Триз решение задач с ответами сосуд дьюара
Говоря о разработанном Г. С. Альтшуллером алгоритме, мы отмечаем не только стройность научной теории, но и её способность без перебора многочисленных вариантов приводить к сильному решению. В этом несомненное преимущество ТРИЗ, ведь она располагает большим количеством практических инструментов для решения творческих задач и производственных кейсов любой сложности.
Чтобы наглядно это продемонстрировать, мы собрали задачи и упражнения и объяснили их решение, применяя методику ТРИЗ. Несмотря на то, что теория предназначена для работы с техническими задачами, примеры подобраны так, что даже человек без специального образования сможет по достоинству оценить её эффективность.
На этой странице приведены некоторые задачи и упражнения, которые Г. Альтов (псевдоним, под которым Г. С. Альтшуллер писал научную фантастику) публиковал в газете «Пионерская правда» для юных изобретателей. И, как часто бывает в таких случаях, не каждый взрослый мог справиться с этими задачами, в чём вы сможете убедиться самостоятельно. Подобраны и кейсы – описания реальных ситуаций, когда возникшие противоречия были решены при помощи ТРИЗ. Они более сложные для решения, но позволяют завершить представление о теории, как практическом инструменте.
Содержание
- Марсоход
- Вода в трубе
- Безопасный бассейн
- Лекарства для космонавтов
- Одуванчики
- Корм для рыбок
- Лёд на проводах
- Отзывы и комментарии
1
Марсоход
Условие. Во время научной экспедиции на Марс, космический корабль произвёл посадку в долине. Астронавты снарядили марсоход для лучшего изучения планеты, но как только покинули корабль, столкнулись с проблемой. Дело в том, что по поверхности было сложно передвигаться – этому мешали многочисленные холмы, ямы, большие камни. На первом же склоне колёсный вездеход с надувными шинами перевернулся на бок. С этой проблемой астронавты справились – они прицепили снизу груз, что усилило устойчивость машины, но стало причиной новой проблемы – груз задевал неровности, что усложняло движение. Итак, что нужно сделать, чтобы повысить проходимость марсохода? При этом у космонавтов нет возможности изменять его конструкцию.
Предполагаемое решение
2
Вода в трубе
Условие. Достаточно простая и известная задача. Есть металлическая труба, проложенная под землёй, по которой течёт вода. Для устранения неполадок в работе системы, часть трубы раскопали и столкнулись с необходимостью определить, в какую сторону движется вода. Попытки выяснить это путём простукивания, на слух, завершились неудачей. Вопрос: как понять в какую сторону течёт вода в трубе? Нарушать герметичность трубы (сверлить, резать) нельзя.
Предполагаемое решение
3
Безопасный бассейн
Условие. Это скорее не задача, а упражнение на способность находить эффективные творческие решения. Цель – предложить максимально безопасный бассейн для людей, которые не умеют плавать.
Предполагаемое решение
4
Лекарства для космонавтов
Условие. Не многим известно, что «морской болезнью» страдают не только моряки и путешествующие по морю, но и космонавты. Лекарства от данного недуга существуют, но есть оговорки по его применению в условиях космоса. Так, малые дозы нужно принимать часто, что неудобно, а большие – вредно. Как решить эту проблему?
Предполагаемое решение
5
Одуванчики
Условие. Одуванчики имеют набор хромосом очень качественно близкий к человеческому. Как это можно использовать при контроле работы атомной электростанции?
Предполагаемое решение
6
Корм для рыбок
Условие. У вас есть аквариум с рыбками, которые питаются циклопами. Вам нужно уехать на несколько дней и решить проблему с кормлением. Попросить помочь вы никого не можете. Запустить много циклопов за один раз нельзя – рыбки их съедят, и всё равно будут голодать. Как поступить в этом случае?
Предполагаемое решение
7
Лёд на проводах
Условие. Напоследок сложная задача, с которой справляются очень немногие. В наших климатических условиях зимой существует опасность нарастания льда на проводах линии электропередач. Со временем образовавшаяся глыба может оборвать своей тяжестью провода, да ещё и повредить то, что находится на земле под ними. Какими методами бороться с обледенением?
Предполагаемое решение
Больше интересных задач и кейсов по ТРИЗ ищите на официальном сайте фонда Г. С. Альтшуллера, на сайте «Креативный мир», в книге Н. и А. Нарбут «Учебник и сборник задач по ТРИЗ». Желаем вам успехов в практике решения изобретательских задач!
А также предлагаем сыграть в нашу игру на развитие нестандартного подхода в решении задач.
Источник
1. Сосуд Дьюара заполнен жидким азотом. Температура его внутренней стенки приблизительно равна температуре жидкого азота 78 К, а температура наружной стенки 295 К. Стенки сосуда посеребренные (e = 0,04), площадь поверхностей внутренней и наружной стенок приблизительно равна 0,3 м2. Полость между стенками вакуумирована. Найти тепловой поток к азоту.
Ответ: q = 2,6 Вт.
2. При изготовлении отливок по методу литья с направленной кристаллизацией нагретая до температуры 1400°С форма, устанавливается на водоохлаждаемый медный катализатор с температурой 60°С. Между формой и кристаллизатором возникает зазор, толщиной 0,1 мм. Определить значение коэффициента теплоотдачи излучением через зазор в первый момент времени после установки формы.
Ответ: a = 200 Вт/(м2×К).
3. Фарфоровый тигель (eф = 0,92) с температурой 20°С поставлен в муфельную печь, температура динасовых стенок которой 800°С. Определить плотность лучистого теплового потока к тигелю в начальный момент времени, если отношение площадей поверхности тигеля и печи F1/F2 = 0,05.
Ответ: q = 68200 Вт/м2.
4. Определить потерю тепла путем излучения с поверхности стальной трубы, диаметром d = 0,07 м и длиной 3 м при температуре поверхности 227°С, если эта труба находится: а) в большом кирпичном помещении, температура стенок которого 27°С; б) в кирпичном канале, площадь которого равна 0,3´0,3 м при температуре стенок 27°С.
Ответ: а) Q = 1620 Вт; б) Q = 1595 Вт.
5. Температура воздуха в холодильной камере по показанию стеклянного ртутного термометра минус 20°С. Температура поверхности стенок камеры минус 17°С. Коэффициент конвективной теплоотдачи от термометра к воздуху aк = 5 Вт/(м2×К). Оценить погрешность показаний термометра, которая возникает в результате лучистого теплообмена между стенками камеры и термометром.
Ответ: DТ = 1,9 К.
6. Для измерения температуры потока горячего воздуха, протекающего по каналу, использована термопара. Между спаем термопары и стенками канала возникает лучистый теплообмен, который искажает показания термопары. Для уменьшения погрешности при измерении температуры термопара закрывается экранной трубкой. Найти действительную температуру воздушного потока, если термопара показывает 200°С. Температура внутренней стенки канала 100°С. Степень черноты экрана и спая термопары одинаковы и равны 0,8. Коэффициент теплоотдачи от воздуха к спаю термопары a1 = 46,5 Вт/(м2×К), а к поверхности экрана a2 = 11,6 Вт/(м2×К).
Ответ: t = 210°С.
7. Определить количество тепла, излучаемое стальной плитой при температуре 600°С на латунный лист такого же размера при температуре 27°С, расположенный параллельно плите. Определить также коэффициент теплоотдачи излучением. Построить кривую изменения значения коэффициента теплоотдачи при изменении температуры стальной плиты от 200 до 1000°С.
Ответ: q = 16792 Вт/м2; a = 11,86 Вт/(м2×К).
8. Чугунная топочная дверца, размером 500´400 мм парового котла, имеет температуру t = 540°С (eч = 0,64). Определить количество излучаемого дверцей тепла, если температура в котельном отделении 35°С. Определить также и коэффициент теплоотдачи излечением.
Ответ: Q = 3117 Вт; a = 30,8 Вт/(м2×К).
9. Определить количество тепла, излучаемое поверхностью плоской стенки на другую параллельно расположенную плоскую стенку, температуры стенок соответственно 227°С и 27°С, а изготовлены они из меди и чугуна. Рассчитать также изменение коэффициента теплоотдачи излучением при при установке экраном от 1 до 10.
Ответ: q = 1850 Вт/м2
СЛОЖНЫЙ ТЕПЛООБМЕН И ТЕПЛОПЕРЕДАЧА
Краткая теория
Сложным теплообменом называют процессы переноса теплоты одновременно несколькими способами. Например процессы конвективного теплопереноса всегда связаны с теплопроводностью внутри перемещающихся значительных (молярных) элементов потока вещества. Радиационный теплообмен может сочетаться как с теплопроводностью, так и конвекцией.
Теплоотдачей называется процесс теплообмена (теплопереноса) между средами, разделенными отчетливой границей (твердая стенка – текучая среда, поверхность раздела газ – жидкость). Для практических расчетов стационарных процессов теплообмена для описания этого процесса можно воспользоваться уравнением Ньютона-Рихмана
Q = a. (tc – tж). F.t,
Теплопередачей называется процесс теплообмена между средами, разделенными некоторой перегородкой, например стенкой. Уравнение теплопередачи имеет вид
Q = k (tc – tж). F.t,
где k – коэффициент теплопередачи.
Теплопередача через стенки простой формы.
При теплопередаче через стенку простой формы величина теплового потока определяется по формуле:
Q= k ( tж1 – tж2 )
При теплопередаче через плоскую многослойную стенку:
При теплопередаче через цилиндрическую многослойную стенку:
При теплопередаче через шаровую многослойную стенку:
Значение температур на поверхностях или между слоями стенок могут быть рассчитаны соответственно:
При теплопередаче через плоскую многослойную стенку
При теплопередаче через цилиндрическую многослойную стенку
При теплопередаче через шаровую многослойную стенку
Оребрение
Оребрение производится с той стороны поверхности стенки, где коэффициент теплоотдачи меньше. Коэффициент оребрения определяется, как отношение оребренной и неоребренной поверхностей b= Fреб/Fгл.. Предположив, что минимальный коэффициент теплоотдачи a2 имеем
Для плоской поверхности ,
Для цилиндрической поверхности
Для шаровой поверхности
Тепловая изоляция. При расчете тепловой изоляции необходимо определить потери тепла через проектируемую конструкцию, а также подобрать необходимый теплоизоляционный материал и толщину изоляции. Обычно все эти расчеты проводятся по формулам теплопроводности или теплопередачи. Для проведения оценочного расчета можно воспользоваться формулой, позволяющей выбрать тип изоляции
,
где d2- наружный диаметр неизолированного трубопровода.
Примеры решения задач
Задача 1
Определить потерю теплоты через 1 м2 кирпичной обмуровки котла толщиной d = 250 мм и температуры стенки tС1 и tС2, если температура газов tЖ1 = 600°С, температура воздуха tЖ2 = 30°С, коэффициент теплоотдачи со стороны газов a1 = 20 Вт/(м2К), коэффициент теплоотдачи со стороны воздуха a2 = 8 Вт/(м2К) и коэффициент теплоотдачи обмуровки l0 = 0,7 Вт/(мК).
Решение
Стенка котла плоская, поэтому значение коэффициента теплоотдачи
,
тепловой поток ,
температуры: ,
.
Задача 2
Определить плотность теплового потока через стенку, холодная сторона которой оребрена и коэффициент оребрения F2/F1 = 13. Толщина стенки d = 10 мм и коэффициент теплопроводности материала l = 40 Вт/(мК). Коэффициенты теплоотдачи соответственно a1 = 200 и a2 = 10 Вт/(м2К), а температуры tЖ1 = 75°С, tЖ2 = 15°С.
Решение
Определим коэффициент теплопередачи:
,
тогда плотность теплового потока:
.
При отсутствии ребер:
.
Таким образом, оребрение поверхности позволяет увеличить теплопередачу более чем в 8 раз.
Задача 3
Наружный диаметр горизонтального паропровода 120/5 мм, температура пара 320°С. Температура воздуха в машинном отделении 30°С. Определить тип изоляции при условии, что толщина теплоизоляционного слоя не должна превышать 50 мм, а температура поверхности 50°С.
Решение
d1 = 0,11 м; d2= 0,12 м; dИЗ = 0,22 м; lТ = 40 Вт/(мК).
Допустим, что процесс передачи тепла стационарный, тогда величина линейной плотности теплового потока постоянна.
С поверхности тепловой изоляции в окружающую среду передается тепловой поток:
,
при tЖ = 30°С lЖ = 0,0256 Вт/(м×град), nЖ = 16,56×10-6 м2/с,
,
.
Отсюда ,
.
Примем , тогда
,
Допустим, что температура внутренней поверхности трубы равна температуре пара, то есть , тогда ,
,
отсюда lИЗ = 0,059 Вт/(мК).
По таблицам: в качестве теплоизоляционного материала можно использовать минеральную шерсть l = 0,046 Вт/(мК).
Источник
Представьте, перед вами встала проблема, как улучшить какую-то вещь, или как что-то заставить работать. Как придумать что-то новое? Для этого и была придумана Теория решения изобретательских задач. В данном топике я на пальцах попробую рассказать, о чем это
Для разминки
Жизненная ситуация: в хорошую погоду окна в квартире должны быть открыты, но если на улице пойдет дождь, то появится необходимость их закрыть. У нас нет желания следить за этим и закрывать их самостоятельно. Какое решение приходит в голову?
Интересный факт: нам всегда приходят на ум вещи, которые мы когда-то уже видели, или просто какие-то готовые решения.
Правильная постановка задачи
Одна из первых проблем с которой сталкивались все – это не понимание условия. По заданной проблеме нужно выстроить альтернативные вопросы, которые так же решают проблему.
Например: найти недорогой экспресс-метод обнаружения мест утечки воздуха в автомобильной шине (это проблема как дана ПКД).
Альтернативные вопросы (это проблема как понятна (ПКП)):
- Как найти утечку в шине
- Как предсказать возможное место появления утечки в шине
- Как найти способ самоустранения утечки в шине
Первый вариант понятнее, чем исходный, так как он более конкретен. Чем конкретнее выделена проблема, тем легче её решить.
Метод активации перебора решений
Есть множество способов активировать вариативный подход к решению изобретательских задач (на случай, если нужно придумать конкретно новое, а не новый способ применения уже имеющегося). Приведу основные:
- Морфологический метод
Создаём таблицу, где оси — важные нам параметры, характеристики. По каждой оси расписываем возможные достижения данной характеристики. Таким образом, выбирая по одному способу с каждой оси, можно подобрать наиболее верный и оптимальный вариант решения всей технической системы. - Переосмысление задачи
Одну и ту же задачу можно решить по-разному в зависимости от цели. К примеру: нужно, чтобы таран при столкновении с дверью не ломался.
Можно изменить материал тарана; попробовать сделать так, чтобы таран становился прочнее от удара о дверь (как бараны и их рога при столкновении). - Метод аналогий
Прямая аналогия: любая аналогичная ситуация или проблема, решённая в другой сфере деятельности, науки или природы.
Личная аналогия: попытка взглянуть на задачу, отождествляя себя с объектом, попытка войти в его образ, найти личные аналогии в опыте человека.
Пример
Рассмотрим обычную чашку. Если в нее налить кипяток, то она сама станет горячей, и её будет нелегко удержать в руках. Но ведь мы хотим ей воспользоваться!
Сформулируем задачу (противоречие. Ведь именно противоречие вынуждает решать задачу): Нам нужно, чтобы в чашку можно было налить что-то горячее, и не ошпариться при этом, взяв в руки.
С чем работаем?
Один из способов сохранить температуру налитой жидкости, не допуская нагрева чашки, — это сделать ее из более толстого материала. Это не приведет к существенным изменениям в производстве кроме дополнительных затрат на материал. Аналогичным решением будет считаться изменение материала, из которого делают чашку.
А если ли другие варианты? Можно сделать так, чтобы у чашки было не нагревающееся место. Эта мысль и привела к созданию ручки у чашек.
Чашка осталась чашкой и почти не приобрела в весе. Дополнительные затраты минимальны, так как ручка состоит из того же материала.
А почему не сделать иначе?
Безусловно, это не единственные способы решения задачи. Кроме одного НО. Чем проще решение, тем проще его применить.
Технический объект идеален, если его нет, а функция выполняется
Другими словами, решение наилучшее, если оно не требует ничего, кроме того, что у нас есть в условии.
Решения других областей
Порой некоторые задачи, которые были большой проблемой долгое время в одной области, уже были решены в другой.
Небольшой пример
Находясь в условиях полной темноты, требуется ориентироваться в пространстве. Если мы не можем видеть, то кто может? (про себя сразу формируем противоречие: человек не может видеть в темноте, но нужно, чтобы он мог в ней ориентироваться).
Тут можно вспомнить животных, которые хорошо ощущают себя в темноте. На эту роль больше всего претендуют кошки и летучие мыши. В первом варианте нужен хотя бы слабый источник света (прямого или отраженного). А в случае с летучей мышью свет и вовсе не нужен, они перемещаются при помощи отраженного звука.
На примере летучих мышей были сделаны эхолокаторы, а вот в основу очков ночного видения легла способность кошек ориентироваться при малом свете.
Другой занимательный пример
И ещё пример из мира животных: как избавиться от шнуровки в одежде? Одно из хороших решений — повязывать одежду дополнительным лоскутом этой самой одежды, что и легло в основу большинства халатов.
Второе достаточно распространенное решение состоит в том, чтобы вместо креплений использовать закрепки, вариантом которых являются липучки (их прототипом в свое время служили плоды репейника).
В итоге
Краткую схему применения ТРИЗ в общем виде можно представить в виде:
1. Определить задачу и сформулировать ее (проблема как дана и проблема как понятна)
2. Найти противоречие и то, что мешает решить задачу (в чем проблема ситуации)
3. Выделить ресурсы, которыми обладаем
4. Применить уже имеющиеся приемы решений (в пространстве, временной экран, решение из других областей и так далее)
5. Проанализировать решение и понять, можно ли его улучшить
Надеюсь, что несмотря на краткость, смог объяснить в общих чертах, что из себя представляет ТРИЗ (или хотя бы побудил самих узнать подробнее).
Источник
Понедельник. У мальчика прозвенел будильник, как обычно, в семь часов утра. Он его выключил и проспал еще час. Потом он встал, собрался, позавтракал и отправился в школу. Сборы и дорога до школы составляют один час. Он приехал вовремя на занятия, которые начинались в восемь часов утра. Как такое может быть?
Эта загадочная ситуация или открытая задача для взрослого человека, может быть, не составляет трудности. А вот для детей первого–второго классов начальной школы она оказалась не такой простой.
ВИДЕОРЕКЛАМАРолик просмотрен
– Школа была рядом, и мальчик быстро дошел до нее, – предполагает Марк.
– Он опоздал в школу, – восклицает Саша, недостаточно понимая условия задачи.
– Будильник прозвенел на час раньше, – предполагает Максим и оказывается ближе к правильному ответу.
– В этот день перевели время на час назад! – сообщает свое решение Настя и попадает в точку.
Как лисе поставить прививку?
А вот еще одна задача (ее в реальности решали швейцарские ветеринары), которую предлагаю ребятам второго класса.
«Из диких зверей самая опасная – лисица, потому что переносит бешенство. Из-за этого лисиц до последнего времени безжалостно отстреливали. Наконец изобрели вакцину против бешенства. Достаточно съесть капсулу, чтобы не заболеть, но лисиц не заставишь ходить на прививки. Как решить проблему?»
И снова активная эмоциональная работа детей по решению задачи. Подготовленные ребята нередко сразу предлагают решения, близкие к контрольному (то есть оптимальному варианту либо к решению, которое приняли люди в реальной ситуации).
– Надо поймать зайца, сделать ему прививку и бросить лисе в нору! – предлагает свое фантастическое решение Марк.
– Но ведь лис много, и сколько же зайцев нужно будет поймать? – задаю ему встречный вопрос.
– Надо лис усыпить дротиками, привезти их, закрыть в клетку и поставить прививку, – предлагает решение Федор.
– Это очень сложный процесс. Нам нужно, чтобы лисы сами приняли вакцину, – даю детям свой комментарий и напоминаю правила решения изобретательской задачи.
– Надо соленого зайца лисе подбросить! – наполненный эмоциями, не унимается Марк.
– А где ты столько зайцев возьмешь? Ведь лис же много! – уже дети отвечают Марку.
– Если вы говорите о еде – чем еще питаются лисы? – задаю детям наводящий вопрос.
– Курицей, рыбой…
– Нужно в воду добавить вакцину и поставить ее по всему лесу. Лисы будут пить воду и получат вакцину, – предлагает хорошее решение Рома. Но у меня возникает вопрос:
– А куда ты будешь эту воду наливать? Во что?
– Ну в озеро добавить, в речку, – рассуждает Роман. А вот это решение уже неудачное. Обсуждаем это с детьми.
ВИДЕОРЕКЛАМАРолик просмотрен
– Надо превратить вакцину в газ и распылить по лесу. Лисы будут этим воздухом дышать и получат вакцину, – предлагает еще одно интересное, но нереалистичное решение Матвей. Разбираем и его.
– Надо рыбу с вакциной разложить по всему лесу, лисы эту рыбу съедят и примут вакцину, – предлагает сильное решение Настя.
– Отлично! И тогда получится как раз то, что нам нужно: лисы сами съедят вакцину, которая находится в рыбе.
Останавливаемся на этом решении, близком к контрольному ответу. Как же в действительности поступили швейцарские айболиты? В шарики из рыбьей муки и жира закатали капсулы с вакциной и разбросали их на звериных тропах. Обладая тонким обонянием, лисы легко находили шарики и съедали их – вместе с лекарством. В Швейцарии таким способом с одного раза полностью искоренили бешенство среди диких животных.
Обсуждая с детьми контрольный ответ, делаем акцент на том, что для изготовления еды с вакциной не требовалось таких сложных процедур, как отлавливание животных или рыбы. Было найдено простое, дешевое и эффективное решение.
Как завести собаку, если родители против?
На уроках ТРИЗ мы решаем еще и сказочные задачи – то есть «помогаем» героям литературных произведений преодолеть трудности, с которыми они сталкиваются. Вот какие проблемы возникают у героев сказки Астрид Линдгрен «Малыш и Карлсон» (проблемы формулируют дети):
– Сломалась паровая машина.
– Родители не верят, что Карлсон существует.
– Карлсон обманывает Малыша.
Выводим их на самую главную проблему – Малыш хотел завести собаку, но родители были против.
А теперь нужно сделать из проблемы (то, что есть по факту) задачу – то есть то, что мы можем решить:
– Как малышу завести собаку, чтобы родители при этом не ругались? Что можно сделать, чтобы родители сами захотели завести для Малыша собаку?
Вот какие решения предлагают ребята второго класса:
– Построить будку на улице.
– Уговорить родителей.
– Поставить условие: если вы не выгоните собаку, я буду хорошо учиться.
– Спрятать собаку в доме.
– Увезти собаку к бабушке.
К этой задаче нет контрольного ответа и, как во всех открытых задачах, нет ответа правильного, единственно верного. Есть множество, как в жизни, вариантов решения, и одни из них лучше, другие – хуже. И мы выбираем то решение, которое считаем наиболее удачным, подходящим в данной ситуации. И даже если в сказке есть решение (или контрольный ответ), мы на нем не останавливаемся – мы думаем, как еще мог бы поступить герой в этой ситуации.
После решения трех–четырех таких задач дети выдыхают, как после спортивных соревнований. Им действительно непросто, особенно если задача сложная – ведь нужно разобраться в незнакомой ситуации, понять ее, уточнить с помощью вопросов все, что непонятно – и затем предлагать решения исходя из своего пока еще небольшого жизненного опыта.
Получение хороших, сильных решений при решении задач на уроках ТРИЗ формирует в ребенке уверенность в своих силах, в том, что он может решить сложную задачу. Но все же это не является самоцелью. Как считает мастер ТРИЗ Анатолий Гин, главное – это тот мыслительный процесс, который происходит в голове у ребенка. При решении открытых задач на уроках формируется стиль мышления, столь необходимый каждому человеку: ребенок учится видеть в своей жизни проблемы, переводить их в задачи и знать, что он может с этими задачами справиться и что очень многое в жизни зависит не от обстоятельств или других людей, а от него самого.
Источник