第二十一節(jié) 預(yù)先反作用原理

1第二十一節(jié)

預(yù)先反作用原理

在TRIZ理論的40條創(chuàng)新原理中，第9條是預(yù)先反作用原理。下面介紹預(yù)先反作用原理的內(nèi)容與應(yīng)用。

預(yù)先反作用原理：預(yù)先了解物體或系統(tǒng)可能出現(xiàn)故障的地方，并采取行動(dòng)來消除、控制或防止故障的發(fā)生。也就是事先給物體施加反作用力，來消除將可能出現(xiàn)的作用力和不利影響。

如果我們事先知道，系統(tǒng)在運(yùn)行過程中會有不利的或者有害的作用產(chǎn)生，那么，我們就可以預(yù)先采取一定的措施來預(yù)防、控制或抵消這種不利局面，防止負(fù)面作用產(chǎn)生不良后果，起到防患于未然的作用。用、物盡其用的思想越來越受到歡迎、越來越受到重視，也越來越得到普遍運(yùn)用。2

案例1：汽車減震器

汽車是現(xiàn)代生活不可或缺的交通工具，汽車在路上行駛時(shí)，大家都不希望其振動(dòng)、顛簸、搖晃，都希望它能給人們帶來平穩(wěn)、舒適、安全的乘車環(huán)境，如何才能做到？

汽車在坎坷的路段行駛，振動(dòng)、晃蕩似乎是難免的，為減小或預(yù)防劇烈振動(dòng)的發(fā)生，人們根據(jù)預(yù)先反作用原理，發(fā)明了一個(gè)重要汽車部件——減振器，如圖21-1、圖21-2所示，用來抑制來自路面的沖擊，保持汽車平穩(wěn)行駛。圖21-1.汽車前輪減震系統(tǒng)圖21-2.汽車減震器3

在汽車懸架中，減震器和彈簧是相互配合使用的，當(dāng)車身下壓時(shí)會壓縮彈簧，在彈簧力作用下車身又要反彈，此時(shí)減震器對彈簧的反彈起到阻尼作用，即在反彈后趨于穩(wěn)定。如果沒有減震器，彈簧在反彈后可能會反復(fù)振動(dòng)，從而引起車身多次振動(dòng)后才能趨于平穩(wěn)，這樣車子的穩(wěn)定性、舒適性就大大減弱。所以，減震器是為汽車懸架的彈簧在反彈時(shí)起到阻尼減震的作用。

減震器的工作原理是：減震器中有個(gè)活塞，如圖21-3，其中，1.活塞桿；2.工作缸筒；3.活塞；4.伸張閥；5.儲油缸筒；6.壓縮閥；7.補(bǔ)償閥；8.流通閥；9.導(dǎo)向座；10.防塵罩；11.油封。當(dāng)減震器被壓縮時(shí)，活塞向下運(yùn)動(dòng)，如圖21-4所示，下腔容積減小，上腔容積增大，流通閥打開，下腔的油液通過流通閥進(jìn)入上腔；同時(shí)一部分油液打開壓縮閥進(jìn)入儲油缸。這兩個(gè)閥對油液的節(jié)流作用使減震器產(chǎn)生壓縮運(yùn)動(dòng)時(shí)的阻尼作用。當(dāng)減震器被伸長時(shí)，活塞向上運(yùn)動(dòng)，如圖21-5所示，上腔容積減小，下腔容積增大，伸張閥打開，上腔的油液通過伸張閥進(jìn)入下腔；同時(shí)一部分油液打開補(bǔ)償閥，由儲油缸進(jìn)入下腔。這兩個(gè)閥對油液的節(jié)流作用使減震器產(chǎn)生伸張運(yùn)動(dòng)時(shí)的阻尼作用。4圖21-3.活塞圖21-4.活塞向下運(yùn)動(dòng)圖21-5.活塞向上運(yùn)動(dòng)

可見，當(dāng)車身受振動(dòng)發(fā)生相對運(yùn)動(dòng)時(shí)，減震器內(nèi)的活塞就上下移動(dòng)，減震器腔內(nèi)的油液便反復(fù)從一個(gè)腔經(jīng)過不同的孔隙流入另一個(gè)腔內(nèi)。此時(shí)孔壁與油液間的摩擦和油液分子間的內(nèi)摩擦對振動(dòng)形成阻尼力，使汽車振動(dòng)能量轉(zhuǎn)化為油液熱能，再由減震器吸收散發(fā)到大氣中，主要是將振動(dòng)的能量通過摩擦作用轉(zhuǎn)化為熱量，起到減振的作用。5

案例2：南京長江第二大橋

2001年3月26日正式通車的南京長江第二大橋，當(dāng)時(shí)被譽(yù)為“中華第一斜拉橋”，它由南、北汊大橋和南岸、八卦洲及北岸引線組成，全長12.5公里。其中，南汊大橋?yàn)殡p塔雙索面鋼箱梁斜拉橋，如圖21-6所示，以其628m主跨而成為世界第三大斜拉橋。

其中，雙塔對橋面可起到支撐作用，但我們知道，當(dāng)車輛在橋面上行駛時(shí)，對橋面向下的壓力增大，給橋面的承載力帶來極大的挑戰(zhàn)，根據(jù)預(yù)先反作用原理，人們設(shè)計(jì)了雙索斜拉橋結(jié)構(gòu)，對橋面預(yù)先起到向上的拉力，從而增加橋面的承重力。圖21-6.南京長江第二大橋6

案例3：預(yù)應(yīng)力混凝土結(jié)構(gòu)

鋼筋混凝土結(jié)構(gòu)在現(xiàn)實(shí)生活中被廣泛運(yùn)用，它是由鋼筋和混凝土混合制造而成。我們知道，混凝土的特點(diǎn)是：抗壓強(qiáng)度高、抗拉強(qiáng)度低；鋼材的特點(diǎn)是：抗壓強(qiáng)度低、抗拉強(qiáng)度高。鋼筋混凝土就是利用這兩種材料的優(yōu)勢互補(bǔ)而制造的建筑材料。

但在實(shí)踐運(yùn)用過程中，人們也發(fā)現(xiàn)一些問題，如鋼筋混凝土的橫梁，如圖21-7所示，上層承受壓力、下層承受拉力。當(dāng)負(fù)載較小時(shí)，下層鋼筋的拉應(yīng)力并不很大，如果繼續(xù)增加負(fù)載，下層鋼筋就要發(fā)生長度和方向的形變，這個(gè)形變越大，鋼筋的拉應(yīng)力就越大。盡管這個(gè)拉伸形變非常小，一般只能通過儀器才能測出。但由于混凝土的抗拉強(qiáng)度很低，不可能與鋼筋同步發(fā)生長度和方向的拉伸，這樣在橫梁的下層就會出現(xiàn)許多小裂紋，這種開裂的情況就會影響構(gòu)件（橫梁）的承載力，帶來極大的安全隱患。7

針對上述這種情況，19世紀(jì)末美國一位工程師首次提出了“預(yù)應(yīng)力混凝土”概念，為了彌補(bǔ)混凝土過早出現(xiàn)裂縫現(xiàn)象，在構(gòu)件使用之前，預(yù)先給混凝土構(gòu)件一個(gè)預(yù)壓力，即通過人工加力的方法，在混凝土受拉區(qū)內(nèi)，對鋼筋進(jìn)行預(yù)壓處理，將鋼筋進(jìn)行張拉，利用鋼筋的回縮力，使混凝土受拉區(qū)預(yù)先受壓力。這樣當(dāng)構(gòu)件承受外部負(fù)載產(chǎn)生拉力時(shí)，就會首先抵消受拉區(qū)混凝土中的預(yù)壓力，然后隨負(fù)載增加，才使混凝土受拉，這就限制了混凝土的伸長，延緩或不出現(xiàn)裂縫，從而提高了構(gòu)件的抗裂性能和強(qiáng)度。圖21-7.預(yù)應(yīng)力混凝土結(jié)構(gòu)8

預(yù)先反作用原理告訴我們，當(dāng)知道系統(tǒng)在運(yùn)行過程中，會有不利的或有害的作用產(chǎn)生時(shí)，我們就可以預(yù)先采取一定的措施來控制或抵消這種不利影響，從而防止負(fù)面作用產(chǎn)生不良后果。預(yù)先反作用原理不僅用于機(jī)械、工程、建筑等領(lǐng)域，在生物、醫(yī)藥、環(huán)保以及社會管理等諸多領(lǐng)域都有廣泛的運(yùn)用。如兒童通過接種疫苗來預(yù)防某些疾病，疫苗是將病原微生物（如細(xì)菌、病毒等）及其代謝產(chǎn)物，經(jīng)過人工減毒等方法制成的生物制品。事先把疫苗注入人體內(nèi)，當(dāng)人體接觸到這種不具備傷害力的病原菌后，免疫系統(tǒng)便會產(chǎn)生一定的保護(hù)物質(zhì)，如免疫激素、特殊抗體等；當(dāng)人體再次接觸到這種病原菌時(shí)，人體的免疫系統(tǒng)會依據(jù)原有的記憶，制造出更多的保護(hù)物質(zhì)來阻止病原菌的傷害，這就是預(yù)先反作用。當(dāng)然，