ДЕНЬ СЕМНАДЦАТЫЙ

ЗАНЯТИЯ ВЕДУТ ДУБЛЕРЫ

Сегодня в лагере день самоуправления. Рапорты на линейке принимает Председатель Совета летней школы Гена. А преподаватели и начальник скромно заняли места возле отрядов. Занятия в секциях тоже проводят ребята. «Эртэвэшники» расскажут о применении физики в изобретательстве: о тепловом, электрическом и магнитном полях.

Ребята решают предложенную Борей задачу. Строят веполь:

B₁ — жидкость, B₂ — емкость, в которой жидкость находится. Нет поля. Значит, нужно ввести. Какое поле? Вспоминают магическое слово ТЭММАГ, Тепловое? Конечно, если нагреть сосуд с жидкостью до температуры, при которой жидкость расширится на нужную дозу, то задача решена. А если нужно еще точнее дозировать?

— А чем определяется точность?
— Наверное, коэффициентом теплового расширения. Чем сильнее расширяется жидкость, тем лучше.
— А если все равно недостаточно?
— Нагревать сильнее.
— Пока она в газ не превратится, тогда ее объем резко возрастет и можно еще точнее отделить нужную дозу.
— С тепловым полем связаны такие физические превращения веществ, как фазовые переходы и в первую очередь изменение агрегатного состояния. Это мы использовали только что при решении. Но особенно велико количество задач, решаемых с превращением воды в лед. Помните их? — спрашивает строго Боря.
— Задача с увеличением диаметра трубы.
— Правильно. Вода, превратившись в лед в замкнутом объеме, развивает огромные усилия. На этом принципе устроен ледяной пресс. А изобретатель П. А. Радченко придумал очень простое устройство для развальцовки трубок. Когда он продемонстрировал такую трубку инженерам, те очень заинтересовались. «Нам удалось найти вещество, которое, когда нужно, расширяется и раздает трубку, а потом само превращается в жидкость и вытекает», — объяснил, хитро улыбаясь, изобретатель. Специалисты завздыхали: «Наверное, это очень дорогое, редкое вещество, оно очень нужно заводу, да разве достанешь...» Но, конечно, это была обыкновенная вода! А еще были задачи со льдом?
— Были! Уборка влажного зерна, ягод облепихи!
— Лента для конькобежца!
— Сверление слюды!
— Во всех этих задачах использовалось свойство льда придавать прочность тем веществам, с которыми он соединяется. Мы много решали задач с тепловыми полями. Такие веполи, в которых поле — тепло, даже получили особое название — теполи. Но о чудесных свойствах льда еще не все рассказано. Например, лед можно использовать как клей (приморозить небольшие предметы) или, наоборот, для уменьшения трения при перевозке тяжелых грузов, чтобы они скользили как санки. Сначала кажется, что возможности теплового поля не такие уж и большие. Нагрели — охладили. При нагревании тела расширяются, при охлаждении — сжимаются, причем ненамного. Но уже лед ведет себя иначе. Есть и другие вещества, например висмут, которые при нагревании уменьшаются в размерах. Этому странному веществу, конечно, тут же нашли «работу» — в качестве очень чувствительного предохранителя электрической цепи. В тонкой стеклянной трубке запаян висмут, трубка включена в электрическую цепь. Когда ток в цепи превышает определенную величину, висмут плавится и при этом уменьшается в объеме настолько, что столбик разрывается на отдельные части. Что при этом происходит?
— Ток прекращается.
— Правильно! — важно замечает Боря. — А когда висмут остынет, и снова займет положенное место, ток потечет снова. Вообще, необычные металлы и вещества резко расширяют возможности теплового поля. Например, использование биметаллов. Совершенно удивительны возможности новых сплавов, обладающих «эффектом памяти формы» (ЭПФ). Сделали из такого вещества трубку и обработали при определенной температуре. Затем изменили ее, например, развальцевали (расширили). Теперь если эту трубку снова нагреть до той температуры, при которой проводилась первоначальная термообработка, она «вспомнит» старую форму и диаметр трубки уменьшится, как бы сам по себе. Получилась идеальная муфта — устройство для соединения труб, стержней. И ничего загадочного в химическом составе вещества с ЭПФ нет, это сплавы на основе меди, железа, никеля, марганца. В настоящее время наиболее известен нитинол — никелид титана.

Материалы с ЭПФ могут запоминать не одну форму, а две — «холодную» и «горячую», и если их то нагревать, то охлаждать, они будут попеременно «вспоминать» то одну, то другую форму, причем делать это многократно. Трудно даже перечислить возможности применения этих материалов. Интересно, что свойство запоминать форму сегодня известно не только у металлов, но и у некоторых полимеров. В Молдавии выпускают пластмассовые трубки, способные от тепла резко уменьшать свой диаметр. Они могут применяться для многих целей, например для соединения разных деталей.

О применении электрического поля рассказывает Андрей:

— Еще в 1733 году Шарль Франсуа Дюфе, директор Парижского ботанического сада, показал несложные опыты по притягиванию и отталкиванию электрических зарядов. Казалось бы, более чем за 250 лет можно было узнать все об электричестве, но и сегодня люди продолжают изучать его свойства и находят все новые применения этой необыкновенной силе.

С задачами на использование электрических полей мы тоже встречались. Например, для улучшения распыления ядохимикатов ввели электростатические заряды. Способность их притягивать к себе малые, даже незаряженные частицы и таким образом служить центрами сбора, конденсации используется в технике очень широко — от туманной камеры Вильсона для наблюдения за элементарными частицами до коагуляции пыли в электрических фильтрах. Электростатическое поле — весьма эффективный клей для малых частиц, тонких пленок. Еще одна особенность электростатического поля — умение порождать электрические заряды, то есть «своих человечков». Так сильное неоднородное электрическое поле вызывает «коронный разряд». Ионизированный газ светится вокруг источника этого поля, и светящееся облако напоминает корону. Это можно использовать либо для проверки состава или плотности газа, либо для измерения размеров и степени заострения источника короны.

Строим веполь. Есть B₁ — лента бумаги. Нужно ввести B₂, которое вместе с B₁ дает легко обнаружимое поле. И хорошо бы B₂ и поле П получить из ресурсов. Какие у нас ресурсы?

— Лента движется, энергия движения ленты.
— Можно ли эту энергию использовать или преобразовать в другой, более удобный вид?
— Бумага обычно электризуется от трения. Это можно использовать?
— Конечно, можно. Бумага несет на себе заряд, с ним борются, а его можно пристроить к делу. При обрыве ленты заряд пропадает, это легко зафиксировать и таким образом получить информацию о неполадке.

Электростатика может быть не только полезной, но и вредной. С электризацией кузова автомобиля борются, цепляя антистатические «хвостики» из металлизированной резины, отводящей заряд на землю. Приносит огромные убытки коронный разряд на линиях электропередач. Статическое электричество вызывает взрывы на мельницах, сахарных заводах, портит точную аппаратуру. Интересно, что борются с ним тоже с помощью электричества или ионизируя воздух с помощью радиоактивного излучения.

Но с электростатики только начинается электричество. Изобретатели заставили работать и электрический ток, и искру. Мы решали задачу о введении микроэлементов в почву. Электрический ток переносил ионы меди в воду. Кто-нибудь слышал о такой медицинской процедуре — электрофорезе?

— Я знаю, — говорит Дима. — Салфетку смачивают лекарством и кладут на места, куда нужно ввести лекарство. К этому месту подводят один электрод, а к салфетке другой и пропускают небольшой ток.
— Правильно. При пропускании через жидкость электрического тока твердые частицы переходят от катода к аноду. Ио электрофорез — не только медицинская процедура. Например, выяснили, что можно повысить выводимость цыплят, если ввести в яйцо некоторые химические вещества. Но как их ввести, не повредив скорлупу? Конечно, электрофорезом! В растворах, через которые пропускают ток, наблюдается явление, обратное электрофорезу, — электрокосмос. Это перенос жидких частиц в направлении, обратном переносу твердых. Электрокосмос можно использовать для сбора, концентрации влаги.

— Это задача на разрушение вредного веполя, — говорят ребята. — B₁ — корабль, B₃ — ил, П — вредное поле сцепления. По правилу разрушения необходимо ввести модификацию имеющихся ресурсов. У нас много воды и ила, то есть смеси той же воды с песком и органическими остатками. Можно сделать водяную прослойку с помощью электрофореза и электроосмоса. Нужно один электрод подключить к корпусу корабля, а другой опустить в воду. Тогда твердые частицы «уйдут» от корпуса, а жидкие создадут около него тончайший слой воды.
— А может возникнуть газовая прослойка. Ведь при электролизе вода разлагается на водород и кислород. Пузырьки газа облепят корпус и тоже ослабят его сцепление с илом.
— Да, именно так и было решена задача. Газовые пузырьки, образующиеся при электролизе, часто используются. Например, нужно обнаружить в жидкости мельчайшие частицы твердого вещества. Разглядеть их невооруженным глазом трудно. Хорошо бы увеличить, но как?
— Очень просто! Облепить пузырьками, как в пузырьковой камере для обнаружения элементарных частиц! А пузырьки создать электролизом!
— Так и делают. Или, например, нужно увидеть завихрения, струи в потоке воды. Пузырьки их покажут. Андрей садится на место. Поднимает руку Женя:
— А можно, я расскажу об использовании электрической искры?
— Ты знаком с работами супругов Лазаренко? — спрашивает Преподаватель.
— Да, мой отец работает в Институте прикладной физики АН МССР, который создал Борис Романович Лазаренко. Я там был много раз.

...При размыкании электрической цепи между контактами возникает искра, которая постепенно разрушает самые твердые материалы и приводит к преждевременному выходу из строя сложного оборудования. Это явление называется эрозией контактов. Пути борьбы с ней безуспешно искали во многих странах. Велись такие работы и у нас.

Два молодых инженера (было это в военные годы) — супруги Б. Р. и Н. И. Лазаренко сначала искали более стойкий к разрушению материал. Но не нашли. Тогда попробовали найти подходящую внешнюю среду, в которой контакты бы меньше разрушались. Они помещали контакты в жидкости, газы, разреженный воздух. Однажды поместили контакты в бак с трансформаторным маслом. Эрозия несколько уменьшилась, а масло вскоре стало мутным. Несколько раз они меняли масло, а потом заинтересовались, отчего оно мутнеет. И выяснили, что на дне бака накапливается мелкий порошок. Они испытывали вольфрамовые контакты. Значит, это порошок вольфрама — исключительно ценный продукт, который, учитывая его твердость и тугоплавкость, очень сложно получать. Исследователи поняли, что нашли способ получения любых металлических порошков. Сделали специальную установку для этого. Она была просто устроена: медный стержень, к которому было подведено напряжение, мелко дрожал, то касаясь вольфрамовой пластины, то отходя от нее. Возникали разряды, получался порошок.

Однажды они увидели, что в вольфраме образовалось отверстие, точно повторяющее форму стержня. Случилось невероятное — мягкий медный стержень обрабатывал твердый вольфрам!

Так родилась электроискровая обработка металлов. Время было военное. На заводе, производившем двигатели, в блоках цилиндра нужно было сверлить отверстия и нарезать резьбу. Иногда при этом ломался метчик — инструмент для резьбы. Чтобы спасти почти готовый блок, приходилось нагревать его весь до высокой температуры, при которой сталь метчика потеряет свою твердость, после чего осторожно высверлить сломавшийся инструмент. Это была трудная и длительная операция, и на заводе скопилась гора испорченных блоков. Применение электроискрового метода сняло проблему; достаточно было залить отверстие маслом, опустить туда электрод, и через несколько минут в обломке метчика выжигалось квадратное отверстие, засунув в которое специальный стержень, метчик выворачивали. Если это не удавалось, метчик полностью выжигали.

Когда наши войска вступили на территорию Германии, на одном из заводов они увидели целые склады испорченных блоков. Фашисты до электроискровой обработки не додумались.

Создатели электроискровой обработки были удостоены Государственной премии СССР. Институт прикладной физики, который возглавляет Б. Р. Лазаренко, широко известен во всем мире своими работами в области электроискровой обработки. И все время появляются новые области ее приложения. Совсем недавно молдавские ученые разработали новый метод повышения эффективности производства фруктовых соков — электроплазмолиз. Под действием электрических искр разрушаются межклеточные оболочки, что резко увеличивает выход сока.

— Можно и мне добавить? — поднимает руку Преподаватель. Ведущий занятие Боря разрешает. Преподаватель рассказывает о применении электрических искр на колхозных полях.
— Медленно движется по полю культиватор — враг сорняка, с виду совсем обычный. Но он снабжен двумя электродами. Один из них перемещается под землей, другой — на некотором расстоянии от поверхности. Вот верхний электрод коснулся сорняка. Вспышка, электрический разряд — и сорняк испепелен. А для обеззараживания полезных растений их нужно только прогреть, и тогда не страшен вилт — грибок-вредитель, уничтожающий урожай.

Необычным стал и плуг: вместо тяжелых лемехов ползут под землей маленькие «утюжки» — электроды. Между ними ежесекундно проскакивают электрические разряды — маленькие молнии, создающие микровзрывы испаряющейся воды, и почва разрыхляется на мелкие комочки, очень удобные для растении. При этом она еще и обогащается азотом.

Сегодня электрические веполи — эполи используются очень широко. И это неудивительно. Очень простые устройства позволяют получать впечатляющие результаты. Особенно выгодна электростатика, ведь она дает решения практически без введения дополнительных веществ! Носителями поля легко становятся уже имеющиеся в системе вещества!

На рассказ о магнитном поле времени осталось маловато, но Игорь обещает уложиться. Он напоминает о задачах, которые мы уже решали — о креплении автомобильной переносной лампы, сборе гранул с впитавшейся нефтью, очистке яиц. Но это лишь тысячная доля изобретений, в которых используется магнитное поле, особенно в сочетании с ферромагнитным порошком, так называемые феполи.

К волоке — детали с калиброванным отверстием, через которую протягивается проволока при изготовлении — очень много претензий. Для того чтобы проволока вытягивалась, волока должна крепко держать поверхностные слои протягиваемой проволоки. Но при этом истираются стенки волоки, отверстие становится больше, точность изготовления проволоки сразу падает. Изобретатели придумали выход: протягивать проволоку через емкость с ферромагнитным порошком, сжимаемым магнитным полем.

Снова строим исходную вепольную модель: B₁ — бетон, B₂ — вибратор, П — механическое поле. Получается вредный веполь, попробуем его разрушить.

Ребята пробуют ввести модификацию — не получается. Противополе — тоже. Может быть, рассмотреть исходный веполь не как вредный, а как не эффективный? Ведь все неприятности происходят из-за механического поля, которое по законам развития техники и вепольных систем нужно заменить на более эффективное.

Отказываемся от вибратора и механического поля. Теперь у нас задача на достройку веполя: есть только B₁ — бетон, который нужно уплотнить. Для этого нужно ввести B₂ и новое поле, воздействующее через B₂ на бетон. Какое поле? — Ферромагнитный порошок ввести и электромагнитное поле. Вместо механического вибратора уплотнять бетон с ферропорошком электромагнитным вибратором, который не создает шума.

Именно такое решение и предложил инженер, прошедший у нас в стране обучение ТРИЗ. Правда, сначала возникла новая проблема — где взять столько ферропорошка? Но все оказалось просто. Рядом с городом находился металлургический завод, где в отвалах лежали горы окалины — отходов производства. Когда у администрации завода спросили, за какую сумму они согласны продать окалину, те обещали еще доплатить, если ее увезут с территории завода. Но на этом история не окончилась. Оказалось, что бетонные трубы с порошком в качестве наполнителя получились намного лучше, чем были, и производство упростилось. Новая технология была запатентована во многих странах. Еще только-только вырисовываются огромные перспективы использования в технике обычных ферромагнитных порошков, а их уже теснит совершенно новое вещество — магнитная жидкость. Это тот же ферромагнитный порошок, но образующий эмульсию в жидкости — керосине, масле, воде... Полезных свойств у магнитной жидкости больше — ведь к возможностям порошка прибавляются и возможности жидкости. Например, плотностью этой жидкости удобно управлять с помощью магнитного поля.

Посетителям лаборатории с неизвестным вчера названием — феррогидродинамики — часто показывают фокус. В стакан с жидкостью темного цвета опускают пятикопеечную монету. Она, естественно, тонет. Затем щелкают тумблером какого-то прибора, и монета медленно всплывает на поверхность. Секрет прост: включили электромагнит под сосудом, жидкость стала «тяжелее» — и немагнитная монета всплыла.

Все новые и новые свойства открывают у магнитных полей. В 1945 году обнаружили, что после пропускания воды через магнитное поле растворенные соли не откладываются на стенках котлов, как обычно, а остаются в массе воды и выпадают из нее потом в виде легко удаляемого осадка. «Омагниченная вода» оказалась прекрасным средством от накипи.

Омагниченная смазочно-охлаждающая жидкость повышает скорость алмазного шлифования в полтора раза. Использование для замеса бетона омагниченной воды повышает прочность бетона и экономит цемент. Даже морская вода, которой нельзя поливать растения, если ею поливать после омагничивания, стимулирует их рост. В текстильном произведете применение омагниченной воды позволяет повысить яркость окрашенных тканей, экономить краситель и воду, ускорить процесс окрашивания.

Магнитные поля сегодня нужны всем. И ученые много работают над созданием магнитов из новых материалов. Уже существует магнитное стекло. Самые сильные магниты — кобальто-самариевые. Таблетка массой 50 граммов может удерживать груз в 140 килограммов! Возможности новых магнитов заинтересовали даже дантистов после того, как был изготовлен протез челюсти, удерживаемый во рту пациента с помощью небольшого, но сильного магнита.

В АРИЗ есть правило: если в задаче много однотипных элементов, то нужно сначала взять одну конфликтующую пару и решить задачу для нее, а потом «распространить» решение на остальные элементы. Поэтому мы не будем пытаться разделить все виды стружек сразу, а возьмем только стружку двух марок. Если сумеем их разделить, то сумеем и остальные. Исходная вепольная ситуация: B₁ — одна марка стали, B₂ — другая. Нужно достроить веполь — ввести поле П, которое их разделит. Какое поле выбрать?

— У нас вещества уже заданы, поэтому нужно взять поле, которое может действовать на эти вещества. Сталь — вещество магнитное. Значит, можно использовать магнитное поле,
— Но обе марки стали магнитные. Если поднести магнитное поле, обе стружки притянутся и не разделятся.
— А может быть, одна стружка сильнее притянется, чем другая? Ребята вопросительно смотрят на Преподавателя, но он объясняет, что так не получится. Как же заставить стружку по-разному реагировать на магнитное поле? Вот если бы одна была магнитная, а другая — нет. А ведь мы знаем, что тепловое поле может «отключить» магнитное!
— А можно сделать так! Если нагреть стружку до точки Кюри, то она станет немагнитной, тогда другую можно притянуть магнитным полем. Нужно только, чтобы точки эти были разные.
— А они и есть разные, — говорит Преподаватель. — Температура Кюри зависит от марки стали.
— Тогда все ясно! Берем хоть десять видов стружки, нагреваем их до самой высокой температуры Кюри, чтобы они все стали немагнитными, а потом потихоньку охлаждаем. Вот стала магнитной первая стружка, мы ее отобрали. Вот вторая — и ее тоже. И так до последнего кусочка.

Занятие заканчивается. Наши старички хорошо поработали. Можно доверять им ведение занятий и по другим темам.

Вечерние размышления

О дне самоуправления ребята мечтали с начала смены. И сегодня с утра они очень старались — подчеркнуто дружно организовали подъем, без опозданий вышли на зарядку. Но после завтрака все стало понемногу разлажи¬ваться. Не все понимают, что самоуправление и самоуправство — вещи разные. Сознательная дисциплина — дело нелегкое. Выбранные ребятами командиры, комиссары, преподаватели и сегодняшний Начальник лагеря — восьмиклассник из отряда математиков — несколько дней проходили стажировку, и все равно не могли представить, сколько разных неотложных дел навалится на них. Но все постарались, и день закончился благополучно. Правда, когда на вечернем сборе ребятам предложили еще денек «поцарствовать», они отказались. Оказывается, быть взрослым — это не так просто.

В этот вечер зашел разговор о том, что же означает «быть взрослым»? Мы убедились, что «взрослость» не определяется однозначно ни знаниями, ни ростом и даже ни возрастом. А чем? Завтра у эстрады появится новый плакат: «Что такое «быть взрослым»? Подумай и ответь!» Ответы ребят мы обсудим в последнее воскресенье.

Мы старательно готовили ребят к роли преподавателей, хотя опасений было много. Все прошло неплохо, нужно почаще давать ребятам такую возможность, снабдив, разумеется, всеми необходимыми материалами. Интересно, что к «своим» преподавателям они прислушиваются внимательнее, никаких неточностей не прощают, порой придираются к мелочам. Такие занятия полезны всем. У слушателей появляется ощущение: «он смог и я смогу». Но особенно они полезны временным преподавателям, ведь чему учишь других, сам никогда не забудешь!

ДЕНЬ ШЕСТНАДЦАТЫЙ

ДЕНЬ ВОСЕМНАДЦАТЫЙ