Постановка научных экспериментов методами ТРИЗ

Аннотация

В статье, на примере эксперимента с маятником Леона Фуко, предложено применение подходов ТРИЗ к постановке научных экспериментов.

Введение

На протяжении всего существования науки перед учеными стоят вопросы экспериментального доказательства теоретических исследований. Однако, несмотря на важность для человечества, эта деятельность до сих пор не алгоритмизирована, а зачастую и оставлена на волю случая. В частности, ученые на протяжении сотен лет не могли доказать факт вращения Земли, и только удачное стечение обстоятельств в 1851 году позволило Леону Фуко, заметив что плоскость колебаний длинного железного прутка, зажатого одним концом во вращающемся патроне токарного станка остаётся неизменной и затем, заменив пруток на маятник, придумать свой знаменитый эксперимент, обнаруживающий связь между перемещением плоскости колебаний подвеса и вращением Земли.

При этом, теоретические основы, позволяющие целенаправленно спроектировать и поставить такой опыт, были заложены Исааком Ньютоном еще в 1687 году в труде «Математические начала натуральной философии».  Таким образом, отсутствие у научного сообщества алгоритмических методов постановки научных экспериментов, как минимум, на 164 года задержало наглядное доказательство вращения Земли, которое бы способствовало ускоренному развитию наук об окружающем мире и преобладанию научного мировоззрения над религиозным.

Проектирование опыта Леона Фуко с позиций ТРИЗ

Для визуального обнаружения вращения сферического предмета вокруг своей оси достаточно найти неподвижную относительно него точку и оценить относительно неё характер перемещения поверхности исследуемой сферы.  

Таким образом, для эксперимента, в первую очередь, требуется решить задачу по нахождению неподвижного, относительно вращения Земли, предмета. Скорее всего, именно о непонимание того, как получить такое тело и разбивались все попытки решить эту задачу. Однако, когда в 1687 году Ньютон опубликовал законы механики, первый из которых, в современной формулировке выглядит так:

 «Существуют такие системы отсчёта, называемые инерциальными, относительно которых материальные точки, когда на них не действуют никакие силы (или действуют силы взаимно уравновешенные), находятся в состоянии покоя или равномерного прямолинейного движения.»

стало известно, что такое тело может быть не только полностью неподвижным, но и двигаться равномерно и прямолинейно по инерции, а значит, для обнаружения вращения Земли достаточно сравнить отклонение проекции траектории движения такого предмета от прямой, проходящей по поверхности Земли. В таком случае необходимо найти тело, способное достаточно долго сохранять движение по инерции, чтобы было возможно засечь отклонение его траектории. Таким телом мог бы быть снаряд из метательного или огнестрельного оружия, но, к сожалению, дальность полёта и точность замера их траектории остаются недостаточными и в наши дни, а в XVII-XIX веках, тем более, поэтому решение такой задачи обычными методами заходит в тупик.

Тем не менее, задача:

«найти тело, способное достаточно долго сохранять движение по инерции, чтобы было возможно засечь отклонение его траектории»

пригодна для рассмотрения с позиций ТРИЗ, поскольку из её формулировки явно вытекает техническое противоречие или противоречие условий, далее ПУ (здесь и далее будут использоваться принятые в РА ТРИЗ термины: противоречие условий и противоречие требований, как более строго отвечающие структуре и смыслу методов, чем принятые исторически термины «техническое противоречие» и «физическое противоречие»):

ПУ-1 Если тело проходит длинный путь по инерции, то зафиксировать горизонтальное смещение возможно, но это невозможно организовать.

ПУ-2 Если тело проходит короткий путь по инерции, то это легко организовать, но зафиксировать горизонтальное смещение невозможно.

Обращение к таблице разрешения технических противоречий выводит на приём «дробление», то есть разделение пути на множество отрезков, которые затем необходимо сложить таким образом, чтобы каждый из них находился непосредственно перед наблюдателем.

Технически, остаётся лишь найти способ перемещать тело на короткое расстояние и затем возвращать его к исходной точке, сохраняя в горизонтальной проекции движение исключительно по инерции. Из множества схем механизмов, обеспечивающих такое возвратно-поступательное движение наиболее отвечает указанным требованиям маятник со свободно вращающимся подвесом.

Выводы:

Опыт Фуко имел большое значение для упрочения научного подхода и борьбы с религиозным мировоззрением, в свое время он произвёл мощнейший эффект на общество и дал толчок для постановки новых опытов и экспериментов. Маятники Фуко, как символ победы научной мысли и как эффектный аттракцион были установлены во множестве мест, причём самый большой, высотой 98 метров, находился в Исаакиевском соборе, и, в частности, использовался учителями физики как наглядное пособие для учащихся. Однако в 1986 году маятник был демонтирован, а через некоторое время и описание самого эксперимента было убрано из школьной программы. Возможно, это было одним из факторов, приведших к тому, что в 2014 на маленьком плоту в Россию приплыло «Общество плоской Земли», поэтому, в отсутствии наглядных примеров, упрощение представления и понимания физических процессов, а также возможность спроектировать свои эксперименты, важно для сохранения научного потенциала России и мира.

Применив подходы ТРИЗ для проектирования эксперимента, за несколько шагов был получен технический результат, идентичный найденному экспериментально. При этом были использованы только те знания, которые были в наличии уже в XVII веке. Кроме того, были получены следующие дополнительные эффекты:

• объяснение феномена сохранения маятником плоскости колебаний, а также гироскопического эффекта с позиции первого закона Ньютона, что позволяет резко упростить понимание природы данных эффектов, а применяя в обучении и упростить преподавание данных тем, что позволило бы вернуть в школьную программу опыт Фуко на новом уровне объяснения.
• возможность применять к исследуемой системе методы ТРИЗ, например закономерности развития систем и ИКР, позволяют поставить задачи о других способах обнаружения вращения Земли.

Обобщая полученный результат, можно утверждать, что используя подходы и методы  ТРИЗ возможно интенсифицировать научный прогресс, путём алгоритмизации процесса постановки научных экспериментов, однако для этого требуется разработать соответствующий инструментарий, не только в направлении синтеза не имеющих аналогов новых решений, но и в направлении адаптации и применения инструментария ТРИЗ в фундаментальных науках, учитывая, что этому способствует философия и изначально междисциплинарный потенциал ТРИЗ.