© G.Altshuller. “TyC”, 1981. Nro 1.
EFECTOS FÍSICOS COMO INSTRUMENTOS EN LA CREATIVIDAD TÉCNICA

Especialmente para la Fundación G.S.Altshuller.

INTRODUCCIÓN:

Una década atrás se introdujo en los programas educativos para colegios y seminarios sobre TRIZ, un curso de “Aplicación de los Fenómenos y los Efectos Físicos para la Resolución Creativa de Problemas Técnicos”. Al principio, se suponía que el curso descubriría la potencialidad de los efectos relativamente poco conocidos, los cuales no han sido presentados a los ingenieros en los centros de enseñanza superior. Sin embargo, se aclaró que en primer lugar, es necesario estudiar la aplicación creativa de la física, bien conocida por los ingenieros desde su etapa estudiantil, y de la cual, el verdadero potencial, es realmente inalcanzable. Es por eso que en los actuales cursos de aplicación de los efectos físicos, se tiene por objetivo “revivir” ante todo, los conocimientos ya existentes y recién después comenzar con la asimilación de física “exótica”.

En su momento, fue elaborado para los concurrentes de los colegios de TRIZ, un “Indicador de Aplicación de los Fenómenos y Efectos Físicos”. Este se basó, en el análisis de miles de patentes. Además, fue utilizada una amplia gama de literatura sobre física, como libros y artículos sobre la iniciación hacia la investigación, y de otras fuentes. El indicador se construyó de acuerdo a la división tradicional de la física en sus diferentes ramas, a saber: mecánica, termodinámica, óptica y otras. Sin embargo, el ingeniero, con frecuencia desconoce en cual de estas ramas hay que buscar al efecto necesario para la resolución de un nuevo problema. En problemas de elevada dificultad, se requiere la aplicación de distintas combinaciones de efectos físicos. En relación a ello, surgió la idea de utilizar el análisis de Sustancia-Campo (el lector puede consultar en español: http://www.altshuller.ru/thesaur/) cómo árbitro entre los problemas y la física (artículos sobre los fundamentos del análisis Sustancia-Campo, pueden investigarse en “TyC”, 1979 Nro 4, el link es: http://www.altshuller.ru/triz8.asp).

Las condiciones de un problema siempre se pueden representar en forma de diagrama Sustancia-Campo, indicando cuales sustancias y campos están dados y cómo están relacionados entre sí. Desde otro punto de vista, cada efecto físico tiene su diagrama Sustancia-Campo, pudiéndose realizar una recopilación de estos diagramas. La confrontación de lo que está dado (o se requiere obtener) contra los diagramas de Sustancia-Campo de los efectos físicos, permite determinar el efecto necesario para su resolución.

En el año 1975 se inició el trabajo sobre un nuevo “indicador”, en el cual, los efectos y los fenómenos físicos están agrupados en conjuntos, de acuerdo a las semejanzas de sus fórmulas Sustancia-Campo. A medida que se avanzaba, las partes del nuevo indicador se utilizaban en los colegios de TRIZ. La práctica demostró la conveniencia del análisis Sustancia-Campo como puente entre la física y los problemas.

A partir de la publicación de este número de “Técnica y Ciencia”, se inicia algunas de las partes más interesantes del nuevo “indicador”.

En la versión de revista, el texto tuvo que ser comprimido, seleccionando lo más importante. En la mayoría de los ejemplos están dados solamente los números de las patentes, por lo cual, se recomienda que luego de haber trabajado sobre cada artículo, es conveniente buscar y leer las indicaciones sobre las descripciones de las patentes (o por lo menos las fórmulas de las patentes del “Boletín de Invenciones”); esto, le permitirá obtener una visualización más completa sobre las particularidades de la aplicación de los efectos físicos.

En general, las partes publicadas del “indicador”, deben mirarse como una base para formar un banco personal de efectos físicos: será necesario mantener el material periódico regularmente actualizado con nuevos datos tomados desde la literatura sobre temas de física, técnica y de patentes.
Para una mayor comprensión, cada capítulo del “indicador” posee una tabla que permite encontrar la acción requerida para determinados problemas. En estas tablas, algunas acciones se repiten: por ejemplo, pequeñas pero exactas transferencias pueden ser realizadas por medio de la dilatación térmica, de la magnetoestricción y por efecto piezoeléctrico inverso. Por lo tanto, “sumando” las tablas, los lectores podrán por sí mismos componer una tabla general compacta.

Cada sección incluye problemas educativos sobre la aplicación de efectos físicos ya vistos. Periódicamente se dan resúmenes de las resoluciones enviadas, y se examinan las propuestas más interesantes.

Se quiere que los lectores de la revista, puedan tomar una participación más activa en el trabajo sobre el mejoramiento de los métodos de aplicación de la física en la resolución creativa de problemas técnicos. Es por eso, que se les pide enviar sus observaciones y razonamientos, información sobre el uso original de los efectos, novedades sobre aplicaciones prácticas de los materiales publicados y nuevos problemas.

DEL CAMPO TÉRMICO – AL CAMPO MECÁNICO:

1.1. INTRODUCCIÓN:

1.1.1 El conocido inventor P. A. Radchenco comenta lo siguiente: -Una vez, estuve probando los hornillos de la fábrica "Tiashmash" en Saratov. Me enteré de que allí también fabricaban calderas, entonces les mostré un ejemplar de un tubo laminado por hielo. Observaron su prolija fabricación sin ralladuras. Me preguntaron - ¿Cómo fue logrado esto? Entonces, les contesté: “Hemos encontrado una sustancia, que se endurece, se extiende y distribuye por el tubo, y en 10 minutos se convierte en líquido y fluye hacia el exterior”. Ellos me preguntaron: “¿Donde se consigue tal sustancia?, Debe ser cara y escasa, ¿No?”, “-No, les contesté, -no muy...”. Quería reírme y contarlo, pero sé que no se puede hacer esto hasta que no esté patentado.  Ahora, ellos ya se enteraron del asunto, saben, que esta sustancia "escasa" - simplemente es agua...

En los libros de ciencias naturales para cuarto grado (se refiere al sistema educativo ruso), en el apartado: “¿Por qué reventó la botella?”, se explica que: el agua al congelarse puede realizar trabajos mecánicos. La manifestación de grandes fuerzas mecánicas debido al congelamiento del agua en un recipiente cerrado, también se ve en el libro de física para noveno. En las escuelas superiores, en el curso de física general y disciplinas especiales, nuevamente se hace recordar a los futuros ingenieros sobre los fenómenos relacionados con los cambios de estado. Sin embargo, al encontrarse con nuevos problemas técnicos, el ingeniero, con frecuencia llega a un cúmulo de complicados mecanismos, sin darse cuenta de aplicar el bien conocido efecto físico...

1.1.2. En forma de bicampo, el abocinamiento mediante el hielo, se puede anotar de la siguiente manera:

La sustancia S2 (instrumento), transforma al campo térmico CT, que actúa sobre S1 (objeto) en campo mecánico. Estructuras similares en el análisis de Sustancia-Campo recibieron la denominación de campos-T (campos térmicos). CT puede presentarse tanto como un fenómeno de calentamiento, como también de enfriamiento y a su vez, S2  puede tener cualquier tipo de estado de agregación. También, pueden provenir de diferentes procesos físicos que ocurren en S2. Por lo general, en los  campos-T, se vale de la intensificación térmica y de los cambios de estados.

1.2.  DILATACIÓN TÉRMICA (DT):

1.2.1. En un caso sencillo, la DT de S2, sólida y metálica, se utiliza para pequeñas, pero exactas transferencias (partes micrométricas). Así, en una antigua patente, la 46716, la microtransferencia se realiza a través del calentamiento de los resortes que expanden la mesa de una máquina. Las patentes sobre resoluciones técnicas relacionadas con la aplicación de DT, son hoy en día accesibles, aunque, generalmente se trate de aplicaciones de efectos, es decir, según su diseño. Ejemplos: Patente 218308 (Control de elementos de aparatos), 347148 (Estiramiento de barras metálicas), 424238 (Control de tornillos ajustables), 712594 (Montaje de conductos de petróleo).

1.2.2. Aplicación de la DT inversa: medición de la temperatura según la intensidad de elongación térmica (por ejemplo en termómetros). Durante la medición de la temperatura de S1 en movimiento, también debe estar en movimiento S2 (herramienta). Ejemplo: Patente 651208.

1.2.3. En la patente 189281 sobre el método de ajuste de una máquina, se ha propuesto la aplicación múltiple de DT: de modos diferentes se calientan y se enfrían distintos elementos del sistema para la obtención de un resultado acumulativo, el que no se puede obtener por aplicación simple de DT. Así pues, es un desarrollo gradual de sistemas técnicos.
Primera etapa: Emplear un sistema S para la obtención de un resultado R1.
Segunda etapa: Reunir muchos sistemas diferentes, similares al sistema S en subsistemas SS, que da un nuevo resultado R2.
Tercera etapa: R1 y R2 (a veces, un resultado nuevo R3) se logra sin hacer uso directo de S y SS.

1.2.4. Como ejemplo de resolución técnica correspondiente a la tercera etapa, puede servir la patente 356416. Para la elongación térmica de barras se requiere tiempo. ¿Cómo se puede hacer para lograr el mismo resultado en fracción de segundos? Se ha propuesto utilizar la compresión de barras, previamente estiradas por calentamiento y fijadas en ese estado. En el momento deseado, la barra puede ser liberada, y esta comienza a reducirse. Por consiguiente el calentamiento existe, aunque parece que no estuviera, el mismo fue realizado con anterioridad.

1.2.5. Durante el calentamiento de un disco, se produce un aumento de su superficie, como asimismo la de las superficies de los orificios. Ejemplos: Según la patente 476450 la dosificación de pequeñas cantidades de gas se puede realizar mediante el calentamiento de capilares, a través de los cuales fluye el mismo. Según la patente 309758 se utilizan DT para la extracción del mandril luego del trefilado de un tubo.

1.2.6. La dilatación térmica es capaz de crear esfuerzos considerables. Ejemplos: Patente 236279 (prensado), 336421 (motor térmico), 711707 (método de montaje de inductor intercambiable), etc. Durante cambios de temperatura suficientemente grandes (o muy rápidas), la DT se puede utilizar para la destrucción de sustancias.

(Pretensado de hormigón) la DT – es uno de los efectos físicos utilizado en la creatividad técnica desde hace mucho tiempo. Sin embargo, en la actualidad son posibles aplicaciones más originales de la DT. Por ejemplo, en la patente 595468: “Modo de refuerzo en construcciones flexibles de hormigón armado mediante la creación de esfuerzos de tracción en la zona comprimida, el sistema se diferencia de otros, ya que con el objetivo de dotar un incremento temporal de la capacidad portante de las construcciones de hormigón, se crean esfuerzos de tracción en la zona

1.2.7. comprimida mediante el calentamiento de la armadura desde los 200 hasta los 400 ºC con circulación de energía eléctrica”. En este caso, se utiliza con gran perspicacia, un refuerzo energético en las construcciones durante su tiempo de vida útil. En ellas se aplican “pulsos” electroenergéticos (que proporcionan calor) – lográndose una capacidad portante de la construcción considerablemente mayor a la habitual. No es difícil imaginar cuan atrapante es la utilización de tal principio, por ejemplo, en grúas o en aparatos abisales (que se aplican en grandes profundidades).

1.2.8. Durante la utilización de DT en calidad de cuerpo de trabajo, pueden ser usados no metales (parafina, patente EEUU 3626346), líquidos (patente 463423) y gases (patente 735256).

1.3. EFECTO DOBLE DE DT (BIEFECTO)

1.3.1. Cuando S2 consta de dos sustancias S´1 y S´2 con distintos coeficientes de dilatación térmica, surgen nuevos fenómenos, condicionados por la interacción de S´1 y S´2 en procesos de modificación. Hay que hacer notar, que muchos de los efectos dobles corresponden a la clase de biefectos; por ejemplo, la refracción de la luz, durante el pasaje de esta a través del límite entre dos medios, creación de oscilaciones cuando se adicionan otras dos oscilaciones de frecuencias similares, etc. Una sencilla aplicación de efecto doble de DT es: la modificación de la forma (flexión) de barras. Patente 247159: “Método de perforación dirigida de pozos con aplicación de desvíos artificiales; el sistema se diferencia de otros, ya que, con el objeto de regular el ángulo de curvatura del conjunto troncal, se utiliza un desviador polimetálico modificando su temperatura”.

1.3.2. El efecto doble de DT permite obtener desviaciones considerables mediante pequeños cambios de temperaturas. En especial, esto cobra valor en diversos dispositivos autorregulables. Así, en la patente 383430 está descrito un marco para ventilación de invernáculos, en el cual, unas placas bimetálicas, modifican su grado de inclinación de acuerdo a la temperatura del aire. Análogamente, se utilizan también en radiadores de rejilla  autorregulables.

1.3.3. Otra importante aplicación de efectos dobles de DT, es la regulación de  huelgos en las construcciones. Ejemplo: bomba laberíntica, en la cual el rotor y la carcasa están realizados de materiales con diferentes coeficientes de DT, lo que permite regular el huelgo entre el rotor y la carcasa (Patente 275751).

1.3.4. Si no hay huelgos y dos elementos de una construcción se encuentran en contacto, el efecto doble de DT se puede utilizar para la fijación, la compresión y la deformación de los elementos (patente 645773 – compresión de piezas, 693102 – mandrilado (ensanchamiento) de caños, 637214 – creación de presión durante una soldadura por difusión). Es posible utilizar el efecto doble de DT en grandes esfuerzos para la destrucción de materiales (patente 310811 – destrucción de rocas).

1.3.5. En la patente 312642 se propone aplicar el efecto doble de DT repetidamente. Note que las invenciones correspondientes a la tercer etapa (ver 1.2.3.), todavía no existen o en todo caso son muy escasas.

1.3.6. DT y efecto doble DT son fácilmente ajustables con otros efectos, en los cuales la solución depende del tamaño, tensión y forma o posición de la sustancia. Por ejemplo, una placa que gira el plano de luz polarizada en un ángulo dependiente del espesor de la misma. A su vez, el espesor de la placa depende de la temperatura. En suma – se tiene un dispositivo para medición de la temperatura sin contacto (Patente 243889).

1.4. CAMBIO DE FASES DE PRIMERA CLASE (CF – 1)

1.4.1. Ejemplo típico: “Modo de elaboración de tubos con nervadura, que consiste en expansión de tubos llenados con agua, la cual es suministrada bajo presión; el sistema se diferencia de otros ya que, con el objetivo de acelerar el proceso de elaboración, el agua suministrada bajo presión luego será congelada” (patente 190855).

1.4.2. El aumento de volumen surge también durante el congelado del bismuto.  De acuerdo a la patente 344197,  “Se fabrican dispositivos aislantes en forma de cámara hueca y flexible en forma de anillo, posicionada entre placas y  rellenado con algún material, por ejemplo el bismuto, que modifica su volumen durante el pasaje de un estado de agregación a otro”.

1.4.3. Patente 319389: Herramientas de corte cerámicas, tipo cuchilla congeladas,  no solamente alcanzan altas resistencias y son fácilmente sustituibles, sino que además no requieren suministro de líquido lubricante refrigerante. Este es uno de los muchos ejemplos de aplicación de CF–1 para la fijación temporaria de piezas. 

1.4.4. El CF-1 puede ser utilizado para desplazamiento de objetos pesados: “Un método de montaje en construcciones pesadas, es mediante el descenso en el lugar de trabajo; el sistema se diferencia de otros ya que, con el objetivo de simplificar el proceso de montaje, debajo de la construcción se realizan columnas de sustancias naturales (hielo, sal), las cuales luego se licuan o disuelven, con ello, se permite disminuir el largo de las columnas con un simultáneo descenso de la construcción” (patente 194294).

1.4.5. CF-1 es aplicado de modo original en la patente de EEUU 3566800. En un sistema de transporte tubular cerrado, una cápsula (medio de transporte) se encuentra en movimiento. La resistencia aerodinámica al movimiento de la cápsula es eliminada con dos CF-1 opuestos: delante de la cápsula se crea presión negativa, condensando el gas, y detrás de la cápsula, presión positiva mediante evaporación.

1.4.6. Evaporación del hielo seco en un volumen cerrado asegura la posibilidad de un aumento rápido y no mecánico de la presión. Ejemplo: Patente 518667 sobre modo de aumento de presión en recipientes durante un control de aislamiento.

1.4.7. La evaporación también soluciona el problema de autoeliminación de piezas de montaje introducidas temporariamente dentro de una construcción y de las sustancias ingresadas allí, por ejemplo, durante el tratamiento mediante un chorro de gránulos de hielo a. (Patente 715295, patente EEUU 3702519).

1.5. CAMBIO DE FASE DE SEGUNDA CLASE (CF-2)

1.5.1. CF-2 – Reordenamiento de la red cristalina durante cambios de temperatura. Ejemplo: Modo de transformación de la energía térmica en mecánica. El sistema se diferencia de otros, ya que, el cuerpo hecho de un material con propiedades termodinámicas irregulares, por ejemplo cromo con temperatura transición de +37 ºC, es calentado en intervalos regulares hasta la temperatura de cambio de fase, luego de lo cual cambia la temperatura en alguno de los dos sentidos”. (Patente 280104). Aplicación: termómetros (Patente 263209), motores (Patente 266471).

1.5.2. CF-2 proyectivo para la resolución de problemas técnicos - transformación del estaño blanco en la variedad gris. Durante este pasaje (de 13,2 ºC) disminuye la densidad desde 7,3 g/cm3 hasta 5,76 g/cm3, es decir 26,7% (para agua en pasaje al hielo–es de hasta 9%). Teóricamente esto significa la posibilidad de obtención de presiones considerablemente altas (hasta 100000 kg /cm2). Sin embargo el fenómeno en sí del pasaje es poco estudiado y en la práctica por ahora no se lo ha utilizado.

1.5.3. Mecanismo de funcionamiento para una aleación de níquel-titanio: material que posee “efecto memoria” (ver “Técnica y Ciencia”, 1980, Nº5), también se adecua con CF-2. La principal ventaja del níquel-titanio es la capacidad para la obtención de cambios de forma considerables, configuración de piezas durante pequeños cambios de temperaturas. Ejemplos de aplicación: compresor (Patente 464709), estrangulador autorregulable (Patente 534617), mecanismo de mando para la administración con válvulas (Patente 583347), instrumento para mandrilado de caños (Patente 647041).

TABLA CON POSIBLES APLICACIONES DE CAMPOS TÉRMICOS.

Nº	Aplicaciones Posibles de Campos Térmicos	División del indicador
1	Pequeñas, pero exactas transferencias.	1.2.1  1.5.1
2	Cambio de temperatura.	1.2.2  1.5.1
3	Regulación de posición  e interacción de elementos ensistemas técnicos.	1.2.3  1.2.4  1.5.3
4	Regulación del juego, huelgo, etc.; aislación.	1.2.5  1.3.3  1.4.2
5	Unión y separación de piezas (elementos), fijación temporaria de las Mismas.	1.2.5  1.4.3  1.5.3
6	Flexión de barras y placas.	1.3.1  1.5.3
7	Autorregulación de elementos en los sistemas técnicos.	1.3.2
8	Creación de tensiones en materiales y en construcciones; Transformación de la energía térmica.	1.2.6 1.2.7 1.3.4 1.4.11.5.1  1.5.2
9	Deformación.	1.2.6  1.3.4
10	Destrucción de materiales	1.2.6  1.3.4
11	Desplazamiento (descenso, colocación) de objetos pesados	1.4.4
12	Creación de presión elevada de gases (sin máquinas).	1.4.6
13	Autoeliminación de piezas (elementos) de montaje y de sustancias, utilizadas en tratamientos.	1.4.7
14	Restauración de la forma inicial de un objeto deformado.	1.5.3

1.6.  ANÁLISIS DE UN PROBLEMA TÍPICO

1.6.1. Problema práctico: “Dentro de un soporte dieléctrico de la placa de memoria de un ordenador, están insertados muchos discos de ferrita de 1mm de diámetro  y con un espesor de paredes de menos de un milímetro. Para que la ferrita conserve sus propiedades magnéticas durante el incremento de la temperatura, se requiere comprimir los discos. ¿Cómo hacerlo?

En las condiciones del problema se trata de un incremento de la temperatura (por consiguiente, existe un campo térmico CT), a su vez se mencionan dos sustancias: El disco de ferrita (S1) y el soporte (S2). El campo térmico se formará si bajo la influencia de CT, la sustancia S2 entra en la interacción necesaria con S1. Para ello (según 1.3.4) basta que el soporte sea de un material hecho con coeficiente de DT menor que el de los discos. (Patente 266853).