第二十一节 预先反作用原理

1第二十一节

预先反作用原理

在TRIZ理论的40条创新原理中，第9条是预先反作用原理。下面介绍预先反作用原理的内容与应用。

预先反作用原理：预先了解物体或系统可能出现故障的地方，并采取行动来消除、控制或防止故障的发生。也就是事先给物体施加反作用力，来消除将可能出现的作用力和不利影响。

如果我们事先知道，系统在运行过程中会有不利的或者有害的作用产生，那么，我们就可以预先采取一定的措施来预防、控制或抵消这种不利局面，防止负面作用产生不良后果，起到防患于未然的作用。用、物尽其用的思想越来越受到欢迎、越来越受到重视，也越来越得到普遍运用。2

案例1：汽车减震器

汽车是现代生活不可或缺的交通工具，汽车在路上行驶时，大家都不希望其振动、颠簸、摇晃，都希望它能给人们带来平稳、舒适、安全的乘车环境，如何才能做到？

汽车在坎坷的路段行驶，振动、晃荡似乎是难免的，为减小或预防剧烈振动的发生，人们根据预先反作用原理，发明了一个重要汽车部件——减振器，如图21-1、图21-2所示，用来抑制来自路面的冲击，保持汽车平稳行驶。图21-1.汽车前轮减震系统图21-2.汽车减震器3

在汽车悬架中，减震器和弹簧是相互配合使用的，当车身下压时会压缩弹簧，在弹簧力作用下车身又要反弹，此时减震器对弹簧的反弹起到阻尼作用，即在反弹后趋于稳定。如果没有减震器，弹簧在反弹后可能会反复振动，从而引起车身多次振动后才能趋于平稳，这样车子的稳定性、舒适性就大大减弱。所以，减震器是为汽车悬架的弹簧在反弹时起到阻尼减震的作用。

减震器的工作原理是：减震器中有个活塞，如图21-3，其中，1.活塞杆；2.工作缸筒；3.活塞；4.伸张阀；5.储油缸筒；6.压缩阀；7.补偿阀；8.流通阀；9.导向座；10.防尘罩；11.油封。当减震器被压缩时，活塞向下运动，如图21-4所示，下腔容积减小，上腔容积增大，流通阀打开，下腔的油液通过流通阀进入上腔；同时一部分油液打开压缩阀进入储油缸。这两个阀对油液的节流作用使减震器产生压缩运动时的阻尼作用。当减震器被伸长时，活塞向上运动，如图21-5所示，上腔容积减小，下腔容积增大，伸张阀打开，上腔的油液通过伸张阀进入下腔；同时一部分油液打开补偿阀，由储油缸进入下腔。这两个阀对油液的节流作用使减震器产生伸张运动时的阻尼作用。4图21-3.活塞图21-4.活塞向下运动图21-5.活塞向上运动

可见，当车身受振动发生相对运动时，减震器内的活塞就上下移动，减震器腔内的油液便反复从一个腔经过不同的孔隙流入另一个腔内。此时孔壁与油液间的摩擦和油液分子间的内摩擦对振动形成阻尼力，使汽车振动能量转化为油液热能，再由减震器吸收散发到大气中，主要是将振动的能量通过摩擦作用转化为热量，起到减振的作用。5

案例2：南京长江第二大桥

2001年3月26日正式通车的南京长江第二大桥，当时被誉为“中华第一斜拉桥”，它由南、北汊大桥和南岸、八卦洲及北岸引线组成，全长12.5公里。其中，南汊大桥为双塔双索面钢箱梁斜拉桥，如图21-6所示，以其628m主跨而成为世界第三大斜拉桥。

其中，双塔对桥面可起到支撑作用，但我们知道，当车辆在桥面上行驶时，对桥面向下的压力增大，给桥面的承载力带来极大的挑战，根据预先反作用原理，人们设计了双索斜拉桥结构，对桥面预先起到向上的拉力，从而增加桥面的承重力。图21-6.南京长江第二大桥6

案例3：预应力混凝土结构

钢筋混凝土结构在现实生活中被广泛运用，它是由钢筋和混凝土混合制造而成。我们知道，混凝土的特点是：抗压强度高、抗拉强度低；钢材的特点是：抗压强度低、抗拉强度高。钢筋混凝土就是利用这两种材料的优势互补而制造的建筑材料。

但在实践运用过程中，人们也发现一些问题，如钢筋混凝土的横梁，如图21-7所示，上层承受压力、下层承受拉力。当负载较小时，下层钢筋的拉应力并不很大，如果继续增加负载，下层钢筋就要发生长度和方向的形变，这个形变越大，钢筋的拉应力就越大。尽管这个拉伸形变非常小，一般只能通过仪器才能测出。但由于混凝土的抗拉强度很低，不可能与钢筋同步发生长度和方向的拉伸，这样在横梁的下层就会出现许多小裂纹，这种开裂的情况就会影响构件（横梁）的承载力，带来极大的安全隐患。7

针对上述这种情况，19世纪末美国一位工程师首次提出了“预应力混凝土”概念，为了弥补混凝土过早出现裂缝现象，在构件使用之前，预先给混凝土构件一个预压力，即通过人工加力的方法，在混凝土受拉区内，对钢筋进行预压处理，将钢筋进行张拉，利用钢筋的回缩力，使混凝土受拉区预先受压力。这样当构件承受外部负载产生拉力时，就会首先抵消受拉区混凝土中的预压力，然后随负载增加，才使混凝土受拉，这就限制了混凝土的伸长，延缓或不出现裂缝，从而提高了构件的抗裂性能和强度。图21-7.预应力混凝土结构8

预先反作用原理告诉我们，当知道系统在运行过程中，会有不利的或有害的作用产生时，我们就可以预先采取一定的措施来控制或抵消这种不利影响，从而防止负面作用产生不良后果。预先反作用原理不仅用于机械、工程、建筑等领域，在生物、医药、环保以及社会管理等诸多领域都有广泛的运用。如儿童通过接种疫苗来预防某些疾病，疫苗是将病原微生物（如细菌、病毒等）及其代谢产物，经过人工减毒等方法制成的生物制品。事先把疫苗注入人体内，当人体接触到这种不具备伤害力的病原菌后，免疫系统便会产生一定的保护物质，如免疫激素、特殊抗体等；当人体再次接触到这种病原菌时，人体的免疫系统会依据原有的记忆，制造出更多的保护物质来阻止病原菌的伤害，这就是预先反作用。当然，