第11課 提高系統(tǒng)效率的發(fā)明原理

第11課提高系統(tǒng)效率的發(fā)明原理提高系統(tǒng)效率的發(fā)明原理【案例導(dǎo)入】軍用飛機的油箱目錄11.1預(yù)操作原理（10）11.2曲面化原理（14）11.3動態(tài)化原理（15）11.4維數(shù)變化原理（17）11.5振動原理（18）11.6周期性作用原理（19）11.7有效作用的連續(xù)性原理（20）11.8機械系統(tǒng)替代原理（28）11.9氣動與液壓結(jié)構(gòu)原理（29）11.10參數(shù)變化原理（35）11.11狀態(tài)變化原理（36）11.12熱膨脹原理（37）11.13復(fù)合材料原理

（40）1.預(yù)操作原理（10）預(yù)操作原理（10）預(yù)操作原理又稱“預(yù)先作用”，是指：在真正需要某種作用之前，預(yù)先執(zhí)行該作用的全部或一部分。指導(dǎo)原則：（1）預(yù)先對某對象進行所需的改變，這種改變可以是整體的，也可以是部分的。（2）將有用的物體預(yù)置，以便使其在必要時能立即在最方便的位置發(fā)揮作用。預(yù)操作原理（10）典型案例：（1）方便面。（2）建筑業(yè)中大量使用的預(yù)制件。（3）紙上預(yù)先印刷好的表格。（4）計算機軟件中，根據(jù)用戶當(dāng)前狀態(tài)而彈出的上下文關(guān)聯(lián)菜單列表。（5）在大型機械設(shè)備總裝過程中，大量使用預(yù)先裝配好的組件。例如，在汽車的總裝線上，只需安裝一個已經(jīng)裝配好的發(fā)動機，而不需要在總裝線上臨時用零件組裝出一個發(fā)動機。（6）預(yù)先被打孔的郵票。如今，已經(jīng)很少有人知道最早的郵票是以沒有打孔的整版形式銷售的。早期的郵票用戶必須將郵票一張一張剪下來，然后用膠水粘到信封上。預(yù)操作原理（10）運用技巧：在某一事件或過程之前采取行動，目的在于增強安全性、簡化事情的完成過程、維持正確作用、減輕疼痛、增強智力、產(chǎn)生某種優(yōu)點及使用過程簡單化等。例如，新的棉布水洗后通常會“縮水”。如果用沒有經(jīng)過“縮水”的棉布做成衣服的話，用水洗后就會變小，影響正常使用。因此，當(dāng)棉布被紡織出來后，通常要進行預(yù)先縮水處理。這樣，制造出來的衣物在水洗之后就不會再縮水了。預(yù)操作原理（10）課堂討論：請說一說其中蘊含的道理。①手術(shù)前，將手術(shù)器具按需要時的使用順序排列整齊；②在商場等建筑物的通道里安置滅火器；③已充值的公交車IC卡。2.曲面化原理（14）曲面化原理（14）曲面化原理是指：（1）通過將二維或三維空間中的直線變?yōu)榍€、直線運動變?yōu)閳A周運動來增加曲率。（2）用曲線屬性或球面屬性代替線性屬性。指導(dǎo)原則：（1）用曲線（或曲面）代替直線（或平面），用球體代替多面體。（2）采用滾筒、輥、球、螺旋結(jié)構(gòu)。（3）利用離心力，用回轉(zhuǎn)運動代替直線運動。曲面化原理（14）典型案例：（1）兩表面間引入圓弧結(jié)構(gòu)，以降低應(yīng)力集中。例如機械

零件中的倒角、圓弧過渡結(jié)構(gòu)。（2）螺旋齒輪可以提供均勻的承載能力。（3）圓珠筆和鋼筆的球形筆尖，使書寫流暢，下墨均勻。（4）通過高速旋轉(zhuǎn)，甩干機利用離心力去除濕衣物中的水分。（5）利用離心鑄造可以生產(chǎn)出壁厚非常均勻的產(chǎn)品。曲面化原理（14）運用技巧：科幻故事《黑暗的墻》中，哲人格里爾手里拿著一張紙對同伴不里爾頓說：“這是一個平面，它有兩個面。你能設(shè)法讓這兩個面變成一個面嗎？”不里爾頓驚奇地看著格里爾說：“這是不可能的?！薄笆堑?，乍看起來是不可能的，”格里爾說，“但是，你如果將紙條的一端扭轉(zhuǎn)180度，再將紙條對接起來，會出現(xiàn)什么情況？”不里爾頓將紙條一端扭轉(zhuǎn)180度后對接，然后黏貼起來。“現(xiàn)在把你的食指伸到紙面上?！备窭餇栰o靜地說。曲面化原理（14）不里爾頓已經(jīng)明白了這位智者同伴的智慧，他移開了自己的手指。“我懂了！現(xiàn)在不再是分開的兩個面，只有一個連續(xù)的面”。這就是以著名的德國數(shù)學(xué)家莫比烏斯命名的“莫比烏斯環(huán)”。很多人利用這個奇妙的“莫比烏斯環(huán)”來獲得發(fā)明。至少有100多項專利是基于這個奇妙的環(huán)，如砂帶機、錄音機、皮帶過濾器等。

“莫比烏斯環(huán)”是曲面化原理的典型代表。曲面化原理（14）課堂討論：請說一說其中蘊含的道理。①建筑領(lǐng)域中常用拱形結(jié)構(gòu)來提高建筑物的強度，例如，拱門、石拱橋等。②螺旋形的樓梯可以大幅提高空間的利用率。3.動態(tài)化原理（15）動態(tài)化原理（15）動態(tài)化原理是指：使構(gòu)成整體的各個組成部分處于動態(tài)，即各個部分是可調(diào)整的、活動的或可互換的，以便使其在工作過程中的每個動作或階段都處于最佳狀態(tài)。指導(dǎo)原則：（1）調(diào)整對象或?qū)ο笏幍沫h(huán)境，使對象在各動作、各階段的性能達到最佳狀態(tài)。（2）將對象分割為多個部分，使其各部分可以改變相對位置。（3）使不動的對象可動或可自動適應(yīng)。動態(tài)化原理（15）典型案例：（1）汽車上可調(diào)的方向盤、座椅、后靠背或后視鏡。（2）折疊椅和筆記本電腦都是通過分割物體的幾何結(jié)構(gòu)，引入鉸鏈鏈接，使其各部分可以改變相對位置。（3）裝卸貨物的鏟車（裝載機），通過鉸鏈鏈接鏟斗，可以自由開閉。（4）在計算機軟件中，根據(jù)用戶當(dāng)前的狀態(tài)的不同，鼠標(biāo)右鍵菜單的內(nèi)容也不同。（5）充氣床或水床可以根據(jù)人的不同臥姿自動調(diào)整其形狀。動態(tài)化原理（15）動態(tài)化原理（15）運用技巧：嘗試讓系統(tǒng)中的某些幾何結(jié)構(gòu)成為柔性的、可自適應(yīng)的；往復(fù)運動的部分成為旋轉(zhuǎn)的；讓相同的部分執(zhí)行多種功能；使特征成為柔性的；使系統(tǒng)可兼容于不同的應(yīng)用或環(huán)境。例如，飛機機翼上的可動襟翼能夠按照需要調(diào)整其姿態(tài)，使機翼可適應(yīng)降落、起飛和飛行時的不同工況要求。動態(tài)化原理（15）課堂討論：請說一說其中蘊含的道理。①北斗自動導(dǎo)航系統(tǒng)；②小轎車?yán)锏目烧{(diào)節(jié)座椅；③采用蛇皮管燈桿的臺燈。4.維數(shù)變化原理維數(shù)變化原理（17）維數(shù)變化原理是指：通過將對象轉(zhuǎn)換到不同維度，或通過將對象分層或改變對象的方向來改變對象的維度。指導(dǎo)原則：（1）如果對象沿著直線（一維）運動（或配置）時存在某種間題，則可以使其沿平面（二維）運動（或配置）來消除存在的間題；相同道理，如果對象沿著平面（二維）運動（或配置）時存在某種間題，則可以使其過渡到三維空間來運動（或配置），從而消除存在的間題。例如：（2）單層變?yōu)槎鄬?。?）將對象傾斜或側(cè)向放置。（4）利用給定表面的反面。維數(shù)變化原理（17）典型案例：（1）機械設(shè)計中的加強筋、工字鋼、工字梁。（2）固定電話上，連接聽筒與機身的螺旋形電話線。（3）從順序操作（一維）變?yōu)椴⑿胁僮鳎ǘS）。（4）樓房代替平房。（5）在倉庫中，將貨物堆垛碼放。（6）往汽車上裝卸汽油桶的時候，在地面與車廂間利用木板形成斜坡，使裝卸變得容易。（7）雙面膠帶。維數(shù)變化原理（17）運用技巧：例如，螺旋滑梯的滑道比直線型滑梯更長。又如，建筑中的穹頂結(jié)構(gòu)、拱形結(jié)構(gòu)。維數(shù)變化原理（17）課堂討論：請說一說其中蘊含的道理。①臺球選手利用弧線球來繞開母球與目標(biāo)球之間的其他球。②將刀子的刀刃由直線型改為鋸齒型，可以提高切割效果。③立體車庫。5.振動原理（18）振動原理（18）振動原理是指：（1）通過振動（振蕩）或搖動（震動）對象而使對象產(chǎn)生機械振動，增加振動的頻率或利用共振頻率。（2）利用振動（顫動、搖動、擺動）或振蕩（振動、振蕩、擺動），在某個區(qū)間內(nèi)產(chǎn)生一種規(guī)則的、周期性的變化。振動原理（18）指導(dǎo)原則：（1）使對象發(fā)生機械振動。（2）如果對象已經(jīng)處于振動狀態(tài)，則提高振動的頻率（直至超聲振動）。（3）利用共振頻率。（4）用壓電振動代替機械振動。（5）將超聲波振動與電磁場合并使用。振動原理（18）典型案例：（1）利用振動刀片的電動切肉刀。（2）在澆注混凝土的時候，利用振動式勵磁機（激勵器）去除混凝土中的孔隙。（3）在篩選（篩分）的時候，利用振動可以提高效率。（4）振動可以使生銹的、腐蝕的或擰得過緊的零件松動。（5）利用振動，樂器可以發(fā)出悅耳的聲音。（6）石英表利用石英振動機芯代替了機械表的機械振動機芯。（7）振動式電動剃須刀與沖擊式鉆機（風(fēng)鉆）。振動原理（18）振動原理（18）運用技巧：不要假定一個穩(wěn)定系統(tǒng)才是最佳的。嘗試采用不穩(wěn)的、變化的但同時是可控的系統(tǒng)。例如，當(dāng)電流由直流轉(zhuǎn)變?yōu)榻涣鲿r，可以產(chǎn)生多種新特征，如電磁波、毛磁感應(yīng)等。振動原理（18）例如：聰明的測量儀?；S車間里有一種強腐蝕性的液體裝在一個巨大的容器中，生產(chǎn)時，讓液體從容器流向反應(yīng)器，但進入反應(yīng)器的液體量需要進行精確的控制。“我們嘗試使用了各種玻璃或金屬制作的儀表，”車間主任對廠長說，“但它們很快就被液體給腐蝕了?！薄叭绻粶y量流量，只測量液體高度的變化怎么樣？”廠長問?！叭萜骱艽?，高度變化很微小，無法得到準(zhǔn)確的結(jié)果，”車間主任說，“而且容器接近天花板，操作上很不方便。”這似乎是一個難以解決的問題。這時，基于振動發(fā)明原理，考慮設(shè)計一臺“聰明的測量儀”，不是測量液體，而是測量空隙。原來，利用振動的原理，測量容器中液面以上的空氣部分的共振頻率，得到空氣部分的變化量，從而準(zhǔn)確推算出液面的細微變化量。振動原理（18）課堂討論：請說一說其中蘊含的道理。①超聲波碎石機利用共振現(xiàn)象來擊碎膽囊結(jié)石或腎結(jié)石。②若欲使人快速疲勞，可利用斷續(xù)照明代替持續(xù)照明；③商業(yè)上利用談判技術(shù)（誘導(dǎo)變化），以使合伙人的

真實需求顯露出來。通過對方法進行數(shù)次改變，他

們能更好地了解如何才能在談判團體之間對所有需

要達成一致意見。6.周期性作用原理（19）周期性作用原理（19）周期性作用原理是指：通過有節(jié)奏的行為（操作方式）、振幅和頻率的變化以及利用脈沖間隔，來實現(xiàn)周期性作用。指導(dǎo)原則：（1）用周期性作用或脈動代替非周期性作用。（2）如果作用已經(jīng)是周期性的，則改變其作用頻率。（3）利用脈動的間隙來完成其他的有用作用。周期性作用原理（19）典型案例：（1）在建筑工地上，將打樁機周期性地作用于樁子，可以快速地將樁子打入地下。（2）當(dāng)汽車在結(jié)冰的路面上制動時，利用“多次輕踩剎車的方式”可以避免打滑。（3）盤銑刀（其對金屬的切割是周期性的）的加工效率比普通銑刀（其對金屬的切割作用是連續(xù)的）要高得多。（4）在不同的工作狀態(tài)下，洗衣機（或洗碗機）會采用不同的水流噴射方式。（5）在實施心肺呼吸搶救時，每壓迫患者胸部5次，人工呼吸l次。（6）警笛的周期性鳴叫和警燈的周期性閃爍，更能引起注意。（7）汽車的雨刮器，工作時由電機帶動刮臂和刮片，在汽車擋風(fēng)玻璃上周期性擺動，刮除雨水和其他臟物。周期性作用原理（19）運用技巧：嘗試以多種方式來改變現(xiàn)有系統(tǒng)的功能，如生產(chǎn)間歇、改變頻率、利用脈沖間隙等。要評估這種改變是否能帶來新的功能，帶來新的功能后如何強化這種改變。周期性作用原理（19）例如：兩根繩子。在一個空房間里，有一個布娃娃放在窗臺上，兩根細繩從天

花板上垂直下來。你的任務(wù)是將兩根繩子的下端綁在一起。但是，如果你拿著一根繩子卻夠不到另一根繩子，旁邊沒有人，所以不會得到幫助。當(dāng)然的想法是讓繩子動起來。但是繩子又輕又軟，根本就動不起來。怎么辦？這時，一個基于周期性動作原理的解決方案產(chǎn)生了：利用窗臺上的那只布娃娃來解決這個難題。將布娃娃綁在繩子的下端，然后讓繩子在布娃娃的重力作用下形成周期性的擺動，問題就迎刃而解了。周期性作用原理（19）課堂討論：請說一說其中蘊含的道理。①俗稱“蛤蟆夯”的機械夯。②樂隊中的鼓點。③醫(yī)用呼吸機，按照人的吸氣期和呼氣期來周期性地幫助

患者呼吸。7.有效作用的連續(xù)性原理（20）有效作用的連續(xù)性原理（20）有效作用的連續(xù)性原理是指：在時間、順序、物質(zhì)組成或范圍廣度上，建立連續(xù)的流程并（或）消除所有空閑及間歇性動作以提高效率。指導(dǎo)原則：（1）讓工作不間斷地進行（對象的所有部分都應(yīng)一直滿負(fù)荷工作）。（2）消除空閑和間歇性動作。（3）用旋轉(zhuǎn)運動代替往復(fù)運動。有效作用的連續(xù)性原理（20）典型案例：（1）在物流管理中，通過適當(dāng)?shù)恼{(diào)度，最大限度地減少運輸工具的返程空載率。（2）快速干燥的油漆，可以消除傳統(tǒng)油漆等待干燥的時間。（3）用盤式銑刀（旋轉(zhuǎn)運動進行切割）代替立式銑刀（往復(fù)運動進行切割）。（4）用絞肉機代替菜刀來剁肉餡。運用技巧：在建設(shè)自動流水線的時候，是以整個流水線的產(chǎn)量為基礎(chǔ)來設(shè)計的。只有當(dāng)流水線上的所有設(shè)備都是連續(xù)地、同時滿負(fù)荷工作的時候，才能達到流水線的設(shè)計產(chǎn)量。有效作用的連續(xù)性原理（20）課堂討論：請說一說其中蘊含的道理。①心臟起搏器。②用加工中心代替多臺機床，可以消除零件在不同機床之間的運輸時間。③用水車取水（系統(tǒng)旋轉(zhuǎn)，子系統(tǒng)往復(fù)）代替水桶打水（系統(tǒng)往復(fù)）。8.機械系統(tǒng)替代原理（28）機械系統(tǒng)替代原理（28）機械系統(tǒng)替代原理是指：利用物理場（光場、電場、磁場等）或其他物理結(jié)構(gòu)、物理作用和狀態(tài)來代替機械的相互作用、裝置、機構(gòu)及系統(tǒng)。此原理實際上涉及操作原理的改變或替代。指導(dǎo)原則：（1）用光學(xué)、聲學(xué)、電磁學(xué)、味覺、觸覺或嗅覺系統(tǒng)來代替機械系統(tǒng)。（2）使用與對象相互作用的電場、磁場、電磁場。（3）用移動場代替固定場，用動態(tài)場代替靜態(tài)場，用結(jié)構(gòu)化場代替非結(jié)構(gòu)化場，用確定場代替隨機場。（4）把場和與場發(fā)生相互作用的粒子（例如，磁場和鐵磁粒子）組合起來使用。機械系統(tǒng)替代原理（28）典型案例：（1）用語音識別系統(tǒng)代替鍵盤作為計算機的輸入。（2）用聲音、指紋或視網(wǎng)膜代替?zhèn)鹘y(tǒng)的鑰匙。（3）為混合兩種粉末，讓一種粉末帶正電荷，另一種粉末帶負(fù)電荷，然后利用場來驅(qū)動它們，或者機械地使粉末顆粒均勻地混合在一起。（4）在通信系統(tǒng)中，用定點雷達預(yù)測代替早期的全方位檢測，可以獲得更加詳細的信息。（5）對光反應(yīng)變色的玻璃。（6）用動物可以聽見的“聲音圍欄”代替實物柵欄圈住牛羊。（7）用北斗導(dǎo)航定位代替實物柵欄指導(dǎo)共享單車停放。（8）汽車無線遙控鎖替代機械鎖。機械系統(tǒng)替代原理（28）運用技巧：首先考慮用物理場替代機械場，由可變場替代恒定場，由結(jié)構(gòu)化場替代非結(jié)構(gòu)化場，由生物場來替代機械作用。在非物理系統(tǒng)中，概念、價值或?qū)傩远伎梢允潜惶娲膶ο?。例如，核磁共振成像掃描器。機械系統(tǒng)替代原理（28）課堂討論：請說一說其中蘊含的道理。①在煤氣中摻入難聞氣體，警告使用者氣體泄漏。②門鈴代替敲門。③用電子系統(tǒng)代替機械計算系統(tǒng)（例如物聯(lián)網(wǎng)）。9.氣動與液壓結(jié)構(gòu)原理（29）氣動與液壓結(jié)構(gòu)原理（29）氣動與液壓結(jié)構(gòu)原理是指：利用空氣或液壓技術(shù)來代替普通的系統(tǒng)部件，即通過利用液體或氣體，甚至利用可膨脹的或可充氣的對象來實現(xiàn)氣動和液壓原理。指導(dǎo)原則：利用氣體或液體部件代替對象中的固體部件，如充氣結(jié)構(gòu)、氣墊、液體靜力結(jié)構(gòu)和流體動力結(jié)構(gòu)等。氣動與液壓結(jié)構(gòu)原理（29）典型案例：（1）用氣墊船或橡皮艇代替木船。（2）運輸脆的、易損壞的物品時，經(jīng)常使用發(fā)泡材料進行保護。運用技巧：氣墊運動鞋可以減輕運動對足底的沖擊。氣動與液壓結(jié)構(gòu)原理（29）課堂討論：請說一說其中蘊含的道理。①汽車的安全氣囊可以在交通事故中起到一定的保護作用。②液壓千斤頂。10.參數(shù)變化原理（35）參數(shù)變化原理（35）參數(shù)變化原理是指：改變某個對象或系統(tǒng)的屬性，以便提供某種有用的功能。這是所有發(fā)明原理中使用頻率最高的一條。指導(dǎo)原則：（1）改變對象的物理聚集狀態(tài)（例如，在氣態(tài)、液態(tài)、固態(tài)之間變化）。（2）改變對象的密度、濃度、黏度。（3）改變對象的柔性、溫度。參數(shù)變化原理（35）典型案例：（1）將二氧化碳制成干冰。（2）利用果汁和果肉制造果凍。（3）脫水的橘子粉要比橘子汁更加便于運輸，同理，奶粉比牛奶更易儲存和運輸。（4）改變硫酸的濃度，不同濃度的硫酸有不同的性質(zhì)。（5）利用冰箱將食物冷凍起來，可以延長其保存的時間。（6）在烹飪過程中，提高食物的溫度可以改變食品色、香、味等。（7）將鐵磁性物體的溫度提高到居里點以上，可以將磁性物體變?yōu)轫槾朋w。參數(shù)變化原理（35）運用技巧：可以考慮改變系統(tǒng)或?qū)ο蟮娜我鈱傩裕▽ο蟮奈锢砘蚧瘜W(xué)狀態(tài)、密度、導(dǎo)電性、機械柔性、溫度、幾何結(jié)構(gòu)等）來實現(xiàn)系統(tǒng)的新功能。例如用液態(tài)形式運輸氧、氮、天然氣，從而取代氣體形式的運輸，可以減少貨物的體積，提高運輸效率。參數(shù)變化原理（35）課堂討論：請說一說其中蘊含的道理。①洗手液。用液態(tài)肥皂水代替固體肥皂，可以定量使用，減少浪費，同時在多個人使用時更加衛(wèi)生。②固態(tài)的二氧化碳——干冰比氣態(tài)或液態(tài)時更便于使用。11.狀態(tài)變化原理（36）狀態(tài)變化原理（36）狀態(tài)變化原理是指：利用對象在相變過程中出現(xiàn)的現(xiàn)象，來實現(xiàn)某種效應(yīng)或使某個系統(tǒng)發(fā)生改變。指導(dǎo)原則：利用對象在相變（相態(tài)改變）過程中產(chǎn)生的某種現(xiàn)象或效應(yīng)，如體積改變、吸熱或放熱等。狀態(tài)變化原理（36）典型案例：蒸汽機、