Что можно делать с помощью щетки? Наносить какое-либо покрытие на поверхность или удалять его. Неужели это все? Конечно, нет! Обыкновенная щетка обладает огромными неизученными и неиспользуемыми нами возможностями. Она может очень многое. Поразительно, но с ее помощью пытались даже писать музыку. В трактате "Искусство сочинять музыку исключительно новым методом, пригодным для самых захудалых талантов", написанном в 1751 г., английский музыкант Вильям Хейс предложил взять щетку (можно зубную), обмакнуть ее в чернильницу и, проведя пальцем по щетине, разбрызгать чернила на лист нотной бумаги. Полученные кляксы должны означать положение нот на нотной линейке. Теперь к ним остается добавить тактовые черты, штили и прочее...

---

     Конечно, это шутка. Но шутка, демонстрирующая неожиданное применение всем известной конструкции - обыкновенной щетки.

     4.1.Наиболее известная функция щеточных конструкций - хорошо регулируемое прилегание к фигурным поверхностям, просто организуемый контакт с этими поверхностями и, что очень важно,- он сохраняется даже при интенсивном износе щетки.

     Традиционные области применения: нанесение покрытий и очистка поверхностей (так, в а. с. 1030305 предлагается использовать щетку для втирания смазки в подвижные части механизма); организация акустического, электрического, магнитного или иного контакта - так называемый "метелочный контакт" (см. а. с. 185447, 232995, 408404, 630684, 759757, 792370, 1022685 и многие другие). Но это неизмеримо мало по сравнению даже с тем, что может ординарная щетка. Познакомимся с ее полезными свойствами поближе.

     Примечание: а.с. - авторское свидетельство на изобретение.

     4.2. Развитая поверхность щеточных конструкций позволяет в несколько десятков раз увеличивать площадь поверхности теплообмена, что применяется как для увеличения теплоотдачи, так и для охлаждения (а. с. 315893, 509314, 1059407).
     Интересно, что по одной из гипотез гребни на спинах динозавров являлись не только оружием, но и рассеивателем избыточного тепла.

     4.3. Возможно применение щеточных конструкций для получения "слепков" и "контрслепков" фигурных поверхностей. Так, в а. с. 134635 предложена отвертка, рабочая поверхность которой образуется при вдавливании конических игл 1 в упругую подушку 2 в результате контакта игл с изделием 3 (фиг. 4.1). Важно, что если в зоне А можно получить "слепок" изделия, то в зоне В - "контрслепок".



Фиг. 4.1

     Эта идея как с иглами, так и с набором пластин десятки раз повторялась в других отраслях техники. Например, для быстрой регулировки инструмента для нанесения орнамента (а с 460988), экспериментального подбора аэродинамического профиля (а. с. 453494), регулирования кривизны беговой дорожки (а. с. 1158888)
     При движении щеточной конструкции относительно фигурной поверхности возможно самоформирование профиля.
     В патенте Великобритании № 1541134 описано транспортное средство прицеп) для перевозок грузов по пересеченной местности (фиг. 4.2). Это сани, снизу подбитые эластичным матрацем из упругих прутьев. При движении транспортного средства по неровной поверхности деформируются отдельные прутья, оставляя неизменной общую форму щетки... Близкие идеи защищены и у нас в стране - а. с. 525771, где щетка является опорой для надвижения на место различных строительных конструкций, а также а. с. 1124984, где для получения всепогодного тренажера для лыжников его поверхность предлагается покрыть синтетическим ворсом с низким коэффициентом трения.



Фиг. 4.2

     Издавна охотники северных народов подбивали опорные поверхности лыж мехом. "По шерсти" скользится легко, против - например, на склоне - трудно...
     Древняя идея была использована для создания вполне современных внутриходов, внедренных в практику для исследования труб большого диаметра изнутри (а. с. 510672, 656629, 838556, 962598 [2]). В отличие от лыж, здесь несколько групп щеток. Эти устройства способны двигаться даже по криволинейным участкам в результате попеременного движения и заклинивания щеток или их вибрации.

     4.4. Щетка способна не только повторять изгибы взаимодействующей с ней поверхности, но и активно ее изменять - обрабатывать. Дело в том, что когда вращающаяся круглая щетка входит в контакт с изделием, то ее отдельные проволочки изгибаются и трутся об изделие уже не своей торцевой поверхностью, а боковой, что ведет к преждевременному износу инструмента. Московский изобретатель В. С. Салуквадзе поместил цилиндрическую металлическую щетку с радиально расположенной щетиной под пресс, который всесторонне прижал проволочки друг к другу. В результате был получен и запатентован новый "вращающийся режущий инструмент" - иглофреза. Она способна обрабатывать самые различные материалы: металлы, пластмассу, резину. При этом она никогда не засаливается (даже при обработке цветных металлов), снимая за проход 5 мм металла и отшлифовывая поверхность до высокого класса чистоты - а. с. 486521, 578949, [З].

     4.5. Продолжим наше знакомство с взаимодействием щетки с различными поверхностями. Но вначале зададимся вопросом - какие поверхности самые сложные? Наверное, природные - ветви деревьев, кустарников. Но даже их успешно обрабатывает щетка, обеспечивая сбор плодов, ягод, шишек, семян, листьев, искусственное опыление растений. Указанные продукты благодаря развитой поверхности щетки и ее гибкости просто вычесываются.
     Геометрия щеточной конструкции иногда позволяет эффективно разрешать противоречия типа: "должен быть проницаемым - не должен быть проницаемым".

     Пример. Для высева люцерны в нашей стране применяют свекловичные комбайны. Но семена люцерны мелки и не столько попадают в лунки вращающегося высеивающего диска, сколько просто попадают на его поверхность и беспорядочно скатываются в почву. Отсюда перерасход семян. Было решено сделать жесткие шторки, плотно прилегающие к высеивающему диску. Решение оказалось слабым - более плотное прилегание вело к быстрому вырабатыванию зазора, и все повторялось сначала... Более пригодным решением оказалась замкнутая по контуру бункера щетка, хорошо пропускающая сквозь себя диск и не допускающая просыпания семян - фиг. 4.3 (а. с. 829008).



Фиг. 4.3

     4.6. Естественно, щеточные конструкции могут служить простым амортизатором, гасящим удары и вибрации. Например, колено трубопровода для сохранения транспортируемых в жидкости предметов предложено изнутри отделывать ворсом (а. с. 1044565), как и ротор насоса для перекачки жидкости с легкоповреждаемыми включениями (а. с. 821748). Интересно а. с. 1320 (1934 г.): взлетно-посадочную полосу для аварийной посадки самолета предложено выполнять в виде гигантской щетины...
     Можно привести другой исторический пример, где для определенной амортизации сабельного удара головным убором драгун и кирасир служила каска с плюмажем из конского волоса.
     Как оказалось, для щеточных конструкций справедливо более общее утверждение, чем то, которое было сформулировано в начале этого пункта: они позволяют не только смягчать воздействие от чисто механических нагрузок, но и разрушать вредные веполи (под "полем" здесь будет пониматься и поток какого-либо вещества). Рассмотрим две типовые ситуации.
     а) "Запутавшись" в щетке, нанесенной на поверхность, скорость потока, а значит и интенсивность воздействия поток-поверхность, резко снижается: новые порции вещества просто не достигают ее. Так, по а. с. 279443, 587242, 1182107 предлагаются покрытия (в том числе кавитационностойкие) путем закрепления на защищаемой поверхности искусственного ворса. Ближайшая природная аналогия - водоросли, в какой-то мере защищающие жизнь морского дна от грубых механических воздействий. На этом же эффекте - создание промежуточной неподвижной прослойки воздуха у поверхности - основано согревающее действие меха...
     б) Возможно иное разрушение вредного веполя: расчленение потока щетиной на отдельные элементарные струйки с последующим "замешиванием" и взаимогашением этих струек... Таково покрытие для обтекания жидкостью или газом, на которое с целью снижения сопротивления трению нанесен ворс, наклоненный под углом 30-45° (а. с. 464716). В другой области техники решалась, казалось бы, совершенно непохожая задача: как снизить аэродинамический шум. Но принцип решения задач один: шумящий воздушный поток пропускали через систему зубцов... В результате были разработаны новые глушители шума по а. с. 515879, 591620.

     Примечание: "веполь" - термин ТРИЗ, который раскрыт в бесплатно распространяемой электронной книге: "Введение в ТРИЗ. Основные понятия и подходы".

     4.7. Редко используемое свойство щеточных конструкций - ориентация деталей. Например, вместо использования сложных колебаний, пневмообдува и других полей для ориентации изделий нестандартной формы - коконов - используется щетка с длинным и упругим ворсом - фиг. 4.4 (а. с. 621626). При падении один конец кокона или любого другого продолговатого предмета 1 касается жесткой стенки 2 и притормаживается силами трения, а упругий ворс 3 оказывает значительно меньшее сопротивление движению другого конца. В итоге происходит ориентация кокона (или иного продолговатого предмета) по длинной оси.



Фиг. 4.4

     Щетка обладает свойством разделять материалы по плотности. В "Устройстве для отделения корнеклубнеплодов от комков почвы и камней" по а. с. 588946 это происходит следующим образом (фиг. 4.5). Под действием воздушного потока и сил упругости ворс в верхней части барабана принимает вертикальное положение. При попадании на ворс камни утопают в нем, а корнеплоды остаются на поверхности ворса и попадают на наклонную плоскость съемника.



Фиг. 4.5

     Повышение управляемости подобной конструкции, очевидно,- это переход к ворсу, управляемому магнитным полем, что и зафиксировано в формулах изобретений по а. с. 1039590, 673227. Здесь для выделения нужного куска породы из транспортируемого по лотку потока включают магнит 1, ворс щетки становится вдоль силовых линий магнитного поля и тормозит движение выбранного куска (фиг. 4.6). Значит, он не долетит до бункера 3, а попадет в бункер 2.



Фиг. 4.6

     4.8. Еще одна функция щетки - рыхлитель, ворошитель разнообразных деталей, например, в загрузочных устройствах (а. с. 287974, 103140), мешалка для растворов, вязких масс (а. с. 316463, 1109114).
     Ряд "щеточных" решений направлен на смешение жидкости и газа. Если провести пальцем по смоченной щетке, то над ней вырастет облачко распыленной жидкости - аэрозоля. Если же сама щетка круглая, частично погружена в воду и вращается с трением о преграду, то это готовый генератор аэрозоля (а. с. 292676, 1007746, 1028373). При помощи этой же конструкции возможно и аэрирование жидкости: воздух, заключенный между ворсинками, заносится при вращении в жидкость (а. с. 1037900).

     4.9. Итак, мы рассмотрели не менее десятка полезных свойств обычной щетки. А если их две? Увы, интересных решений в этом случае пока зарегистрировано гораздо меньше, в основном они касаются различных креплений. Соединяя пару щеток ворсом навстречу друг другу, мы получаем простейшие быстроразъемные соединения (а. с. 245505, 329585, 530964). Возможно применение щеточных конструкций не только для соединения друг с другом, но и для захвата, фиксации и скрепления фигурных деталей разнообразной формы и габаритов. В отличие от традиционных соединений, ими можно скреплять и детали с несоосно изготовленными монтажными отверстиями (а. с. 382860, 416471, 539165, 597867, 734433 и др.).

     Примечание: подробнее см. раздел "3акон перехода в надсистему" в электронной книге: "Введение в ТРИЗ. Основные понятия и подходы".

     Кроме того, эти детали в какой-то мере. могут быть подвижны относительно друг друга. Скажем, хоккейная клюшка по патенту СССР № 277655 для лучшего управления шайбой ("прилипания" при обводке) имеет крюк, на поверхности которого намотана липкая лента с щетиной наружу. Аналогично устроен захват фигурных деталей по а. с. 460982. Надо сказать, что подобные "захваты" широко распространены в живой природе: это и различные растения, и обыкновенный еж...
     Теперь читателю, наверное, будет очевидно решение такой задачи: при электрохимической обработке корпуса электронных приборов размещали в специальных гнездах. Сколько типоразмеров корпусов-столько видов гнезд... По а. с. 610211 предложено крепить обрабатываемые корпуса в ворсе из токопроводящих и упругих ворсинок.
     Подобные соединения существуют благодаря трению. Одно из их усилений общеизвестно - это застежка "молния" со своими взаимосогласованными поверхностями. Если же соединение требуется выполнить по плоскости, то это конструкция типа "репейник" (или "липучка") - его поверхность сплошь усеяна тысячами крохотных крючков, которые хорошо соединяются с любой ворсистой или волокнистой поверхностью (например, так выполнена манжета в аппаратах для измерения кровяного давления).
     Вероятно, у "репейниковых" конструкций большое будущее: от получения съемных подошв для обуви до разборной мебели и строений...
     Изготовление "репейника" защищено патентами СССР № 292261 и 316218; а. с. 369015, 419410.

     4.10. Подведем некоторые итоги: щеточные конструкции могут рассматриваться как один из способов динамизации, повышения гибкости конструкций. В то же время и в патентной документации, и в технической литературе они преимущественно встречаются в "чистом виде" - некая подложка и ворс. Технические решения, где кроме обычной щетки используется какой-либо геометрический эффект, крайне редки и далеко не исчерпали резервы своего развития. Более часто патентуются конструкции, усиленные применением физических эффектов.
     Вспомним опыт с электроскопом из школьного курса физики: при сообщении пучку лепестков электростатического заряда любого знака они "распушаются" и удерживаются в этом состоянии. Чем не способ управления щеточными конструкциями? Изобретатели не преминули им воспользоваться; например, сообщая различные по величине заряды ворсистой стенке канала, предложено регулировать его проходное сечение (а. с. 208319); или, если ворс закреплен на руке робота - захватывать ажурные детали (а. с. 1215998). Широкие возможности у электрического поля ультразвуковой частоты: будучи поданным на ворс или стопку пьезопластин, оно вызовет их колебания, что можно применять для получения точных перемещений, вибронесущих опор, насосов и т. п. (а. с. 565115 863900, 10686628).
     Естественно, выполняя ворс из материалов с эффектом памяти формы, мы получаем самые неожиданные применения. Так, по а. с. 1044266 для предохранения скольжения обуви в гололед предложено в подошву вертикально утопить стержни из металла с эффектом памяти формы. При температуре ниже нуля они автоматически "вырастают" из подошвы, увеличивая ее трение о лед.

     Совершенно не задействован в щеточных конструкциях би-принцип. А жаль - природные аналоги убеждают в его эффективности. Вот растение селагинелла, обитающее в Мексике. В засушливые периоды оно сворачивается в сухой клубок, что позволяет свести потери на испарение влаги к минимуму, а в дождливое время быстро разворачивается... Принцип селагинеллы удивительно прост. На внешней поверхности ее веточек находятся крошечные чешуйки, способные легко и быстро впитывать воду. Напротив, нижняя сторона веточек никак не реагирует на увлажнение. По этой причине при колебаниях влажности воздуха растение либо свертывается, либо развертывается, возобновляя свой рост.

     4.11. Мало кто знает, что возможно не только управление ворсом с помощью физических полей, но и обратное, например, концентрация поля на кончиках каждой ворсинки. Таково решение по а. с. 185780, которым защищен магнитный сепаратор. Более того, определенное соотношение выступов и впадин на поверхности постоянного магнита увеличивает силу притяжения к нему [1].
     При воздействии жесткого ворса с поверхностью на кончиках его развиваются высокие удельные нагрузки, что применяется для введения лекарств (а. с. 874066), стимуляции поверхности кожи, "обработки древесины (а. с. 852261).
     Для сбора утренней влаги (росы) прямо из воздуха, даже в условиях пустынь, по а. с. 582800 предложено применять ворсистую ленту, натянутую между парой роликов. При перемотке жидкость отжимается валками и сливается в емкость.

     4.12. Редко используются изобретателями ближайшие "родственники" щеточных конструкций - системы из пластин. Например, если стопка клиновых пластин имеет на своем торце общую ось вращения, то перед нами легко регулируемое кресло, игрушка, форма для дизайна - фиг. 4.7. Если же пластины насажены на одну общую ось, перпендикулярную их плоскости, то перед нами "веер" (фиг. 4.8), который может пригодиться для получения разнообразных форм - от архитектурных до газо- и гидродинамических профилей (а. с. 792495, 1093364, 1159648).

Фиг. 4.7

Фиг. 4.8

     Вот формула изобретения, посвященного получению различных форм для дизайна и архитектуры - а. с. 718569: "Способ изготовления оболочек, включающий укладку однотипных плоскостных элементов и параллельный перенос элементов относительно друг друга со смещением, отличающийся тем, что, с целью расширения диапазона форм, укладку элементов производят перпендикулярно продольной оси ее поперечного сечения, а при параллельном переносе элементов осуществляют разворот их относительно друг друга на заданный угол".

     В заключение укажем, что вопросы изготовления традиционных щеточных конструкций изложены в книге [4].