Охлаждение воды происходит за счет конвективного теплообмена с холодным воздухом и за счет испарения.
Усиливают охлаждение воды низкая температура воздуха и ветер.
Препятствует охлаждению воды конвективный теплообмен в толще воды. Известно, что вода максимальную плотность имеет при температуре около 4 °C. Поэтому вода, охладившись до этой температуры, как имеющая бoльшую плотность, опускается вниз. Снизу поднимается более теплая вода.
Система: вода, лед, лом. Надсистема (НС) — холодный воздух, глубинные слои воды.
В этой задаче под функциональными свойствами, которые приводят к возникновению ТП, понимаются потребности (см. рис. 7.1). С одной стороны, прорубь нужна для выполнения некоторых работ. С другой стороны, очень не хочется систематически заниматься работой по пробиванию проруби.
Таким образом, ТП: Прорубь пробивать нужно для взятия проб воды. И этого делать не нужно, потому что это тяжелая работа.
Следует отметить, что после такой формулировки задача начинает получать несколько иную направленность, чем была в исходной постановке. И это особенно становится заметным после формулировки ИКР.
ИКР: ТС обладает таким свойством, что сама не дает воде замерзать.
Достижению ИКР препятствуют природные процессы. Это и обуславливает физическое противоречие.
ФП: вода в проруби должна замерзать, так как взаимодействует с холодным воздухом, но она не должна замерзать, чтобы не пробивать ломом каждый раз прорубь (не ломать лед).
Следует подчеркнуть, что формулировка ИКР и ФП определяет направление поиска решения — не разрабатывать устройство для прорубания, а не допускать замерзания воды.
Изменение системных свойств рассматриваемого объекта можно сделать введением дополнительных компонентов (веществ или полей).
Какие вещества и поля можно ввести в систему, чтобы вода не замерзала?
Какими свойствами должны обладать эти вещества?
Какие ресурсы можно почерпнуть из НС?
Возможные решения
В лед вмораживают металлическую трубу (рис. 7.2.) Нижние слои воды более теплые. Металл хорошо проводит тепло.
Рис. 7.3
На поверхность воды, в трубу наливают жидкость с низкой температурой замерзания, которая не смешивается с ней и легче воды (например, бензин, керосин, масло).
Труба дает еще один эффект — при наличии течения не вымывает эту жидкость.
Для уменьшения конвективного теплообмена с воздухом прорубь можно накрыть крышкой из теплоизоляционного материала (например, из пенопласта) или палаткой.
Задача 7.5. Из замкнутого резервуара с непрозрачными стенками в химический реактор поступает агрессивная и ядовитая жидкость. Требуется измерять скорость истечения этой жидкости, однако никаких измерительных устройств на пути этой жидкости ставить нельзя (рис. 7.3).
Состав системы: резервуар, расходный трубопровод, агрессивная и ядовитая жидкость.
Задача на измерение, обнаружение.
ТП: Измеряющее устройство должно быть для осуществления контроля расхода жидкости, но его нельзя установить внутри расходного трубопровода.
Переход от ТП к ФП в этой задаче встречает определенные трудности. Это связано с тем, что в условии задачи не объясняются причины
Рис. 7.4
запрета устанавливать его в потоке жидкости. Вероятно, что детали измерительного устройства не могут вступать в контакт с жидкостью.
Следовательно, нужно поискать обходные пути.
Здесь можно наметить два пути решения проблемы.
Измерительное устройство (ИУ) поставить снаружи расходной трубы.
Вместо прямого измерения попытаться применить косвенное измерение. То есть измерять не расход жидкости, а какой-то другой параметр, по которому можно было бы определять расход.
Можно ли ИУ поставить не на расходную трубу, а в другое место?
Рассмотрим первый путь.
Если измерительное устройство поставить снаружи расходной трубы, то пока непонятно, как измерять расход, на каком физическом принципе действия может работать такое устройство.
В трубопроводе имеется жидкость. Надо измерять некоторые свойства этой жидкости, в частности, ее скорость. Измерительное устройство и жидкость разделены стенкой трубы.
Если измерять свойство вещества нельзя прямым контактом, значит, нужно использовать поля, которые могут проникать сквозь стенку трубы. Такими полями могут быть звуковые и ультразвуковые, электромагнитные волны.