第11课 提高系统效率的发明原理

第11课提高系统效率的发明原理提高系统效率的发明原理【案例导入】军用飞机的油箱目录11.1预操作原理（10）11.2曲面化原理（14）11.3动态化原理（15）11.4维数变化原理（17）11.5振动原理（18）11.6周期性作用原理（19）11.7有效作用的连续性原理（20）11.8机械系统替代原理（28）11.9气动与液压结构原理（29）11.10参数变化原理（35）11.11状态变化原理（36）11.12热膨胀原理（37）11.13复合材料原理

（40）1.预操作原理（10）预操作原理（10）预操作原理又称“预先作用”，是指：在真正需要某种作用之前，预先执行该作用的全部或一部分。指导原则：（1）预先对某对象进行所需的改变，这种改变可以是整体的，也可以是部分的。（2）将有用的物体预置，以便使其在必要时能立即在最方便的位置发挥作用。预操作原理（10）典型案例：（1）方便面。（2）建筑业中大量使用的预制件。（3）纸上预先印刷好的表格。（4）计算机软件中，根据用户当前状态而弹出的上下文关联菜单列表。（5）在大型机械设备总装过程中，大量使用预先装配好的组件。例如，在汽车的总装线上，只需安装一个已经装配好的发动机，而不需要在总装线上临时用零件组装出一个发动机。（6）预先被打孔的邮票。如今，已经很少有人知道最早的邮票是以没有打孔的整版形式销售的。早期的邮票用户必须将邮票一张一张剪下来，然后用胶水粘到信封上。预操作原理（10）运用技巧：在某一事件或过程之前采取行动，目的在于增强安全性、简化事情的完成过程、维持正确作用、减轻疼痛、增强智力、产生某种优点及使用过程简单化等。例如，新的棉布水洗后通常会“缩水”。如果用没有经过“缩水”的棉布做成衣服的话，用水洗后就会变小，影响正常使用。因此，当棉布被纺织出来后，通常要进行预先缩水处理。这样，制造出来的衣物在水洗之后就不会再缩水了。预操作原理（10）课堂讨论：请说一说其中蕴含的道理。①手术前，将手术器具按需要时的使用顺序排列整齐；②在商场等建筑物的通道里安置灭火器；③已充值的公交车IC卡。2.曲面化原理（14）曲面化原理（14）曲面化原理是指：（1）通过将二维或三维空间中的直线变为曲线、直线运动变为圆周运动来增加曲率。（2）用曲线属性或球面属性代替线性属性。指导原则：（1）用曲线（或曲面）代替直线（或平面），用球体代替多面体。（2）采用滚筒、辊、球、螺旋结构。（3）利用离心力，用回转运动代替直线运动。曲面化原理（14）典型案例：（1）两表面间引入圆弧结构，以降低应力集中。例如机械

零件中的倒角、圆弧过渡结构。（2）螺旋齿轮可以提供均匀的承载能力。（3）圆珠笔和钢笔的球形笔尖，使书写流畅，下墨均匀。（4）通过高速旋转，甩干机利用离心力去除湿衣物中的水分。（5）利用离心铸造可以生产出壁厚非常均匀的产品。曲面化原理（14）运用技巧：科幻故事《黑暗的墙》中，哲人格里尔手里拿着一张纸对同伴不里尔顿说：“这是一个平面，它有两个面。你能设法让这两个面变成一个面吗？”不里尔顿惊奇地看着格里尔说：“这是不可能的。”“是的，乍看起来是不可能的，”格里尔说，“但是，你如果将纸条的一端扭转180度，再将纸条对接起来，会出现什么情况？”不里尔顿将纸条一端扭转180度后对接，然后黏贴起来。“现在把你的食指伸到纸面上。”格里尔静静地说。曲面化原理（14）不里尔顿已经明白了这位智者同伴的智慧，他移开了自己的手指。“我懂了！现在不再是分开的两个面，只有一个连续的面”。这就是以著名的德国数学家莫比乌斯命名的“莫比乌斯环”。很多人利用这个奇妙的“莫比乌斯环”来获得发明。至少有100多项专利是基于这个奇妙的环，如砂带机、录音机、皮带过滤器等。

“莫比乌斯环”是曲面化原理的典型代表。曲面化原理（14）课堂讨论：请说一说其中蕴含的道理。①建筑领域中常用拱形结构来提高建筑物的强度，例如，拱门、石拱桥等。②螺旋形的楼梯可以大幅提高空间的利用率。3.动态化原理（15）动态化原理（15）动态化原理是指：使构成整体的各个组成部分处于动态，即各个部分是可调整的、活动的或可互换的，以便使其在工作过程中的每个动作或阶段都处于最佳状态。指导原则：（1）调整对象或对象所处的环境，使对象在各动作、各阶段的性能达到最佳状态。（2）将对象分割为多个部分，使其各部分可以改变相对位置。（3）使不动的对象可动或可自动适应。动态化原理（15）典型案例：（1）汽车上可调的方向盘、座椅、后靠背或后视镜。（2）折叠椅和笔记本电脑都是通过分割物体的几何结构，引入铰链链接，使其各部分可以改变相对位置。（3）装卸货物的铲车（装载机），通过铰链链接铲斗，可以自由开闭。（4）在计算机软件中，根据用户当前的状态的不同，鼠标右键菜单的内容也不同。（5）充气床或水床可以根据人的不同卧姿自动调整其形状。动态化原理（15）动态化原理（15）运用技巧：尝试让系统中的某些几何结构成为柔性的、可自适应的；往复运动的部分成为旋转的；让相同的部分执行多种功能；使特征成为柔性的；使系统可兼容于不同的应用或环境。例如，飞机机翼上的可动襟翼能够按照需要调整其姿态，使机翼可适应降落、起飞和飞行时的不同工况要求。动态化原理（15）课堂讨论：请说一说其中蕴含的道理。①北斗自动导航系统；②小轿车里的可调节座椅；③采用蛇皮管灯杆的台灯。4.维数变化原理维数变化原理（17）维数变化原理是指：通过将对象转换到不同维度，或通过将对象分层或改变对象的方向来改变对象的维度。指导原则：（1）如果对象沿着直线（一维）运动（或配置）时存在某种间题，则可以使其沿平面（二维）运动（或配置）来消除存在的间题；相同道理，如果对象沿着平面（二维）运动（或配置）时存在某种间题，则可以使其过渡到三维空间来运动（或配置），从而消除存在的间题。例如：（2）单层变为多层。（3）将对象倾斜或侧向放置。（4）利用给定表面的反面。维数变化原理（17）典型案例：（1）机械设计中的加强筋、工字钢、工字梁。（2）固定电话上，连接听筒与机身的螺旋形电话线。（3）从顺序操作（一维）变为并行操作（二维）。（4）楼房代替平房。（5）在仓库中，将货物堆垛码放。（6）往汽车上装卸汽油桶的时候，在地面与车厢间利用木板形成斜坡，使装卸变得容易。（7）双面胶带。维数变化原理（17）运用技巧：例如，螺旋滑梯的滑道比直线型滑梯更长。又如，建筑中的穹顶结构、拱形结构。维数变化原理（17）课堂讨论：请说一说其中蕴含的道理。①台球选手利用弧线球来绕开母球与目标球之间的其他球。②将刀子的刀刃由直线型改为锯齿型，可以提高切割效果。③立体车库。5.振动原理（18）振动原理（18）振动原理是指：（1）通过振动（振荡）或摇动（震动）对象而使对象产生机械振动，增加振动的频率或利用共振频率。（2）利用振动（颤动、摇动、摆动）或振荡（振动、振荡、摆动），在某个区间内产生一种规则的、周期性的变化。振动原理（18）指导原则：（1）使对象发生机械振动。（2）如果对象已经处于振动状态，则提高振动的频率（直至超声振动）。（3）利用共振频率。（4）用压电振动代替机械振动。（5）将超声波振动与电磁场合并使用。振动原理（18）典型案例：（1）利用振动刀片的电动切肉刀。（2）在浇注混凝土的时候，利用振动式励磁机（激励器）去除混凝土中的孔隙。（3）在筛选（筛分）的时候，利用振动可以提高效率。（4）振动可以使生锈的、腐蚀的或拧得过紧的零件松动。（5）利用振动，乐器可以发出悦耳的声音。（6）石英表利用石英振动机芯代替了机械表的机械振动机芯。（7）振动式电动剃须刀与冲击式钻机（风钻）。振动原理（18）振动原理（18）运用技巧：不要假定一个稳定系统才是最佳的。尝试采用不稳的、变化的但同时是可控的系统。例如，当电流由直流转变为交流时，可以产生多种新特征，如电磁波、毛磁感应等。振动原理（18）例如：聪明的测量仪。化工厂车间里有一种强腐蚀性的液体装在一个巨大的容器中，生产时，让液体从容器流向反应器，但进入反应器的液体量需要进行精确的控制。“我们尝试使用了各种玻璃或金属制作的仪表，”车间主任对厂长说，“但它们很快就被液体给腐蚀了。”“如果不测量流量，只测量液体高度的变化怎么样？”厂长问。“容器很大，高度变化很微小，无法得到准确的结果，”车间主任说，“而且容器接近天花板，操作上很不方便。”这似乎是一个难以解决的问题。这时，基于振动发明原理，考虑设计一台“聪明的测量仪”，不是测量液体，而是测量空隙。原来，利用振动的原理，测量容器中液面以上的空气部分的共振频率，得到空气部分的变化量，从而准确推算出液面的细微变化量。振动原理（18）课堂讨论：请说一说其中蕴含的道理。①超声波碎石机利用共振现象来击碎胆囊结石或肾结石。②若欲使人快速疲劳，可利用断续照明代替持续照明；③商业上利用谈判技术（诱导变化），以使合伙人的

真实需求显露出来。通过对方法进行数次改变，他

们能更好地了解如何才能在谈判团体之间对所有需

要达成一致意见。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：通过有节奏的行为（操作方式）、振幅和频率的变化以及利用脉冲间隔，来实现周期性作用。指导原则：（1）用周期性作用或脉动代替非周期性作用。（2）如果作用已经是周期性的，则改变其作用频率。（3）利用脉动的间隙来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，将打桩机周期性地作用于桩子，可以快速地将桩子打入地下。（2）当汽车在结冰的路面上制动时，利用“多次轻踩刹车的方式”可以避免打滑。（3）盘铣刀（其对金属的切割是周期性的）的加工效率比普通铣刀（其对金属的切割作用是连续的）要高得多。（4）在不同的工作状态下，洗衣机（或洗碗机）会采用不同的水流喷射方式。（5）在实施心肺呼吸抢救时，每压迫患者胸部5次，人工呼吸l次。（6）警笛的周期性鸣叫和警灯的周期性闪烁，更能引起注意。（7）汽车的雨刮器，工作时由电机带动刮臂和刮片，在汽车挡风玻璃上周期性摆动，刮除雨水和其他脏物。周期性作用原理（19）运用技巧：尝试以多种方式来改变现有系统的功能，如生产间歇、改变频率、利用脉冲间隙等。要评估这种改变是否能带来新的功能，带来新的功能后如何强化这种改变。周期性作用原理（19）例如：两根绳子。在一个空房间里，有一个布娃娃放在窗台上，两根细绳从天

花板上垂直下来。你的任务是将两根绳子的下端绑在一起。但是，如果你拿着一根绳子却够不到另一根绳子，旁边没有人，所以不会得到帮助。当然的想法是让绳子动起来。但是绳子又轻又软，根本就动不起来。怎么办？这时，一个基于周期性动作原理的解决方案产生了：利用窗台上的那只布娃娃来解决这个难题。将布娃娃绑在绳子的下端，然后让绳子在布娃娃的重力作用下形成周期性的摆动，问题就迎刃而解了。周期性作用原理（19）课堂讨论：请说一说其中蕴含的道理。①俗称“蛤蟆夯”的机械夯。②乐队中的鼓点。③医用呼吸机，按照人的吸气期和呼气期来周期性地帮助

患者呼吸。7.有效作用的连续性原理（20）有效作用的连续性原理（20）有效作用的连续性原理是指：在时间、顺序、物质组成或范围广度上，建立连续的流程并（或）消除所有空闲及间歇性动作以提高效率。指导原则：（1）让工作不间断地进行（对象的所有部分都应一直满负荷工作）。（2）消除空闲和间歇性动作。（3）用旋转运动代替往复运动。有效作用的连续性原理（20）典型案例：（1）在物流管理中，通过适当的调度，最大限度地减少运输工具的返程空载率。（2）快速干燥的油漆，可以消除传统油漆等待干燥的时间。（3）用盘式铣刀（旋转运动进行切割）代替立式铣刀（往复运动进行切割）。（4）用绞肉机代替菜刀来剁肉馅。运用技巧：在建设自动流水线的时候，是以整个流水线的产量为基础来设计的。只有当流水线上的所有设备都是连续地、同时满负荷工作的时候，才能达到流水线的设计产量。有效作用的连续性原理（20）课堂讨论：请说一说其中蕴含的道理。①心脏起搏器。②用加工中心代替多台机床，可以消除零件在不同机床之间的运输时间。③用水车取水（系统旋转，子系统往复）代替水桶打水（系统往复）。8.机械系统替代原理（28）机械系统替代原理（28）机械系统替代原理是指：利用物理场（光场、电场、磁场等）或其他物理结构、物理作用和状态来代替机械的相互作用、装置、机构及系统。此原理实际上涉及操作原理的改变或替代。指导原则：（1）用光学、声学、电磁学、味觉、触觉或嗅觉系统来代替机械系统。（2）使用与对象相互作用的电场、磁场、电磁场。（3）用移动场代替固定场，用动态场代替静态场，用结构化场代替非结构化场，用确定场代替随机场。（4）把场和与场发生相互作用的粒子（例如，磁场和铁磁粒子）组合起来使用。机械系统替代原理（28）典型案例：（1）用语音识别系统代替键盘作为计算机的输入。（2）用声音、指纹或视网膜代替传统的钥匙。（3）为混合两种粉末，让一种粉末带正电荷，另一种粉末带负电荷，然后利用场来驱动它们，或者机械地使粉末颗粒均匀地混合在一起。（4）在通信系统中，用定点雷达预测代替早期的全方位检测，可以获得更加详细的信息。（5）对光反应变色的玻璃。（6）用动物可以听见的“声音围栏”代替实物栅栏圈住牛羊。（7）用北斗导航定位代替实物栅栏指导共享单车停放。（8）汽车无线遥控锁替代机械锁。机械系统替代原理（28）运用技巧：首先考虑用物理场替代机械场，由可变场替代恒定场，由结构化场替代非结构化场，由生物场来替代机械作用。在非物理系统中，概念、价值或属性都可以是被替代的对象。例如，核磁共振成像扫描器。机械系统替代原理（28）课堂讨论：请说一说其中蕴含的道理。①在煤气中掺入难闻气体，警告使用者气体泄漏。②门铃代替敲门。③用电子系统代替机械计算系统（例如物联网）。9.气动与液压结构原理（29）气动与液压结构原理（29）气动与液压结构原理是指：利用空气或液压技术来代替普通的系统部件，即通过利用液体或气体，甚至利用可膨胀的或可充气的对象来实现气动和液压原理。指导原则：利用气体或液体部件代替对象中的固体部件，如充气结构、气垫、液体静力结构和流体动力结构等。气动与液压结构原理（29）典型案例：（1）用气垫船或橡皮艇代替木船。（2）运输脆的、易损坏的物品时，经常使用发泡材料进行保护。运用技巧：气垫运动鞋可以减轻运动对足底的冲击。气动与液压结构原理（29）课堂讨论：请说一说其中蕴含的道理。①汽车的安全气囊可以在交通事故中起到一定的保护作用。②液压千斤顶。10.参数变化原理（35）参数变化原理（35）参数变化原理是指：改变某个对象或系统的属性，以便提供某种有用的功能。这是所有发明原理中使用频率最高的一条。指导原则：（1）改变对象的物理聚集状态（例如，在气态、液态、固态之间变化）。（2）改变对象的密度、浓度、黏度。（3）改变对象的柔性、温度。参数变化原理（35）典型案例：（1）将二氧化碳制成干冰。（2）利用果汁和果肉制造果冻。（3）脱水的橘子粉要比橘子汁更加便于运输，同理，奶粉比牛奶更易储存和运输。（4）改变硫酸的浓度，不同浓度的硫酸有不同的性质。（5）利用冰箱将食物冷冻起来，可以延长其保存的时间。（6）在烹饪过程中，提高食物的温度可以改变食品色、香、味等。（7）将铁磁性物体的温度提高到居里点以上，可以将磁性物体变为顺磁体。参数变化原理（35）运用技巧：可以考虑改变系统或对象的任意属性（对象的物理或化学状态、密度、导电性、机械柔性、温度、几何结构等）来实现系统的新功能。例如用液态形式运输氧、氮、天然气，从而取代气体形式的运输，可以减少货物的体积，提高运输效率。参数变化原理（35）课堂讨论：请说一说其中蕴含的道理。①洗手液。用液态肥皂水代替固体肥皂，可以定量使用，减少浪费，同时在多个人使用时更加卫生。②固态的二氧化碳——干冰比气态或液态时更便于使用。11.状态变化原理（36）状态变化原理（36）状态变化原理是指：利用对象在相变过程中出现的现象，来实现某种效应或使某个系统发生改变。指导原则：利用对象在相变（相态改变）过程中产生的某种现象或效应，如体积改变、吸热或放热等。状态变化原理（36）典型案例：蒸汽机、