/
Автор: Гнедина Т.Е.
Теги: физика конструирование издательство просвещение изобретательство книга для учащихся старших классов физические знания
ISBN: 5-09-000414-5
Год: 1988
Текст
*о^>
у^
**'
.XV»
V
р^сс^
ф»"
лР>
#р
Я*
^
А '<&*
МОСКВА «ПРОСВЕЩЕНИЕ» 1988
ББК 22.3
Г56
Рецензенты,
доктор технических наук (Институт
электронных управляющих машин)
В. Ф. Дорфман, доктор
педагогических наук (НИИ общей педагогики
АПН СССР) Б. С. Гершунский
Гнедина Т. Е.
Г56 Физика и творчество в твоей профессии: Кн. для учащихся
ст. классов.— М.: Просвещение, 1988.— 159 с: ил.— (О
профессиях, производстве и людях труда).
ISBN 5-09-000414-5
Книга адресована учащимся старших классов и посвящена становлению
новой личности современного рабочего, умеющего использовать
физические знания в изобретательской деятельности в условиях цеха, лаборатории,
конструкторского бюро, мастерской.
г 4306020000—574 2|2_88
103(03)—88 ББК 22.3
ISBN 5-09-000414-5
© Издательство «Просвещение», 1988
ПРЕДИСЛОВИЕ
В мире, в котором мы живем, действует множество законов
физики. Среди них и такие, которые знает каждый школьник из
учебников физики, и такие, которые известны сегодня только
немногим.
В этой книге ознакомление с физическими явлениями
происходит не в лабораториях Большой науки, а в условиях
каждодневной жизни. Мы покажем, как люди различных профессий
стремятся овладеть своим ремеслом и создать новые технологические
и культурные ценности. Мы выбрали несколько профессий:
физик-станочник, токарь, изучающий физические возможности
своего станка, технолог — специалист в микроэлектронике,
слесарь-сантехник и др.
Пожалуй, интереснее всего внедрение физики происходит в
решении изобретательских задач. Мы начали книгу именно с этого.
Современные изобретатели активно осваивают достижения
физики: ими подсчитано, что науке известно около 5000 явлений,
а любой специалист знает не более 150. Как добиться того, чтобы
творческий замысел изобретателя мог реализоваться с помощью
разнообразных физических эффектов? Об этой «охоте» на
физические эффекты мы расскажем в первой части — «Техническое
творчество и физика».
Изобретатели пытаются найти сходство между структурой
физического явления и схемой будущего технического объекта.
Игровые приемы изобретателей, применяющих новые подходы к
творческому решению технических задач, очень занимательны,
и мы надеемся, что учащиеся получат удовольствие от чтения
первой части книги.
Читатель познакомится с решением интересных проблем,
например, нельзя ли сделать оболочку корабля мягкой и эластичной,
как кожа дельфина? Оказывается — можно. Для этого надо
использовать жидкость, формой которой может управлять
магнитное поле. И теплоход, движущийся в водных просторах, сам
окажется жидким. Парадокс? Нет, новое техническое решение.
3
А вот более будничная задача: как сортировать переспелые
помидоры? Разумеется, используя закон Архимеда: контейнер с
овощами должен быть погружен в воду.
А можно ли поднять затонувший корабль в течение нескольких
часов? Да. Если сочетать свойства пены и тот же закон Архимеда.
Во второй части книги «Законы физики и законы технологии»
можно узнать о взаимодействии законов физики и технологии в
связи с новыми подходами физиков-конструкторов к
проектированию станков. Впрочем, как убедится сам читатель, законы
технологии еще исследуются и наука о технологии находится в
процессе созидания.
В третьей части «Представление о тупиках в технологии» мы
проанализировали ситуации, с которыми встречаются технологи.
Здесь можно проследить за логикой физического исследования
противоречивых требований к качеству продукции.
В заключительной части книги «Физика в истории и жизни
профессий» мы продолжим разговор о физическом решении
профессиональных задач, но перенесем «место действия» в реальные
условия будничных дел. От этого проблемы моряка рыболовного
траулера не станут менее интересными. Мы покажем, как
физические свойства рыбы оказывают влияние на весь режим морской
работы рабочих рыболовного флота. Здесь же мы расскажем о
людях новой профессии — это физики, ставшие станочниками.
Создатели электрофизических станков должны решать физические
проблемы, возникающие в процессе работы новых машин. Физики-
станочники часто открывают в своей технологии физические
явления, еще не известные в экспериментальных лабораториях.
Производство предъявляет науке «книгу жалоб» о необъясненных еще
новых физических эффектах.
Среди множества физических решений изобретательских и
профессиональных задач каждый может выбрать то, которое ему
больше нравится и соответствует условиям применения. Мы
желаем удачи нашим читателям, которые, конечно, будут
совершенствовать и развивать физические методы изобретательства.
Физика — лучший помощник в решении профессиональных задач.
ЧАСТЬ 1.
ТЕХНИЧЕСКОЕ ТВОРЧЕСТВО
И ФИЗИКА
1.1. ИЗОБРЕТАТЕЛЬ.
ПРОФЕССИЯ ИЛИ ПРИЗВАНИЕ?
Изобретатель не профессия, а призвание, в котором заложено
стремление превзойти все то, что создано до сих пор, попытаться
сделать пусть небольшой, но свой шаг в развитии техники. Кто он,
изобретатель? Каковы мотивы его деятельности? Что зовет его
к техническому поиску?
Интерес к личности изобретателя сопутствовал всей истории
человечества: он всегда выделялся своими поступками, мыслями,
своим оригинальным подходом к общепринятым ценностям.
Профессиональные биографии изобретателей разнообразны:
среди них — токари, инженеры, конструкторы, монтажники,
технологи, ученые. Известный американский изобретатель Эдисон
создал за свою жизнь 1098 изобретений. Но когда в мае 1983 г. в
Кремлевском Дворце съездов проходил VI съезд Всесоюзного
общества изобретателей и рационализаторов, в зале находилось
несколько человек, которые приближались в своих творческих
достижениях к этой цифре. Появились новые поколения эдисонов.
Изменились ли методы технического творчества за прошедшие
десятилетия?
Создатель кибернетики Норберт Винер считал, что Томас Аль-
ва Эдисон был переходной фигурой от доморощенных творцов
новой техники XIX в. к квалифицированным специалистам нашего
времени, создающим изобретение на основе тщательно
поставленных экспериментов. Но только ли в экспериментах залог успеха?
В терминах сегодняшней теории технического творчества
можно сказать, что Эдисон работал по методу проб и ошибок.
Изобретатель Никола Тесла заметил не без иронии: «Если бы ему
понадобилось найти иголку в стоге сена, он не стал бы терять времени на
то, чтобы определить наиболее вероятное место ее нахождения, но
немедленно, с лихорадочным прилежанием начал бы осматривать
соломинку за соломинкой, пока не нашел бы предмет своих
поисков».
Приемы изобретательства разнообразны. Психологи
разработали остроумные приемы, помогающие упорядочить творческое
5
воображение и направить его к поставленной цели. Мы укажем на
некоторые методы технического творчества.
Судьбы изобретателей сегодня неотъемлемы от их
профессиональной деятельности, в которой они черпают свои задачи.
Иногда изобретателем оказывается известный ученый-фундаменталист.
Французский физик Поль Ланжевен изобрел первое устройство
для ультразвуковой пеленгации подводных лодок1.
Петр Леонидович Капица стал изобретателем промышленного
метода получения кислорода. Ему принадлежат изобретения
технических приборов и остроумные подходы в физике низких
температур. Иногда изобретательское хобби следует за каждодневными
исследованиями инженера, конструктора, химика.
Доктор технических наук Лидия Александровна Рябова по
образованию химик. Но все ее работы проводились в пленочной
технологии, применяемой в микроэлектронике. Ее профессия
оказалась даже не двойственной, а тройственной: она специалист по
физическим процессам в тонких пленках, автор химических
методов технологии и известный изобретатель. Ей принадлежат многие
авторские свидетельства. В своих изобретениях она использует и
физику твердого тела, и принципы химической технологии.
Новаторство здесь опережает теорию: процессы протекают в таких
тонких пленках, где толщина их сравнима с длиной волны электрона,
предсказанной в 20-х гг. Луи де Бройлем. Тогда это считалось
революционным шагом в науке, граничащим с парадоксом.
Существование у первой материальной частицы собственной длины волны
ставилось под сомнение. А теперь в технологии микроэлектроники
ЭКСПЕРИМЕНТ И ТЕОРИЯ
ИЗОБРЕТАТЕЛЬСТВА
1 Подробнее об этом мы расскажем на с. 83
6
проводятся расчеты, связывающие толщину пленки с длиной волны
электрона.
Владимир Борисович Сандомирский работает над квантовыми
процессами, происходящими в тонких пленках. Квантовый подход
к физическим явлениям начинается там, где приходится учитывать
одновременно и волновой и корпускулярный характер поведения
частиц. Таким образом, В. Б. Сандомирский выступил в своей
работе как чистый теоретик. Однако именно его подход стал основой
для расчета практических явлений в тонких пленках, когда
электрон проявляет в работе прибора свою двойственную природу.
Но не все умеют воплотить свои теоретические идеи в
технологию. Талант Л. А. Рябовой заключается в том, что она умеет
совмещать мысль с действием.
Современная технология микроэлектроники так близка к
научному исследованию, что часто рабочий или лаборант бывает
посвящен в планы научных руководителей. Он активно участвует в
эксперименте, который становится со временем устоявшейся
технологией.
Неожиданно столкнулась я и с другой интересной
изобретательницей — Тамарой Савельевной Кохановской. Она занимается
физико-химическими проблемами электрофизических станков. Меня
поразила многогранность научных интересов Т. С. Кохановской.
Ее статьи я прочла впервые, когда изучала материалы советско-
французского сотрудничества в разработке
электрода-инструмента для электроэрозионного станка. Электрод-инструмент в
электроимпульсной обработке металла — самое слабое звено. Он легко
изнашивается под ударами частиц в электрическом разряде,
изменяя свою форму. А между тем искажение формы электрода-
инструмента влияет на качество изделия. Дело в том, что в
электрическом разряде искры или дуги между заготовкой и
электродом-инструментом происходит как бы отражение формы
электрода-инструмента на заготовку. Это отражение, создаваемое
электрическим полем и бомбардировкой частиц, падающих на
будущую деталь, и есть требуемая конфигурация изделия. По мере
износа электрода-инструмента его форма искажается и качество
изделия ухудшается.
Т. С. Кохановская участвовала в сложнейших физических
исследованиях механизма электрического разряда в парах
диэлектрической жидкости. Это реальные условия работы
электроискрового станка: искра, обрабатывающая металл, проскакивает в
парах керосина или другого диэлектрика. Подробно мы описываем
эти еще не разгаданные до конца физические процессы в очерке
«Физики становятся станочниками». Т. С. Кохановская — среди
тех физиков, которые стали станочниками.
В работе станка физические явления нельзя наблюдать в
«очищенном» виде, как это бывает в лаборатории. Обычно эксперимент
ставят так, чтобы было удобно наблюдать влияние на процесс
какого-либо одного параметра. А в станке одновременно действуют
7
многие факторы. Как учесть их физическое воздействие на
качество обрабатываемой детали? Очевидно, физической моделью станка
будет такой эксперимент, в котором можно учесть одновременное
воздействие многих факторов. Такой эксперимент называется
многофакторным. Для того чтобы его рассчитать и поставить, надо
знать не только физику и математику, но и системный анализ,
уметь представлять себе промышленный объект в виде системы.
Мы об этом будем говорить в очерке «Тупики в технологии».
Т. С. Кохановская — одна из тех, кто разрабатывает
многофакторный эксперимент.
В этой книге мы не раз будем возвращаться к работам
станочника Александра Ивановича Смирнова. Он интересен и как
прогнозист, работающий над физической моделью «станка
Будущего», и как изобретатель вполне «сегодняшних» технических
систем.
Впрочем, не всегда легко провести границу между прогнозом
и новаторством. Новаторство — это будущее, которое стало
сегодняшним днем. А. И. Смирнов считает, что
металлообрабатывающий станок должен изменить физический принцип действия,
заложенный в нем сегодня. Система датчиков, использующих
различные физические эффекты, будет следить за точностью
обработки изделия. Таким образом, информация будет
контролироваться в станке независимо от энергетического процесса
обработки. А в сегодняшнем станке контроль точности обработки
совмещается с приложением усилия к заготовке. А. И. Смирнов
различает в станке информационные цепи, по которым поступает
геометрическая информация (с чертежа или с перфокарты), и
энергетические цепи, по которым подается энергия для обработки
изделия. Он доказывает, что совмещение информационной и
энергетической цепей в станке приводит к искажениям той
геометрической формы, которую требуется придать заготовке, т. е. к
ухудшению качества. Все рассуждения А. И. Смирнова основаны на
доказательстве того, что надо исследовать физические явления,
потому что чисто технические решения себя исчерпали.
Мы кратко обрисовали творческие портреты изобретателей. А
теперь перейдем к методам их работы.
1.2. МЕТОДЫ ТЕХНИЧЕСКОГО ТВОРЧЕСТВА
Какие же методы технического творчества существуют
сегодня? Их очень много. Не будем торопиться с описанием
содружества физики и изобретательства. Укажем сначала те приемы,
которые основаны на других принципах.
Прежде всего, надо заметить, что за последние годы усилилось
влияние психологии на разработку методов научного творчества.
Психологам удалось сделать немало интересных наблюдений и
суждений, связанных с процессами технического творчества.
8
«Изобретательство — это некомическое остроумие,— пишет
советский изобретатель Генрих Буш.— Между приемами
остроумия и приемами изобретательства есть сходство, которое не
является случайным или только внешним. Оно обусловлено
общими закономерностями творческого мышления. Процесс
создания остроты включает признаки наличия исходных знаний,
генерирования ассоциаций между отдаленными понятиями и
оценку результата. Основные приемы комического: преувеличение,
пародирование (подражание оригиналу с одновременным
преувеличением характерных его черт), преуменьшение, необычный
темп, неожиданное сближение явлений и процессов, обнаружение
поразительного сходства, обнажение контраста, использование
противоречий между формой и содержанием, обычным и
неожиданным назначением предмета, повторение явлений, нарушение
праксеологических или логических норм (логическая инверсия),
перестановка, противопоставление, двойное истолкование,
сопоставление по отдаленному или случайному признаку —
являются одновременно эффективными приемами поиска решения
изобретательских задач» .
Среди гаммы психологических переходов, перечисленных Г.
Бушем, обратим особое внимание на один из приемов:
«сопоставление по отдаленному или случайному признаку». Именно этот
подход лег в основу так называемого «метода гирлянд ассоциаций
и метафор».
Метод гирлянд ассоциаций и метафор
Проблемную ситуацию часто сравнивают с пропастью между
известным и искомым, поскольку отсутствует основание, на чем
можно поставить надежные опоры для построения моста между
ними. Такая ситуация возникает при поиске решения большинства
конструкторско-изобретательских задач. В таких случаях одним из
способов «построения моста» является «подвешивание» его на
гирляндах ассоциаций и метафор. Иными словами, решение
изобретательской задачи осуществляется в результате переноса знания в
новую область, использования обходных (ассоциативных) слов и
метафорических выражений.
Приведем пример.
Пусть требуется найти новые конструктивные решения
стульев для расширения ассортимента мебельной фабрики.
1-й шаг — определение синонимов объекта. Синонимами
объекта «стул» являются кресло, табурет, пуф. Составляют гирлянду
синонимов: стул — кресло — табурет — пуф.
2-й шаг — произвольный выбор случайных объектов.
Совершенно случайно, например по памяти, или из энциклопедического
словаря, или любым другим способом, выбирают несколько имен
существительных, которые даже не обязательно должны обозна-
Буш Г. Я Рождение изобретательских идей — Рига, 1976.
9
10
чать технические объекты. Отобранные слова образуют вторую
гирлянду — гирлянду случайных объектов, например:
электролампа — решетка — карман — кольцо — цветок — пляж.
3-й шаг — составление комбинаций из элементов гирлянды
синонимов и гирлянды случайных объектов. Составляют
комбинацию из двух элементов, соединив каждый синоним
рассматриваемого объекта с каждым случайным объектом. Получают стул с
электролампой, решетчатый стул, стул с карманами, стул для
пляжа, табурет для цветов и т. д.
4-й шаг — составление перечня признаков случайных объектов,
например: стеклянная, теплоизлучающая, прозрачная
электролампа. Определяют признаки случайно выбранных объектов.
Необходимо определить возможно большее число признаков, однако в
течение ограниченного времени, например в течение 2—3 мин.
Успех поисков в значительной мере зависит от широты охвата
признаков случайных объектов. Поэтому целесообразно перечислять
как основные, так и второстепенные, малозначимые признаки.
5-й шаг — генерирование идей путем поочередного
присоединения к техническому объекту и его синонимам признаков
случайно выбранных объектов. Например, присоединяя к гирлянде
синонимов стул — кресло — табурет — пуф гирлянды признаков
электролампы, можно получить следующие соединения:
стеклянный стул, теплоизлучающее кресло, колбообразный пуф,
прозрачное кресло и т. д.
6-й шаг — генерирование гирлянд ассоциаций. Поочередно из
признаков случайных объектов, выявленных на 4-м шаге,
генерируются гирлянды свободных ассоциаций, например, гирлянда
ассоциаций по первому признаку случайного объекта —
«электролампа». Признаком к ней является эпитет «стеклянная». Гирлянда
ассоциаций создается постановкой вопроса: что напоминает слово
«стеклянная»? Ответ может быть, например, такой: стеклянное
волокно. Далее задается вопрос: что напоминает слово «волокно»?
7-й шаг — генерирование новых идей. К элементам гирлянды
синонимов технического объекта поочередно пытаются
присоединить элементы гирлянд ассоциаций. Например, используя только
первую гирлянду ассоциаций, можно получить следующие
сочетания: стеклянный стул, кресло из стекловолокна, вязаный пуф,
табурет для бабушки, кресло для лечения ревматизма, курортное
кресло, кресло от жары и т. д.
8-й шаг — оценка и выбор рациональных вариантов идей.
Среди множества нерациональных, тривиальных и даже нелепых идей,
как правило, всегда найдутся оригинальные и рациональные.
Интересные решения среди всех вариантов составляют 2—50%.
Отмечена любопытная закономерность: число рациональных вариантов
обратно пропорционально их оригинальности.
Метод гирлянд и метафор, примененный для изобретения новой модели стула
11
9-й шаг — отбор наилучшего варианта из рациональных
осуществляется разными способами. Весьма простым и эффективным
является метод экспертных оценок.
Метод экспертных оценок — это привлечение к анализу новых
технических идей различных специалистов. Проектируемое
техническое изделие рассматривается с различных точек зрения:
1. Изделие должно удовлетворять удобству человека.
2. Оно не должно нарушать условия общественного порядка.
3. Конструкция должна хорошо соответствовать условиям
окружающей среды (климатическим, радиационным и т.д.).
4. Могут возникнуть требования исходя из условий
биологической среды.
5. Наконец, изделие анализируется с точки зрения
совместимости заложенных в нем физических эффектов.
Приведем еще один метод технического творчества,
предложенный в 1960 г. американским исследователем Уильямом
Гордоном.
Синектика — метод совмещения разнородных элементов
Этот психологический прием напоминает описанные гирлянды
метафор ассоциаций, но его можно считать еще более
«психологичным», даже, пожалуй, артистичным.
Синектика в переводе с греческого означает «совмещение
разнородных элементов». Разнородными являются аналогии
рассматриваемого объекта в самых непривычных областях: в
фантазии, логическом мышлении, а также в различных областях
применения проектируемой системы.
Изобретатели собираются в группы, в которые входят люди
разных специальностей: задачу необходимо рассмотреть со всех
сторон. Идеи подвергаются сомнению, каждый должен забыть, что
он — знаток. Делается все, чтобы сломать предвзятые суждения,
развить воображение. Главная цель всех психологических
методов — стимулировать творческий процесс, освободиться от
господствующей идеи, от традиционного мышления, существующего в
данной отрасли техники.
Вот один из примеров, приведенный известным теоретиком
технического творчества Г. С. Альтшуллером.
Речь идет о производстве стекла. Раскаленная стеклянная
лента поступает на валковый конвейер. Продвигаясь между
валками, она принимает нужную форму и охлаждается. Качество
поверхности стекла зависит от расстояния между валками. Если
расстояние велико, то лента будет волнистой.Чтобы получить гладкую
поверхность, нужны валки минимального диаметра, почти
соприкасающиеся друг с другом. Но такой конвейер будет сложен и
капризен. Как выйти из положения? Инженеры создавали
специализированные линии для разных сортов стекла, оснащали заводы
машинами, которые полировали застывшее стекло. Но толку от этого
12
было мало. Господствующая идея известна: нужны валки
минимального диаметра. Прекрасно! Доведем диаметр до предела, а
идею до абсурда. Сантиметр, миллиметр, сотая миллиметра...
Сомнительно, чтобы такой конвейер мог работать. Ничего, пусть не
работает. Микрон, сотая доля микрона, молекула, атом... Дальше
некуда. Можно ли представить себе диаметр валка размером с
атом? Теоретически можно, т. е.— никаких валков не надо. Стекло
будет передвигаться не по валкам, а по атомам — по идеально
ровному слою атомов расплавленного металла. Жидкий металл —
идеальный конвейер!
Решение задачи найдено в результате освобождения от
господствующей идеи: вместо представления о конвейере появилась
идея использования расплавленного металла для транспортировки
стекла.
Остановим свое внимание на последнем примере. В нем явно
наличествует переход от технического решения — к физическому.
Но не будем торопиться. Во всех психологических подходах к
техническому творчеству имеется один общий недостаток: в них не
учитываются закономерности структуры технических объектов и их
связи с физическими явлениями. Все психологические и
эмоциональные попытки «раскрепостить» творческую мысль ограничены
случайными процессами, совпадениями, озарениями,
удивительными находками. Системы в них нет. Приведем еще один подход к
проблеме технического творчества, весьма далекий от случайности
и, казалось бы, независимый от пересечения физики и техники.
Метод морфологического ящика
Метод морфологического ящика разработан швейцарским
астрономом Ф. Цвикки. Под морфологией понимается наука о
структуре и форме.
Сущность этого метода заключается в следующем. В каждом
объекте выделяют несколько характерных (морфологических)
признаков (характеристик объекта, системы, устройства, способа),
а по каждой характеристике (морфологическому признаку) —
определенное количество вариантов. Перебирая всевозможные
сочетания характеристик и вариантов, можно выявить такие
сочетания, которые при простом переборе могли бы быть упущены.
Последовательность работы при морфологическом анализе
поясним на конкретном примере решения изобретательской задачи:
проектирование нового вида городского и пригородного
транспорта.
1-й шаг—необходимо сформулировать задачу: нужен новый
вид городского и пригородного транспорта.
2-й шаг — составить список всех признаков или характеристик,
от которых зависит решение проблемы:
А — вид опоры;
Б — источник энергии;
13
В — тяговые двигатели.
(Мы отметили только 3 из 11 приведенных признаков.)
3-й шаг — по каждому списку или характеристике составляют
возможные варианты его исполнения. Так, в приведенном примере
А — вид опоры, возможны варианты:
А| — железнодорожное колесо,
Аг — резиновое колесо,
Аз — магнитное подвешивание (магнитная подушка),
А4 — воздушная подушка (сжатый воздух) и т. д.;
Б — источник энергии:
Б| — электроэнергия,
Бг — дизельное топливо,
Бз — ядерное топливо и т. д.;
В — тяговые двигатели:
В\ — постоянного тока,
Вг — пульсирующего тока.
Замена конвейера в стекольном производстве потоком жидкого металла
14
4-й шаг — составление матрицы (таблицы) из всех взятых за
основу признаков (характеристик), вариантов и подвариантов
типа:
А,,А2 А„,
Б|, Б2 Б„,
В|, В2 Вл и т. д.
Такая матрица (таблица) дает возможность осуществить
перебор всех возможных комбинаций.
В приведенном примере перебор дал около 40 тыс. комбинаций.
Заведомо неприемлемые комбинации не рассматривались, в
результате чего осталось около 10 тыс. комбинаций, из которых лишь
несколько десятков представляли интерес при решении данной
задачи. Но не использованные варианты представляют интерес
как банк данных.
5-й шаг—выбор наиболее приемлемых на данном этапе
решений.
Метол матрицы признаков будущего технического объекта для прогноза
городского транспорта
П
в'
в2
вз
1
А,
1_
А2
О
А3
аЛ
15
После отбора оставлено несколько вариантов объектов:
экипаж на магнитной подушке с линейным тяговым двигателем,
экипаж на резиновых колесах с линейным тяговым двигателем
и др.
Преимуществом этого метода по сравнению с
«психологическими» подходами является упорядочение и систематизация
перебора комбинаций, в число которых входят перспективные
варианты, не замечаемые в большинстве случаев при простом переборе.
Однако метод морфологического ящика зачастую оказывается
чудовищно громоздким при решении сложных изобретательских
задач. Количество вариантов, комбинаций достигает сотен тысяч и
миллионов. Перебрать такое множество вариантов практически
невозможно; поэтому для уменьшения матрицы необходима точная
формулировка цели. (Хотя следует иметь в виду, что чрезмерно
узкая фокусировка цели снижает прогнозную эффективность
метода.)
Применение этого метода не гарантирует охвата всех
возможных признаков (характеристик), а также их вариантов и под-
вариантов, но приближает к этому.
Однако к оценке метода морфологического ящика можно
подойти с других позиций.
Прежде всего, этот метод подводит исследователя к принципам
системного представления об объекте, а это является весьма
важным продвижением методики технического творчества. Кроме того,
возможности подхода Цвикки могут быть использованы несколько
иначе, и автор надеется показать это в разделе о физических
тупиках в технологии.
В качестве морфологических признаков проектируемого
объекта или процесса можно выбирать не его технические
характеристики, как это рекомендовал Цвикки, а физические эффекты,
составляющие физический принцип действия устройства. Тогда
прогнозирование нового технического объекта окажется основанным
на комбинациях физических эффектов и даст более
фундаментальный и определенный результат.
Для читателей, которые не захотят углубляться в
бесконечные цепочки перебора признаков по методу морфологического
ящика, имеется утешительный довод: такое огромное число
переборов должна делать ЭВМ. Для этого она и предназначена.
Квалифицированному специалисту не придется тратить время на
трудоемкие комбинации и перебор признаков по методу
морфологического ящика.
Автор заранее согласен с мнением читателя, желающего
передать метод Цвикки ЭВМ. Подробно занимается этими
проблемами профессор Александр Иванович Половинкин,
разрабатывающий банк данных ЭВМ, которым могут пользоваться
изобретатели. Главную роль в этом банке данных играют комбинации
физических эффектов. Именно поиск физических принципов
действия составляет основу машинного проектирования.
16
1.3. ТЕХНИЧЕСКОЕ РЕШЕНИЕ И ФИЗИЧЕСКИЙ
ПРИНЦИП ДЕЙСТВИЯ
А. И. Половинкин развивает в своих работах новый подход к
сопоставлению структуры технической системы и физического
эффекта. И хотя конечной целью его программы является
создание искусственного интеллекта в машинном проектировании, мы
остановимся на его методе, ибо он является принципиальным
отходом от психологических и морфологических приемов
изобретательства. В основе метода Половинкина заложены
функциональные структуры технических устройств и соответствующих
физических принципов действия.
До сих пор мы рассматривали методы технического творчества,
основанные на переборе технических решений. Такие задачи
приводят к созданию новых технических устройств, но не приводят к
принципиально новым изобретениям, которые можно было бы
назвать открытиями в технике. Для того чтобы сделать техническое
открытие, надо положить в его основу новый физический принцип
действия.
«Множество конструктивных решений можно представить в
виде безбрежного океана с далеко отстоящими друг от друга
архипелагами. Все точки «водной поверхности» такого океана — это
множество недопустимых решений. Все точки поверхности суши
отдельного архипелага — множество допустимых решений с
одинаковым физическим принципом действия. Все точки поверхности
суши отдельного острова в архипелаге — множество допустимых
одинаковых технических решений, но с различными параметрами.
«Рельеф» этих «островов» имеет «вершины», «хребты» и
замысловатые «фиорды»1.
Наиболее высокая вершина в пределах «архипелага» —
оптимальное решение для рассматриваемого физического принципа
действия. Конструктор должен стремиться к этой вершине. На пути
его возникают «холмы», высота которых гораздо меньше: это
возможные технические решения, основанные на старом физическом
принципе действия.
Попытаемся ответить на вопрос: что представляет собой работа
конструктора?
Конструктор, получив или сформулировав техническое
задание, начинает двигаться по описанному «безбрежному океану».
При этом происходит либо осмысливание и доработка известных
технических решений (что можно сравнить с восхождением
альпинистов на вершины, всегда окутанные туманом), либо построение,
точнее, изобретение, новых технических решений и физических
принципов действия (что можно сравнить с подвижничеством
1 Так описывается методология изобретательства в кн.: Автоматизация
поискового конструирования (Искусственный интеллект в машинном
проектировании)/ Под ред. А. И Половинкина.— М., 1981.
17
мореплавателей XVI в., отправившихся на поиски неизвестных
земель).
А. И. Половинкин показывает, что если поставить перед собой
задачу выбрать наилучшие технические средства для ловли рыбы,
то необходимо исходить из существующих физических принципов
действия таких средств. Приведем его таблицу, поскольку в
заключительной части нашей книги можно прочитать рассказ о
применении физики в современном рыболовстве.
Физический принцип действия
Принудительное заанкеривание при
внедрении в тело рыбы ершеобразного твердого
тела
Самозаанкеривание рыбы при заглатывании
крючка с наживкой
Ограничение свободы перемещения рыбы
при ликвидации водной среды
Техническое решение
Острога, гарпун, подводное ружье
Удочка, перемет, спиннинг
Каналы для осушения водоема,
испарение воды и т. д
1.4. ЗАКОНОМЕРНОСТИ ТЕХНИЧЕСКИХ СИСТЕМ
И ПРИМЕНЕНИЕ ФИЗИЧЕСКИХ ЭФФЕКТОВ
Технические системы можно рассматривать исходя из их
функциональной структуры, задаваясь вопросом: каково практическое
назначение каждого элемента данного технического устройства?
Например, можно провести анализ элементов шариковой
авторучки и выполняемых ими функций. Их оказалось около тридцати.
Каждому элементу шариковой ручки соответствует точное
практическое назначение.
То же самое можно сделать для электрического фонарика,
шарикоподшипника, поршневого насоса. Приведем для примера
фрагмент таблицы1, описывающей функции шариковой
авторучки.
Приведенные примеры показывают, что профессор А. И.
Половинкин своим методом делает шаг вперед по сравнению с
интуитивным представлением о практическом назначении элементов
технических устройств, которое до сих пор лежит в основе
деятельности разработчиков. Функциональные элементы могут быть
классифицированы, и это имеет большое значение для исследования
закономерностей разнообразных технических систем: приборов,
орудий труда, обрабатывающих, транспортных и энергетических
машин, сооружений, вспомогательных приспособлений, автоматов,
изделий.
1 См.: Автоматизация поискового конструирования (Искусственный
интеллект в машинном проектировании)/ Под ред. А. И. Половинкина.— М., 1981.
18
Элемент
Е— шариковая авторучка
1/|— бумага
У 2— рука
Кз—окружающие предметы
Ео— стержень
Е\— корпус
Е2— колпачок
Е0-\ — паста
Ео-2 — головка стержня
Ео-з— трубка
Е|_|— нижняя часть корпуса
Е|_2—верхняя часть корпуса
Функции элемента
Р— образование видимых линий
произвольной формы на бумаге (У\)
Ро = Р
Р[— передача усилия от руки (У2) к
стержню (Ео)
Р2— защита от загрязнения окружающих
предметов (Уз) во время хранения
авторучки
Ро\=Ро
Р02—нанесение пасты (Е0-\) на бумагу
(У\) в виде произвольных линий
Р' —хранение пасты (Е0_|)
Р" — передача усилия от корпуса
(Е\) на головку стержня
(Я>-2)
Р\-\— передача поперечного усилия от
руки (К2) к стержню (Ео)
Е|_2— передача продольного усилия от |
руки (Уч) к стержню (Ео) 1
Такие попытки проводятся, и наиболее распространенные
функциональные элементы разделены на классы. Повторяем при этом,
что функциональный анализ технических систем является
подготовительным этапом для перехода к физическому анализу
объектов техники.
Действительно, зная функциональное назначение элемента или
узла проектируемой машины, мы можем подобрать нужный
физический эффект. Синтезируя эти процессы, мы можем
реализовать физический принцип действия конкретной технической
системы.
Казалось бы, такая методология предназначена для
конструктора, проектирующего новые объекты, или для изобретателя,
воплощающего свою техническую идею в физическом принципе
действия конкретного устройства или прибора. Однако подход
А. И. Половинкина значительно шире, чем перестройка работы
конструктора и изобретателя: это создание новых принципов
физико-технического мышления, опирающегося на структуру
технических объектов и физических эффектов. Такой подход может быть
полезен для человека любой профессии, поставившего перед собой
задачу разобраться или изменить физический принцип действия
своего прибора, приспособления или станка.
Продолжим рассуждения. Итак, работа любой технической
системы (ТС) основывается на одном или нескольких определенным об-
19
ФЭ
Сонолюминес-
ценция
Пьезоэлектрический
Ультразвуковой
капиллярный
Сверхпроводимость
Светогидрав-
лический
Входное
воздействие А
Акустическая
волна
Механическое
напряжение
Акустическая
волна (ультразвук)
Температура
(ниже
определенного предела
кр /
Электромагнитное
излучение (луч
квантового
генератора)
Физический
объект В
Люминисфор
(глицерин,
нитробензол, этиловый
спирт и т. д )
Пьезокристалл
(кварц, турмалин,
сахар и т. д.)
Жидкость в
капилляре
Полупроводник
или металл
(алюминий, индий,
свинец, галлий и т д.)
Жидкость
Выходной
эффект С
Электромагнитное
излучение
(видимая часть спектра)
Электрическое
поле
Повышение
высоты подъема
жидкости
Резкое увеличение
проводимости
(электрической)
Гидравлическая
волна (большой
амплитуды)
разом взаимосвязанных физических или химических эффектах
(законах, явлениях). Для краткости все эффекты и явления,
используемые в ТС, будем называть физическими эффектами (ФЭ). Под
физическим эффектом (ФЭ) будем понимать результат
воздействия одних физических объектов на другие, которое при
определенных условиях взаимодействия приводит к вполне определенным
изменениям значений некоторых физических величин.
Отдельный ФЭ, обозначаемый буквой №, можно описать тремя
компонентами:
Г=Л-^В-^С, или Г = ЛВС,
где А — физическое воздействие;
В — физический объект, на который направлено воздействие;
С — результат физического воздействия (получаемый эффект).
Приведем примеры описания широкоизвестных физических
эффектов по этой формуле1.
1 См.: Автоматизация поискового конструирования (Искусственный
интеллект в машинном проектировании)/ Под ред. А И. Половинкина — М.,
1981.
20
К этой таблице А. И. Половинкин сделал следующее
примечание: некоторые физические эффекты, представленные здесь, не
могут самостоятельно существовать и действовать, поскольку они
получены расщеплением сопряженных физических эффектов,
которые имеют более одного результата воздействия С и
соответствующее структурное описание:
Ч/ = АВ (С, С2,... Ск).
Эти сопряженные физические эффекты могут быть
представлены следующим образом:
ФЭ
Протекание
электрического тока по проводнику
Явления, происходящие
при увеличении
температуры твердого тела
Входное
воздействие
А
Электрический ток
Нагрев
Физический
объект В
Проводник
Твердое
тело
Выходные результаты 1
С\, С2, . . . С]<
С\— увеличение
температуры
Сг— электромагнитное поле
С\— изменение формы и
объема
С2— изменение
электропроводности
Сз — тепловое излучение
С4— электромагнитное
излучение
Сб — поток электронов
Для использования формул физических эффектов в ЭВМ,
производящей автоматизированный синтез физических принципов
действия нового устройства, рекомендуется представлять
сопряженные физические эффекты в виде отдельных составляющих. Мы
используем этот подход методологически для расширения
возможностей творческой деятельности новаторов различных профессий
без применения ЭВМ. Поэтому не будем углубляться в операции,
связанные с подготовкой физической информации для
автоматизированной обработки. Для нас важно сделать дальнейший шаг к
описанию совместимых физических эффектов.
Совместимыми физическими эффектами будем считать такие,
когда результат воздействия предыдущего ФЭ эквивалентен
входному воздействию последующего ФЭ. Два совместимых ФЭ
могут быть объединены в одном техническом устройстве или
приборе.
Приведем пример использования совместимых физических
эффектов в люминесцентной лампе ' (разумеется, число
физических явлений в газовом разряде значительно больше).
1 Пример приведен из уже упомянутой книги А. И Половинкина.
21
Электрический
ток
Проводник
Увеличение
температуры
Оксидная
суспензия
Поток
электронов
Пары
ртути
Ультрафиолетовое
излучение
Люминофор
Световой
поток
Из этой схемы мы видим, как совместимые физические эффекты
объединены в общую структуру, представляющую собой
физический принцип действия данной технической системы.
До сих пор мы оставались в рамках анализа неработающих,
проектируемых технических систем. Мы рассматривали их
статически, оставаясь на позициях техниковедения, изучающего
законы техники, но не законы технологии, в условиях которой
протекает динамика процессов работающих технических объектов.
Переход от техники к технологии мы осуществим в следующей
главе, а сейчас посмотрим, какие еще существуют подходы к
использованию физики в техническом творчестве.
1.5. «ОХОТА» ЗА ФИЗИЧЕСКИМИ ЭФФЕКТАМИ
Мы уже говорили о том, что науке известны 5000 физических
эффектов, но только около 150 из них становятся знакомы
инженеру. Между тем конструкторы, изобретатели, технологи, рабочие-
рационализаторы, новаторы различных профессий начинают все
более остро ощущать необходимость использования всего
богатства изученных физикой явлений в своих разработках. Но как
добраться до «подходящего» физического эффекта?
Функциональная структура технических систем дает возможность догадаться,
какими свойствами должен был обладать физический эффект,
который желательно включить в физический принцип действия
устройства или прибора. Может быть, надо научиться описывать
физические явления как-то иначе, чем это принято в учебниках?
Расположить эти физические эффекты в ином порядке, удобном
для специалистов, работающих в технике?
Исследования, связанные с автоматизацией поискового
конструирования, позволили уже накопить банк данных, содержащий
2000 качественно описанных физических эффектов. Но не всем
он пока доступен. К тому же люди различных профессий хотели
бы располагать собственным «Указателем физических эффектов»,
составленным с учетом особенностей их ремесла.
22
И вот стали появляться различные пособия по использованию
физических явлений и эффектов для решения изобретательских
задач. Появившиеся «Указатели физических эффектов»
различаются количеством описанных явлений и выбором примеров из
огромного массива, освоенного наукой. «Указатели физических
эффектов» сыграли значительную роль в сближении методов
технического творчества с физикой. Взамен интуитивных поисков
усовершенствований и комбинаций изобретательских идей появились
рациональные пути использования физических эффектов в
принципиально новых решениях конструкторов, изобретателей,
рационализаторов.
Научно-фантастическая литература
как указатель неиспользованных физических эффектов
Автор заранее предвидит ироническое сомнение в физической
ценности эффектов, предлагаемых «бесконтрольной» формой
художественного творчества. Однако известны случаи, когда именно
научно-фантастическое произведение послужило импульсом к
важному научному открытию.
Никто не станет спорить, что голография — одно из
выдающихся достижений физической мысли. Между тем, по
свидетельству Юрия Николаевича Денисюка, разработавшего метод
голографии в трехмерных средах, его научное воображение подсказало
ему единственно правильную идею по аналогии с высказанной в
научно-фантастическом рассказе.
Аналогия сыграла здесь решающую роль: физический эффект
был «пойман» в результате образного аналогового мышления.
Вернее, искомый физический эффект явился Ю. Н. Денисюку через
метафору. Вот как это было.
«Мне попался научно-фантастический рассказ,— вспоминает
Ю. Н. Денисюк.— Его герой научился создавать копии реальных
предметов, не изображения, а именно копии. Точные копии,
неотличимые от оригинала. Возможно, я подсознательно стремился к
чему-то подобному. Зерно попало в подготовленную почву. Мне
казалось, я могу и должен этого достичь. Мне захотелось найти
способ отображать реальные предметы так полно, чтобы в
отображении содержались мельчайшие особенности оригинала.
Фотография не способна к этому, она показывает лишь плоские мертвые
тени. Я хотел при помощи оптики придумать такой ход, такой
шифр, чтобы он поддавался расшифровке без помощи
воображения. И я нашел его в самой основе оптики. В свойствах световых
волн...»
Итак, первый аргумент в пользу ценности фантастики как
«указателя физических эффектов» — опыт. В самом деле, разве
использование фантастики крупным ученым-физиком не есть
убедительный опыт?
Вторым аргументом в пользу тщательных поисков физических
идей в любых источниках информации оказывается риск, связан-
23
ный со своевременным использованием изобретения, с
уверенностью в том, что благо технической цивилизации будет получено
вовремя, без потерь.
Поучительна история с изобретением молниеотвода,
физическая идея которого принадлежит В. Франклину. Препятствия,
стиснувшие распространение этого спасительного устройства,
возникали и в виде дезинформации общественного мнения, и в
укоренившихся предрассудках, и в невежестве. Трудно переоценить
проницательную тактику изобретателя в борьбе за молниеотвод.
И все же шквал клеветы и бедствий обрушился на Франклина.
Почему? Потому что сущность физического эффекта осталась
неизвестной его невежественным противникам. История эта, рас-
сказаная П. Л. Капицей в его книге «Эксперимент. Теория.
Практика», служит историческим уроком необходимости
правильно анализировать сущность нового физического явления и принцип
действия устройства, его использующего.
В научно-фантастической литературе появляется немало
физических эффектов, анализ которых может многому научить
инженера.
Полезное исследование научной фантастики как резервуара
физических эффектов провел астрофизик П. Амнуэль1.
Воспроизведем ход его рассуждений.
Анализ массива отечественной и зарубежной научной
фантастики с точки зрения использования физических эффектов
позволяет разделить эти произведения на следующие группы:
1. В сюжете произведения действуют реальные, известные
читателю физические эффекты. Иногда их использование
оказывается нетривиальным и может быть реализовано в технических
устройствах.
2. Научно-фантастическая идея построена на необычном или
малоизвестном читателю физическом эффекте.
3. В сюжете произведения используется полуфантастический
физический эффект, в котором иногда можно распознать
измененное автором известное физическое явление.
4. В литературный сюжет вставлен фантастический физический
эффект, не имеющий аналога в науке. Идеи эти всегда очень
интересны, особенно тогда, когда удается предсказать открытие
реального физического эффекта.
Среди ошибок авторов научно-фантастических произведений
укажем наиболее поучительные.
Ошибка Жюля Верна. Автор знаменитого романа «Из пушки
на Луну» не понимал физической сущности эффекта невесомости.
Как известно, космонавты не испытывают силы земного
тяготения именно потому, что свободно летят по инерции по орбите
вокруг Земли или по орбите Земля — Луна. Человек и приборы не
1 См.: Амнуэль П Научная фантастика нужна инженерам// Техника
и наука —1981.— № 8.— С. 24.
24
испытывают силы тяжести, если они свободно летят в поле
тяготения.
Между тем герои романа «Из пушки на Луну» испытывали силу
тяжести в течение всего полета, за исключением небольшого
участка, где, по мнению Жюля Верна, притяжение Луны
уравновешивает притяжение Земли. Но невесомость должна была наступить
сразу после выключения двигателя, вернее, в тот момент, когда
снаряд покинул ствол орудия.
Ошибка Уэллса. Еще в 1915 г. Я. И. Перельман, автор
десятков научно-популярных книг, впервые доказал, что герой романа
Уэллса «Человек-невидимка» Гриффин должен быть слеп, потому
что обесцвеченные колбочки и палочки глаз не могут передавать
в мозг зрительные раздражения. В одном из изданий в
предисловии к роману «Человек-неведимка» выступили два автора:
Я. И. Перельман и физиолог А. В. Лебединский. Они провели
детальное исследование особенностей зрения героя романа Гриф-
фина. Критики Уэллса, не желая расставаться с обаянием
талантливого романа, изыскивали физические возможности
существования зрячего героя в такой фантастической ситуации.
Научная фантастика как мысленный эксперимент
Очень рано внедрилось в произведения этого жанра явление
магнитной индукции. В первой половине XX в. одно за другим
появились десятки фантастических произведений, в которых этот
эффект используется как «антиоружие»: винтовки намагничиваются
на расстоянии, пушки и снаряды противника теряют свою
боеспособность. Эта физическая идея прошла по страницам повестей
А. Оссендовского «Бриг и Ужас» (1914), В. Катаева «Остров
Эрендорф» (1924), Г. Доминика «Лучи смерти» (1927).
Был использован в фантастике и коронный разряд, эффект,
привлекающий сегодня к себе особое внимание изобретателей.
Коронный разряд действует в сюжете рассказа Ю. Макаревича
«Электролит профессора Мухина» (1960). Автор фантастического
произведения заставил коронный разряд приводить в действие
летательный аппарат.
Явление электромагнитного резонанса появилось в очерке Л.
Попилова «2500 год. Всемирная выставка» (1956). Корабль с
двигателем из резонита, вещества, вибрирующего в электромагнитном
поле, оказывается в центре сюжета.
Неожиданное применение шаровой молнии для аккумуляции
энергии описывается в рассказе Г. Альтова «Скучный капитан»
(1960).
Кстати говоря, Г. С. Альтшуллер — автор этого
произведения, известный в фантастической литературе под псевдонимом
Г. Альтов, является основателем современной теории
изобретательства. Он использует в своих методах и точные инженерные
расчеты, и образное художественное мышление. Именно научная
25
школа Г. С. Альтшуллера разработала принципы вепольного
анализа, о котором пойдет речь в следующем разделе.
Фантастов все более привлекают принципы теории
относительности, которые труднее всего воплощаются в сюжете
художественного произведения. Постоянство и максимальность скорости света,
релятивистские эффекты, сопутствующие движению, начинают
появляться в некоторых рассказах и повестях.
Впервые физическая модель мира с малой скоростью света
была описана А. Беляевым в рассказе «Светопреставление» (1929).
Автор описал мир, в котором скорость света неожиданно
уменьшилась до нескольких метров в минуту. Критики, однако, считают,
что в «Светопреставлении» не был использован ни реальный, ни
фантастический физический эффект. Люди в рассказе свободно
перемещаются быстрее света, наблюдая при этом любопытные
картины, как бы продвигаясь вспять по времени. Уменьшение скорости
света понадобилось писателю скорее как условный прием.
Другая попытка моделировать физические эффекты,
сопутствующие частной теории относительности, была предпринята в
фантастическом романе Т. Гнединой «Беглец с чужим временем»
(1968). Автор жестко придерживается двух физических
моделей — двух миров. В одном из них с= 300 000 км/с, в другом
скорость света также неизменна, но равна 15 км/ч.
Герои приключенческого романа, попадая из европейского
города, где с=300 000 км/с, в фантастический городок Гаммельн,
где с= 15 км/ч, ощущают в повседневной жизни те эффекты,
которые были предсказаны Эйнштейном. Физические трудности встали
перед автором романа, когда пришлось задуматься над
процессами, сопутствующими торможению и разгону местного
транспорта, движущегося с «околосветовыми» скоростями. Ведь и
электропоезд и велосипед становятся релятивистскими объектами.
Следовательно, при остановке и при ускорении возникают эффекты не
частной, а общей теории относительности. Разумеется, автор не
претендовал на точное моделирование переходных процессов.
По-видимому, размышления над экстремальными физическими
ситуациями, когда физический эффект требует образного
представления, могут быть полезны как педагогический прием.
В отличие от вышеописанной фантастической модели
физических эффектов теории относительности, в рассказе Г. Альтова
«Полигон «Звездная река» (1960) скорость света увеличивают,
меняя характер излучения. Разумеется, этот фантастический эффект
не существует в научном наследии физики.
В оценке фантастических эффектов нельзя быть ни
оптимистом, ни пессимистом. Они требуют строгой научной проверки.
1.6. ИЗОБРЕТАТЕЛИ ПЕРЕСТРАИВАЮТ ФИЗИКУ
На страницах журнала «Техника и наука» за 1979, 1981 и
1982 гг. появилась серия статей, написанных людьми разных про-
26
фессий. Все они объединены идеей, выдвинутой Г. С. Альтшулле-
ром. В основе этого подхода заложены аналогии между
структурами физических эффектов и структурами технических систем.
Структура любого физического эффекта может быть
представлена в виде комбинаций веществ и полей, изображаемых
векторными диаграммами. Таким образом, физический принцип действия
любого устройства может быть описан как взаимодействие
веществ и полей. Такая структура была названа вепольной, или
просто веполем (от сокращенного «вещество и поле»). Но прежде
чем показать, как этот подход реализуется в различных
профессиональных ситуациях, изложим последовательно точку зрения
Г. С. Альтшуллера и его школы.
Г. С. Альтшуллер начинал с теории, получившей название
«алгоритмы решения изобретательских задач» (АРИЗ). Его книги
по методологии технического творчества неоднократно издавались
в СССР и за рубежом. Переход к физической теории технического
творчества является новым этапом в его работе.
В учебные программы школ и семинаров по теории решения
изобретательских задач был введен курс «Применение физических
эффектов и явлений при творческом решении технических задач».
Первоначально предполагалось, что курс раскроет возможности
сравнительно малоизвестных эффектов, с которыми инженера не
познакомили в вузе. Выяснилось, однако, что в первую очередь
необходимо учить творческому применению физики, хорошо
известной инженеру еще в школе. Здесь возможности поистине
неисчерпаемы. Поэтому современный курс применения физических
эффектов имеет целью прежде всего «оживить» уже имеющиеся
знания, и лишь затем начинается освоение физической «экзотики».
Для слушателей школ теории решения изобретательских задач
был подготовлен «Указатель применения физических эффектов и
явлений». Указатель построен в соответствии с традиционным
делением физики на разделы — механику, теплоту и т. д. Однако
инженеру чаще всего не известно, в каком именно разделе надо
искать эффект, необходимый для решения новой задачи. Более
того, многие трудные задачи требуют применения различных
сочетаний физических эффектов. В этой связи возникла идея
использовать в качестве посредника между задачами и физикой вепольный
анализ — понятие, которого еще нет в словарях.
Для творческого решения технических задач нужна программа,
позволяющая планомерно выявлять и устранять технические и
физические противоречия1. Вполне закономерен вопрос: разве нет
задач, не связанных с преодолением этих противоречий?
Рассмотрим один из примеров.
Задача. Имеется термопластический материал
(пластмасса). Из него надо изготовить листы 1X1 м с ворсинками, т.е.
1 Далее мы почти полностью приводим основополагающую статью Г. С.
Альтшуллера о принципах вепольного анализа, опубликованную в журнале
«Техника и наука» (1979, № 4).
27
выступами из того же материала в виде иголочек. Число ворсинок —
десятки на 1 см2, высота —10 мм. Нужно предложить способ
изготовления — простой, высокопроизводительный, дешевый; литье и
штамповка дают слишком много брака.
Противоречия не видно, но задача есть, можно приступить к
ее решению.
Как известно, во многих устройствах состоянием вещества
управляют, действуя магнитным полем на ферромагнитные
частицы, введенные в вещество или соприкасающиеся с ним. Попробуем
использовать этот принцип.
Предположим, в пластмассу добавили ферромагнитный
порошок. Если теперь к разогретой пластмассе приблизить магнит с
иглами, а потом начать поднимать его, каждая игла потянет за
собой тонкую струйку пластмассы: вот и готов ворс...
Запишем это решение примерно так, как записывают формулы
химических реакций.
По условию задачи есть вещество (пластмасса), обозначим
его буквой В. Штриховой стрелкой покажем, что по условию
задачи вещество плохо поддается управлению и надо научиться им
управлять:
^В
Теперь запишем ответ: мы ввели магнитное поле Пм,
действующее на ферромагнитный порошок Вф, который, в свою очередь,
действует на В:
^ Пм
Вф ^в
Соединим «дано» и «получено» двойной стрелкой, она заменит нам
слова «для решения задачи надо перейти к»:
+ ПМ
*В ВФ ^В (1)
Запись отчетливо показывает суть решения. Было вещество
(В), которое плохо поддавалось непосредственному воздействию.
Мы пошли в обход: взяли хорошо взаимодействующую пару
«магнитное поле — ферромагнитный порошок» (Пм — Вф) и
объединили с имеющимся веществом в единую систему, хорошо
поддающуюся управлению.
Видно и противоречие, оно было спрятано в глубине задачи,
но нам удалось его преодолеть: поле не действует на вещество
(нет полей, которые сами по себе могли бы формировать ворс на
листах) и поле действует на вещество (через второе вещество —
ферромагнитный порошок).
Аналогичная задача
На заводе сельскохозяйственных машин был небольшой
полигон (30 X 20 м) для испытания машин на трогание с места,
развороты и т. д. Завод получил новый заказ — продукцию надо отпра-
28
вить во многие страны. Подсчитали: необходимы испытания на
150 видах почв. Строить 150 полигонов?
Решение
Надо добавлять в почву ферромагнитные частицы и, действуя
магнитным полем, менять свойства почвы на одном полигоне.
Магнитное поле отлично работает в паре с ферромагнитным
порошком, поэтому так много технических решений укладывается в
формулу (1).
Треугольник, описывающий связь магнитного поля,
ферромагнитных частиц и вещества (изделия), получил сокращенное
название — феполь.
Существуют другие поля и другие вещества, охотно
отзывающиеся на действие этих полей. Поэтому феполь является частным
случаем веполя — треугольника из двух веществ и поля.
Задача
После сборки и заправки холодильных агрегатов нужно
проверить, нет ли дефектов, через которые просачивается рабочая
жидкость.
Запишем решение в вепольной форме:
П^ ,
В,—► ^В, ^В2
Есть вещество В| (капелька просочившейся жидкости); нужно,
чтобы это вещество давало сигнал о своем присутствии
(штриховая строчка, направленная от В|). Для решения задачи надо
перейти к веполю, объединив В1 с таким веществом Вг, которое дает
«сигнальное» поле П. В качестве В2 можно использовать,
например, люминофор.
Тогда получаемую «реакцию» удобнее записать в таком виде:
П п
^В2
В, ► В, ^В2 (2)
* П'« 1
Вещество В2, связанное с В|, преобразует оптическое
(электромагнитное) поле П, давая на выходе легко обнаруживаемый
сигнал (поле П').
Задача часто оказывается трудной только потому, что дан
«обломок» веполя. Не надо мучиться с этим «обломком», а
достроить треугольник. Почему именно треугольник?
На этот вопрос можно ответить вопросом: а почему в
математике такое значение придают треугольнику? Почему ради него
создали специальную область математики — тригонометрию?
Ответ очевиден: треугольник — минимальная по количеству
элементов геометрическая фигура; любую другую фигуру можно
разбить на треугольники. Исходя из того, что веполь —
минимальная техническая система, любую техническую систему можно
предствить в виде суммы веполей. Например, в правой части
формулы (2) — ромб, т. е. два треугольника.
29
Итак, автор вепольного анализа считает, что для построения
«минимальной технической системы» нужны два вещества и поле.
Это и есть ключ для перехода от технической задачи к
соответствующему физическому эффекту.
Появление вепольной структуры технической системы
возбудило оживленные споры на страницах журнала «Техника и наука».
Люди различных профессий начали с увлечением применять ве-
польный анализ для решения, казалось бы, очень трудных задач.
Но оставалась некоторая неясность в самом смысле понятия «ве-
поль». Можно ли на веполи разложить сложную техническую
систему, например экскаватор или электродвигатель?
Ответ таков: вепольные формулы отражают не строение
технической системы, а структуру задачи и направление ее решения,
определяемые законами развития технических систем.
Поэтому и название этого параграфа «Изобретатели
перестраивают физику» содержит шутливый оттенок: логика
изложения физики как науки остается неизменной, но подход
изобретателей к структуре физических эффектов позволил выявить аналогию
с закономерностями развития технических систем.
Техниковедение — молодая наука, и сплав технической мысли с физикой
представляет сегодня исключительный интерес. Мы приведем серию
задач1, решенных специалистами различных профессий с
использованием вепольного анализа, и эти примеры лучше всего выявят
некоторые тенденции современных технических систем,
воплощенные в физические эффекты.
Энтузиасты внедрения вепольного анализа значительное место
в своих задачах уделили так называемым феполям —
взаимодействию ферромагнетика с магнитным полем. Мы подробно
рассмотрим технические задачи, решаемые с помощью феполей, и
попытаемся понять, почему в современной технике этот физический
эффект начал играть такую существенную роль. А сейчас покажем,
как изобретатели используют в своих работах традиционное
физическое явление: преобразование теплового поля в механическое,
которое они назвали термином «теполь».
В учебнике природоведения для IV класса в разделе «Отчего
лопнула бутылка» объясняется, что замерзающая вода может
совершать механическую работу. Возникновение больших
механических усилий при замерзании воды в закрытом сосуде
рассматривается и в учебнике физики для IX класса. В вузе при изучении
курса общей физики и специальных дисциплин вновь и вновь
будущие инженеры встречаются с явлениями, связанными с
фазовыми переходами первого и второго рода. И все-таки, столкнувшись
с новыми техническими задачами, инженер нередко громоздит
1 Задачи, опубликованные в 1979, 1981 и 1982 гг на страницах журнала
«Техника и наука», позволят читателю познакомиться не только с новыми
методами технического творчества, но и с актуальными задачами в различных
профессиях.
30
одно сложное устройство на другое, не догадываясь применить
хорошо знакомый физический эффект.
Разнообразны применения теплового расширения для
небольших, но точных перемещений. Так, например, в одном авторском
свидетельстве микроперемещение стола станка осуществляют в
результате нагрева пружин. Если соединить два вещества Вг и Вг'
с различными коэффициентами теплового расширения, то
возникает так называемый сдвоенный эффект теплового
расширения.
Этот же фазовый переход первого рода, но для висмута,
используется для надежной герметезации аппаратуры:
герметизирующее устройство выполнено в виде полой кольцевой гибкой
камеры, размещенной между дисками и заполненной висмутом,
меняющим свой объем при переходе из одного агрегатного состояния
в другое.
Теполь, или преобразование теплового поля в механическое,
успешно используется для временного крепления деталей. Мине-
ралокерамические режущие пластины примораживаются к резцу и
не только прочно держатся и легко заменяются, но и не нуждаются
в подводе смазочно-охлаждающей жидкости. К этому же классу
задач относится применение фазового перехода второго рода,
когда при изменении температуры происходит перестройка
кристаллической решетки.
В термометрах и двигателях применяют следующий способ
преобразования тепловой энергии в механическую. Вот, например,
авторское свидетельство: «Тело, изготовленное из материала со
скачкообразным изменением термодинамических свойств
(например, хром с критической температурой /=37°С периодически
нагревают до температуры скачка, после чего изменяют температуру в
какую-либо сторону)».
Здесь уместно упомянуть об одном замечательном теполе, не
получившем еще практического применения.
Оказалось, что белое олово в процессе фазового перехода
второго рода, превращаясь в серое олово при температуре / =
= 13,2°С, уменьшает свою плотность с 7,3 до 5,78 г/см3, т.е. на
26,7%. Чтобы понять смысл этого явления, надо сравнить его с
изменением плотности воды при переходе в лед. Ее плотность
изменяется при этом на 9%.
Следует важный вывод: фазовый переход второго рода у олова
сопровождается возникновением очень больших давлений:
до 100 000 кг/см2. Разумеется такое огромное превращение
тепловой энергии в механическую найдет применение в технике.
Наконец, с фазовым переходом второго рода связан «эффект
памяти» сплава никеля и титана — так называемого нитинола.
Об этом уже писали различные авторы, поэтому мы
ограничимся краткой ссылкой на это интересное явление в следующем
разделе. Эти структурные эффекты могут иметь неожиданные
применения.
31
1.7. ПРОФЕССИОНАЛЬНЫЕ ЗАДАЧИ
В БИОГРАФИЯХ ИЗОБРЕТАТЕЛЕЙ
Профессиональные биографии изобретателей ярки и полны
неожиданностей. Часто творческая жизнь рабочего, техника или
инженера проходит в тесной зависимости от закономерностей
развития техники. Поэтому случается так, что преемником творческих
свершений изобретателя оказывается незнакомый ему человек.
В творческой биографии П. Л. Капицы немалую роль сыграло
внедрение в промышленность кислорода. Капица одним из первых
заметил закономерность развития ускорения научно-технического
прогресса — интенсификацию технологических процессов.
Кислород — один из самых мощных интенсификаторов. С
помощью кислорода можно активизировать не только процесс
человеческого дыхания, но и процессы большего масштаба, как,
например, горение.
Естественно возникла мысль, что если заставить горючий газ,
например ацетилен, гореть в присутствии одного кислорода, без
азота, который не принимает участия в реакции горения и
является вредной примесью, уносящей тепло, то можно получить
значительно более горячее пламя. Опыт показал, что таким
высокотемпературным пламенем можно локально плавить любой металл,
что дало возможность сплавлять два куска металла без помощи
какого бы то ни было легкоплавкого припоя, например сваривать
железо с железом. Так появилась и стала успешно применяться
автогенная сварка.
Эволюция технических систем, интенсифицированных
кислородом, нашла своих преемников среди творческой молодежи,
внедряющей еще более активный агент интенсификации — озон.
Закономерность ускорения научно-технического прогресса
воплотилась в работах изобретателей, о которых написал один из
энтузиастов вепольного анализа — Ю. Саламатов. Его статья так и
называется: «Агент-000» (озон)1.
Профессиональная эстафета интенсификации отражает логику
развития технических систем, использующих кислород, воздух;
воздух, обогащенный кислородом, чистый воздух; кислород,
обогащенный озоном; чистый озон. Применяются эти газы для
интенсификации горения, очистки воды, ускорения технологических
процессов. Озон проявил себя как первоклассный окислитель и
ускоритель технологических процессов.
А вот авторское свидетельство на применение озонированного
кислорода для резки металлов: «Способ газокислородной резки,
при котором производят подогрев металла газокислородной
смесью и резку струей кислорода, отличающийся тем, что с целью
повышения производительности для получения режущей струи
подают озонированный кислород».
1 См.: Техника и наука.—1982.—№ 6.
32
Вепольный анализ, как мы показали, связывает структуру
технических систем с физическими эффектами. Иной раз такой стык
проблем входит в профессиональную деятельность инженера
надолго, и его жизнь протекает «под знаком феполя». Феполь — один
из любимых физических эффектов инженеров и конструкторов.
Взаимодействие ферромагнетика с магнитным полем интересно
развивалось в технических разработках. Этому предшествовали
наблюдения за развитием технических устройств, и они были
сформулированы в виде следующих правил:
1. Технические объекты легче менять, чем природные.
2. Инструменты легче менять, чем изделия.
3. В современных технических устройствах наблюдается
тенденция к увеличению степени дисперсности рабочих органов: чем
легче частицы, из которых состоит материал инструментальной
головки, тем гибче инструмент, тем лучше он поддается
управлению.
Первые два правила мы примем за аксиомы. Третье же
наблюдение побуждает нас сделать вывод: если ферромагнетик хорошо
поддается магнитному управлению, а инструментальные головки в
машинах лучше всего изготовлять из мелкодисперсной структуры,
то не лучше ли перейти к пределу дробления ферромагнетика и
превратить его в жидкость?
Именно это и предлагает М. Померанц в статье «Магия
магнитных жидкостей»: магнитная жидкость (МЖ) — «предельный»
феполь1.
Структура феполя как физического принципа действия
технического устройства выглядит следующим образом:
Пм 1
Вм В2
или
Пм ^
В( < В2В3
Магнитное поле Пм действует на ферромагнитные частицы,
управляющие веществом В^ Иногда действие осуществляется через
внешнюю среду Вз.
Феполь можно записать еще так:
В| (В2В3)
Магнитное поле Пм действует на ферромагнитные частицы Вг,
вкрапленные в среду Вз, соприкасающиеся с изделием Вь Чаще
всего Вз—твердое вещество, а частицы Вг имеют довольно
крупные размеры (шарики, дробинки, крупицы порошка). Предел
дробления — превращение в жидкость.
См.: Техника и наука.—1981.—№ 3
зз
Однако расплавленный ферромагнетик теряет магнитные
свойства. Противоречие: магнит должен быть жидким, чтобы хорошо
поддаваться управлению, и не должен быть жидким, чтобы не
терять магнитных свойств. Подобное противоречие можно разрешить
так: всю систему следует наделить одним свойством, а ее
частицы — другим свойством, противоположным первому. Поместим
мельчайшие частицы твердого магнита в жидкую среду: система
будет и жидкой, и магнитной.
Итак, магнитная жидкость — это обычная жидкость,
содержащая мельчайшие частицы твердого магнитного материала
(магнетит РегОз). Если довести размер зерен до нескольких
микрометров, осадок не выпадет неограниченно долго. В качестве несущей
основы магнитной жидкости применяют воду, керосин,
минеральные и силиконовые масла. Содержание феррочастиц в современных
магнитных жидкостях — до 50% и более.
Применение магнитных жидкостей разнообразно. Прежде всего
Магнитные жидкости, управляемые магнитным полем, могут создавать
внутренние механические напряжения и использоваться для обработки
Магнитное поле
34
они используются для управления движением тел. Далее, их можно
применять для непосредственной обработки поверхности
различных изделий, если добавлять в них абразивные частицы. Если
же вводить магнитные жидкости внутрь самих изделий, то можно
создавать в них механическое напряжение.
Итак, магнитная жидкость может стать инструментальной
головкой будущего станка. Важно ли это для рабочего,
обслуживающего сегодняшнюю машину? Разумеется. Процесс
нововведения осуществляется только в содружестве нового типа рабочего-
экспериментатора и технолога.
Мне пришлось узнать творческую судьбу рабочего,
профессиональная биография которого изменилась в течение суток. Он был
заточником на Одесском судоремонтном заводе. В его цехе работал
известный рационализатор. Рабочий хотел обратиться к нему за
советом, но его остановили: «Не мешай! Человек занят очень
важным делом, не до тебя ему». Обиделся заточник и решил
самостоятельно разобраться в заинтересовавшей его технической проблеме,
сколько бы это времени и усилий ни заняло. И разобрался. Талант
и творческое воображение привели его к изобретению. Сложность
задач повышалась, находки стали отличаться удивительной
законченностью, даже какой-то красотой. Изменилось не только
наполнение профессии, но и сама биография человека.
Читателям журнала «Техника и наука» была предложена на
первый взгляд странная задача1: «Предложите конструкцию
жидкого теплохода». Но теплоход — техническая система,
подчиняющаяся тем же законам развития, которым подчинены и другие
технические системы. Жесткий корпус судна со временем
неизбежно станет гибким, способным «притираться» к водной среде: при
движении такого корпуса будет расходоваться меньше энергии на
волнообразование.
Лет двадцать назад большие надежды возлагались на
покрытия «ламинфло», имитирующие кожу дельфинов: две эластичные
поверхности, соединенные эластичными же столбиками, а между
поверхностями — демпфирующая жидкость. Буксировка моделей,
обтянутых «ламинфло», показала, однако, что сопротивление воды
снижается незначительно. Дельфины умеют управлять наружным
рельефом своего природного «ламинфло»: меняют рельеф, не
давая возникать вихрям воды. А техническое «ламинфло» не
обладает способностью чувствовать наружное давление и перестраивать
рельеф. Как же быть?
Изобретатели «теплохода будущего» нашли нужный
физический эффект: это феполь — жидкая ферромагнитная среда,
управляемая магнитным полем. Если в «ламинфло» использовать
магнитную жидкость, это позволит воспринимать изменения внешнего
давления и с помощью магнитного поля перестраивать рельеф
покрытия. На эту идею уже выдано авторское свидетельство, и оно,
1 См : Техника и наука —1981 — № 3
35
быть может, станет поворотным пунктом в профессиональной
биографии будущего конструктора или моряка.
С морского дела началось интересное использование и другого
физического эффекта — поверхностного натяжения в тонких
пленках жидкости. Мы уже писали о применении сил поверхностного
натяжения в технологии флотации , однако изобретатели нашли
этому эффекту другие интересные применения.
В декабре 1964 г. в гавани города Эль-Кувейт затонуло судно
с 6000 овец на борту2. Специалисты прикинули, что потребуется
полгода для подъема корабля. Между тем такой срок был
недопустим: из гавани в город подавалась вода и возникла опасность
эпидемии.
Положение спас датчанин Карл Кройер. Он предложил
накачать в затонувшее судно пену, приготовленную из полистирола
(такая пена на 98% состоит из воздуха).
Изготовили 200 т полистироловых крупинок, закачали их по
трубе внутрь корабля — пена вытеснила воду, закупорила
небольшие отверстия, осталось только перекрыть крупные пробоины.
27 млн. пузырьков пены подняли корабль.
С точки зрения физики, эта история иллюстрирует свойства
пузырей жидкости, определяемые соотношением объектов газовой
и жидкой фаз. Жидкости в пене мало, но эта жидкость находится
в особом состоянии: тонкие пленки испытывают значительное
поверхностное натяжение. Поэтому разрушение пузырьков требует
немалой энергии: пенные покрытия способны глушить взрывы,
производимые в закрытых помещениях. С точки зрения инженера,
технические решения, основанные на применении пены,
характеризуются особым стилем: по условию задачи нужно заполнить
большое пространство каким-то веществом — и в то же время нельзя
этого делать, поскольку любое вещество имеет более или менее
значительную массу. Пена позволяет совместить несовместимое.
С точки зрения изобретателя, пену можно рассматривать как
неполный веполь, потому что она образована двумя веществами —
газом и жидкостью, а мы помним, что структура минимальной
технической системы — треугольник. Значит, пена, как неполный ве-
поль, легко достраивается до полного веполя. Для этого
достаточно приложить к пене какое-либо поле, например акустическое.
Этим объясняется широкое применение пены в звукопоглощающих
устройствах, а также для снижения шума при механической
обработке металла. С другой стороны, пена может быть использована
для разрушения «чужого» веполя. Что это значит?
Во многих случаях между веществами, применяемыми в
технике, существуют «вредные», «ненужные» связи. Их надо разрушить
в результате введения третьего, промежуточного вещества. Принцип
1 См.: Гнедина Т. Е. Физика и современное производство.— М., 1982.
2 См: Померанц М Почти идеальное вещество// Техника и наука.—
1981.—№ 5.
36
прост, но не всегда осуществим на практике, потому что требуется
затратить много вещества, а это по тем или иным причинам
невозможно. Возникает физическое противоречие: вещество должно
быть — и вещества не должно быть...
Решением задачи оказывается применение пены благодаря ее
«нематериальности». На этом основано ее применение и в
противопожарной технике. Значительно менее известно все более широкое
использование пены в борьбе с холодом, заморозками,
обледенением. Полимерная «шуба» из пены безвредна для растений,
долго держится, хорошо защищает почву от мороза, смывается
водой.
Пена как «разрушитель вредного веполя» применяется при
транспортировке сильно пылящих материалов. Руда, уголь на
конвейере легко развеиваются. Вредным веполем является
транспортируемый порошок — воздух — поле механических сил
воздействия. Пена, покрывающая руду или уголь, разрушает вредный
веполь, устраняя пылевое загрязнение воздуха.
Для подъема затонувшего корабля была использована полистирольная пена
37
Прежде чем перейти к некоторым другим физическим
эффектам, вторгнувшимся в профессиональную деятельность
инженеров, следует еще раз подчеркнуть условность и необязательность
применения вепольного анализа для описания взаимодействия
физики и техники.
Модели и символы вепольного анализа представляют собой
один из удачных подходов к поиску стыков между технической
системой и адекватным ей физическим явлением. Метод
вепольного анализа вовсе не представляет собой строгую физическую
теорию. В понятие «вещество» вкладывается весьма
разнообразный смысл: это может быть и ферромагнитный порошок —
вещество в точном понимании; но этот же термин может быть присвоен
и электроду — как «веществу» в структуре взаимодействия с
электрическим полем в газовом разряде. К одному из таких ве-
полей мы и перейдем при рассмотрении коронного разряда.
Коронный разряд — инструмент рабочий
Подлинной страстью ученого-физика Ю. Горина является
теория изобретательского творчества. Он один из первых ввел в нее
применение физики и опубликовал курс лекций, прочитанный перед
молодыми изобретателями. Сочетание глубоких физических
исследований с новаторскими методами изобретательства привлекают
особое внимание к статьям Ю. Горина. Одна из них называется:
«Корона — инструмент рабочий»1.
Для инженера, окончившего электрофизический факультет
Московского энергетического института, где изучался подробный
курс физических явлений электрических разрядов в газах, на
первый взгляд кажется вызывающим такой утилитарный подход
именно к этой форме электрического разряда. Почему взят именно
коронный разряд, а не тлеющий или дуговой? Как мы увидим в
разделе «физика и технология», свойства короны больше пригодны
для использования в технических устройствах, чем в технологии.
В работающих электрофизических станках мы чаще будем
сталкиваться с искровым и дуговым разрядами. В этой же главе
физические эффекты рассматриваются в рамках техники и
сопоставляются с закономерностями развития технических систем.
Практичность применения коронного разряда как источника
ионов предопределена его уникальными свойствами:
— низкой температурой (в чехле она не выше /=150° С,
в зоне дрейфа практически равна температуре окружающей среды,
в то время как в дуге или скользящих разрядах она достигает
/=1500°С и выше);
— высокой стабильностью и непрерывностью работы,
простой регулировкой;
— гибкостью при реализации конструктивных решений;
1 См : Техника и наука —1981 — № 4.
38
— высоким КПД, поскольку нагрев в короне мал и почти вся
энергия расходуется на разделение и перемещение зарядов;
— наконец, корона — саморегулирующийся разряд.
Итак, если понимать коронный разряд как инструмент рабочий,
он обладает стабильностью, экономичностью и сравнительно
невысокой температурой по сравнению с другими формами
электрических разрядов в газах. Но прежде чем выяснить, где применяется
этот «рабочий инструмент»,— несколько слов о физической
сущности коронного разряда. Что нужно для того, чтобы возник
коронный разряд, или, как говорят, вспыхнула корона?
Два электрода — один произвольной формы, другой — с
малым радиусом кривизны и между ними газ, например воздух, под
давлением, близким к атмосферному. Электроды и газ — это
вещества в терминах вепольного анализа. Для построения вепольной
системы требуется еще и поле — электрическое. Оно создается
источником высокого напряжения, к полюсам которого подсоединяют
электроды.Возникает неоднородное электрическое поле.
Неоднородность обусловлена большой кривизной поверхности одного из
электродов. Так, для провода диаметром 20 мкм, подвешенного над
плоскостью на высоте 200 мм, отношение напряженности поля у
поверхности провода к напряженности у плоскости равно
примерно 10 000.
Начнем повышать напряжение. При некотором его значении,
называемом напряжением короны, напряженность поля у
поверхности провода будет достаточной для спонтанной ионизации
молекул газа; внешне это выглядит как возникновение на поверхности
провода светящегося ореола (на остриях — светящийся венчик, за
что коронный разряд и получил свое название).
Предположим, что коронирующий провод подсоединен к
отрицательному полюсу (отрицательная корона). Непрерывно
появляющиеся в чехле положительные ионы уходят к проводу и
нейтрализуются, электроны выходят из чехла и «прилипают» к
молекулам; образующиеся отрицательные ионы под действием поля
медленно дрейфуют к положительному электроду. Промежуток
разделяется на две зоны — светящийся чехол (толщина — порядка
миллиметра), где идет интенсивная ионизация, и внешнюю, темную
зону дрейфа. Такой стационарный режим может существовать в
очень широком диапазоне напряжений, причем зависимость силы
тока от напряжения имеет квадратичный характер, что позволяет
изменять силу тока короны в нужных пределах.
Коронный разряд — источник свободных зарядов, ионов и
электронов. Заряды возникают в чехле короны и поступают в зону
дрейфа; дальнейшим их движением мы можем управлять с
помощью полей. Ионы могут использоваться либо непосредственно
(носители вещества и заряды), либо для создания зарядов на
поверхности макрообъектов.
Корона применяется для создания заряженных слоев на
больших поверхностях. При использовании в электрофильтрах вещест-
39
во в диспергированном виде пропускают через внешнюю зону
короны. Ионы оседают на поверхности частиц, движущихся к
электродам. Стабилизация короны используется в коронных триодах.
Стабилизировать непосредственно высокое напряжение (десятки
киловольт) при значительной рабочей силе тока возможно в
коронных стабилизаторах напряжения.
Чувствительность характеристик короны к изменению размеров
и формы коронирующих электродов лежит в основе
коронно-разрядных измерителей геометрических параметров электродов.
Например, можно оценить остроту режущих инструментов
путем измерения радиуса скругления режущей кромки,
отличающимся тем, что с целью повышения точности измерения устанавливают
режущую кромку с зазором против электрода, создают между ними
электрическое поле, измеряют напряжение в момент зажигания
коронного разряда, по которому судят о радиусе скругления.
Иногда корона находит неожиданное применение: если в чехле
образуются долгоживущие осколки в заряженном виде
(ион-радикалы), то ими можно обрабатывать поверхности полимеров. В
частности, такая обработка повышает способность материала к
адгезии. О вредной, даже пагубной роли короны в линиях
электропередачи мы не говорим: борьба с коронным разрядом ведется
различными методами, которые подробно описываются в учебной
литературе.
Здесь мы кратко упомянули о практическом использовании
этой формы электрического разряда в газах.
В заключение рассмотрим еще одну техническую задачу,
решенную с применением вепольного анализа. Идея и воплощение ее
принадлежат Виктору Хрисанфовичу Подойницыну — автору 102
изобретений и 28 печатных работ. Он с юношеским энтузиазмом
поддерживает теоретиков школы физического изобретательства и
показывает, как новая теория используется для преодоления
физического противоречия в задаче о центрифуге, решенной им самим.
Задача о центрифуге1
Центрифуга заполнена маслом. В середине ее корпуса
помещено изделие А (рис. 1). Нужно, чтобы при вращении центрифуги
масло со всех сторон равномерно сжимало изделие.
Задачу никак не назовешь шаблонной, тривиальной,
нетворческой. Всем известно: при вращении центрифуги давление жидкости
направлено от оси вращения к периферии. Между тем задача
требует, чтобы жидкость, вопреки законам физики, создавала
давление в обратном направлении.
Здесь остановитесь. И, не читая дальше, попробуйте
сообразить, как решить задачу.
1 См.: Подойницын В. X. Инструменты для творчества//Техника и
наука.— 1979.—№ 10.
40
Вот как решал ее я с помощью теории решения
изобретательских задач.
Прежде всего сформулируем идеальный конечный результат
(ИКР): жидкость, не считаясь с законами физики, должна делать
то, что нам нужно, а именно — давить на изделие, помещенное в
середину центрифуги (рис. 2). Частицы жидкости показаны в виде
маленьких человечков. Это — один из примеров, позволяющий
конкретизировать расплывчатые мысленные построения.
На рисунке 3 показано то, что происходит в действительности:
давление жидкости направлено от изделия к корпусу центрифуги.
Человечки (т.е. частицы жидкости), увы, действуют совсем не
так, как записано в формулировке ИКР.
Какой же модели придерживаться? На чем основывать
дальнейшие рассуждения: на идеальной схеме или на схеме реальной?
Поступим так, как требуют формулы теории изобретательства:
совместим несовместимое. Пусть одновременно действуют обе
схемы (рис. 4).
Мы сформулировали физическое противоречие: частицы
жидкости должны давить на изделие, чтобы выполнить требование
задачи, и частицы жидкости должны давить на стенки центрифуги,
чтобы выполнить законы физики. Как же преодолеть это
физическое противоречие? В теории изобретательства есть фонд
приемов устранения противоречий. «Обратить вред в пользу» — таков
нужный нам прием. Пусть нижний ряд человечков давит на
верхний (рис. 5), тогда все человечки будут при полезном деле... Но
ведь реально (настал момент вернуться от идеального конечного
результата к реальной схеме) все человечки — верхние и
нижние— давят от оси вращения к периферии (рис. 6).
Усилия нижней цепи человечков — если эту цепь замкнуть на
верхнюю — не дадут сил, направленных внутрь центрифуги.
Выход один: нужно, чтобы человечки нижней цепи были сильнее
человечков верхней (или наоборот). Иными словами, нижние
человечки должны быть массивнее (рис. 7).
Придется сделать их из ртути. Отжатые к стенкам центрифуги,
ртутные человечки пересилят более легковесных масляных
человечков и заставят их давить на изделие.
Задача решена, остается перейти от модели с человечками к
эскизу конструкции (рис. 8).
Хитрости и приемы изобретателей, использующих физические
явления, основаны на интуитивном или сознательном понимании
закономерностей технических систем.
Мы уже упоминали, что одна из главных тенденций развития
технических систем — это переход к работе со все более и более
легкими частицами. Идет процесс миниатюризации рабочих
органов машин. Дробятся и вещества, с которыми машины
работают.
С этой точки зрения Г. С. Альтшуллер анализирует
физические возможности электростатики. Электростатические силы, пи-
41
шет он, позволяют управлять множеством мелких систем — в этом
их ценность для практического применения.
Пример: приготовление бетона в электростатическом поле.
Цемент и воду распыляют механическим способом в виде
аэрозолей, подвергают дальнейшему дроблению с одновременной
зарядкой униполярным электричеством. Затем два распыленных и
противоположно заряженных потока цемента и воды подают в
реактивную камеру.
Электростатические силы предотвращают «засаливание»
абразивного круга. Если круг и обрабатываемые детали зарядить
одноименными зарядами, то загрязнения снимаются.
Как подходят изобретатели к использованию архимедовых сил?
С технической точки зрения оцениваются архимедовы силы так:
...Наша техника прикована к планете силой тяжести, пишет
Ю. Горин. И поскольку архимедовы силы позволяют
компенсировать тяжесть, они находят широкое применение1. Технически
такая компенсация осуществляется по одному рецепту: объект
(или его часть) превращается в поплавок.
Пример 1. При разгрузке нежных плодов (например, зрелых
помидоров) контейнер с плодами погружают в бак с водой, и
овощи всплывают из тары без повреждений.
Другая техническая закономерность, отмеченная Ю. Гориным,
заключается в том, что вес объектов, с которыми приходится иметь
дело современной технике, быстро возрастает. Поэтому
закономерно, что для управления перемещением таких объектов все чаще и
чаще используют архимедову силу.
Пример 2. Сборку дирижаблей ведут на воде, располагая
отдельные части на понтонах-поплавках.
Итак, изобретатели утверждают, что любой технический объект
может на время стать поплавком. Поплавок — элемент вепольной
системы, включающей второе вещество (жидкость) и
гравитационное поле. Поэтому можно повышать эффективность работы
поплавков, видоизменяя жидкость, в которой они работают.
Управлять гравитационным полем мы пока не можем, но ничто
не мешает вводить в систему другие поля (магнитное,
электрическое), действующие на жидкость.
Существует несколько методов регулирования выталкивающей
силы с помощью магнитного поля. Можно пропускать
электрический ток через жидкость, помещенную в магнитное поле
(направление тока перпендикулярно силовым линиям поля).
Выталкивающая сила пропорциональна магнитной проницаемости жидкости и
произведению плотности тока на напряженность магнитного поля.
Достоинство метода в простоте регулировки. Недостаток —
пригодны только проводящие и неферромагнитные жидкости.
1 См : Техника и наука.—1981.—№ б.
Изобретательское решение, устраняющее физическое противоречие (центрифуга)
43
Используются также неэлектрические жидкости с большой
магнитной восприимчивостью, например водные растворы
парамагнитных солей, образующихся при химических реакциях железа,
никеля, марганца с серой, соляной, азотной кислотами.
Дополнительная подъемная сила пропорциональна объему частиц,
разности восприимчивостеи жидкости и частиц, значению и градиенту
напряженности магнитного поля. О таких эффектах «невесомости»
на Земле можно прочитать также в уже упомянутой книге Т. Гне-
диной «Физика и современное производство».
В настоящее время физической проблемой частичной и полной
невесомости жидкого металла в литейном процессе
занимается Николай Иванович Фомин — замечательный физик и
инженер.
В этом разделе, посвященном взаимодействию законов физики
и техники, отметим еще несколько закономерностей развития
технических систем, отмеченных изобретателями.
Использование архимедовых сил в технике: любой технический объект может
на время стать поплавком
Инженер И. Верткин рассматривает важное свойство
технических систем: они имеют «собственную частоту пульса».
«Казалось бы, все просто: если объект А и объект Б соединены в
техническую систему, надо согласовать ритмику действия объектов,
прежде всего — собственные частоты колебаний. Или частоту
вынужденных колебаний одного объекта с собственной частотой
колебаний другого объекта. Эту премудрость будущие инженеры
постигают еще в детстве, раскачивая качели, а потом... а потом
нередко забывают. В результате появляются технические системы,
грубо нарушающие закон согласования ритмики»1.
Пример. Мы уже говорили о том, что с помощью коронного
разряда можно управлять потоком газа. Одно из авторских
свидетельств было основано на этом физическом эффекте. Однако в этом
предложении не было учтено явление резонанса: частота процесса
электрического коронного разряда в газе не была согласована с
частотой колебаний скорости потока самого газа. Техническая
система «развалилась», потому что в ней не были согласованы
ритмы составляющих объектов.
Однако резонанс является не только опасностью, но и
используется в технологии, в частности при транспортировке сыпучего
материала.
Пример. Сыпучий материал, хранящийся в дозаторе, должен
проходить сквозь зазор между стенками дозатора и корпусом
вибратора. При выключенном вибраторе материал неподвижен — его
держат силы трения. Когда вибратор включен, материал начинает
течь в зазор. Частота вибраций должна быть согласована с
частотой собственных колебаний потока.
Использование резонанса привлекательно тем, что не требует
усложнения оборудования и дополнительных затрат —
вибрирующий инструмент уже есть, нужно лишь правильно выбрать
рабочую частоту.
Примеры:
1. В одном авторском свидетельстве предлагается для
ослабления угольного пласта действовать импульсами с частотой,
равной собственной частоте колебаний угольного массива.
2. В другом авторском свидетельстве предлагается резать
древесину инструментом, «частота пульсаций» которого близка
к собственной частоте колебаний древесины.
В обоих случаях необходимость резонанса очевидна. Из
приведенных примеров видно, что резонанс — одно из средств
интенсификации технических процессов.
В реальных технологических процессах взаимодействие
физических эффектов протекает сложно и противоречиво. В
технических задачах решение выглядит более наглядно. Рассмотрим задачу
об алмазном порошке, в которой явление резонанса сочетается с
поверхостным натяжением.
1 См • Техника и наука —1982 — № 3
45
Задача об алмазном порошке.
Для изготовления абразивных инструментов нужны алмазные
частицы одного размера. А сырье — алмазный порошок —
содержит частицы разных размеров. Как разделить эту смесь на
фракции? Использовать сита нельзя: алмазный порошок быстро их
истирает. Сепарация частиц в жидкости тоже не подходит, она
идет слишком медленно.
Условия задачи отрезают все пути, кроме одного: надо
использовать резонанс. Предположим, мы так и сделали. Включен
вибратор, и нужные нам частицы стали энергично колебаться,
подпрыгивая над малоподвижным множеством других частиц. А дальше?
Как поймать «прыгунов»? Ведь, подпрыгнув, они снова падают в
множество... На этом этапе часто отказываются от применения
резонанса, хотя до решения остаются считанные шаги.
Представим себе идеальный результат: резонанс сработал,
нужные нам частицы подскочили, поднявшись над множеством.
Нужно не дать им вернуться назад — и задача решена! Внешняя
среда должна как-то схватить подпрыгнувшие частицы. Над
множеством — газ, под множеством — твердое тело. Газ не умеет
держать частицы, а твердое тело не может их пропускать.
Значит, под частицами должна быть жидкость, а наверху — газ или
жидкость.
Могут ли алмазные частицы лежать на поверхности жидкости?
46
Вполне. Их будут держать силы поверхностного натяжения.
Включим теперь вибратор. Подпрыгнувшие частицы утонут после
первого же прыжка — они пробьются сквозь поверхностную пленку.
Изящное решение, не правда ли?
Задачи, поставленные изобретателями, поучительны для людей
различных профессий. Они могут оказаться полезным
инструментом в повседневной производительной деятельности. Да и само
призвание изобретателя неотъемлемо от любой инициативной
работы, где бы она ни проходила — у токарного станка,
транспортера-конвейера, на сборке летательных аппаратов, в
металлургическом цеху, на рыболовном траулере...
Но есть одно глубокое различие, отделяющее творчество
изобретателей в технике — ив технологии. Это — те законы, которым
подчиняются технологические объекты, и те профессии, которые
рождает новая технология. Применение законов физики в
профессиональном мастерстве технологов протекает в иных условиях, о
которых мы будем говорить в следующей главе.
ЧАСТЬ 2.
ЗАКОНЫ ФИЗИКИ
И ЗАКОНЫ ТЕХНОЛОГИИ
2.1. ЧТО ТАКОЕ ТЕХНОЛОГИЯ?
О технологии пишут много и противоречиво. Обсуждаются и
определение технологии, и ее место в обществе, и объекты
технологических процессов.
В словаре указывается, что слово «технология» имеет
греческие корни: «технэ» (ремесло) и «логос» (учение). Стало быть,
технология — это наука о способах обработки и переработки
материалов. Но каких материалов?
Современные ремесла, вернее профессии, связаны с
преобразованием энергии, вещества и информации.
Токарь, обслуживающий станок, управляемый ЧПУ (числовым
программным управлением), занимается технологическим
процессом формообразования металла. Результат процесса
формообразования выражается в переносе геометрической информации на
заготовку, обладающую заданными физическими свойствами, а
достижение этого результата требует затрат определенной энергии.
Поэтому для исчерпывающего описания производительности
станка необходимы, в общем случае, два показателя —
информационный и энергетический.
Поскольку для преобразования заготовки в изделие во всех
металлорежущих станках используется один и тот же физический
метод — резание, то, естественно, происходит обработка вещества,
металла.
Таким образом, системная модель станка как
технологической системы может быть представлена следующим образом:
Вход:
материя
энергия
информация
Объект исследования
Технология
Выход:
Результат
48
Такая упрощенная
модель соответствует
общему определению
механической машины, данному
академиком И. И.
Артоболевским: «Машина есть
устройство, выполняющее
механические движения
для преобразования
материи, энергии и
информации». И. И.
Артоболевский, в соответствии с
данным им
определением,разделяет машины на
преобразующие энергию —
энергетические,
преобразующие информацию —
информационные,
преобразующие материалы —
рабочие. К этому
определению мы можем добавить,
что в технологии
происходит взаимодействие не
только законов физики и
технологии, но и
социально-экономических закОНО- Технолог и сварщик за работой
мерностей.
Технологический
процесс входит в структуру общественных, естественных и
материально-технических закономерностей, составляющих в целом
производственный процесс, направленный на изготовление
общественно полезного продукта. Технология понимается значительно
шире, чем учение о ремесле: она пронизана взаимодействием
естественных, технологических, общественных и технических законов.
При этом технология выходит за рамки способа обработки:
так, например, способ сварки изучен достаточно хорошо, а
технологические законы сварки по существу неизвестны. То же самое
можно отнести и к работе электрофизических станков: физические
принципы эрозии металла с помощью газового разряда, лежащие в
основе этого процесса, разработаны, а технологические
закономерности обработки металла оказались сложной, запутанной
структурой процессов. Тем не менее в состав любой технологии
входит материальная база: обрабатываемые объекты и средства
обработки.
Объектами обработки в технологии могут быть:
— материалы (например, очистка нефти);
— энергия (например, атомная электростанция);
— информация (например, ЭВМ в поточной линии с роботами
49
или станок, переносящий геометрическую информацию на
обрабатываемую заготовку).
Широта представлений о технологии приводит к
необходимости, с одной стороны, изучать технологическую культуру как новое
явление о современном обществе, а с другой — четко ограничить
науку о технологии от сопутствующих проблем. Существуют ли
объективные технологические законы?
2.2. КАКИЕ ЗАКОНЫ ДЕЙСТВУЮТ В ТЕХНОЛОГИИ?
«Закон суров, но это закон» — гласит древняя латинская
пословица. Но какими свойствами должно обладать некое
утверждение, чтобы оно могло претендовать на звание закона?
Во-первых, все известные факты, относящиеся к некоторой
системе, должны вытекать из этого утверждения, как частные
случаи.
Во-вторых, закон должен обладать свойством универсальности:
частными случаями данного утверждения должны быть не только
известные факты, но и вся совокупность фактов (известных и пока
еще не известных), составляющих данную систему.
Есть еще эстетическое свойство подлинной теории, которое,
по мнению Эйнштейна, должно быть применено и к закону: теория
должна обладать внутренним совершенством и внешним
оправданием. Внешнее оправдание — это факты, которые объясняет закон.
Внутреннее совершенство — это красота теории, которая чаще
всего проявляется в ее простоте. Очень важно еще одно свойство
закона и теории: способность предсказывать явления,
подчиняющиеся данной закономерности. Остановимся на свойстве закона
объяснять совокупность фактов, составляющих данную систему.
Технология, как мы сказали, представляет собой систему,
входящую в состав производительных сил. Поэтому и законы
технологии оказываются во взаимодействии с законами техники,
естественнонаучными законами и общими законами
производительных сил.
Следовательно, для того чтобы разобраться в смысле и
применении технологических и физических законов, надо хотя бы
немного владеть принципами системного мышления.
Подведем итог тем требованиям, которым должен
удовлетворять научный закон.
Непротиворечивость. Один закон не должен противоречить
другому. Если два закона противоречивы, один из них должен быть
отброшен. Или необходим третий закон, определяющий условие
применения первых двух: в таких-то случаях применять первый, а в
таких-то — второй.
Полнота. Все возможные ситуации должны попадать в сферу
действия свода законов. Если свод законов полон, то любая
возникшая, даже не встречавшаяся ситуация должна описывать
сферу его действия. Если хотя бы одна новая ситуация оказывается
50
непредусмотренной, то свод законов неполон и нуждается в
дополнении.
Простота. Желательно, чтобы количество отдельных законов
было минимальным, а каждый из них охватывал много
соответствующих ситуаций.
Однозначность и ясность. Необходимо, чтобы законы не
допускали различных толкований и не требовали дополнительных
разъяснений.
Основная задача теоретической физики — восстановить
законы природы по заданным начальным и граничным условиям. При
этом физика имеет дело с веществом и энергией. Законы физики,
описывающие вещественные и энергетические процессы,
связанные с физическими телами, представляют собой в той или иной
степени идеализированные схемы.
Современную физику начинают с Галилея. Между тем он
открыл закон инерции именно потому, что пренебрег трением и
создал идеальную систему.
Для того чтобы представить себе место законов физики и
технологии в общей структуре производительных сил, приведем
следующую схему:
Законы техники
-
Законы технологии
Естественные научные
законы
Общие законы производительных сил
При рассмотрении технологических систем будем считать их
элементы вещественными, но процессы, связанные с их структурой,
могут быть и энергетическими, и информационными.
В связи с этим уместно обсудить понятие информации.
То, что мы сказали в начале этого параграфа, можно считать
только постановкой задачи: каково взаимодействие физических
законов с технологическими и системологическими в условиях
системы производительных сил?
Для этого мы, во-первых, определили само понятие закона,
а во-вторых, указали на то, что существуют различия между
законами физики и технологии. Однако при этом следовало бы
подробнее остановиться на том, что такое система. И хотя каждый из
51
нас вкладывает в это понятие интуитивно некоторое содержание,
начинать надо не с системы, а с информации, хотя этот термин
кажется еще более банальным и общепринятым. Но это не так.
Частота употребления слова вовсе не означает ясности
вкладываемого в него смысла.
Согласно философской теории отражения, любой
материальный объект наделен способностью возбуждать в наших органах
чувств и в измерительных приборах адекватное отображение.
Окружающая нас материя воспринимается человеком или
измерительным прибором с той степенью объективности, которую принято
называть точностью отображения. Результат отражения
материального объекта в нашем сознании или в измерительном
приборе представляет собой копию материи — или информацию о
материальном объекте.
Таким образом, информация определяется как копия материи,
полученная с той или иной точностью.
Зададимся, например, целью получить копию собственной
внешности. Самым простым окажется отражение в зеркале. Оно
получается как бы мгновенно, потому что электромагнитные
колебания реализуют его с максимально возможной в природе
скоростью. Отражение от зеркала даст человеку непосредственную
информацию о нем как о материальном объекте.
Процесс получения информации связан при этом с очень
малыми, но все же неизбежными затратами электромагнитной
энергии. Теперь попытаемся сохранить свою информацию в некотором
материальном носителе. Фотография позволит получить «копию»
нашей внешности, но затраты энергии при этом станут не только
значительными, но сам процесс получения отображения займет
много времени. Появится технология получения копии нашего
материального объекта. Потребуется не только
электромагнитная, но химическая и тепловая энергия. Накопится
профессиональное мастерство фотографа, стремящегося повысить точность
воспроизведения информации.
Попробуем еще одним способом запечатлеть свое изображение.
Закажем портрет художнику. Процесс еще более усложнится. К
технологии мастерства (рецепты красок, выбор кистей, холста,
грунтовки) прибавится самое главное: искусство проникновения
мастера во внутренний мир человека. В этом сложном мире
существует множество психологических и биологических состояний,
переходов, настроений. Какое из них останется запечатленным на
полотне? А может быть, удастся схватить что-то самое главное,
отражающее личность настолько полно, что в портрете останется
заложенной огромная информация о нашем материальном объекте...
Любой материальный объект может находиться в различных
состояниях. Если речь идет о конкретной физической системе, то
вероятность ее нахождения в данном состоянии можно подсчитать,
и эта вероятность воспринимается как информативность, т. е.
способность к отображению.
52
Но перед тем как перейти к физическим системам, напомним,
что в искусстве было сильно развито направление, получившее
название «импрессионизм», когда художники стремились возможно
точнее изобразить «сиюминутное» состояние изображаемого
объекта. Художники десятки раз писали один и тот же стог сена,
освещенный солнцем в различное время дня и в предзакатные
часы.
О связи информации с вероятностью пребывания физической
системы в данном состоянии мы еще упомянем. А теперь о том, как
распространяется информация в технологических объектах.
Самый простой пример — электроискровой станок для
металлообработки. Это то же зеркало, только электрическое.
Станок состоит из двух электродов, к которым подведено
электрическое напряжение. Один из электродов называется
электродом-инструментом и имеет геометрическую форму,
соответствующую будущему изделию. Он как бы содержит геометрическую
информацию, которую надо передать на кусок металла —
заготовку. Это будущее изделие выполняет роль второго электрода
электроискрового станка. Электрод-инструмент подключается
к одному полюсу напряжения, заготовка — к другому. Между
ними возникает электрический искровой разряд, и образуются
заряженные частицы, которые, распространяясь вдоль линий
электрического поля, бомбардируют поверхность металла
заготовки и расплавляют ее в этих точках, превращая в лунки.
Начинается съем металла с заготовки, и ей придается постепенно
форма, соответствующая геометрической информации,
заложенной в электроде-инструменте.
Можно сказать иначе: благодаря силовым линиям
электрического поля, распространяющимся от электрода-инструмента к
заготовке, происходит его отражение на бесформенном куске металла,
переходящем в форму будущего изделия. Такое «электрическое
отражение информации» требует больших затрат энергии, но имеет
большие преимущества.
В токарном станке воспроизведение геометрической
информации с чертежа потребляет меньше энергии, но представляет
куда более трудоемкий процесс. А самое главное: электрический
способ обработки теоретически не зависит от твердости
обрабатываемого материала. Казалось бы, нет границы твердости
заготовки, которая могла бы быть превращена в изделие. Это нельзя
сказать о способе механической обработки. Здесь существуют
физические пределы твердости обрабатываемых материалов.
Но есть еще одно преимущество перед токарным станком. В
современном станке точность обработки ограничена из-за
совмещения информационной и энергетической цепей. (Мы вернемся к
этому в работах А. Смирнова.) Однако если вернуться к «чистым»
физическим системам, когда процессы рассматриваются без связи
с их практическим применением, то можно сослаться на известное
из курса общей физики второе начало термодинамики. Этот прин-
53
цип может быть сформулирован не только через
термодинамические параметры, но и через информацию, которая связана с
энтропией. Не все учащиеся знакомы со вторым началом
термодинамики, поэтому напомним, в чем состоит его суть.
Второе начало термодинамики сформулировано как
практическое правило для конструирования тепловых двигателей.
Собственно говоря, так и было в истории физики. Надо было доказать, что
коэффициент полезного действия тепловых двигателей не может
бесконечно возрастать: он ограничен температурой холодильника
и нагревателя. Если бы это было не так, то оказалось бы
возможным создать вечный двигатель, основанный на передаче
количества теплоты от холодного тела к более теплому. Впервые этот
принцип был сформулирован французским инженером Карно.
Однако более глубокий смысл этого принципа работы тепловых
двигателей заключается в том, что адиабатные процессы,
происходящие без обмена энергией с внешней средой, стремятся к
равновесному состоянию, когда температура холодных и более теплых
составляющих частей этих систем выравнивается. Стремление
физических систем к равновесному состоянию определяется
функцией, которая называется энтропией. Равновесное
термодинамическое состояние системы характеризуется, естественно,
хаотическим распределением его микроскопических состояний. Иначе
говоря — распределением тепловых молекулярных процессов.
Таким образом, энтропия — это стремление системы к
равновесию и к равновероятным микроскопическим хаотическим
молекулярным процессам. А если это так, то энтропию можно связать с
информацией о вероятности нахождения физической системы в
данном состоянии. Макроскопическое определение второго
начала термодинамики дал Карно, а вероятностный смысл этого
принципа сформулировал Л. Больцман: он показал, что энтропия,
как функция стремления к равновесному состоянию, является и
мерой вероятности нахождения системы в данном состоянии. А
вероятность — это информация. Следовательно, информация, так
интересующая нас в технологических процессах, связана с
физической функцией, известной из термодинамики и называемой
энтропией.
А теперь оценим энтропию с точки зрения возможности
совершить работу. Очевидно, если тело находится в равновесном
состоянии, то его способность совершить работу минимальна. Энтропия
такой физической системы максимальна. Микроскопические
состояния ее могут принимать любые значения. Следовательно, они
равновероятны.
В некотором конкретном неравновесном состоянии система
может совершить работу. Тогда принято говорить, что разность
между максимальным значением энтропии и данным ее значением
содержит информацию о том, что система может совершить работу.
Можно ли считать информацию физической величиной? Нет.
Информация вводится человеком в цепи управления производ-
54
ственными процессами, она вырабатывается человеческими
представлениями и превращает естественные процессы в
целенаправленные, практические. Информация — субъективное свойство
восприятия человеком окружающих его явлений. Но она так тесно
связана с физическими процессами, которыми человек управляет,
что ее необходимо учитывать в системах производительных сил,
где действуют физические, технологические и экономические
законы.
Информация является наполнителем систем. Что же такое
система} Система — это целостность, составленная некоторыми
элементами. Главное свойство системы — ее связность. От связности
зависит устойчивость системы. Покажем это на примере.
Несколько учащихся составили группу для совместной
подготовки к экзаменам. Но среди них есть и лентяи, и ребята с
неустойчивым настроением. Такие члены коллектива не способствуют
совместной работе, подводят товарищей. Но если компания
сформировалась еще в прошлом году и ребята отлично знают характер и
недостатки своих приятелей, то можно гибко наладить
взаимодействие друг с другом, так что иной раз и совместные занятия могут
оказаться успешными. Система совместной подготовки
приобретает устойчивость.
Технологический объект может оказаться неустойчивым.
Оценка неустойчивости технологии может быть сделана только с
помощью системного анализа. Особенно четко можно убедиться в
этом на примере тупиковой ситуации в литье, описанной в
четвертой части книги.
2.3.«КЛАССИЧЕСКАЯ» ТЕХНОЛОГИЯ И
МИКРОЭЛЕКТРОНИКА
В предыдущем разделе мы сформулировали свои требования к
понятию научного закона (но не ответили на вопрос, какие именно
законы действуют в современной технологии) и убедились в том,
какую важную роль в технологии играет информация. Она
вводится в производственные процессы человеком и придает им
практическую направленность. Целеустремленность технологических
процессов отличает их от природных физических явлений.
Мы согласились с тем, что изучение физических явлений в
условиях производства требует системного подхода. При этом мы
упомянули, что системный анализ особенно необходим, когда
технология оказывается в тупике. Тупик в технологии означает
бесперспективность улучшения качества изделий в установленном
режиме. Как бы мы ни регулировали управляющие параметры
процесса, нам не удается добиться прогресса в данной технологии.
Таким тупиком в литье оказалась противоречивая зависимость между
оптимальными параметрами песчано-глинистой формы, в которую
заливают жидкий металл. В составе глины можно изменить ее
зернистость (размер зерен песка), процентное содержание влаги и
55
пористость. Однако системный анализ характеристик глиняной
формы для литья показал, что желательные изменения размеров
зерен, влажности и пористости в целях улучшения качества
металлической отливки противоречивы. Так, например, чтобы улучшить
заполняемость модели жидким металлом, зерна песка должны
быть мельче, а для повышения прочности формы на изгиб и
растяжение желательны более крупные зерна.
Влажность глины при хорошей заполняемости модели должна
быть наименьшей, а термостойкость формы достигается при
большем содержании влаги в глине.
Наконец, пористость глины, соответствующая достаточной
прочности формы на изгиб и растяжение, должна быть
значительно больше, чем для удовлетворения требования хорошей жесткости
этой же формы. Эти противоречия разобраны в очерке под
названием «Тупик без тупика». Однако изложенная ситуация в
технологии литья не является безнадежным тупиком с позиций атомной
и молекулярной физики. Почему?
Любой внимательный читатель заметит, что противоречия в
изменении регулируемых характеристик литейной формы связаны с
изменением размеров зерен песка, пор в глине и ее влажности. А
эти параметры можно считать макроскопическими не только с
точки зрения атомной, но и молекулярной физики. Их изменения не
затрагивают физические процессы внутри атома или молекулы. А
если так, то выбор размеров зерен, пор и влажности в качестве
регулируемых параметров литейной технологии можно
рассматривать как наследство вековой давности, полученное современными
технологами от своих предшественников, когда литейное ремесло
руководствовалось эмпирическими данными, далекими от науки.
Логика дальнейшего рассуждения приведет нас к
окончательному выводу: литейная технология, по существу, не достигла еще
предельных физических фундаментальных параметров вещества,
при которых ее тупик действительно связан с невозможностью
использовать физические свойства материи. Дальнейшие
исследования свойств глиняной формы, основанные на достижениях
атомной и молекулярной физики, возможно, позволят найти такие
фундаментальные характеристики, которые станут новыми
регулируемыми параметрами технологии и позволят добиваться
дальнейшего повышения качества изделий. Иначе говоря, сегодняшняя
литейная технология работает на регулируемых параметрах, весьма
далеких от фундаментальных характеристик веществ и энергии.
Хорошо это или плохо?
Технология не нуждается ни в одобрении, ни в порицании.
Литье, металлообработка, электровакуумная промышленность,
металлургия, добыча ископаемых, транспортное дело, кустарные
ремесла — все эти технологии можно пока назвать классическими,
потому что в используемые ими процессы не входят параметры,
граничащие по своему значению с предельными
фундаментальными константами вещества и энергии. Технолог в классической
56
технологии может свободно выбирать подходящий способ
производства. Эта свобода выбора технологического процесса
является одним из признаков классической технологии, но мы
увидим, что это предварительное определение недостаточно. Мы его
расширим, после того как познакомимся с эволюцией новой
технической цивилизации — микроэлектроники.
Для знакомства с микроэлектронным производством мы готовы
в том отношении, что в предыдущем разделе много говорилось о
важности роли информации в современной технологии. А
сегодняшние изделия, выпускаемые микроэлектроникой, прежде всего,
принадлежат информационной технике: это приборы и блоки,
входящие в состав ЭВМ и систем управления. Системы управления,
передающие информацию, содержат разнообразные логические
блоки: это миниатюрные устройства, реализующие различные
логические операции, требующиеся не только для целей управления,
но и для моделирования элементарных процессов искусственного
интеллекта. Это приборы, работающие на сложном
взаимодействии информационных потоков. Но сейчас нас интересует не
работа готовых информационных систем, а технология их
изготовления.
Микроэлектроника началась с производства
полупроводниковых приборов. Первые транзисторы были сделаны из германия. Это
довольно редкий химический элемент, и вскоре он был заменен
кремнием. Кремний — не только более дешевое и универсальное
сырье, но он обладает рядом преимуществ по сравнению с
германием, которые обещают в будущем сблизить производство
кремниевых интегральных схем с белковым биологическим синтезом,
осуществляющимся в живой природе. Кремний имеет сходство
с углеродом — этим основным и фундаментальным элементом,
на котором основан биологический синтез. Если углерод служит
основой жизни биосистем, то кремний — основой «жизни»
кристаллических информационных систем.
Транзистор, родившийся в начале 50-х гг., может считаться
динозавром по сравнению с современными интегральными
схемами. Это был кусочек кристалла с прижатыми к нему электродами. В
кристалл научились вводить примеси в процессе его роста. Такой
процесс назвали легированием. Слоеный кристалл обладал
неоднородной электропроводностью: в нем появились области с
носителями р- и я-типа (положительные носители заряда — дырки,
отрицательные носители — электроны). Физический механизм
распространения электрических зарядов в полупроводниковом
кристалле изложен в учебнике «Физика-9».
Следующий этап развития микроэлектроники ознаменовался
применением диффузионного легирования примесей через плоскую
поверхность пластины, вырезанной из монокристалла. Диффузия
резко улучшила параметры приборов.
Физический механизм введения примесей с помощью диффузии
сложен: он зависит от концентрации примесей, температуры, устой-
57
чивости коэффициента диффузии данного вещества. Диффузия
атомов — это распространение их при определенной разности
температур и концентраций исходных веществ. Дефекты в кристаллах
на пути диффузии, колебания концентрации примесей могут
ухудшить качество прибора. Технология оказывается в зависимости от
кристаллографических, молекулярных и атомных констант
вещества. И если в макроскопических объектах погрешности диффузии не
сказываются на точности изготовления изделия, то в
микроэлектронике мы можем оказаться вблизи настоящего тупика.
В 1900 г. на воду был спущен броненосец «Потемкин», у
которого бортовая броня имела толщину 200 мм против 450 мм у
броненосца «Три Святителя», построенного на 5 лет раньше.
Уменьшение толщины брони без потери прочности удалось достичь, заменив
наплавную технологию упрочнения броневых плит диффузионной.
Так эпизод из истории создания боевых кораблей водоизмещением
в десятки тысяч тонн предвосхитил важное событие из истории
полупроводниковых приборов массой менее 1 мг1.
Диффузионные процессы, протекающие внутри кристалла с
неоднородными свойствами, принципиально отличаются от
диффузии, происходящей в макроскопических объектах. Задачи,
которые поставлены перед микроэлектроникой, требуют все более
плотной «упаковки» внутри одного кристалла различных приборов.
Процессы диффузии становятся соизмеримыми и с параметрами
кристалла, и с характеристиками миниатюрного прибора. Задача
была поставлена так: либо уменьшить размеры транзисторов, либо
увеличить размеры кристалла.
Но технология перешла на следующий виток спирали своего
развития. Вместо кристалла с неоднородными свойствами,
включающего в себя миниатюрные приборы, удалось получить сразу
систему приборов благодаря методу, называемому
фотолитографией.
Некоторые полагают, что с внедрения фотолитографии и
началась настоящая микроэлектроника. Важная особенность так
называемой твердотельной технологии — ее системный характер.
Фотолитография внесла в технологический процесс четкую систему
повторяющихся операций, в результате которых на
кристаллической пластине получается интегральная схема. Напомним
принцип фотолитографии.
Для синтеза твердотельной интегральной схемы необходимо
последовательно сформировать на ее поверхности ряд
изображений с микронным или субмикронным разрешением. Каждое
изображение — это микрорельеф, вытравленный в пленках или
кристалле. Сначала на пластину наносят на центрифуге тонкий слой
эмульсии органического вещества, чувствительного к
ультрафиолетовому, рентгеновскому или электронно-лучевому воздействию.
1 См.: Дорфман В. Микроминиатюризация// Наука и жизнь.—1982.—
№ 8
58
Соответственно такой материал называется фото-, рентгено- или
электронорезистом. Под действием облучения резист полиме-
ризуется или деполимеризуется, причем полимеризованный резист
химически более устойчив. Так, при экспозиции в нем формируется
скрытое изображение, а при проявлении неполимеризованные
области растворяются, обнажая подложку. Полимеризация дает
негативную, а деполимеризация — позитивную передачу
изображений (негативный и позитивный резисты). Обычные
неорганические травители не действуют на резист, и, используя его как
маску, можно перенести рельефный рисунок на пленку или кристалл,
а затем удалить эту маску селективным травителем третьего типа.
Эта многоступенчатая процедура носит название фотолитографии,
электронолитографии или рентгенолитографии, в зависимости от
экспонирующего излучения.
В результате технологических процессов фото-, электроно-
или рентгенолитографии происходит формирование топологии
(структуры) интегральной схемы. Разрешающая способность
зависит от длины волны излучения и геометрии системы. В обычном
ультрафиолетовом диапазоне (360—460 нм) минимальная ширина
линий 1 мкм. Рентгенолитография позволяет получать линии
шириной 0,5 мкм, а литография —0,2—0,3 мкм. Уменьшение ширины
линии наносимого на кристалл рисунка связано с непрерывной
тенденцией увеличивать плотность «упаковки» элементов в
сверхбольших интегральных схемах (СБИС). Таким образом, мы
оказываемся перед приближением технологии к предельному параметру,
связанному не с физическими свойствами кристалла, а с
системными параметрами сверхминиатюрных изделий. Таким образом,
тупиковая ситуация в микроэлектронике может возникнуть при
достижении не только предельных физических параметров, но и
предельных размеров микроэлектронных систем. Эти предельные
параметры рассматривают исходя из двух точек зрения: 1)
пределы физических элементов микроэлектронных приборов; 2)
пределы систем, включающих в себя эти приборы.
Мы не будем углубляться в анализ этих предельных
параметров. Сейчас нам важню сравнить эволюции классической
технологии и микроэлектроники. В первом случае мы далеки от
превышения фундаментальных характеристик, дарованных нам природой.
Во втором — эволюция твердотельной микроэлектроники все
время связана с необходимостью избежать «великого тупика», когда
инструменты технологии окажутся сравнимыми либо с
физическими параметрами вещества, энергии или кристалла, либо со
структурой микроминиатюрной системы. Такое «непрерывное убегание»
технологии от физических и системных пределов обусловлено
простой причиной: микроэлектроника стремится к уменьшению
размеров своих изделий. А вызвано это практической
потребностью информационной техники создавать все более сложные
интеллектуальные модели, требующие все большего числа
составляющих элементов.
59
Напомним, что краткий очерк эволюции микроэлектроники
понадобился нам, чтобы сравнить классическую технологию и
микроэлектронику. Можно ли попытаться выявить в них
технологические законы?
Наиболее общее наблюдение приводит к выводу, что во всех
технологиях существует общий закон: стремление заменить
функции, выполняемые человеком, средствами материальных
производительных сил.
Эта тенденция современных технологий, которая приобрела
форму всеобщей закономерности, состоит в том, что человек
отходит от многих технологических операций, уступая место
техническим средствам. Эта черта современной технологии является
не только объективной, но и все более типичной. Первый
технологический закон стал выражением общей зависимости развития
производительных сил. Он отражает всестороннюю способность
совершенствования методов производства. Принципы
совершенствования производительных сил предъявляют к технологии
все более жесткие требования в отношении научности и
теоретической обоснованности. Тенденция технологии к
совершенствованию все больше отходит от эмпирических методов и обращается
к теории.
Нетрудно сделать дальнейший вывод из сформулированного
первого закона технологии: возрастает роль физики как
руководящей науки в ускорении научно-технического прогресса.
Первый закон технологии можно назвать законом способности
к совершенствованию производственного метода под
воздействием научно-технического прогресса.
Второй закон технологии постепенно был выявлен в результате
многочисленных наблюдений над сближением методов
производства. Технологические приемы, материалы и типовое оборудование
становятся все более единообразными. В машиностроении,
химической промышленности, строительном деле внедряются
пластмасса, новые типы стекла, новые формы порошков и гранул для
изделий порошковой металлургии. Единство новых материалов в
разнообразных отраслях промышленности приводит к сближению
производственных методов.
Так, например, методы информационной обработки в
различных отраслях народного хозяйства аналогичны.
Контроль процессов обработки с помощью микроэлектронных
устройств или регулировка и управление с помощью процессоров
(ЭВМ) ведут к единообразию подходов. Это относится также к
способам хранения продукции и ее транспортировки.
Таким образом, несмотря на многостороннюю специализацию
внутри технологии, которая также прогрессирует, процесс
единообразия играет преобладающую роль. Унификация, стремление к
единообразию оказывается доминантой развития технологии.
Отсюда и второй технологический закон:
60
Второй закон технологии выражает возрастающую
унификацию методов производства.
Этот технологический закон проявляет себя особенно в
условиях социалистического государства, где преобладает
общественная собственность на средства производства.
Упомянутые законы технологии действуют как объективные
принципы в пределах развития производительных сил. Наряду с
ними действуют и другие. К ним относятся законы естественных
наук, выражающие существенные взаимосвязи между рабочими
объектами, а также законы, которые действуют в сфере техники
и исследуются учеными технических дисциплин.
Существуют обменные взаимодействия между техникой,
технологией, экономикой и естественными науками.
Мы указали на законы, общие для всех технологий. Но в
микроэлектронике заложены особенности, отличающие ее от
классических технологий. Нет ли в ней каких-либо собственных, особых
закономерностей развития?
Микроэлектроника имеет дело с технологическими режимами,
в которых рабочие параметры приближаются к физическим
пределам вещества и энергии. В этих абсолютных пределах начинают
действовать квантовые, скачкообразные изменения, чуждые
классической физике. Это обстоятельство еще более оправдывает
разграничение технологий на классические и микроэлектронику, или
твердотельную технологию.
Мы уже говорили об особых требованиях системотехники к
развитию микроэлектронной технологии. Наконец, имеются
определенные указания на аналогии между методами твердотельной
технологии и биосинтезом живых организмов. Все эти сложные
особенности эволюции микроэлектроники заставляют осторожно
подходить к выявлению ее общих технологических законов. В
частности, надо иметь в виду, что именно в микроэлектронике впервые
разделены процессы обработки информации от процессов переноса
массы. В твердотельных системах атомы в процессе обработки
информации остаются неподвижными. Они только образуют
упорядоченную структуру, единственное назначение которой —
организовать электронные процессы обработки информации.
Еще одна особенность микроэлектроники заключена в
необычайно быстрых темпах ее развития. Смена физических и
системных принципов технологии происходит быстрее, чем
специалисты успевают перестроить привычное для них мышление. Это
серьезный барьер для развития профессиональных
технологов.
Творческая работа инженера, технолога, рабочего должна
войти в структуру технологии, сообразуясь с ее
закономерностями.
Системный подход и физические принципы — вот основные
инструменты профессионала в современной технологии.
61
2.4. ПРОФЕССИОНАЛЬНОЕ ТВОРЧЕСТВО В ТЕХНОЛОГИИ
Сто профессий технолога
— Как вы думаете, когда лучше идут дела в цехе: когда много
рационализаторских предложений или когда их мало? — спросил
меня технолог. Я задумалась.
— Наверное, чем лучше налажена технология, тем меньше
рационализаторских предложений.
— То-то,— заметил технолог.— Беда не в отсутствии идей,
а в технологической дисциплине.
Секрет успеха в содружестве технолога и рабочего, сказал
мой собеседник. Если организовать дело так, чтобы рабочему
было выгодно поддерживать экспериментальные исследования
технолога, то производство сможет хорошо платить и рабочему,
и технологу.
Формы профессионального творчества разнообразны, и
существуют технологии, где эксперимент является неотъемлемым
свойством процесса. Таким предприятием является, например,
московский экспериментальный завод «Технолог». Этот завод
принадлежит медицинской промышленности и получает заказы на
изготовление разнообразных предметов медицинского
оборудования: это может быть и операционный стол, и футляр для очков, и
герметический контейнер, в котором кипятят инструменты, и
миниатюрные подвески, и многое другое. Каждый из новых объектов
требует разработки новой технологии «с нуля», следовательно,
проведения технологических экспериментов. Именно на этом
технологическом предприятии нового типа можно столкнуться с
применением физики. Например, окраска изделий производится в
электростатическом поле: распыляемая краска и объект заряжены
разноименно.
Интересные исследования ведутся в так называемых
полигонных технологиях. В таких условиях технологи могут испытывать
физические эффекты и вести эксперименты. Их разработка
оправдывает себя при выполнении технологических заказов, которые
руководство завода умеет прогнозировать заранее. Местный,
технологический прогноз — не менее важная задача.
Профессиональное творчество в условиях развивающейся
технологии требует, как мы видим, учета разнообразных факторов.
Технологи, пользующиеся физическими методами в своей работе,
учитывают быстрые темпы внедрения новых достижений этой
науки. Особенно стремительно внедряется физика в
электропромышленность. Произошел прорыв в высокие формы физически
обоснованных технологий.
Особое место заняли физические методы в электрофизических
станках. Об этом мы будем говорить особо.
Во всех случаях внедрения физических методов в
производство технолог должен помнить о различии между естественными,
природными явлениями — и технологическими процессами.
62
Все технологические процессы основаны на естественных
явлениях, но они представляют собой сознательное использование
природных процессов человеком. Мы уже говорили о том, что
технология, в отличие от физических процессов,— целенаправленная
деятельность. Такое ориентированное на цель «поведение» технологии
как системы может быть описано соответствующей структурой.
И в этой структуре должно найти свое место применение
физических методов.
Технология порождает новые профессии. Человек,
действующий в технологической системе, может выполнять разнообразные
функции, которые со временем оформляются в новую профессию.
Это особенно ярко проявляется в микроэлектронике. Работница,
припаивающая контактные выводы к интегральной схеме, через
некоторое время осваивает тонкости структуры своего изделия и
физические причины возможных отказов (брака). Такое сочетание
профессиональных навыков и физического понимания своих
функций делает ее профессионалом особого типа. Недаром на наших
микроэлектронных заводах придают такое значение операторам,
точно и грамотно выполняющим свои функции в течение многих
лет.
В технологии электрофизических станков первоначальная
профессия физика как бы «расщепилась» на новые специальности,
участвующие в совершенствовании технологического процесса
машины. Понадобился особый конструктор, разрабатывающий
устройства с новым физическим принципом действия. Вошел в
бригаду разработчиков химик, вносящий в процессы свои знания.
Неотступно следит за развитием новых моделей станка физик-
теоретик. Разрабатывает новый генератор импульсов
профессиональный электротехник. Работает над системой автоматического
управления станком специалист по роботам. Совершенно
изменился теоретический багаж наладчика, обслуживающего станок.
Это техник нового типа, получивший профессию от
электроэрозионной обработки металлов. Наконец, рабочий, управляющий
электрофизическим станком, приобретает звание оператора, и в
рабочей инструкции, которой он руководствуется, указаны
действия, отличающие их от традиционных взаимоотношений между
металлообрабатывающим станком и рабочим.
Однако бывает так, что профессии, рожденные технологией,
по существу представляют собой разнообразные функции
технолога. Вернее, это технологи, работающие на различных уровнях
производственной технологии.
Вот как рассказывает о своей работе технолога известный
исследователь М. Гнеденко.
«Давайте пройдемся, скажем, по заводу, где производят
электронно-лучевые трубки и где некогда мне довелось работать.
Цех, где собирают их основу — электронную оптику. В это
оптическое устройство входят 32 детали. Причем все эти детали
нужно уместить и закрепить на основании диаметром 50 мм. Но прежде
63
каждую деталь следует вырубить, изготовить штампы,
подобрать технологию обработки металла до и после вырубки.
Потом идет сборка, в которой по технологической карте 20—25
операций, причем каждую из них, в процессе движения
конвейера, делают разные рабочие. У каждого из них свой
темперамент, характер, настроение, квалификация. Оператор не в
настроении — нажал на педаль чуть сильнее, и все: точечная
сварка микродеталей перегрета. Дефект всплывает уже потом, при
финишных испытаниях. Кстати, перед сборкой идет травление,
отжиг деталей в водороде, промывка в смеси окислителей и т. д.
Здесь столько неизвестного и неожиданного. Вопросы, вопросы...
Какова оптимальная температура промывочной смеси? Этого никто
не знает. В технологической карте, конечно, записана какая-то
рекомендованная температура. Кстати сказать, после всех травлений
химобработки детали опять попадают к монтажнице. Вносятся
новые загрязнения. И вот — брак по неизвестной причине».
Этот этюд о технологии показывает опасности брака,
подстерегающие изделие тонкой технологии. Усовершенствования
нужны на каждом шагу. Физическая технология требует особых
методов контроля и коррекции.
«Нужны новые формы консолидации инженерных сил»,—
продолжает М. Гнеденко. Он рассказывает об интересном опыте
Калужского турбинного завода.
«В структуру производственного объединения «Калужский
турбинный завод» введены отделы, куда равноправно входят
конструкторы, технологи, разработчики. В свою очередь, отделы
создают комплексные творческие бригады — опять же из конструкторов,
технологов, разработчиков плюс к тому же — работников цеха,
научно-технические проблемы которого решает эта бригада. Все
делается сообща, во взаимодействии. Калужская модель — это
то, над чем стоит подумать заводскому организатору
производства».
Ну вот, наконец-то разработчики, физики и технологи
добились безупречного режима технологии. Но как довести ее до
рабочего места так, чтобы избежать ее искажения и возможного
брака?
Важную роль в новой технологии играет форма информации, в
которую она облечена. Среди всевозможных сведений,
приходящих к рабочему, должны быть только такие, которые представляют
для него профессиональный интерес. Инженеры и психологи
разрабатывают систему профессионально важной информации как
средства повышения эффективности труда операторов.
Инициатива исходит от предприятий производства изделий
микроэлектроники.
Эффективность управления современным производством,
характеризующимся высокой технической оснащенностью и
сложностью технологических процессов, во многом определяется
моделью производственного процесса, которая формируется у опера-
64
тора при освоении его деятельности и изучении технической
документации. Практика инженерно-психологических исследований
показывает, что освоение новых технологий и оборудования с
помощью существующей технической документации не приводит
к формированию полной модели, что влечет за собой ошибочные
действия оператора, появление брака, неоправданные потери
сырья и материалов, поломку и выход из строя оборудования.
В условиях производства, где используются дорогостоящие
материалы, оборудование и обслуживаются сложные
технологические процессы, формирование оптимальной модели
производственного процесса является необходимым условием эффективной
деятельности операторов.
Система профессионально важной информации (СПВИ)
должна содержать компоненты:
— краткую информацию об оборудовании;
— оптимальный алгоритм действий;
— информацию о браке;
— информацию о неисправностях оборудования.
Краткая информация об оборудовании включает его
характеристику, назначение, описание функциональных узлов, с которыми
работает оператор.
Оптимальный алгоритм действий отражает структуру действий
оператора, а не структуру технологических операций.
При этом деятельность оператора разбивается на крупные
функциональные блоки, имеющие общую цель (что надо делать?),
в результате чего его действия становятся целенаправленными и
законченными. Исключается выпадение некоторых
технологических переходов, что иногда бывает у неопытных операторов.
На этом мы прерываем цитирование «системы профессионально
важной информации» для рабочих в микроэлектронной
промышленности. СПВИ убедительно демонстрирует педантично строгую
технологическую дисциплину в этой отрасли. О физических
проблемах этой технологии мы будем говорить в следующей главе —
«Представление о тупиках в технологии».
ЧАСТЬ 3.
ПРЕДСТАВЛЕНИЕ О ТУПИКАХ
В ТЕХНОЛОГИИ
До сих пор мы имели дело с противоречиями физическими и
техническими.
В первой части физические и технические противоречия
решались в рамках изобретательских задач. Было использовано много
разнообразных приемов: метод вепольного анализа, а также
«хитрости», применяемые в теории решения изобретательских
задач.
Физическое противоречие понимается как формула, в которой
к физическим свойствам одного и того же элемента технической
системы предъявляются несовместимые, взаимоисключающие
требования.
Например, чтобы задача решалась, деталь должна быть и
хорошим проводником, и отличным изолятором; элемент должен быть
тяжелее жидкости, но плавать в ней; вещество должно создавать
электрическое поле и быть электрически нейтральным.
Приведем рассуждение ученого Ю. Горина о способах
устранения физических противоречий1.
Такие формулировки вызывают первую трудность, которая
обусловлена чисто психологическими причинами. Однако следует
объяснить, что само понятие противоречия состоит в том, что
обязательно должно быть то, чего быть не может. Так, инженеры и
ученые в начале нашего века были убеждены в том, что не может
быть такого источника света, который излучал бы дневной свет,
но оставался холодным. Чтобы светило, но не грело — это
казалось парадоксом до изобретения люминесцентных ламп. Или же:
всего 20 лет назад все были убеждены в том, что наручные часы
обязаны тикать (стучать); сейчас бесшумные электронные
часы — вполне обычное явление. Более фундаментальные
физические противоречия привели к созданию теории относительнос-
1 Методические рекомендации по изучению с учащимися профучилиш
приемов использования физических явлений и эффектов при решении
технических и производственных задач.— М, 1982.
66
ти: к физической субстанции, называемой эфиром, предъявлялись
взаимоисключающие требования. Но когда был выдвинут
постулат о постоянстве скорости света, все экспериментальные
данные удалось свести в непротиворечивую систему, а
существование эфира оказалось заблуждением.
В более скромных задачах противоречие возникает тогда, когда
одна и та же деталь (элемент, конструкция) входит как составная
часть в две подсистемы разного значения; оттого и проистекает
противоречие, что каждая подсистема предъявляет свои
требования. Если эти требования совпадают, то все хорошо, задачи нет.
Если они противоречат друг другу, тоже ничего страшного. Есть
физика, есть физические эффекты, с помощью которых можно так
изменить деталь, что она будет прекрасно работать в обоих
качествах.
Физические противоречия преодолеваются в основном тремя
путями. В первом случае тщательное рассмотрение физических
свойств позволяет подобрать физический эффект, разделяющий
противоречивые свойства в пространстве, например применением
неоднородных электрических и магнитных полей. Во втором случае
противоречивые свойства разделяются во времени, например
приведением предмета в колебательное движение, а также
применением знакопеременных, или импульсных, воздействий. В третьем
случае удается так изменить физические свойства вещества, что
противоречие снимается.
Из рассуждения Ю. Горина мы видим, что, сталкиваясь с
физическим противоречием в технических системах, изобретатели
остаются оптимистами: они владеют набором приемов, позволяющих
устранять физическое и техническое противоречия и решать
задачу. (Разумеется, есть трудно решаемые задачи.)
Однако в условиях реальных технологических процессов
возникают ситуации, когда противоречия не удается снять. При
рассмотрении процесса разработки конкурентоспособного
электрофизического станка группа станочников отбрасывала трудно
решаемые физические задачи и искала технологические компромиссы,
позволяющие добиться поставленных целей: устойчивого режима,
максимальной производительности, высокой степени качества
изделия. Разработка конкурентоспособной машины, работающей на
выбранном физическом принципе действия, проходила по
правилам тактической игры: прежде всего — выигрыш, достижение
цели. В ходе разработки можно пренебречь не поддающимися
решению задачами.
Станочники, проектирующие новую физическую машину,
должны были обладать не только системным мышлением,
учитывающим все действующие факторы, но и игровой постановкой
задачи: выбором наиболее экономных и простых ходов для
достижения цели.
Но это не всегда возможно. Существуют ситуации, когда
дальнейшее продвижение в технологии нереально. Физические и техни-
67
ческие противоречия выстраиваются в систему, ставящую предел
дальнейшим возможностям применяемых физических и
технологических методов. И это приводит к различным выводам. В
некоторых случаях оказывается, что системная оценка возможностей
старой технологии проведена на низком уровне: анализ основан на
макроскопических технологических критериях, и если направить
исследование вглубь физических фундаментальных свойств
веществ и полей, то решения могут прийти не из технологии, а из
фундаментальной физики.
Однако в других «тупиковых ситуациях» может оказаться, что
физическая технология действительно дошла до предела своих
возможностей и надо переходить на другие, более прогрессивные
методы. Мы рассмотрим оба случая на примерах.
3.1. ТУПИК БЕЗ ТУПИКА (ЛИТЬЕ)
Старая технологическая задача: требуется создать литейную
форму из сырой песчано-глинистой смеси (так называемая сырая
формовка).
Разумеется, мы стремимся получить бездефектную отливку. Но
в действительности дефектов отливки избежать нельзя. Опыт
технологии литья дает нам некоторые сведения о требованиях,
предъявляемых к литейной форме, и о причинах возможных дефектов в
отливке. Особенно высоким критериям удовлетворяют литейные
формы в приборостроении.
Основные дефекты отливки и их связь с
характеристиками формы
Невыполнение отдельных элементов заданной
конфигурации отливки как результат образования
пустот в модели в процессе формовки
Невыполнение отдельных элементов заданной
конфигурации отливки как результат размыва струей
заливаемого металла
Засоры поверхности отливки частицами
формовочной смеси
Раздутие отливки как следствие прогиба формы
под действием массы заливаемого металла
Газовые раковины отливки как следствие
проникновения в жидкий металл газов,
выделяющихся при нагреве формы
«Ужимины» отливки как следствие выпучивания
формы в жидкий металл в результате ее
термической деформации
Шероховатость поверхности отливки, «пригар»
как следствие затекания жидкого металла в поры
формы
Требование к литейной
форме
Заполняемость модели
Прочность формы на сдвиг,
изгиб, растяжение
Жесткость формы
Отсутствие газовыделения,
одностороннее (только в
атмосферу) газовыделение
формы
Термостойкость формы
Поверхностная сплошность
68
Не будем забывать о том, что наша главная задача —
изготовить песчано-глинистую форму, удовлетворяющую поставленным
требованиям. А эти требования сформулированы в правом столбце
нашей таблицы.
На какие же параметры песчано-глинистой смеси умеет
воздействовать традиционная литейная технология? На зернистость
смеси (размер зерен песка); процентное содержание влажности
глины; пористость формы.
Технологи, разбирающиеся в современных физических
методах, сразу заметят, что выбранные параметры далеки от
физических критериев вещества. И зернистость (3), и влажность (В), и
пористость (П) —эмпирические параметры, характеризующие
процесс на макроскопическом уровне.
Тем не менее, оставаясь на позициях реально существующей
технологии, составим новую таблицу, в которой попытаемся
связать требуемые характеристики формы с соответствующими
изменениями наших регулируемых параметров: 3, В и П. Напомним
еще раз требования к форме, обеспечивающие бездефектную
отливку: 1) заполняемость модели; 2) прочность формы на сдвиг,
изгиб и растяжение; 3) жесткость формы; 4) термостойкость
формы; 5) отсутствие газовыделений, односторонее (в атмосферу)
газовыделение; 6) поверхностная сплошность формы.
Анализ функциональных связей между перечисленными
требованиями к литейной форме и изменением размера зерен песка,
влажности смеси и пористости формы было проведено ученым
Борисом Михайловичем Рубинчиком. Он занимается прогнозиро-
Бригадир литейщиков Л В Лепешкин. Вместе с товарищами он участвовал
в создании технологии переплавки изношенных штампов
ванием новых методов литейной технологии. Проведенный им
анализ требований к литейной форме выявил существующие
противоречия в изменении одних и тех же независимых технологических
параметров. Так, с точки зрения сопротивляемости сжатию
(жесткость) желательно, чтобы зерна в форме плотно прилегали
друг к другу (параметры В и П должны быть минимальны). С
точки зрения термостойкости нужно, чтобы форма располагала
максимальной компенсационной способностью, благодаря которой
расширяющиеся при нагреве зерна песка могли бы «вжиматься»
внутрь формы, а не «выпучиваться» в не застывший еще металл.
Но эта компенсационная способность создается как раз благодаря
глинистой прослойке (В) и пористости (П).
Такого рода противоречия выявляются и при анализе
характера других функциональных зависимостей.
Результат анализа всех функциональных связей между
требованиями к форме и желательными изменениями независимых
параметров 3, В, и П может быть представлен в виде матрицы
(таблицы), в которой стрелки, направленные вверх, обозначают
увеличение параметров, а направленные вниз — их уменьшение.
Требуемые характеристики
формы
Заполняемость модели
Прочность на изгиб, сдвиг, растяжение
Жесткость формы
Термостойкость формы
Отсутствие газовыделения, односторонее
газовыделение в атмосферу
Поверхностная сплошность
Независимые параметры формы
3
>
^
>
В
п
-
1
'
Проведенный анализ «тупиковой» ситуации в литейной
технологии позволяет сделать несколько заключений.
Во-первых, приведенная зависимость между качеством
литейной формы и регулируемыми технологическими параметрами имеет
только качественный характер. В ней не учитывается изменение
параметров во времени и пространстве. Может быть, создавая
неоднородные или прерывистые воздействия на выбранные
параметры, удастся создать системы оптимальных свойств нашего
70
технологического объекта. Этот прием известен из истории
технического творчества: изменять распределение в пространстве и во
времени действие управляющих факторов.
Во-вторых, сами регулируемые параметры — 3, В, П, как мы
указывали, описывают макроскопические свойства вещества.
Между тем проведение физических исследований свойств зерен
песка или капиллярно-пористых свойств формы может выявить
более глубокие, фундаментальные методы воздействия на
технологию литейной формы. Следовательно, приведенная нами матрица
не представляет собой безысходного результата — ее можно
представить себе как программу перспективных фундаментальных
физических исследований.
Другое дело, если разработчики связаны плановыми сроками:
тогда может оказаться более выгодным перейти на другую, более
прогрессивную литейную технологию.
А теперь рассмотрим другой пример из области
микроэлектроники.
3.2. «МАГИЧЕСКАЯ ВОСЬМЕРКА»— ИЛИ
ИЗОБРЕТАТЕЛЬСКАЯ ИДЕЯ
В МИКРОЭЛЕКТРОНИКЕ'
Читатель сейчас убедится в том, что если в предыдущем
примере мы строго придерживались системного подхода к оценке
состояния технологии, то здесь автор-изобретатель остается на
эвристических позициях, предлагая собственное остроумное
решение для выхода из тупика. Этот пример интересен тем, что его
можно рассматривать как стык между законами технологии, о
которых мы говорили во второй части, и приемами
изобретательства, которым посвящена пер-вая часть. Связывают обе проблемы
воедино физические эффекты, применяемые и в технике, и в
технологии 2.
Итак, блестяще отработанная и применяемая в
микроэлектронике фотолитография в 70-е гг. зашла в тупик. Она оказалась
неспособной обеспечить воспроизводимые размеры структур меньше
1—2 мкм. При этом не было никакого инженерного просчета.
Фотолитография приблизилась к своим предельным
возможностям, связанным с длиной световой волны: свет, как известно,
огибает препятствия, размеры которых соизмеримы с длиной
волны.
Появилась необходимость заменить световой источник энергии
каким-то другим. Задача казалась почти решенной, так как для
подобных целей в электронном микроскопе давно уже использовали
электронный луч: длина волны ускоренного электрона на несколько
'См. Янушонис С. С Как технология зашла в тупик!// Химия
и жизнь—1984 — № 2
- О нарушениях технологии в микроэлектронике можно прочитать также
в упоминавшейся книге Т Гнединой «Физика и современное производство»
71
порядков меньше длины волны света. Электронный пучок можно
сфокусировать в луч диаметром несколько десятков ангстрем1 и
рисовать им любые структуры на электронорезисте, как «рисуют»
изображение на телеэкране.
Казалось, проблема решена. Но за решение пришлось
заплатить дорогой ценой: «рисование» на субмикронных площадях
потребовало фантастической точности, возросли сложности,
связанные с совмещением последовательно формируемых
структур. А это, в свою очередь, привело к подорожанию производства
интегральных схем. Технология оказала влияние на экономику,
экономика стала тормозить развитие технологии. Но какой бы то
ни было альтернативы электронному лучу не находилось.
Как выйти из тупика
С формированием подобных геометрических структур мы
сталкиваемся не только в микроэлектронике. Фотолитография схожа в
принципе с формированием изображения на бумаге штемпелем,
смоченным в штемпельной краске, а электронолитография — с
рисованием карандашом.
Сделать штемпельный оттиск просто, а вот для рисования
такого же изображения понадобится художник, а ему — очень много
времени. Так что заменять штемпель на карандаш целесообразно
лишь тогда, когда штемпельная поверхность зернистая, причем
размеры зерен больше размеров линий, которые мы хотим
получить. Это мы уже обсуждали...
Сходство четырех способов формирования структур —
фотолитографии, электронолитографии, штемпелевания и рисования —
очевидно. Во-первых, во всех четырех случаях необходим
однородный объект — чистая плоскость: фоторезист, электронорезист,
бумага. Во-вторых, требуется неоднородная среда: определенным
образом распределенный в пространстве световой луч,
сфокусированный электронный луч, штемпель с углублениями и выступами,
карандаш. Наконец, нужно, чтобы среда могла взаимодействовать
с объектом: свет и пучок электронов экспонировали бы
чувствительный слой, штемпельная краска и карандаш оставляли бы след
на бумаге. Поскольку технологический тупик определяется,
по-видимому, именно этими принципами формирования структур, стоит,
наверное, поискать какой-то иной принцип.
Стали появляться новые решения — одно хитроумнее другого,
позволяющие формировать структуры интегральных схем без
переноса рисунка. За последнее десятилетие их число превысило сотню.
Одно из них предложено в Институте физики полупроводников
АН Литовской ССР. Автор упомянутой статьи С. С. Янушонис и
его сотрудники назвали разработанный ими метод образования
интегральных схем самоформированием. Прежде чем перейти к
самому принципу самоформирования и его технологическому вопло-
1 1°А=10-10 м.
72
щению, полезно разобрать небольшой геометрический пример. Есть
некая геометрическая фигура — белая восьмерка на темном фоне.
Каждая точка на границе черного и белого подвижна и
движется по нормали внутрь структуры; через некоторый промежуток
времени все точки сдвинутся на определенное расстояние А 5, и мы
получим новую кривую. Между двумя кривыми образовалась
некая структура, ширина которой зависит только от времени и
скорости эволюции исходной кривой. Иными словами, выбрав
достаточно низкую скорость, за определенный промежуток времени
мы можем сформировать сколь угодно узкую полоску!
Пойдем дальше. Пусть точки восьмерки продолжают
сходиться. Наступит момент, когда она разделится на две
самостоятельные структуры. При этом, заметьте, эти структуры сформировались
без всякого переноса извне.
Как транзистор самоформируется
Однако все это пока лишь абстракция. Какое отношение имеют
наши геометрические построения к микроэлектронике, к
интегральным схемам? Оказывается, самое прямое. Когда газ или жидкость
взаимодействует с твердым телом (например, при травлении),
границы твердого тела сжимаются, отступают, как очертание нашей
абстрактной восьмерки. Если подобрать селективный травильный
раствор для двухслойной структуры, действующий только на
нижний ее слой, то легко получить новую структуру — своеобразный
навес, козырек верхнего слоя над нижним. При продолжительном
травлении нижний слой разделится на два островка.
Что же мы приобрели нового и полезного? Теперь можно
обойтись однородной средой жидкости, газом, потоком частиц,
тепловым потоком. Это главное. В этой среде (под действием травящего
раствора, или газа-окислителя, или нагревания, или излучения)
один из материалов начинает как бы вымываться, причем именно в
том направлении, в каком нужно. Области транзистора по сути
дела формируются сами собой. Это и дало нам основание назвать
метод самоформированием. Правда, нам по-прежнему требуется
исходная структура, которая будет самоформироваться. Но,
заметьте, не прецизионная структура, не субмикронных размеров. А
раз так, то она может быть сформирована с помощью обычной
фотолитографии. Все же остальные структуры будут образованы при
взаимодействии объекта со средой, т. е. путем самоформирования.
Напомним читателю, что приведенный выше текст заимствован
нами из статьи самого изобретателя. Однако не все технологи и
ученые разделяют его оптимизм. Для того чтобы геометрический
эффект превратился в реальный, физический, необходим целый ряд
условий, который требует сложного математического описания.
Заметим также, что внутри систем микроэлектроники существует
своя экология.
Мы привыкли понимать под этим понятием условия
окружающей среды, которые не всегда можно нарушать, потому что
73
а .,
/
/
/
/
Изобретение, использующее геометрический эффект: футбольный мяч со
смещенным центром тяжести
природа соблюдает свои собственные условия равновесия между
живыми и неживыми организмами.
Так вот, существует внутренняя экология в системах
микроэлектроники, которую технологи должны соблюдать. Оказывается,
что если в одном кристалле совершенно нет примесей, он
великолепно очищен и находится в контакте с другим элементом системы,
который не удалось так же хорошо очистить, то это
неблагоприятно сказывается на работе всей системы прибора. Внутри такой
системы неравновесная экология. Полупроводники — очень
чувствительные вещества, и их физические свойства при синтезе больших
интегральных систем иногда напоминают поведение биологических
простейших организмов. Поэтому не будем пока возлагать особые
надежды на описанный эффект геометрического
самоформирования.
В заключение приведем в качестве примеров несколько
геометрических эффектов, когда результат достигается только за
счет изменения формы.
Пример 1. Предлагается модель мяча со смещенным центром
тяжести, траектория полета которого непредсказуема. Мяч,
содержащий покрышку и камеру, отличается тем, что с целью
расширения игровых возможностей он снабжен дополнительной камерой,
расположенной внутри покрышки, и грузом. Причем груз
расположен в дополнительной камере на стенке, не примыкающей к
крышке.
Пример 2. Игрушечная электрифицированная железная
дорога содержит полотно железной дороги, модель локомотива и
вагонов с поворотными осями колес. Она отличается тем, что с
74
О
целью повышения занимательности полотно железной дороги
представляет собой ленту Мёбиуса, рельсы выточены из
ферромагнитного материала, а модели локомотива и вагонов снабжены
магнитными башмаками, закрепленными на поворотных осях колес.
Мы сохранили стиль изложения авторских свидетельств,
защищающих модели этих геометрических эффектов.
Может быть, в будущем сочетание геометрических и
физических эффектов даст нам новые модели технических систем. Сейчас
мы убедились в том, какие неожиданные изобретательские идеи
возникают в технологии.
3.3. ТЕХНОЛОГ И РАБОЧИЙ. ОТВЕТСТВЕННОСТЬ
ЗА ФИЗИЧЕСКОЕ КАЧЕСТВО ПРОДУКЦИИ
Профессиональная деятельность технологов и рабочих тесно
связана с непрерывными изменениями и совершенствованием
микроэлектронной промышленности.
Основной материал интегральных схем — кремний. Его роль в
микроэлектронике подобна роли стали в машиностроении; не менее
98% всех интегральных схем делается на его основе, и, как и
сталь, несмотря на наличие мощных и серьезных конкурентов, свое
первенство кремний не утратит по крайней мере до начала
будущего века. Это объясняется сочетанием ряда обстоятельств:
кремний обладает уникальным набором электрических, механических,
химических, кристаллографических свойств; он широко
распространен в природе, исходное сырье очень дешево; технология его
получения и обработки за последние десятилетия достигла очень
высокого уровня, создана развитая промышленность,
приспособленная к нуждам именно кремниевой электроники. Кремний —
рекордсмен среди всех веществ по степени достигнутой на сегодня
чистоты. Уровень химической чистоты: 1 атом примеси на 1 млрд.
атомов кремния.
Сейчас промышленность приступила к выращиванию
цилиндрических монокристаллов кремния диаметром до 150 мм
(массой до 60 кг), не содержащих таких основных дефектов
кристаллического строения, как, например, дислокации (нарушения в
чередовании кристаллических слоев). Намечается переход на
изготовление кристаллов диаметром 200 мм и более. На каждой
пластине, отрезанной от такого цилиндра, обрабатывают сразу 200—300
схем, так что увеличение диаметра заготовки означает повышение
производительности труда и снижение стоимости интегральных
схем, а следовательно, и элементной базы вычислительной техники.
Новый этап развития микроэлектроники — переход линейных
размеров деталей интегральных схем в субмикронную, нанометро-
вую область — предъявляет более высокие требования к чистоте
кремния. Теперь содержание примесей не должно превышать
одного атома на десятки и сотни миллиардов атомов кремния. При этом
особенно много неприятностей стали доставлять такие, казалось
75
бы, безобидные примеси, как углерод и особенно кислород.
Последний — очень коварная примесь. Оказывается, что уже после
того, как закончилась кристаллизация расплава и образовался
монокристалл, не содержащий дислокаций, в процессе его охлаждения
кислород в сочетании с углеродом образует комплексы и
соединения, являющиеся, с одной стороны, вредными электрически
активными центрами, а с другой — стимуляторами возникновения
дефектов кристаллического строения.
Таким образом, сегодня можно считать, что в
микроэлектронике сформировалась металлургия на базе кремния. И здесь, так же
как в классической металлургии, технолог и рабочий решают
задачи качества с помощью научных знаний и интуиции. Этому есть
много примеров.
Особенно жесткие требования предъявляются к работе
операторов, монтажниц, сборщиц.
В основе технологии микроэлектроники лежит интегральная
схема. Благодаря миниатюрным размерам, относительной
дешевизне и замечательным свойствам этого «детища» физиков,
химиков, кристаллографов, математиков резко расширилась область
применения ЭВМ — вплоть до массового производства бытовой
электронной техники. Интегральные схемы непрерывно
совершенствуются. Они даже стали большими и сверхбольшими (БИС и
СБИС), т.е. содержащими 100 тыс. и более соединенных между
собой транзисторов, резисторов и других элементов.
Размещаются эти элементы на одном кристалле, и чтобы
значительно повысить эффективность интегральной схемы, необходимо
добиться размещения на кристалле большего числа элементов. Это
связано с уменьшением их размера (сейчас он составляет
несколько микрон) и переходом от микроэлектроники к наноэлектронике, в
которой размер отдельного элемента интегральной схемы должен
измеряться уже не микронами, а их долями — нанометрами.
Ожидается, что уже в 1990—1995 гг. наша промышленность освоит
интегральные схемы с минимальными размерами отдельных деталей
0,2—0,5 мм (200—500 нм). Число же их в схеме — на пластине
кремния площадью в несколько квадратных миллиметров —
достигнет десятков миллионов, т. е. увеличится по крайней мере на
три порядка.
Возможности при этом возрастут не в тысячу раз, а гораздо
больше, поскольку связь между ними нелинейная. С точки зрения
развития технологии получения интегральных схем этот прогресс
характеризуется одним параметром — минимальной шириной
линии «рисунка», наносимого на кристалл. С помощью световой
литографии достигнуто значение этого параметра оо 3 мкм.
Использование узких (сжатых до долей микрона) электронных
и ионных пучков позволит «рисовать» более тонкие линии.
Сейчас большинство интегральных схем создаются на основе
так называемых МДП или МОП-структур: металл — диэлектрик
76
(или оксид) — полупроводник. Это означает, что на
полупроводниковую подложку наносят последовательно тонкие
диэлектрические и металлические пленки, изолирующие полупроводниковые
микроприборы и осуществляющие необходимые электрические
контакты между ними. Задачи технологии получения интегральных
Схема операций в фотолитографии
Негативный
фоторезист
Г/Я&7УУУУУУГУУ/Г7Я
7Л
/Г'УУГУЖГУМПГУУХ.
5|02
3'|
5Ю2
Фоторезист
5Ю2
31
Фоторезист
Фотошаблон
Позитивный
фоторезист
5Ю2
51
Минросноп
Фоторезист
5Ю2
5;
| Свет
5Ю2
81
Микросноп
77
схем (планарной технологии) таковы: разместить на поверхности
полупроводникового кристалла электронные приборы различного
назначения, создавая их путем контролируемого введения
легирующих элементов; надежно изолировать эти приборы друг от
друга и затем соединить их между собой в заданную схему.
Группы процессов в микроэлектронике
ГРУППЫ ПРОЦЕССОВ (ОПЕРАЦИЙ):
Получение
слитков
*
Разрезка
слитков
»
Обработка
пластин
1
Изготовление
деталей норпуса
*
Сборка
узлов корпуса
ОБРАБАТЫВАЮЩАЯ
Эпитаксия
1
Онисление
*
Фотолитография
*
.Диффузия
*
Термохимическая
обработка
*
Вакуумное
напыление
*
Ионтроль на
функционирование 1
1
СБОРОЧНО-
НОНТРОЛЬНАЯ
Разделение
пластин
*
Монтаж
кристаллов
»
Разварка выводов 1
*
Герметизация
*
Контроль
и маркировна
*
Упаковка
78
В основе планарной
технологии лежит
литографический процесс
перенесения изображения
интегральной схемы на
поверхность кремниевого
кристалла, состоящий в
последовательном
формировании и совмещении
частей рисунка
интегральной схемы.
Последовательно формируются,
совмещаясь с высокой
точностью, транзисторы (в
свою очередь, состоящие
из нескольких различных
слоев), изолирующие слои,
соединения между
транзисторами. Для создания
интегральной схемы
требуется не менее 10—12
таких совмещений, которым
отвечают
соответствующие группы
технологических операций.
Типичная
последовательность операций,
формирующих кремниевую
интегральную схему, осуществляется в процессе описанной нами
фото-, электроно- или рентгенолитографии.
В результате получается кремниевая пластина, покрытая слоем
оксида с «окнами», где этот слой вытравлен. Затем приступают к
непосредственному формированию участков, составляющих
основу транзисторов интегральной схемы. Через «окна» в
поверхностные слои кремниевой пластины вводят дозированное количество
примесных акцепторных (связывающих электроны и образующих
дырки) элементов — бор, индий, галлий,— если требуется создать
участок с проводимостью р-типа (дырочной), или донорных
(отдающих электроны) элементов — фосфор, сурьма, мышьяк,—
если требуется проводимость м-типа (электронная).
Обычно легирование этими примесями осуществляют с
помощью диффузии, нагревая пластину в парах соответствующего
элемента до температуры 1100— 1200 °С.
Повторяя эту операцию, получают кристалл полупроводника с
вкраплениями множества мельчайших транзисторных и диодных
структур, каждая площадью в несколько квадратных микрон.
Нанометровые размеры деталей интегральных схем потребуют
от технологии более высокой чистоты используемых химических
Две тысячи профессий доступны женщинам
в настоящее время
79
«. .контроль радиоэлектронной аппаратуры
элементов, совершенства кристаллов, однородности пленок. Такая
технология разрабатывается сейчас в лабораториях.
...Итак, физика на каждом шагу. От рабочего и технолога
требуется неукоснительная технологическая дисциплина. Кадры,
работающие в микроэлектронике, отличаются от традиционных
рабочих. Прежде всего, в этой юной технологии работает молодежь.
... Лена Фролова пришла на завод сразу после окончания
средней школы. Сначала работала комплектовщицей. Не так уж
сложна была ее первая рабочая профессия, но требовала, как и
любая другая, собранности, аккуратности, внимания. Под
руководством опытного наставника Лена быстро освоила все
особенности комплектовки, старалась работать так, чтобы по ее вине не
было задержек на технологической линии.
А начиналось все, казалось бы, с малого.
В школе Лена считала для себя зазорным не выполнить
поручения, не подготовиться как следует к уроку. Постепенно
требовательность к самой себе становилась чертой характера. Когда на
заводе создавался участок по производству новых изделий и Е.
Фроловой предложили перейти на него, она приняла предложение с
радостью и стала монтажницей. А через три месяца
самостоятельной работы начала осваивать смежные операции. Сейчас Лена
может заменить других и на лужении, и на намотке, и на вязке жгутов
— на любой операции по изготовлению продукции, выпускаемой
цехом. Появились у Фроловой и рационализаторские
предложения. Например, заметила она как-то, что задерживается монтаж
из-за одной неудобной прокладки, предложила изменить ее форму.
Сделали. В результате снизилась трудоемкость операции.
80
Молодые инженеры осваивают не только главные
технологические процессы электронной техники, но проводят физические
исследования подсобных операций.
При создании технологического оборудования на предприятиях
электронной техники широко используется сварка и пайка изделий.
Светлана Евгеньевна Ушакова разработала физико-химические
основы процесса сварки и выпустила учебное пособие,
предназначенное для рабочих электронных заводов. Рекомендации,
сформулированные Ушаковой на основании физических исследований,
создают систему профессионально важной информации, к которой
стремятся технологи предприятий микроэлектронной и
электронной техники.
... Более двадцати лет трудится на производстве бригадир
передовой бригады монтажниц Татьяна Ивановна Шаронина.
Восемнадцать из них — в одном цехе. Начав свою трудовую
деятельность ученицей, Татьяна Ивановна быстро освоила
специальность и стала лучшим измерителем цеха. А когда изменился
профиль работы цеха, она овладела профессией монтажницы.
Понимая необходимость и значение выпуска новых изделий, она
предложила организовать в цехе школу передового опыта. Ее
инициативу поддержали. Школа была создана. Это позволило многим
монтажницам в короткий срок освоить передовые приемы работы,
увеличить выпуск цехом новой продукции и значительно улучшить
ее качество.
Трудовая активность и инициатива Т. И. Шарониной много
раз отмечались благодарностями и почетными грамотами. Она
была награждена орденом Трудового Красного Знамени.
Эффективно используя свое профессиональное мастерство,
находя и применяя более рациональные приемы труда, Татьяна
Ивановна из года в год перевыполняет плановые задания.
Таковы люди, охраняющие производственную дисциплину
«самой физической технологии» — микроэлектроники.
ЧАСТЬ 4.
ФИЗИКА В ИСТОРИИ
И ЖИЗНИ ПРОФЕССИЙ
4.1. ВЕЛИКИЕ ОТКРЫТИЯ
И НОВЫЕ ПРОФЕССИИ
В ОДНОМ ПОЛИТЕХНИКУМЕ
(ИЗ ИСТОРИИ ФИЗИКИ)
Друг Альберта Эйнштейна, французский физик Поль Ланже-
вен заметил однажды, что удивительный склад ума Эйнштейна
выражается не только в его гениальной способности к мысленному
эксперименту, но сформирован под влиянием политехнического
образования. Эйнштейн окончил в Швейцарии Цюрихский
политехникум. Знание технических проблем, умение схватывать суть
изобретательских идей, с которыми он сталкивался в Патентном
бюро, вошли в тот неповторимый сплав мышления, который
оказался способен выдержать мощный познавательный порыв,
создавший величайшие свершения XX в.
П. Ланжевен, пришедший в Парижский политехникум из
Начальной школы, окончил его и в течение 25 лет был заведующим
его учебной частью. Это была знаменитая Школа промышленной
физики и химии, где Пьер и Мария Кюри открыли радий и
заложили основу новой технической цивилизации. Там же, в маленькой
комнате, примыкавшей к учебной лаборатории, преподаватель
Пьер Кюри открыл пьезоэлектрический эффект и создал теорию
симметрии. В учебной лаборатории ему помогал студент Поль
Ланжевен. Впоследствии он использовал отшлифованный Пьером
Кюри кристалл для первого ультразвукового гидролокатора. Начало
ультразвуковой акустики было положено в стенах Школы
промышленной физики и химии.
В науке Поль Ланжевен более всего известен как создатель
теории магнетизма. Он создал также принципы физики газового
разряда, о которой мы подробно расскажем в очерке «Физики
становятся станочниками».
В 20-е гг. в Школу промышленной физики и химии пришли два
молодых человека: Фредерик Жолио-Кюри и Пьер Бикар. Жолио-
Кюри стал превосходным инженером-изобретателем, но в историю
науки вошел как выдающийся физик, открывший вместе со своей
женой Ирэн Жолио-Кюри искусственную радиоактивность. Пьер
Бикар, его близкий друг, издал первые книги по ультразвуковой
технике и также известен своими работами в ядерной физике.
82
Трудно перечислить всех замечательных инженеров, техников,
изобретателей, ученых, которые ежегодно собирались в стенах
этого политехникума, ставшего первой школой
научно-технического прогресса.
... Шла первая мировая война. 22 сентября 1914 г. три
английских броненосных крейсера затонули, не сделав ни единого
выстрела. Они были торпедированы маленькой немецкой торпедной
лодкой. И октября 1914 г. в устье Финского залива в таких же
условиях был потоплен русский крейсер «Паллада». 7 мая 1915 г.
на подходах к Англии погиб пассажирский пароход «Лузитания».
На борту было более тысячи человек.
Эти потери заставили государства, участвующие в войне,
призвать своих ученых к энергичной работе по изысканию средств и
способов борьбы с подводным врагом. Во Франции эта задача
была поставлена перед П. Ланжевеном.
... Идея применения ультразвука для промера морских*
глубин и обнаружения плавающих льдин принадлежит русскому
изобретателю Константину Васильевичу Шиловскому. В декабре
1914 г. К. В. Шиловский представляет правительству Франции
свою записку «О возможности видения под водой». Приведем
отрывок из этого документа:
«Если взять совершенно плоскую пластину размером IX 1,5 м,
полностью погруженную в воду, и заставить ее колебаться с
частотой до 100 кГц, то она начнет излучать в воду поток механической
энергии, которую мы можем назвать «ультразвуковой». Все то, что
известно о распространении звука в воде, приводит нас к
заключению, что коэффициент поглощения звуковой энергии в воде будет
очень мал, намного меньше, чем для света, и как следствие данная
энергия будет распространяться под водой со скоростью звука на
очень большие расстояния.
Поскольку длина волны данных колебаний в воде будет
приблизительно равна 1 см, т. е. в 100 раз меньше, чем размеры
поверхности прожектора, звук не будет распространяться во всех
направлениях (как звук колокольчика под водой), быстро теряя свою
интенсивность, а будет излучаться почти полностью, за исключением
своей незначительной части, в направлении, перпендикулярном к
излучающей пластине, почти без потерь интенсивности, в виде
узкого конуса, как луч прожектора...»
Шиловский надеялся применить свою идею для обнаружения
подводных лодок под водой.
Французское правительство предложило изобретателю
развивать свои идеи в сотрудничестве с П. Ланжевеном в Школе
промышленной физики и химии. Ланжевен согласился начать
эксперименты по реализации идеи Шиловского. Она заключалась в
преобразовании электромагнитных колебаний в упругие, т. е. нужно
было трансформировать переменный ток в механические колебания,
применив какую-либо упругую металлическую пластину, которая
приходила бы в колебание подобно мембране телефона.
83
Первоначально вся лаборатория была организована на барже,
причаленной у Национального моста в Париже рядом с заводом
сжатого воздуха, подававшим электрическую энергию. Приемные
аппараты сначала были установлены на правом берегу Сены, в
одном из бараков, а передатчики находились на левом берегу.
Воспринимаемые через воду сигналы сразу оказались вполне
четкими. Для проверки наличия направленного звукового пучка было
использовано наблюдательное судно. На судне был установлен
усилитель и микрофон, и оно перемещалось в зоне
ультразвукового пучка.
Для усиления звука микрофонный приемник помещался в
центре параболического зеркала, взятого из лаборатории Коллеж де
Франс, где оно когда-то служило Амперу для других опытов.
П. Ланжевен и К- В. Шиловский добились прямой связи через
воду на расстоянии 4—5 км. Но однажды осенью 1916 г. П.
Ланжевен предложил другую идею, которая, естественно, могла
возникнуть у ученика Пьера Кюри.
... Еще в 1880 г. братья Пьер и Жак Кюри открыли в
некоторых кристаллах явление, называемое пьезоэлектричеством. Оно
заключается в том, что сжатие кристалла, в частности кварца, в
направлении его электрической оси вызывает в нем электрическую
поляризацию. Ланжевен сразу учел, что если внутрь конденсатора
поместить в качестве диэлектрика кварцевую прокладку,
вырезанную перпендикулярно к ее электрической оси, а одну из наружных
обкладок конденсатора погрузить в воду, то такой конденсатор
будет воспринимать колебания давления звуковых волн. Таким
образом, пьезоэлектрическое свойство кристаллов было
использовано Ланжевеном для устройства звукоприемника (микрофона).
Но кристалл кварца обладает и обратным свойством: та же
кварцевая пластина под действием переменного электрического поля
будет то сжиматься, то расширяться в зависимости от направления
последнего. Ланжевен учел, что эти свойства кварца можно также
использовать, заставив пластину колебаться и излучать в воду
ультразвуковые волны и, таким образом, работать и в качестве
источника ультразвуковых волн.
В Школе промышленной физики и химии чтили традиции. Там
бережно хранилась пластинка кварца, которую отшлифовали Пьер
и Жак Кюри. Пьезоэлектрическая пластинка была установлена
Ланжевеном в походной лаборатории. Так была осуществлена
первая ультразвуковая пьезоэлектрическая установка.
«Велика была радость экспериментаторов,— пишет Фредерик
Жолио-Кюри, ученик Ланжевена,— когда они, поместив часы на
кварцевую пластинку, услыхали воспроизведенное с точностью
и усиленное в телефонных наушниках тикание маятника». Вслед за
этим Ланжевен доставил удовольствие своим сотрудникам,
установив для усиления звука часы XVIII в., нежный серебряный звон
которых был с точностью воспроизведен кварцевым микрофоном.
Ланжевен сконструировал мозаику из многих пришлифован-
84
ных и склеенных между собой кварцевых пластин. Она была
испытана, и ее мощность оказалась гораздо большей, чем у
первых конденсаторных излучателей. Так родился пьезоэлектрический
подводный детектор Ланжевена. Началось развитие новой отрасли
техники — ультразвуковой гидролокации. Ланжевен внес десятки
изобретений в новую область преобразования энергии. Его можно
считать также основателем ультразвуковой аэролокации. В
течение всей жизни Ланжевен занимался педагогической
деятельностью. Он создал немало экспериментальных учебных курсов, по
которым обучались специалисты новых профессий. Его сын Андрэ
Ланжевен стал первым специалистом в медицинском
ультразвуковом приборостроении. Ученики Ланжевена Пьер Бикар и Ренэ
Люка выпустили первые книги по ультразвуковой технике. Это был
отредактированный конспект лекций Ланжевена.
Исторический пример Школы промышленной физики и химии,
давшей науке столько открытий, а технике — столько изобретений,
убедительно доказывает единство физики, изобретательства и
политехнического образования.
4.2. НОВОЕ СОСТОЯНИЕ ВЕЩЕСТВА —
И СТАРЫЕ ПРОФЕССИИ
Сравнительно недавно было доказано, что существует новое
состояние вещества, помимо известных ранее науке: газ, жидкость,
твердое тело и плазма. Это новое состояние вещества — жидкий
кристалл. Жидкий кристалл обладает одновременно двумя
свойствами: он имеет упорядоченную структуру, как кристалл, и способен
к текучести, как жидкость.
Этот «курьез природы» был обнаружен сто лет назад, но
научный интерес к нему возник в наше время. Физические исследования
обнаружили множество загадочных явлений в семействе жидких
кристаллов. И тем не менее еще до построения физической теории
жидких кристаллов появились вполне реальные практические
применения «нового состояния вещества». Причем интересно, что
жидкие кристаллы попали в руки людей привычных профессий.
Первыми извлекли практическую пользу из жидких кристаллов
ювелиры. Опытные мастера разработали из
жидкокристаллических веществ загадочные кольца, которые продавались под
названием «перстни настроения». Цвет камешка перстня следовал за
настроением владельца, пробегая все цвета радуги от красного до
фиолетового. Оживились и конструкторы игрушек: они изготовили
электронную игру в «карманном исполнении». Игра «Ну, погоди!» с
традиционным волком, зайцем, курами и катящимися по желобам
яйцами высвечивались на экране, размеры которого не превышали
записную книжку. Нашлись конструкторы-физики, которые
предложили детским садам своеобразный индикатор, позволяющий
быстро проверить, вымыли ли малыши руки перед едой. Для этого
достаточно прикоснуться пальцами к пленке жидкого кристалла.
85
Жидкими кристаллами завладели медики: они сконструировали
дешевый термометр, позволяющий сразу определить, повышена ли
у больного температура. Был создан медицинский прибор,
позволяющий точно определить распределение температуры в
человеческом теле. Следует еще упомянуть о защитных очках для
сварщика. В них он может «видеть» — и «не видеть». Если ему нужно
избежать слепящего света дуги, то он смотрит сквозь нижнюю,
непроницаемую половину очков. В процессе работы, когда
необходимо рассмотреть обрабатываемое изделие, рабочий пользуется
«зрячей» половиной своих защитных очков.
Итак, доктор, мастер игрушек, ювелир, оптик уже освоили
жидкий кристалл — новое состояние вещества.
Но в чем же состоит физический принцип действия устройств на
жидких кристаллах? Здесь мы вернемся к изобретателям,
построившим вепольную теорию, о которой мы писали в первой части
книги. Мы отдали должное остроумию векторных диаграмм, с
помощью которых они изображали физические эффекты. Это
помогало изобретателям представить себе физический принцип
действия того технического устройства, которое они проектировали. Но
не всегда состояние вещества можно определить только одним
физическим механизмом. Жидкие кристаллы оказываются тем
трудным случаем, когда одно и то же практическое действие
происходит в результате совершенно различных физических явлений.
Дело в том, что жидкие кристаллы необычайно разнообразны и
по своим физическим свойствам, и по структуре. Главным
применением жидких кристаллов является их оптическая активность,
приводящая к изменению окраски. Оптическая активность — это
поворот плоскости поляризации распространяющегося в них света.
Поляризованный свет отличается от естественного света тем, что
электромагнитные колебания света в поляризованном пучке
происходят в одной плоскости, а в естественном свете они колеблются
хаотично, в произвольных плоскостях. Обычно поляризованный
свет как бы «вырезается» из пучка естественных лучей после
прохождения сквозь кристалл, обладающий свойством поляризации.
Итак, жидкий кристалл имеет способность изменять плоскость
поляризации светового пучка на некоторый угол. Поэтому, пройдя
сквозь защитные очки, свет будет виден глазом, если он попадет в
него под определенным углом, соответствующим углу поворота
плоскости поляризации. Защитные очки имеют покрытие из
жидкого кристалла. Окраска жидкого кристалла может быть различной
в зависимости от угла зрения.
Но окраска жидких кристаллов, используемая в практических
устройствах, может изменяться по другой физической причине.
Свойства этих новых веществ изменяются в зависимости от
температуры. И в этом заключена, например, тайна «перстня
настроения». В зависимости от эмоционального состояния человека
изменяется температура кожи, а следовательно, и цвет пленки жидкого
кристалла, вправленной в кольцо.
86
Изменение окраски жидких кристаллов, применяемое в панелях
ЭВМ, индикаторах различного назначения, микроэлектронике,
может происходить в результате сложных физических явлений,
которые не всегда можно приписать одному физическому эффекту, как
это делают изобретатели — создатели вепольной теории.
С точки зрения практики, которой мы уделяем первое место в
этой книге, большинство применений жидких кристаллов связано с
управлением их свойствами путем приложения к ним
электрических воздействий. Это их объединяет.
В микроэлектронике жидкие кристаллы привлекательны тем,
что потребляют минимальную энергию. К тому же
жидкокристаллические пленки занимают миниатюрный объем. Такие двумерные
физические системы, которые как будто не занимают никакого
объема, обладают удивительными свойствами. Конструкторы
микроэлектронных устройств предполагают, что их можно будет
использовать в приборах подвешенными в воздухе, как мыльные
пленки. Они не будут опираться на подложку.
Физические процессы в двумерных системах жидких
кристаллов описываются терминами, к которым часто приставляется
частица «квази». Это означает, что кристалл — не настоящий, а
квазикристалл — как бы кристалл. И порядок расположения в нем
квазикристаллический. Чтобы разобраться в этих явлениях и войти
в хрупкий храм «квазифизики», надо сначала хорошо знать физику
твердого тела. Мы коснулись только верхушек науки о кристаллах,
но упомянули о ее конкретных практических применениях.
4.3. ФИЗИКИ СТАНОВЯТСЯ СТАНОЧНИКАМИ
Новые виды энергии в обработке материалов
Промышленность испытывает потребность в конструкционных
материалах с особыми свойствами: сверхтвердостью,
сверхпрочностью, износостойкостью, жаропрочностью. Но обрабатывать
механическими способами сверхтвердые материалы трудно. И
еще — все зависит от того, из какого вещества изготовлен сам
инструмент. А материаловеды не в состоянии преодолеть
некоторое пороговое значение твердости.
И вот появились новые машины. Их возможности в принципе не
ограничены твердостью обрабатываемой заготовки. Это
электрофизические станки, преобразующие различные новые виды
энергии:
— электрического разряда (электроэрозионные станки);
— светового луча (лазерные станки);
— химическую (электрохимические станки);
— ультразвуковую (ультразвуковая обработка);
— плазменного луча.
Из этого семейства новаторских машин на первое место вышел
сегодня электроэрозионный станок. Его успехи превзошли все ожи-
87
дания. Советский электроэрозионный станок оказался в
состоянии конкурировать с лучшими образцами мирового стандарта.
В борьбе за конкурентоспособность были найдены остроумные
решения многих физических и технических задач. С развитием
электрофизического станкостроения появились такие профессии,
которые можно считать синтезом: физика и конструктора;
технолога и оператора; рабочего и экспериментатора; радиотехника и
физика; химика и электрика.
Об этом электроэрозионном станке и его физических проблемах
мы будем говорить подробно.
А сейчас мы проходим мимо лаборатории лазерных станков.
Здесь еще свежи следы физического эксперимента. Станочники
получили от изобретателей лазера богатое, но неразгаданное
наследство.
Наследство лазера
С чего все началось? Началось с небольшого намека в одной из
статей А. Эйнштейна, опубликованной в 1917 г. Эйнштейн
заподозрил возможность управлять излучением атомов. Он указал на
то, что атом может излучать не только под влиянием неопознанных
еще внутренних причин, но и в результате воздействия внешнего
электромагнитного поля. Это был намек на возможность создания
усилителя и генератора света.
Важность этого замечания и его глубокий смысл долго
ускользали от большинства ученых.
Молодой ученый Валентин Александрович Фабрикант,
преподаватель МЭИ, летом 1939 г. обратил внимание на то, что
вынужденное излучение света ненаблюдаемо только потому, что в
обычных условиях это противоречит закону Больцмана. В
соответствии с законом атомы должны находиться в состоянии с
малой энергией, подобно тому как молекулы воздуха скапливаются
в нижних слоях атмосферы. Внизу воздух плотнее, с высотой он
становится все более разреженным.
Так и атомы. В состояниях с малой энергией их много, в
верхних энергетических состояниях меньше. А так как, по теории
Эйнштейна, внешнее электромагнитное поле с равной вероятностью
побуждает единичный атом поглотить фотон и повысить свою
энергию или испустить фотон и избавиться от избыточной энергии, то
результат определяется законом Больцмана: в обычных условиях
число атомов, способных к поглощению, преобладает. Значит,
полагал В. А. Фабрикант, нужно создать необычные условия, в
которых закон Больцмана уже не властен.
Для этого необходимо нарушить тепловое равновесие среды, и
нарушить так сильно, чтобы атомов с большой энергией стало
больше, чем атомов с малой. Тогда такая среда вместо поглощения
света будет усиливать его. Но как это сделать? Мы уже
упоминали в предыдущей главе о втором начале термодинамики и об
энтропии, определяющей стремление системы к равновесию. Нарушить
88
второе начало термодинамики мы не можем. Это означает создать
вечный двигатель второго рода, который вошел в науку под
названием «демон Максвелла». Мы еще вернемся к искушению этого
сверхъестественного существа, нарушающего первое и второе
начала термодинамики. А тогда, в далеком 1939 г., вопрос о создании
активной среды, излучающей свет, остался открытым. Идея В. А.
Фабриканта была зарегистрирована в форме патента гораздо
позже, после окончания войны, когда он вместе со своими
сотрудниками вернулся к изобретению способа усиления
электромагнитных волн при помощи вынужденного излучения.
Через несколько лет молодые аспиранты Н. Г. Басов и А. М.
Прохоров заинтересовались этой же проблемой с другой точки
зрения. Они подошли к ней не как «чистые физики», а как
радиотехники. Усиление и генерация света предстали в их творческом
воображении в виде некоторых конкретных аналогов
существующих усилителей и генераторов. Но уйти от физических проблем
они, конечно, не могли.
Молодые исследователи не собирались нарушать второе начало
термодинамики и закон сохранения энергии. Перераспределение
поглощающих и излучающих атомов в активной среде для
будущего усилителя и генератора света должно было произойти за счет
внешней энергии. Но какой? Надо было заставить атомы или
молекулы пройти через «фильтр», который отделил бы
излучающие — от поглотителей.
После долгих поисков было найдено несколько решений.
Первый сделанный ими генератор работал в диапазоне сантиметровых
волн, но зато он отличался от своих радиотехнических аналогов
тем, что волны излучали молекулы. Ученым удалось создать
активную излучающую среду в виде молекул аммиака, пропущенных
через электрическое поле конденсатора. Казалось бы — просто.
Но не все молекулярные пучки поддаются фильтрации с помощью
электрического поля. Для этого надо было найти молекулу с такой
электрической структурой, чтобы она представляла собой
диполь — асимметричную цепочку, в которой можно различить
ориентацию положительного и отрицательного зарядов. Такая
молекула ведет себя в электрическом поле как элементарный
магнитик в магнитном поле.
Электрическое поле конденсатора особой конструкции
действует на молекулы аммиака так, что те из них, которые находятся в
нижних энергетических состояниях, отбрасываются в стороны,
а находящиеся в высших энергетических состояниях
направляются в резонатор. Активная излучающая среда создана.
Генераторы, работающие в оптическом диапазоне волн,
создавали постепенно, используя различные методы получения
активной излучающей среды. Н. Г. Басов и А. М. Прохоров
использовали при этом разнообразные физические эффекты и вещества.
Существуют сегодня даже полупроводниковые лазеры.
Возможности лазера огромны. Сфокусированный до толщины
89
человеческого волоса луч легко пробивает тончайшие отверстия
не только в рубине, но и в алмазе, кристаллах баразона,
карбида бора и в других искусственных сверхтвердых материалах.
Лазеры применяются и при сверлении фильтров для протяжки
проволоки или формирования полимерных нитей. Лазер с
легкостью сваривает между собой две проволочки, заключенные в
запаянный стеклянный баллон, из которого выкачан воздух.
Мощность газовых лазеров, в которых основным рабочим
веществом является углекислый газ, может достигать десятка киловатт.
Этого достаточно для того, чтобы плавить в вакууме тугоплавкие
металлы, выплавлять сверхчистые металлы из руд, обрабатывать
керамику и выполнять множество других операций, требующих
предельных концентраций энергии.
Это перспективы. Но в наследстве, полученном станочниками
от лазера, есть противоречивые задачи. В беседе с Е. Д. Ваксом,
начальником лаборатории лазерной обработки, мы узнаем о
некоторых из них.
Физический принцип лазера
Рубиновый стержень
90
... Лазерная обработка основана на взаимодействии света и
вещества. При расчете этого взаимодействия возникли серьезные
математические трудности. Оказалось, что если при расчете
«пренебречь чем-нибудь», это может дать огромные отклонения и
погрешности при работе станка.
С другой стороны, возникает целый класс нерешенных
физических задач.
Процесс лазерной обработки состоит в тепловом воздействии
луча на вещество. Первый этап этого процесса — поглощение —
пока не включается в программу исследований. «Поглощение
не волнует»,— говорят станочники. Если материал не поддается
обработке лазером — ничего сделать нельзя. Например, оптически
очень чистые материалы (кварц) пока не стали рабочими
объектами.
Для работы станка важно, в каком режиме действует лазер: в
свободном или модулированном? Свободная генерация — это
когда импульсы состоят из пучков, подимпульсов, хаотично следую-
Схема лазерной обработки металла
Батарея нонденсаторов I—^|—I Зарядный агрегат
Пусновое
устройство
91
щих с течением времени и имеющих различную амплитуду. Это не
самый лучший вариант: амплитудой надо научиться управлять. Но
какой режим модуляции лучше всего подойдет для лазерного
станка? Экспериментально эта задача еще не решена.
Недавно исследователи сделали важное открытие. Они
получили экспериментальное подтверждение следующего физического
факта: пространственная структура излучения оказывает влияние
на геометрическую форму изделия. Структура светового луча и
геометрическая информация, поступающая в станок, оказались
связанными. Вспомним теперь о нашем рассуждении по поводу
связи информации и энергии, в доказательство того, что в «станке
Будущего» каналы для передачи энергии и информации должны
быть раздельными.
Самые необычные и непривычные физические представления
приобретают сегодня свое подтверждение в машинах нового типа.
Действительно, что может быть фундаментальнее, чем
взаимодействие света и вещества? Неудивительно, что практическое
применение этого процесса приводит к новым фундаментальным
выводам, но уже в рамках промышленной физики и ее технологии.
Лазерные станочники выяснили также, что структура
светового луча оказывает влияние на производительность обработки и
толщину съема металла. Здесь же фундаментальные свойства
света «работают» в режиме заводской обработки металла!
Но главная проблема выбора режима лазерного станка еще не
решена: свободный или модулированный режим генерации света?
Конструкторы не исключают возможность того, что свободная
генерация может оказаться предпочтительней.
Основная направленность физического процесса при падении
лазерного луча на металл — образование свободных электронов из
металла. Этот физический механизм хорошо объясняется в рамках
квантовой модели. При увеличении напряженности поля процесс,
естественно, интенсифицируется.
Неясным остается процесс поглощения световой энергии. И
хотя станочники убедили себя в том, что «поглощение не волнует»,
загадка его механизма притягивает исследователей. Не
происходит ли поглощение световой энергии в дефектах
кристаллической решетки вещества? Ведь после поглощения электромагнитной
волны она трансформируется в тепловую энергию; нагрев идет
быстро; остывание не успевает произойти; возникает испарение,
плавление. Эта задача рассмотрена подробно.
Читатель, вероятно, уже уловил причину того, почему
лазерный станок может обрабатывать любые, самые твердые
материалы: они обрабатываются в состоянии агрегатных переходов, т. е.
плавятся и испаряются. Следовательно, в отличие от резания,
здесь твердость вещества не имеет значения.
Но конструкторы лазерных станков сетуют на то, что модели
машин еще далеки от требований жизни. Оказывается, качество
обработки сильно зависит от того, сколько жидкой и испаренной
92
фазы существует в
фазовом равновесии. Для
эффективности
производственного процесса надо
увеличить испарение и
уменьшить жидкую фазу.
Другая нерешенная
трудность заключается в
том, что кроме испарения,
нагрева, жидкой фазы
возникают большие
термические напряжения
(трещины).
Проектировщики
световых станков
обращаются к физикам-теоретикам:
надо бы рассмотреть
реальный импульс света в его
амплитудно-временной
структуре,
непосредственно в окружении среды, где
происходит испарение и
плавление. Иначе говоря,
теоретикам предлагается
связать в единую модель
три процесса: модуляцию
Электромагнитной ВОЛНЫ И В одной из лабораторий проводится цифровая
ее взаимодействие С ИСПа- лазерная звукозапись
рением и плавлением ме-
талла. К этой задаче
теоретики пока не приступили, технология ставит перед физикой
задачи, выходящие за рамки ее канонов. Может быть, такими
проблемами должна заниматься индустриальная физика? Такую науку
закладывал в начале века французский физик П. Ланжевен.
Сегодня разработчики электрофизического станкостроения
создают принципы новой промышленной физики, и может быть,
через несколько лет появятся физики — профессионалы,
специализирующиеся на решении физических проблем в реальных
условиях работающего технологического объекта.
Но пока теоретики не могут выполнить заказ лазерных
станочников — объяснить взаимодействие модулированной
электромагнитной волны с плавящимся и испаряющимся металлом,
конструкторы решили пойти по пути эксперимента. Поставлены
опыты, позволившие подобрать оптимальный режим
производственного процесса, теоретическая модель которого должна быть
создана.
Один из ведущих лазерных станочников рассказал мне о
задачах, которые неожиданно возникают. Вот пример. Обработка ве-
93
дется фокусированным лучом, который на металле оставляет след
в виде точки. Но в процессе обработки эта «точка» расплывается.
При этом может возникнуть глубокое отверстие, которое «само
себя формирует», создавая световод, т. е. канал для прохождения
световой энергии. Такой «стихийно возникший» световод
оказывает влияние на лазерное излучение, в нем концентрируется энергия,
и это становится паразитным эффектом. Возникающее явление не
поддается управлению и нарушает режим.
Разработчики лазерного станка научились различать, что
лучше, что хуже для обработки. Но как реализовать оптимальный
режим? Создано оборудование первого поколения станков. Есть
много физических идей, но для воплощения их надо знать, как
работает машина. Надо, чтобы потребители машин ставили перед
конструкторами лазерных станков конкретные задачи.
Оказывается, нельзя идти по пути достижения всех
выгодных характеристик станка: нельзя одновременно повышать и
производительность, и глубину резания, и точность. При
увеличении глубины резания в два раза сложность машины настолько
увеличивается, что это может свести на нет усилия
проектировщиков.
Здесь мы совершим переход к более старому физическому
методу обработки металла — электроэрозионному станку, который
опередил все остальные разновидности металлообработки и вышел
в первые ряды конкурентоспособных машин на мировом рынке.
От классической физики к конкурентоспособности
электроэрозионного станка
Электроэрозионная обработка металла относится к тем
процессам, когда практический результат налицо, а физические и
технические задачи становятся новыми задачами теоретической физики.
Источником энергии электроэрозионной обработки является
электрический разряд. Один из электродов служит инструментом,
другой — заготовкой. Проходящий между ними импульс тока
вырывает лунку в металле, и расплавленное вещество вытекает из
лунки. Обегая заготовку, электрические импульсы, исходящие из
электрода-инструмента, придают заготовке заданную форму.
Электрод-инструмент как бы отражается в заготовке, оставляя в
ней заданную геометрическую информацию. Казалось бы, все
просто.
А между тем мы не можем точно ответить читателю на вопрос:
какая форма электрического разряда используется в
электроэрозионной обработке? Искра? Тлеющий разряд? Факел? Дуга? По
каким физическим законам развивается электрический процесс
между электродами при электроэрозионной обработке?
Чтобы понять увлекательность новых профессиональных
физических задач, возникающих у станочника, связанного с
электроэрозионной обработкой металлов, начнем с классической физики
разрядов в газах.
94
В естественном состоянии газы не проводят электричества.
Однако, подвергая газ внешним воздействиям, можно вызвать в
нем электропроводность. Ионизацию в газе может вызвать
высокая температура (пламя), соударение с электронами, облучение
рентгеновскими или ультрафиолетовыми лучами.
Существуют самостоятельные и несамостоятельные разряды в
газах. Самостоятельные разряды не зависят от источника
ионизации; несамостоятельные прекращают свое существование после
прекращения действия внешней ионизации. Мы рассматриваем
только самостоятельные разряды. Одна из форм самостоятельного
разряда, получившая широкое техническое применение,
называется тлеющим разрядом.
Тлеющий разряд
Этот вид газового разряда наблюдают при пониженном
давлении газа. Если к электродам, впаянным в стеклянную трубку
длиной 30—50 см, приложить постоянное напряжение в несколько сот
вольт и затем постепенно откачивать воздух из трубки, то
наблюдаются следующие явления. При атмосферном давлении
приложенное напряжение недостаточно для пробоя газа, и трубка
остается темной. При уменьшении давления газа в некоторый момент
в трубке возникает разряд, имеющий вид светящегося шнура,
соединяющего анод и катод трубки. При дальнейшем уменьшении
давления этот шнур расширяется и заполняет все сечение трубки, а
свечение вблизи катода ослабевает.
При давлениях газа порядка 0,1—0,01 мм рт. ст. разряд
приобретает следующую структуру. Непосредственно к катоду
прилегает тонкий светящийся слой (первое катодное свечение, или
катодная пленка), за которым следует темный слой, получивший
название катодного темного пространства. Это темное пространство
затем переходит в светящийся слой (тлеющее свечение), который
имеет резкую границу со стороны катода и постепенно исчезает со
стороны анода. За тлеющим свечением наблюдается опять темный
промежуток, называемый вторым, или фарадеевым, темным
пространством. Указанные части называются катодной областью
разряда. За вторым темным пространством лежит светящаяся
область, простирающаяся до анода, или положительный столб.
Особое значение в тлеющем разряде имеют только две его
части — катодное темное пространство и тлеющее свечение, в которых
и происходят основные процессы, поддерживающие разряд. Опыт
показывает, что если сила тока в разряде не очень велика, то
катодное падение потенциала не зависит от силы тока
(нормальное катодное падение потенциала). Существенным для понимания
процессов в тлеющем разряде является то обстоятельство, что
нормальное катодное падение потенциала зависит лишь от
материала катода и рода газа, причем катодное падение потенциала
оказывается пропорциональным работе выхода электронов из
катода.
95
Оставаясь в границах классической физики электрического
разряда в газах, запомним (для будущего применения в физике
электрофизического станка), что падение потенциала вблизи
электрода, т. е. энергия, сосредоточенная в этой области, зависит
от материала электрода, рода газа и работы выхода электронов из
него. Нам это понадобится, чтобы правильно выбрать электрод
для металлообработки с помощью электрического разряда. Но
подойдет ли нам тлеющий разряд? Не будем торопиться с
выводом.
Свойства тлеющего разряда приводят к следующей картине
процессов, поддерживающих разряд. Положительные ионы,
образующиеся в результате ионизации электронными ударами (в
тлеющем свечении и в положительном столбе), движутся к катоду и,
проходя через область катодного падения потенциала,
приобретают значительную энергию. Под действием интенсивной
бомбардировки быстрыми положительными ионами (а также вследствие
фотоэффекта, вызванного излучением разряда) с катода вылетают
электроны, которые движутся к аноду. Эти электроны в области
катодного падения потенциала сильно ускоряются и при
последующих соударениях с атомами газа ионизуют их. В результате
опять появляются положительные ионы, которые, снова
устремляясь на катод, производят новые электроны, и т. д. Таким
образом, основными процессами, поддерживающими разряд,
являются ионизация электронными ударами в объеме и вторичная
электронная эмиссия на катоде. Благодаря большой концентрации
электронов положительный столб обладает хорошей
электропроводностью, и поэтому падение напряжения на нем весьма
мало. Наиболее характерным признаком тлеющего разряда,
отличающим эту форму газового разряда от всех других форм,
является катодное падение потенциала. Упомянем наиболее
распространенные применения тлеющего разряда:
1. В качестве источника света в различных газоразрядных
трубках.
2. Сигнальные газоразрядные лампы, вспыхивающие при
неизменном напряжении. Для этого используется упомянутое уже
свойство катодного падения потенциала: оно зависит только от
материала катода.
3. В лабораторной практике используют тлеющий разряд для
катодного распыления металлов, так как вещество катода в
тлеющем разряде постепенно переходит в парообразное состояние и
оседает в виде металлической пыли на стенках трубки. Этим
способом пользуются для изготовления металлических зеркал.
Искровой разряд
Если постепенно увеличивать напряжение между двумя
электродами, находящимися в атмосферном воздухе и имеющими
такую форму, что электрическое поле между ними не слишком
96
ЖИДКИЙ МЕТАЛЛ В ЭЛЕКТРОМАГНИТНОМ ПОЛЕ
СХЕМА КОРОННОГО РАЗРЯДА
Ферромагнитный
порошок (Пфм)
Исходный материал (Мисх)
ГЛ
поверхности,полученные
с помощью магнитного поля
<п„>
Исходный материал
Исходный материал грунта
Ферромагнитный порошок
полученный с помощью
магнитного поля
Исходный материал грунта
сильно отличается от однородного (например, два плоских
электрода с закругленными краями или два достаточно больших
шара), то при некотором напряжении возникает электрическая
искра. Она имеет вид ярко светящегося тонкого канала,
соединяющего оба электрода.
Для объяснения искрового разряда вначале казалось
естественным предположить, что основными процессами в искре
являются, в соответствии с теорией Таунсенда1, ионизация
электронными ударами и ионизация положительными ионами. Однако
впоследствии выяснилось, что эти процессы не могут объяснить
многие особенности образования искры. Остановимся для примера
на скорости развития искрового разряда. Если бы в искре
существенную роль играла ионизация положительными ионами, то время
развития искры было бы по крайней мере того же порядка, что и
время перемещения положительных ионов от анода к катоду. Это
время легко оценить: оно оказывается порядка 10-4—10~5 с.
Между тем опыт дает время ее развития 10~7 с и меньше, т. е. на
несколько порядков быстрее.
Объяснение большой скорости развития искры, так же как и
других особенностей этой формы разряда, дано так называемой
стримерной теорией искры, в настоящее время надежно
обоснованной прямыми экспериментальными данными. Согласно этой
теории, возникновению ярко светящегося канала искры
предшествует появление слабо светящихся скоплений ионизованных
частиц (стримеров). Пронизывая газоразрядный промежуток,
стримеры образуют проводящие мостики, по которым в
последующие стадии разряда и устремляются мощные потоки
электронов. Причиной возникновения стримеров является не
только образование электронных лавин посредством ударной
ионизации, но еще и ионизация газа излучением, возникающим
в самом разряде (фотоионизация).
Существенным является то обстоятельство, что помимо
первоначальной электронной лавины, зародившейся
непосредственно у катода, происходит образование новых лавин в
точках, расположенных далеко впереди от головы первоначальной
лавины. Эти новые лавины возникают вследствие появления
электронов в объеме газа в результате фотоионизации
излучением, исходящим из лавин, возникших ранее. В процессе
своего развития отдельные лавины нагоняют друг друга и
сливаются, в результате чего возникает хорошо проводящий
канал стримера. Вследствие возникновения многих лавин
общий путь, проходимый стримером, немного больше расстояния,
проходимого одной первоначальной лавиной.
Наряду со стримерами, распространяющимися от катода
к аноду (отрицательные стримеры), существуют также стримеры,
движущиеся от анода к катоду (положительные стримеры).
1 См . Калашников С. Г Электричество — М., 1985
97
Искровой разряд сыграл важную роль в открытии
электроэрозионного способа обработки металлов.
В 1943 г. советские ученые Б. Р. Лазаренко и Н. И. Лаза-
ренко занимались способами защиты электрических контактов
машин и приборов от разрушения (эрозии) искровыми
разрядами в момент замыкания и размыкания контактов.
Они пришли к неожиданному выводу, что искровой разряд
можно использовать для обработки металлов. Однако искра
не стала единственной формой газового разряда, применяемой
для обработки металла. Физическая картина в
электроэрозионном станке значительно сложнее, поэтому мы рассмотрим
еще один вид электрического разряда — дугу.
Дуговой разряд
Если после зажигания искрового разряда постепенно
уменьшать сопротивление цепи, то сила тока в искре будет
увеличиваться. Когда сопротивление цепи станет достаточно малым,
Виды электрического разряда в газах
При атмосферном давлении
При пониженном давлении
^1 ■ |н
12 3 4 5
При давлении 13,33-1,ЗЗЗПа
возникает новая форма газового разряда, называемая дуговым
разрядом. При этом сила тока резко увеличивается, достигая
десятков и сотен ампер, а напряжение на разрядном промежутке
уменьшается до нескольких десятков вольт. Это показывает,
что в разряде возникают новые процессы, сообщающие газу
очень большую проводимость.
Наиболее горячим местом дуги оказывается углубление,
образующееся на положительном электроде и называемое
кратером дуги. Его температура при атмосферном давлении
равна около 4000 К, а при давлении 20 атм превышает 7000 К,
т.е. больше температуры внешней поверхности Солнца («6000 К).
Что же является основной причиной большой
электропроводности газа в дуговом разряде? Установлено, что
хорошая электропроводимость дуги поддерживается за счет
высокой температуры отрицательного электрода, с которого
происходит интенсивная термоэлектронная эмиссия. Это хорошо
подтверждается тем фактом, что во многих случаях устойчивую
дугу можно получить только при условии, когда катод имеет
высокую температуру, а температура анода не имеет
существенного значения. Так, например, если одним из электродов
дуги является угольный стержень, а другим — массивная, хорошо
охлаждающаяся медная пластина и если перемещать угольный
стержень возле пластины (чтобы она не могла разогреться),
то устойчивая дуга возникает только при отрицательном
угольном электроде. Если же отрицательным полюсом служит
пластина, то дуга периодически зажигается и снова гаснет,
а получить ее устойчивое горение нельзя.
Дуговой разряд возникает во всех случаях, когда вследствие
разогревания катода основной причиной ионизации газа
становится термоэлектронная эмиссия. Так, например, в тлеющем
разряде положительные ионы, бомбардирующие катод, не
только вызывают вторичную эмиссию электронов, но и нагревают
катод. Поэтому если увеличивать силу тока в тлеющем
разряде, то температура катода увеличивается, и когда она
достигает такого значения, что начинается заметная
термоэлектронная эмиссия, тлеющий разряд переходит в дуговой.
При этом исчезает и катодное падение потенциала. Дуговой
разряд мы получим и в том случае, если введем в разреженный
газ в качестве катода металлическую спираль, раскаляемую
током.
Наряду с термоэлектронными дугами наблюдаются и дуговые
разряды другого типа, например дуговой разряд в ртутной
дуговой лампе. Электрическая дуга возникает при пониженном
давлении ртутных паров. Электродами же являются столбики
жидкой ртути. Так как температура электродов в этом случае
не превышает немногих сотен градусов, то и термоэлектронная
эмиссия здесь не может играть заметной роли. Многочисленные
исследования электрических дуг с холодными электродами
99
показывают, что источником мощной электронной эмиссии с
катода является небольшое, ярко светящееся и непрерывно
движущееся пятнышко на катоде, всегда возникающее в подобных
дугах (катодное пятно). Причина образования катодного пятна
заключается в сильном увеличении концентрации положительных
ионов у катода, которое создает очень сильное местное
электрическое поле, вызывающее мощную автоэлектронную
эмиссию.
Возвращаясь к высокотемпературным дугам, надо добавить,
что в их физических механизмах играет существенную роль
не только термоэлектронная эмиссия с катода, а сама высокая
температура разряда, которая способствует распаду нейтральных
атомов на ионы. Создается плазма, столб разряда, где
концентрации положительных и отрицательных зарядов равны.
Это имеет значение при рассмотрении многих рабочих процессов,
используемых для обработки металла.
Мы рассмотрели искровой и дуговой разряды с точки зрения
традиционной физики. Но как только электрический разряд
становится инструментом в рабочем станке, «классическая»
физика превращается в промышленную физику и проблемы
часто остаются нерешенными, хотя станок работает неплохо.
В этом состоит эмпиризм прикладной физики, предъявляющей
теоретикам необъясненные результаты промышленного
эксперимента.
Мы сказали, что станок при этом работает неплохо. Как же
выходят из положения станочники, разрабатывающие
технологический режим машины?
Начем с истории.
Первые вопросы исследователей к физике процесса
электроэрозионной обработки заключены в архивных папках с датами
1955, 1959, 1963 гг. Как известно, первые шаги были сделаны
с помощью искрового разряда. Здесь можно было спокойно
использовать известные закономерности этого электрического
режима. Это направление станкостроения завершилось моделью
электродугового станка, существующего до сих пор и успешно
решающего свои задачи.
С самого начала изучения электроэрозионной обработки
возникло сомнение в том, что электрическая искра — наилучшее
решение для обработки металла электрическим разрядом.
Почему?
В архивных папках я обнаружила, что еще тогда начались
разработки первых генераторов импульсов. В 1954 г. это был
машинный генератор, но он создавал только электроискровые
режимы в станке. В 1960 г. появилось описание опытного
образца высокочастотного машинного генератора для чистовых
режимов электроимпульсной обработки. И тут же излагались
результаты физических процессов в разряде. Физики-станочники
констатировали, что если в электроискровом станке физические
100
процессы поддаются модельному описанию, то в режиме
электроимпульсной обработки явления представляются сложными
и запутанными. И тем не менее необходимо начать настойчивые
поиски импульсов тока «наилучшей» формы и частоты. Почему
работа над «хорошими импульсами» тока для электроэрозионного
станка, начавшаяся в те давние времена, продолжается и по
сегодняшний день? Прежде чем погрузиться в профессиональные
физические заботы станочников, рассмотрим, как работает
станок в известном электроискровом режиме.
Тут же необходимо указать, что, в отличие от электрической
искры в газе, электроэрозионная обработка металла проводится
в диэлектрической жидкости (масло, керосин или
дистиллированная вода). В процессе работы станка необходимо непрерывно
эвакуировать жидкую среду из межэлектродного зазора.
Засорение межэлектродного промежутка может привести к
аварии. Таким образом, необходимость удаления из газового
разряда жидкой рабочей среды ставит физиков перед совершенно
новыми задачами, связанными с гидродинамикой и химией.
В проектирование электрофизических станков включаются новые
специалисты — исследователи гидродинамических процессов и
химики. В ходе разработки новых станков иногда удается
прийти к научным открытиям.
Итак, искра проскакивает через пары жидкости, в которую
погружена обрабатываемая заготовка.
Возьмем два электрода и поместим их в диэлектрическую
жидкость, каждая молекула которой является диполем. Между
электродами должен быть определенный промежуток1. К
электродам подведем постоянный ток. При наличии потенциала на
электродах происходит ионизация среды, заполняющей
межэлектродный промежуток, и образуется канал сквозной
проводимости. Когда напряженность электрического поля будет
достаточной для пробоя межэлектродного промежутка, происходит
искровой разряд. Поток электронов при своем движении
испытывает радиальное сжимающее действие ионов, что приводит
к резкому уменьшению его поперечного сечения. Электрическая
система броском освобождает через узкий канал проводимости
всю запасенную ею энергию.
Разряд электрической энергии происходит мгновенно, за Ю-5
— Ю-8 с. Так как канал проводимости среды имеет очень малое
поперечное сечение, то плотность тока в нем достигает более
8000—10 000 А/мм . Разряд имеет характер местного взрыва.
В результате кратковременности протекания процесса разряда и
огромной плотности тока температура на поверхности анодного
электрода достигает 10 000—12 000°С. Благодаря
кратковременности процесса теплота не может распространяться по объему
1 Описание процесса электрической эрозии приведено из кн.: Л. Н. Б у х а р-
к и н. Энергия покоряет материалы.— М., 1983.
101
электрода, а поэтому происходит мгновенное оплавление и
испарение металла анода и на поверхности его образуется
лунка.
Следующий импульс электрического тока пробивает
межэлектродный промежуток там, где он имеет наименьшее
значение. При непрерывном подведении к электродам импульсного
тока процесс разрядов и эрозии анода продолжается до тех пор,
пока не будет удален весь материал, находящийся между
электродами на расстоянии, при котором возможен электрический
пробой при заданном напряжении. Обычно расстояние между
электродами невелико, всего 0,015—0,2 мм. Для продолжения
процесса необходимо сблизить электроды, и тогда эрозия
анода возобновится. В электроэрозионных станках используют
специальные следящие системы, которые постоянно
контролируют размер межэлектродного промежутка и автоматически
поддерживают его таким, чтобы процесс не прекращался.
Удаляемый металл застывает в диэлектрической жидкости в
виде сферических гранул диаметром от 0,03 до 0,005 мм.
Кроме теплового воздействия при электроэрозионной
обработке на материал электродов действуют электродинамические и
электростатические силы. Энергия ударной волны,
накапливается в диэлектрической жидкости в процессе разряда под
давлением жидкости вследствие явления кавитации (образование
газовых или воздушных пузырьков в жидкости; захлопывание
пузырьков вызывает гидравлические удары в жидкости,
способные разрушать твердые и хрупкие материалы, так как в момент
захлопывания пузырьков создается очень высокое давление).
При искровом электрическом разряде с поверхности анода
удаляется очень мало металла и процесс обработки длится
достаточно долго. Чтобы повысить эффективность обработки,
необходимо увеличить эффективность электрического
разряда, превратив его из искрового в дуговой. При дуговом
разряде в единицу времени будет выделяться большое количество
энергии и больше металла будет снято с заготовки. Однако
дуговой режим в «чистом виде» не применяется в
электроэрозионном станке. Импульсы тока, подаваемые в
межэлектродный промежуток, создают в нем сложный электрический режим,
физические закономерности которого до сих пор не известны.
Зато хорошо разработаны технологические и
физико-экспериментальные характеристики станка, которые позволили вывести
его в ряд лучших мировых образцов. Какими методами этого
удалось добиться, мы покажем в следующем разделе.
Как сделать конкурентоспособный станок?
Что такое конкуренция? Это борьба равных. Равных по
силе, красоте, выносливости. Равных по прочности,
производительности, устойчивости.
102
Для людей сильных, красивых, выносливых в спорте нет
понятия «качество». Зато для машин — тоже сильных, красивых
и выносливых — категория качества является главной. Для
обрабатывающих машин понятие «качество» относится к
изделиям, которые они выпускают.
Но для достижения качества изделий необходимо достигнуть
внутреннего совершенства самой машины. Совершенство —
неуловимое свойство, его трудно себе представить. Тем не
менее, совершенный станок сразу же привлекает внимание.
И хотя это восхищение красотой кратковременно, ибо машины
преходящи, как и мода, они непрерывно совершенствуются,—
среди сегодняшних станков всегда есть такие, о которых говорят,
что они выдержали конкуренцию.
Но вот произошло неслыханное: одна из ведущих фирм
мирового станкостроения — французская фирма «Ажи»
попросила советских станочников продать ей лицензию на блок
управления электроэрозионным станком. Какую роль играет это
устройство в работе станка?
Для этого надо вернуться к тому, на чем мы остановились
в предыдущем разделе: какие физические проблемы
электроэрозионного станка вытесняют «классические представления»
электрических разрядов в газах?
Система управления станком, проданная фирме «Ажи»,
должна была управлять всеми физическими процессами
электроэрозии.
Технологи, конструкторы и физики, разрабатывавшие новую
модель станка, построили три взаимосвязанные частные
физические модели, условно названные: модель производительности,
модель стойкости и модель управления.
Две первые модели описывают соответственно процессы на
электроде-заготовке и инструменте, последняя — управление и
оптимизацию этих процессов.
Нетрудно разгадать смысл этих названий:
1. Процессы на электроде-заготовке зависят от плотности
мощности на ее поверхности, от энергетического воздействия.
Чем больше подвод энергии, тем большая ее локализация и
больший слой снимаемого металла. А съем металла — это и
есть производительность станка.
2. На электроде-инструменте происходят взаимосвязанные
процессы: нагрев, расплавление, испарение и эвакуация металла
из лунки; термохимические процессы, способствующие отложению
защитной пленки. Здесь съем металла является не только
нежелательным, но опасным: чем больше изнашивается электрод-
инструмент во время работы, тем сильнее искажается его
форма, которая должна быть как можно точнее отражена
на заготовке. Ведь это и есть окончательная форма изделия.
Значит, стойкость электрода-инструмента — едва ли не самая
главная физическая проблема электроэрозионного станка.
103
_[\Г\[\[\.
Различная форма импульсов тока, управляющих съемом металла в
электроэрозионном станке
Физическая модель этих процессов получила название «модель
стойкости».
3. Физическая модель управления должна устранять
противоречия между моделями производительности и стойкости.
Именно эти компромиссные решения позволяют
сконструировать схемы управления рабочим режимом станка.
Посмотрим, как решали эти задачи профессионалы,
участвовавшие в проектировании станка.
Физическая модель производительности была построена
группой специалистов под руководством опытного физика.
Реализация этой модели осуществлялась технологами разных
профессий. В сотрудничестве с ними работал талантливый
радиотехник, который изобрел генератор импульсов,
обеспечивающий оптимальный электрический режим.
В цепочку исследовательских работ входили физики,
конструкторы, технологи, радиотехники. Соответствие
электрического режима генератора тока требуемым физическим
критериям производительности достигалось необычайно быстро
благодаря тому, что удалось найти оптимальную форму
импульсов тока: гребенчатые пики, формирующие требуемую
форму электрического разряда. Разработчик генератора
рассказывал мне, как это происходило.
Проблема износостойкости электрода-инструмента не могла
быть решена только путем подбора оптимальных материалов.
Надо было подбирать электрический режим работы, учитывающий
тонкости физического механизма протекающих процессов.
Только что стали осваивать транзисторные источники питания.
104
Молодому специалисту-радиотехнику предложили исследовать
новые формы импульсов тока, которые создали бы безызносные
режимы электрической эрозии. Разговор происходил в январе,
а в середине марта молодой исследователь разработал новый
принцип транзисторного источника питания, выдающий
импульсы гребенчатой формы. (До этого проводились работы на
прямоугольных импульсах.)
В таком же стремительном темпе макет генератора был
выполнен в виде реального устройства, которое впоследствии
стало сердцем системы.
Итак — новая форма тока. Она оказалась особенно полезной
при выполнении чистовых операций, когда требуется
минимальная шероховатость. Оказалось, что в новом электрическом
режиме удается сглаживать лунки, остающиеся от съема
металла. Сначала лунка подплавляется, а потом «затекает».
Теперь вернемся к физической модели производительности,
ставшей принципом работы генератора гребенчатых импульсов
и системы управления станком. В этой физической модели
отражен новый способ мышления: развитие эмпирических,
технологических закономерностей в направлении теоретического
обобщения методов повышения производительности станка.
Физическая модель производительности
электроэрозионной обработки
Исходный элементарный процесс взаимодействия канала
разряда с электродами зависит от энергии, извлекаемой из
лунки металла. Количество этой энергии определяется формой
и параметрами импульса и теплофизическими характеристиками
электродов и среды. Этот процесс весьма сложен. Он состоит
из двух частично совмещенных во времени и взаимосвязанных
фаз — расплавления металла и его эвакуации из лунки путем
испарения и выброса в виде капель. До настоящего времени
нет точных аналитических методов расчета этого процесса.
Очевидно, весь металл, поступающий из лунок в рабочую
зону в единицу времени, должен быть из нее удален, в
противном случае она заполнится стружкой и процесс обработки
прекратится. Следовательно, в процессе обработки должны
действовать некоторые силы эвакуации, обеспечивающие
необходимую для устойчивой работы скорость эвакуации. Управление
эвакуацией снимаемых частиц металла происходит с помощью
специальных сигнальных импульсов тока, подаваемых от
генератора. В отличие от рабочих импульсов тока, которые снимают
стружку металла в электроэрозионном станке, эти сигнальные
импульсы называются фиктивными. Они подают сигнал в
систему управления станком о том, что необходимо очистить
от снятого металла межэлектродный зазор.
Очень интересным явлением в станке оказался физический
процесс самостабилизации электроэрозии. Что это означает?
105
Выяснилось, что не только с помощью фиктивных импульсов,
поступающих от системы управления станком, происходит
стабилизация процесса электроэрозии, т. е. съема металла в
электрическом разряде. Но еще по неизвестным нам причинам
сам электрический разряд в парах диэлектрика обладает
свойством самостабилизации. При этом устанавливается неко-
рое устойчивое соотношение между процессами съема металла
(электроэрозии) и его эвакуации из межэлектродного зазора.
Самостабилизация проявляет себя при работе станка, если
скорость эвакуации отходов снятого металла спадает из-за
повышения сопротивления на трассе эвакуации (например,
из-за увеличения площади и глубины обработки, сужения
межэлектродного зазора). При этом в застойных областях рабочей
зоны накапливаются неэвакуированные частицы, местный
межэлектродный зазор уменьшается, вследствие чего в этой зоне
будет возбуждаться наибольшее число разрядов. Произойдет
«перемалывание», повторное диспергирование частиц на более
легкие, эвакуация которых осуществляется с большей скоростью.
Одновременно сократится производство новых частиц, так как
часть энергии расходуется на повторное плавление и испарение.
Равновесие между количеством производимых и эвакуируемых
частиц установится, но результирующая производительность
снизится.
Обратная связь через фиктивные импульсы в газовой среде
регулирует скорость производства и эвакуации частиц, изменяя
в рабочей зоне соотношение между жидкой и парогазовой
фазами.
Например, при уменьшении площади обработки при
неизменной силе тока, т. е. при данном температурном режиме в
рабочей зоне, увеличивается объем, занятый парогазовой
фазой, а следовательно, и вероятность возбуждения разряда.
Однако такие разряды (называемые фиктивными) практически
не производят новых частиц, т. е. производительность падает
и станок приходит в устойчивое состояние с пониженной
производительностью.
В этот момент включается внешняя обратная связь через
газовую среду: межэлектродный зазор уменьшается, газопаровые
пузырьки сплющиваются и занимают большую площадь,
поэтому понижается скорость производства частиц.
Таким образом, обратная связь через диспергированные
частицы проявляется при увеличении площади и глубины
обработки, а обратная связь через импульсы в газовой среде —
при их уменьшении. Эвакуация продуктов эрозии определяется
движением рабочей жидкости. Она может быть вызвана
разрядом (естественная эвакуация) или совместным действием разряда
и внешнего специального источника — насоса (искусственная
эвакуация).
Между естественной и искусственной эвакуацией существует
106
принципиальное различие, обусловленное механизмом
формирования канала разряда. Если в первом случае с увеличением
скорости потока, вызванным, например, ростом энергии импульса,
повысится скорость эвакуации, то во втором случае чрезмерное
увеличение скорости потока может вызвать затруднение
формирования канала разряда, что приведет к необходимости
уменьшения зазора и ухудшению условий эвакуации. Скорость
прокачки ограничивается допустимым износом инструмента.
Физическая модель эрозионной стойкости
электрода-инструмента разрабатывалась советскими специалистами в
сотрудничестве с французскими станочниками фирмы Сетум-Сермо
(технический центр машиностроения Франции).
Достигнутая в современных станках высокая эрозионная
стойкость медных и графитовых электродов-инструментов и
экспериментальные данные о росте износа при увеличении
частоты и скважности импульса могут быть объяснены только
с учетом закономерностей массового воздействия разрядов.
Действительно, превышение съема с заготовки по сравнению
со съемом с инструмента в сотни раз не может быть объяснено
только различием их теплофизических характеристик: асимметрия
по этой причине на один-два порядка меньше, чем наблюдаемая
экспериментально.
В основе физической модели стойкости лежит гипотеза о
самовосстановлении медных и графитовых электродов за счет
выпадения на их поверхности защитной пленки в основном
из графита, получаемого из продуктов пиролиза рабочей
жидкости.
Особенно эффективно достижение малого износа медного
электрода. Медь, обладающая высокой теплопроводностью и
низкой температурой плавления, в сочетании с тонкой
графитовой пленкой, имеющей высокую температуру плавления,
представляет собой весьма эрозионностойкую двухслойную
систему.
Не рассматривая возможные механизмы образования пленки
(конденсация паров или пиролиз рабочей жидкости на
поверхности и т.п.), исследователи сосредоточили свое внимание на
связи между электрическим режимом станка, задаваемым
генератором импульсов, и благоприятными условиями
образования защитной пленки на электроде-инструменте.
Конечно, физический механизм образования пленки может
оказаться бесценным вкладом в теплофизику. Но стремление
к совершенствованию станка перестраивает физическое мышление
разработчиков. Они выбирают проблемы, позволяющие как можно
быстрее приблизиться к практической цели.
Оказалось, что при массовом воздействии электрических
разрядов можно создать условия, при которых разряды будут
концентрироваться в непосредственной близости друг к другу,
поддерживая температуру пленкообразования (первое условие)
107
и концентрацию продуктов пиролиза (второе условие) в течение
требуемого времени (третье условие).
Следовательно, для того чтобы управлять износом,
необходимо влиять на пространственное распределение разрядов.
Решающую роль при этом играет скважность импульсов: чем
меньше скважность, тем большая вероятность попадания
очередного разряда вблизи предыдущего. В предельном случае, т. е.
при непрерывном подведении энергии, зажжется стационарная
дуга между двумя участками электродов, что эквивалентно
слиянию всех разрядов «гнезда» в один. Однако при этом
действуют факторы, оказывающие и противоположное влияние.
Наблюдаемая зависимость износа основного материала
электрода от скважности объясняется увеличением плотности
разрядов на поверхности «гнезда»: при уменьшении скважности
износ будет уменьшаться, поскольку усиливается действие первого
и второго условий.
Напомним, что износ электрода-инструмента — это главная
опасность для точности воспроизведения формы изделия. Ведь
форма электрода-инструмента как бы отражается на
обрабатываемой заготовке. Поэтому борьба с износом
электрода-инструмента — это борьба за совершенство станка.
Выяснилось, что одним из существенных факторов,
влияющих на снижение износа, является уменьшение отношения
амплитуды импульса тока к его длительности. О зависимости
от скважности импульсов мы уже говорили.
Теперь становится ясной роль генератора гребенчатых
импульсов. Дело в том, что этот генератор раздельно
вырабатывает тепловые (рабочие) и защитные импульсы, регулирующие
износ и образование пленки. Защитные импульсы влияют на
пространственное распределение разрядов. Экспериментально
показано, что если после окончания разряда (рабочего
импульса) через эрозионный промежуток проходит импульс
тока, составляющий доли от тока рабочего импульса, то канал
разряда, как бы удерживаемый защитным импульсом, смещается,
оставаясь в зоне «гнезда». Следовательно, защитный импульс,
не производя существенной работы по съему металла, позволяет
удержать в «гнезде» и поддержать в нем необходимый
тепловой режим для образования защитной пленки.
Далее мы должны были бы разобрать физическую модель
управления станком. Это как бы физическая программа
для специалистов по автоматизации. Она дает расчет и
распределение информации о физических процессах. Информационная
управляющая система была спроектирована и выполнена
инженерами. В структуре этой системы неразрывно связаны две
лидирующие величины: информация и энергия. Исходя из
этого получены точные расчетные отношения между
электрическими и геометрическими характеристиками. Трудно сказать,
где здесь кончается физика и начинается инженерное искусство.
108
Профессиональная деятельность протекает на стыке, но тем не
менее в отделе электрофизических разработок самоопределились
профессии, участвующие в совершенствовании станка. Среди
них — опытный экспериментатор, который специализируется на
испытании различных пар материалов для электрода-инструмента
и заготовки. Он утверждает, что теоретически невозможно
определить физическую совместимость различных материалов
в среде электрического разряда. Нужен производственный
эксперимент. Исследователь-производственник провел сотни опытов,
проверив физическую совместимость самых разнообразных
веществ. Четкую позицию занял инженер — специалист по
гидродинамике. Он обнаружил, что в потоках рабочей жидкости
не всегда выгодны спокойные, ламинарные режимы. В некоторых
случаях интересно проверить структуру турбулентных, вихревых
источников, которые в электромеханических станках дают
хорошие результаты.
Среди молодежи есть технологи, увлекающиеся «побочными»
экспериментами. Один из технологов рассказал мне, как ему
случайно удалось определить интервал рабочего напряжения
на станке (от 4 до 5 В), в пределах которого удается
обрабатывать твердый сплав, не поддающийся обработке ни в одном
из режимов. Но почему именно этот узкий интервал
напряжений? На это испытатель электрофизического станка пока не
дает определенного ответа. Он продолжает работу.
Другая группа исследователей занимается разработкой
электрохимических станков, основанных на процессах,
происходящих в электролитах. Электролиз происходит при наличии
источника питания, электролита и двух металлических
электродов, находящихся в электролитической ванне. При обработке
заготовка должна быть анодом. Этот процесс известен из
школьного курса физики.
Электрохимический станок — полноправный член новой
плеяды машин, использующих новые формы энергии в
металлообработке.
Разрабатывается и другой вид электроэрозионной обработки,
где вместо массивного электрода-инструмента используется
проволочный электрод. Это вырезной электроэрозионный станок.
Проволочный латунный электрод доставляет много хлопот
станочникам. Проволока должна быть достаточно прочной
на разрыв, устройство для намотки должно предотвращать
запутывание проволоки. В случае обрыва она должна легко
восстанавливаться. Латунь стали покрывать сверху более
легкоплавким металлом — цинком.
И здесь мне удалось узнать о небольшом открытии, сделанном
молодым инженером. Он рассказал, что графит губителен для
новых методов обработки в вырезных станках, потому что
уменьшает коэффициент смачиваемости жидкости с электродом.
Между тем латунная проволока, поступавшая к станочникам,
109
изготавливалась в
результате волочения с
использованием графитовой
смазки. Эта помеха как будто
была на виду, но ее
игнорировали и искали
источник неполадок
вырезного станка в других
причинах. Оказалось, что
если промыть
проволочный электрод спиртом, то
станок работает
безотказно.
И вот случайно мне
удалось узнать о новом
достижении физики,
которое, возможно, позволит
пересмотреть всю
технологию изготовления
проволоки для вырезных
станков. Расскажу вкратце
об этом открытии.
Давно было замечено,
что на практике
прочность металла почему-то
ниже, чем это
предсказывается теорией.
Ответ оказался
простым — дефекты в куске
металла не остаются неподвижными. Они блуждают,
перемещаются, объединяются. И при этом образуются микротрещины и
другие нарушения структуры металла. Трещины под действием
нагрузки разрастаются, становясь очагами разрушения. И вот эти
ничтожные дефекты делают современные материалы в десятки
тысяч раз слабее, чем они должны быть.
Но однажды академик А. Ф. Иоффе, погрузив в воду
пластинку каменной соли, обнаружил, что эту хрупкую
пластинку можно свободно изгибать. Хрупкий кристалл
неожиданно приобретал пластические свойства.
Американский ученый Бриджмен поместил в жидкость,
находившуюся под давлением 25—30 тыс. атм, серый чугун,
и этот известный своей хрупкостью материал также стал
пластичным. Оказалось, что жидкость залечивает не только
внутренние поражения металла, но и поверхностные раны и
трещины. Это существенно упрочняет металл.
Используя этот физический эффект, было решено
изготавливать из металлов различные сверхпрочные детали и проволоку.
До сих пор технология протяжки проволоки проводилась
таким образом. Разматывается огромная катушка, на которую
ПО
На конвейере проволочная катанка, прод\к-
ция сталепроволочного цеха
[
я
ш
{]
р^37 )
С©
© ©
^>^
рт
II : ^
Общий вид электроэрозионного станка
111
Электрогидравлический привод
подачи электрода-инструмента
Шток гидроцилиндра (шпиндель
перемещается по трем координатам)
Головка
ориентации
Электро-
держатель
Электрод-инструмент
Генератор
импульсов
ш
Деталь
I
^
Ванна
Стол
Насосная
установка
Каретки стола
Механизм
продольного
и
поперечного
перемещения
стола
Ручное
перемещение
поперечной
каретки
стола
Горизонтальный]
электромеханический привод
продольной
каретки
стола
Структурная схема электроэрозионного станка
112
намотана проволока. Разматываясь с одной катушки, проволока
проходит через отверстие фильера — металлического шаблона.
С одной стороны фильер имеет большее отверстие, с другой —
меньшее. Проходя через сужающийся канал фильера, проволока
сжимается и после каждого фильера делается все тоньше.
Так, пропуская проволоку через несколько фильеров, ее доводят
до нужного диаметра. Этот процесс называется волочением.
После технологии волочения проволока становится настолько
плотной и твердой, что легко ломается; настолько хрупкой,
что ее практически невозможно использовать. Для того чтобы
проволока стала мягче, пластичнее, ее нагревают. Но при этом
она теряет прочность, приобретенную при волочении.
В одном из институтов, занимающихся проблемами
сверхвысоких давлений, создана установка для получения прочной и в то
же время пластичной проволоки. В этой установке проволока
выдавливается через небольшое отверстие в жидкость, сжатую до
8 тыс. атм. Проволока, полученная таким образом, уже не
нуждается в отжиге — она вдвое прочнее проволоки, полученной
волочением.
Проблемы, касающиеся вырезного и копировально-прошивоч-
ного станков, совпадают редко, хотя физический принцип
действия у них общий. Очень различны их конструктивные
особенности: и электроды-инструменты, и конструкция
инструментальной головки — словом, почти все.
А теперь заглянем в конструкторское бюро. Без
конструкторов нельзя было бы устранить нестабильность режима
электроэрозионной обработки. Даже в классической физике
электрические разряды описываются нелинейной вольт-амперной
характеристикой, имеющей области неустойчивого режима.
Любая нелинейная характеристика процесса может привести
к возможности выпадения из устойчивого состояния. Но когда
электрический разряд оказывается в системе сложных побочных
процессов, которые были приведены в физических моделях
производительности и эрозионной стойкости инструмента, то
проблема его устойчивости может быть решена с помощью
различных ухищрений. Одной из таких «хитростей» является
инструментальная головка, совершающая спиральные
перемещения в трехкоординатной системе. Эти перемещения надо было
рассчитать и подобрать точно в соответствии с
экспериментальными режимами станка. Теоретический смысл повышения
стабильности электроэрозионного режима станка в результате
придания электроду-инструменту таких перемещений еще не
выяснен до конца, но исследование этого явления проводят.
Так или иначе, конструкторам удалось создать стабильный
режим электроэрозионной обработки копировально-прошивочного
станка.
В лаборатории лежит таблица с набором параметров
конкурентоспособности электроэрозионного станка. Их очень
ИЗ
много. Это — цели, которые поставили перед собой физики,
инженеры, технологи, конструкторы, рабочие, экспериментаторы,
наладчики, радиотехники, электрики. И каждый взял на себя
задачу, прямо или косвенно связанную с физическими процессами
в этой интереснейшей машине...
4.4. ФИЗИКА ТОКАРНОГО СТАНКА СЕГОДНЯ И ЗАВТРА
Нам не хотелось бы сразу вводить в рассказ удивительные
наблюдения электрических процессов, происходящих между
резцом и заготовкой. Возникновение термоэдс при резании,
оказывается, открывает совершенно иные возможности
металлообработки. Еще рано говорить о станке будущего, но уже
можно говорить о фундаментальном открытии в теории резания.
Принято считать, что перевороты в физическом мышлении
созревают подспудно, неощутимо для практической деятельности.
Но здесь физическое открытие совершается на самом что
ни на есть утилитарном объекте — на токарном станке.
Неужели оно сможет быть долго сокрыто от производственников?
Не будем забегать вперед и попытаемся последовательно
перейти от традиционного токарного станка к новым физическим
идеям. Сегодняшний молодой токарь решает свои небольшие
физические задачи, и они имеют для него не меньшее значение,
чем будущие проблемы оператора, управляющего станком
завтрашнего дня.
Общий вид токарно-винторезного станка: 1—тумба; 2—коробка передач,
3—передняя бабка с коробкой скоростей; 4—шпиндель, 5—резцовая головка,
6—суппорт; 7—шкаф с электрооборудованием; 8—задняя бабка; 9—станина;
10—ходовой винт, 11—ходовой вал, 12—фартук
Развитие физического мышления рабочего начинается с
начальных представлений, вытекающих из школьного курса
физики. Например, при рассмотрении вопроса о чистовом
оттачивании стальных заготовок необходимо понимать, почему
для этого используются резцы с мелкозернистой структурой,
обозначаемые в конце маркировки буквами М (мелкозернистые)
или ОМ (особо мелкозернистые). Высокая чистота
обрабатываемой поверхности достигается благодаря наличию у таких
резцов по сравнению с обычными более высокой прочности
и твердости. Прочность и износостойкость придает резцам
мелкозернистая структура твердосплавных пластинок. Из курса
физики известно, что подавляющее большинство твердых тел
имеет кристаллическое строение и их свойства зависят не
только от расположения атомов в кристалле, но и от размеров
и взаимного расположения сил взаимодействия, сцепляющих их в
единое целое. Чем меньше зернистость металлов, тем сильнее
будут действовать межмолекулярные силы, а следовательно,
тем больше будет прочность металла.
Надо научиться находить физическое объяснение даже
простым производственным фактам. Например, при эксплуатации
токарного станка обычные ремни клиноременных передач
покрывают графитовым или бронзовым порошком, а шкивы
заземляют. Какие физические явления и законы лежат в основе
приципа действия клиноременной передачи? Передача
вращательного момента коробке скоростей посредством клиноременных
передач осуществляется за счет сил трения, которые, в свою
очередь, служат и причиной возникновения статического
электричества между шкивами электродвигателя и
прорезиненным ремнем. Для выяснения причин возникновения
электризации достаточно вспомнить, в каком случае тело считается
электрически заряженным, как можно наэлектризовать тело и
снять с него электрический заряд. В токарном станке для
снятия электризации обычно заземляют шкив, а ремни посыпают
графитовым или бронзовым порошком. Электропроводность
графита объясняется присутствием в нем свободных электронов,
причина возникновения которых кроется в самой природе
образования кристаллов из атомов углерода. Атомы,
объединяясь в кристалл, образуют некоторое «облако» так
называемых общих электронов, принадлежащих не отдельным атомам,
а всему кристаллу. Эти электроны блуждают по всему
объему.
Таким образом, от простого производственного явления
тянутся логические цепочки к развитию системы физического
мышления.
Иногда физическое объяснение требуется срочно, потому что
необходимо найти причину неполадки в работе.
Всем известна характерная ошибка при заточке токарных
резцов, оснащенных твердосплавными пластинами. Это периоди-
115
ческое охлаждение головки и тела резца в воде. Неправильное
охлаждение резцов заключается в появлении мелких трещин
на поверхности твердосплавных пластин, что приводит к
преждевременному износу режущих кромок резца. Как продлить
срок службы резца? Почему образуются трещины на его
поверхности? Опора на физические знания позволяет заключить,
что при периодическом охлаждении тела и головки резца в
воде создается разность температур на наружной и внутренней
поверхностях твердосплавной пластины. Происходит
неравномерное охлаждение, в результате возникают внутренние напряжения,
которые и приводят к появлению трещин на поверхности
резца. Следовательно, во избежание преждевременного износа
резца охлаждение его следует осуществлять с постоянным
подводом охлаждающей жидкости или к режущей части,
или только к телу резца.
Процесс охлаждения играет существенную роль и в операции
сверления и рассверливания цилиндрических глухих отверстий.
Здесь речь идет о различных свойствах охлаждающих эмульсий,
в частности об их поверхностном натяжении и смачивании.
Дело в том, что при сверлении процесс резания происходит
в более тяжелых (сложных) условиях, чем при обтачивании.
Вследствие этого выделяется большее количество теплоты,
отвод которого осуществляется в основном за счет применения
смазывающе-охлаждающих жидкостей (СОЖ).
При обработке чугунных заготовок из-за слабой
смачиваемости их СОЖ сверление происходит всухую или с применением
керосина, обладающего хорошими смачивающими свойствами.
Керосин имеет малый коэффициент поверхностного натяжения
а = 24 мН/м, а вода а = 72 мН/м. При попадании на поверхность
чугунной заготовки керосин, в отличие от СОЖ, растекается
по всей поверхности, так как силы притяжения между
молекулами керосина и чугуна больше сил притяжения между
молекулами самого керосина.
А теперь рассмотрим, какие физические соображения
руководят при выборе резца для чернового обтачивания в зависимости
от содержания в маркировке кобальта (резцы из группы
вольфрамовых: ВКЗ, ВК2, ВК6). Нам предстоит снова вернуться
к кристаллическому строению твердых тел, их зернистой
структуре.
Физическая сущность присутствия в сплаве кобальта состоит
в следующем. Вязкий кобальт, вводимый во время спекания
порошка твердосплавного материала, расплавляется и
растекается между зернами карбидов, способствуя понижению хрупкости
сплава и образованию прочного соединения. Поэтому резцы
с большим содержанием кобальта более прочны в эксплуатации
и используются в основном для чернового обтачивания заготовок.
Оно характеризуется тем, что снимается наибольший припуск
металла за один проход. Поверхность металла подчас имеет
116
выбоины и раковины после литья, корку после термообработки,
что вызывает в процессе резания изменение направления
нагрузки на резец, отчего последний очень быстро выходит
из строя. Поэтому целесообразно применять резцы, обладающие
большой вязкостью и прочностью, на что в маркировке
указывают порядковый номер и цифры после буквы «К».
Интересен физический механизм сверления и
рассверливания стальных заготовок с применением СОЖ. В чем причина
медленного испарения СОЖ с поверхности сильно нагретого
сверла?
Капельки смазывающе-охлаждающей жидкости при попадании
на сверло вместо того, чтобы превратиться в пар, остаются
в течение некоторого времени на его поверхности. Происходит
это потому, что часть охлаждающей жидкости при попадании на
сверло вследствие высокой температуры его поверхности уже успевает
перед соприкосновением испариться и образовать своего рода
паровую подушку, препятствующую соприкосновению жидкости
и сверла. Образующаяся паровая подушка вследствие низкой
теплопроводности (газы и пары, как известно, плохо проводят
тепло) препятствует движению тепла от поверхности
сверла к жидкости, отчего последняя не сразу закипает и
испаряется.
Изготовление сложных видов продукции побуждает рабочего
к рационализаторской деятельности. Физическое мышление при-
Токарь — расточник В. А. Матушкин ведет обработку траверзы к прессу
усилием 10 тыс т на одном из участков нового цеха
ходит на помощь в осмыслении сложных производственных
операций.
Надежным примером использования передовой
технологической оснастки служит специальное оптическое устройство,
позволяющее токарю во время рабочего процесса следить как
за чистотой обработки, так и за отклонением от номинальных
размеров.
Очень важно уметь понимать физическую сущность причин
брака.
При обтачивании наружных цилиндрических и торцовых
поверхностей с установкой предварительно зацентрованных
заготовок в центрах часто причиной брака (различная
шероховатость обработанной поверхности, степень точности
полученных размеров) являются дефекты центрования деталей. К ним
относятся: центровое отверстие, засверленное под углом к оси
заготовки; смещение центрового отверстия относительно оси
заготовки; некруглость их выполнения.
При анализе причин различной шероховатости
обрабатываемой поверхности детали необходимо выяснить следующие
вопросы: 1. На одинаковом ли расстоянии будут находиться
различные точки наружной цилиндрической поверхности от
центра вращения заготовки? 2. Что называется линейной
скоростью? 3. Будет ли изменяться линейная скорость этих точек
при вращении заготовки? 4. Окажет ли влияние изменение
линейной скорости различных точек наружной поверхности на
силы резания?
Отсюда вытекает главный вывод: физическая основа брака
по шероховатости связана с некачественным центрованием
заготовок. Из-за неодинакового расстояния различных точек
наружной цилиндрической поверхности до центра вращения
наблюдается различная их линейная скорость и различное
действие на них сил резания, отчего обрабатываемая
поверхность обретает неодинаковую шероховатость.
В случае обтачивания цилиндрических заготовок при
некруглых центрах или центровых отверстиях обрабатываемые
детали имеют недостаточную опору, вследствие чего под
действием усилий резания они копируют неточность центровых
опор, и в результате возникает неточность формы обработки.
Иногда следует осмыслить, казалось бы, простые принципы
работы токарного станка, переводя их на язык физики.
1. Каким видам деформации подвергается заготовка,
закрепленная в кулачках токарного патрона?
2. За счет каких сил удерживается резец в резцедержателе?
3. Какие деформации испытывает сверло при выводе из
отверстия вращающейся заготовки?
4. Какие силы препятствуют проникновению сверла в
обрабатываемый материал?
118
5. Каким пластическим деформациям подвергаются зерна
металла при осуществлении процесса резания?
Как известно, алмаз является ценным инструментом в
технологии резания. Его свойства играют большую роль в
выборе правильного режима эксплуатации. Важно знать,
например, отчего при температуре более 800°С алмаз, как
говорят, «сгорает».
Алмазы обладают высокой твердостью, теплостойкостью и
низким коэффициентом трения, благодаря чему возникающие
силы резания достаточно малы. Кроме того, алмаз
обеспечивает минимальную плоскостную деформацию стружки и
поверхностного слоя металла. Быстрый износ резцов объясняется
тем, что при температуре свыше 800°С углерод алмаза
диффундирует в металл и вступает с ним в химическую реакцию. При
этом атомы углерода алмаза «мигрируют» в кристаллическую
решетку атомов металла в момент их отклонения от положения
равновесия при тепловых колебаниях, а с повышением
температуры этот процесс происходит еще сильнее. К тому
же диффузия между различными материалами осуществляется
быстрее.
Не все представляют себе, какую важную роль играет
первый закон Ньютона — закон инерции в работе токарного
станка.
Пуск станка в момент работы его вхолостую, установление
режима вращения закрепленной заготовки, подвод резца и
осуществление процесса резания, отвод резца от вращающейся
обрабатываемой заготовки, остановка, выключение
электродвигателя основываются, прежде всего, на учете явления
сохранения скорости движения тела при компенсации внешних
воздействий на него. Иначе говоря, во всех этих операциях
учитывается проявление полезной и вредной роли инерции.
Для того чтобы закрепленная в трехкулачковом
самоцентрирующем патроне заготовка получила вращательное движение,
необходимо к ней приложить силу, способную преодолеть
инерцию покоя (вредное проявление инерции), затем, дав станку
возможность набрать достаточную скорость вращения (учет
полезного проявления инерции), производят его нагружение—
подвод резца и осуществление процесса резания. В случае
же неучета законов инерции (частичное преодоление инерции
покоя) для осуществления процесса резания потребовалась бы
еще дополнительная сила для разгона подвижных частей станка,
что приводит к перегрузкам электродвигателя (станок «не
тянет»), преждевременному выходу его из строя.
Учет полезного и вредного проявлений инерции
осуществляется и при изготовлении на токарных станках шпинделей
современных внутришлифовальных станков, вращающихся с
частотой 100 000 и 200 000 об/мин. Так, если учесть, что силы
инерции прямо пропорциональны квадрату скорости, а для
119
вращающегося тела — квадрату частоты вращения, то станет
ясно, что малейшая неуравновешенность масс или погрешность
формы вызывает резкое возрастание сил инерции, что может
в конечном счете привести к аварии, поэтому диаметральные
размеры подобных шпинделей обтачивают с точностью до
долей микрометра — погрешность размера не превышает 0,2—
0,3 мкм.
Физическое мышление станочника охватывает разнообразные
сочетания одних и тех же явлений. Важно правильно
распознавать их в производственных условиях.
Одним из средств борьбы с вредным проявлением сил трения
в месте контакта обрабатываемой заготовки и упорного заднего
центра является наличие между трущимися поверхностями
смазывающего вещества типа машинного масла. Физический
механизм действия смазки не так прост, как кажется. Эффект
связан с природой возникновения сил трения при относительном
скольжении двух соприкасающихся поверхностей. В месте
контакта несущей поверхности конического центрового отверстия
вращающейся заготовки и конической опоры упорного заднего
центра за счет разрушения между ними имеющихся
микронеровностей (шероховатостей) возникает сила трения
скольжения. Она препятствует вращению заготовки и вызывает сильное
нагревание приемного конуса упорного центра, что ведет к
его быстрому износу. Смазка же, заполняя все микронеровности,
располагается между ними тонким маслянистым слоем, в
результате чего при относительном движении поверхности как
бы перестают касаться друг друга и наблюдается уже скольжение
слоев смазывающего вещества друг относительно друга, что
ведет к уменьшению силы трения в 8—10 раз и непроизвольно —
расходуемой энергии.
На практике очень часто в качестве смазывающего вещества
применяют специальную графитовую пасту. Физическая сущность
применения такого вида смазки заключается в том, что у
основного ее компонента — графита при попадании между
трущимися поверхностями происходит расщепление (расслоение)
кристаллической решетки. Это приводит к образованию мягких
скользких чешуек графита, которые устилают зазор между
конической опорой неподвижного центра и поверхностью
центрового отверстия. Скольжение металла о металл заменяется
скольжением чешуек графита между собой. Расслоение кристалла
графита в одном направлении (анизотропия) происходит от
того, что расстояние между слоями чешуек в кристалле
гораздо больше расстояния между атомами, слагающими такие
слои (примерно в 2,5 раза). Поэтому связи между слоями менее
прочны, чем связи внутри них, и при небольшом давлении
они легко разрушаются.
Токарь, недавно окончивший училище, заинтересовался
современной теорией резания. Оказалось, что в этом старом
120
ремесле нет единой физической теории, объясняющей процесс
снятия стружки за счет преобразования тепловой и механической
энергии. Между резцом и заготовкой сосредоточилось столько
загадочных явлений, что теория резания разделилась на теорию
стружкообразования, теорию упрочнения металла, теорию
преобразования энергии и т. д.
Разобраться во всех этих вопросах помогут исследования
молодого ученого С. В. Васильева.
... Еще в 1973 г. С. В. Васильев опубликовал сообщение о
том, что обнаружено электрическое переходное сопротивление
и контактная разность потенциалов между резцом и заготовкой.
Появилась его статья о борьбе с электрическими токами в зоне
резания и об электроизоляции резцов. Был сделан вывод:
токи есть, но с ними трудно бороться.
Однако еще не было сказано ни слова о том, что электрические
явления представляют собой отображение процессов резания.
Заявление о том, что электрические процессы необходимо
серьезно учитывать в физической теории резания, было сделано
в 1975 г. При этом давалось и некоторое объяснение
наблюдаемым явлениям: возникающая термоэдс при резании —
естественная термопара, ток в которой зависит от температуры
в зоне резания.
В 1980 г. впервые удалось убедительно доказать, что разность
потенциалов, возникающая между резцом и заготовкой, не
зависит от температуры.
В 1983 г. были получены вольт-амперные характеристики
электрического процесса, протекающего между резцом и
заготовкой (сняты функциональные характеристики зависимости
напряжения от тока). Вольт-амперные характеристики оказались
нелинейными, т. е. закон Ома при прохождении тока между
резцом и заготовкой не соблюдается. Появились первые
практические применения электрической модели резания. Были
оформлены авторские свидетельства.
В чем заключаются наблюдения и выводы С. В. Васильева?
Попытаемся разобраться в том, что происходит в
«эпицентре» новых физических представлений о процессах резания
металла.
На интенсификацию обработки при использовании
быстрорежущего инструмента накладываются ограничения тепловым
режимом режущего клина. В то же время из соображений
повышения производительности режим резания как раз
выбирается близким к этому ограничению. Поэтому так важна информация
о температуре в режущем инструменте.
Одна из работ С. В. Васильева была посвящена скромной
задаче: сопоставлению данных о температуре на передней
поверхности инструмента, полученных оптическими методами,
с результатами измерений, фиксирующих токи между резцом
и заготовкой.
121
Однако результаты экспериментов оказались гораздо более
значительными. Выяснилось, что электродвижущая сила
резания, измерение которой лежит в основе метода, меняет свою
полярность при переходе от конструкционных сталей к твердым
сплавам. В контакте резец — деталь в одном режиме оказывается
на резце «плюс», в другом — «минус». Явление это оказалось
независимым от температуры. Следовательно, полярность ЭДС
определяется природой веществ, из которых сделаны резец и
деталь. Что же происходит?
В контакте резец — деталь в процессе резания электроны
переходят с резца в деталь (стружку). Поскольку
преобладающим является деформация обрабатываемого материала,
а донором электронов — резец, то деформационное возбуждение
электронов будет минимальным. Если в качестве
обрабатываемого материала брали свинец, то электроны свинца
возбуждались в большей степени, чем электроны резца, и
ЭДС резания резко возрастала. Температура же в вершине
режущего клина составила всего 30—50°С.
До сих пор полностью игнорировались особенности ЭДС
резания, как маломощного источника электрического напряжения.
Исходя из ограниченной доступности зоны резания для
измерительных средств и малой изученности возникающих в ней
электрических эффектов, высказывались мнения о невозможности
на современном этапе выделить влияние температуры на ЭДС
резания. Температура резания меняется подобно ЭДС, однако
отсюда еще не следует, что первая обусловливает вторую.
Исследования С. В. Васильева убедительно показали, что в
возникающей ЭДС между резцом и заготовкой, помимо
составляющей, зависящей от температуры, есть компонента,
происхождение которой связано с электронной природой веществ
резца и заготовки. Эта составляющая ЭДС зависит от разности
работ выхода электронов из двух металлов.
Теперь сопоставим выводы, сделанные С. В. Васильевым
в процессе изучения электрических эффектов в зоне резания.
1973 г. При обработке обычных конструкционных сталей
возникают термотоки, которые могут достигать нескольких
ампер.
Масляная пленка в подшипниковых узлах обеспечивает
достаточно надежную изоляцию обрабатываемой детали. Поэтому
нет необходимости использовать дополнительные меры для
разрыва цепи термотока во внешнем контуре с целью повышения
стойкости инструмента.
1980 г. 1. ЭДС резания имеет составляющую, которая
не связана со средней температурой скользящего контакта и
в этом смысле не является термоэдс.
2. Дополнительная разность потенциалов, возникающая при
резании и трении, обусловлена только относительным
перемещением металлов, составляющих пару термоэдс, в силу чего
122
в области малых скоростей генерируется знакопеременный
симметричный сигнал.
В работах 1985 г. исследователь углубляется в теорию
электронного взаимодействия материалов резца и детали. Это
становится началом новой гипотезы — электронной теории
резания металлов. Можно ли утверждать, что создано новое
физическое представление о процессе металлообработки? Пока
это еще преждевременно. Но если сегодня токарь еще основывает
свои представления о станке на старых физических моделях,
то это не означает, что завтра физическая теория не вторгнется
в решение самых что ни на есть конкретных задач...
Информация и энергия в системной модели
металлорежущего станка
Мы уже говорили о конструкторе-прогнозисте А. И.
Смирнове, который в своих работах, рассматривая станок как
систему, придает особое значение изменению физических
принципов существующих машин. Проследим за его рассуждением.
В качестве основного метода был принят системный анализ,
который ориентирован на исследование структур. На первом
этапе работы все множество разнообразных конструкций
металлорежущих станков рассматривалось как единое целое,
т. е. как система. В общей сложности исследование окватило
7000 типоразмеров отечественных и зарубежных станков. Были
вскрыты общие структурные свойства конструкции станков
различного технологического назначения.
Было показано, что результат процесса формообразования
выражается в переносе заданной геометрической информации
на заготовку, обладающую требуемыми физическими свойствами.
Достижение этого результата требует затрат определенной
энергии. Поэтому для исчерпывающего описания
производительности станка необходимы, в общем случае, два показателя —
информационный и энергетический.
Проблема определения информационной производительности
формообразования еще только поставлена.
На сегодняшний день не существует серьезных исследований,
разрабатывающих представление об информационной
производительности металлообрабатывающего станка. А между тем,
как показывает А. И. Смирнов, именно этот показатель
характеризует точность формообразования.
Однако использование другой оценки производительности
станков по их энергетическим характеристикам позволило
А. И. Смирнову сделать интересные выводы.
В металлорежущих станках используется один и тот же
физический метод — резание, и все машины работают по одному
и тому же принципу механического копирования. И хотя
вычислить информационную производительность еще не
представляется возможным, известны факторы, от которых она
123
зависит: технологическое назначение станка, его конструктивная
схема, основные размеры, способ преобразования символической
геометрической информации в естественную форму (от чертежа
или перфокарты — к изделию).
Оказалось, что существует зависимость между
энергетической и информационной производительностью каждого станка.
Для того чтобы понять характер этой зависимости, рассмотрим
маршруты потоков энергии и геометрической информации
в металлорежущем станке.
Значительная часть геометрической информации уже
заложена в определенных элементах конструкции станка в виде
непосредственно геометрических форм. Эти элементы будем
называть эталонами. К ним относятся направляющие и определенные
подшипники металлорежущих станков (например, шпиндельные).
Постоянно заложенные в конструкцию станка эталоны совмещают
функцию хранения информации о заданной геометрической
форме с функцией образования системы координат в рабочей
зоне машины.
При формообразовании на станке геометрическая
информация, передаваемая с эталона на заготовку, образует прямой
поток информации, для переноса которой используются жесткие
промежуточные элементы — переносчики информации,
находящиеся в механическом контакте с эталонами. Важнейшую
роль играет также обратный поток информации, т. е. поток
от заготовки к эталону.
Принципиальная особенность механического копирования
состоит в том, что те же элементы, которые переносят
геометрическую информацию с эталона на заготовку, переносят и всю
энергию, необходимую для осуществления физических процессов,
обеспечивающих формообразование.
В этой особенности системы современного металлорежущего
станка А. И. Смирнов видит причину, ограничивающую
дальнейшую интенсификацию использования машины.
Предел возникает из-за того, что с ростом плотности
энергетических потоков в станке растут потери передаваемой
на заготовку геометрической информации.
Каковы физические механизмы, ведущие к необратимой
потере (разрушению) всей заложенной в конструкции любого
станка геометрической информации? Это пластические
деформации, износ, хрупкое разрушение.
Несомненно, внедрение новых материалов с улучшенными
физическими свойствами позволит поднять энергонапряженность
станков. В этом большая ответственность ложится на
материаловедов, а также на промышленность, поставляющую
конструкционные материалы.
Фундаментальным решением проблемы, считает А. И.
Смирнов, является смена самого принципа механического
копирования.
124
В системе станка будущего останутся те же категории:
«энергия» и «информация». Но в структуре новой машины цепи
для передачи информации и энергии будут раздельны.
Как было показано в работе А. И. Смирнова, совмещение
путей энергетического и информационного потоков приводит к
перенапряжениям, вызывающим искажения циркулирующей
информации.
Декомпозиция формообразующей машины на две раздельные
системы — информационную и энергетическую — новый шаг в
создании станка будущего. Сами методы ввода информации
в машину изменятся: будут использованы новые физические
принципы, которые позволят заложить в нее информацию,
достаточную для формообразования заданных изделий.
Если упростится структура технологического процесса как
системы, то до предела снизится число функциональных
элементов и связей между ними.
4.5. СЛЕСАРЬ —САНТЕХНИК, ГАЗОСВАРЩИК,
ИХ ФИЗИЧЕСКИЕ ПРОБЛЕМЫ
Слесарь-сантехник и газосварщик — универсальные
профессии. Сорок рабочих операций он может выполнять. Среди них:
гнутье труб, газовая, дуговая и кислородная сварка и резка
металла, монтаж систем отопления, теплоснабжения,
водоснабжения, канализации и газоснабжения. Эта профессия требует
большого запаса навыков и знаний.
Академик П. Л. Капица, основатель Института физических
проблем АН СССР, чрезвычайно ценил работавших с ним
специалистов-рабочих, участвовавших в создании
экспериментальных установок и мастерских института. В них трудились самые
искусные слесари, токари, газосварщики, которые внесли
особый вклад в прокладку трубопроводов при работе с
жидким гелием и кислородом.
П. Л. Капица, в частности, интересовался кислородной
сваркой, инициатором которой он был, а также слесарными и
строительными работами в мастерских, потому что сам он,
замечательный умелец и инженер, знал цену искусно
выполненному делу. Вот как он описывает свои мастерские1.
... Я хочу теперь указать на ряд мелких деталей в устройстве
нашего лабораторного хозяйства.
Это, во-первых, вся система электрического снабжения,
аккумуляторные батареи со швейцарским щитом, который стоит
в большом зале и дает возможность подавать вольтаж в любую
комнату. Проводка из комнат присоединена непосредственно
1 См.: Капица П. Л. Эксперимент. Теория. Практика.—М., 1981.
125
к щиту; когда одни и те же батареи используются несколькими
сотрудниками, происходит лишь очень малое падение напряжения,
так что сотрудники не мешают друг другу.
Затем машинный зал с мотор-генераторами. Ток от любого
мотор-генератора может быть подан в любую комнату, причем
ток до нескольких сотен ампер регулируется простым ползун-
ковым реостатом, устанавливающим силу тока в обмотках
возбуждения динамо. В целях защиты линии вся проводка
заключена в стальные и железные трубы, и вся эта система
хорошо заземлена. Хорошая система заземления имеется вокруг
всего института, так что при желании можно каждой комнате
дать отдельную «землю».
Каждые две соседние лаборатории имеют общую
фотографическую комнату. Всюду предусмотрено затемнение. Элекри-
ческие лампочки можно включать не только параллельно, но и
последовательно и таким образом создавать в комнатах
полумрак. В каждой комнате имеется хромированный кран с
очень тонкой регулировкой подачи воды. Кроме того, в каждую
комнату подаются сжатый воздух и газ.
При институте создана хорошая мастерская, в которой может
быть изготовлен почти любой сложный физический прибор.
Мастерская снабжена точными станками, и мы можем с гордостью
сказать, что большинство станков нашего советского
производства.
В специальном помещении находится стеклодувная. Она
достаточно просторна и снабжена хорошей вентиляцией.
Наконец, имеется и столярная мастерская, оборудованная
строгальными машинами.
Огромный вклад в строительство этого великолепного
хозяйства внесли слесари, специалисты по водоснабжению,
газоснабжению, отоплению и газосварке.
В одном из методических пособий по подготовке слесарей,
газосварщиков была сделана интересная попытка подсчитать,
к какой из областей физики чаще всего приходится обращаться
людям этой профессии. Оказалось, что базисным разделом
спецтехнологии слесарей-сантехников, газосварщиков является
молекулярная физика, хотя нем'алое внимание приходится уделять
механике, электродинамике, колебаниям и волнам, оптике и
квантовой физике, некоторым переходным проблемам.
Так, от влажности воздуха зависит интенсивность испарения
влаги с поверхности кожи человека, которое имеет большое
значение для поддержания постоянной температуры тела.
В производственных помещениях наряду с температурой
воздуха поддерживается также наиболее благоприятная для
человека влажность (относительная влажность 40—60%).
Будущим рабочим необходимо знать, что в производственных
помещениях отсутствует тепловое равновесие. В частности,
воздух у батарей отопления работающего технологического
126
оборудования более теплый, чем у наружных стен и окон,
что обусловливает конвекцию воздуха в помещениях, которая
учитывается при проектировании производственных помещений,
разработке технологических процессов и размещении рабочих
мест. Слесари-сантехники, газосварщики должны знать, что шелк
и шерсть не смачиваются водой, следовательно, они не
впитывают ее, и потому эти ткани при эксплуатации оборудования
не применяются в качестве обтирочного материала.
Сведения из механики позволяют ответить на простые
вопросы, возникающие при изучении спецтехнологии. Например:
почему сплавы (сталь, чугун, латунь и др.) меньше подвержены
пластическим деформациям, чем чистые металлы (железо,
цинк)?
На это можно ответить: потому что пластическая деформация
связана со скольжением атомных слоев один относительно
другого. В сплаве атомный порядок нарушается вследствие
присутствия атомов примеси между атомами основного металла.
Это затрудняет скольжение атомных плоскостей одна
относительно другой.
Уместно также провести анализ условий, когда сварной
шов следует заменить соединениями на заклепках. В этом
случае используется пластичность металлов.
Поскольку задания, выполняемые будущими специалистами,
являются неотъемлемой частью строительно-монтажных работ,
интересно разобрать ситуации, в которых необходимо
физическое объяснение.
Широкое внедрение железобетона в практику строительства
требует анализа физических основ совместимости бетона и
железа (железной арматуры). Это возможно вследствие того,
что коэффициенты линейного расширения железа и бетона
примерно одинаковы. В качестве примеров приведем несколько
ситуационных задач:
1. Для чего на верхнюю грань фундамента укладывают
вещества, не пропускающие воду (асфальт, гудрон, толь и др.)?
Ответ: подобным образом здание изолируют от попадания
в него воды из грунта по капиллярам в фундаменте.
2. Для изготовления железобетонных конструкций
повышенного качества (с большей трещиностойкостью,
водонепроницаемостью) арматуру бетона подвергают предварительному
напряжению до и после бетонирования (деформация
растяжения). Почему в этом случае железобетонные конструкции
обладают повышенными прочностными свойствами?
Ответ: при затвердевании бетона происходит сцепление
предварительно растянутой арматуры бетоном. После снятия
растягивающего усилия арматура стремится к первоначальной
длине (до приложения растягивающего усилия), но бетон,
сцепленный с ней, препятствуя этому, в то же время оказывается
сжатым, а арматура — растянутой. В пределах эксплуатационной
127
нагрузки такая железобетонная конструкция всегда находится
в сжатом состоянии. Трещины в бетоне при этом не
раскрываются, что повышает его трещиностойкость и водонепроницаемость.
3. Какому виду деформации лучше сопротивляется кирпич:
сжатию, изгибу, кручению? Какому виду деформации
подвергается он в стенах зданий?
Ответ: деформации сжатия.
4. Одинаковой ли должна быть прочность кирпичной кладки
в основании стены и в верхней ее части?
Ответ: в основании стены кирпич должен быть более
прочным.
Другие проблемы спецтехнологии также можно рассмотреть
как физические задачи.
5. Почему при гибке труб в горячем состоянии нельзя
набивать трубы влажным песком?
Ответ: данное правило является одним из основных при
горячей гибке, и его соблюдение предотвратит разрыв трубы
вследствие парообразования, возникающего при нагреве
влажного песка.
6. Слесарям-сантехникам приходится выполнять значительный
объем работ по разборке, притирке и сборке арматуры
санитарно-технических систем, которая служит для управления
работой и обеспечения безопасности их эксплуатации.
Почему трудно разобрать резьбовое соединение, долго
находившееся в туго завинченном состоянии, даже в том случае,
когда оно не подвержено коррозии?
Ответ: вследствие диффузии молекул на границе соединения
болт — гайка.
7. При заготовке и монтаже санитарно-технических устройств
приходится осуществлять много соединений при сварке, причем
число сварочных работ постоянно возрастает. Какие связи
называются межатомными и на каком расстоянии они
устанавливаются?
Ответ: межатомные связи устанавливаются при расстоянии
между ними около 4Х 10~8см.
Кроме ситуационных задач представляет интерес обсуждение
принципиальных вопросов спецтехнологии.
Для соединения металлов, способных переходить в
пластическое состояние при нагревании до температур более низких,
чем температура плавления (например, сталь, алюминий),
применяют газопрессовую, контактную сварку и сварку трением.
При этом детали в месте их соединения нагреваются пламенем
газов, сжигаемых по выходе из сварочной горелки, либо за
счет теплоты, выделяемой при прохождении электрического тока
через находящиеся в контакте соединяемые части, либо за
счет теплоты, выделяемой при трении поверхностей свариваемых
деталей, а затем детали сжимаются и свариваются. Почему
это происходит?
128
Ответ: при сжатии соединяемых деталей, находящихся
в пластическом состоянии, с поверхностей их соприкосновения
выжимается (удаляется) пленка оксидов, и при этом зерна
одной детали взаимно проникают в зерна другой. Происходит
диффузия. Это обеспечивает состояние, при котором начинают
действовать силы межмолекулярного сцепления соединяющихся
деталей, достаточные для их прочного соединения.
При изучении физических проблем, связанных с отоплением,
сложность процессов предстает постепенно, по мере углубления
в молекулярную физику. Обычно начинают с физических
принципов действия отопительных систем.
В чем причины потери тепла зданием? В частности, чем
больше разница между температурами наружного воздуха и
воздуха помещения и чем больше площадь ограждающих
конструкций, тем больше тепла теряет здание. Потеря тепла
зданием зависит также от материала, из которого выполнена
ограждающая конструкция. Энергию, необходимую для обогрева
Схема парового отопления
129
здания, получают при сжигании топлива в котлах или
отопительных печагх. При этом при сжигании топлива массой 1 кг получают
разное количество теплоты. Количество теплоты, выделяющееся
при полном сгорании топлива массой 1 кг, называется удельной
теплотой сгорания топлива и выражается в Дж/кг. Для каменного
угля—2,7- 107 Дж/кг, для природного газа—4,4- 107 Дж/кг.
В водяных системах центрального отопления вода нагревается
в водогрейных котлах, откуда она по трубопроводам поступает
в нагревательные приборы, установленные в помещениях. Отдав
часть тепла через стенки нагревательных приборов воздуху
помещения, охлажденная вода по обратному трубопроводу
вновь поступает в котел для повторного нагрева.
Вода в котлах нагревается следующим образом. В топке
котла сжигают топливо. При его сгорании в слое топлива
развивается высокая температура (более 1000°С) и образуются
газы. От теплового излучения вода в котле нагревается, а
газы охлаждаются до 200—350°С и через дымовую трубу
выводятся в атмосферу.
В системах парового отопления устанавливают паровые
котлы, вырабатывающие из воды пар. Из котлов по
трубопроводам пар поступает в нагревательные приборы, где он, отдав
тепло, превращается в воду (конденсат). Конденсат по трубам
возвращается в котлы, где вновь превращается в пар. Водяной
пар, или нагретая вода, из котлов по трубопроводам поступает
в воздухонагреватели (калориферы), через стенки которых
передается тепло циркулирующему воздуху, омывающему
наружную поверхность труб и их оребрения. Нагретый воздух
поступает непосредственно в отапливаемое помещение по
воздуховодам (каналам). Охлаждаясь до температуры
помещения, он отдает часть своего тепла и нагревает помещение.
Вода в системе отопления перемещается под действием
гравитационного давления, которое усиливается в результате
сопротивлений в сети трубопроводов. Эти сопротивления
вызываются трением воды о стенки труб, а также наличием
в системе местных сопротивлений, к которым относятся
ответвления и повороты трубопроводов, арматуры и сами
нагревательные приборы. Чем больше сопротивлений возникает в
трубопроводе, тем больше должно быть гравитационное давление.
Это давление, вызывающее циркуляцию воды в системе,
представляет собой разность давлений столбов горячей и охлажденной
воды, что создает циркуляционный напор. Он зависит от
разности отметок центра котла и центра нижнего прибора.
Чем больше эта разность, тем больше будет циркуляционный
напор.
Основным элементом систем отопления, служащим для
передачи тепла от теплоносителя (пар, вода) воздуху помещения,
является нагревательный прибор. Теплоотдача нагревательными
приборами осуществляется конвекцией и излучением.
130
При применении пара в качестве теплоносителя используется
его скрытая теплота парообразования, количество теплоты,
которое необходимо сообщить веществу, чтобы перевести его из
жидкого состояния в газообразное. При охлаждении в
нагревательных приборах пар конденсируется и отдает помещению
тепло, затраченное на испарение воды. Другое важное свойство
пара, обладающего избыточным давлением,— его стремление
расшириться и уменьшить свое давление до атмосферного.
В системе отопления действуют сложные физические процессы.
Иногда нелегко ответить, казалось бы, на простые вопросы.
Например, увеличивается ли внутренняя энергия воздуха в
комнате при включении нагревательных приборов, когда
температура воздуха повышается? Нет. Часть воздуха уходит через
щели наружу, и давление остается постоянным.
Не всегда правильно определяется абсолютное давление
пара в котле. Между тем оно равно сумме избыточного
давления парового котла, определяемого манометром, и
барометрического давления.
Тепловые процессы в отопительных системах подчиняются
первому и второму началам термодинамики. Первое и второе
начала термодинамики могут быть сформулированы следующим
образом.
Первое: энергия не может возникнуть из ничего или
исчезнуть бесследно.
Второе: все самопроизвольные процессы в тепловых системах
происходят всегда в сторону возрастания энтропии.
До сих пор все наши физические рассуждения, касающиеся
работы системы отопления, не противоречили первому и второму
началам термодинамики. Сейчас нам кажется уместным разобрать
знаменитый мысленный эксперимент, получивший в истории науки
название «демон Максвелла», в котором изобретателю
предлагается искушение создания теплового вечного двигателя.
Мы уже говорили о том, что Л. Больцману удалось
связать энтропию с количественной оценкой вероятности
нахождения физической системы в данном состоянии. Энтропия
равна логарифму вероятности для системы принять это состояние.
Вероятностное толкование тепловых процессов было итогом
развития молекулярно-кинетической теории газов. Статистические
законы применимы к системам, состоящим из множества
хаотически двигающихся частиц. Только представление о
газах с позиций молекулярно-кинетической теории позволило
ввести в константы термодинамики статистический смысл.
Представление об. атомарном строении газа и о связи движения
его атомов с температурой и давлением перестало быть гипотезой.
Неизвестной осталась природа сил, действующая между
молекулами.
Максвелл при этом исходил из модели упругих шаров,
действующих друг на друга только во время столкновения.
131
Несмотря на кажущуюся простоту, эта модель позволила
получить хорошие количественные результаты. Пересмотр
статистической теории Максвелла начался только в эпоху зарождения
физики электрических разрядов в газах. П. Ланжевен ввел
существенные изменения в математические расчеты Максвелла.
История этих работ Ланжевена мало кому известна: первые
теоретические открытия были сделаны им в молодости, когда
начинающий физик публиковал свои статьи в
малораспространенных журналах. Поэтому замечательные результаты ревизии
расчетов Максвелла в течение десятилетий остались
погребенными на полках библиотеки Сорбонны. Сам же Ланжевен увлекся в
то время другими проблемами и не занимался переизданием
своих трудов. Теория Ланжевена, касающаяся физического
механизма столкновений молекул в газе, была подхвачена
учеными через много лет. Но мы сейчас не будем
останавливаться на тонкостях взаимодействия молекул между собой.
Тем более что мысленный эксперимент, ставший нереальной
моделью вечного теплового двигателя, был предложен именно
Максвеллом.
Итак, допустим, что молекулы подобны упругим шарикам.
Молекулярно-кинетическая теория газов переросла в
кинетическую теорию материи, охватившую не только газы, но и
жидкости, и твердые тела. И тем не менее в обиход науки вошел
мысленный эксперимент, получивший название «демон
Максвелла».
Сегодня, когда метод мысленного эксперимента стал
инструментом познания и его можно считать новым принципом
абстрактного мышления, ход рассуждения Максвелла,
оказавшегося искушением для изобретателей вечных тепловых
двигателей, может быть поучительным для теплотехников.
Проделаем два мысленных опыта. Представим горизонтально
расположенный цилиндр с поршнем внутри. Идеальная
теплоизоляция — тепло не может ни уйти из цилиндра, ни проникнуть
внутрь.
Поршень движется без трения. Слева от поршня идеальный
газ, справа пустота. Идеальный газ — мельчайшие частицы,
подобные биллиардным шарам, не действующие друг на друга,
пока не соприкоснутся. А соприкоснувшись, разлетаются.
Так в реальности не бывает, но у нас мысленный, очищенный
от второстепенных процессов эксперимент.
Итак, давление газа медленно перемещает поршень направо.
Его шток через какую-то систему связан с грузом, поднимая
который, он совершает работу. Ничего необычного в таком
механизме нет, это аналог модели паровой машины, которую
рассматривал Карно. Кинетическая теория объясняет: работа
совершается за счет расширения газа. При этом газ охлаждается.
Ударившись и отразившись от отодвигающегося поршня,
молекулы теряют скорость.
132
Уменьшение скорости молекул проявится в падении их
температуры. Уменьшится и давление газа — ведь объем его
растет.
Дойдя до стенки цилиндра, поршень остановится. Как
показал еще Карно, процесс протекает в одном направлении,
с потерей тепла. Мы можем сказать — все происходит в
соответствии с законами термодинамики. Опыт можно провести
в обратном направлении, приложив к поршню силу, которая
вернет его в исходное положение. Передвигаясь справа налево,
поршень будет действовать на молекулы газа, как атакующая
ракетка на теннисный мяч,— молекулы получат дополнительную
скорость, газ будет нагреваться, его давление (из-за уменьшения
объема газа) расти. Но запомним: все это происходит не само
по себе, не за счет тепловой энергии молекул, а за счет работы
внешней силы.
А можно ли вернуть газ обратно без помощи поршня?
Без внешней силы? Ответ настолько непрост, что нам нужно
проделать еще один мысленный опыт.
Заменим поршень скользящей перегородкой, которую можно
вытащить через узкую щель в стенке цилиндра, не выпустив из него
газ. Первоначально газ был в левой половине. После удаления
перегородки он займет весь цилиндр. Что изменилось по
сравнению с первым опытом? Давление газа, естественно,
упало — ведь увеличился объем. А температура? Она не
изменилась. Молекулы не теряли скорости при движении поршня.
Газ не совершал работы. Он просто расширялся, не встречая
сопротивления, и долетел до неподвижной правой стенки
цилиндра. Теория говорит: все в порядке, энергия газа не
изменилась, ведь она зависит от числа молекул и от их скорости,
а они остались прежними. Так, может быть, газ в этом случае
способен без помощи поршня возвратиться в исходное состояние?
В то состояние, когда перегородка возвращена на место, а газ
находится с одной ее стороны?
Молекулярно-кинетическая теория, основанная на модели
соударения упругих шаров, не отрицает такой возможности.
Ведь соударения упругих шаров подчиняются законам Ньютона,
которые симметричны по отношению к направлениям любых
механических процессов.
Несомненно, каждому интуитивно ясно, что практически
невозможно изменить на противоположное направление
движение каждой молекулы газа и таким образом (в соответствии
с законами Ньютона) привести газ в исходное состояние. Но нет
ли, помимо этой «практической трудности», какого-либо глубоко
принципиального запрета, препятствующего выполнению этой
задачи?
Возвратим на место нашу скользящую перегородку, но
предварительно снабдим ее небольшим отверстием, закрываемым
такой же скользящей маленькой заслонкой. Теперь, открывая
133
заслонку, когда к ней подлетают молекулы, движущиеся справа
налево, и закрывая ее, если молекулы подлетают к ней слева,
мы можем вновь собрать все молекулы в левой части цилиндра.
Какие возможности открываются перед нами! Мы можем
соединить обе части цилиндра тонкой трубкой и установить
в ней маленькую турбинку. Тогда газ, перетекая по трубке
слева направо, будет вращать турбинку, совершая даровую
работу, а мы, не совершая никакой работы, а лишь управляя
заслонкой, будем постоянно возвращать его в исходное
состояние.
Максвелл, обдумывавший подобный мысленный эксперимент,
знал, что такое устройство было бы вечным двигателем. Ведь
по условию трения нет, и заслонка, не совершая работу,
поддерживает разность давления между обеими частями
цилиндра. А за счет этой разности давлений работает турбинка.
Это вечный двигатель, дающий даровую работу! Следовательно,
заключил он, такой механизм не может работать, если им не
управляет некое сверхъестественное существо, способное
сортировать молекулы, не совершая работы.
Так в историю науки вошел «демон Максвелла»—
воображаемый механизм, который совершил бы чудо получения работы
без ее затраты.
Здесь мы могли бы закончить отступление в модель
Максвелла, полезную для физического мышления теплотехников. Ведь
статистика показала, что для их специальности больше всего
нужна молекулярная физика... Но есть еще один аспект
рассмотрения модели Максвелла.
Оказывается, для того чтобы получить информацию о какой
бы то ни было системе, невозможно избежать воздействия
на эту систему. Получить информацию о скорости молекулы
можно, лишь подействовав на молекулу и тем самым изменив
ее скорость. Как бы ни была ничтожно мала совершаемая при
этом работа, процесс наблюдения неизбежно связан с затратами
энергии. А если так, то против возможности реализации модели
вечного двигателя Максвелла выдвигается еще одно
доказательство: при сортировке молекул, пролетающих мимо заслонки
любой конструкции, неизбежно затрачивается энергия, которую
приходится вносить в систему извне. И это окончательно
разрушает иллюзию самостоятельной работы незатейливой
системы цилиндр — поршень. Иллюстрацией к этому доказательству,
основанному на рассмотрении информации, служит следующее
остроумное рассуждение.
Пусть наши фантастические существа — демоны — способны
не только видеть каждую молекулу, но и определять ее
скорость. Один из демонов открывает дверцу, пропуская только
быстрые молекулы, а другой — только медленные. С тем успехом
можно покрыть всю поверхность сосуда измерителями давления —
датчиками. Подобные датчики — члены достаточно обширного
134
семейства «демонов Максвелла». Принципиально ничего не
меняется. В систему вводится информационное устройство,
подающее сигнал, но требующее затрат внешней энергии.
Такое рассмотрение модели Максвелла достигает двух целей:
помогает опровергнуть ложный физический принцип действия
вечного теплового двигателя — и еще раз показать, как тесно
связана информация с физическими процессами.
4.6. МОТОР АВТОМОБИЛЯ И ОКРУЖАЮЩАЯ СРЕДА
В этом очерке речь пойдет о моторе автомобиля и о городской
экологии. Какие физические задачи встают перед конструкторами
автомобильных двигателей, чтобы они не загрязняли городской
воздух?
... С большим увлечением молодые технологи и конструкторы
создавали самый лучший автомобильный двигатель по заказу
КамАЗа. Идею двигателя вынашивал весь коллектив и называл
его уважительно, с большой буквы — Мотор.
— По главному счету, для меня, для всего КБ был
колоссальной школой конструирования, творчества. Я стал
конструктором. Мне кажется, мы все стали взрослыми,—
говорит Валерий Зоринов — конструктор новой головки блока
цилиндров.
Сегодня можно увидеть в моторе результат работы всей
группы, в том числе и Зоринова.
Во-первых, было решено, что это будет не блок головки,
а отдельная головка каждого цилиндра. Для шофера это
означает, что если забарахлил какой-то один цилиндр, не
надо отвинчивать двадцать два болта, достаточно отвинтить
всего четыре.
Во-вторых, не надо возиться с целым блоком и вскрывать
все цилиндры.
В-третьих, группа Алимбекова предложила использовать для
головок цилиндра вместо привычного чугуна легкий алюминий.
(Масса мотора сразу уменьшилась почти на шестьдесят
килограммов.)
Как работали люди в те дни? Не успевает инженер-
конструктор дочертить эскиз, как у него из рук выхватывает
бумагу технолог. Он садится за «расцеховку», за справочники,
а за спиной у него уже стоит литейщик, токарь или фрезеровщик:
что там за деталь, какая конфигурация детали,— и тут же бежит
на склад получать заготовку...
«... О Моторе мечтали давно. Не надо быть специалистом,
чтобы понимать: эх, побольше бы мощности самосвалу,
изготовленному на Московском автомобильном заводе им. Лихачева!
Да не ему одному — сколько километров дорог выиграла бы
страна, на сколько ускорилась бы перевозка грузов — в первую
очередь хлеба с полей! Этот дизель давно ждали и на
Ярославском моторном заводе...»
135
Необычайно
раздвинулись границы творчества
молодых инженеров,
техников, рабочих. И в эти
новые горизонты вошли
проблемы, которые,
казалось бы, выходят за
рамки основной профессии.
Каков он, Мотор, с точки
зрения экономики
горючего? Каков он, Мотор
в условиях окружающей
нас природной среды?
Не всегда такое
мировоззрение актуально.
Иногда упомянутые
соображения «можно сбросить со
счетов». Но не лишено
практического интереса
следующее рассуждение.
Испытание грузовика на трассе Каковы потери ГОрю-
чего, если их подсчитать
в масштабах страны?
Сколько двигателей, работая ежедневно, «обогащают» наш
воздух вредными примесями? В пользу этого рассуждения
работает арифметика.
Большинство автомобилей используют двигатели внутреннего
сгорания. На соответствующей стадии цикла достигается
высокая температура, причем не благодаря тепловому
взаимодействию с внешним источником, а непосредственно за счет
сгорания смеси топлива и воздуха, которая является рабочим
телом двигателя. Удаление теплоты, т. е. охлаждение, достигается
простым выхлопом сгоревшего газа и замещением его новой
порцией воздушно-топливной смеси. Такое устройство, в принципе,
привлекательно тем, что в нем не используется котел и другое
оборудование для преобразования и передачи теплоты. Более того,
так как все стенки и поверхности, вступающие в контакт с
горячими газами, могут быть охлаждены (например, стенки цилиндра
и поршень в поршневом двигателе), рабочее тело может быть
намного горячее, чем элементы двигателя. В паровом котле это
невозможно потому, что нагрев и охлаждение осуществляется
посредством теплообмена через стенки. В силу указанных причин
двигатели внутреннего сгорания, как правило, и компактны, и
эффективны. В настоящее время «моральное» старение
автомобиля наступает очень быстро, конструктивные решения
двигателей многообразны. Мы ограничиваемся физикой экологии.
С точки зрения экономичности горючего, а также охраны
окружающей среды, различными характеристиками обладают
136
двигатель Отто с искровым воспламенением и двигатель Дизеля1.
Рассмотрим физические явления в работе автомобильных
двигателей, исходя из этих двух требований: экономия горючего;
охрана окружающей среды.
Возьмем для примера четырехтактный цикл Отто, который
состоит из следующих тактов:
1. Такт впуска, во время которого поршень в цилиндре
опускается и через открытый впускной клапан втягивает
внутрь горючую смесь.
2. Такт сжатия, во время которого при поднятии поршня
и сжатии горючей смеси закрыты и впускной, и выпускной
клапаны. Так как сжатие очень быстрое, его можно считать
почти адиабатным, следовательно, растут и температура,
и давление.
3. Рабочий такт, во время которого горячий газ, возникший
в результате горения, вызванного искрой на исходе такта сжатия,
с большим давлением действует на поршень и толкает его вниз.
При этом совершается работа над коленчатым валом.
4. Такт выхлопа, в ходе которого поршень выталкивает
наружу продукты сгорания через открытый выпускной клапан.
Итак, перечислим ключевые этапы цикла Отто:
1) адиабатное сжатие;
2) изохорный подвод тепла;
3) адиабатное расширение;
4) изохорный отвод тепла.
Коэффициент полезного действия двигателя определяется
как отношение результирующей работы к затраченному
количеству теплоты, т. е. количеству теплоты, выделенному при
сгорании топлива.
Отношение объема цилиндра в тот момент, когда поршень
находится в нижней мертвой точке, к объему при верхнем
положении поршня известно как степень сжатия.
Расчет показывает, что КПД двигателя, работающего на
основе цикла Отто, с ростом степени сжатия увеличивается.
Однако повысить степень сжатия все же не так просто.
Повышения степени сжатия можно добиться механическим
путем, уменьшив свободный объем цилиндра в тот момент, когда
поршень находится в верхней мертвой точке. К сожалению,
подобное сжатие сопряжено с некоторыми проблемами.
В рассмотренном идеальном цикле количество теплоты
передается рабочему телу при постоянном объеме. В реальном
двигателе поршень перемещается, а горение происходит не
мгновенно. Из-за этого тепло поступает в течение некоторого
интервала времени, так что объем успевает измениться. Чтобы
1 Двигатель е искровым воспламенением иногда называют двигателем
Отто Идея четырехтактного двигателя принадлежит французу Альфонсу
Бо де Роша. Сконструировал первый действующий образец немецкий
инженер Николаус Отто
137
большая часть процесса сгорания (передача количества теплоты)
происходила при наименьшем объеме, искру обычно зажигают
не в тот момент, когда поршень достигает верхней мертвой
точки, а немного раньше. Для распространения пламени по смеси
требуется некоторое время, поэтому пиковое давление достигается,
когда поршень начнет двигаться вниз. Как известно, при
адиабатном сжатии по мере уменьшения объема растут и температура,
и давление. В смеси бензина с воздухом увеличение температуры
и давления вызывает преждевременное, допламенное окисление
горючего.
Продукты таких допламенных реакций горят значительно
быстрее, чем молекулы исходных углеводородов. Действительно,
при воспламенении такой подготовленной смеси искрой пламя
распространяется столь быстро, что происходит так называемая
детонация. Она сопровождается ударной волной, по звуку
похожей на удар грома или на выстрел. Возникают хорошо
слышимые свист и стук. Кроме того, на поршень и
подшипники действует внезапная импульсная нагрузка, в результате
чего они могут разрушиться. Пиковое давление возникает
прежде, чем поршень достигает верхней мертвой точки,
поэтому происходит потеря мощности. Появление детонации
(стука) практически ограничивает увеличение степени сжатия
в двигателе Отто. Проведена большая работа с целью
исследования явления стука и разработки способов его преодоления.
До конца явление стука так и не понято, однако некоторые
полезные представления уже получены.
Бензин в основном представляет собой смесь молекул
углеводородов, имеющих от 6 до 10 атомов углерода. Когда атомы углерода
образуют прямую цепочку, детонация (стук) появляется уже
при относительно низких степенях сжатия. Если атомы углерода
образуют разветвленные цепи, стук становится серьезной
проблемой лишь при гораздо больших степенях сжатия. Так, например,
обычный гептан очень склонен к детонации. А изооктан сильно
разветвлен и весьма устойчив к детонации.
Горючему присваивают соответствующее октановое число.
Оно равно процентному содержанию изооктана в смеси изооктана
с нормальным гептаном.
Другой важный результат исследований детонации
заключается в следующем. Было обнаружено, что при добавлении
соединения, называемого тетраэтилсвинцом, стук прекращается.
Повышение содержания в бензине тетраэтилсвинца обходится
значительно дешевле, чем добавка молекул с разветвленными
цепочками. Но... свинец, выбрасываемый двигателем,
распыляется в воздухе, которым мы дышим, в воде, которую мы пьем,
и в почве, на которой мы выращиваем полезные растения.
Концентрация свинца в окружающей среде растет.
Продолжительное воздействие даже низких концентраций свинца опасно.
Это создает угрозу для здоровья, и теперь применение свинца
138
прекращается. Нельзя ли перейти от двигателя Отто к
дизельному двигателю?
... Почти двадцать пять лет спустя после того, как Отто
построил первый удачный образец двигателя с искровым
воспламенением, его соотечественник Рудольф Дизель получил
патент на двигатель, основанный на цикле сжатие —
воспламенение. Р. Дизель задался целью построить двигатель,
способный сжигать угольную пыль. Хотя в этом он и не
преуспел, его двигатель значительно менее разборчив по отношению
к сорту горючего, чем двигатель Отто. Двигатель Дизеля
может сжигать низкосортную нефть, имеющую высокую
температуру кипения, и совершать большую работу на единицу
израсходованного горючего. Хотя сегодня некоторые легковые
автомобили и оснащены двигателями Дизеля, большинству
людей они знакомы лишь как шумные и дымные моторы
грузовиков, автобусов и железнодорожных локомотивов.
Основное функциональное различие двигателей Дизеля и Отто
состоит в том, каким образом происходит воспламенение.
В двигателе Отто смесь бензина с воздухом сжимается, а
затем воспламеняется электрической искрой. В двигателе
Дизеля адиабатно сжимается чистый воздух, причем степень
сжатия здесь примерно в 2 раза больше, чем в двигателе
Отто. Температура сжатого воздуха к исходу такта настолько
велика, что при впрыскивании топливная смесь загорается
самопроизвольно.
При одинаковой степени сжатия двигатель Отто имеет
больший КПД, чем двигатель Дизеля. Тогда почему же двигатели
Дизеля все-таки привлекают внимание? Дело в том, что в них
достигаются большие степени сжатия, а значит, и большие
рабочие КПД.
Если бы двигатель Отто работал при таких высоких
степенях сжатия, то воздушно-топливная смесь воспламенилась
бы задолго до конца такта сжатия. Возник бы резкий стук,
и в результате уменьшился КПД. В действительности двигатель,
возможно, вообще не заработал бы. В двигателе Дизеля топливо
впрыскивается только после сжатия воздуха, т. е. в верхней
точке сжатия, поэтому преждевременное воспламенение
исключено.
Самым привлекательным в двигателе Дизеля является
пониженный расход горючего. Несмотря на относительную массивность
и медлительность, двигатели Дизеля постепенно вытесняют
двигатели Отто даже в легковых автомобилях.
Подведем итоги взаимосвязи КПД автомобильных двигателей
и требований охраны окружающей среды.
Согласно неумолимому закону природы, в любой тепловой
машине высокого КПД превращения количества теплоты в работу
можно достичь только при высоких температурах цикла. Так,
в двигателях внутреннего сгорания для повышения КПД и
139
увеличения пробега на единицу объема затраченного горючего
применяют высокие степени сжатия. Однако в двигателях
Отто высокие степени сжатия сопровождаются появлением стука.
Вместе с тем мы видим, что эти трудности можно в определенной
степени устранить, если добавить в бензин тетраэтилсвинец
или использовать углеводороды с сильно разветвленными
углеродными цепочками. Считается, однако, что добавление
свинца в бензин увеличивает риск загрязнения окружающей
среды. Однако если пойти на лишние расходы, то для достижения
высоких степеней сжатия и большего КПД можно увеличить
в применяемом бензине долю разветвленных углероводородов.
Цикл Дизеля дает возможность применить другой способ
получения высоких степеней сжатия и большого КПД. Если смириться
с его несколько замедленным действием, то он позволяет
получить значительную экономию.
Однако большие степени сжатия неизбежно сопровождаются
высокими температурами, а последние независимо от способа
их получения дают нежелательный побочный эффект. При
высоких температурах в выхлопных газах повышается
концентрация оксида азота. Фактически чем выше температура
цикла, тем с большей скоростью образуется оксид азота.
Покинув выхлопную трубу и смешиваясь с окружающим
воздухом, N0 окисляется до N02- Это едкий газ, который
и придает смогу коричневатый оттенок. Загрязнение оксидом
азота становится все серьезней в результате попыток снизить
количество другого поллютанта (загрязняющего воздух
компонента автомобильного выхлопа). Дело в том, что выхлопные
углеводороды окисляются и образуют вредные раздражители.
Чтобы уменьшить примесь углеводородов в выхлопе, двигатели
приспособили к использованию обедненных смесей топлива.
Избыток кислорода при этом гарантировал полное сгорание
бензина. Однако тогда лишний кислород оказывается способным
к реакции с азотом, составляющим 80% атмосферного воздуха,
впускаемого в двигатель. В результате по мере уменьшения
углеводородной компоненты выхлопа автомобилей росла
концентрация оксидов азота.
Производители автомобилей пытаются найти компромиссное
решение: понизить степень сжатия в своих двигателях и ввести
вторичное использование некоторого количества выхлопных
газов в качестве добавки к поступающей воздушно-топливной
смеси. Достигнуто снижение пиковых температур и ослабление
потока оксидов азота.
Мотор на водородном топливе?
До сих пор речь шла о двигателях с точки зрения физических
методов перестройки режимов их работы в целях уменьшения
загрязнения воздуха.
140
Еще в довоенные годы советские специалисты использовали
водород в качестве топлива. Было сэкономлено много
дефицитного бензина. Но почему именно водород?
Физические свойства водорода очень интересны. Прежде
всего, он интересен тем, что при сгорании выделяет большое
количество теплоты. В единице массы он содержит почти в 3 раза
больше тепловой энергии, чем бензин, и при его горении не
выделяются вредные газы. Важное качество водорода по
сравнению с электричеством — возможность его накопления и хранения
в огромных резервуарах, в том числе в естественных подземных
хранилищах, а также транспортировка по трубам на огромные
расстояния со значительно меньшими потерями, чем при передаче
электричества по самым совершенным высоковольтным линиям.
В обычных условиях водород, как известно, образует молекулу
из двух атомов и представляет собой газ. Охлаждение примерно
до /=—250°С превращает его в жидкость, а /=— 259°С—
в твердое тело.
Жидкий водород испаряется. Притока тепла через изоляцию
полностью избежать не удается, хотя потери тут и невелики —
всего десятые доли процента. Однако и их можно уменьшить.
Как? Используя водородно-воздушные топливные элементы.
Для хранения газообразного водорода строить громоздкие
суперрезервуары вовсе не обязательно. Можно использовать
подземные естественные «емкости».
Благодаря высокой удельной теплоте сгорания водород может
быть широко использован на всех видах транспорта, а также
для отопления городов, производства электрической энергии,
в металлургии и т. д.
В Институте теоретической и прикладной механики Сибирского
отделения Академии наук СССР под руководством Владимира
Васильевича Струминского был испытан автомобильный
двигатель советского производства, работающий на водороде.
Двигатель ГАЗ-652 испытывался в режиме работы на
бензине и водороде. В этих условиях измерялись: расходы
бензина и газообразного водорода; число оборотов двигателя;
нагрузка на валу двигателя с помощью вентилятора.
Результаты испытаний показали, что при работе двигателя
на водороде происходит существенное повышение полноты
сгорания, увеличение КПД двигателя, выхлопные газы состоят
в основном из паров воды! Двигатель практически не
нагревается, поскольку процесс сгорания водорода происходит
чрезвычайно быстро. При испытаниях двигатель непрерывно работал
сначала на чистом бензине, потом уменьшалась подача бензина
и увеличивалась подача водорода вплоть до режима перехода
на чистый водород. Опыты доказали, что серийный двигатель
ГАЗ-652 может работать на бензине, чистом водороде и водородно-
бензиновых смесях. При добавке водорода полнота сгорания
увеличивается.
141
«Спутник» на сельской дороге
Дешев ли водород? Природа располагает незначительным
запасом чистого водорода, зато в связанном состоянии его
много. Вода, содержащая водород, покрывает 2/3 поверхности
планеты.
Но предпочтение водорода в качестве горючего по сравнению
с такими традиционными видами горючего, как природный
газ, каменный уголь, нефть, торф, сланцы, основывается не
только на его бесценном свойстве не загрязнять воздух.
Д. И. Менделеев заметил однажды, что «сжигать нефть —
это все равно, что топить печь ассигнациями». В самом деле,
из нефти производится много ценных веществ — все смазочные
масла, синтетические материалы, ароматические соединения и
т. д. В последние годы на нефтепродуктах стали выращивать
искусственные белки, пригодные для корма скоту и других
целей.
Пока еще нет установившейся технологии извлечения водорода
из воды. Не решены проблемы его хранения и транспортировки.
Хранить жидкий водород можно с помощью так называемой
сверхэффективной изоляции. Это значит, что между наружной
и внутренней стенками хранилища необходимо расположить
около двух десятков отражающих тепловые лучи экранов,
отделенных друг от друга вакуумом.
Глубокий и вдумчивый системный подход к оценке внедрения
водородного топлива в экологическую и промышленную
системы, может быть, позволит найти те осторожные и
эффективные методы, которые обеспечат безопасное и гармоничное
существование человека на нашей планете.
142
Мы коснулись только нескольких физико-технических проблем,
представляющих интерес для автомобилистов, интересующихся
экологическими аспектами своей профессии.
4.7. ФИЗИЧЕСКИЕ ПРИНЦИПЫ РЫБОЛОВСТВА
Современное рыболовство — это промышленность, основанная
на достижениях науки, хранение рыбы, условия ловли ее в
разнообразных климатических режимах и т. д.
Что такое рыболовный флот? Это суда разного назначения:
крупнотоннажные морозильные траулеры, способные вести лов
на глубинах до 2 км, обрабатывать пойманную рыбу и хранить
ее в своих трюмах при температуре 1=—28°С, плавучие базы,
которые могут перерабатывать до 500 т рыбы в сутки. Суда в
течение двух лет не заходят в отечественные порты. Сменные
экипажи перебрасываются в район промысла на самолетах.
Транспортные рефрижераторы доставляют продукты, питьевую
воду, горючее и принимают на борт мороженую рыбу, консервы,
кормовую муку.
Современное оборудование рыболовного флота должно
удовлетворять многим требованиям: гибкости и перестраиваемос-
ти на различные режимы, точности адаптации к виду рыбы,
температуре воды, воздуха, а также к темпам рабочего
процесса и его производительности. Иначе продукция не дойдет
до потребителя.
Выпускник мореходного училища приобретает две профессии.
Он и моряк, и рыбак. В мореходке и после нее он пройдет все
стадии — будет матросом, боцманом, тралмейстером, штурманом.
Только после этого он сможет встать на капитанский мостик.
На корабле работа общая. Когда идет рыба, на вахту
выходят все. За четыре часа надо обработать всю выловленную
рыбу. Это тяжелый труд, но и большая радость для всего экипажа.
Как же сохранить столь трудно добытую рыбу? Работу
аппаратуры рыбаки должны приспосабливать к температуре
воды, ее химическому составу, а главное — учитывать сорт
рыбы, ее физико-химические свойства.
Конечный результат работы — это рыба в замороженном
виде, вкусовые и питательные свойства которой после
размораживания должны оставаться неизменными, натуральными.
Достижение этого результата требует глубокого понимания
физических процессов, происходящих в холодильных системах.
Холодильная технология рыбных продуктов — комплексная
научная дисциплина, использующая достижения физики, химии,
биологии, математики для решения задач холодильной обработки
рыбы.
Исходной предпосылкой для установления требуемого режима
замораживания рыбы являются ее физические и теплофизические
свойства.
143
Прежде всего надо знать ее геометрические и физические
характеристики: длину, массу, площадь поверхности, плотность.
При многочисленных видах промысловых рыб эти данные
весьма разнообразны, и накопление их требует применения
некоторых формальных приемов.
Так, например, масса рыб изменяется от нескольких граммов
до сотен килограммов. Как показывают наблюдения, масса
рыбы определенного вида может быть связана с абсолютной
длиной ее тела посредством кубической параболы, т. е. различные
экземпляры рыб одного вида подчиняются закону
геометрического подобия. В соответствии с законом геометрического
подобия площадь поверхности рыбы пропорциональна квадрату
длины ее тела.
В холодильной технологии наиболее важными теплофизи-
ческими свойствами рыбных продуктов являются удельная
теплоемкость, коэффициент теплопроводности,
температуропроводность и энтальпия.
Расчет массы рыбы одного вида в физической технологии рыболовства
Влияние различного химического состава тканей рыб на их
теплофизические свойства можно определить с помощью
критерия обобщения, в качестве которого используется относительное
содержание влаги в продукте. В основном это объясняется
тем, что рыбные, а также и многие другие пищевые продукты
на 70—80% состоят из воды, а теплофизические свойства
так называемого сухого остатка различных продуктов, несмотря
на различие их химического состава, мало различаются между
собой и незначительно влияют на суммарные теплофизические
характеристики. Главным критерием теплофизических свойств
рыбы является относительное содержание влаги в продукте.
Интересно, что из термодинамики перенесено понятие
энтальпии в рыбную промышленность. Энтальпия (теплосодержание) —
это количество теплоты, содержащееся в единице массы рыбы1.
За начало отсчета энтальпии принимается энтальпия рыбы
с температурой 1=—40°С.
Температурная зависимость энтальпии рыбы является важной
исходной характеристикой. В практических расчетах для
определения тепловой нагрузки морозильных аппаратов и систем
предварительного охлаждения рыбы наибольший интерес
представляет энтальпия рыбы в начале и конце процесса
замораживания.
Не касаясь анализа химического состава и пищевой ценности
рыб, рассмотрим вкратце основы физических и биохимических
процессов в рыбном сырье при холодильной обработке.
Оказывается, существенную роль играют формы связи воды
в пищевых продуктах. Они характеризуются приближенной
оценкой энергии связи с материалом. Наиболее прочная связь
реализуется в химических соединениях и кристаллогидратах
при строго определенных стехиометрических соотношениях между
веществами, входящими в соединение. Наименее прочная
связь — это механическая связь влаги, удерживаемой материалом
в неопределенных количественных соотношениях (влага в микро- и
макрокапиллярах и влага смачивания, находящаяся на
поверхности материала).
В пищевых продуктах вся влага фактически связана с
другими компонентами. В холодильной технологии влагу пищевых
продуктов подразделяют на свободную и связанную. Смысл
понятия «связанная вода» сводится к представлениям о
значительной прочности удержания, не нарушаемого даже при очень
низких температурах. Нарушение этого удержания
рассматривается как одна из причин, вызывающих необратимые изменения
в продуктах, в частности денатурацию белка.
В пищевых продуктах вода связана с белками адсорбционной,
1 Изменение энтальпии равно количеству теплоты, которое сообщают
системе или отводят от нее при постоянном давлении При замораживании
рыбы теплота отводится
145
осмотической и механической связями. Адсорбционная связь
осуществляется под действием электростатического притяжения
между ионами, группами ионов или между полярными группами,
находящимися в белковой молекуле, и диполями воды.
Адсорбционная связь является физико-химической связью, не
обусловленной точными и постоянными количественными соотношениями
воды и белка. Так как молекула воды обладает двумя
противоположными полюсами (положительным и отрицательным),
то она названа диполем. Молекулы воды представляют
основной материал, составляющий пищевые продукты, в том
числе рыбу.
Исследованиями установлено, что вода даже в жидком
состоянии может образовывать псевдокристаллическую структуру,
в которой конгломераты упорядоченных частиц взвешены в
аморфной среде. В процессе отвода количества теплоты от
жидкости уменьшается интенсивность броуновского движения
молекул воды. При этом силы их взаимного притяжения
увеличиваются, и при уменьшении энергии теплового движения
ниже уровня энергии ориентации молекул образуется
кристаллическая структура. Одним из необходимых условий
кристаллизации считается необходимость наличия в жидкости посторонних
частиц, являющихся центрами кристаллизации. При
замораживании воды образуются кристаллы гексагональной формы с
расстояниями между молекулами около 3- 10~4мкм.
Вследствие уменьшения перемещения молекул при
организации упорядоченной кристаллической структуры выделяется
большое количество теплоты (около 335 кДж/кг), соответствующее
энергии, необходимой для перемещения этих частиц. Эта энергия
называется скрытой теплотой фазового превращения. Для
процесса плавления необходимо затратить такое же количество
теплоты. Такова схема явлений, значительно упрощенная.
Изменение свойств рыбы при ее замораживании и
последующем холодильном хранении обусловлено следующими
причинами: разрушением тканей рыбы кристаллами льда,
образующимися при вымораживании воды; окислением и гидролизом
жиров; денатурацией белков; разложением некоторых веществ,
содержащихся в тканях рыбы. Физические изменения при
замораживании рыбы происходят под влиянием фазового
перехода воды из жидкого состояния в твердое. При быстром
замораживании образуются более мягкие кристаллы льда,
равномерно распределенные в объеме тканей рыбы и в меньшей
степени повреждающие ткани. Скорость движения фронта
льдообразования в замораживаемой рыбе определяет характер
изменений ее белков. Наибольшая скорость движения фронта
льдообразования достигается при так называемом
ультрабыстром замораживании с помощью сжиженных газов, например
азота. При погружении рыбы в жидкий азот при /= — 196°С
скорость распространения фронта льдообразования может до-
146
стигать 25,6 см/ч, что позволяет получить замороженную
рыбу с высокими вкусовыми качествами, но с большим
количеством разрывов из-за термических деформаций. При
замораживании рыбы в смеси спирта с сухим льдом до температуры 1 = —65° С
в течение 22 мин, т. е. при более низких скоростях замораживания
(примерно 8 см/ч), ткань замороженной рыбы не разрывается
и продукт получается высокого качества. Чрезмерно медленное
замораживание рыбы, связанное с образованием крупных
кристаллов льда, также приводит к ухудшению структуры
тканей, а следовательно, к снижению качества замороженной
рыбы.
На основании приведенных данных как ультрабыстрое,
так и чрезмерно медленное замораживание считается
нецелесообразным. Определена оптимальная скорость замораживания
рыбы, не приводящая к существенному ухудшению структуры
тканей и качества замороженной рыбы. Минимальная скорость
движения фронта льдообразования, не влияющая существенно
на изменение вкусовых качеств, составляет от 0,4 до 0,5 см/ч.
Максимально допустимой скоростью распространения фронта
льдообразования считается 7—8 см/ч.
В процессе длительного холодильного хранения замороженных
продуктов происходит явление рекристаллизации, заключающееся
в увеличении размеров кристаллов льда, росте более крупных
кристаллов и исчезновении мелких. Это обусловлено
неодинаковостью давлений насыщенных водяных паров над кристаллами
неодинаковых размеров и перемещением водяных паров с
поверхности малых кристаллов на поверхность больших. Этот
процесс интенсифицируется при повышенных температурах
хранения, а также при колебаниях температуры.
Исходя из всего вышесказанного нетрудно понять, какое
значение для пищевой ценности рыбы имеет правильный режим
ее замораживания и хранения. Исследователями установлена
предельная продолжительность хранения, после которой
мороженая рыба полностью утрачивает пищевую ценность. Профессор
Л. И. Константинов обобщил эмпирические зависимости и
построил математическую теорию, позволяющую вывести критерий
продолжительности хранения всех сортов рыбы. Научная школа
под руководством Л. И. Константинова и Л. Г. Мельниченко
заложила основы проектирования холодильных установок для
рыболовного промысла. Организация работы рефрижераторного
флота рыбной промышленности СССР основана на принципе
непрерывности холодильной цепи, в которую входят добывающие,
рыбообрабатывающие и приемнотранспортные рефрижераторные
суда, береговые холодильники, наземный холодильный транспорт,
а также холодильники торговой сети и домашние
холодильники. На всех участках холодильной цепи должна
поддерживаться определенная температура, при которой хранится или
транспортируется законсервированный продукт. Решение задач,
147
поставленных перед рыбной промышленностью, возможно при
дальнейшем развитии холодильной техники и научных
исследований, в частности методов математического моделирования
работы судовых холодильных установок. Курсанты
Калининградского высшего инженерного морского училища проходят
интересную практику на рефрижераторных судах, где работа
матроса связана и с путешествиями, и с напряженными
исследованиями в трудных условиях, и с познанием новейших
технических достижений. Курсант-матрос — специалист особого
класса. Это рабочий, оснащенный мировоззрением эпохи
научно-технической революции.
4.8. ФИЗИЧЕСКИЕ ПРОБЛЕМЫ САМОЙ ЗНАКОМОЙ
ПРОФЕССИИ
Вряд ли найдется человек, который не был бы знаком со
стиркой белья. И если углубиться в историю прачечного ремесла,
то окажется, что оно восходит к самым древним временам.
Сегодня, пользуясь стиральными порошками, мы не
задумываемся над тем, насколько физический режим стирки отличается
от тех многих способов, которые применяли наши предки, чтобы
избавиться от загрязнений одежды. Не задумываемся мы и над
тем, сколь различны и современные режимы стирки. Каждый
из Нас, растворяя в воде мыло или стиральный порошок,
создает некоторый частный режим взаимодействия физико-
химических процессов, который не похож на все предыдущие
и последующие. Почему?
Дело в том, что, помимо таких сил, как трение, процесс
стирки охватывает такие физические процессы, которые
подчиняются статистическим, вероятностным законам. Таково,
например, распределение в моющем растворе частиц порошка или
мыла, а также пузырьков пены. Каждый раз, устанавливая
некоторую температуру воды и заливая водой отстирываемые
вещи, мы создаем определенное статистическое распределение
частиц моющего средства и его пузырьков.
Перемещения частиц моющего вещества в таком растворе
несколько напоминает броуновское движение. Смещения частиц
взвешенного вещества, происходящие под действием молекул,
находящихся в беспорядочном движении, подчиняются
статистическим уравнениям А. Эйнштейна и П. Ланжевена1.
В отличие от формулы Эйнштейна, уравнение Ланжевена
можно представить себе в виде суммы двух членов: первый
описывает действие на частицу силы трения, а второй учитывает
случайные, статистические процессы, действующие на смещение
частицы. Но это, конечно, несколько упрощенное представление.
1 Подробнее об этих уравнениях см.: Ланжевен П Избранные труды.—
М., 1960 —С. 338.
141
Уравнение Ланжевена применяют не только для изучения
броуновского движения, но в астрофизике, в кинетике плазмы.
Это уравнение интересно еще и потому, что в структуру его может
быть вложено различное физическое содержание, а
закономерности процессов остаются аналогичными, имеем ли мы дело
с броуновским движением частиц, с космической плазмой или
с ионизированными процессами в газоразрядных трубках.
Но вернемся к оставленному нами на некоторое время в
мыльном растворе белью. Теперь мы нарушим его статистическое
равновесие и введем собственные силы трения, приступив к
стирке.
Говоря о форме барабана, в котором происходит стирка,
мы подразумеваем конкретное гидродинамическое распределение
потоков жидкости, которое оказывает влияние и на
статистические процессы, и на непосредственную обработку вещей
жидким раствором.
Казалось бы, каждый процесс стирки неповторим. В
масштабах всего разнообразия способов и режимов прачечного ремесла
это справедливо. Но тем не менее наука располагает методами,
позволяющими разрабатывать управляемые процессы
автоматизированной стирки. Конечно, для этого надо понимать, какие
физико-химические процессы здесь происходят.
Например, иногда приходится перестирывать вещи,
полученные из прачечной. Это происходит из-за нарушения технологии,
которое имеет конкретное название: ресорбция.
Механические поточные линии для обработки белья
представляют собой машины тоннельного типа, в которых
механическое воздействие на белье производится вращающимися трубами
при прохождении белья внутри тоннеля. Там-то и может
произойти вторичное загрязнение белья. Если в стиральной установке
не обеспечена точная граница между технологической зоной,
где отстирывается белье, и отходами моющего раствора, то
происходит проникновение загрязнений из раствора.
Оказывается, что потоки и противотоки жидкости в поточной линии имеют
очень сложную гидродинамическую структуру. Неправильная
регулировка этих потоков и приводит к ресорбции — вторичному
загрязнению белья.
Гидродинамика тоннельной стиральной установки не менее
сложна, чем аэродинамика воздушных потоков в
аэродинамической трубе для испытания новой модели самолета. И в том
и в другом случае уравнения гидродинамики не могут точно
описать структуру потоков, обтекающих «объект»; поэтому
требуются модельные испытания.
В процессе стирки используются три вида энергии:
механическая, химическая и внутренняя. Механическая энергия
создается за счет усилий, обеспечиваемых конструкцией стиральной
машины или в результате непосредственного физического
труда. Химическая энергия вводится в процесс моющими
149
средствами. Внутренняя энергия всей технической системы
обеспечивается за счет повышения ее теплосодержания.
Исследования показали, что наибольшую долю в
эффективность отстирывания вносят воздействия, связанные с
механической энергией. На их долю приходится около 50% эффекта
стирки. В стиральной машине барабанного типа механическое
воздействие возникает за счет вращения барабана: при этом
белье захватывается гребнями, вместе с частью моющего
раствора поднимается и по достижении определенного положения
соскальзывает вниз.
Химическое воздействие моющего средства на загрязнение
зависит от процессов адгезии, т. е. прилипания к внешней
поверхности тел молекул или частиц другого тела. Длинная
молекулярная цепочка моющего вещества прилипает к поверхности
отстирываемого тела и снимает с него загрязнение. Адгезия
связана с молекулярными силами сцепления и принадлежит
к так называемым поверхностным явлениям.
В пограничных слоях молекулы проявляют повышенную
активность; молекулы ориентированы таким образом, чтобы их
свободные связи могли войти во взаимодействие с инородными
частицами.
На поверхности раздела твердых и жидких тел возникает
избыток свободной энергии. В основе этого явления лежит
другой процесс — адсорбция, при котором из газообразной или
жидкой среды на поверхности раздела образуется слой аномально
высокой концентрации вещества (адсорбата). Поглощаемое
вещество называется адсорбентом.
Можно представить себе молекулы поверхностного слоя со
свободными связями как ряд спичек, головки которых обращены
в окружающую среду: т. е. молекулы поверхностного слоя
ориентированы своей активной «стороной» наружу.
Следует отличать адсорбцию от адгезии. Проявления
адсорбции гораздо шире физических механизмов адгезии. Всем известно
образование мыльных пузырей. Свободная поверхность
воздушного пузыря испытывает поверхностное натяжение, под
действием которого пузырь стремится уменьшить свою
поверхность, а наименьшую поверхность, нам известно, имеет сфера.
Мыльный пузырь — это «кирпичик» пены, которая используется
в стирке. Пена — это множество пузырьков. Даже малая
добавка мыла к воде делает ее пригодной для построения
устойчивого пузыря.
Учение об адсорбции — значительный раздел физической
химии. Мы ограничимся теми сведениями, которые относятся
к непосредственной технологии стирки.
Существует огромный класс веществ — так называемые
поверхностно-активные вещества, или сокращенно ПАВ, молекулы
которых легко и охотно адсорбируются на поверхности
жидкости. Такими веществами, в частности, богаты мыла.
150
Молекула ПАВ — это удлиненная цепочка, состоящая из
многих атомов водорода и углерода. Такая молекула-цепочка
обладает одной очень важной особенностью — концы ее имеют
различную структуру и по-разному относятся к соседству с
водой. Один конец охотно соединяется с водой, а
противоположный инертен по отношению к воде. Именно поэтому
молекулы мыла на поверхности воды должны выстраиваться
так, чтобы с водой соприкасались лишь те концы, которые
испытывают к ней сродство.
Если опять сравнить молекулы со спичками, то, допустим,
молекулы охотно пристраиваются к воде головкой, образуя
на ее поверхности двумерный частокол. Адсорбция мыла на
поверхности воды понижает ее поверхностное натяжение в 2,5
раза. Однако бывает и такое явление. Если на плоскую
поверхность воды, в которой растворено моющее вещество, например
шампунь, упадет капля такого же раствора, может произойти
неожиданное: капля, преодолев поверхностный слой жидкости,
обогащенный молекулами поверхностно-активного вещества,
проникнет в жидкость и в ее объеме образует сложную
конструкцию: капля, окруженная слоем газа, за которым
находится жидкость. Эту замкнутую прослойку газа естественно
назвать мыльным антипузырем. Обычный мыльный пузырь —
это сферический слой жидкости между двумя газовыми средами,
а мыльный антипузырь — это сферический слой газа между
двумя жидкими средами.
Главную роль в стирке играют различные физические
механизмы, связанные с образованием пены — множества пузырей.
Образование пены требует интуиции и правильного подбора
температурного режима и стирального моющего средства.
Поиск наилучших моющих средств представляет особое
направление в прачечном деле. Некоторые моющие средства теряют
свои свойства при слишком высоких температурах. Исчезновение
их моющей способности пока является загадкой и представляет
исследовательский интерес.
До сих пор речь шла о свойствах моющих средств и их
пенообразований. Но технологический режим стирки зависит и
от физических свойств воды. С давних пор в селах ходили
полоскать белье к проруби. Кипятили золу, чтобы вода была
мягче, и т. д.
Сейчас физика занимается разнообразными свойствами воды.
Физиков интересует и содержание в ней изотопов водорода, и
аномалии, среди которых — переменная прочность воды.
Прочность понимается как сила сцепления между ее молекулами.
Это не мешает представлению о ее текучести. Оказалось, что
существование внутри воды растворенных в ней пузырьков, резко
понижает ее прочность. Это как бы «каверны», разрушающие
ее изнутри. С прочностью воды связаны гидродинамические
процессы и процессы пенообразования. Должен ли оператор
151
прачечной следить за новейшими физическими исследованиями,
связанными с его конкретным делом?
В профессии самосознание человека часто ведет к
неожиданным свершениям. Вопрос «кто я?» обязательно включает
в себя также вопрос «кем я могу, хочу и должен стать?».
Сотрудник механической прачечной, развозящий белье с
повреждениями, разумеется, не несет ответственности за брак
автоматизированной установки. Но если этот молодой специалист
имеет среднее техническое образование, то он не может не
заинтересоваться: нет ли перекоса в машине? А может быть
центровка осей тоннельной машины сделана неточно? А не
заключена ли ошибка в чрезмерной концентрации моющего
средства, разъедающего белье? Контрольные приборы для
установления причин брака можно достать так же, как достают
измеритель кровяного давления, когда больной болен
гипертонией. И в том и в другом случае речь идет о благе человека.
Я знаю немало молодых изобретателей — рационализаторов
в прачечном деле, которые скромно улучшают свою сложную,
но такую важную для нас бытовую промышленность. В этом
древнем ремесле сохранилась присущая человеку любовь к
опрятности и красоте.
ЗАКЛЮЧЕНИЕ
Мы попытались рассказать о том, как используется физика
в творчестве инженеров, рабочих, изобретателей и технологов.
В задачах, стоящих перед людьми разных профессий, есть
много общего: физические законы, охватывающие и природу,
и нашу техническую цивилизацию, создают гармоническое
единообразие подходов и решений. Мы видим, как обогащается
современное машиностроение методами, разработанными в
физической микроэлектронике. С другой стороны,
твердотельная технология, развивающаяся на основе кремния, все больше
напоминает классическую металлургию, известную еще с XIX в.
Разумеется, проблемы микроэлектроники, когда технология
приближается к атомным константам вещества, отличаются
от традиционных приемов старой технологии. Но это же различие
все больше наталкивает машиностроителей на пересмотр
вековых представлений о работе технолога. Различие не
всегда разделяет: оно может оказаться стимулом для
подражания. А критерием будущих успехов в современной
технологии является физика.
Автор пытался связать решение проблем с творчеством
человека. Поэтому много внимания было уделено различным
приемам технического творчества, не всегда связанным с
физикой. Однако конечной целью всех этих отступлений было
доказательство эффективности физических принципов решения
профессиональных задач. И хотя все творческие задачи,
приведенные в книге, имели свое физическое решение, мы не
сомневаемся в том, что молодые специалисты предложат
немало изящных и остроумных применений уже известным
изобретениям. В своих профессиональных замыслах можно
изменить и улучшить решение самой банальной задачи. Это
относится ко всем примерам, приведенным в первой части —
«Техническое творчество и физика».
Зато физические проблемы, разобранные в рассказе о
физиках-станочниках, никак нельзя назвать легкими или простыми.
153
Часто в станке рождается «паразитный» физический эффект,
который еще неизвестен экспериментаторам в лаборатории.
Такие эффекты надо и «обуздывать», чтобы добиваться высокого
качества продукции. Мы хотели бы, чтобы читатель,
познакомившийся с профессией физиков-станочников, захотел пойти
в цех, где работают электрофизические станки.
Каждый работающий на заводе знает, что производство
непрерывно меняется: это живой, развивающийся организм.
Поэтому мастерство и знание настоящего профессионала также
должны непрерывно совершенствоваться. Мы убедились в том,
что даже токарный станок и вековая литейная форма
открывают совершенно новые подходы. Через некоторое время они
превратятся в новые технические системы. Говоря о «системе»,
мы становимся на позиции современного научного мышления.
Системный подход — это учет многих факторов и законов,
действующих на технический объект. Чтобы внедрить свой
творческий замысел в технологию, надо мыслить системно.
Автор не сомневается в том, что читатели выдвинут немало
собственных подтверждений полезности физического и
системного подходов к тупиковым ситуациям в технологии и технике.
Жизнь не менее разнообразна, чем физика. Наш мир,
обогащенный физическим знанием, может стать новой прекрасной
реальностью, в которой творческое поколение профессионалов
создаст еще непознанные человечеством блага цивилизации.
РЕКОМЕНДУЕМАЯ ЛИТЕРАТУРА
Часть 1.
Техническое творчество и физика
Бородастов Г. В., Денисов С. А., Ефимов В. А.
Указатель физических явлений и эффектов для решения
изобретательских задач.— М., 1979.
Буш Г. Я. Рождение изобретательских идей. — Рига,
1976.
Капица П. Л. Эксперимент. Теория. Практика. — М.,
1981.
Суорц Кл. Э. Необыкновенная физика обыкновенных
явлений/ Пер. с англ.— М., 1986.
Япинь А. В., Гольдштейн А. И., Буш Г. Я.
Управление решением изобретательских задач.— Рига, 1982.
Альтшуллер Г. С. Анализ, формулы и немного фантазии//
Техника и наука.—1979.—№ 10.
Альтшуллер Г. С, Горин Ю. Отталкиваются —
притягиваются...// Техника и наука.—1981.—№ 7.
Альтшуллер Г. С. Физэффекты — инструменты
технического творчества// Техника и наука.—1981.—№ 1.
Альтшуллер Г. С. Формулы талантливого мышления.
Прелюдия теории// Техника и наука.—1979.—№ 3.
А мну эль П., ... Научная фантастика нужна инженерам//
Техника и наука.—1981.—№ 8.
Белильцев В. Плюс геометрия// Техника и наука.—
1982.—№ 7.
Верткин И. Сила ритма// Техника и наука.—1982.—
№ 3.
Горин Ю. Корона — инструмент рабочий// Техника и
наука.—1981.—№ 4.
155
Горин Ю. Тонуть или не тонуть// Техника и наука.—
1981.—№ 6.
Подойницын В. X. Инструменты для творчества//
Техника и наука.—1979.—№ 10.
Померанц М. Магия магнитных жидкостей// Техника и
наука.— 1981.—№ 3.
Померанц М. Почти идеальное вещество //Техника и
наука.— 1981.—№ 5.
Саламатов Ю. Агент «000»// Техника и наука.—
1982.—№ 6.
Часть 2.
Законы физики и законы технологии
Дорфман В. Ф. На рубеже тысячелетий.— М., 1982.
Дорфман В. Ф. Твердотельные интегральные структуры и
их синтез.— М., 1981.
Л ем С. Сумма технологий.— М., 1975.
Образцов И. П. НТР и образование инженеров.— М.,
1974.
Природный В. Эволюция технологии микроэлектроники.—
М., 1985.
Часть 3.
Представление о тупиках в технологии
В прошлом — инженер-технолог... Интервью с технологами//
Техника и наука.—1985.— № 12.
Янушонис С. С. Как технология зашла в тупик//
Химия и жизнь.—1984.—№ 2.
Часть 4.
Физика в истории и жизни профессий
Артамонов Б. А., Волков Ю. С. Размерная и
электрохимическая обработка.— М., 1975.
Беляков В. А. Жидкие кристаллы.— М., 1986.
Бирюков Б. Н. Электрофизические и электрохимические
методы размерной обработки.— М., 1981.
Грановский В. Л. Электрический ток в газе.— М.,
1971.
Калашников С. Г. Электричество.— М., 1985.
Мельдер Р. Р. Физические основы электроэрозионной
обработки.— М., 1977.
156
Миркин Л. И. Физические основы обработки материалов
лучами лазера.— М., 1975.
Подураев В. И. Технология физико-химических методов
обработки.— М., 1985.
Применение физических знаний в процессе производственного
обучения токарей ПТУ/ Под ред. О. С. Гребенюка.— М.,
1985.
Применение физических знаний на уроках спецтехнологии
при подготовке слесарей-сантехников, газосварщиков /Под ред.
О. С. Гребенюка.—М., 1985.
Холодильная технология рабочих продуктов/ Под ред.
Л. И. Константинова.— М., 1984.
СОДЕРЖАНИЕ
Предисловие
Часть 1.
Техническое творчество и физика
1.1. Изобретатель: профессия — или
призвание? 5
1.2. Методы технического творчества . . 8
1.3. Техническое решение и физический
принцип действия 17
1.4. Закономерности технических систем и
применение физических эффектов . 18
1.5. «Охота» за физическими эффектами 22
1.6. Изобретатели перестраивают физику 26
1.7. Профессиональные задачи в
биографиях изобретателей 32
Часть 2.
Законы физики и законы технологии
2.1. Что такое технология? 48
2.2. Какие законы действуют в
технологии? 50
2.3. «Классическая» технология и
микроэлектроника 55
2.4. Профессиональное творчество в
технологии 62
Часть 3.
Представление о тупиках в технологии
3.1. Тупик без тупика (литье) 68
3.2. «Магическая восьмерка» — или
изобретательская идея в
микроэлектронике 71
3.3. Технолог и рабочий. Ответственность
за физическое качество продукции 75
Часть 4.
Физика в истории и жизни профессий
4.1. Великие открытия и новые профессии
в одном политехникуме (Из истории
физики) 82
4.2. Новое состояние вещества — и старые
профессии 85
158
4.3. Физики становятся станочниками 87
4.4. Физика токарного станка сегодня и
завтра 114
4.5. Слесарь-сантехник, газосварщик, их
физические проблемы 125
4.6. Мотор автомобиля и окружающая
среда 135
4.7. Физические принципы рыболовства 143
4.8. Физические проблемы самой
знакомой профессии 148
Заключение 153
Рекомендуемая литература 155
Учебное издание
Гнедина Татьяна Евгеньевна
ФИЗИКА И ТВОРЧЕСТВО В ТВОЕЙ ПРОФЕССИИ
Зав. редакцией И. А. Иванов
Редактор Т. П. Каткова
Младшие редакторы Е. А. Сафронова, О. В. Агапова
Художники С. Ф. Л у хин, В. П. Л у хина
Художественный редактор В. М. Прокофьев
Технические редакторы С. С. Якушкина, Л. В. Хорощук
Корректор 3. А. Безпалова
ИБ № 10598
Сдано в набор 17.09.87. Подписано в печать 14.07.88. Формат 60 X 90'/|б-
Бум. офсетная № 2. Гарнитура литературная. Печать офсетная. Усл. печ. л. 10,0 +
+0,25 вкл.+0,25 форз. Усл. кр.-отт. 22,5. Уч.-изд. л. 10,35+0,28 вкл.+
+0,30 форз. Тираж 155000 экз. Заказ 1640. Цена 85 коп.
Ордена Трудового Красного Знамени издательство «Просвещение»
Государственного комитета РСФСР по делам издательств, полиграфии и книжной
торговли. 129846, Москва, 3-й проезд Марьиной рощи, 41.
Смоленский полиграфкомбинат Росглавполиграфпрома Государственного
комитета РСФСР по делам издательств, полиграфии и книжной торговли.
214020, Смоленск, ул. Смольянинова, 1.
85 к.
ф Предисловие
ф Техническое творчество и физика
ф Законы физики и законы
технологии
ф Представление о тупиках в
технологии
ф Физика в истории и жизни
профессий
ф Заключение
ф Рекомендуемая литература
(5