Получается, что каждый раз, когда дано одно вещество, приходится добавлять второе вещество и поле. Зачем?
Ответить на этот вопрос нетрудно: чтобы поле через второе вещество воздействовало на первое вещество или, наоборот, чтобы первое вещество через второе давало на выходе поле, несущее информацию.
В самом деле, очевидно, что нет поля, которое умело бы обнаруживать маленькие капельки фреона или масла. Но есть ультрафиолетовое излучение, которое легко обнаруживает даже ничтожные количества люминофоров, и вот мы вводим эту пару — поле и второе вещество, связывающее поле с первым (исходным) веществом.
Обозначим поле буквой П, первое вещество В1, второе вещество — В2. Связи будем обозначать стрелками. Тогда для задачи 9 можно написать схему решения (двойная стрелка направлена от «дано» к «получено»):
У задачи 10 такая же схема решения, но вещество В2 само создает поле, зависящее от состояния В2, которое, в свою очередь, зависит от состояния В1. Соответственно схемы решения задач 11 и 12 запишем так:
В решениях взятых нами задач присутствуют три «действующих лица»: вещество В1, которое надо менять, обрабатывать, перемешать, обнаруживать, контролировать и т. д.; вещество В2 — «инструмент», осуществляющий необходимое действие; поле П, которое дает энергию, силу, т. е. обеспечивает воздействие В2 на В1 (или их взаимодействие). Нетрудно заметить, что эти три «действующих лица» необходимы и достаточны для получения требуемого в задаче результата. Само по себе поле или сами по себе вещества никакого действия не производят. Чтобы сделать что-то с веществом В1, нужны инструмент (вещество В2) и энергия (поле П).
Можно сказать иначе. В любой изобретательской задаче есть объект: в задаче 9 — капельки жидкости, в задаче 10 — полимер и т. д. Этот объект не может осуществлять требуемого действия сам по себе, он должен взаимодействовать с внешней средой (или с другим объектом). При этом любое изменение сопровождается выделением, поглощением или преобразованием энергии.
Два вещества и поле могут быть самыми различными, но они необходимы и достаточны для образования минимальной технической системы, получившей название веполь (от слов «вещество» и «поле»).
Вводя понятие о веполе, мы используем три термина: вещество, поле, взаимодействие (воздействие, действие, связь). Под термином «вещество» понимаются любые объекты независимо от степени их сложности. Лед и ледокол, винт и гайка, трос и груз — все это «вещества». Взаимодействие — всеобщая форма связи тел или явлений, осуществляющаяся в их взаимном изменении. Четкую характеристику взаимодействия дал Ф. Энгельс: «Взаимодействие — вот первое, что выступает перед нами, когда мы рассматриваем движущуюся материю в целом с точки зрения теперешнего естествознания. Мы наблюдаем ряд форм движения: механическое движение, теплоту, свет, электричество, магнетизм, химическое соединение и разложение, переходы агрегатных состояний, органическую жизнь, которые все — если исключить пока органическую жизнь — переходят друг в друга, обусловливают взаимно друг друга, являясь здесь причиной, там действием…» (К. Маркс, Ф. Энгельс. Соч., т. 20, с. 544).
Сложнее обстоит дело с определением понятия поля. В физике полем называют форму материи, осуществляющую взаимодействие между частицами вещества. Различают четыре вида полей: электромагнитное, гравитационное, поле сильных и слабых взаимодействий. В технике термин «поле» используют шире: это пространство, каждой точке которого поставлена в соответствие некоторая векторная или скалярная величина. Подобные поля часто связаны с веществами — носителями векторных или скалярных величин. Например, поле температур (тепловое поле), поле центробежных сил. Мы будем применять термин «поле» очень широко, рассматривая наряду с «законными» физическими полями и все- возможные «технические» поля — тепловое, механическое, акустическое и т. д.
В решении задачи 12 тепловое поле действует на В2, меняя механическое взаимодействие между В2 и В1:
Может возникнуть вопрос: почему тепловое поле показано в формуле веполя, а механического поля взаимодействия между В2 и В1 в формуле нет? Разумеется, можно было бы записать и так:
где П1 — тепловое поле, а П2 — механическое поле.
В вепольных формулах обычно записывают только поля на входе и на выходе, т. е. поля, которыми по условиям данной задачи можно непосредственно управлять — вводить, обнаруживать, изменять, измерять. Взаимодействие между веществами указывают без детализации вида взаимодействия (тепловое, механическое и т. д.).
Принятые обозначения:
— веполь (в общем виде);
— действие или взаимодействие (в общем виде, без конкретизации);
— действие;
— взаимодействие;
— действие (или взаимодействие), которое надо ввести по условиям задачи;
~ — неудовлетворительное действие (или взаимодействие), которое по условиям задачи должно быть изменено;
П — поле на входе: «поле действует»;
П — поле на выходе: «поле хорошо поддается действию (изменению, обнаружению, измерению)»;
П' — состояние поля на входе;
П'' — состояние того же поля на выходе (меняются параметры, но не природа поля);
В' — состояние вещества на входе;
В'' — состояние вещества на выходе;
В' — В'' — «переменное» вещество, находящееся то в состоянии В', то в состоянии В'' (например, под действием переменного поля);
— переменное поле.
В вепольных формулах вещества надо записывать в строчку, а поля сверху и снизу; это позволяет нагляднее отразить действие нескольких полей на одно и то же вещество.
ПОСТРОЕНИЕ И ПРЕОБРАЗОВАНИЕ ВЕПОЛЕЙ
На первых порах представление технических систем в виде веполей наталкивается на чисто психологические трудности. Нечто подобное наблюдается при освоении ребенком понятия «треугольник». Почему три яблока, лежащие в сумке, это не треугольник, а те же три яблока, расположенные на столе, образуют треугольник? Почему три точки дают треугольник и три дома тоже дают треугольник, хотя точки очень маленькие, а дома очень большие?.. Эти затруднения довольно быстро преодолеваются,
Кстати, об аналогии с геометрией. Треугольник — минимальная геометрическая фигура. Любую более сложную фигуру (квадрат, ромб, четырехугольник и т. д.) можно свести к сумме треугольников. Именно поэтому изучение свойств треугольника выделено в особую науку-тригонометрию. — система из трех элементов В1, В2 и П — играет в технике такую же фундаментальную роль, какую треугольник играет в геометрии. Зная несколько основных правил и имея таблицы тригонометрических функций, можно легко решать задачи, которые без этого потребовали бы кропотливых измерений и вычислений. Точно так же, зная правила построения и преобразования веполей, можно легко решать многие трудные изобретательские задачи.
Первое правило, с которым мы уже познакомились, состоит в том, что невепольные системы (один элемент — вещество или поле) и неполные вепольные системы (два элемента — поле и вещество, два вещества) необходимо — для повышения эффективности и управляемости — достраивать до полного веполя (три элемента — два вещества и поле).
Выше была приведена задача 3 о разделении щепы древесины и коры. В ней даны два вещества, и, следовательно, для достройки веполя необходимо ввести поле. Огромное поисковое пространство резко сужается; нужно рассмотреть всего несколько вариантов. В сущности, если отбросить поля сильных и слабых взаимодействий (в данной задаче они явно ведут к слишком сложным решениям), остаются два «законных» поля: электромагнитное и гравитационное. Учитывая ничтожную разницу в удельном весе щепок, следует сразу отбросить и гравитационное поле. Остается одно поле — электромагнитное. Поскольку магнитное поле не действует на кору и древесину, можно сразу ставить решающий эксперимент: как ведут себя щепки в электрическом поле? Оказывается, в электрическом поле частицы коры заряжаются отрицательно, а частицы древесины — положительно. Это позволяет построить сепаратор, обеспечивающий надежное разделение щепок.
