Основы инженерного творчества(Суздальцев А.И

Кроме этого наиболее общего закона в ТРИЗе рассматриваются и другие законы развития технических систем, которые Альтшуллер распределил по трѐм группам: статика (закон полноты частей системы, закон энергетической проводимости, закон согласования ритмики частей системы); кинематика (закон увеличения степени идеальности, закон неравномерности развития частей системы, закон перехода в надсистему); динамика (закон перехода с макроуровня на микроуровень, закон увеличения степени вепольности). Законы первой группы определяют начало жизни технических систем, законы кинематики определяют развитие технических систем независимо от конкретных технических и физических факторов, обуславливающих это развитие, а законы третьей группы отражают развитие технических систем под действием конкретных технических и физических факторов.

3.1.3. Закон полноты частей системы

Необходимым условием принципиальной жизнеспособности технической системы является наличие и минимальная работоспособность основных частей системы.

Основной акцент здесь состоит в том, что каждая из составных частей системы должна быть не просто работоспособна сама по себе, но должна сохранять свою работоспособность в составе данной системы.

Например, дизельные двигатели, широко применяемые для надводных судов и вполне работоспособные как сами по себе, так и будучи применѐнными на надводных судах, непригодны для применения в подводных лодках при плавании в подводном режиме. Действительно, во-первых, при работе они должны потреблять кислород, необходимый для сгорания топлива, а во-вторых, выбрасывать выхлопные газы, являющиеся продуктом сгорания топлива. И то, и другое в режиме подводного плавания недопустимо. Именно поэтому на подводных лодках устанавливаются электромоторы. А электроэнергия для них вырабатывается либо атомной силовой установкой (на атомных подводных лодках), либо запасается в аккумуляторах во время плавания в надводном режиме, когда можно использовать дизельную силовую установку.

Из этого закона вытекает и весьма важное следствие.

110

Чтобы техническая система была управляемой, необходимо, чтобы хотя бы одна еѐ часть была управляемой.

Знание этого следствия позволяет лучше понимать суть многих изобретательских задач и правильнее оценивать полученные решения. Рассмотрим в качестве примера следующую задачу [2].

Задача 7. Многие жидкие лекарства запаиваются в стеклянные ампулы. Поскольку это массовое производство, то процесс запайки ампул должен быть автоматизирован. Но оказалось, что его очень трудно отрегулировать таким образом, чтобы все ампулы оказались надѐжно запаянными, а лекарство ни в одной из них не испортилось от перегрева. Применяемые для запайки ампул газовые горелки плохо регулируются, так как объѐм, форма и температура факела горелки зависят от множества факторов (давления в газовой магистрали, степени засоренности форсунки, вариаций химического состава газа и др.). Как быть?

Вепольная модель этой задачи состоит из вещества B1 (ампулы с лекарством) и теплового поля горелки Пт , т. е. представляет собой неполный веполь. Ампулы вообще не управляемы, а тепловое поле горелки, как следует из условий задачи, плохо управляется. В таких случаях вепольный анализ предлагает применять правило достройки веполя. Для достройки веполя необходимо ввести ещѐ одно вещество В2, взаимодействующее с веществом B1 и легко управляемое. А физическое противоречие можно сформулировать следующим образом: ампулы B1 должны быть нагреты так, чтобы оказались надежно запаянными, и не должны быть нагреты, чтобы не испортилось лекарство в них. Здесь напрашивается применение приѐма разрешения физического противоречия в пространстве. Действительно, нагреваться должна не вся ампула, а лишь еѐ кончик – открытый капилляр, через который в неѐ и заливается лекарство, а сама ампула должна оставаться холодной. Разрегулировкой факела пламени горелки этого добиться не удаѐтся, значит, вновь вводимое вещество В2 и должно отсекать факел от остальной части ампулы. Принципиальное решение найдено. Теперь остаѐтся преобразовать его в техническое решение.

Если использовать жѐсткий экран с узким отверстием (или прорезью) для капилляра ампулы, то неминуемо возникнут две проблемы: во-первых, обеспечение точного относительного позиционирования ампул и экрана, чтобы капилляр ампулы попадал точно в отверстие (или прорезь) в экране (если сделать отверстие слишком широким для облегчения попадания в него капилляра, то пламя будет проникать в образовавшийся зазор и нагревать ампулу); во-вторых, нахо-

111

дясь в пламени горелки, сам экран вскоре нагреется и будет нагревать ампулы. Такое решение явно неэффективно.

Какое же вещество не пустит огонь туда, куда он не должен пройти, и при этом не будет мешать прохождению ампул под горелкой? Газ (воздух) уже был в исходной задаче, применение твѐрдого вещества (экрана) неэффективно. Остаѐтся жидкость – вода. Если ампулы будут погружены в воду так, чтобы над еѐ поверхностью поднимались только кончики капилляров, то сами ампулы нагреваться не будут, а интенсивность факела можно отрегулировать с запасом, чтобы при всех возможных флуктуациях пламени происходила надѐжная запайка ампул. А чтобы вода со временем не нагревалась, еѐ надо сделать проточной. Вот и найдено эффективное решение. Регулировать уровень воды очень легко (высотой той стенки резервуара, через которую она должна переливаться). Таким образом, введя дoпoлнительно легко управляемое вещество В2 (воду), мы и получили решение задачи (а. с. СССР № 264619).

3.1.4. Закон «энергетической проводимости» системы

Необходимым условием принципиальной жизнеспособности технической системы является сквозной проход энергии (с возможным преобразованием из одной формы в другую) по всем частям системы.

В любых технических системах происходят энергетические процессы, даже если они играют вспомогательную роль. Если сама техническая система предназначена для преобразования энергии из одного вида в другой (автомобиль, электростанция, печь, разнообразные механизмы, преобразующие один вид движения в другой), то энергетические процессы в ней являются основными функциональными процессами. Если система предназначена для преобразования (обработки) вещества (химический реактор, металлообрабатывающий станок, стиральная машина, электроутюг), то энергетические процессы в них играют хотя и побочную, но весьма важную роль. Неслучайно одним из важнейших технических показателей тех и других систем является коэффициент полезного действия, определяющий энергетическую экономичность этих систем. Но сейчас на ведущее место выходят информационные системы, в которых энергетические процессы не просто являются побочными следствиями информационных процессов, но зачастую являются главным вредным фактором. Однако именно поэтому данный закон должен выполняться и для та-

112

ких систем. Если какая-либо часть системы не обладает сквозной энергетической проводимостью, то поступающая в неѐ энергия (будь то основным процессом или побочным) будет накапливаться (чаще всего в виде тепла) и рано или поздно выведет эту часть системы из строя.

Из этого закона тоже можно вывести полезное следствие.

Чтобы часть технической системы была управляемой, необходимо обеспечить энергетическую проводимость между этой частью системы и органами управления.

В информационных системах следует говорить об информационной проводимости, но поскольку все информационные процессы той или иной мере сопровождаются энергетическими, то эти два вида проводимости оказываются тесно взаимосвязанными.

3.1.5. Закон согласования ритмики частей системы

Необходимым условием принципиальной жизнеспособности технической системы является согласование ритмики всех частей системы.

В работе любых систем проявляются какие-то ритмы. В механических системах они задаются частотой вращения двигателя, в информационных системах – частотой специальных синхронизирующих импульсов, в радиосвязи и радиолокации – частотой несущего электромагнитного сигнала. Чем сложнее система, тем богаче еѐ ритмика, поскольку каждая часть системы или еѐ функциональная подсистема могут характеризоваться своими ритмами. Это характерно не только для технических, но и для природных и биологических систем.

Если взять такую сложную систему, как человек, то его мозг (центральная нервная система) имеет свою ритмику, обусловленную длительностью нервных импульсов и скоростью их прохождения по нервным волокнам; ритмикой кровеносной системы управляет сердце, а от неѐ зависит и дыхательный ритм; пищеварительные органы имеют свою ритмику, а весь организм подчиняется суточному и годовому ритмам, диктуемым внешними условиями. Если эти ритмы не будут согласовываться между собой, то организм будет нежизнеспособен. Для живых организмов это очевидно. Для технических систем это менее очевидно. Некоторые простые технические системы могут существовать и без согласования ритмов работы отдельных частей.

113

Но такие системы обязательно будут неэффективными (характеризоваться низкими КПД, производительностью и надѐжностью). Согласование ритмики отдельных частей отнюдь не означает жѐсткую взаимную зависимость ритмов работы отдельных еѐ частей. Например, если выходной вал двигателя автомобиля жѐстко связать с ведущими колесами (без коробки передач или вариатора), то на хорошей дороге такой автомобиль при большом расходе топлива не сможет развить высокую скорость, а на плохой дороге или на подъѐме будет глохнуть. Таким образом, закон согласования ритмики должен учитывать не только внутренние взаимосвязи между частями системы, но и влияния на систему внешних факторов.

3.1.6. Закон увеличения степени идеальности системы

Если проследить развитие определѐнного класса технических си-

стем на протяжении жизни не одного поколения, а многих, сме-

няющих друг друга поколений технических систем примерно одного

назначения, другими словами, проследить историю развития какой-

либо узкой области научно-технического прогресса, то окажется, что

для каждой такой области можно выделить главное направление

paзвития систем данного назначения. Такое направление называют

главной магистралью развития данных систем. Каждое конкретное

новое техническое решение может в различной степени соответство-

вать этой главной магистрали развития. Некоторые из них могут во-

обще уводить в сторону от главной магистрали развития. Такие ре-

шения являются тупиковыми. Однако выявить их далеко не просто.

Очень часто, если история развития данных систем прослежена

достаточно глубоко и широко, то направление главной магистрали

развития может быть определено неверно, поскольку оно часто мас-

кируется другими направлениями, которые в какой-то исторический

период или в какой-то стране или узкой отрасли техники выходят на

114

первый план. Например, после Второй мировой войны на протяжении достаточно длительного времени (не менее 25 лет) в безусловно ли-

дирующей в те годы в области автомобилестроения стране в Соеди-

ненных Штатах Америки – легковое автомобилестроение развивалось в основном по пути увеличения вместимости и скорости легковых ав-

томобилей. Это требовало установки на них всѐ более мощных (а

значит, и более тяжѐлых и габаритных) двигателей. Большие скоро-

сти, в свою очередь, диктовали увеличение прочности кузова, под-

вески, узлов трансмиссии, мощности тормозной системы, что увели-

чивало общую массу автомобиля и требовало дальнейшего прираще-

ния мощности двигателя. Дешѐвый бензин, хорошие дороги и высо-

кий уровень жизни населения долгое время позволяли это делать. И

для американских автомобилестроителей непрерывное наращивание скорости и мощности двигателей легковых автомобилей считалось главной магистралью развития легковых автомобилей.

Но, как показала история развития легковых автомобилей в дру-

гих странах, да и в самих Соединенных Штатах в более поздний пе-

риод, это направление оказалось тупиковым. По мере увеличения парка легковых автомобилей громоздкие неповоротливые автомоби-

ли заполонили все улицы городов, непрерывно возникали многочасо-

вые пробки, средняя скорость движения автомобиля в крупном горо-

де снизилась почти до скорости пешехода, от автомобильных выхло-

пов нечем было дышать, все крупные города Америки погрузились в тяжелый смог, бензин непрерывно дорожал. И только тогда амери-

канцы признали ошибочность своего направления и последовали за европейскими и японскими автомобилестроителями, которые прак-

115

тически с самого начала массовой автомобилизации основным

направлением развития считали экономичность, экологичность и

практическое удобство автомобиля. Лишь в спортивных автомобилях

скорость выступала на первый план.

Как же всѐ-таки определить главную магистраль развития и не спутать еѐ с другими временными или тупиковыми направлениями?

Первый рецепт – увеличение глубины и широты охвата истории развития данной узкой области техники, как мы видели, может давать сбои. Более надѐжным критерием является степень приближения к идеальности системы. Для этого необходимо ввести гипотетическое понятие идеальной технической системы.

Идеальная техническая система – это такая гипотетическая система, масса, объѐм и энергопотребление которой стремятся к нулю, а производительность и быстродействие – к бесконечности при сохранении всех выполняемых функций.

Образно говоря, это тот случай, когда сама система практически отсутствует, но все еѐ функции выполняются. Конечно, реально такие системы неосуществимы. Для наглядности можно привести пример такой идеальной системы, взятый из фантастического романа известного советского писателя Александра Беляева «Ариэль». Герой произведения Ариэль мог усилием воли заставлять все молекулы своего тела двигаться не беспорядочно (как движутся все молекулы при температуре, отличающейся от абсолютного нуля), а в одном заданном направлении, благодаря чему он мог летать без каких-либо летательных аппаратов и без дополнительных затрат энергии в любом желаемом направлении. Здесь идеальная система представлена в чистом виде: никакой материальной летательной системы нет, а функции еѐ выполняются, причѐм без дополнительных затрат энергии (затраты энергии на поддержание жизни живого организма конечно необходимы, но дополнительных затрат энергии, связанных с осуществлением полѐта, не производится). Конечно, в чистом виде идеальные технические системы возможны только в фантастике. Но, отталкиваясь от понятия идеальной системы, можно сформулировать те свойства или требования, которые приближают реальную систему к идеальной. Эти требования таковы:

116

1.В идеальной технической системе (ИТС) размеры самой системы приближаются к размерам того объекта, на который направлено действие этой системы, а масса самой системы приближается к нулю (во всяком случае, должна составлять малую долю от массы того объекта, на который направлено действие системы). В транспортной системе, например, еѐ размеры должны приближаться к размерам перевозимого груза, а еѐ масса составлять малую долю от массы перевозимого груза. Вот почему стремятся увеличивать грузоподъѐмность грузовых автомобилей и водоизмещение танкеров. Чем они больше, тем лучше выполняется данное требование. С этих же позиций размеры станков, предназначенных для обработки каких-либо изделий, должны приближаться к размерам этих изделий (что сейчас очень далеко от реализации).

2.В ИТС коэффициент полезного действия (КПД) приближается

кединице, а расход энергии к нулю. Естественно, что в энергетических системах (предназначенных для преобразования одного вида энергии в другой или одного вида движения в другой) речь должна идти о КПД, а в системах, предназначенных для обработки и преобразования вещества или информации, – о минимизации расхода энергии.

3.В ИТС время цикла действия, для которого она предназначена, должно приближаться к нулю. Здесь речь идѐт о быстродействии и производительности системы, которые необходимо максимизировать.

4.В ИТС все еѐ части и элементы непрерывно выполняют полезную работу в полную меру своих расчѐтных возможностей (отсутствуют простои отдельных частей и элементов системы, холостые и возвратные ходы и т.п.).

5.ИТС должна функционировать без остановок, ремонтов и профилактического обслуживания бесконечно долго (во всяком случае до своего полного морального старения, которое в данном случае будет определяться только тем, что функции, выполняемые данной системой, будут уже не нужны). В этом пункте речь идѐт о надѐжности системы. Система должна быть настолько надѐжной, чтобы не требовать ухода и ремонта за весь расчѐтный период еѐ эксплуатации.

117

6.ИТС функционирует сама (без человека или при его минимальном участии). Здесь речь идет о степени автоматизации системы. Она должна быть по возможности высокой.

7.ИТС не должна оказывать отрицательного воздействия на окружающую среду, в том числе и на человека. Здесь речь идѐт об экологичности и безопасности технической системы. Она должна быть полностью безопасна для людей и наносить минимальный вред окружающей среде.

Легко заметить, что требования к ИТС разнообразные и весьма жѐсткие. Для систем различного назначения на первый план могут выступать различные из перечисленных требований. Расставить приоритеты здесь помогает определение главной магистрали развития, и

вто же время сами эти требования помогают чѐтче определить эту главную магистраль развития. Несмотря на возможные зигзаги в истории развития той или иной технической системы, которые могут быть вызваны конкретными историко-экономическими причинами, любая техническая система в глобальном аспекте развивается в сторону повышения степени идеальности, и знание критериев идеальности, перечисленных в этих семи пунктах, очень помогает не только выявить главную магистраль развития конкретных технических систем, но и при анализе возможных технических решений отделять сильные (эффективные) решения от слабых. В связи с этим в ТРИЗ введено родственное понятие – идеальный конечный результат (ИКР) искомого решения изобретательской задачи. Главным требованием к ИКР является требование выполнения заданной функции без дополнительных затрат материальных (дополнительное техническое устройство), энергетических (для приведения этого устройства в действие) и других ресурсов, т.е. полученное техническое решение должно обеспечивать автоматическое выполнение заданной функции без дополнительных затрат ресурсов (само обеспечивать выполнение функции, не требуя ни дополнительного управления, ни дополнительных устройств, ни дополнительной энергии). Все остальные требования к ИКР полностью совпадают с соответствующими требованиями к ИТС.

3.1.7.Закон неравномерности развития частей системы

118

Развитие частей системы происходит неравномерно, причѐм чем сложнее система, тем неравномерно идѐт развитие еѐ частей.

Этот закон не вызывается внутренними движущими силами развития технических систем, а констатирует те объективные особенности развития технических систем, которые складываются исторически.

Неравномерность развития отдельных частей системы приводит к возникновению многих технических противоречий, порождающих изобретательские задачи, поэтому еѐ необходимо учитывать при анализе изобретательских задач. Например, рост тоннажа грузовых судов, повлекший за собой и соответствующий рост мощности судовых двигателей для обеспечения экономически выгодной скорости их передвижения, к сожалению, не сопровождался необходимым развитием системы торможения судов. Это привело к тому, что тормозной путь многотоннажных судов сейчас составляет несколько километров, что является основной причиной участившихся в настоящее время столкновений судов, особенно частых в тесных акваториях портов. Эта проблема до сих пор не решена. И в каждой достаточно сложной технической системе можно найти части, развитие которых отстаѐт от развития других еѐ частей. С этим надо считаться, а при создании новой системы стремиться к гармоничному развитию всех еѐ частей.

3.1.8. Закон перехода в надсистему

Исчерпав возможности развития, система включается в надсистему в качестве одной из частей, при этом дальнейшее развитие идѐт на уровне надсистемы. Об этом уже речь шла в п. 2.3. и в начале данного раздела.

3.1.9.Закон перехода с макроуровня на микроуровень

Этот закон является одним из наиболее эффективных путей приближения к идеальной системе. Не случайно главной магистралью развития электронных систем является микроминиатюризация. Уже сейчас технология микроэлектроники достигла субмикронного уровня. Широким фронтом ведутся исследовательские работы в области молекулярной электроники и нанотехнологии, которые позволят ещѐ на несколько порядков уменьшить размеры и энергопотребление электронных компонентов, что позволит и дальше увеличивать сте-

119