EFECTOS CIENTÍFICOS Y APLICACIÓN DE BASES DE DATOS - Lección 6

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Cómo podemos recordar, una vez que formulamos una contradicción física puede utilizarse como fórmula para enunciar un resultado final ideal. Esta fórmula de la solución ideal representa un modelo físico para el desarrollo de futuros conceptos de solución. Para satisfacer las exigencias físicas opuestas contenidas en el modelo, tenemos que utilizar los principios de separación y los conocimientos de la base de datos de efectos científicos y fenómenos.

Según TRIZ, los efectos científicos constituyen uno de los principios para resolver la contradicción física y puede ser considerado como el transductor para la transformación de una acción o campo a otro con la aplicación de fenómenos físicos, químicos, biológicos y geométricos. Actualmente son conocidos más de 5000 efectos y fenómenos diferentes, y 400-500 de ellos son los más aplicables en la actividad práctica de la ingeniería.

Destacamos de nuevo que la aplicación de fenómenos científicos nos conduce al desarrollo de conceptos de solución del nivel más alto de innovación, ya que la contradicción formulada del problema está siendo resuelta en su nivel físico.

Típicamente, hay varios acercamientos diferentes en la utilización de los efectos científicos para la resolución de problemas en la actividad práctica. Sólo vamos a hablar sobre dos métodos básicos.

El primero de ellos se dedica al desarrollo de nuevas contradicciones físicas para así aplicar nuevos fenómenos científicos, sólo para un elemento o un producto del sistema o tecnología. Por lo tanto, a este acercamiento los llamaremos método dirigido al producto para la exploración y aplicación de efectos científicos diferentes con el fin de mejorar el sistema técnico existente. Este método permite mejorar cada elemento separado del sistema existente mediante la utilización de nuevas propiedades físicas que no fueron utilizadas o que estaban latentes. El aspecto distintivo del método dirigido al producto es la preservación del principio de operación físico básico del sistema y el desarrollo de varias funciones útiles nuevas, tanto para un elemento separado como para el sistema entero.

El segundo método es el opuesto y se dedica al desarrollo de una sola función de la tecnología o sistema con la aplicación de fenómenos y efectos científicos diferentes. Así, a tal acercamiento lo llamaremos método dirigido a la función para el análisis y aplicación de efectos científicos diferentes. Este método permite que aislemos una función y la apliquemos con modos tecnológicos diferentes, como nunca antes se había aplicado. La diferencia de este método es el desarrollo de tecnologías diferentes y la síntesis de sistemas diferentes para la realización de una sola función.

Vamos a aplicar el primer método, el método dirigido al producto, para la perfección de la típica y famosa aspiradora doméstica. Nos concentraremos en un solo objeto de la aspiradora, las herramientas principales para limpiar diferentes superficies. Nos centraremos en la corriente de aire. Así consideraremos cuatro problemas diferentes relacionados con la corriente de aspiración. Examinaremos la mejora del diseño de la aspiración con la aplicación de diferentes contradicciones físicas y diferentes fenómenos científicos en un objeto de acuerdo con el acercamiento dirigido al producto.

Problema. Cuando la aspiradora convencional está vacía, el aire limpio fluye en la máquina y por los poros de una bolsa. Sin embargo cuando se utiliza la máquina, esta bolsa comienza a llenarse de polvo y basura. La bolsa actúa como un filtro y la máquina comienza a perder succión. Esto se debe a que los poros de la bolsa comienzan a obstruirse con el polvo que la máquina ha recogido. Esto restringe la corriente de aire, lo que causa la pérdida de energía de succión. Contradicción Física: el corriente de aire debería retener fácilmente las partículas de polvo y contaminación para limpiar superficies y debería liberar fácilmente estas partículas para limpiar la corriente de aire salida. Solución Ideal: La corriente de aire debería asegurar la ejecución de estas exigencias mutuamente exclusivas sin que la bolsa actúe como filtro. Fenómeno Científico: Para solucionar esta contradicción se propone para utilizar el fenómeno físico de la separación centrífuga de partículas con masas diferentes. La bolsa del vacío tradicional ha sido reemplazada en la aspiradora de Dyson con dos cámaras de ciclón que no pueden ser obstruidas con el polvo. ¿Cómo trabaja un ciclón? El giro del aire crea una fuerza centrífuga. Una forma de cono acelera el aire que gira para crear aún mayores fuerzas centrífugas. Una velocidad más alta proporciona una fuerza centrífuga más alta. Haciendo girar la corriente de aire, la suciedad y desechos se someten a la fuerza centrífuga y son lanzados “fuera” del aire. Como la corriente de aire está libre de partículas no hay nada para obstruir, con lo que la energía de succión permanece alta constantemente. Después de que el ciclón externo de Dyson haya eliminado el polvo y partículas de suciedad más grandes, el ciclón interior acelera el aire todavía más para eliminar las pequeñas partículas que son una amenaza para la salud. http://www.dyson.com

.Problema. Sabemos que las aspiradoras son unos dispositivos domésticos muy ruidosos. El ruido considerable es una de las carencias más serias de una aspiradora durante su operación. El ruido se genera por motivos aerodinámicos. Más exactamente, el ruido se generado por la interacción y fricción entre la rápida corriente de aire y los elementos estructurales fijos en la entrada y salida de la aspiradora. Contradicción Física: el corriente de aire debería tener una fricción baja con elementos de diseño fijos para minimizar el ruido y la corriente de aire con contaminantes debería tener una fricción alta para proporcionar una buena calidad de limpieza. Solución Ideal: la corriente de aire por sí misma debería proveer la baja fricción con los elementos de diseño fijos para disminuir el ruido y la fricción alta para capturar la suciedad. Fenómeno Científico: Para resolver esta contradicción, se propone aplicar el fenómeno físico de turbulencia decreciente en corriente de aire. Es conocido que una de las causas principales de la fricción aerodinámica con el ruido es la formación de vórtices en la corriente de aire rápido. Este fenómeno físico es llamado la turbulencia (ver la imagen fotografía derecha de la corriente de aire con vórtices). La aspiradora Ultra Silencer de Electrolux reduce los niveles de ruido de un nivel medio de 78 a 72 decibelios. Esto significa que es cuatro veces menos ruidosa que la mayor parte de máquinas (ests implica la mitad del sonido, en términos científicos). En otras palabras, un modo más agradable de limpiar. Electrolux optimiza el sistema de corriente de aire con un sistema amplio, aerodinámicamente diseñado de conductos de aire. La máquina también está equipada con sellos eficientes para minimizar las pérdidas de aire e inyector de suelo con bajo ruido.

Problema. Para mejora la calidad de limpieza, algunas aspiradoras utilizan cepillos giratorios. Estos cepillos se colocan dentro de boquilla y giran con ayuda de un motor eléctrico adicional. Tal solución hace la boquilla pesada, complicada y cara. Tratemos de formular una nueva contradicción física para la situación dada y resolverla con aplicación de un nuevo efecto físico. Contradicción Física: la corriente de aire de succión debería tener una gran velocidad para la rotación de un cepillo giratorio y no debería tener una velocidad grande que requiera más energía del motor de succión. Solución Ideal: La corriente de aire por sí misma (sin el motor eléctrico) asegura el giro de un cepillo giratorio sin un motor de succión potente. Fenómeno Científico: Para solucionar esta contradicción se propone utilizar el fenómeno físico del aumento de una fuerza F aumentando un área superficial en la cual opera la presión de flujo de aire P : F = PA, sin aumentar la presión. Dentro de la boquilla, se propone utilizar una turbina con un incremento del área superficial. Esta superficie tiene desarrollado un perfil especial (es también decir es aplicado el efecto geométrico, ver la imagen) para la mejor interacción con la corriente de aire de succión. La corriente de aire hace girar una turbina y luego la turbina hace girar el cepillo de forma eficaz. Al tener el cepillo rodante dentro de la boquilla impulsado por la corriente de aire, no se requiere ningún conector o energía eléctrica suplementaria. La alta velocidad que hace rodar el cepillo puede agitar intensamente el polvo dentro de cualquier alfombra grande para una fácil limpieza. Así puede limpiarse la alfombra de principio a fin. La tapa transparente habilita al usuario a ver clara y completamente si existe suciedad o un problema en la boquilla. En este ejemplo se están utilizando nuevos fenómenos geométricos y físicos en la presión del cabezal aerodinámico conjuntamente con el rodillo de la turbina como mediador.

Problema. Un problema más relacionado con la corriente de aire de succión. Las aspiradoras robot convencionales no eliminan completamente la suciedad, sobre todo los contaminantes más pequeños incrustados en alfombras o adheridos a la superficie de limpieza. Esto se debe a que la fuerza de succión en la entrada de aspiración generalmente no es lo bastante fuerte como para eliminar por completo toda la suciedad incrustada en la superficie a limpiar. El cliente ha tratado de aumentar la fuerza de succión utilizando un motor más potente, pero esto aumentó el ruido y las dimensiones totales de la máquina. Contradicción Física: la fuerza de la corriente de aire en la entrada de aspiración debería ser fuerte para eliminar los contaminantes finos y debería ser débil para disminuir el consumo de energía eléctrica y el ruido. Solución Ideal: La corriente de aire en la entrada de aspiración debería proveer por sí misma una gran fuerza que actúe sobre los contaminantes finos en la aspiración y conservar una aspiración de baja potencia. Fenómeno Científico: se propone utilizar el fenómeno físico de agitar la suciedad bajo la aspiración inyectando la corriente de aire de salida en la entrada de aspiración. Ver el esquema técnico en la figura de la izquierda. El esquema tiene una entrada de aspiración en la que los contaminantes son atraídos desde la superficie de limpieza y al menos un medio de agitación, incluyendo un mecanismo de aire recirculado para eliminar del aire los contaminantes. Este aire sucio se dirige a través de la entrada de aspiración y se filtra. El aire filtrado se recircula a la línea de gases de salida, mediante una salida de aire a chorro, para ayudar a mover a la suciedad de la superficie a limpiar. La salida del chorro de aire está cerca de la entrada  de aspiración y está rodeada por una zona sellada. Sellando una parte de la superficie de limpieza cerca del elemento de limpieza, prevenimos dispersar al exterior los contaminantes que moviliza el chorro de aire. De acuerdo con el esquema técnico planteado, el diseño propuesto para el robot aspiradora se muestra en la figura.

La aplicación del método dirigido al producto, en la investigación de efectos científicos para la corriente de aire de succión en la aspiradora, permitió que desarrolláramos un sistema con nuevas funciones: corriente de aire autolimpiable sin bolsa, reducción del ruido por turbulencias, mejor limpieza con un cepillo rodante y aumento de la limpieza de partículas de suciedad pequeñas.

Ahora, consideraremos el otro método, el método dirigido a la función y nos concentraremos en el suministro de efectos científicos diferentes en una sola función. Vamos a aplicar el método dirigido a la función para perfeccionar una conocida actividad doméstica, el lavado de la ropa. Este es otro acercamiento para la búsqueda y aplicación de efectos y fenómenos científicos. Consideraremos cuatro nuevos ejemplos relacionados con la función de limpiar la ropa. Examinaremos una mejora del lavado de ropa con aplicación de fenómenos científicos a una función de acuerdo con el acercamiento dirigido a la función.

Comenzaremos con la lavadora de carga superior con tambor de giro vertical. La función principal de esta máquina es la limpieza de diferentes tejidos. Problema. La función de limpieza de una lavadora se realiza por la penetración del líquido de limpieza por el tejido y eliminación de la suciedad. Para aumentar calidad de limpieza en esta máquina, es necesario aumentar la diferencia de velocidad entre el tejido y el líquido  de limpieza en el tambor rotativo. La formulación de la contradicción física en este problema estará relacionada con el parámetro de la diferencia de velocidad: esta diferencia de velocidad debería ser grande para una mejor limpieza y debería ser pequeña porque el tejido se hace girar junto con el líquido de lavado en un tambor. De este modo, el líquido de lavado proporcionará por sí mismo la diferencia de velocidad necesaria durante la rotación en el tambor. Esta es una solución ideal. Fenómeno Científico: Para solucionar contradicción física anterior fue propuesto utilizar un efecto geométrico. En el centro del tambor, se instala un agitador con una forma geométrica especial. El tambor interior ha sido eliminado del tambor externo en la imagen izquierda. Se apoya en la caja de cambios, y el agitador plástico es visible en el centro del recipiente. Debido al agitador con la forma geométrica especial, al líquido de lavado se le hace girar más rápido que el tejido.

¿Podríamos proporcionar la realización de nuestra función principal de limpieza usando sólo una mínima interacción entre el líquido de lavado y el tejido sin una típica lavadora? ¿Cómo proporcionar esta interacción? Para este problema, tenemos que formular una nueva contradicción física: el líquido de lavado debería moverse con alguna presión y fricción relativa al tejido para limpiar y eliminar contaminantes y debería moverse sin que lo indujera el giro del tambor. Fenómeno Científico: Para resolver esta clase de conflicto, podemos proponer el fenómeno físico de cavitación ultrasónica. La lavadora ultrasónica no tiene ninguna parte móvil y puede lavar el tejido utilizando sólo diminutas burbujas de cavitación de ondas acústicas y ultrasónicas en el líquido de lavado. http://rosvpk.ru/_private/page_46.htm

El siguiente paso de nuestra reflexión sobre la implementación de la función de lavado de nuestra ropa podría enfocándose en la ropa. ¿Podríamos realizar esta función sin ninguna lavadora o líquido de lavado? ¿Podríamos conseguir la muy ideal solución de qué la ropa se limpie ella misma? Fenómeno Científico: Para conseguir este resultado, se propone para aplicar el efecto químico de la reacción fotocatalítica. Los científicos han construido una capa delgada, o "nanoestructura", utilizando partículas diminutas del ya conocido dióxido de titanio. Esta sustancia reacciona con la luz del sol para romper la suciedad y otros materiales orgánicos y puede recubrirse con algodón para guardar la ropa limpia. La ropa simplemente tiene que ser expuesta a luz natural o UV para comenzar el proceso de limpieza. Una vez desencadenado por la luz del sol, los vestidos fabricados con esta nueva tela serán capaz de librarse de suciedad, contaminantes y microorganismos. Incluso aunque la idea parezca futurista, los inventores creyeron que la tecnología podría ser de uso cotidiano en un futuro próximo. Varias compañías interesadas en hacer este concepto una realidad comercial se han acercado a estos científicos. http://www.cnn.com/2004/TECH/07/20/selfclean.clothes/index.html

¿Hay otro modo de llevar a cabo la función de la ropa que se auto-limpia? Es posible con la aplicación de efectos biológicos. El primer concepto está basado en la planta del loto, cuyo hojas son conocidas por su capacidad de “autolimpieza” repeliendo el agua y la suciedad. Una razón para que las hojas de loto sean tan impermeables y autolimpiables es que su superficie contienen innumerables salientes en miniatura cubiertas de una sustancia impermeable. El agua no puede extenderse y adherirse. En cambio se forman películas de agua a su alrededor como gotitas, eliminando la suciedad y tierra cuando se mueven. Para imitar este efecto, los inventores utilizan nanoparticulas de plata – de 1/1000 veces el grosor de un pelo humano - en una nueva capa. Las partículas crean salientes en miniatura en la tela mientras una capa de polímero las liga permanentemente a la tela. A diferencia de capas impermeables de hoy, que se pierden con el tiempo, la nueva capa se une permanentemente a las fibras. Es una película de polímero llamado polyglycidyl methacrylate. Como esto sólo modifica la superficie de las telas, puede aplicarse a cualquier tejido comercial, incluso poliéster, algodón, y seda. http://www.csmonitor.com/2005/0113/p17s01-stct.html

Aquí está otra vía para la realización de la función de limpieza para la ropa utilizando un agente biológico. Las bacterias podrían proporcionar la limpieza. La ropa en nuestro guardarropa puede ser capaz de alojar una variedad de bacterias no dañinas diseñadas para digerir productos químicos causantes del olor y los del sudor humano. Otras bacterias podrían secretar capas impermeables y protectoras para ampliar la vida de ropa o productos antisépticos para vendas. http://www.newscientist.com/article.ns?id=dn973

Deberíamos destacar algunos aspectos de los métodos considerados. El método dirigido al producto para explorar la utilización de efectos científicos suele ser preferible para el cliente desde un punto de vista económico. Esto tiene en cuenta el mantenimiento del sistema técnico básico, y sólo se incorpora en él cambios adicionales. Las propiedades físicas del componente seleccionado son transformadas para las nuevas funciones o nuevas características de consumo del sistema mejorado. Las nuevas ideas de este método no requieren cambios costosos y las propuestas pueden ser introducidas rápidamente en la fabricación. Así, el nivel de innovación de este desarrollo será bastante bueno, pero no del orden más alto.

El método dirigido a la función para investigar la aplicación de fenómenos científicos es más eficiente o, utilizando lenguaje TRIZ, cerca el sistema al sistema ideal, porque está más cerca del deseo de recibir la función exigida sin un sistema técnico.

La aplicación del método dirigido a la función conduce a cambios grandes de la tecnología o sistema y simultáneamente conduce a los mejores resultados, en un nivel de innovación más alto.
La actividad práctica muestra que el cliente trata las nuevas propuestas dirigidas a la función con cautela, porque su introducción en la fabricación requiere grandes cambios de proceso, tiempo y gastos. El cliente puede conseguir patentes de estas ideas con anticipación para su desarrollo en el futuro y para protección en estas áreas ante sus competidores. Por lo tanto, este acercamiento puede ser utilizado con resultados excelentes para proyectos de pronóstico, implementación relacionada con la siguiente generación, y evolución de los sistemas y tecnologías.

Actualmente existen tablas especiales para aplicación y con descripciones de fenómenos científicos. La utilización de estas tablas nos da la oportunidad de definir el efecto requerido de una acción de salida o función que debería ser realizada de acuerdo con el problema.
También, hay software especial con bases de datos de efectos y  fenómenos científicos y de ingeniería. Estos programas permiten que se seleccionen efectos basados en la función deseada. Algún software provee acceso a más de 4500 efectos de ingeniería, científicos y ejemplos con descripciones de teoremas, leyes y fenómenos.

La utilización de fenómenos y efectos científicos nos da la oportunidad de acercarnos a la solución ideal ya que esta resolución mediante efectos intensificó la contradicción física. Los efectos científicos son utilizados junto con otras herramientas TRIZ, incluyendo los principios inventivos y soluciones estándares. Sobre este tema, hablaremos en nuestra siguiente lección.

RESUMEN

En la conclusión de esta lección, podemos destacar que la utilización de efectos y fenómenos científicos ayuda al inventor a desarrollar soluciones del más alto nivel de innovación, ya que la contradicción formulada del problema está siendo resuelta en su nivel físico. Hablamos de dos métodos diferentes de explorar la utilización de efectos científicos: métodos dirigidos al producto y a la función. El método dirigido al producto define la aplicación de nuevos fenómenos científicos sólo para un elemento o un objeto del sistema. El método dirigido a la función se dedica al desarrollo de sólo una función del sistema con mejoras que se originan por  diferentes fenómenos y efectos científicos. La aplicación de cada uno estos métodos depende de cliente específico y las necesidades de la situación inventiva. 

TRABAJO PRÁCTICO

Prueba. ¿Qué clases de fenómenos se utilizan en el proceso de resolución del problema descrito más abajo?

PROBLEMA: A veces las tentativas de enroscar fuerte el tapón de una botella no dan ningún resultado bueno debido a un  débil agarre. ¿Cómo hacer esto de una forma sencilla? RESPUESTA: una simple goma elástica plana puede ayudarnos en esta situación. Cuando esta goma se envuelve alrededor del tapón de la botella, mejorar el resultado con un mejor agarre por fricción y por el diámetro más grande.

PROBLEMA: En un cuarto de baño después de tomar una ducha, el espejo se empaña y es difícil de utilizar. ¿Cómo solucionar este problema? RESPUESTA: El espejo del baño no se empañará si se frota la superficie del espejo con una solución de 1 cucharilla de gelatina en 50 ml. del agua.

“TRES PROBLEMAS DOMÉSTICOS PARA APLICACIÓN TRIZ DE EFECTOS CIENTÍFICOS”
	“Problema del ruido del refrigerador” La vibración y el ruido de una vieja nevera pueden molestar a cualquiera, en particular por la noche. La sustitución del refrigerador por uno nuevo es demasiado costosa. Mover la nevera ruidosa al sótano no es conveniente para poder cocinar. ¿Cómo solucionar este problema con aplicación de efectos científicos?
	“Problema de las limaduras” ¿Cómo eliminar limaduras de un agujero profundo con pequeño diámetro después de taladrar o roscar un componente de acero? Puede proponerse utilizar la aspiradora o un imán, pero el agujero es realmente profundo y pequeño. Por lo tanto, estas cías no son eficaces. Lamentablemente, no podemos girar el componente al revés para eliminar éstas limaduras.
	“Problema de manejo de fluido” A veces tenemos que decantar algún perfume de una botella grande con el cuello muy estrecho a una botella más pequeña con un cuello muy estrecho rápidamente y sin pérdidas. Esto no es un problema domestico sencillo ya que el perfume no se transfiere como queremos. ¿Tal vez algún efecto físico pueda ayudarnos?