как это осуществляется в генераторе постоянного тока с параллельным возбуждением, Создание системы обеспечения безопасности — результат соединения идей одного человека и опыта другого.
      Когда и в других странах начались опыты по при менению линейных электродвигателей на скоростном транспорте, компания ТХЛ стала отстаивать свое первенство в этой области; благодаря деятельности этой компании была открыта принципиальная проб лема, возникающая при конструировании высокоеко ростных линейных электродвигателей. Эту проблему можно уподобить «двуглавому дракону»; одна из «голов» показана на рис. 10.18а, другая — на рис. 10.186.
      Как видно из рис. 10.18а, полюсные катушки имеют «полезную» часть (участки, находящиеся в прорезях магнитопровода) и «бесполезные» участки, находящиеся вне магнитопровода, — последние увеличивают реактивность рассеяния и омическое сопротивление, что приводит к снижению к. п. д. и уменьшению cos ф. Кроме того, они могут значительно выступать за пределы собственно двигателя, что увели чивает его габариты. Если расстояние между полюсами (точнее, полюсное деление) составляет 30 см и ширина магнитопровода примерно такая же, то это еще не страшно. Но при питании напряжением с частотой 50 Гц бегущее магнитное поле проходит оба полюса за Vso секунды; в данном случае его линейная скорость составляет 110 км/ч. Для скорости 400 км/ч полюсное деление с учетом скольжения должно составлять свыше 1,2 м, а это уже никуда не годится. До некоторой степени такое положение дел можно исправить, применив катушки с укороченным шагом, но это повышает омические потери. Уменьшение шага обмоток до ’/з полюсного деле ния увеличивает омические потери только вдвое, так что эта часть задачи разрешима. Но с магнитной цепью (см. рис. 10.186) дело обстоит хуже. Весь магнитный поток, создаваемый крайним полюсом линейного двигателя, должен проходить по магнитопро-воду, в прорези которого уложены обмотки, и даже если ширина зубца составит всего треть ширины паза, то при полюсном делении, равном 1,2 м, толщина магнитопровода должна быть не менее 30 см. При этих условиях одна только стоимость «рельса», по которому движется транспорт, становится непомерно высокой.
      Неужели вся моя работа пойдет насмарку? Неужели мы так прочно сели на мель, что с нее нам не сойти?? Управляющий компанией ТХЛ Том Феллоуз занялся изучением положения дел в других странах. Он выяснил, что в США пошли по пути повышения частоты напряжения, питающего линейный электродвигатель, с помощью бортового преобразователя — при трехтонном двигателе и 50 т веса транспортного средства это оборудование весило 17 т? Такое решение нас не устраивало. Во Франции вспомнили про старинные поперечные кольцевые обмотки, схематически показанные на рис. 10.19а в роторном двигателе. Аналогичное расположение обмоток в линейном варианте двигателя можно видеть на рис. 10.196. Но вскоре обнаружилось, что у таких машин cos 0,05, т. е. то, что «оживило» роторный двигатель, линейную машину обрекало на смерть.
      Сейчас даже не верится, что нам потребовалось так много времени, прежде чем удалось найти решение проблемы. Если вы что-то меняете в конструкции просто ради того, чтобы не сидеть сложа руки, и обнаруживаете, что внесенные изменения ухудшают работу устройства, то можно с большой вероятностью ожидать, что изменения в обратную сторону улучшат конструкцию. Мне на это понадобилось шесть недель. Все это время я неустанно твердил себе: «Французы применили кольцевые обмотки, и от этого стало только хуже». Но мне это ничего не говорило. Усталость брала верх, глаза стали красные, и я перестал отличать сон от яви. Нередко ночью мне в голову приходили замечательные идеи, утром я вспоминал их — и тогда оказывалось, что все это сущая ерунда, игра усталого воображения. Но однажды, засыпая, я подумал: «Французы повернули электрическую цепь на 90°, и от этого стало хуже. Почему бы не сделать того же с магнитной цепью и не улучшить конструкцию?» Наутро, вспоминая ночные мысли, я вдруг понял, что это вовсе не ерунда. Это РЕШЕНИЕ. Обратите внимание на то, как раскрылся секрет при изменении формулировки задачи. Сотни раз я повторял слова «кольцевые обмотки» — и это ни о чем мне не говорило. Но стоило сказать «повернули электрическую цепь на 90°» — и мне в голову тут же пришла идея из области, которую я теперь называю «пространственным конструированием» [25]. На рис. 10.20 показана простая конструкция, к которой я пришел. Поставим два линейных электродвигателя бок о бок так, чтобы рядом у них оказались разноименные полюса. Теперь весь магнитный поток идет перпендикулярно направлению движения и толщина магнитопровода не зависит от полюсного деления; отпадает также необходимость в электронных преобразователях, а расход материала на устройство «рельса» минимален. Так появился на свет линейный электродвигатель с поперечным магнитным потоком.
      Из телевизионных детективных фильмов мы знаем, что полицейские заставляют свидетелей повторять свои показания по многу раз. Можно догадаться почему: они выискивают мелкие расхождения в одном-двух словах, в которых и кроется суть. Так же должен поступать и изобретатель.
      Линейные электромашины с поперечным потоком открыли новый класс электродвигателей, и один из таких двигателей оказался гигантским шагом вперед.
      Рис 10.20. Схема устройства двигателя с поперечным магнитным потоком.
     
      Изобретение «от хорошей жизни»
     
      Я давно усвоил, что лучше всего мне работается, когда поджимают сроки. В начале декабря 1971 года стало известно, что в мае следующего года в США в городе Даллес, неподалеку от Вашингтона, откроется международная выставка «Транспо-72». Любая организация, пожелавшая принять участие в том, что я теперь называю «игрой в скоростной транспорт» (поскольку это действительно игра или политика — но только не наука), получала участок площадью 60 кв. м, на котором можно было демонстрировать модель своей транспортной системы.
      Для того чтобы успеть к открытию выставки, нам нужно было соорудить действующую модель 10-метрового участка дороги к январю 1972 года. Феллоуз сразу заявил, что для американцев самый больной вопрос — это загрязнение окружающей среды, а потому нам лучше всего остановить свой выбор на полностью электрифицированном варианте; у нас, по его словам, уже была система магнитной подвески (см. рис. 10.15) и оставалось только установить линейный электродвигатель. Но он тут же добавил, что на 10-метровом участке дороги модель поезда длиннее 1 м будет выглядеть неуместной. При таком уменьшении ширина поезда получалась равной 10, от силы — 12 см. Модель, схема которой приведена на рис. 10.15, имела ширину 25 см и перегорала через 30 с после включения. Уменьшив все линейные размеры вдвое, мы, вероятно, уменьшили бы время работы до 2 с. Положение было сложным.
      И тогда настал мой черед. Посмотрев на поперечное сечение левитатора я продолжая рассматривать алюминиевую пластину как живое существо, я предположил, что пластина «че видит» внешних краев магнитопровода (А и В на рис. 10.21а). «В этой задаче все упирается в края, — продолжал я. — Если пластина не видит краев Л и В, то она, вероятно, не видит н С и D, так что мы можем убрать по 1,25 см с каждой стороны (рис. 10.216). Далее: с точки зрения электромагнетизма ситуация не изменится, если убрать оказавшиеся с боков участки катушек вниз (рис. 10.21в) и сэкономить еще около 3 см». Мы попробовали это сделать — и пластина стала чрезвычайно неустойчивой; она все время наклонялась в одно из положений, показанных на рисунке пунктиром. Тут Фред Истхэм (ныне профессор Абердинского университета) переключил обмотки, и вот по мановению руки появилась «магнитная река», удерживающая пластину в подвешенном состоянии, стабилизирующая и движущая ее, — и все это с помощью одних и тех же обмоток (рис. 10.21 г)? До открытия выставки мы сумели усовершенствовать конструкцию, оставив в ней. лишь один из двух показанных на рисунке магнитопроводов и сохранив при этом устойчивость подвешенной пластины:
      Но вскоре для компании TXJI настали плохие времена. Пришел день ее закрытия, и мы вынуждены были давать свидетельские показания перед Комиге-том палаты представителей, члены которого выразили желание познакомиться с нашими работами в Королевском колледже. И снова нужно было укладываться в сжатые сроки. Мы знали, что наша «магнитная река» пока годилась только для музея, поскольку 95% подводимой мощности затрачивались на стабилизацию пластины и удержание ее в подвешенном состоянии, а двигатель с 5%-ным к. п. д. практически бесполезен. Фред Истхэм до приезда членов комитета сконструировал обмотку, испытания которой ясно показали, что можно добиться 95%-го преобразования электромагнитной энергии в механическую тягу [26].
      Рис. 10 22. Способ сверления отверстия по оси стержня, а — начальное положение; б — в процессе сверления.
      После перехода Истхэма в Абердинский университет его место занял д-р Э. Фримен: не прошло и года, как он со своим коллегой [27] развил идею «магнитной реки», создав конструкцию, в которой стабилизация и подвеска не зависели от скорости движения (в отличие от тяги, которая зависит от скорости). Истхэм изобрел трубчатую конструкцию линейного двигателя с поперечным потоком. В области электромагнетизма «пространственное конструирование» ныне в большом почете.
      Для того чтобы перейти от сложного к простому — быть может, к простейшему из моих изобрете
      ний, — мне понадобился всего-навсего газетный лист, Вот почему это изобретение, по всей видимости, нель-зя запатентовать. Было время, когда я надеялся выиграть с помощью этого изобретения какой-нибудь журнальный конкурс самоделок, но подходящий случай не представился, и теперь я безвозмездно отдаю идею всем любителям столярничать. Задача состоит в том, чтобы просверлить отверстие по оси палки, на которую насаживается швабра, причем сделать это нужно, пользуясь коловоротом, ручной дрелью или в крайнем случае небольшой электродрелью.
      Вначале на торце ручки наметим место отверстия — сюда будет приставлен конец сверла. Затем обмотаем конец ручки бумагой в несколько слоев, как показано на рис. 10.22а. Конец закрепим клейкой лентой. Теперь вдвинем конус патрона дрели в верхнюю часть трубки (рис. 10.226). Картонная трубка (а именно это получилось из бумажного листа) хорошо сопротивляется изгибу (как, впрочем, и любая другая трубка), так что при сверлении патрон будет ею центрироваться, а отверстие — сохранять соосность с поверхностью ручки. По мере углубления отверстия трубка будет сдвигаться вниз; в результате отверстие получится таким же аккуратным, как если бы его делали с помощью токарного станка?
     
     
      К читателю
     
      Мы надеемся, что, прочитав эту книгу, вы согласитесь с мыслями, высказанными нами в предисловии, а именно:
      что вы можете изобретать сами и помогать другим развивать в себе изобретательские способности;
      что существует немало важных для человечества проблем, решить которые призваны изобретатели;
      что изучение изобретательской методики способствует развитию творческого мышления.
      Мы будем вознаграждены, если книга, в которой мы рассказали о своих собственных подходах к изобретениям, сделает нас «крестными отцами», а еще лучше — повивальными бабками ваших изобретений.

|||||||||||||||||||||||||||||||||
Распознавание текста книги с изображений (OCR) — творческая студия БК-МТГК.