Законы и закономерности

• Повышение проводимости полезных потоков

Закономерность развития технических систем, заключающаяся  в том, что в процессе развития повышается проводимость полезных потоков.

• Снижение количества преобразований потока.

Закономерность развития технических систем, заключающаяся в переходе от потока, имеющего много преобразований, к однородному потоку.

Обычно каждое преобразование потока (перевод вещества из одного состояния в другое, смена типов  энергии, смена способов представления  информации) сопровождается потерями и торможением. Следовательно, снижение количества таких преобразований ведет к повышению проводимости. В идеале преобразований вообще не должно быть, и все компоненты потоков должны сразу иметь вид, необходимый для их конечного использования.

Пример - дизель-генератор (Рисунок 3.18) и топливный элемент (Рисунок 3.19):

Рисунок 3.18 Дизель-генератор

Рисунок 3.19 Топливный элемент

В дизель-генераторе поток  энергии имеет следующий вид:

Химическая энергия  топлива ® тепловая энергия ®  механическая энергия ® электроэнергия.

В топливном элементе преобразование всего одно:

Химическая энергия  топлива ® электроэнергия.

Соответственно, к.п.д. топливного элемента в два раза выше.

• Преобразование потока

Закономерность развития технических систем, заключающаяся  в переходе от потока, плохо поддающегося передаче, к потоку, хорошо поддающемуся передаче.

Если имеется значительное cопротивление потоку, а потери при его преобразовании относительно невелики, поток преобразуют к виду, наиболее легко поддающемуся передаче.

• Сокращение длины потока

Закономерность развития технических систем, заключающаяся  в переходе от длинного потока к короткому.

Обычно многие виды потерь и сопротивлений потоку пропорциональны  его длине. Следовательно, для повышения  проводимости следует уменьшать  длину потока. В идеале поток должен иметь нулевую длину, т.е. его компоненты должны сразу появляться там, где используются.

Пример - бормашина. Раньше сверло приводилось в движение стационарным двигателем через гибкую передачу, а то и систему передач (Рисунок 3.20):

Рисунок 3.20 Старая бормашина

Большая длина потока механической энергии накладывала  ограничения на скорость вращения сверла, что снижало производительность и увеличивало страдания пациента. В современных системах источник вращения расположен в корпусе бора, т.е. длина потока сокращена почти до нуля (Рисунок 3.21):

Рисунок 3.21 Современная бормашина

• Устранение "серых зон"

Закономерность развития технических систем, заключающаяся в переходе от потока, содержащего области, в которых его поведение не поддается предсказанию с достатоточной точностью, к потоку, свободному от таких областей.

Поскольку поведение  потока в "серой зоне" не поддается  расчету, параметры этих областей обычно подбирают эмпирически. Поставить достаточное количество экспериментов удается далеко не всегда, поэтому такие области, как правило, недостаточно оптимизированы, что приводит к повышению потерь и сопротивления. Следовательно, устранение "серых зон" косвенно ведет к повышению проводимости за счет более эффективной оптимизации.

• Устранение "бутылочных горлышек"

Закономерность развития технических систем, заключающаяся  в переходе от потока, содержащего  области, сопротивление которых  значительно больше погонного сопротивления тракта, к потоку, свободному от таких областей.

"Бутылочное горлышко" - область потока с резко повышенным  сопротивлением. Очевидно, что устранение  таких областей значительно повышает  проводимость.

• Повышение проводимости отдельных звеньев потока

Закономерность развития технических систем, заключающаяся  в повышении проводимости отдельных  звеньев потока вплоть до физического  предела для данного типа проводников.

Поскольку сопротивление  потоку сильно зависит от характеристик  проводников, их улучшение приводит к повышению проводимости. В идеале характеристики должны соответствовать физическому пределу для данного типа проводников.

 пример - обмотки электрических  машин (Рисунок 3.22). Лучше меди проводника нет (не считая сверхпроводников), поэтому электропроводность повышать не удается. Зато развиваются изоляционные материалы и технологии их нанесения, благодаря чему можно увеличивать напряжение.

Рисунок 3.22 Статор

• Повышение удельных характеристик потока

Закономерность развития технических систем, заключающаяся  в переходе от большого потока низкой плотности к маленькому потоку высокой  плотности.

Часто сопротивление  потоку не зависит от его удельных характеристик. Поэтому для повышения проводимости выгодно снижать объем потока при одновременном повышении его плотности. В результате по тому же проводнику можно пропустить больший поток, либо при том же потоке снизить затраты на проводник.

Пример - транспортировка  газа от места добычи к потребителям. Для повышения производительности на входе в магистральный трубопровод газ сжимают компрессором, так что по трубе данного сечения проходит значительно больше газа (Рисунок 3.23):

Рисунок 3.23 Транспортировка природного газа

 

 

 

• Придание потоку дополнительных функций

Закономерность развития технических систем, заключающаяся  в передаче всех или части функций  одного потока другому.

• Придание потоку функций другого потока

Если поток дополнительно  берет на себя функции другого  потока, второй становится ненужным. Поэтому  суммарная мощность потоков в  системе уменьшается без ухудшения  функционирования, а значит, растет эффективность.

Пример - карбюраторный  двигатель внутреннего сгорания. В нем есть поток электроэнергии, вызывающий искру, которая поджигает топливо-воздушную смесь (Рисунок 3.24):

Рисунок 3.24 Свеча зажигания

При переходе к дизельному двигателю функцию "поджигать смесь" взял на себя поток механической энергии, преобразующийся в тепло при сжатии смеси (Рисунок 3.25):

Рисунок 3.25 Дизельный двигатель

• Полезное действие потоков друг на друга

Потоки различной природы  могут воздействовать друг на друга  таким образом, что проводимость системы по отношению к ним  возрастает.

Пример - термо-экструзия. Поток тепла полезно действует  на поток экструдируемого материала, повышая его пластичность (Рисунок 3.26):

Рисунок 3.26 Термо-экструзия

• Использование одного потока в качестве переносчика второго

Закономерность развития технических систем, заключающаяся  в переходе от независмой передачи разнородных потоков к переносу одного потока другим.

Потоки различной природы можно использовать для переноса друг друга: поток вещества может переносить различные виды энергии, поток энергии может переносить информацию и т.п.

Пример - двухтактный  двигатель (Рисунок 3.27):

Рисунок 3.27 Двухтактный двигатель

В нем, в отличие от обычного двигателя, где потоки топлива  и смазочного масла разделены, масло  вводят непосредственно в бензин, т.е. налицо перенос одного потока другим.

Еще пример: в бытовой  газ добавили сильно пахнущее вещество (меркаптан). Теперь поток газа несет с собой и сигнальный поток, информирующий людей об утечке.

• Передача нескольких однородных потоков по одному каналу

Закономерность развития технических систем, заключающаяся  в переходе от передачи нескольких однородных потоков по независимым каналам к их передаче по одному каналу.

Объединение нескольких однородных потоков в одном канале повышает интегральную проводимость системы  и снижает затраты на проведение каждого потока.

Пример - многоканальная передача, при которой по одному и тому же телефонному проводу или оптическому волокну передается одновременно множество независимых потоков информации, разнесенных по несущей частоте (Рисунок 3.28):

Рисунок 3.28 Оптоволокно

• Модификация потока для повышения проводимости

Закономерность развития технических систем, заключающаяся  в придании потоку комплекса свойств, облегчающих его передачу по тракту данного типа.

Пример - переход от визуального осмотра (использование потока видимого света) к рентгеновским лучам, для которых тело человека значительно более прозрачно (тот же поток электромагнитного излучения, но сдвинутый по частоте), позволил врачам заглянуть внутрь живого организма без помощи скальпеля и зонда (Рисунок 3.29):

Рисунок 3.29 Рентгеновское изображение

• Полное или частичное выведение потока за пределы системы

Закономерность развития технических систем, заключающаяся в переходе от потока, целиком идущего по системе, к потоку, полностью или частично идущему по внешнему по отношению к данной системе тракту.

В некоторых случаях  удается пропускать поток через  надсистему или окружающую среду. Это позволяет использовать внешние тракты с большой проводимостью, а также снизить требования к системе и затраты на внутрисистемный канал.

Пример - вместо прокладки  выделенной линии для быстрой  связи домашнего компьютера с  Интернет-провайдером используют передачу сигнала по каналу кабельного телевидения (Рисунок 3.30):

Рисунок 3.30 Кабельное TV + Интернет

• Повышение эффективности использования полезных потоков

Закономерность развития технических систем, заключающаяся в том, что в процессе развития происходит повышение эффективности использования полезных потоков.

• 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 - атомная бомба (Рисунок 3.31):

Рисунок 3.31 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.

• 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 3.32):

Рисунок 3.32 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.

• Ослабление вредного потока путем его сложения с самим собой.