О законах
развития технических систем
Материал связан со
страницами:
Г. С.
Альтшуллер.
Разработчикам и
преподавателям ТРИЗ
При использовании алгоритма решения
изобретательских задач (АРИЗ), анализ
исходной технической системы (ТС) (данной в
условиях задачи), преобразование этой
системы или поиск принципиально новой
технической системы, ведутся на основе
ЗАКОНОВ РАЗВИТИЯ ТЕХНИЧЕСКИХ СИСТЕМ.
Однако в тексте АРИЗ нет явных формулировок
этих законов: законы "спрятаны" в самой
структуре АРИЗ или "вмонтированы" в
АРИЗ в виде конкретных операторов, шагов,
приемов и т.д. Ниже дан краткий обзор
основных законов развития технических
систем. Знание этих законов необходимо для
лучшего использования АРИЗ и для работы по
дальнейшему его развитию. Законы развития
систем могут быть разделены на три группы,
условно названные "статикой", "кинематикой"
и "динамикой".
А. "СТАТИКА"
ТЕХНИЧЕСКОЙ СИСТЕМЫ
Любая ТС возникает
путем синтеза в единое целое отдельных
частей. Не всякое объединение частей дает
жизнеспособную техническую систему.
Существует, по крайней мере, три закона,
выполнение которых необходимо для того,
чтобы система оказалась жизнеспособной.
1. Закон полноты частей системы:
Необходимым условием принципиальной
жизнеспособности технической системы
является минимальная работоспособность
основных частей системы. Каждая ТС должна
включать 4 основные части: двигатель,
трансмиссию, рабочий орган и орган
управления. Смысл закона 1 заключается в том,
что для синтеза ТС необходимо и достаточно
а) наличие этих четырех частей и б) их
минимальная пригодность к выполнению
ФУНКЦИЙ СИСТЕМЫ (ибо сама по себе
работоспособная часть системы может
оказаться неработоспособной в составе той
или иной ТС. Например, двигатель
внутреннего сгорания, сам по себе
работоспособный, оказывается
неработоспособным, если его используют в
качестве подводного двигателя подводной
лодки).Закон 1 можно пояснить так:
ТС
жизнеспособна в том случае, если все ее
части не имеют "двоек", причем оценки
ставятся по качеству работы данной части в
составе системы. Если хотя бы одна из частей
оценена на "двойку", ТС
нежизнеспособна даже при наличии "пятерок"
у других частей.
Закон 1 играет решающую
роль в спорах о приоритете: первой следует
считать первую жизнеспособную систему.
Например, одни историки считают первым
самолетом аппарат братьев Райт, а другие -
самолет Можайского, подчеркивают его
преимущества: обтекаемую форму фюзеляжа,
наличие шасси (райтовский аппарат вообще не
имел шасси), наличие элеронов на крыльях (у
братьев Райт вместо элеронов
использовалось "гаширование" -
примитивное управление с помощью тросов,
изгибаюших гибкую поверхность крыла) и т.д.
Но с точки зрения закона 1 все части
аппарата братьев Райт были минимально
работоспособны (в составе системы) "двоек"
не было.
В самолете Можайского
неработоспособными (в составе системы) были
две части: крылья и двигатель. Крылья
представляли собой ровные плоскости,
установленные с нулевым углом атаки (угол
между крылом и направлением движения).
Такие крылья не могли давать подъемную силу.
Неработоспособным (в составе системы "самолет")
оказался и паровой двигатель, хотя сам по
себе он был одним из наиболее совершенных
паровых двигателей того времени.
При образовании
системы "самолет" проходные баллы
получили профилированное крыло и двигатель
внутреннего сгорания: именно эти части (в
сочетании с воздушным винтом) дали систему,
которую мы называем "самолет". Аппарат
братьев Райт имел невысокие "оценки"
по ряду показателей ("гаширование"
явно хуже элеронов и т.д.), но не имел "двоек"!
Из закона 1 вытекает
очень важное для практики следствие:
чтобы
система была управляемой, необходимо и
достаточно, чтобы хотя бы одна ее часть была
управляемой.
"Быть управляемой"
- значит менять свойства так, как это надо
тому, кто управляет. Знание этого следствия
из закона 1 позволяет лучше понимать суть
многих задач и правильнее оценивать
полученные решения. Возьмем, например,
задачу о запайке ампул (пособие "Теория и
практика решения изобретательских задач",
раздел 3, задача 3) [1, с.55]. Дана система из
двух неуправляемых частей: ампулы вообще
неуправляемы, их характеристики нельзя
менять, а горелки плохо управляемы по
условиям задачи. Ясно, что решение задачи
будет состоять во введении третьей части,
главным требованием к которой является
управляемость. Действительно, введена
водная среда (контрольный ответ по этой
задаче), обладающая высокой управляемостью:
можно менять уровень воды - это
обеспечивает изменение границы между
горячей и холодной зонами. Можно менять
температуру воды - это позволяет создавать
нужные условия в холодной зоне. Можно легко
пополнять воду - это гарантирует
устойчивость системы в процессе работы.
2. Закон "энергетической
проводимости" системы:
Необходимым
условием принципиальной жизнеспособности
технической системы является сквозной
проход энергии по всем частям системы.
Любая техническая
система является преобразователем энергии.
Отсюда очевидная необходимость передачи
энергии от двигателя через трансмиссию к
рабочему органу. Передача энергии от одной
части системы к другой может быть
вещественной (например, вал, шестерня,
рычаги и т.д.), полевой (например, магнитное
поле) и вещественно-полевой (например,
передача энергии потоком заряженных частиц).
Многие
изобретательские задачи сводятся к подбору
того или иного вида передачи энергии,
наиболее эффективного в заданных условиях.
Такова, например, задача о нагреве вещества
внутри вращающейся центрифуги. Вне
центрифуги энергия есть. Имеется и "потребитель"
- он находится внутри центрифуги. Суть
задачи - в создании "энергетического
моста". Такого рода "мосты" могут
быть однородными и неоднородными. Если вид
энергии меняется при переходе от одной
части ТС к другой - это неоднородный "мост".
В изобретательских
задачах чаще всего приходится иметь дело
именно с неоднородными мостами. Так, в
задаче о нагреве вещества в центрифуге
выгодно иметь электромагнитную энергию (ее
передача не мешает вращению центрифуги), а
внутри центрифуги нужна энергия тепловая.
При обучении решению
изобретательских задач необходимо особое
внимание уделить источникам и приемникам
энергии и образуемым ими парам, особенно -
неоднородным парам, в которых происходит
превращение энергии из одного вида в другой.
В основу классификации физэффектов
изучаемых в курсе ТРИЗ, целесообразно
положить именно превращение энергии. При
этом особое значение приобретают эффекты и
явления, позволяющие управлять энергией на
выходе из одной части ТС или на входе в
другую ее часть.
В задаче о центрифуге
нагрев может быть обеспечен, если
центрифуга находится в магнитном поле, а
внутри центрифуги размещен, например, диск
из ферромагнетика. Однако, по условиям
задачи требуется не просто нагревать
вещество внутри центрифуги, а поддерживать
постоянную температуру около 250 град. С. Как
бы не менялся отбор энергии, температура
диска должна быть постоянной. Это
обеспечивается подачей "избыточного"
поля, из которого диск отбирает энергию,
достаточную для нагрева до 250 град. С, после
чего вещество диска "самоотключается"
(переход через точку Кюри). При понижении
температуры происходит "самовключение"
диска.
Важное значение
имеет следствие из закона 2:
чтобы часть
ТС была управляемой, необходимо обеспечить
энергетическую проводимость между этой
частью и органами управления.
В задачах на измерение
и обнаружение можно говорить об
информационной проводимости. Но
информационная проводимость часто
сводится к энергетической - только слабой.
Примером может служить решение задачи об
измерении диаметра шлифовального круга,
работающего внутри цилиндра [1, с.96]. Решение
задачи облегчается, если рассматривать не
информационную, а энергетическую
проводимость. Тогда для решения задачи
нужно прежде всего ответить на два вопроса:
1) В каком виде проще всего подвести энергию
к кругу? 2) В каком виде проще всего вывести
энергию сквозь стенки круга (или по валу)?
Ответ очевиден: в виде электрического тока.
Это еще не окончательное решение, но уже
сделан шаг к правильному ответу.
3. Закон согласования
ритмики частей системы:
Необходимым условием
принципиальной жизнеспособности
технической системы является согласование
ритмики (частоты колебаний, периодичности)
всех частей системы. Пояснения и примеры к
этому закону приведены в разделе 1.5. пособия
"Теория и практика решения
изобретательских задач" и в тексте
стандарта 7 [1, с.209].
Б. "КИНЕМАТИКА"
ТЕХНИЧЕСКИХ СИСТЕМ
К "кинематике"
относятся законы, определяющие развитие ТС,
независимо от конкретных технических и
физических факторов, определяющих это
развитие.
1. Закон увеличения
степени идеальности системы:
Развитие
всех систем идет в направлении увеличения
степени идеальности.
Как известно,
идеальная техническая система - это такая
система, вес, объем и площадь которой
стремятся к нулю, хотя способность системы
выполнять работу при этом не уменьшается.
То есть идеальная ТС - это когда ТС нет, а
функция ее сохраняется и выполняется.
Несмотря на очевидность понятия "идеальная
ТС" существует определенный парадокс:
реальные ТС становятся все более
крупноразмерными и тяжелыми. Увеличиваются
размеры и вес самолетов, танкеров,
автомобилей и т.д. Парадокс этот
объясняется тем, что высвобожденные при
совершенствовании ТС резервы направляются
на увеличение ее размеров и - главное -
повышение рабочих параметров.
Первые автомобили
имели скорость 15-20 км/ч. Если бы эта скорость
не увеличивалась, постепенно появились бы
автомобили намного более легкие и
компактные при той же прочности и
комфортабельности. Однако каждое
усовершенствование в автомобиле -
использование более прочных материалов,
повышение КПД двигателя и т.д. - все это
направлялось на увеличение скорости
автомобиля и того, что "обслуживает"
эту скорость (мощная тормозная система,
прочный кузов, усиленная амортизация и т.д.).
Чтобы наглядно увидеть возрастание степени
идеальности автомобиля, надо сравнивать
современный автомобиль со старым рекордным
автомобилем, имеющим ту же скорость (на той
же дистанции).Видимый вторичный процесс -
рост скоростей, мощностей, тоннажа и т.д. -
маскирует первичный процесс увеличения
степени идеальности ТС.
Но при решении
изобретательских задач необходимо
ориентироваться именно на увеличение
степени идеальности - это надежный критерий
при корректировке задачи, ее решении и
оценке ответа.
2. Закон
неравномерности развития частей системы:
Развитие
частей системы идет неравномерно, причем,
чем сложнее система, тем неравномернее
развитие ее частей.
Неравномерность
развития частей системы является причиной
возникновения технических и физических
противоречий и, следовательно,
изобретательских задач. Предположим,
имеется рекордный катер: наилучший корпус в
сочетании с наилучшим современным
двигателем. Как увеличить скорость еще
километров на 100-200? Будем считать, что катер
уже имеет подводные крылья. Вопрос
относится к скорости, но, поскольку
существует закон сохранения энергии, ясно,
что скорость сама по себе не увеличится.
Нужно менять части катера: двигатель или
корпус (в принципе возможно и изменение
внешней среды). Можно ли изменить двигатель?
Качественно - нет, ибо по условиям задачи на
катере и так имеется самый лучший из
современных двигателей. Количественно -
можно.
Возьмем вместо одного
двигателя два, три, пять... Поскольку корпус
катера при движении выходит из воды,
основное сопротивление создается
воздушным потоком. Увеличить мощность
двигателя при тех же размерах корпуса -
значит увеличить скорость. Мы сделали
первый "ход" - мысленно увеличивали
одну часть ТС, не меняя других частей.
Подчеркиваем: весь смысл именно в том, чтобы
увеличить одну часть, не увеличивая других:
иначе не будет выигрыша. Но выиграв в
скорости мы проигрываем в других качествах
системы: перегруженный катер теряет
способность держаться на воде (до разгона).
Придется катеру стартовать с берега - на
буксире (как стартуют воднолыжники).
Неравномерность развития привела к
возникновению технического противоречия:
выигрыш в весе сопровождается проигрышем в
удобстве эксплуатации системы (разгон с
берега, буксир). Появилась изобретательская
задача. Очевидно, что вторым "ходом"
должно быть изменение корпуса. Здесь однако,
мы сразу наталкиваемся на физическое
противоречие: корпус надо менять (увеличивать),
чтобы катер не тонул (пока он стоит или
разгоняется и нельзя менять (увеличивать),
чтобы не увеличивать сопротивление (когда
катер разогнался).Противоречивые свойства
легко разделить во времени. По шагу 3.6 АРИЗ
или по таблице устранения ТП (вес - удобство
эксплуатации) имеем прием 35: изменить
агрегатное состояние корпуса: вместо
твердого корпуса - корпус жидкий или
газообразный. Проще всего часть корпуса
выполнить в виде надувных емкостей,
поддерживающих катер пока он не движется
или идет с малой скоростью. В этом примере
неравномерность частей системы
искусственно обострена: дан рекордный
катер - и все-таки надо еще скачком
увеличивать скорость на 100-200 км/ч. В
реальных условиях части ТС меняются более
короткими скачками. Противоречия нарастают
постепенно, не так заметно. Картина
осложняется еще и тем, что реальные ТС
включают много подсистем: противоречия
назревают внутри подсистем и лишь затем
прорываются, распространяясь на всю
систему.
3. Закон перехода в
надсистему:
Исчерпав
возможности развития, система включается в
надсистему в качестве одной из частей; при
этом дальнейшее развитие идет уже на уровне
надсистемы.
Пояснения и примеры к
этому закону изложены в материалах "О
прогнозировании развития ТС". "Развитие
системного мышления - главная задача АРИЗ"
(см. "ТПРИЗ" р.6.3) и в текстах стандартов
5 и 9.
В. "ДИНАМИКА"
ТЕХНИЧЕСКИХ СИСТЕМ
Динамика включает
законы, отражающие развитие современных
технических систем под действием
конкретных технических и физических
факторов. Законы "статики" и "кинематики"
универсальны - они справедливы во все
времена и не только применительно к ТС; но и
к любым системам вообще (биологическим,
социальным и т.д.). "Динамика" отражает
главные тенденции развития технических
систем именно в наше время.
1. Закон перехода с
макроуровня на микроуровень:
Развитие рабочих
органов системы идет сначала на
макроуровне, а затем - на микроуровне. В
большинстве современных технических
систем рабочими органами являются "железки",
например, винты самолета, колеса автомобиля,
резцы токарного станка, ковш экскаватора и
т.д. Возможно развитие таких рабочих
органов в пределах макроуровня: "железки"
остаются "железками", но становятся
более совершенными.
Например, стойка
светофора (макрообъект) выполнена из
сборных элементов (тоже макрообъекты). Или а.с.
265144 поток газа разделен на несколько
потоков. Однако, неизбежно наступает момент,
когда дальнейшее развитие на макроуровне
становится невозможным. Система - сохраняя
свою функцию - принципиально
перестраивается: ее рабочий орган начинает
действовать на микроуровне. Вместо "железок"
работа осуществляется молекулами, атомами,
ионами, электронами и т.д. Например по а.с.
152842 горелка термобура, ранее
присоединенная к корпусу жестко, соединена
теперь с помощью шарнира. Шарнир - "железка",
следовательно, ТС изменена в пределах
макроуровня. Но по а.с. 247159 отклонитель бура
изгибается не с помощью шарниров, а в
результате теплового удлинения. Это -
решение той же задачи, но на микроуровне:
меняются межатомные расстояния. Другие
примеры - см. текст стандарта 9.
Переход с макроуровня
на микроуровень - одна из главных (если не
самая главная) тенденция развития
современных ТС. Поэтому при обучении
решению изобретательских задач особое
внимание следует обратить на рассмотрение
приемов перехода макро-микро и физических
эффектов, реализующих этот переход.
2. Закон увеличения
степени вепольности:
Развитие
технических систем идет в направлении
увеличения степени вепольности.
Смысл этого закона
заключается в том, что: а) невепольные ТС
стремятся стать вепольными; б) в вепольных
системах развитие идет в направлении
перехода от механических полей к
электромагнитным; в) в вепольных системах
развитие идет в направлении увеличения
дисперсности веществ; г) в вепольных
системах развитие идет в направлении
увеличения числа связей между элементами; д)
в вепольных системах развитие идет в
направлении увеличения отзывчивости.
Многочисленные примеры к этому закону
приведены в материалах по вепольному
анализу.
* * *
Решая задачу методом проб и ошибок, человек
неожиданно обнаруживает решение. Мгновение
назад ответа не было - и вдруг он сразу
появился. Эта неожиданность отражена во
многих терминах: "озарение", "осенение",
"Ага!-переживание", "инсайт"...
Слова разные, а смысл одинаковый: решение
появилось внезапно, тьма мгновенно
заменяется светом. Действительно, при
работе методом проб и ошибок, смена тьмы
светом происходит в неуловимо короткий
промежуток времени. Для психолога,
изучающего изобретательское творчество на
уровне метода проб и ошибок, "озарение"
- одно из основополагающих явлений. Иное
дело, если психолог изучает
изобретательское творчество, ведущееся на
уровне АРИЗ. Здесь столь же
основополагающим явлением оказывается
отсутствие "озарений": тьма постепенно
сменяется светом.
Вот почти дословная
запись решения задачи об алмазах Г.
Фильковским: "Ну, эта задача на
обнаружение. Следовательно, нужно
применить стандарт 1: придется ввести какие-то
добавки в алмаз. Да, но добавки вводить
нельзя! Противоречие... Для этого есть
стандарт 10... Там указаны обходные пути.
Вводить добавки на время или в микродозах -
это не пойдет, нам никак нельзя вводить
добавки. Следующий обходной путь
использовать в качестве добавок что-то уже
находящееся в веществе. А что там находится?
Алмаз - кристалл. Есть там нарушения
кристаллической решетки? Должны быть.
Значит, их и надо использовать в качестве
отметин..."
Примерно так решал
задачу и Ю. Горин. Только концовка была
компактнее поскольку Ю. Горин, будучи
физиком, твердо знал, что в кристаллической
решетке есть нарушения. Просматривая
подобные записи и тексты лучших решений
учебных задач, видишь плавный переход от
тьмы к свету. Человек сознательно управляет
процессом решения, подключая знание тех или
иных закономерностей, приемов, методов и т.п.
Решая трудную задачу перебором вариантов,
изобретатель может годами оставаться в
темноте: что если из 50000 вариантов уже
рассмотрены 3000?! Иное дело при решении
задачи по АРИЗ. Каждая операция приближает
решение, проясняет тьму. Контуры решения
выступают постепенно (и, конечно намного
быстрее, чем при работе методом проб и
ошибок).
По традиции "озарение"
привыкли считать непременным свойством
творчества: есть "озарение" - есть
творчество, нет "озарения" – нет
творчества. Теперь - на новом уровне
организации творчества – вместо "озарения",
"осенения" психологическим атрибутом
творчества становится "прояснение" (постепенный
переход к свету).При этом - тут своеобразный
парадокс - решение частично видно еще до
постановки задачи. Не зная задачи, мы
заранее знаем законы - т.е. ответы в общей
форме. Процесс решения состоит в переходе
от общих законов к конкретному их
овеществлению в данном случае. В сущности
"прояснение" - это постепенный переход
от "полусвета" (что-то мы уже знаем и
видим заранее) к свету.
* * *
Рассмотрим
изобретательскую задачу, используя законы
развития ТС. В книге Гордона "Синектика"
приведен отрывок из записи решения задачи о
передаче вращения. Текст задачи приведен
также в статье В. Орлова "Фейерверк
открытий" ("Техника молодежи", 3, 1973,
стр.4). Ведущий вал имеет от 400 до 4000 об/мин.
Ведомый вал должен всегда иметь ровно 400 об/мин.
Как это осуществить? В записи, приведенной
Гордоном, использована эмпатия: один из
решавших задачу мысленно представляет что
он находится внутри "черного ящика" (искомого
устройства); руками он держится за ведущий
вал, ногами за ведомый; при этом усилия "эмпатирующего"
направлены на то, чтобы "в ногах"
всегда было 400 об/мин - как бы не
скручивались "руки". Ответ не приведен.
Используем следствие
из закона 1. Дана система из двух
неуправляемых частей: вал не меняется при
изменении числа оборотов. Следовательно,
для решения задачи необходимо а) либо
управлять одним из валов (т.е. менять вал в
процессе работы); б) либо ввести третью
часть, причем легко управляемую. Ведущий
вал можно рассматривать, как "двигатель",
ведомый - как "рабочий орган". Нарушены
законы "статики" 1 и 2: в системе нет "трансмиссии",
т.е. части, которая передавала бы энергию от
"двигателя" к "рабочему органу".
Нет также и "управляющей части".
Поэтому путь "б" предпочтительнее. При
"а" сохраняется неполная система, при
"б" система достраивается до полной.
"Трансмиссия" может быть газообразной,
жидкой, твердой. Газ плохо передает усилия:
если "черный ящик", в который введены
оба вала, заполнить газом, ведущий вал будет
вращаться, а ведомый просто останется
неподвижным. Твердое тело плохо меняет свои
свойства (т.е. плохо управляется): если
соединить оба вала стержнем, то число
оборотов ведомого вала будет равно числу
оборотов ведущего. Остается жидкость.
Заполним "черный ящик" жидкостью,
насадим на концы валов колеса с лопастями
("зубчатки"). Тогда при вращении
ведущего вала будет вращаться и жидкость
внутри "черного ящика". Вращающаяся
жидкость приведет во вращение ведомое
колесо. Передаточное число такой передачи
зависит от нагрузки на ведомый вал и от
вязкости жидкости. Нагрузку будем считать
постоянной, тогда управление системой
сводится к введению обратной связи "ведомый
вал - жидкость". При изменении числа
оборотов ведомого вала (ухода от заданных 400
об/мин) должна меняться вязкость жидкости в
"черном ящике".
Итак, мы построили
вепольную систему: два вещества (два вала)
соединены механическим (гидравлическим)
полем. Закон 2-а "динамики" соблюден.
Используем теперь закон 2-б: перейдем от
механического поля к электромагнитному.
Технически это легко осуществляется:
достаточно взять в качестве жидкости
состав, вязкость которого увеличивается в
электрическом или магнитном поле. При
увеличении числа оборотов ведомого вала
сверх заданных 400 об/мин, поле должно
соответственно уменьшаться - и наоборот.
Разумеется, это только схема, принцип
решения.
Можно пойти дальше. У
нас "трансмиссия" осталась
механической, она только управляется
электрическим полем. Перейдем к чисто
магнитной трансмиссии: вместо жидкости
используем магнитное поле, а вместо
изменения вязкости - включение и выключение
магнитных "зубьев". В этом случае оба
вала вводятся в "черный ящик"
параллельно друг другу и должны быть
снабжены одинаковыми зубчатыми цилиндрами,
причем зубья цилиндров не соприкасаются.
Если намагничены все зубья ведущего
цилиндра, то один оборот ведущего вала
соответствует одному обороту ведомого вала;
если включен каждый второй зуб ведущего
вала, то передаточное число соответственно
уменьшается вдвое, и т.д.
* * *
За пределами этого
краткого очерка, к сожалению, остались
многие более тонкие закономерности.
Имеется также немало принципов, статус
которых не вполне ясен: то ли это общие
законы, то ли просто частные принципы.
Работа по изучению законов развития ТС
будет продолжена. Но то, что мы имеем
сегодня, - это уже сильное оружие. И оно
должно быть освоено - это одна из главных
задач при обучении теории решения
изобретательских задач.
20.01.1977
г.[1] - Альтшуллер Г.С., Селюцкий А.Б. Крылья
для Икара: Как решать
изобретательские задачи. - Петрозаводск:
Карелия, 1980 г.
Высказаться
|
