Синтез физического принципа действия.

Алгоритм синтеза ФПД

Синтез физического принципа действия (ФПД) позволяет синтези­ровать структуру системы из ФТЭ.

Сущность метода: нахождение такой комбинации ФТЭ, при которой осуществляется преобразование входного параметра системы в выходной.

На первом этапе словесная формулировка задачи преобразуется во входной и выходной параметры системы. На втором — находится ком­бинация ФТЭ, приводящая к преобразованию «вход—выход». На треть­ем этапе на основании найденной цепочки ФТЭ синтезируется принци­пиальное решение задачи.

Алгоритм синтеза физического принципа действи я рассмотрим на примере следующей задачи.

Задача. В ряде случаев ЛЭП приходится размещать в районах с большим количеством осадков. В холодный период времени, когда температура окружающей среды колеблется около О °С, провода посте­пенно обрастают коркой льда значительной толщины. В ряде случаев вес наросшего льда столь велик, что провода не выдерживают и рвутся. Син­тезировать систему, предотвращающую обрыв проводов ЛЭП при нали­чии снега и намерзании льда.

Этапы алгоритма

1. Определить цель (цели), достижение которой разрешит проблему (выходной параметр системы).

При решении данной задачи можно идти двумя путями: устранить причину, вызвавшую нежелательный эффект, или устранить следствие данной причины (сам нежелательный эффект).

В нашем случае причиной обрыва проводов являются осадки, след­ствием — лед. Причину устранить не удастся, однако возможно ликви­дировать лед. Таким образом, цель нашей задачи — «устранить лед».

2. Находятся источники достижения цели: за счет каких элементов, энергии и т. п. будет достигнута цель (входной параметр системы).

На этом этапе целесообразно воспользоваться вещественно-полевы­ми ресурсами (ВПР), т. е. теми полями и веществами, которые уже есть в системе.

По видам ВПР можно разделить на следующие группы: энергетиче­ские, вещественные, пространственные, временные, функциональные, информационные, комбинированные.

К энергетическим ресурсам относятся все известные нам виды энер­гии и полей (электрические, электромагнитные, тепловые поля и т. д.), которые не подводятся к системе и не вырабатываются специально, а уже имеются в совершенствуемой системе или во внешней среде.

Под вещественными ресурсами понимаются все материальные тела, которые есть в системе, надсистеме или внешней среде. Новое вещество можно получить разложением имеющихся веществ.

Под пространственными ресурсами будем понимать свободное про­странство, «пустоту», которую можно использовать для изменения ис­ходной системы или для повышения эффективности ее эксплуатации. Примеры: матрешка, телескопическая антенна.

Временные ресурсы — это использование промежутков времени ме­жду процессами, временное объединение процессов.

Функциональные ресурсы — это возможность использовать извест­ную функцию объекта по иному назначению, либо выявить новую функ­цию в системе. Сюда же можно отнести и возможность системы выпол­нять по совместительству дополнительные функции после некоторых изменений.

Переменный ток

Информационные ресурсы — это данные о параметрах вещества, по­лей, изменения свойств или параметров объекта. При этом, чем больше мы обнаружим отличий одного вещества от другого, тем эффективнее мо­жет оказаться их разделение. Вещества различают по разным параметрам: размерам, твердости, отражательной и преломляющей способности света, по магнитным, электрическим, химическим, биологическим и другим свойствам. Если различия в параметрах малы, то их усиливают, подвергая вещества воздействиям, при которых отличия усиливаются.

Устранение льда

Рис.1.3.Представление системы в виде совокупности входного и выходного параметров

Техническая схема

В нашем случае в качестве ресур­са — источника достижения цели можно использовать «Переменный электрический ток» — вещественный ресурс системы (рис. 1.3).

 

3. Сформулировать условие задачи в терминах ФТЭ(символическом виде).

Для нашей задачи:

3J4X1 → 2Р2Х (преобразовать переменный ток, текущий по провод­нику, в уменьшение веса твердого тела).

Возможна краткая запись данной задачи в виде «Вход → Выход», т. е. «Переменный ток → Вес».

4. Строится дерево ФТЭ для входного параметра системы «Пере­менный ток», выходного — «Вес». Пример дерева ФТЭ представлен на рис. 1.4.

Данное дерево может состоять, например, из следующей цепочки ФТЭ.

Провод Рис.1.4. Пример дерева ФТЭ

 

Переменный ток является ис­точником электромагнитного по­ля, т. е. «Переменный электриче­ский ток» преобразуется в «Элек­тромагнитное поле».

 

Электромагнитное поле на­гревает токопроводящее изделие, помещенное в данное поле, при этом ферромагнитное изделие на­гревается сильнее, чем неферро­магнитное (индукционный на­грев). Для этого эффекта входным параметром является «Электро­магнитное поле», выходным — «Температура».

 

 

Нагрев изделия приводит к уменьшению веса изделия, если оно плавится в незамкнутой систе­ме. Этот эффект преобразует вход­ной параметр «Температура» в выходной «Вес».

 

 

Втулка

5. Находится принципиальное решение задачи. В нашем случае это может быть ферромагнитная втулка, надетая на провод(рис.1.5.)

Рис. 1.5. Принципиальное решение задачи

 

 

Классификация ФТЭ

Ниже приведена классификация ФТЭ. За параметр классификации принят вид физического параметра.

1. Механические эффекты.

- Центробежная сила.

- Гироскопичекий эффект.

- Гравитация.

- Гука закон.

- Электропластический эффект.

- Эффект Пойнтинга.

- Эффект радиационного распухания.

- Сплавы «с памятью».

2. Молекулярные явления.

- Тепловое расширение вещества.

- Биметаллы.

- Фазовые переходы.

- Термокапиллярный эффект.

- Сорбция.

- Диффузия.

- Дюфура эффект.

- Осмос.

- Тепловые трубы.

- Цеолиты.

3. Гидростатика и гидродинамика.

- Закон Архимеда.

- Вязкоэлектрический эффект.

-Механокалорический эффект.

- Эффект Магнуса.

- Эффект Джоуля — Томсона.

- Гидравлический удар.

- Кавитация.

4.Колебания и волны.

- Резонанс.

- Реверберация.

- Ультразвуковые эффекты.

- Акустомагнетоэлектрический эффект.

- Волновое движение.

- Эффект Доплера-Физо.

- Поляризация.

- Дифракция.

- Интерференция.

- Голография.

- Дисперсия волн.

5. Электрические и электромагнитные явления.

- Электрическое поле.

- Закон Джоуля — Ленца.

- Закон Кулона.

- Индуцированные заряды.

- Электростатическая индукция.

- Магнитное поле.

- Сила Лоренца.

- Проводник с током в магнитном поле.

- Взаимодействие проводников с током (закон Ампера).

- Магнитострикция.

- Электромагнитное поле.

- ЭДС индукции.

- Взаимная индукция.

- Самоиндукция.

- Вихретоковый эффект.

- Индукционный нагрев.

- Электромагнитные волны.

- Бататронное излучение.

6.Диэлектрические свойства вещества.

- Пьезоэлектрический эффект.

- Обратный пьезоэффект.

- Пироэлектрики.

- Электрокалорический эффект.

- Сегнетоэлектрики.

- Электреты.

7.Магнитные свойства вещества.

- Кюри закон.

- Магнитокалорический эффект.

- Магнитоэлектрический эффект.

- Виллари эффект.

- Магниторезистивный эффект.

- Магнитоупругий эффект.

- Аномалии свойств при фазовых переходах.

- Эффект Баркгаузена.

- Эйнштейна — де-Хааза эффект.

8. Электрические свойства вещества

- Терморезистивный эффект.

- Тензорезистивный эффект.

- Трибоэлектричество.

 

9.Термоэлектрические и эмиссионные явления.

- Термоэлектрические явления.

- Эффект Зеебека.

- Эффект Пельтье.

- Эффект Томсона.

- Термоэлектронная эмиссия.

10. Гальвано- и термомагнитные явления.

- Гальваномагнитные явления.

- Эффект Холла.

- Эффект Эттингсгаузена.

- Термомагнитные явления.

- Эффект Риги — Ледюка.

11.Электрические разряды в газах.

- Ионизация газа под действием поля.

- Коронный разряд.

12. Электрокинетические явления.

- Электроосмос.

13.Свет и вещество.

- Полное внутреннее отражение.

- Оптико-акустический эффект.

14.Фотоэлектрические и фотохимические явления.

- Фотоэлектрические явления.

- Фотоэффект.

- Эффект Дембера.

- Кикоина — Носкова эффект.

- Фотохимические явления.

- Фотохромный эффект.

- Светогидравлический удар.

- Люминесценция.

15. Анизотропия и свет.

- Двойное лучепреломление.

- Механооптические явления.

- Фотоупругость.

- Эффект Максвелла.

- Электрооптический эффект Керра.

- Магнитооптические явления.

- Эффект Фарадея.

- Прямой и обращенный эффект Зеемана.

- Муаровый эффект.

- Дихроизм.

16.Явления микромира.

- Электронный парамагнитный резонанс.

- Акустический парамагнитный резонанс.

- Ядерный магнитный резонанс.

17. Другие ФТЭ.

- Термофорез.

- Фотофорез.

- Стробоскопический эффект.

- Электрореологический эффект.

- Акустоэлектрический эффект.

- Реоэлектрический эффект.

 

 

ОПИСАНИЕ ФТЭ

 

Описание ФТЭ дается по следующей схеме: название; входы — вы­ходы; графическая иллюстрация; сущность; математическое описание; применение.

Механические эффекты

Механика — наука о механическом движении материальных тел и происходящих при этом взаимодействиях между телами. Под механиче­ским движением понимают изменение с течением времени взаимного по­ложения тел или их частиц в пространстве. Рассматриваемые в механике взаимодействия представляют собой те действия тел друг на друга, ре­зультатом которых являются изменения механического движения этих тел. Их примерами могут быть притяжения тел по закону всемирного тя­готения, взаимные давления соприкасающихся тел, воздействия частиц жидкости или газа друг на друга и на движущиеся в них тела и др.

К интересным механическим эффектам относятся эффект Пойнтинга, эффект радиационного распухания металла, сплавы «с памятью».

Пойнтингом было установлено, что при закручивании стальных и медных проволок они не только закручиваются, но также упруго удли­няются и увеличиваются в объеме. Удлинение проволоки примерно про­порционально квадрату угла закручивания: при заданном значении угла удлинение пропорционально квадрату радиуса. Диаметр проволоки при закручивании уменьшается, величина радиального сжатия при этом про­порциональна квадрату угла закручивания. Эффект был открыт давно, и еще Пойнтингом было доказано, что удлинение при закручивании не связано с изменениями модуля Юнга — это позволяет предполагать, что свойства материала остаются без изменений.

Как бы ни пытались исправить деформированную деталь, она все равно вспомнит свой дефект, частично восстановит прежнюю деформи­рованную форму. Виной тому внутренние напряжения в материалах. Они существуют всегда. Отжиг ликвидирует их в металлах, но при осты­вании, которое идет не равномерно, внутренние напряжения, хотя и ос­лабленные, появляются вновь. С помощью холодной правки идеально выгладить стальное изделие невозможно. Здесь на помощь может прий­ти радиоактивное излучение.

При облучении нейтроны врываются в недра металла и, сталкиваясь с ядрами ионов (или атомов), выбивают их из узлов кристаллической ре­шетки.

Те, в свою очередь, ударяясь о другие ионы, либо остаются на мес­те, либо оставляют эти места свободными. Большая же часть ионов вне­дряется в пространство между узлами. Обрабатываемая часть изделия при этом увеличивает свой объем (эффект радиационного распухания).

Если изогнутую деталь подвергнуть радиоактивному облучению с выгнутой стороны, то внедрившиеся частицы, расталкивая ионы и ато­мы кристаллической решетки, начнут разгибать деталь. Изменения кри­визны можно контролировать обычным измерительным прибором, сле­дить за ней постоянно во время правки и закончить процесс точно на «ну­ле». Причем править можно в сборе, на готовой машине.

Действие радиации легко рассчитать. Известно, что максимальное изменение объема стали при нейтронном облучении составляет 0, 3 %. Например, если подвергнуть облучению только средний участок сталь­ной детали длиной 1000 мм и высотой 50 мм, то устраняется прогиб в 2, 5 мм. Неметаллические и композиционные материалы при облучении изменяют свой объем еще сильней, например, пластмассы — до 24 %.

Некоторые сплавы металлов: титан — никель, золото — кадмий, медь — алюминий обладают эффектом «памяти». Если из такого сплава изготовить деталь, а затем ее деформировать, то после нагрева до опре­деленной температуры деталь восстанавливает в точности свою перво­начальную форму. Из всех известных сейчас науке сплавов «с памятью» наиболее уникальны по спектру свойств сплавы из титана и никеля: сплавы ТН (за рубежом они известны под названием нитинол). Сплавы ТН развивают большие усилия при восстановлении своей формы.

2.1.1.Центробежная сила

Входы: угловая скорость, вращательное движение.

Выходы: давление, сила.

Графическая иллюстрация приведена на рис. 2.1.

Сущность

Рис.2.1. Действие центробежной силы

Центробежная сила — сила, с которой движущаяся материальная точка действует на тело (связь), стесняющее свободу движения точки и вынуждающее ее двигаться криво­линейно. Центробежная сила и цен­тростремительная сила численно равны друг другу и направлены вдоль одной прямой в противопо­ложные стороны, но приложены к разным телам—как силы действия и противодействия. Например, при вращении в горизонтальной плоско­сти привязанного к веревке груза центростремительная сила действу­ет со стороны веревки на груз, выну­ждая его двигаться по окружности, а центробежная сила действует со сто­роны груза на веревку, натягивает ее и при достаточно большой скорости движения может оборвать (см. рис. 2.1). Центробежная сила направлена по главной нормали к траектории от центра кривизны (от центра окружно­сти при движении точки по окружности).

 

Математическое описание

Численно центробежная сила

где m— масса точки;

v — ее скорость;

R— радиус кривизны траектории.

Применение

А. с. № 517501. Способ отбортовки труб и термопластичного мате­риала, включающий в себя операции нагревания ее конца до размягчения и последующей его деформации, отличается тем, что с целью упроще­ния изготовления изделия и повышения его качества деформацию раз­мягченного конца трубы осуществляют ее вращением.

Подвергая нагретую жидкость действию центробежного поля, мож­но значительно увеличить производительность парогенераторов, так как, если нагретую жидкость под давлением подавать по касательной к вращающемуся цилиндру, то жидкость закрутится. При этом жидкость будет закручиваться с большего на меньший радиус, а это, в силу закона сохранения момента количества движения, вызовет рост линейной ско­рости. Согласно закону Бернулли, увеличение скорости приведет к паде­нию давления в движущейся жидкости. Поэтому жидкость, подогретая до кипения, попав в зону пониженного давления, закипит, и сухой пар будет скапливаться в центре цилиндра.

Гироскопический эффект

Входы: сила, направление.

Выходы: перемещение, скорость.

Графическая иллюстрация приведена на рис. 2.2.

Рис. 2.2. Устройство гироскопа

Внутренн

Сущность

Гироскоп (см. рис. 2.2) — быстро вращающееся твердое тело, ось вращения которого может изменять свое направление в пространстве. Гироскоп обладает рядом интересных свойств, наблюдаемых у вращаю­щихся небесных тел, у артиллерийских снарядов, у детского волчка, у роторов турбин, установленных на судах. На свойствах гироскопа основаны разнообразные устройства или приборы, широко применяе­мые в современной технике для автоматического управления движением самолетов, морских судов, ракет, торпед и других объектов, для опреде­ления горизонта или географического меридиана, для измерения посту­пательных или угловых скоростей движущихся объектов (например, ра­кет) и много другого. Свойства гироскопа проявляются при выполнении двух условий: 1) ось вращения гироскопа должна иметь возможность из­менять свое направление в пространстве; 2) угловая скорость вращения гироскопа вокруг своей оси должна быть очень велика по сравнению с той угловой скоростью, которую будет иметь сама ось при изменении своего направления.

 

Если на гироскоп подействовать силой, то его ось начнет поворачи­ваться в плоскости, перпендикулярной плоскости действия силы (пре­цессия).

Еще одна особенность гироскопа: вращающееся тело обладает гиро­скопическим эффектом — способностью сохранять в пространстве неиз­менное направление оси вращения. При силовом воздействии с целью изменить направление оси вращения возникает прецессия гироскопиче­ских систем. Гироскопы широко применяются в технике: они являются одним из основных элементов современных систем управления судами, самолетами, планетоходами, космическими кораблями.

Математическое описание

dt dt

 

где М и L—соответственно векторы момента силы, действующей на гироскоп, и момента импульса;

I— скаляр момента инерции;

ω и ε — векторы угловой скорости и углового ускорения.

 

Применение

А. с. 474444. Локомотив с электропередачей, содержащий аккумулятор энергии в виде вращающегося маховика, связанный с преобразователем энергии, представляющим собой обратимую электрическую машину, отличается тем, что с целью устранения сил гироскопического эффекта маховика на устойчивость локомотива ма­ховик с преобразователем энергии смонтированы в оболочке и поме­щены в гироскопический механизм с двумя степенями свободы.

А. с. 467336. Устройство для определения силы трения, содержащее корпус, карданный подвес, ротор с приводом, установленные в кардан­ном подвесе, держатели образца и контробразца, нагружающий меха­низм, взаимодействующий с держателем контробразца, датчик угловой скорости прецессии, связанный с рамкой карданного подвеса. Отличает­ся тем, что с целью определения силы трения при высоких (порядка со­тен метров в секунду) скоростях вращения держатель образца установ­лен на роторе, нагружающий механизм взаимодействует с держателем контробразца, а датчик угловой скорости прецессии связан с внешней рамкой подвеса.

Поскольку при вращательном движении само тело остается на од­ном месте, а только участки тела совершают круговые движения, то во вращающемся теле можно аккумулировать кинетическую энергию, ко­торую затем можно преобразовать в кинетическую энергию поступа­тельного движения. На этом принципе работают инерционные аккуму­ляторы, используемые, например, в гиробусах.

А. с. 518302. Машина для инерционной сварки трением, содержа­щая привод вращения и шпиндель с массой для накопления энергии, от­личается тем, что с целью уменьшения энергоемкости процесса масса для накопления энергии выполнена в виде инерционного пульсатора.

А. с. 518381. Привод кузнечно-прессовой машины, содержащий электродвигатель и насос, соединенный трубопроводом через распреде­лительную систему с аккумулятором и рабочим цилиндром машины, от­личается тем, что с целью повышения КПД он снабжен дополнительны­ми аккумулятором энергии, маховиком, установленным в кинематиче­ской цепи, связывающей электродвигатель с насосом.

Гравитация

Входы: масса.

Выход: сила.

Графическая иллюстрация приведена на рис. 2.3.

Сущность

Рис. 2.3. Закон гравитации

Кроме того, что масса является мерой инерт­ности тела, любая масса является источником гравитационного поля. Через гравитационные поля осуществляется взаимодействие масс. Гравитационные силы самые слабые из всех сил, известных науке; тем не менее, при наличии больших масс (например, Земля) эти силы во многом предопределяют поведение физических систем. Количественно гравитационные взаимодействия опи­сываются законом всемирного тяготения. Сила тяготения пропорциональ­на массе. Такая пропорциональность приводит к тому, что ускорение, при­обретаемое в данной точке гравитационного поля различными телами, для всех тел одинаково конечно, если на эти тела не действуют никакие другие силы (сопротивление воздуха).

Если рассматривать движение тел под действием силы тяжести Зем­ли, то это движение будет равноускоренным. Ускорение будет постоян­но по величине и по направлению. Все отклонения от постоянства уско­рения имеют те или иные конкретные причины — вращение Земли, ее несферичность, несимметричное распределение масс внутри Земли, со­противление воздуха или иной среды, наличие электрических или маг­нитных полей и т. д. Постоянство ускорения — это возможность изме­рять массы посредством измерения веса, это часы, датчики времени — это бесплатные силы гравитации точно калиброванные.

Математическое описание

Гравитационное взаимодействие — одно из четырех фундаменталь­ных взаимодействий в нашем мире. В рамках классической механики гра­витационное взаимодействие описывается законом всемирного тяготения Ньютона, который гласит, что сила гравитационного притяжения между двумя материальными точками массы т₁ и т₂, разделенными расстоянием R (см. рис. 2.3),

 

где R — расстояние между телами;

т₁, т₂ — массы тел;

G — гравитационная постоянная, равная 6, 613(10)*10^-11 м³ /(кг*с ²).

Знак минус означает, что сила, действующая на тело, всегда равна по направлению радиус-вектору, направленному на тело, т. е. гравитацион­ное взаимодействие приводит всегда к притяжению любых тел.

Применение

Пат. 3552283 США. Устройство, отмечающее положение плоскости

Земли и образующее изображение на экспонируемой фотографической

пленке, позволяющее определить на проявленном негативе или на пози­тивном отпечатке положение плоскости Земли независимо от положения камеры во время киносъемки. Устройство содержит прозрачное тело с грузилом, смещающимся под действием силы тяжести в самый нижний угол этого тела. Прозрачное тело может располагаться внутри корпуса камеры или внутри кассеты для роликовой пленки, причем единственное требование к прозрачному телу — оно должно находиться на пути свето­вых лучей, идущих от фотографируемого предмета на пленку, установ­ленную в камере. На краю кадра, проявленного негатива или позитивной пленки образуется метка в виде стрелки, направленной в сторону плос­кости Земли. Метка в виде стрелки может использоваться для правиль­ной ориентации пленки или диапозитива.

А. с. 189597. Устройство для установления заданных промежутков времени отличается тем, что с целью повышения точности измерения при записи сейсмограмм оно выполнено в виде стержня с расположен­ным на нем грузом, замыкающим во время свободного падения контак­ты, соединенные с электродетонаторами.

123456Следующая ⇒

Поделиться:

Популярное:

1. I.Химия органического синтеза и полимеров.
2. Антибиотики, подавляющие синтез белка на рибосомах.
3. Антидепрессанты. Классификация и механизм действия. Тактика назначения антидепрессантов. Показания к применению в психиатрии и соматической медицине.
4. Аудиторская проверка организации системы бухгалтерского учета и отчетности и соблюдения принципа непрерывности деятельности
5. Аффилированными лицами физического лица,
6. БИОСИНТЕЗ НУКЛЕИНОВЫХ КИСЛОТ
7. В12 получают методом биосинтеза.
8. В12, синтезированный микрофлорой кишечника.
9. Вертикальная схема БСУ. Принцип действия. Преимущества и недостатки. (тетрадь)
10. ВЗГЛЯД НА ПРОБЛЕМУ БЕССМЕРТИЯ ФИЗИЧЕСКОГО ТЕЛА
11. Вибрация, физическая характеристика, ед. измерения, влияние на здоровье, профилактика неблагоприятного воздействия.
12. Возможность использования поли-N-винилпирролидона с иммобилизованными звеньями b-аланина в качестве кровезаменителя дезинтоксикационного действия.