Что изобретать молодым
На территории нашей страны завершился Год педагога и наставника, зато продолжается Десятилетие науки и технологий. Причастными к нему с полным правом могут себя считать все герои научно-популярных публикаций «МК в Твери». К примеру, Алексей Головнин представляет старшее поколение тверских ученых. Он кандидат технических наук, доцент кафедры технической механики ТвГТУ и преподаватель МГТУ имени Баумана.
Помимо прочего, Алексей Алексеевич – активный изобретатель. В его творческом багаже содержатся патенты на такие замечательные устройства, как ходовая часть корчевателя, валец дорожного катка, ковшовый грейфер, дисковый генератор волновой передачи, устройство для контроля уплотнения дорожно-строительных материалов в процессе укатки и многое другое. И сегодня доцент Головнин размышляет о том, как важно начинающему «технарю» не опускать руки при первых неудачах и какие сюрпризы может преподнести скрупулезное изучение потенциала даже давно известных механизмов.
История одного изобретения
Год назад одной из моих коллег по преподавательской работе в вузе ее студент-второкурсник Илья Костылев показал свои чертежи, из которых явствовало, что он изобрел новую разновидность зубчатых передач. Здесь надо заметить, что зубчатые передачи широко известны в нескольких вариантах, массово применяются с конца XVIII века практически во всех машинах, где есть вращающиеся детали, и трудно ожидать, что в зубчатых колесах может быть открыто что-то новое. Тем не менее она, зная круг моих научных интересов и изобретательский опыт, попросила встретиться с этим студентом, оценить то, что он придумал, а возможно, и помочь в работе над его изобретением.
Действительно, то, что он придумал, было неожиданным и явно новым, по крайней мере для меня. Он предложил зубчатую передачу, в которой зубчатые колеса имеют форму открытого тора (баранки), в отличие от цилиндрических или конических, известных из теории зубчатых передач. Свои чертежи он сопроводил основными формулами, принятыми для описания зубчатых передач.
Более внимательное рассмотрение показало, что его предложение оказалось неработоспособным, однако успело вызвать интерес к этой теме. Основные надежды были на то, что на торовой поверхности (напомним, что это научное название поверхности баранки) зубья не нарезали ранее лишь по причине отсутствия для этого станков. Теперь же, когда в наших руках есть 3D-принтеры, можно изготовить детали любой, самой фантастической формы. Началось освоение темы, в результате которого был предложен вариант применения тороидного зубчатого колеса, который казался вполне работоспособным. Можно было оформлять заявку на изобретение. Однако информационный поиск, проведенный предварительно даже только по изобретениям на русском языке, показал, что в 1990 году уже было выдано авторское свидетельство на зубчатый редуктор, содержащий два сопряженных тороидных зубчатых колеса, что давало возможность отклонения их осей относительно друг друга. Впору было прекратить работу, но что-то подсказывало, что рано сдаваться. Решили взять паузу и пока не отбрасывать идею совсем.
Прошло еще примерно полгода, которые были посвящены решению других задачек, когда появилась идея без потери функциональных возможностей заменить одно из тороидных зубчатых колес на коническое. Конические колеса в паре не разрешают отклонение их осей по отношению друг к другу, а вот работа конического колеса в паре с тороидным возможна. Ведь конус можно рассматривать как участок тора с очень большим радиусом кривизны. Конические зубчатые колеса широко применяются в машиностроении, технология их изготовления хорошо разработана, и такая замена без потери функциональных возможностей была бы очень заманчивой. Был разработан механизм для совмещения тороидного зубчатого колеса с коническим. Он содержал реечное зацепление, в котором вместо одного из цилиндрических колес используется прямолинейная рейка с зубцами. Взаимная обкатка получалась, но при теоретическом обосновании оказалось, что модуль, основная характеристика зубьев шестерен, который должен одинаково изменяться по ширине колес, на коническом зубчатом колесе изменялся линейно, а на тороидном – по синусоидальному закону.
Работа опять была приостановлена. Однако еще через несколько месяцев пришло озарение, что для совмещения несовмещаемого надо заменить реечное зацепление на другой подходящий механизм, которых известно очень много на все случаи. Такой механизм был подобран, и задача оказалась решенной, причем подходящий механизм оказался даже проще выбранного вначале реечного. Молодой студенческий задор не дал остановиться на полпути, для меня же как преподавателя теории механизмов и машин была предоставлена хорошая возможность углубиться в концепцию зубчатых зацеплений и еще нескольких механизмов. В итоге придуманная зубчатая передача может найти применение, например, в роботах, где надо передать вращение между валами с изменяющимся взаимным положением.
История еще одного изобретения
К другому изобретению подтолкнула Вуппертальская подвесная монорельсовая дорога. Она отличается от городского трамвая тем, что вагон в ней не катится колесами по рельсам, а подвешен на тележке с колесами на одной оси, катящимися по расположенному на высоте одному рельсу. Линия «Швебебана» была открыта в немецком городе Вуппертале в начале XX века, в 1901 году. Ровесница тверского трамвая, но, в отличие от него, продолжает действовать. Швебебан стал символом Вупперталя. Монорельс очень фотогеничен и проходит по живописным местам. Большая его часть проходит над руслом реки Вуппер, которая напоминает нашу Тьмаку. Длина дороги 13,3 км, всего в системе 20 станций, при этом разветвлений нет.
В нескольких группах студентов 1-2 курса, проводя занятия по инженерной графике, я предлагал найти причину отсутствия разветвлений. В первом семестре ребята, как правило, присматриваются и осторожничают. А вот во втором семестре прямо на первой неделе обычно сразу несколько студентов напоминают мне о предложении заняться научной работой. Один из студентов-первокурсников, Максим Басенко, взялся за задачку с монорельсом.
Он провел необходимый в таких случаях большой информационный поиск, нашел несколько конструкций, о которых я до этого даже не подозревал. Было сделано несколько попыток эскизных проработок, но в результате оказалось, что стрелочные переводы для подвесной дороги имеют дополнительные труднопреодолимые ограничения по сравнению с наземными рельсами. Парень получил отрицательный результат, который, как известно, тоже результат.
Было немного обидно за студента, ведь его сокурсники уже оформляли заявки на другие изобретения, сделанные меньшими силами. Работу в этом направлении решили приостановить. Однако накопленный в процессе информационного поиска материал и полученные выводы не давали покоя. Стрелочные переводы не получались, но это подталкивало к поиску возможности разветвления без стрелок. Обратили внимание на то, что применяемые в гористой местности фуникулеры движутся вверх и вниз по одним и тем же рельсам, разъезжаясь в середине пути без стрелочных переводов, выполняемых обычно по типу трамвайных стрелок. Такие фуникулеры применяются там, где есть не очень длинные, но слишком крутые подъемы-спуски. Система, по которой они работают, была изобретена швейцарцем Карлом Романом Абтом в 1886 году и с тех пор стала стандартом для современных фуникулеров. Отсутствие движущихся частей на трассе делает эту систему экономичной и надежной по сравнению с другими системами.
Непосредственно применить такую систему в подвесной монорельсовой дороге за прошедшие почти 150 лет, по-видимому, не получилось. Не смогли придумать, как ее использовать, и мы. Однако то, что переводы могут не иметь движущихся частей, было взято нами за основу. Спустя полгода мы со свежими мыслями вплотную подступились к неподдающейся теме. Выявили, что хотя в этом случае есть ограничения по возможному числу ответвлений, но одно ответвление сделать можно. В результате удалось разработать подвесную монорельсовую транспортную систему, на которую был получен патент. Именно систему, а не какое-то отдельное устройство, то есть предложены новые как монорельс, так и перемещающаяся по нему тележка.
Только поощрять
Другое мое изобретение системы было сделано тремя годами раньше также в соавторстве с учеником, и даже не со студентом, а с 17-летним учащимся Тверского технологического колледжа Иваном Хохловым во время занятий в «Кванториуме». Идея была полностью его – это система освещения беспилотного транспортного средства. Мой вклад состоял в разработке конкретного варианта применения с обоснованием параметров. Еще один соавтор, мой коллега по «Кванториуму» Михаил Бабайцев, подсказал тему для изобретательского изыскания.
Я уже 7 лет преподаю не только в Тверском техническом университете, но и в МГТУ имени Баумана в Москве, и мне порой задают вопрос, чем отличаются или похожи тверские и московские студенты. Ответ такой: все люди разные. И там, и там есть нерадивые студенты, а есть те, кто пришел в вуз за знаниями. И хотя Бауманка притягивает лучших, «звездочки» среди студентов встречаются и в Твери.
Первокурсник Дмитрий Андрианов, вчерашний школьник, принес показать огромную, страниц на 30, тщательно оформленную работу, которую он сделал со своим школьным учителем физики. Тема была совершенно незнакомой мне, из области обеспечения жизнедеятельности под водой. Я задал несколько уточняющих вопросов, и он с легкостью отвечал на них, что говорило о тщательности проработки проекта. Оказалось, что работа даже выставлялась на межшкольном конкурсе. Понятно, что учитель, с которым он делал это возможное изобретение, далек от патентоведческих тонкостей, даже в плане того, к кому обратиться за помощью. Я подсказал, к кому обратиться для оформления заявки на патент, какую поддержку студент может получить от вуза. Предложил и свою всемерную помощь. Теперь у него все получится.
Был также случай, когда студент-третьекурсник Дмитрий Новожилов, взрослый и ответственный, отслуживший в армии, попросил меня оценить его изобретение. И вновь тема была незнакомой для меня, из области медицины чрезвычайных ситуаций, но для студента, обучающегося по специальности машин для чрезвычайных ситуаций, актуальность и полезность была очевидна. Мы не спеша провели информационный поиск, навыком которого он не владел, и быстро нашли свежий, не старше 10 лет, очень похожий патент. Это само по себе подтверждает, что изобретатель на верном пути. Осталось только оценить отличия, сформулировать область притязаний. И, конечно, провести необходимые научные исследования, теоретические расчеты или самые первые опыты, обосновывающие минимально жизнеспособный продукт (есть такой этап жизненного цикла изделия), отличающий изобретение от идеи, на которую патент не дают.
В начале каждого семестра я провожу в своих группах краткую мотивационную беседу. Потом более подробную для тех, кто заинтересовался, – в Интернете на платформе «Zoom». Уже становится традицией, когда после таких мотивационных встреч студенты не только хотят попробовать себя в изобретательстве, но и не стесняются подходить к педагогу со своими идеями. И я буду их только поощрять, ведь доля России на мировом рынке изобретений упала с 1,6% в 2010 году до 0,9% в 2019-м. А значит, резервы для роста в этой сфере есть.
