书城童书快乐学习丛书-如何成为小发明家
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第8章 小发明的十种技法(2)

六百多年来,一个又一个伟大的科学家磨砺着这把“剃刀”,使之日见锋利,终于成为科学思维的出发点之一。凡善于使用这把“剃刀”的科学家,如哥白尼、牛顿、爱因斯坦等,都在“削”去理论或客观事实上的累赘之后,“剃”出了精炼得无法再精炼的科学结论。

“奥卡姆剃刀”对发明创造有没有作用?回答也是肯定的。

自从瓦特发明蒸汽机后,蒸汽机车便应运而生。但最早的火车车轮上套有齿圈,通过与钢轨上的齿条啮合向前运动。机车司炉工司蒂文森望着复杂的车轮想:将齿圈和齿条去掉将会怎样呢?当时,许多专家认为,车轮必须有齿,没有齿,火车就会打滑或者脱轨。司蒂文森按照自己的设想进行试验,他将车轮上的齿圈去掉后,发现火车不仅不打滑,不脱轨,反而在铁道上能风驰电掣般地飞奔疾驶,速度一下提高5倍以上。从此,火车摆脱了齿圈车轮的束缚,司蒂文森的名字也随人类交通的发展而载入史册。

现在广为代步的自行车也有类似的经历。当初,人们为了防止自行车倾倒而在后轮两侧装设有两个小轮。后来有人想:能不能将两小轮去掉呢?试验结果表明,去掉两小轮后,自行车在前进中不会左右倾倒,而且转弯更为灵活。从此,自行车只剩下轻便的两只大轮了。

可见,在蒸汽机和自行车的不断完善过程中,发明创造者的确使用过“奥卡姆剃刀”。换一句中国式的说法,就是运用过删繁就简的思维方式。

删繁就简作为发明创造技法,其基本含义就是通过对原事物结构的简化设计,使其性能更优,更能满足功能的要求。

一般地说,人们在发明创造某一事物时,总是用尽全力使之至善至美的。但是,由于当时认识上的局限,有时会因追求全面、安全而造成“画蛇添足”或“多此一举”的情况。此外,由于事物所处的环境发生变化,构成事物的某些功能或性能要素变得不合时宜而成为累赘。对此,独具慧眼的发明创造者在保留整个原有事物的前提下,“冗繁削尽因清瘦”,将原事物中多余的、陈旧的、繁琐的和无足轻重的部分去掉,使之更加重点突现、功能鲜明、结构精悍、性能优化,以致产生完全崭新的功能和效果。

删繁就简,在发明创造过程中并不是作简单的“减法”。一般来说,要满足某种功能要求,设计结构简单的方案往往比设计复杂的方案还费心思。从这点上说,简捷是区分平庸与天才的一把标尺。

随着科学技术的进步,家用电器的功能不断提高与增多,这种多功能化一方面受到消费者的赞赏,另一方面也因产品结构复杂化而增加了操作使用上的难度。像家用微波炉,在上个世纪80年代后,烧煮与加热合二而一,按钮多达10余个。但是,越来越多的使用者开始抱怨,功能过于复杂,操作程序繁琐。尤其是老人和儿童在使用时,更是无所适从,感到难以下手。于是,韩国的有识之士审时度势,立足删繁就简,开发设计出操作简单的“单旋钮微波灶”,让任何人都可以取代熟练的家庭主妇,利用微波灶制作出可口的菜肴。这种结构简化了的新产品一上市,便令消费者刮目相看。

如果对比一下我国市场上上个世纪80年代初和90年代中期生产的家用燃气热水器,数一数它们的按钮或旋钮数目,不也可以发现我国的创新者也在删繁就简搞开发吗?

世界上的事物只要具有结构形态,你就可以从结构上去琢磨削除废资。看看手中写字的钢笔,想想它多年前的形态,你可能发现它的许多地方都有削减的痕迹。如过去的笔舌,表面铣有多道沟槽,目的是便于蓄积墨水,现在的笔舌则没了沟槽,但书写照样流畅。过去的笔筒套加工有螺纹,现在也没有了。再看看财会人员用的算盘,你可能认为它已十分精简而无下刀削除的地方了。然而,有人还是拿起“剃刀”,开发设计出上排一珠、下排四珠的新算盘。它与古老的上排二珠、下排五珠算盘相比,结构简化,运算简捷。如果还想对算盘化繁为简,有没有可能呢?看起来不可能了。然而有人别出心裁,将算盘上的每个算珠的下半部分去掉,从而发明了体积更小巧的“半珠算盘”。

如此“动刀”,难道不让你产生联想?

(第五节)扩大增加法

书报上的字太小,老年人看不方便,就借助放大镜来看。放大镜的作用,就是把字“扩一扩”。

原来的电视屏幕较小,看电视节目费力,所以大屏幕彩电相继问世。这是把屏幕的面积和电视的体积“扩一扩”。

很多人喜欢看围棋比赛,但棋盘太小,不可能像看篮球一样观战。于是,把棋盘的面积和棋子的大小“扩一扩”,做一个特大的棋盘挂在墙上演示比赛,让棋迷们一饱眼福。

伞是人们常用的挡雨避阳工具,有人将它的面积扩大、再扩大,变成了街头巷尾设摊者使用的晴雨大伞,露天海滨浴场游客享受的太阳伞,使伞又找到了新的用途。

瞧,“扩一扩”、“加一加”也会变得很奇妙,会引发出相当不错的发明。当你把一样物品进行扩大面积、扩大声音、扩大距离、延长时间、延伸长度、加高高度、增加数目、增添配料等扩增处理,物品的功能和用途可能就会发生本质的变化。这种“扩一扩”、“加一加”的小发明技法叫做扩大增加法。

新式邮筒

一般的邮筒只有一个或两个投递口,信投进去后都混在一起,先拣后分,费时又费力。上海的李文彪同学设计了一个新式邮筒。这个邮筒有三个投递口,分别投寄本市、外地和航空邮件。邮筒里分成三格,而且能旋转。这样,邮递员开门取信时,只要转内格,就可以按类取信了。由于收信后不用再拣,就省事多了。

这个小发明就是从增加投递口的个数入手设计的,它在第一届全国青少年创造发明比赛中获得了一等奖。

多功能喷杆

山东张桂杰同学发明了一种“多功能喷杆”,在第三届全国青少年创造发明比赛中获一等奖。他是将原有喷洒农药的单喷杆改成相连的双喷杆,同时喷杆的张角和喷头的方向可以调节。使用这种双喷杆喷洒农药,可以同时喷两垄,既可以向一个方向喷,也可以在叶片上下对喷,因此提高了喷药效率,也节省了劳力。这项小发明也是从增加数目着手设计的。

足球射门网

上海的滕惠玲同学是个足球迷。她每次看足球比赛时,总要为球员“临门一脚”功夫差而遗憾万分。她想到,足球射门得分的功夫,主要是靠平时磨炼出来的。于是,她设计了一个有趣的辅助器材——足球射门网。

她把球门分割成9个小射门区,并在每个区域后面装上1个小网兜。她还根据射球角度的难易程度,给每个小射门区规定了一个分数,守门员难守的4个死角分数高,容易射进的角度分数低。这样,教练训练队员时,可按训练的要求,进行有趣的射门比赛。踢进的球被网兜套住,得分就一清二楚,拾球也方便。

足球专家和教练说:这个小发明具有实战性、趣味性等特点,是训练射门角度的好帮手,业余、专业运动员都能用。在第九届全国青少年发明创造比赛中,该发明荣获一等奖。

这个小发明实际上是作者将一个球门分割成了9个小球门,增加了球门的数量。

防滑剪枝剪

山东的中学生林峰家里承包了几亩果园,他和爸爸给果树剪枝时发现,用枝剪剪细的树枝还可以,剪稍微粗的树枝时,树枝会在刀口上向前滑脱,要剪几次才能剪掉,既费时又费力。能不能不让树枝向前滑动呢?

在老师的指导下,他在剪刀刀口外侧安装了一块带锯齿的铁板,既不影响刀口的切割效果又防止了树枝滑脱。

瞧,他只是在原来枝剪上加了一块小铁板,就解决了大问题,完成了一项小发明——防滑剪枝剪,并在第七届全国青少年发明创造比赛中获二等奖。

当你的发明处于困境的时候,你不妨有意识地把发明目标“扩一扩”或“加一加”,也许会拓宽发明的思路。

(第六节)移植法

把大家已经知道的原理,已有的物品或方法等,移植运用到自己的发明上,得到一项新的发明,这种方法叫做移植法。这种技术性移植是发明创造的一条重要途径。如前面讲到的“好客鞋”,就是作者将已有的发明“尼龙搭扣”移植到拖鞋上发明的。

充气太阳灶

太阳能对人们极有吸引力,但目前的太阳灶造价高,工艺复杂,又笨重(50千克左右),调节也麻烦,野外工作和旅游时携带就不方便了。上海的连鑫等同学在调查研究的基础上,明确了主攻方向:简化太阳灶的制作工艺,减轻重量,减少材料消耗,降低成本,获取最大的功率。他们首先把两片圆形塑料薄膜边缘粘结,充气后就膨胀成一个抛物面,再在反光面上贴上真空镀铝涤纶不干胶片。用打气筒向内打气,改变里面气体压强,随着打气的多少,上面一层透明膜向上凸起,反光面向下凹,可以达到自动会聚反射光线的目的。这种“无基板充气太阳灶”只有4千克重,拆装方便,便于携带,获第三届全国青少年科学发明创造比赛一等奖。

该发明实际上是多种移植的结果:他们把充气玩具的技术,日常商品商标的不干胶贴片,凸透镜似的抛物面结构,移植到新的太阳灶上来,他们把课本上的光学、流体力学的原理等知识,移植到太阳灶的设计上,从而成功地完成了小发明。

蜡烛灯

蜡烛是人们常用的一种照明工具,但烛焰怕风,烛体不易固定,亮度不能控制。怎样改进这些缺点呢?湖北监利中学的柳国弘同学先考虑固定烛体与防风,他将蜡烛插在一个铁筒中,罩上一个玻璃罩。他联想到卡口式灯泡的固定方式,并借用到蜡烛灯上,安了个弹簧以使烛焰保持在灯罩的最佳中心位置。

怎样使蜡烛不流泪呢?解决这个问题,必须不断降低蜡烛顶部温度,使热量向四周传导散发。汽车的发动机前面均有金属散热片,是否也可以借鉴到蜡烛灯上来呢?他在润肤香脂金属盒上钻一个大孔,将剪好的散热片剪成电扇片的形状,在中心打一个同样的大孔,将剪好的散热片焊接在盒上(两者的大孔要对齐)。

怎样控制烛焰的亮度呢?他受煤气炉的空气阀的启发,用内外两个带气窗的套圈套在一起(内圈用散热片下面的铁盒,外圈用一另做的塑料圈),通过转动气门来控制空气流量,实现了调节烛焰亮度的愿望。这个发明可说是一项“移花接木”的综合体,灯罩是从煤油灯来的,固定方式是从卡口灯泡来的,散热片是从汽车来的。

由此可以看出,移植法是一种很有意义的发明思路,同学们掌握得好,能搞出相当好的小发明。

运用移植法关键是要扩大知识面,了解一些新技术,经常分析一些物品或其某一结构的原理、功能。这样,大脑里可供移植的信息多了,你搞小发明时就可信手拈来,为你所用。

(第七节)逆向发明法

世界上所有事物都有正反两个方面,其表现形式是多种多样的,如大小、上下、东西、里外、正负、作用力与反作用力、分解与化合等等。人们沿着事物的相反方向,用反向探索的思维方式对现有产品或课题设计进行逆向思考,提出新的设计和新的发明的一种方法,我们称逆向发明法。

逆向思维方式一般可分为功能反转、结构反转、因果反转、状态反转四种类型。

一、功能反转

功能反转是指从已有事物的相反功能,去设想和寻求解决问题的新途径,从而获得新的创造发明。

例一:德国某造纸厂,因工人的疏忽在生产中少放了一种胶料,制成了大量不合格的纸,用墨水笔一写,字迹就化开来,如果这批纸全部报废就会给公司带来重大的损失。肇事工人拼命地想:有没有什么好的补救办法呢?有一天,他因漫不经心把墨水洒在了桌子上,便慌慌张张地用边上的那张纸来擦,结果墨水被吸得干干净净,“变废为宝”的念头在他的头脑中一闪而过,就这样这批纸当作吸墨水纸全部卖了出去。后来,又有人做了个带把的船形架,把吸墨水纸装在上面,这样,一个“吸墨器”的新发明就诞生了。

例二:一位同学在复习的时候,常为在嘈杂的环境里无法朗读、背诵课文而烦恼。该怎么办呢?一次,他想到医生用的听诊器不受外界的干扰,可以听到病人心脏跳动的声音而大受启发。于是他找来塑料漏斗作话筒,两个橡胶瓶塞作耳塞,中间用橡皮软管连接。做好后,他对着话筒朗读课文,这时耳朵里不再灌满周围的噪声,而能清晰地听到自己的朗读声。就这样一个小发明“排干扰朗读器”诞生了。这个小发明已生产成产品出售,受到了广大学生的欢迎。

二、结构反转

结构反转是指从已有事物的相反结构形式去设想和寻求解决问题新途径。

例一:飞机设计师在第二次世界大战后,把飞机的机翼由“平直机翼”改为“后掠机翼”,使飞机的飞行速度由低于声波速度的“亚音速”提高到“超音速”。

例二:烧蜂窝煤炉的时候,有一件事很麻烦,那就是当下面的一个蜂窝煤烧枯而需要在上面添加一个新的蜂窝煤时,一种办法是烧枯的蜂窝煤往下揿,这样由于炉栅条的阻挡,不仅费力,而且揿碎的煤灰会飞扬开来造成污染;另一种方法是把上面的蜂窝煤先夹出来,接着再把下面烧枯的蜂窝煤夹出来。这样做灰是少了,可是很麻烦。上海的一位同学用“结构反转”的办法把炉栅的栅去掉,改成在圆环的四周制成五个坡口向上,直径小于蜂窝煤的煤爪。这样一个新发明“无炉栅蜂窝煤炉”就完成了。使用的时候,只要在上面轻轻地一揿,就能把带有五个爪痕而基本完整的蜂窝煤揿下去。这个发明成果已生产出售,并受到用户的欢迎,并在全国发明展中获得了银牌。

三、因果反转

因果反转是指从已有事物的因果关系,变因为果去发现新的现象和规律,寻找解决问题的新途径。

例一:半导体制冷元件是用帕尔帖效应工作的,人们利用这种原理发明了野外高温作业用的小功率制冷机,以及医疗急救用的小型无噪声的制冷机等。

例二:帕尔帖效应的逆效应是塞贝克效应,事实上半导体制冷元件也可工作在塞贝克效应下,其热电转换效率比金属高。有人又利用半导体制冷元件的热能—电能的转换特殊性,在半导体制冷元件两端维持60℃以上温差时,所产生的电可点亮一个小电灯,设计发明出一种热能—电能转换的照明产品。

例三:在发明史上,由奥斯特电能生磁的发现和电磁铁的发明到法拉第提出磁能生电,到发电机的发明;从爱迪生发现送话器听筒音膜有规律的振动到他发明留声机,都说明因果反转是导致新发明的有效方法。

四、状态反转

状态反转是指人们根据事物的某一属性(如动与静)的反转来认识事物和引发创造发明的一种方法。

例一:过去用锯和刨来加工木头时,都是木头不动而锯子和刨子动。自从人们发明了固定的电锯机和电刨机,就改成了木头动而机器不动。同样“电梯”的发明也是这样,原来是人动“梯”不动,现在是“梯”动人不动。