Повышение эффективности использования полезных потоков
Закономерность развития технических систем, заключающаяся в том, что в процессе развития происходит повышение эффективности использования полезных потоков.
· Устранение "застойных зон"
Закономерность развития технических систем, заключающаяся в переходе от потока, содержащего области, в которых некоторая его часть задерживается надолго или навсегда, к потоку, свободному от таких областей.
"Застойная зона" - это область потока, в которой некоторая его часть задерживается надолго или навсегда. В результате эффективная мощность потока уменьшается, как при наличии утечек, хотя формально он весь остается в системе. Следовательно, устранение "застойных зон" ведет к повышению эффективности использования полезного потока за счет повышения полноты его использования без увеличения общей мощности.
Пример - проблема холодного старта автомобильного двигателя (Рисунок 250):
Рисунок 250 Холодный старт
Известно, что до 70-80% износа двигателя происходит во время так называемого "холодного старта". Дело в том, что при старте двигателя в холодную погоду, когда смазочное масло загустевает, масляный насос не успевает его подавать в цилиндры, и первое время трение в паре "цилиндр - поршень" происходит без всякой смазки, что, естественно, приводит к усиленному износу. Как видим, налицо типичная "застойная зона" в потоке масла, временно возникающая при холодном старте. Действительно, формально масло в системе имеется в достаточном количестве, но не используется по назначению, т.к. застряло где-то на подходе.
|
|
|
Понятно, что с этим явлением борются - например, с помощью специальных добавок в масло (Рисунок 251), или просто прогревая двигатель на холостых оборотах. Похоже, универсального решения пока нет, но, несомненно, рано или поздно тренд восторжествует, и можно будет стартовать прямо с места, не боясь за двигатель.
Еще один пример - дорожный перекресток (Рисунок 252). Чтобы пропустить один поток машин, приходится останавливать другой. Формально на дороге места достаточно, а фактически - за перекрестком пусто, а перед ним - застойная зона, т.е. всем хорошо знакомая пробка. В соответствии с трендом, такие зоны устраняют, например, с помощью многоуровневых развязок (Рисунок 253).
Рисунок 251 Добавки к маслу
Рисунок 252 Дорожный перекресток
Рисунок 253 Многоуровневая дорожная развязка
· Переход к импульсным воздействиям
Закономерность развития технических систем, заключающаяся в переходе от постоянного потока к импульсному (в т.ч. знакопеременному) потоку.
Нередко эффективность потока зависит в основном от его амплитудного значения. Поэтому для повышения эффективности выгодно переходить к импульсному потоку. Суммарная мощность такого потока может быть небольшой т.к. его действующее значение невелико, а эффективность значительной, т.к. амплитуда импульсов может быть весьма высокой. К тому же большую амплитуду легче обеспечить в импульсном режиме, накапливая энергию в паузах.
|
|
|
Пример: разрушение бетона импульсной струей воды (Рисунок 254):
Рисунок 254 Импульсный пульсатор
· Использование резонанса
Закономерность развития технических систем, заключающаяся в переходе от импульсного (переменного) потока с произвольной частотой к потоку, частота которого равна частоте собственных колебаний источника потока, элементов его тракта или объекта, на который направлен поток.
В частности, использование резонанса позволяет обеспечить избирательное высокоинтенсивное воздействие при небольшой суммарной мощности потока.
Пример - резонансный конвейер (Рисунок 255):
Рисунок 255 Резонансный конвейер
В отличие от обычного виброконвейера, он при тех же затратах энергии и габаритах обеспечивает значительно большую производительность. Дело в том, что его подвижная часть вибрирует на частоте собственных колебаний, поэтому энергия привода используется с максимальной эффективностью.
|
|
|
· Модулирование потока
Закономерность развития технических систем, заключающаяся в переходе к потоку, характеристики которого меняются во времени в соответствии с изменениями характеристик объекта, на который направлен поток.
Поток модулируют таким образом, что он действует на объект только в те моменты времени, когда объект наиболее чувствителен к этому воздействию. При этом эффективность потока увеличивается.
Пример - такая общеупотребительная вещь, как атомная бомба (Рисунок 256):
Рисунок 256 Атомная бомба
Оказалось, что для ее подрыва необходимо создать в расщепляющемся материале поток нейтронов определенного уровня. Для этого там предусмотрена нейтронная пушка. Но облучать уран просто так бесполезно - все равно не создать нейтронный поток такой плотности, которая необходима для инициирования реакции. Поэтому нейтронный луч включают ровно в тот момент, когда все докритические части заряда соединяются вместе - именно тогда, когда они наиболее чувствительны к нему. Тут-то все и происходит.
· Использование градиентов
Закономерность развития технических систем, заключающаяся в переходе от равномерно или произвольно распределенного в пространстве потока к потоку, характеристики которого распределены в пространстве в соответствии с расположением объекта (частей объекта, нескольких объектов), на который (которые) направлен поток.
|
|
|
Часто высокая интенсивность потока нужна только в какой-то определенной области (оперативной зоне), в то время как затраты определяются общей интенсивностью. Поэтому для повышения эффективности выгодно применять поток с градиентом - высокоинтенсивный в оперативной зоне и слабый по всему остальному тракту.
Собственно, на концентрации усилия в выбранном месте изделия основано действие всех режущих и колющих инструментов - при относительно небольшом общем усилии напряжения в месте контакта, имеющем очень малую площадь, возрастают настолько, что превосходят пределы сопротивления материала.
Еще пример - резка стекла (Рисунок 257):
Рисунок 257 Резка стекла
Рабочий процарапывает стекло в нужном месте, а затем слегка нагружает его. При этом возникает такая концентрация напряжений, что стекло не выдерживает и отламывается ровно по надрезу.
Еще пример - кумулятивный заряд (Рисунок 258):
Рисунок 258 Кумулятивный заряд; скорость 8 км/сек
Благодаря особой форме заряда большая часть энергии взрыва концентрируется в очень малой области, что обеспечивает чрезвычайно высокую эффективность пробивания брони при весьма невысокой общей мощности заряда.
· Сложение нескольких однородных потоков
Закономерность развития технических систем, заключающаяся в переходе от одного сильного потока к нескольким слабым, складывающимся в нужном месте.
Для достижения локальной концентрации потока можно также использовать несколько слабых однородных потоков, которые складываются в оперативной зоне. Для потоков, имеющих волновую природу, можно использовать явление интерференции. Поскольку выигрыш в суммарной мощности таким способом не достигается, обычно так поступают в тех случаях, когда несколько слабых потоков обеспечить легче, чем один сильный.
Пример - уже упоминавшаяся по другому поводу многовесельная лодка (Рисунок 259). Каждый гребец в отдельности не может создавать большое усилие в течение длительного времени, а все вместе - могут, просто за счет сложения.
Рисунок 259 Многовесельная лодка
Еще пример - сушка бумаги. Мокрую бумагу перематывают с барабана на барабан и отжимают свободную воду специальным роликом (Рисунок 260):
Рисунок 260 Сушка бумаги
При этом, чтобы снизить вязкость воды и тем самым увеличить эффективность отжима, бумагу нагревают. Для этого опорный барабан изнутри обогревают паром. Однако выяснилось, что из-за огромной скорости перемотки время контакта бумаги с горячей поверхностью барабана столь мало, что вода не успевает нагреться. Если же увеличить температуру барабана, то из-за ограниченной теплопроводности бумаги ее поверхностные слои, прилегающие к барабану, начнут обгорать. Т.е. сложилась ситуация, в которой сильный поток тепла использовать нельзя, а слабого не хватает. Поэтому, в соответствии с трендом, ввели второй поток тепла - стали обдувать бумагу снаружи горячим воздухом.
· Многократное использование потока (сложение потока с самим собой)
Закономерность развития технических систем, заключающаяся в переходе от сильного потока к слабому, многократно проходящему через оперативную зону.
Суммарную мощность потока можно снизить, если обеспечить многократный проход относительно слабого потока через оперативную зону. Обычно так поступают в тех случаях, когда сильный поток создать трудно или он не может быть использован полностью за один проход, а эффект от него может накапливаться.
Пример - катушка электромагнита (Рисунок 261):
Рисунок 261 Электромагнитная катушка
Необходимую напряженность магнитного поля, в принципе, можно получить, имея всего один виток. Однако для этого понадобится пропустить по нему ток огромной силы. Вместо этого используют относительно слабый ток, многократно проходящий через оперативную зону - для этого его пропускают по многовитковой катушке; при этом магнитные поля от каждого витка складываются в одно мощное поле.
· Использование двух разнородных потоков для достижения синергетического эффекта
Закономерность развития технических систем, заключающаяся в переходе от одного сильного потока к двум слабым разнородным, совместное использование которых приводит к синергетическому эффекту.
Иногда вместо одного мощного потока можно использовать два слабых разнородных, которые обладают синергетическим эффектом. Этот эффект заключается в том, что результат одновременного воздействия обоих потоков значительно больше, чем сумма результатов их раздельного использования. За счет этого слабые потоки при небольших потерях обеспечивают высокую эффективность системы.
Пример - проблема уничтожения спор сибирской язвы (Рисунок 262). Эти споры крайне устойчивы к нагреву и химическим воздействиям. Однако оказалось, что одновременное воздействие некоторых химических агентов и относительно небольшого нагрева надежно их убивает. Т.е. налицо использование синергетического эффекта двух одновременно действующих потоков (тепла и химических реагентов).
Рисунок 262 Споры сибирской язвы
· Предварительное насыщение оперативной зоны веществом, энергией и информацией
Закономерность развития технических систем, заключающаяся в переходе от сильного потока к слабому, действующему на объект, предварительно насыщенный составляющими этого потока.
В идеале потоков в системе вообще не должно быть, поскольку любой поток приводит к потерям и дополнительной нагрузке на систему. Полного свертывания потоков можно добиться, если заранее насытить оперативную зону веществом, энергией и информацией нужного вида и в требуемом количестве. При этом часто достаточно слабого инициирующего сигнала для проведения всего процесса. Если невозможно полностью снабдить оперативную зону всем необходимым, можно ограничиться частичным насыщением. В этом случае можно будет перейти к использованию слабых потоков.
Пример на предварительное введение вещества - снотворные таблетки (Рисунок 263):
Рисунок 263 Снотворные таблетки
При их передозировке возможно отравление вплоть до смертельного исхода. В этом случае для спасения человека часто достаточно вызвать рвоту. Поэтому, в соответствии с трендом, было найдено следующее решение - в таблетки заранее ввели небольшую дозу рвотного. В обычной ситуации это никак не сказывается на самочувствии, а при значительной передозировке оно срабатывает раньше, чем человеку будет нанесен непоправимый вред.
Еще пример - уже упоминавшиеся мины. Вместо того, чтобы обстреливать противника (обстрел - это организация потока определенных веществ через внешнюю среду), заряды заранее располагают в местах его вероятного появления.
Пример на предварительное насыщение оперативной зоны энергией - саморазогревающиеся консервы (Рисунок 264). Теперь не нужен костер или иной внешний источник тепла - просто нажми на донышко и получишь банку горячего кофе.
Рисунок 264 Саморазогревающиеся консервы
Пример предварительного насыщения оперативной зоны информацией - использование кодовых сигналов. Если заранее договорится, какой сигнал что означает (т.е. предварительно ввести в ОЗ подавляющую часть информации), то любой сигнал (и, в принципе, даже отсутствие сигнала!) может нести практически неограниченный объем информации. Так, командиры подводных лодок имеют подробнейшие инструкции о порядке действий в случае, если они после всплытия не получат определенного сигнала с базы (отсутствие сигнала означает уничтожение базы - тут-то подводная лодка себя и проявит так, что супостату мало не покажется!).
· Снижение интенсивности потоков информации за счет перехода к саморегулирующимся процессам
Закономерность развития технических систем, заключающаяся в переходе от системы с принудительным регулированием, сопровождающимся большими потоками информации между системой управления и рабочим органом, к саморегулирующейся системе.
Часто потоки информации в системе необходимы для управления протекающими в ней процессами. Снизить интенсивность или вообще исключить эти потоки можно, если использовать саморегулирующиеся процессы.
Пример - чайник со свистком (Рисунок 265):
Рисунок 265 Чайник со свистком
Свисток - это информационный сигнал, по которому человек должен все бросить и идти выполнять определенные действия - снять чайник с огня или выключить его. Затем сделали самовыключающийся чайник, в котором сидит почти полностью свернутая изящная системка - биметаллическая пластина. Это датчик и исполнительный элемент в одном лице, использующий для работы энергию своей надсистемы. В итоге человек может заниматься своими делами, а не бегать по свистку, как собачонка.
Дата добавления: 2020-04-25; просмотров: 142; Мы поможем в написании вашей работы! |
Мы поможем в написании ваших работ!