Тайны великих открытий - Александр Помогайбо

Подобный анализ труден по чисто психологическим причинам. В ходе эволюции человек привык решать задачи в терминах препятствий, а не в терминах средств. Это понятно: еще в недалеком прошлом задача могла нести смертельную опасность, человек привык искать ХОТЬ КАКОЙ выход, то есть те особенности преграды, которые помогли бы эту преграду немедленно преодолеть. Но нашей жизни ничего не угрожает; и потому мы можем осмотреться: что мы имеем для решения задачи?

Поскольку вспомнил Леонардо да Винчи, мы также прибегнем к примеру из итальянской истории.

Галилей вел астрономические наблюдения при помощи подзорной трубы, которую сам и изготовил. Строго говоря, идея подзорной трубы принадлежала не ему. Находясь в Венеции, Галилей услышал, что какой-то голландец преподнес местному правителю Морису Нассаускому трубку" которая по-зволяла ясно видеть отдаленные предметы, словно они находятся вблизи. Галилей стал размышлять, как мог быть устроен этот "волшебный снаряд", и, не зная никаких подробностей, все-таки догадался — по сути, используя метод анализа исходных материалов.

"Вот, — говорил Галилей, — каким было мое рассуждение. В устройство снаряда должны входить стекла, одно или многие. Одного быть не может. Стекло может быть или выпуклое, то есть более толстое в середине, или вогнутое, то есть тонкое в середине, или, наконец, с параллельными поверхностями. Стекло последней формы не уменьшает и не увеличивает видимых предметов; вогнутое их уменьшает, выпуклое увеличивает, но кажется смутным и неясным. Значит, одно стекло действия произвести не может; переходя к сочетанию двух стекол и зная, что стекла с параллельными поверхностями ничего не изменяют, я заключил, что от соединения его с тем или другим из остальных родов стекол также нельзя ждать действия. Поэтому я сосредоточил опыты на том, чтобы исследовать, что произойдет от соединения этих двух стекол, то есть выпуклого и вогнутого, и достиг результата, которого искал".

Галилей открыл горы на Луне, четыре спутника Юпитера, фазы у Венеры и пятна на Солнце. Каждое из этих открытий в отдельности могло бы сделать его имя бессмертным.

Всего этого он добился благодаря искусству "анализа исходных материалов".

А вот пример из нашей истории. В 1920-х годах на Балтийском заводе в Ленинграде начали проектировать лесовозы — чуть ли не первые после революции. Естественно, обсуждался вопрос, какой двигатель выбрать. Известно, что дизель значительно экономичнее паровой машины; по этой причине паровые машины в 1920-е годы уже доживали свой век. Тем не менее конструкторы Балтийского завода все же предпочли пар, и вот почему. Лесовозы должны были доставлять лес из Архангельска в Англию. В Архангельске не было нефтяного топлива, к тому же, выгрузив лес в Лондоне, корабль должен был идти обратно с балластом — таким балластом и стал дешевый английский уголь, который судно использовало в следующем рейсе.

Перед решением любой задачи полезно прежде всего прикинуть: что имеется? И составить перечень — но не только материалов, но и их возможных функций. Любой анализ исходных материалов в конечном счете — тот же анализ функций.

Зададимся, к примеру, следующим вопросом: что можно предложить для того, чтобы предотвратить снос морских буровых вышек ледовыми полями? Это довольно сложная проблема — но посмотрите, как легко генерировать идеи, если мы составим список элементов, находящихся в нашем распоряжении, и свойств этих элементов. Элементов немного — вода, воздух, нефть и попутный газ, но, подробно расписав их свойства, мы можем сразу найти целую серию решений.

Первое — вода. Что делает вода? Поддерживает лед. Отсюда первая идея — использовать твердую металлическую камеру, которая, попеременно наполняясь водой и воздухом, вспарывала бы лед снизу.

Ломать лед можно и сверху — наполняя емкость водой, на манер ледокольного судна.

Какие еще свойства у воды? Она соленая. Можно лить воду на состоящий из пресной воды лед — от соли он растает быстрее.

Вода упругая — это дает возможность разбивать лед из водяной пушки.

Какие свойства у льда? Он крепкий. Это значит, что можно прибуксировать айсберг и поставить его на якорь с направления движения льда. Вместе с тем лед рыхлый там, где он находится в воде. Можно поставить подводный винт, который бы разрыхлял подводную часть льда, — подобный метод прежде использовали на некоторых ледокольных судах.

Лед способен плавать только на поверхности. Отсюда идея ограждений в виде огромного буя. Наползая на буй передней частью, задней частью льдина остается в воде — и ломается на более мелкие части.

Какие свойства у газа? Он горит. Можно использовать газовую резку.

Итак, мы буквально за несколько минут получили целый ряд вполне действенных идей.

Иногда в общий анализ включается этап анализа физических принципов. Зачем нужен этот этап?

В Первую мировую войну американцы столкнулись с такой проблемой — судно, на которое сбрасывается много бомб, не тонет. За советом обратились известному изобретателю (позднее — консультанту по военным делам при правительстве США), бывшему русскому военному летчику А. Северскому.

Ответ А. Северского был следующим — бомбы надо сбрасывать не на корабль, а… рядом с кораблем. Ударная волна распарывает швы, и корабль идет ко дну.

Подобный совет мог дать человек, хорошо знавший физические принципы.

К сожалению, о необходимости рассматривать физический принцип частенько забывают. Во время Второй мировой войны конструкторы тяжелых танков были озадачены тем, что даже самая мощная броня не спасала танковые экипажи — от внутренней части танковой брони откалывались осколки и поражали людей. Ударная волна, проходя по броне, составляла узлы и пучности, — из-за этого и отскакивали кусочки брони. Явление это было неожиданностью для конструкторов. С этой проблемой они тогда не справились толком (активная защита появилась много позже), а вот в самолете Ил-2 против этого явления были предприняты специальные меры. Бронеспинку делали не из одного толстого листа брони, а из двух более тонких. Ударная волна первого листа не проходила во второй лист. Это внесло свою лепту в легендарную живучесть "илов".

Конструкторы Ил-2 учли свойства ударной волны — но, к сожалению, не учли в полной мере другого физического принципа, и очень важного, — центра тяжести. Летчики столкнулись с тем, что прицельная очередь уходила ниже цели. При исследовании выяснилось, что виноват длинный магазин к авиационной пушке. Самолет стрелял в наклонном положении, магазин опустошался, центр тяжести самолета менялся, и нос опускался вниз. Немного, но достаточно, чтобы сбить прицел. Пришлось менять пушку — на ту, для которой снаряды располагались в крыле.

Хотя понятие "центр тяжести" занимает относительно небольшое место в учебниках физики, в технике оно играет огромную роль. О связанных с центром тяжести причудах техники можно написать отдельную книгу; мы ограничимся только несколькими примерами.

Перед Первой мировой войной на вооружение русской армии поступила "горская шашка". Автор ее, Горский, решил сделать шашку, которой можно было бы и колоть, и рубить. Шашка была изогнутой, как и прочие шашки, но рукоятка и кончик шашки находились на одной оси, что позволяло вонзать оружие в противника.

Однако в армии шашку сочли неудобной, и от нее со временем отказались. Что же было причиной неудобства? Изгиб шашки был впереди ее оси, а это значит, что центр тяжести тоже располагался впереди оси, хотя у шашки центр тяжести должен быть сзади. Вспомним топор с его изогнутым назад топорищем. То, что центр тяжести у топора находится позади, позволяет легко его направлять.

По сути, объединив шашку и палаш, Горский произвел "анализ функций" — но не сделал анализа физического принципа. Потому-то идея и оказалась негодной.

Там, где может вмешаться физический принцип, надо: 1) точно его определить; 2) подробно расписать все формы проявления этого принципа; 3) найти потенциально опасные или полезные формы; 4) привлечь уже известные принципы для борьбы с опасными формами и использования полезных.

Пример — задача уменьшения ущерба от землетрясений.

Первый этап. Сейсмическая волна — это такая же волна, как и всякая другая. Физический принцип явления — распространение волны.

Второй этап. Формы проявления волновых свойств — наложение и вычитание, огибание, пучности и узлы, резонансные и колебательные свойства, отражение, изменение угла и скорости при переходе сред.

Третий этап. Пытаемся найти среди форм проявления физического принципа потенциально полезные. К примеру, возьмем колебательные свойства.

Четвертый этап. Минареты в Средней Азии строят с полукруглым фундаментом, который покоится на полукруглом ложе. Между ложем и фундаментом есть слой из сухих веток. Приняв удар, минарет отклоняется, а затем, колеблясь, постепенно освобождается от энергии. Тогда как энергия волны с кнута срывается с резким щелчком, минарет, став резонансной системой, становится ловушкой для волны. Колебательные свойства сейчас используется при строительстве японских небоскребов (хотя вряд ли японские строители позаимствовали этот метод в Средней Азии).