Для учащижся старших классов

Профессия - изобретатель

Быт — забота общая

Пожалуйте бриться! Чем брились наши предки в каменном веке,— сказать трудно. Относительно «каменной бритвы» можно высказать лишь предположения. Классическая опасная бритва, известная уже не одну сотню лет, до сих пор имеет своих приверженцев. Но только среди людей с твердой рукой, так как любые неверные движения надолго оставляют о себе память и неприятные ощущения.

Развитие безопасного поколения бритвенных приборов пошло в двух направлениях. Одно из них — принципиальное усовершенствование опасной бритвы, о котором мы и поговорим ниже. Другое — шумно заявившее о себе первыми дребезжащими конструкциями механических и электрических бритв, по-моему, лишено в основе своей той конструктивной элегантности, которая присуща современным представителям классического стиля. Но не будем спорить, ведь у каждого направления давно появились свои сторонники. Давайте просто проследим основные этапы модернизации бритвы и оценим изобретательские аспекты этой деятельности.

Принцип повышения безопасности лезвия был найден еще более ста лет назад: вокруг острия располагали гребенчатый ограничитель (барьер), оставляющий открытым лишь небольшую часть лезвия. Ограничитель не только исключал возможность серьезных порезов, но и помогал задать правильный угол наклона лезвия к коже. Но принципиальным этапом совершенствования бритвы явился поворот лезвия вокруг рукоятки; поперечное расположение съемного лезвия вплотную приблизило конструкции конца XIX в. к современным. Однако лезвие таких бритв по-прежнему выполнялось в виде заточенного клина, и только в 1905 г. знаменитый впоследствии американец Жиллет получит патент № 162438 на бритву со сменным лезвием из тонкой стальной пластины, заточенной уже с двух сторон, что позволяло максимально использовать каждое лезвие (рис. 23).

Рис. 23. Безопасная бритва из дедушкиного несессера — прямой потомок сегодняшних конструкций.

За восемьдесят лет эта ставшая уже классической конструкция практически не изменилась. Изобретатель сумел предусмотреть все: крепежные отверстия в лезвиях и ответные штыри в станке, обеспечивающие точную фиксацию лезвия; его поджим, позволяющий установить нужный угол резания; удобство замены отработанных лезвий.

Изобретение Жиллета в короткий срок завоевало мировой рынок. Фирма, основанная изобретателем, организовала массовый выпуск лезвий и станков, принесших автору изобретений солидный капитал. Вдогонку бросились и другие изобретатели, но почти за семьдесят лет не было создано ни одной конструкции, которая смогла бы соперничать с бритвой Жиллета. Случай в технике, да притом такой насущно необходимой каждому, прямо-таки беспрецедентный!

Среди изобретательских увлечений этого периода были увлечения многокромочными «вечными» лезвиями. Станок с целой обоймой лезвий, поджатых пружиной и поочередно вводящихся в дело; барабан наподобие водяного колеса, каждая поперечина которого — новое лезвие; бумажная лента с наклеенными на нее лезвиями, вытягиваемыми поочередно через щель в головке станка. И верх изобретательности — стальная лента с острой кромкой; затем она же, но с двумя кромками, закрученная в виде ленты Мебиуса. В этой затянувшейся чехарде технической казуистики нужен был принципиальный рывок. И этот рывок произошел, причем он опять-таки был связан с безопасной бритвой. Изобретатель Норман Уэлш получил в 1970 г. советский патент № 262768 на имя фирмы «Джиллет Индастриз Лимиттед» на головку безопасной бритвы с двумя лезвиями. Причем одно из них во время бритья служило опорой второму. В этой первой «двухлезвенной» конструкции бритвы (рис. 24, а) лезвия 1 были повернуты режущими кромками навстречу друг другу, и пользоваться бритвой предлагалось, двигая ее поочередно в двух противоположных направлениях.

Рис. 24. Двухлезвенные бритвы со «встречной» (а) и одинаковой (б) ориентацией режущих кромок.

Следующий шаг по модернизации бритвы Жиллета, защищенной в 1974 г. патентом США № 3832274, опять обеспечил фирме абсолютное преимущество на бритвенном рынке. Лезвия 1 теперь встали друг над другом и развернули режущие кромки в одну сторону (рис. 24, б). Процесс срезания волоса происходит как бы в два этапа, кроме того, одно из лезвий служит упором (ограничителем) для другого. Таким образом совершенствование безопасной бритвы было закончено. А использование качающейся (плавающей) головки и выдвижной подпружиненной пластины для чистки бритвы было лишь развитием старых идей или мелкими штрихами к основному изобретению.

Вот, пожалуй, и вся многовековая история бритвы — постоянного спутника человека. При всей кажущейся простоте этого инструмента он явился объектом пристального внимания изобретателей, демонстрацией весьма изящных и оригинальных технических решений.

Чем богата домашняя мастерская? Про плохого хозяина говорят: «Гвоздя забить не умеет». Ерунда, было бы чем! Так что запасемся гвоздями и подберем молоток.

Хорошему инструменту и рука радуется, а от плохого — устает. Почему? Вот и давайте попробуем разобраться, какие требования необходимо предъявлять к простому вроде бы инструменту — молотку. В нем ведь всего-то две детали: ручка и боек. Но, оказывается, в момент удара ручку (рычаг) хотелось бы иметь подлиннее, а боек — потяжелей. И наоборот: при подъеме молотка центр масс совсем неплохо бы сместить в другую сторону — поближе к руке. Первое, что приходит в голову,— сделать боек скользящим: при подъеме — к руке, при ударе — к ограничителю на конце ручки. Но у этого решения явно много недоработок, хотя над ним можно и подумать. Анализ патентного фонда позволяет изучить целый ряд удачных решений этой проблемы, в одном из которых (патент СССР № 11545) предложена полая конструкция молотка (рис. 25, а). В эту полость заливается ртуть, объем которой примерно равен объему полости бойка. При подъеме молотка ртуть переливается в полость ручки, а при ударе (уже в самом начале движения, еще до соприкосновения со шляпкой гвоздя) — за счет центробежной силы заполняет полость бойка, резко увеличивая его массу.

Рис. 25. Молотками с перемещающимся центром масс, в полой ручке которых залита ртуть (а) или скользит шарик (б), легко работать — быстро забивать гвозди.

Но ртуть — дело хлопотное и дорогое, так что замена ее на металлический шарик, предложенная в патенте США № 3303863, кажется значительно практичнее (рис. 25, б). Немного погрохатывает, зато рука не устает. А вообще-то задачка смещения центра масс молотка могла быть решена и поизящнее. Ну, например, было бы неплохо, если бы груз в полой ручке начал возврат от бойка сразу же после удара — не за счет обратного движения молотка, а гораздо раньше. Ведь шарик, так же как и ртуть, спустится вниз только тогда, когда ручка приблизится к вертикальному положению. Первую же половину пути усилие, прилагаемое вами для подъема молотка, практически такое же, как и в молотке привычной нам конструкции. А если еще внимательнее присмотреться к обоим изобретениям, то центробежная сила при быстром движении молотка может и вообще не дать грузу опуститься в ручку.

Автор вовсе не собирается оспаривать приведенные выше технические решения. Просто хотелось бы, чтобы вы, дорогие читатели, предложили свои собственные варианты. Например, всего один вариант в качестве подсказки: в случае с жестким грузом можно предусмотреть пружину, «встречающую» груз в районе головки. При ударе пружина, приняв груз, сжимается. Сразу после удара она резко отбрасывает груз назад в ручку. Параметры пружины будут задавать оптимальную частоту ударов, и наоборот: подбором пружины или ее регулировкой (может быть, винтовой?) можно подобрать удобный режим работы... А может быть, ваши варианты будут лучше?

И еще одна сложность при использовании молотка — отдача после удара. Конечно, правильные весовые и геометрические соотношения ручки и бойка резко уменьшают отдачу в руку, но принципиально исключить ее не могут. Опять надежда только на изобретателей. И не напрасно: конструкций, гасящих отдачу, предложено немало. Как всегда, много лобовых решений: раз есть отдача, нужно ее амортизировать. Практически одновременно появляются молотки с рукояткой в виде плоской пружины (рис. 26, а) и с бойком на резиновой втулке.

Рис. 26. Молотки без отдачи берегут руку хозяина независимо от того, как обеспечивается это их преимущество: выполнением рукоятки в виде плоской пружины (а) или использованием груза, перемещающегося внутри полого бойка (б — г).

А пооригинальней? Конечно, есть: в конструкции применен уже использовавшийся выше принцип перемещающегося груза. Только груз этот «завешен» теперь не внутри ручки, а внутри бойка, и перемещается вдоль его оси. Например, стержень, свободно размещенный внутри полого бойка (рис. 26, б). При движении бойка к шляпке гвоздя стержень смещается к тыльной стороне бойка, а после соударения устремляется вдогонку — с небольшим опозданием ударяет изнутри по рабочей стороне бойка. Если этот момент совпадает с отдачей, испытываемой бойком, то удар стержня, направленный в противоположную отдаче сторону, частично ее погасит. Но как добиться нужной синхронности в работе стержня — автор изобретения не объясняет. А ведь без нее предложенный молоток больше напоминает погремушку, только тяжелую и неудобную.

У нас, кажется, уже сложилась традиция помогать изобретателям. Что же, задачка подходящая, только рассмотрим еще несколько известных ее решений, чтобы исключить дублирование. Помните наше собственное решение с подпружиненным грузом в рукоятке? Аналогичный прием был защищен в 1965 г. патентом США № 3172438, только уже с целью гашения отдачи. Груз, переметающийся вдоль оси бойка в его полости, подпружинили с двух сторон и поместили к тому же в вязкую жидкость (рис. 26, в). При этом появилась и возможность регулирования времени запаздывания удара груза по отношению к удару бойка, т. е. обеспечения синхронного с отдачей встречного воздействия.

Но наиболее интересным представляется решение, предложенное несколько ранее, в 1962 г. (рис. 26, г). В полость бойка насыпали обычную свинцовую дробь — и отдача практически исчезла! А вот почему — попробуйте-ка объяснить сами. И заодно поищите другие, может быть, более интересные решения.

А теперь познакомимся поближе еще с одним очень распространенным инструментом — гаечным ключом.

Вероятно, болтовые соединения хорошо известны всем — даже тем, кто ни разу сам не закрутил ни одной гайки, ведь рисовать их на уроке черчения вам, наверное, приходилось. Да и с инструментом, гаечным ключом, отвинчивающим их, тоже все знакомы. С детства помнится универсальный «велосипедный» ключ, в котором пробиты многогранные отверстия под все Имеющиеся в велосипеде гайки. Но такой ключ не очень удобен: для ряда отверстий рычаг при закручивании оказывается невелик, а сам ключ больше похож на игрушку, чем на инструмент. К классической форме вилочного ключа мы давно привыкли. Одна из вилочных конструкций была модифицирована еще в 1891 г. в патенте Германии № 56818 (рис. 27, а). Ключ практически не изменился, однако ступенчатые прорези на каждой из его сторон обеспечивают возможность захвата уже не одной, а трех или более гаек разных размеров. А вот ключ, предложенный в патенте Германии № 56818, использует тот же принцип ступенчатых прорезей, но замкнутых, расположенных внутри пластины (рис. 27, б). Это уже значительно интереснее «велосипедного» ключа, о котором мы говорили выше.

Рис. 27. Легкие универсальные гаечные ключи с открытым (а) и замкнутым (б) расположением ступенчатых прорезей — мечта велосипедиста.

В тех случаях, когда гайку требуется обхватить понадежнее, применяют не «вилочные», а торцовые ключи. Еще в 1921 г. в патенте Германии был описан набор торцовых ключей, вкладывающихся друг в друга (рис. 28, а). Но наиболее изящной во всем «ключевом» хозяйстве представляется конструкция, защищенная в далеком 1880 г. патентом Германии № 9034. Ключ, описанный там, трудно отнести к какому-нибудь из сложившихся классов; это и торцовый, и в то же время разводной ключ, т. е. при всех достоинствах торцового ключа его размер может меняться. В корпусе головки ключа концентрически размещены шесть соприкасающихся друг с другом призм (рис. 28, б). Одна из них перемещается с помощью винта и сдвигает остальные, «настраивая» образованный ими шестигранник на нужный размер.

Рис. 28. Торцовый ключ по типу известной матрешки (а) явно уступает по металлоемкости и удобству пользования своему предку из XIX века (б).

Тот, у кого обычный разводной ключ соскакивал с гайки в самый неподходящий момент, вместе с нами пожалеет о том, что за сто лет этот интересный принцип не нашел достойного использования. Ну а тот, кому не пришлась по душе ни одна из приведенных конструкций, пусть попробует предложить что-то свое.

Наше путешествие по домашней мастерской близится к концу. Что же, представленные в ней инструменты, безусловно, пригодятся любому. Только пользоваться ими не всегда удобно, так как очень часто они разложены, если не разбросаны, в полном беспорядке. Опытный мастер знает, что производительность труда во многом зависит не только от набора инструмента, его функциональных возможностей, но и от системы, в которой он разложен.

Быстрый и свободный доступ к необходимому инструменту обеспечивается именно системой его раскладки: все на своих местах и под рукой. Молотки разложены по весу, гаечные ключи развешаны по размеру, сверла... А как же быть со сверлами? Проще всего: насверлили отверстий в пластмассовой болванке, подклеили снизу бумажки с обозначением диаметра — и расставляйте сверла по размеру, только не забывайте потом возвращать в свои ячейки... Но тут-то и начинаются неудобства: или подставка великовата и для нее трудно подобрать место, или сверла стоят так тесно, что не видно табличек с размером и неудобно их вытаскивать. А кроме раскладки сверл по ячейкам, никто вроде бы и не предложил ничего лучше, да, кажется, изобретатели и не интересуются такой второстепенной на первый взгляд задачей.

Рис. 29. Из этого пенала вынимается только одно из 50-ти хранящихся в нем сверл, причем именно необходимое.

Однако и тут оказалось возможным реализовать совершенно оригинальный подход к решению противоречия: минимум укладочной площади и максимум удобств. Авторы изобретения (авторское свидетельство № 1253885) разместили сверла в традиционных вертикальных каналах — ячейках, расположенных в цилиндрическом основании (рис. 29). В опытном образце своего «пенала для хранения сверл» изобретатели разместили 50 сверл диаметром от 1 до 5,9 мм. Если посмотреть на торцовую часть основания, то видно, что отверстия для хранения сверл располагаются вдоль пяти концентрических окружностей. По окружности максимального диаметра с равномерным шагом размещены десять отверстий для сверл диаметром от 5 до 5,9 мм, по соседней окружности — для сверл от 4 до 4,9 мм и т. д.

Кажется, все сверла уложены — но что из этого? Ведь достать необходимое сверло при такой плотной укладке и при отсутствии разметки просто невозможно. Можно, конечно, постараться закрыть торец пенала пальцами, оставив свободным лишь «выход» причем необходимого диаметра. Надежды на это, правда, маловато. Ведь разметку при такой плотной упаковке нанести негде, да и пальцы — инструмент недостаточно тонкий. Но идея задвижки должна сработать. И реализовать ее первыми сумели именно авторы данной конструкции.

Над торцовой поверхностью пенала друг над другом размещены два концентрических диска, свободно поворачивающихся на общей оси — винте, ввернутом вдоль образующей оси цилиндрического основания. Нижний диск, названный авторами лимбом, имеет бортики со смотровыми окошками. На самом диске размещены пять отверстий диаметром от 2 до 6 мм. Каждое из них при сборке пенала располагается над соответствующей окружностью, вдоль которой на основании размещены отверстия под сверла. Например, отверстие диаметром 6 мм при повороте лимба проходит над рядом сверл диаметром от 5 до 5,9 мм; отверстие диаметром 5 мм — над рядом сверл от 4 до 4,9 мм.

Отверстия для размещения сверл в основании пенала выполнены таким образом, что сверла с одинаковыми значениями дробной составляющей диаметра (1,1; 2,1; 3,1; 4,1; 5,1 мм) не лежат на одной прямой, а расположены по образующей в виде спирали Архимеда (отверстия во втором, верхнем диске размещены вдоль противоположно направленной спирали Архимеда). На боковой части основания нанесены цифры от 1 до 9, обозначающие величину дробной части диаметра сверла. Совмещая нижнее окно лимба с одной из этих цифр, мы «открываем» выход через нижний диск сразу пяти сверлам с одинаковой дробной частью величины диаметра (например, 1,1; 2,1; 3,1; 4,1 и 5,1 мм). Но получить нужное сверло из этих пяти можно, лишь открыв ему проход через верхний диск. Это обеспечивается поворотом верхнего диска (крышки) до совмещения соответствующей цифры на его бортике (от 1 до 5) с верхним окном лимба.

Для более надежной фиксации дисков (лимба и крышки) относительно друг друга и корпуса пенала на внутренней поверхности лимба выполнены пазы, куда входят два подпружиненных шарика-фиксатора. Один из них размещается в отверстии на боковой стенке корпуса, а другой — на крышке.

Теперь повторим процедуру выемки сверла. Повернем лимб (нижний диск) до появления в нижнем его окне цифры, обозначающей дробную часть величины диаметра необходимого нам сверла (от 1 до 9). Затем поворотом верхнего диска выведем в верхнее окно лимба цифру, обозначающую целую часть диаметра (от 1 до 5). Теперь можно переворачивать пенал и брать нужное сверло — все надежно.

Такой пенал может быть модифицирован также и для хранения других инструментов, например метчиков и соответствующих им сверл. И еще для многих целей — не возражаем, если новые функции пенала придумаете вы сами.