江帆
发明技巧故事4——聪明的气罐——非对称原理应用 精选
2021-10-27 08:47
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聪明的气罐——非对称原理应用

目前仍然有很多人使用灌装液化石油气,但令人烦恼的是,不知道气罐里的气体何时将耗完,所以不能及时更换燃气。

以前一家燃气公司的工程师们试图解决这个问题:让检测方法简单易行,并能准确预报何时罐中燃气将耗完。

“测量压力?”一位工程师说。

“不行,这不管用,只要罐中还有少量燃气,其压力的变化不明显,而且,压力表的成本较高。”另一位工程师即刻反对。

“如果称重量呢?”又一位工程师说。

“这也不行。每次都要拆出气罐来称重量,对于用户来说太麻烦了,况且容易引发安全问题。”再一位工程师反对道。

看来,在不增加成本和复杂性的基础上要获得气罐的信息是一个似乎不能 解决的难题。

这时萃智先生出现了,他说,“这个气罐应该会自觉地报告自己的情况。”

随后,一个基于非对称原理的解决思路展示了出来:煤气罐的传统结构设计中,气罐的底面一般是完整的圆形。现在,要改变这种习惯性的对称结构,采用非对称的结构。

故新的设计是:煤气罐的底面做成部分斜面。这样,当有液体燃气充当气罐底部重物时,气罐保持直立,一旦液态燃气消耗完毕时,底部失去压重物,煤气罐会在重力作用下歪向一边。相当于提醒用户:煤气将尽,请速更换。”

这个故事应用了非对称(asymmetry)原理,该原理体现在两个方面:

1.用非对称形式代替对称形式

比如:非对称的雨伞可以用作摩托车骑行遮雨;非对称的斧头产生扭转力矩方便劈开木柴;非对称的插头以保证插接的唯一性。

2.如果对象已经是非对称,增加其非对称的程度。

比如:将非对称的雨伞的非对称性增大,以产生对后排更好的遮雨效果。

该原理主要利用对系统状态的改变(如增加非对称性)来达到优化系统的目的。试着通过改变系统平衡,让系统倾斜,减少材料用量,降低总的重量,调整物质流,变换支持负载等方式来消除冗余(重量)或提高性能(如密封)。下面的情况下都可以利用这种原理:

A)物体在超系统或环境中运行时各部分的作用(可能是有害的)是非对称的最典型的就是铰链门,门的一边按铰链,承受重力,只能通过一边的铰链传递到环境中,如果我们通过把门没有铰链的一边做得轻些,不仅可以节省材料,减轻铰链应力,延长铰链寿命,还可以使得开门关门变得容易。

B)物体在使用过程中,本身就有非对称要求,为了降低使用的出错所带来的风险,可以通过增加产品的非对称性来规避这种风险典型的如有正负极要求的插头,如果是非对称的,插反了,就插不进,就避免了插错的风险。USB接口的正反非对称;

C)物体在使用过程中,可以通过增加非对称来增加产品的易用性和可识别性典型的如将家具部件的接合件设计成非对称的,这样只有按一定的规范才能完成家具组合,这样就可以减少组装难度,使得普通人也可以组装。宜家家具使用这个原理使用得最好。

D)系统在使用过程中,各个部分所受的作用力本身就是不均衡的,那么通过增加非对称性,可以减少材料的浪费。比如桥孔的设计可以根据水流分布来设计孔的大小,泄洪隧道可以设计成上面小孔下面大孔,这样水流不大时上面可以用作通道,水流大的时候又可以泄洪等。增强汽车轮胎一侧的强度。

E)将对物体功能需求非对称的事物引入到一起,以达到充分利用资源,降低资源消耗,节省成本的目的。比如云计算,分段收电费,错峰上下班等。

F)通过非对称来改变系统的参数或者属性,比如利用大小齿轮改变速度;利用对称齿轮带动非对称齿轮从而变匀速为变速等。

G)利用非对称维持某种状态单向阀门可以保持水流只能朝一个方向流,浮球的重心非对称可以使得较轻的一部分始终朝上面等。物体的非对称可以是形态的非对称,接口的非对称,功能的非对称,颜色的非对称,质量的非对称,受力的非对称,疏密的非对称,重心的非对称等。非对称原理是技术系统提高协调度进化法则的一种体现。如果非对称原理和局部质量原理合用,可以达到一物多用的效果,比如同时有疏密齿距的梳子。在商业中利用信息的非对称来获利,通过营造信息的非对称来分化对手等。

参考文献:创新与发明,http://coursehome.zhihuishu.com/courseHome/1000009064/80304/16?state=1#teachTeam;https://wenku.baidu.com/view/57bbf0400029bd64793e2c4e.html; https://wenku.baidu.com/view/968d116acebff121dd36a32d7375a417866fc12b.html;




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