Химическим эффектом называется преобразование, помогающее разрешить противоречие посредством изменения химического состава ТС или её частей.

ХЭ являются внешними проявлениями химических превращений веществ, протекающих в ТС. Таким проявлениями могут быть:

1) исчезновение, сохранение или возникновение одного из веществ ТС – изменение или сохранение химического состава ТС,

2) вторичные физические явления, сопровождающие это превращение – выделение или поглощение тепла, света, изменение объема, электропроводности вещества ТС и др.

Используя ХЭ, можно изменить физические свойства вещества ТС значительно сильнее и гораздо проще, чем с помощью физических эффектов.

Например, переход металла в оксид по реакции окисления вызывает весьма резкое изменение электропроводности вещества ТС при небольших изменениях температуры, но за счёт введения в ТС кислорода.

Или переход твёрдого карбоната аммония по реакции разложения в смесь газов производит большие объёмные изменения в ТС при относительно небольших изменениях температуры по сравнению с такими изменениями, которые требуются для перевода в газ твёрдого вещества, которое не разлагается.

Чтобы получить металлическую медь, нужна температура 1000ºС, с помощью ХЭ металлическую медь можно получить при восстановлении СО при 300ºС, формиатом – при 200ºС, электровосстановлением – при 20ºС.

Технические применения химических эффектов непривычны инженеру, воспитанному на традиционной механике и физике. Хотя химия как бы специально создана для «обмана» незыблемых физических законов.

Химические эффекты обычно необратимы и могут быть применены в данной ТС только однократно. Как следствие, ХЭ применимы для разделения противоречивых требований к веществу ТС во времени: когда в начальный момент существование данной ТС нужны одни физические свойства вещества, а через некоторое время – другие, резко противоположные.

ХЭ подобно ФЭ являются типовыми приемами устранения противоречий – это изменение физико-химических параметров объекта (№ 35), применение сильно действующих окислителей (№ 38) и изменение степени инертности (№ 39).

Многие ФЭ и ХЭ тесно связаны друг с другом, и порой трудно отделить чисто ХЭ от физико-химического или даже просто от ФЭ. Взять, например, явления адсорбции и десорбции, люминесценции, молекулярной и атомной эпитаксии и т. п.

Кроме того, для интенсификации ряда химических явлений часто используют чисто физические воздействия: тесное соприкосновение реагирующих веществ, повышение температуры, присутствие катализатора, применение физического поля, применение ионизирующего излучения, перемешивание, дробление, использование засветки с излучением требуемой длины волн, электрических разрядов и т. д.

Некоторые примеры химических эффектов: блеск металла, выделение пузырьков, выпадение осадка, горение, движение газов и жидкостей, измельчение, изменение цвета раствора (тв. вещ., газа), испарение, конденсация пара, кристаллизация, неоднородное изменение свойств вещества, образование новой формы твердого вещ., перемешивание твердых веществ, плавление, растворение, смешение жидкостей (газов, расплавов)

23. Биологические эффекты, характеристика, виды, примеры применения. (Маркелова Е.И.)

Биологические эффекты - это использование биологических объектов (животных, растений, микробов и т.п.) для технологических преобразований.

С давних пор человек использует растения, животных и бактерии. Но в последнее время их использование перешло на качественно новый уровень, чему способствовало развитие биотехнологии, биометаллургии, биоэлектроники, бионики и многих других наук, изучающих биологические объекты и новые способы их применения.

Применение биологических эффектов позволяет не только расширить возможности технических систем, но и получать результаты, не нанося вреда природе.

С помощью биологических эффектов можно выполнять различные операции: обнаружение, преобразование, генерирование, поглощение вещества и поля и другие операции.

Биологические эффекты разбиты на пять разделов в соответствии с целями использования:

1. Обнаружение веществ и энергии.

2. Удаление веществ и поглощение энергии.

3. Накопление веществ.

4. Преобразование веществ и энергии.

5. Выделение веществ и генерация энергии.

Примеры применения биологических эффектов:

1) люцерна (растение).

В Чехословакии над газопроводом высаживают люцерну. При воздействии даже малейшего количества газа люцерна меняет свой рост и цвет. С вертолета делают снимки посевов и так определяют место утечки.

2) грифы-индейки (птицы)

В США работники газопроводов для выявления утечки газа из труб используют обоняние грифов-индеек. С этой целью в природный газ добавляют химическое вещество с запахом тухлого мяса. Грифы, питающиеся падалью, начинают кружиться над местом утечки. Обходчику легко заметить крупных птиц (размах крыльев до двух метров) и найти соответствующее место

3) мухи (насекомые)

Мухи, почувствовав ядовитый газ в шахте, начинают нервничать. Канарейки умирают, вдохнув даже небольшое количество газа, а мыши, почуяв газ, начинают беспокойно метаться по клетке. Такую чувствительность животных к газу издавна использовали шахтеры

4) Паук (пресмыкающееся)

Замечено, что рисунок паутины зависит от питания паука. Самые незначительные примеси яда изменяют характер плетения. Криминалисты заинтересовались такими способностями пауков. Если причину гибели человека установить трудно, пауку дают каплю крови погибшего человека и смотрят на рисунок сети. Составлены специальные альбомы с фотографиями паутины после принятия пауками различных ядов.

5) Сосна и ель (растения)

Молодые хвойные деревья, такие, как сосна и ель, выявляют следы более тридцати различных металлов, в том числе и золота. Химический анализ хвои может легко подсказать возможные подземные месторождения минералов.

6) Березовый сок (жидкость)

По химическому составу березового сока можно определить месторождения залежей, богатых фторсодержащими соединениями. Березы в местах таких залежей дают сок с увеличенной концентрацией фтора. Подобным же образом определяются месторождения марганца, цинка, калия.

7) Хемилюминесценция (бактерии)

Хемилюминесценция применяется в качестве сверхчувствительного ндикатора минимальных количеств химических веществ в человеческом теле. С помощью люминесцентных бактерий, взятых у специального вида рыб, сделан прибор, устанавливающий алкоголь у водителей.

8) Травоядный карп (рыба)

В ряде американских штатов для очистки водоемов от водорослей, и в первую очередь от гидриллы, применяется травоядный карп. Рыбы очищают водоемы столь эффективно, что можно не применять химические вещества.

24. Геометрические эффекты, характеристика, виды, примеры применения.

Среди математических эффектов наиболее разработанные геометрические.

Геометрические эффекты - это использование геометрических форм для различных технологических преобразований.

Приведены некоторые эффекты. При этом указывается основной принцип, идея решения, а не сама требуемая конструкция со всеми подробностями. В отличие от химических эффектов, позволяющих получать одни вещества из других с поглощением или выделением энергии, или физических эффектов, позволяющих преобразовывать один вид энергии в другой, геометрические эффекты обычно перераспределяют уже имеющиеся потоки вещества и энергии.

Придавая твердому телу ту или иную геометрическую форму, можно обнаружить у него целый набор уникальных свойств, причем как полезных, так и вредных.

Пример. Форма сечения крыла самолета. Поперечное сечение крыла самолета несимметрично: нижняя часть плоская, а верхняя – выпуклая.

Рис.1. Схема обтекания крыла самолета

Длина траектории потока воздуха по верхней стороне больше, чем по нижней. Поэтому скорость потока на верхней стороне больше, чем на нижней, а в соответствие с законом Бернулли, чем выше скорость, тем меньше давление в потоке. Таким образом, только за счет разницы в кривизне поверхностей образуется разность давлений в верхней и нижней части крыла и создается подъемная сила.

Пример

6.1. Создание больших сил. Для создания больших сил часто используется рычаг. Если необходимо создать очень большие силы, то создаются устройства, основанные на использовании геометрических эффектов. Например, для вытаскивания застрявшего автомобиля (рис. 9а) или для разъединения деталей (рис. 9 б). При малом угле α можно в десятки и сотни раз увеличивать силу воздействия на объект.

Рис.9. Технические решения, позволяющие значительно увеличивать силу: а)приложить силу под углом 90° в центре троса, привязанного одним концом к машине, другим – к дереву; б)расклинивающая сила N значительно больше, чем приложенная F

Пример. Свойства спирали Архимеда. Уравнение спирали Архимеда в полярной системе координат имеет вид: r=aj, где a – коэффициент. Расстояние между двумя последовательными витками спирали Архимеда является величиной постоянной и равной 2απ. Это свойство спирали используется в самоцентрирующихся патронах токарных станков (10) и в подобных устройствах.

В радиальных пазах корпуса трехкулачкового патрона расположены три кулачка. Спиральными выступами на подошве кулачки входят в канавки спиральной резьбы зубчатого колеса. Это колесо приводится во вращение ключом, вводимым в гнездо одного из трех малых зубчатых колес. Таким образом осуществляется преобразование равномерного вращательного движения в равномерное поступательное.

Рис. 10 Основные элементы трехкулачкового патрона

Известно, что если насадка для брандспойта выполнена в виде трубки, которая имеет в двух соседних сечениях взаимно перпендикулярные овалы (рис. 15, а), то длина истекающей струи, по сравнению с обычным брандспойтом, увеличивается без дополнительных затрат на 30 %. Аналогично, если жидкость подается тангенциально в камеру, выполненную в виде эллипсоида, то дальность струи увеличивается до 27 % (рис. 15, б).

Рис.

6.1 Сечение насадки на брандспойт: а) взаимно перпендикулярные овалы в двух соседних сечениях; б)тангенциальнная подача жидкости в камеру в форме эллипсоида

Пример. Башня Шухова

Свойство гиперболических тел образовывать криволинейную поверхность из прямых линий позволило выдающемуся русскому инженеру, выпускнику 1878 г. Московского Императорского технического училища (МВТУ им. Н.Э. Баумана) В. Г. Шухову получить свою знаменитую Привилегию (патент) № 1896 «...ажурная башня, характеризующаяся тем, что остов ее состоит из пересекающихся между собой прямолинейных деревянных брусьев или железных труб, или угольников, расположенных по производящим тела вращения, форму которого имеет башня, склепываемых между собою в точках пересечения и, кроме того, соединенных горизонтальными кольцами» (см.рис. 22).

В соответствии с предложенным Шуховым ТР, башня выполнена в форме однополостного гиперболоида. Прямолинейные образующие башни соединены в точках пересечения, придавая ей дополнительную жесткость. Если бы приняли решение делать ажурную и в то же время жесткую конструкцию башни цилиндрической формы, то пришлось бы применить криволинейные стержни, изготовление которых является весьма трудоемким процессом. Возникли бы также сложности транспортировки и монтажа конструкции, значительно усложнилась увязка размеров стыкуемых элементов конструкции.

Рис. 22. Схема фрагмента башни Шухова

Практика подтвердила инженерный расчет Шухова. В в мире построено около двухсот подобных конструкций (маяков, башен, антенн).

В СССР выдано более десятка авторских свидетельств, основанных на этом же свойстве, но принцип его использования остался неизменным.

Еще одним замечательным свойством гиперболоида является способность изменять боковой профиль вплоть до цилиндрической поверхности. Для этого прямолинейные стержни, образующие гиперболоид, соединяются с торцевыми кольцами шарнирно. При вращении верхнего кольца относительно нижнего вокруг оси О – О ^/ (рис. 23) происходит изменение формы боковой поверхности. Таким образом можно изменять форму вращающегося абразивного инструмента, сельскохозяйственного орудия или фрезы.

Рис. 23. Изменение формы боковой поверхности гиперболоида вращением колец

При вращении колец изменяется угол наклона образующих к основанию. Это позволяет выбирать оптимальный угол резания плуга, центробежной мельницы. Возможность регулирования сечения и объема однополостного гиперболоида относительным вращением наружных колец нашло применение для изменения проходных сечений в затворах, тормозах, захватах, отжимающих устройствах и для решения других задач.