第八章----科学效应和现象及详解

第八章科学效应和现象及详解12433第一节科学效应和现象的作用第二节科学效应和现象清单第三节科学效应和现象的应用步骤第四节科学效应和现象详解返回第一节科学效应和现象的作用从跨进校门，我们就开始了对数学、物理、化学、生物等自然科学知识的学习，花费了大量的时间和精力来学习和掌握各门知识。但是，对于如何在实践中应用所学到的这些知识，却是一片茫然。进入社会以后，在学生时代所学的大量自然科学知识基本上都被封存起来了，很少再有机会来重新回顾这些知识，更谈不上利用这些知识来解决那些看起来难以解决的技术问题。然而，在解决技术问题的过程中，这些科学原理，尤其是科学效应和现象的应用，对于问题的求解往往具有不可估量的作用。一个普通的工程师通常知道大约100个效应和现象，但是科学文献中却记录了大约10000种效应。下一页返回第一节科学效应和现象的作用每种效应都可能是求解某一类问题的关键由于在学校里学生们只学习到了效应本身，而并没有学过如何将这些效应用到实际工作中。因此，当他们从学校毕业以后，即使在运用一些众所周知的效应时也会出现问题，更不用说那些很少听说的效应了。另一方面，作为科学原理和效应的发现者，科学家们常常并不关心，也不知道该如何去应用他们所发现的效应。在对大量高水平专利的研究过程中，阿奇舒勒发现了这样一个现象:那些不同凡响的发明专利通常都是利用了某种科学效应，或者是出人意料地将已知的效应及其综合，应用到以前没有使用过该效应的技术领域中。例如，市场上出售的一次性压电打火机，是利用了压电陶瓷的压电效应制成的。上一页下一页返回第一节科学效应和现象的作用只要用大拇指压一下打火机上的按钮，将压力施加到压电陶瓷上，压电陶瓷就会产生高电压，由此形成火花放电，从而点燃可燃气体。为了帮助工程师利用科学原理和效应来解决工程技术问题，阿奇舒勒和TRIZ理论的研究者共同开发了一个科学效应数据库。其目的就是为了将那些在工程技术领域中常常用到的功能和特性，与人类已经发现的科学原理和效应所能够提供的功能和特性对应起来，以方便工程师进行检索。下面首先介绍TRIZ理论中，解决发明问题时经常遇到的、需要实现的30种功能，以及实现这些功能时经常用到的100个科学效应和现象，然后对这100个科学效应和现象进行了详细解释，以便于读者进行查阅和应用。上一页返回第二节科学效应和现象清单到目前为止，人类已经发现的科学原理和效应在数量上是非常惊人的。如何将这些宝贵的知识组织起来，便于工程技术人员进行检索和使用呢?通过对全世界250万份高水平发明专利的研究，TRIZ将高难度的问题和所要实现的功能进行了归纳总结，常见的共有30个功能，并赋予每个功能以相对应的一个代码，功能代码详见表8-1。有了功能代码，可根据代码来查找TRIZ所推荐的此代码下的各种可用科学效应和现象，科学效应和现象清单详见表8-1。返回第三节科学效应和现象的应用步骤当设计一个新的技术系统时，为了将两个技术过程连接在一起，就需要找到一个纽带。虽然我们清楚地知道这个纽带应该具备什么样的功能，却不知道这个纽带到底应该是什么。此时，我们就可以到科学效应和现象清单中，利用纽带所应该具备的功能来查找相应的科学效应。当对现有技术系统进行改造时，往往会希望将那些不能满足要求的组件替换掉。此时，由于该组件的功能是明确的，所以我们可以将该组件所承担的功能作为目标，到科学效应和现象清单中查找相应的科学效应。表8-1列出了可以实现技术创新的30种功能及其对应的100个科学效应和现象(其详细解释见本章第四节)，我们可以利用此表解决技术创新中遇到的问题。应用科学效应和现象解决问题时，一般有如下6个步骤:下一页返回第三节科学效应和现象的应用步骤(1)首先根据实际情况对问题进行分析，确定解决此问题所要实现的功能。(2)根据功能从科学效应和现象清单表中确定与此功能相对应的功能代码，此代码应是F1~F30中的一个。(3)从科学效应和现象清单表中查找此功能代码下TRIZ所推荐的科学效应和现象，获得相应的科学效应和现象的名称。(4)筛选所推荐的每个科学效应和现象，优选适合解决本问题的科学效应和现象。(5)查找优选出来的每个科学效应和现象的详细解释，应用于该问题的解决，并验证方案的可行性;如果问题没能得到解决或功能无法实现，重新分析问题或查找合适的效应。(6)形成最终的解决方案上一页下一页返回第三节科学效应和现象的应用步骤例如，电灯泡厂的厂长将厂里的工程师召集起来开会，他让这些工程师们看一叠来自顾客的批评信，显然顾客对灯泡质量非常不满意。(1)问题分析:工程师们觉得灯泡里的压力有些问题。压力有时比正常的高，有时比正常的低。(2)确定功能:准确测量灯泡内部气体的压力。(3)TRIZ推荐的可以测量压力的物理效应和现象:机械振动、压电效应、驻极体、电晕放电、及韦森堡效应等。(4)效应取舍:经过对以上效应逐一分析，只有“电晕”的出现依赖于气体成分和导体周围的气压，所以电晕放电适合测量灯泡内部气体的压力。上一页下一页返回第三节科学效应和现象的应用步骤(5)方案验证:如果在灯泡灯口上加上额定高电压，气体达到额定压力就会产生电晕放电。(6)最终解决方案:用电晕放电效应测量灯泡内部气体的压力。应用科学效应和现象解决技术问题是再简单不过的事情了，这就像我们到超市买东西一样，选择好要买东西的种类，衡量一下几种同类产品的性价比，我们就可以做出决定了。其实TRIZ提供的所有工具都一样，只要我们有“解决问题”的欲望，任何“方案”都会很简单地就属于自己了。上一页返回第四节科学效应和现象详解一、X射线X射线是波长介于紫外线和，射线间的电磁辐射，由德国物理学家伦琴于1895年发现，故又称伦琴射线。波长小于0.1埃(1埃=10-10m)的称为超硬X射线，在0.1~1埃范围内的称硬X射线，1~10埃范围内的称软X射线。X射线的特征是波长非常短，频率很高，它是不带电的粒子流，因此能产生干涉、衍射现象。X射线具有很强的穿透力，医学上X射线常用做透视检查，工业中用来探伤。长期受X射线辐射对人体有伤害。X射线可激发荧光、使气体电离、使感光乳胶感光，故X射线可用做电离计、闪烁计数器和感光乳胶片检测等。晶体的点阵结构对X射线可产生显著的衍射作用，X射线衍射法已成为研究晶体结构、形态和各种缺陷的重要手段。下一页返回第四节科学效应和现象详解二、安培力安培力是电流在磁场中受到的磁场的作用力，其本质是在洛伦兹力的作用下，导体中作定向运动的电子与金属导体中晶格上的正离子不断地碰撞，把动量传给导体，因而使载流导体在磁场中受到磁力的作用。电流为I、长为L的直导线，在匀强磁场B中受到的安培力大小为:F=BILsinθ其中θ为电流方向与磁场方向间的夹角。安培力的方向由左手定则判定:伸出左手，四指指向电流方向，让磁力线穿过手心，大拇指的方向就是安培力的方向。对于任意形状的电流受非匀强磁场的作用力，可把电流分解为许多段电流元IΔL，则每段电流元处的磁场B可看成匀强磁场，电流元所受的安培力为:上一页下一页返回第四节科学效应和现象详解ΔF=IΔL·Bsinθ把这些安培力加起来就是整个电流受的力。应该注意，当电流方向与磁场方向相同或相反时，即θ=0°或180°时，电流不受磁场力的作用。当电流方向与磁场方向垂直时，电流受的安培力最大:F=BIL三、巴克豪森效应1919年，巴克豪森发现铁的磁化过程的不连续性，铁磁性物质在外场中磁化实质上是它的磁畴存在逐渐变化的过程，与外场同向的磁畴不断增大，不同向的磁畴逐渐减小。在磁化曲线最陡区域，磁畴的移动会出现跃变，尤其硬磁材料更是如此。上一页下一页返回第四节科学效应和现象详解当铁受到逐渐增强的磁场作用时，它的磁化强度不是平衡地而是以微小跳跃的方式增大的。发生跳跃时，有噪声伴随着出现。如果通过扩音器把它们放大，就会听到一连串的“咔嗒”声，这就是“巴克豪森效应”。后来，当人们认识到铁是由一系列小区域组成，而在每个小区域内，所有的微小原子磁体都是同向排列的，巴克豪森效应才最后得到合理的解释。每个独立的小区域，都是一个很强的磁体，但由于各个磁畴的磁性彼此抵消，所以普通的铁显示不出磁性。但是当这些磁畴受到一个强磁场作用时，它们才会同向排列起来，于是铁便成为磁体。在同向排列的过程中，相邻的两个磁畴彼此摩擦并发生振动，噪声就是这样产生的。只有所谓的“铁磁物质”具有这种磁畴结构，也就是说，这些物质具有形成强磁体的能力，其中以铁表现得最为显著。上一页下一页返回第四节科学效应和现象详解如一个铁磁棒在一个线圈里，当线圈电流增大时，线圈磁场增大，此时铁中的磁力线会猛增，然后趋向于饱和，这种现象也称为巴克豪森效应。四、包辛格效应包辛格效应是塑性力学中的一个效应，是指原先经过变形，然后在反向加载时，弹性极限或屈服强度降低的现象，特别是弹性极限在反向加载时几乎下降到零，这说明在反向加载时塑性变形立即开始了。此效应是德国的包辛格于1886年发现的，故称为包辛格效应。由于在金属单晶体材料中不出现包辛格效应，所以一般认为，它是由多晶体材料晶界间的残余应力引起的。包辛格效应使材料具有各向异性性质。若一个方向屈服极限提高的值和相反方向降低的值相等，则称为理想包辛格效应。上一页下一页返回第四节科学效应和现象详解有反向塑性变形的问题须考虑包辛格效应，而其他问题，为了简化常忽略这一效应。包辛格效应在理论上和实际上都有其重要意义。在理论上由于它是金属变形时长程内应力的度量，包辛格效应可用来研究材料加工硬化的机制。在工程应用上，首先是材料加工成型工艺需要考虑包辛格效应;其次，包辛格效应大的材料，内应力较大。五、爆炸爆炸是指一个化学反应能不断地自我加速而在瞬间完成，并伴随有光的发射，系统温度瞬时达到极大值和气体的压力急剧变化，以致形成冲击波等现象。上一页下一页返回第四节科学效应和现象详解由于急剧的化学反应被限制在一定的环境内导致气体剧烈膨胀，这能使密闭环境的外壁损坏甚至破裂、粉碎，造成爆炸的效果。爆炸可通过化学反应、放电、激光束效应、核反应等方法获得。爆炸力学主要研究爆炸的发生和发展规律，以及对爆炸的力学效应的利用和防护。它从力学角度研究化学爆炸、核爆炸、电爆炸、粒子束爆炸、高速碰撞等能量突然释放或急剧转化的过程，以及由此产生的强冲击波、高速流动、大变形和破坏、抛掷等效应。自然界的雷电、地震、火山爆发、陨石碰撞、星体爆发等现象也可用爆炸力学方法来研究。爆炸力学是流体力学、固体力学和物理学、化学之间的一门交叉学科，在武器研制、矿藏开发、机械加工、安全生产等方面有着广泛的应用。上一页下一页返回第四节科学效应和现象详解六、标记物在材料中引入标记物，可以简化混合物中包含成分的辨别工作，而且使有标记物的运动和过程的追踪更加容易。可作为标记物的物质有:铁磁物质、普通的和发光的油漆、有强烈气味的物质等。七、表面物体的表面:用面积和状态来描述物体外表的性质和特性。表面状态确定了物体的大量特性和与其他物体交互作用时所呈现的本性。八、表面粗糙度表面粗糙度是指加工表面具有的较小间距和微小峰谷不平度。上一页下一页返回第四节科学效应和现象详解其两波峰或两波谷之间的距离(波距)很小(在1mm以下)，用肉眼是难以看到的，因此它属于微观几何形状误差。表面粗糙度反映零件表面的光滑程度，表面粗糙度越小，则表面越光滑。表面粗糙度是衡量零件表面加工精度的一项重要指标，零件表面粗糙度的高低将影响到两配合零件接触表面的摩擦、运动面的磨损、贴合面的密封、配合面的工作精度、旋转件的疲劳强度、零件的美观等，甚至对零件表面的抗腐蚀性都有影响。最常见的表面粗糙度参数是“轮廓算术平均偏差”，记作Ra。九、波的干涉由两个或两个以上的波源发出的具有相同频率，相同振动方向和恒定的相位差的波在空间叠加时，在叠加区的不同地方振动加强或减弱的现象，称为“波的干涉”。上一页下一页返回第四节科学效应和现象详解符合上列条件的波源称为“相干波源”，它们发出的波称为“相干波”。这是波的叠加中最简单