Курсовая работа: Основные законы развития технических систем. Автомобильное колесо из жёсткого деревянного диска с металлическим ободом стало подвижным, мягким и эластичным

Из книги "Творчество как точная наука", Г.С. Альтшуллер, М. "Советское радио", 1977 г, стр. 122-127.

Законы развития технических систем можно разделить на группы: "статику", "кинематику" и "динамику".

"Статика" — законы, которые определяют начало жизни технических систем. Любая техническая система, возникающая в результате синтеза в единое целое отдельных частей, дает жизнеспособную систему. Существуют, по крайней мере, три закона, выполнение которых необходимо для того, чтобы система оказалась жизнеспособной.

Каждая техническая система должна включать четыре основные части: двигатель, трансмиссию, рабочий орган и орган управления. Смысл закона заключается в том, что для синтеза технической системы необходимо наличие этих четырех частей и их минимальная пригодность к выполнению функций системы, ибо сама по себе работоспособная часть системы может оказаться неработоспособной в составе той или иной технической системы. Например, двигатель внутреннего сгорания, сам по себе работоспособный, оказывается неработоспособным, если его использовать в качестве подводного двигателя подводной лодки.

Закон можно пояснить так: техническая система 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 "двойкой", система нежизнеспособна даже при наличии "пятерок" у других частей. Аналогичный закон применительно к биологическим системам был сформулирован Либихом еще в середине 19-ого века ("закон минимума").

Из закона вытекает очень важное следствие.

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, шестерни, 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, наиболее эффективного в заданных условиях.

Важное значение имеет следствие из закона.

Хорошо работают, а значит, и жизнеспособны только системы, в которых вид колебаний подобран так, что части системы не мешают друг другу и наилучшим способом выполняют полезную функцию.

* * *

К "кинематике" относятся законы, определяющие развитие технических систем независимо от конкретных технических и физических факторов, обусловливающих это развитие.

Идеальная техническая система — это система, вес, объем и площадь которой стремятся к нулю, хотя ее способность выполнять работу при этом не уменьшается. Иначе говоря, идеальная система — это когда системы нет, а функция ее сохраняется и выполняется.

Несмотря на очевидность понятия "идеальная техническая система", существует определенный парадокс: реальные системы становятся все более крупноразмерными и тяжелыми. Увеличиваются размеры и вес самолетов, танкеров, автомобилей и т.д. Парадокс этот объясняется тем, что высвобожденные при совершенствовании системы 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 с той же прочностью и комфортабельностью. Однако каждое усовершенствование в автомобиле (использование более прочных материалов, повышение КПД двигателя и т.д.) направлялось на увеличение скорости автомобиля и того, что "обслуживает" эту скорость (мощная тормозная система, прочный кузов, усиленная амортизация). Чтобы наглядно увидеть возрастание степени идеальности автомобиля, надо сравнить современный автомобиль со старым рекордным автомобилем, имевшим ту же скорость (на той же дистанции).

Видимый вторичный процесс (рост скорости, мощностей, тоннажа и т.д.) маскирует первичный процесс увеличения степени идеальности технической системы. Но при решении изобретательских задач необходимо ориентироваться именно на увеличение степени идеальности — это надежный критерий для корректировки задачи и оценки полученного ответа.

Неравномерность развития частей системы является причиной возникновения технических и физических противоречий и, следовательно, изобретательских задач. Например, когда начался быстрый рост тоннажа грузовых судов, мощность двигателей быстро увеличилась, а средства торможения остались без изменения. В результате возникла задача: как затормозить, скажем, танкер водоизмещением 200 тыс. тонн. Задача эта до сих пор не имеет эффективного решения: от начала торможения до полной остановки крупные корабли успевают пройти несколько миль…

Один из путей такого перехода: технические системы объединяются с образованием би- полисистемы. Объединение систем в надсистему (НС) "выгодно" для технической системы:

• часть функций передается в надсистему (например, ремонт телевизоров в одной мастерской);
• часть подсистем выводятся из технической системы, объединившись в одну становятся частью надсистемы (коллективная антенна вместо десятков индивидуальных);
• у объединенных в надсистеме технических систем появляются новые функции и свойства…

"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 техническим системам, но и к любым системам вообще (биологическим и т.д.). "Динамика" отражает главные тенденции развития технических систем именно в наше время.

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. Однако неизбежно наступает момент, когда дальнейшее развитие на макроуровне оказывается невозможным.

Переход с макро- на микроуровень — одна из главных (если не самая главная) тенденций развития современных технических систем.

Смысл этого закона заключается в том, что невепольные системы стремятся стать вепольными, а в вепольных системах развитие идет в направлении перехода от механических полей к электромагнитным; увеличение степени дисперсности веществ, числа связей между элементами и отзывчивости системы.

GEN3 Partners

Февраль 2003

1. ВВЕДЕНИЕ

1.1 ЦЕЛЬ РАБОТЫ

1.2 АКТУАЛЬНОСТЬ

2. ОБЩАЯ СТРУКТУРА ЗРТС

2.1 ПОНЯТИЕ ЗРТС

2.2 ПОНЯТИЕ МЕХАНИЗМА ЗРТС

2.4 СТРУКТУРА ЗРТС

3. TREND OF S-CURVE EVOLUTION

3.2.1 Первый этап

3.2.2 Переходный этап

3.2.3 Второй этап

3.2.4 Третий этап

3.2.5 Четвертый этап

3.3 СВЯЗЬ С ЗАКОНОМ НЕРАВНОМЕРНОСТИ РАЗВИТИЯ ЧАСТЕЙ ТС

3.3.1 Характеристика связи между двумя законами

3.4 ПРИМЕНЕНИЕ S-CURVE ANALYSIS ДЛЯ ОСОБЫХ ТИПОВ ПРОЕКТОВ

3.4.1 Применение S-curve analysis для прогнозных проектов

3.4.2 Применение S-curve analysis для Feasibility Study

4. ЗАКЛЮЧЕНИЕ

5. ЭВОЛЮЦИОННЫЙ АНАЛИЗ

5.1 ХАРАКТЕРИСТИКА ЗАКОНОВ РАЗВИТИЯ ТЕХНИЧЕСКИХ СИСТЕМ

5.1.1 Закон повышения идеальности

5.1.2 Закон повышения свернутости

5.1.3 Закон перехода в надсистему

5.1.4 Закон повышения эффективности использования потоков вещества, энергии и информации

5.1.5 Закон повышения согласованности

5.1.6 Закон повышения управляемости

5.1.7 Закон повышения динамичности ТС

5.1.8 Закон повышения полноты ТС

5.1.9 Закон вытеснения человека из ТС

5.2 ПОРЯДОК ПРИМЕНЕНИЯ ЗРТС

6. ЗАКЛЮЧЕНИЕ И ВЫВОДЫ

1. ВВЕДЕНИЕ

1.1 ЦЕЛЬ РАБОТЫ

1.2 АКТУАЛЬНОСТЬ

Создателем и разработчиком базового списка ЗРТС является Генрих Альтшуллер (Альтшуллер Г.С. Творчество как точная наука. - М.: «Советское радио», 1979). В дальнейшем развитии и углублении ЗРТС в той или иной степени принимало участие большое количество специалистов по ТРИЗ, поэтому оценить вклад каждого и даже упомянуть всех не представляется возможным. Однако наибольшую роль в разработке именно данной версии, как нам кажется, сыграли Б.Злотин, А.Зусман и В.Герасимов. Очень полезными оказались обсуждения с И.Петием. Отдельно следует отметить вклад И.Гриднева - именно он предложил перейти от Закона минимальной энергопроводимости к Закону повышения проводимости, который в итоге превратился в Закон повышения эффективности использования потоков.

В настоящее время благодаря усилиям многих разработчиков ЗРТС превратились в высокоэффективный инструмент анализа. Однако не существует единого общепризнанного документа, детально описывающего все Законы и методику их применения, как они видятся на сегодняшний день. Это приводит к разночтениям как в понимании самих Законов, так и их роли и месте в общем процессе анализа. Эти разночтения, усугубляемые отсутствием зафиксированной пошаговой методики применения, снижают эффективность использования Законов в проектах. Поэтому разработка подобного документа, содержащего развернутые характеристики ЗРТС и иллюстрированную примерами методику их применения, является весьма актуальной задачей.

2. ОБЩАЯ СТРУКТУРА ЗРТС

2.1 ПОНЯТИЕ ЗРТС

Законы развития технических систем - это комплексы статистически достоверных линий развития, описывающих закономерный последовательный переход систем из одного конкретного состояния в другое и справедливых для всех технических систем или их больших классов.

ЗРТС носят статистический характер, т.е. не обязательны к выполнению. Они являются внешним проявлением своего рода естественного отбора, который идет в мире техники. Действительно, технические системы конкурируют между собой за области применения, как биологические системы - за экологические ниши (есть и другие виды конкуренции - например, военные системы вступают между собой во взаимодействие типа "хищник - жертва").

В конкурентной борьбе побеждают те системы, которые лучше других удовлетворяют требованиям общества. Эти требования, в общем, сводятся к одному: работать как можно лучше, а потреблять ресурсов и производить нежелательных отходов как можно меньше (более подробно об этом будет сказано при описании Закона повышения идеальности). Поскольку самые различные ТС сталкиваются примерно с одними и теми же проблемами, то и методы их решения, в общем, стереотипны. Так вот, ЗРТС как раз и являются хорошо систематизированным списком таких типовых "выигрышных" ходов, благодаря которым системы-победительницы завоевывают и удерживают первенство. Поэтому, хотя следовать этим законам и не обязательно, но очень и очень желательно (если, конечно, не ставить перед собой задачу обеспечить преимущество системам-конкурентам).

Комментарий 1.

Критерий "переход из одного конкретного состояния в другое" требует некоторого пояснения. Представим себе гипотетическую линию развития, описывающую закономерный последовательный переход от "несовершенных" систем ко все более "совершенным". Чем не закон? Все критерии вроде соблюдены - закономерность статистически достоверна и абсолютно универсальна. Наоткрывать подобных "законов" можно сколько угодно - этим в свое время прославился профессор Половинкин. Ему, например, принадлежит честь открытия следующего закона: "идей всегда больше, чем систем".

Проблема с подобными "законами" состоит в том, что они не описывают никаких конкретных переходов. Для сравнения возьмем одну из линий Закона повышения динамичности: переход от монолитной системы к одношарнирной, затем многошарной и гибкой. Что может быть конкретней! Из-за отсутствия конкретности многочисленные псевдо-законы совершенно бесполезны, их невозможно применить на практике. Для отсева подобных "законов" и введен критерий конкретности. Разумеется, само понятие конкретности достаточно размыто - это вопрос соглашения. Он может быть решен только практически: следует выяснить, насколько успешно рекомендуемые законом переходы могут быть применены для совершенствования техники, т.е. степень конкретности описываемых переходов определяется их эвристической силой (и наоборот).

Комментарий 2.

С одной стороны, от ЗРТС требуется всеобщность, т.е. они должны быть справедливыми для всех ТС. Действительно, если и существуют закономерности развития каких-то очень узких классов ТС, например, электроутюгов, то они мало кому интересны (разве что специалистам исключительно по электроутюгам), т.к. не могут быть использованы за пределами своего класса. С другой стороны, имеет смысл принимать во внимание и такие линии развития, которые справедливы хотя и не для всех без исключения ТС, но для некоторых обширных и часто встречающихся их классов - из чисто практических соображений, просто потому, что такие ТС встречаются достаточно часто. Например, Закон оптимизации потоков справедлив только для систем, в которых потоки веществ, полей и информации присутствуют и играют существенную роль. Да, существуют системы, в котрых потоков нет совсем или их роль пренебрежимо мала (к ним, например, относятся так называемые статические системы - стол, вешалка для одежды, всякого рода корпуса и прочие "держалки"), а потому Закон оптимизации потоков к ним практически неприменим. Но и систем с потоками так много, что игнорировать этот Закон смысла не имеет.

Естественной границы между "узким" и "широким" классом систем не существует - это опять-таки вопрос договоренности. Соответственно, по этому параметру нельзя однозначно судить, относится ли свежевыявленная закономерность к ЗРТС или нет. Например, электронные схемы наверняка имеют свои специфические комплесы линий развития. Являются ли они достаточно широким классом систем, чтобы включать эти комплексы в ЗРТС, или нет? Ответ чисто практический - если в обозримом будущем мы собираемся регулярно и интенсивно заниматься электронными схемами, наверное, в этом есть смысл.

По крайней мере, в данной работе рассматриваются только Законы, имеющие ОЧЕНЬ широкую область применения.

2.2 ПОНЯТИЕ МЕХАНИЗМА ЗРТС

Механизм ЗРТС - это конкретная линия развития, реализующая данный закон. Законы и их основные механизмы будут подробно описаны в дальнейшем, поэтому здесь примеры не приводятся.

Следует отметить, что сами законы могут являться механизмами других законов. Таким образом, все законы вместе образуют иерархическую систему (см. Рисунок 1).

2.3 ПОНЯТИЕ АНАЛИТИЧЕСКОГО ИНСТРУМЕНТА (МЕТОДИКИ ПРИМЕНЕНИЯ ЗРТС)

Аналитический инструмент - это алгоритмизированная методика применения закона, выделенная в самостоятельный шаг анализа. На Рисунок 1 эти методики указаны в скобках рядом с названиями соответствующих законов.

Следует отметить, что аналитические инструменты обычно не исчерпывают полностью свои законы. Например, Feature Transfer - это алгоритм выполнения только одного перехода из целого их комплекса, составляющего Закон перехода в надсистему.

2.4 СТРУКТУРА ЗРТС

Структура ЗРТС представлена на Рисунке 1:

Рисунок 1 Структура ЗРТС

2.5 ПОНЯТИЕ ЭВОЛЮЦИОННОГО АНАЛИЗА

Эволюционный анализ, наряду со свертыванием, Feature Transfer и ф-поиском является аналитически-синтетическим инструментом, поскольку в его рамках анализ имеющейся ТС выполняется с целью поиска направлений ее совершенствования. Т.к. за совершенствование объекта следует браться не раньше, чем будут выявлены его ключевые недостатки, вся эта группа методов вынесена на завершающий отрезок аналитического этапа, расположенный после анализа причинно-следственных цепочек и формирования списка ключевых недостатков (см. Рисунок 2).

Эволюционный анализ выполняется по алгоритмизированной методике и в общем случае включает в себя последовательное рассмотрение всех законов. При этом законы, имеющие собственные аналитические инструменты, применяются в той части, которая не покрывается этими инструментами. В ряде случаев можно заведомо не рассматривать некоторые законы или их отдельные линии. Это относится, например, к Закону оптимизации потоков - как уже говорилось, если в анализируемой ТС потоки веществ, полей и информации отсутствуют или играют пренебрежимо малую роль, этот Закон применять не имеет особого смысла. Или, например, если в проекте имеется строгий запрет на смену механического принципа действия, может оказаться разумным исключение из анализа линии, направленной на динамизацию частей объекта на микроуровне.

Совсем не обязательно, что каждый переход по каждой линии каждого закона даст в результате перспективную идею. Поэтому в итоговый вариант отчета следует включать только те шаги, линии и законы, анализ которых принес значимый результат.

2.6 ЦЕЛИ ЭВОЛЮЦИОННОГО АНАЛИЗА

Эволюционный анализ выполняется с целью:

Сформулировать задачи реализации переходов по конкретным линиям развития.

Рисунок 2 Структура анализа

3. TREND OF S-CURVE EVOLUTION

3.1 ФОРМУЛИРОВКА ЗАКОНА; ОБЩАЯ ХАРАКТЕРИСТИКА

Формулировка закона:

Закономерность развития технических систем, заключающаяся в том, что в процессе развития изменение главных параметров ТС происходит таким образом, что графики временной зависимости этих параметров имеют S-образный вид (Рисунок 3).

Рисунок 3 Trend of S-curve evolution

Имеет смысл сразу указать на одну из типовых ошибок: при попытке локализовать ТС на S-кривой не указывают главные параметры, по которым ведется оценка.

Как видно из Рисунка 1, данный закон расположен на вершине иерархической пирамиды ЗРТС. Раньше считалось, что там должен располагаться Закон повышения идеальности. Но потом выяснилось, что Закон повышения идеальности является "движущей силой", которая вынуждает системы развиваться, а S-curve закон является внешним проявлением этого развития.

Вообще, S-curve закон стоит несколько особняком от других законов. Дело в том, что, в отличие от них, он совершенно не отражает существа происходящих в системах изменений - он лишь демонстрирует их результат, выраженный в изменении главных показателей. Поэтому этот закон не рассматривается в рамках эволюционного анализа, а используется в процедуре Benchmarking"a.

3.2 ХАРАКТЕРИСТИКА, ПРИЧИНЫ И ПРИЗНАКИ ЭТАПОВ РАЗВИТИЯ ТС. ТИПОВЫЕ ВЫВОДЫ.

3.2.1 Первый этап

3.2.1.1.1.1 Характеристика первого этапа

Первый этап развития ТС начинается с момента ее создания и характеризуется очень медленным ростом главных показателей (иногда рост может и вообще прекратиться на какое-то время). Длительность первого этапа может быть самой различной. Например, известно, что противотанковое ружье было создано невероятно быстро - от момента выдачи ТЗ до запуска в серийное производство прошло всего несколько месяцев (Рисунок 4). С другой стороны, топливный элемент (fuel cell) был изобретен еще в 19 веке, а на стадию коммерческого использования вышел только в конце 20-го (Рисунок 5), т.е. "детство" этой ТС длилось почти 100 лет!

Рисунок 4 Противотанковое ружье

Рисунок 5 Топливный элемент

На этом этапе происходит уточнение состава системы, отработка конструкции системы и ее элементов, а также отладка их взаимодействия между собой и с надсистемой.

Пример - разработка новой коробки для пиццы.

Свежую пиццу (Рисунок 6) обычно доставляют потребителю в картонных коробках (Рисунок 7).

Рисунок 6 Пицца

Рисунок 7 Стандартная коробка для пиццы

Обычная коробка не способна долго сохранять тепло. Кроме того, конденсирующаяся на днище влага, интенсивно испаряемая горячей пиццей, смачивает корж, делая его клеклым. В стенках коробки делают отверстия для отвода пара, но интенсивная вентиляция приводит к ускоренному охлаждению, а недостаточная не предотвращает намокание коржа.

Была изобретена новая коробка (Рисунок 8), в которой дно выполнено арочным и снабжено выступами. Воздушные прослойки между пиццей и дном, а также между дном и опорой обеспечивают отличную термоизоляцию, а конденсирующаяся на дне коробки влага не может смачивать корж, приподнятый на выступах.

Рисунок 8 Разработанная коробка для пиццы

Но после того, как была решена основная проблема - обеспечение термо- и гидроизоляции горячей пиццы, возникло множество побочных проблем. Например, выяснилось, что пиццу обычно разрезают прямо в коробке специальным дисковым ножом (Рисунок 9).

Рисунок 9 Разрезание пиццы

Плоское дно обычной коробки легко выдерживает приложенную нагрузку, а арочное дно новой коробки - нет. В итоге решение этой проблемы было найдено: было предложено крышку коробки также сделать выпуклой (Рисунок 10) и использовать ее в качестве подставки для разрезания пиццы (совместной прочности дна и крышки для этого хватает). На поиск решения и его отработку ушло некоторое количество времени, в течение которого термо- и гидроизоляционные свойства коробки нисколько не улучшались.

Рисунок 10 Коробка для пиццы с выпуклой крышкой

Кроме того, была поставлена проблема замка, удерживающего крышку на коробке. Было разработано и опробовано на практике несколько вариантов замка. А в итоге выяснилось, что замок вообще не нужен, т.к. крышка благодаря конусной отбортовке прекрасно удерживается на коробке просто за счет трения. Но силы и время были потрачены, а качество коробки не улучшилось.

Этот пример хорошо иллюстрирует процесс уточнения состава ТС (нужен замок или нет?) и конструкции ее элементов (выпуклая крышка, направляющие канавки для ножа на днище и т.п.), который абсолютно необходим несмотря на то, что главные показатели системы при этом могут изменяться незначительно или не расти совсем.

Главной особенностью первого этапа является тот факт, что система в силу разных причин еще не удовлетворяет требованиям общества, и поэтому практически не используется.

Следует также отметить, что ТС не обязательно должна пройти через все этапы. Нередко бывает, что система так и умирает на стадии разработки, не выйдя за пределы первого этапа. Так случилось с одним из ключевых компонентов программы "Звездных войн" - рентгеновским лазером с атомной накачкой. Расчеты и эксперименты показали, что при существующем уровне техники он не способен, как это планировалось, одновременно поразить множество целей с требуемой точностью. С другой стороны, на новом витке развития техники и технологии система может и ожить. Например, замечательная по красоте заложенной в ней идеи система "лифт в небо" была убита еще на стадии предварительных расчетов, так как выяснилось, что не существует материалов с разрывной прочностью, достаточной для поддержания троса, опущенного с геостационарной орбиты. Однако открытые относительно недавно нанотрубки как раз имеют требуемую прочность. Пока они очень дороги и имеют ничтожную длину, но лиха беда начало... Так что, возможно, эта система еще себя покажет!

3.2.1.1.1.2 Причины первого этапа

· Нехватка ресурсов

За редким исключением, новые ТС создаются в условиях тотального недостатка всех видов ресурсов - материальных, трудовых и интеллектуальных. Действительно, пока система полностью не отработана, не испытана и не прошла проверку на рынке, никто не может гарантировать, что ее ожидает успех, а все затраты окупятся сторицей. Разработка новых технических систем - всегда риск, и для сокращения возможных потерь средства на разработку обычно выделяют весьма экономно. Соответственно, не хватает рук, чтобы параллельно заниматься разными узлами или вариантами, денег на специализированные комплектующие, и просто интеллектуального потенциала немногочисленных ведущих разработчиков, чтобы думать над всеми проблемами одновременно.

Типичное место рождения новой ТС - если уж не сарай, как это было с самолетом братьев Райт (а в похожих условиях рождались и велосипед, и персональный компьютер), то небольшая лаборатория со скромным бюджетом, для которых все сказанное имеет место быть. Соответственно, разработчики вынуждены последовательно переходить от проблемы к проблеме, выискивать компромиссы и обходные пути, брать доступное вместо оптимального и затем долго его приспосабливать, и расплачиваться за все это временем.

В качестве иллюстрации можно использовать ту же коробку для пиццы. Денег было мало, и штатный дизайнер лаборатории Илона Василевская, подключив к делу своего мужа (к счастью, тоже дизайнера), вечерами после работы изготавливала гипсовые формы, выклеивала на них коробки из папье-маше, затем коробки вело при сушке, все приходилось переделывать, и так без конца. Так что первому этапу было от чего затянуться.

· Наличие цепочки "узких мест"

В данном случае под "узкими местами" понимаются особенности системы, независимо снижающие функциональные показатели или повышающие факторы расплаты до неприемлемого для общества уровня. Пока имеется хотя бы одно "узкое место", система видимым образом не развивается, хотя силы и время затрачиваются на устранение остальных "узких мест".

Примером может служить разработка устройства "Аргус", предназначенного для сверхтонкого измельчения стирального порошка (Рисунок 11).

Рисунок 11 Аргус

Довольно долгое время результаты его работы были нестабильны - на одном и том же режиме без всяких видимых причин степень измельчения от испытания к испытанию колебалась в широких пределах. И только спустя какое-то время разработчики выяснили, что проблема крылась в методике измерения. Оказалось, что при остывании смеси частички порошка слипаются друг с другом, искажая результаты замеров. Стоило, в числе прочих хитростей, перед испытанием нагреть металлическую плашку, на которой производились измерения, и стабильность была достигнута.

· Внешние причины

Техника развивается не сама по себе. Ее разрабатывают конкретные люди, живущие в конкретном обществе. И весь комплекс жизненных обстоятельств так или иначе влияет на сроки и успех разработки. К ним, например, относится арест основного разработчика. Для иллюстрации возьмем историю создания динамореактивной пушки (Рисунок 12):

Рисунок 12 Динамореактивная пушка

"В мае 1923 года конструкторы Л.Курчевский и С.Изенбек предложили так называемую динамореактивную пушку (ДРП), в казенной части ствола которой имелось коническое отверстие. Благодаря этому часть пороховых газов вырывалась через дно гильзы и коническое сопло, что уменьшало отдачу до минимума. Динамореактивный принцип сочли перспективным, была создана специальная комиссия для разработки подобных орудий… Первым результатом … стала предложенная Л. Курчевским на испытания летом 1923 года 76-мм ДРП, ствол которой был заимствован от 76-мм пушки образца 1902 года. В конце того же года были проведены испытания одного из образцов ДРП для установки на самолет.

И на этом, увы, все пока прекратилось. В 1924 году Курчевский был арестован по обвинению в растрате государственных средств и сослан на Соловки на 10 лет."

Василий МАЛИКОВ, академик РАРАН. Журнал "Русское оружие", 1997

Другим обстоятельством может служить законодательный запрет на определенные разработки. Например, по недавно принятому в Японии закону любые разработки по клонированию человеческих эмбрионов запрещены под страхом 5-летнего тюремного заключения.

3.2.1.1.1.3 Признаки 1-го этапа

· Главный признак: ТС еще не вышла на рынок или занимает на нем маленькие, строго ограниченные ниши

Игнорирование этого признака приводит к типовой ошибке, когда ТС, находящуюся на стадии испытаний и не представленную на данном секторе рынка, пытаются относить ко 2-му или 3-му этапам на том основании, что на данном участке времени система улучшалась значительно быстрее, чем раньше. Действительно, на стадии лабораторных исследований главные показатели системы могут меняться неравномерно, испытывая всплески и периоды застоя. Но все это время они находятся ниже черты минимально допустимых обществом значений, что закрывает им путь на рынок.

· В состав системы входят элементы, разработанные для других систем

Как уже говорилось, на первом этапе система развивается в услових дефицита ресурсов. В этой ситуации разработчики обычно концентрируют усилия на ядре системы, а в качестве вспомогательных элементов стремятся использовать уже готовые, разработанные для других систем (с минимально необходимой подгонкой). Заимствование может быть как физическим, так и на уровне конструкции. Пример - разработка первого автомобиля (Рисунок 13). Пожалуй, только двигатель разработан специально для него (и то насчет котла особой уверенности нет), а все остальные части явно заимствованы.

Рисунок 13 Первый автомобиль

С одной стороны, такой подход экономит силы и время. С другой стороны, чужеродные элементы обычно плохо приспособлены для выполнения функций в новых условиях, что существенно снижает эффективность новой ТС. Но в общем, это правильный подход - доработка второстепенных элементов без особого ущерба откладывается до тех пор, пока для этого не появится достаточно ресурсов.

· Система часто объединяется с элементами надсистемы. Причем эти элементы почти не изменяются - изменяется и приспосабливается система.

В принципе, этот признак идентичен предыдущему, но на другом системном уровне. Т.к. система еще не способна адекватно выполнять все необходимые функции, часть из них разработчики перекладывают на доступные элементы надсистемы.

Возьмем, например, гиперзвуковой летательный аппарат с прямоточным реактивным двигателем. Прямоточный двигатель на небольших скоростях неэффективен, поэтому такой аппарат пока не может взлететь и разогнаться самостоятельно. Разработчики нашли выход: экспериментальные образцы запускают с обычного реактивного самолета, да еще с реактивным ускорителем, т.е объединили целых три системы (Рисунок 14):

Рисунок 14 Прямоточный воздушно-реактивный двигатель + ракетный ускоритель + B52

Образец в полете показан на Рисунке 15:

Рисунок 15 Самолет с прямоточным реактивным двигателем

· Система стремится объединяться с альтернативными системами, господствующими на рынке.

Данный признак является важным частным случаем предыдущего. Дело в том, что правильно выполненное объединение альтернативных систем приводит к объединению их достоинств и гашению недостатков. Новая система обычно превосходит имеющиеся по некоторому выделенному набору главных показателей, но проигрывает им по всему комплексу требований. Старые же системы, наоборот, прекрасно вписаны в надсистему, но им уже не хватает сил для выхода на новый уровень главных показателей. Поэтому объединение выгодно обеим сторонам - новая система получает ресурсы для развития, а старая продлевает свое доминирующее положение.

Примером может служить история создания реактивного двигателя. На определенном этапе его ставили в качестве ускорителя на винтовые истребители, и только последующий прогресс позволил перейти к чисто реактивным машинам.

· Система стремится потреблять ресурсы из надсистемы, специально для нее не предназначенные. Система приспосабливается к потреблению этих ресурсов.

Действительно, пока система не доказала свою эффективность, никто не будет ее снабжать специально для нее созданными ресурсами. Типовой ход в этом случае - попытаться найти в надсистеме уже готовый доступный ресурс и приспособить систему для его потребления. Правда, ресурс может оказаться не слишком подходящим, но разработку специализированных ресурсов можно отложить до лучших времен. Поскольку сразу трудно определить, какой ресурс следует использовать, бывает необходимо перепробовать несколько разных, порой весьма экзотических. Например, одна из первых моделей двигателя внутреннего сгорания должна была работать на спорах папоротника!

Внешние проявления:

· Высокий уровень базовых патентов. Уровень последующих патентов быстро снижается к началу переходного этапа.

Создание новой системы - дело обычно достаточно сложное, в ее основу необходимо закладывать весьма нетривиальные идеи, что закономерно проявляется в относительно высоком уровне базовых патентов. В дальнейшем патентуются разного рода усовершенствования, не столь радикальные, как первоначальная идея, что приводит к снижению уровня патентов (Рисунок 16).

Рисунок 16 Уровень изобретений (по книге Г.С. Альтшуллера "Творчество как точная наука"? М. Советское радио 1979, стр 115)

Следует отметить, что уровень патентов - вещь в достаточной мере субъективная, поэтому данный признак является сугубо вспомогательным. Сам по себе он ни в коей мере не может служить исчерпывающим доказательством того, что система находится на первом этапе.

А вот для разработчиков новых стандартов (и микро-стандартов) на решение изобретательских задач, приемов разрешения противоречий и других решательных инструментов, этот признак может быть очень полезен. Дело в том, что самые эффективные инструменты могут быть, скорее всего, разработаны на базе самых сильных решений. А как их отобрать среди миллионов патентов? Данный признак дает хороший способ - наиболее сильные решения следует искать в базовых патентах.

С другой стороны, инженеры не так уж часто занимаются созданием новых ТС. Значительно больше времени и сил они тратят на совершенствование существующих. Не факт, что решательные инструменты, наиболее эффективные для создания ТС, столь же хороши для улучшения имеющихся. Кроме того, очень даже возможно, что улучшение систем на каждом из этапов требует специфического набора инструментов. Любопытно было бы собрать несколько коллекций патентов - базовых и этапных, и рассортировать по ним имеющиеся инструменты, а в дальнейшем и разработать новые, специально ориентированные на конкретный этап.

· Количество патентов остается примерно постоянным (Рисунок 17).

Это тоже легко объяснимо. Пока ТС находится в разработке, окончательно неизвестно, какие конструктивные особенности останутся в серийном варианте, а какие окажутся нежизнеспособными. Поэтому патентовать их особого смысла не имеет. Данный признак также является сугубо вспомогательным.

Рисунок 17 Количество изобретений (по книге Г.С. Альтшуллера "Творчество как точная наука"? М. Советское радио 1979, стр 115)

· Затраты превосходят доход (Рисунок 18).

Причины очевидны. ТС находится в разработке, обладает массой недостатков (пока), и поэтому либо совсем не продается, либо продается в ничтожных количествах как некая экзотика. Соответственно, доходы от продажи обычно не покрывают затрат на разработку и доводку.

Рисунок 18 Прибыль (по книге Г.С. Альтшуллера "Творчество как точная наука"? М. Советское радио 1979, стр 115)

· Число модификаций системы и глубина различий между ними сначала нарастают, а затем падают.

Действительно, система обычно создается в какой-то одной, простейшей модификации. Затем в процессе совершенствования появляются разные варианты. Поскольку заранее неизвестно, какое сочетание признаков окажется наиболее удачным, поначалу варианты множатся и ветвятся. Однако со временем ситуация проясняется, малоэффективные комбинации отмирают, и остается всего несколько фаворитов, между которыми к тому же происходит обмен признаками.

Примером может служить история авиации (Рисунок 19). Первые самолеты сильно отличались друг отдруга. Варьировалось все - количество, форма и расположение крыльев, количество и расположение двигателей; тянущие, толкающие и комбинированные схемы пропеллеров, и т.д. Но постепенно выкристаллизовались несколько основных типов, не так уж отличающихся друг от друга.

Рисунок 19 Самолеты

3.2.1.1.1.4 Возможные выводы из того факта, что система находится на первом этапе развития.

· Требуется значительно повысить отношение "функциональные возможности/затраты".

Данный вывод совершенно очевиден и в комментариях не нуждается. ТС на первом этапе еще очень сырая, недоработанная - надо улучшать функционирование и снижать факторы расплаты, причем существенно, иначе на рынок не пробиться.

· Главные усилия должны быть направлены на выявление и устранение "узких мест", препятствующих выходу на рынок.

Этот вывод следует из одной из причин нахождения ТС на первом этапе - наличия множества "узких мест", каждое из которых независимо снижает эффективность системы ниже минимально допустимого уровня. Пока существует хоть одно из них, система неконкурентоспособна. Значит, их нужно выявить и удалить всех до одного. При этом не нужно тратить силы и время на улучшение одного параметра до максимально возможного уровня, пока другой недопустимо низок. Лучше иметь удовлетворительный уровень всех характеристик, чем отличный для одних и никуда не годный для других.

В самом деле, если представить себе гипотетический пассажирский летательный аппарат, у которого два недостатка - неспособность летать и неспособность обеспечить безаварийную посадку, то сколько ни улучшай его способность к дальним/высотным/скоростным полетам, без обеспечения мало-мальски безопасной посадки пассажиров на него не заманишь.

· Допустимы глубокие изменения в составе системы и ее элементов вплоть до смены их принципа действия.

С одной стороны, на первом этапе система еще не накопила "инерции" - нет ни специализированной инфраструктуры, ни традиционных поставщиков, ни массового производства, которые обычно препятствуют сколь-нибудь серьезным изменениям. С другой стороны, совсем не факт, что имеющийся на данный момент состав системы и конструкция ее элементов оптимальны (будь это так, ТС пошла бы на рынок, а не прозябала бы на первом этапе). Следовательно, есть и серьезная причина (масса недостатков и "узких мест"), и возможность (отсутствие "инерции") для коренных изменений в ТС. Можно значительно менять ее состав (смело применяя радикальные варианты свертывания) и конструкцию ее элементов на любую глубину.

· Имеет смысл развивать систему для использования в одной конкретной области, где соотношение ее достоинств и недостатков наиболее приемлемо.

Нередко новая ТС обладает широкими возможностями, позволяющими (в перспективе) использовать ее сразу в нескольких областях. Однако попытка развивать ее сразу в нескольких направлениях ошибочна, т.к. приводит к распылению ресурсов и затягиванию первого этапа. Логичнее поступать наоборот - сконцентрировать усилия на продвижении ТС только в одном направлении. А в дальнейшем, выйдя на рынок, система сможет привлечь ресурсы для проникновения и в остальные отрасли.

При этом сектор рынка для первоначального проникновения следует в первую очередь выбирать исходя из соображений простоты внедрения, даже если этот сектор окажется не самым выгодным из возможных. Простота внедрения определяется, в частности, тем, что избранный сектор рынка должен быть особо заинтересован в возможностях, которые ТС может предоставить к моменту выхода на рынок, и равнодушен к оставшимся на тот момент недостаткам.

Похоже, что подобная стратегия лежит в основе выявленной Борисом Злотиным закономерности, согласно которой новые ТС впервые появляются не на том секторе рынка, на котором в итоге они добиваются максимального успеха. Например, компьютеры впервые вышли на рынок в качестве устройств для вычислений (Рисунок 20). А сейчас они в основном используются для обработки текстовой и графической информации в реальном масштабе времени. И правильно, т.к. уже на заре своей истории ЭВМ умели считать достаточно быстро, а средства ввода-вывода были крайне несовершенны, к работе с текстами и графикой неспособны. А выйдя на рынок в качестве вычислителей, компьютеры получили ресурсы для проникновения в другие области применения.

Рисунок 20 Компьютер

· Следует ориентироваться на существующую инфраструктуру и источники ресурсов.

Очевидно, что ориентация на специально созданную инфраструктуру и ресурсы может сильно затруднить выход ТС на рынок. Препятствием будет служить проблема "курицы и яйца" - системой не пользуются из-за отсутствия необходимых ей инфраструктуры и ресурсов, а инфраструктуру и источники ресурсов не создают из-за отсутствия спроса на них (систему-то не используют!). Поэтому лучше поначалу приспосабливать ТС к имеющимся ресурсам, пусть даже и не очень подходящим. Выйдя с их помощью на рынок, ТС разорвет порочный круг, создаст спрос на специализированные ресурсы и в итоге их получит. Действительно, первые самолеты потребляли автомобильный бензин и использовали для взлета/посадки луга и дороги. Потребуй они сразу специальных аэродромов, диспетчерской службы, радарной сети и авиакеросина для заправки, их путь в небо был бы еще более тернистым. А так, поначалу пользуясь малым, в итоге самолеты все это получили.

· Имеет смысл объединять ТС с лидирующими на данный момент системами.

Как уже говорилось, такое объединение позволяет новой ТС быстро выйти на рынок и получить ресурсы для дальнейшего развития. При этом ее недостатки будут скомпенсированы старой системой, а достоинства повысят конкурентоспособность полученного тандема. На этом пути образуются ТС с дефисом в названии: парусно-паровые, колесно-гусеничные, электро-механические и полу-автоматические. При этом надо отдавать себе отчет, что подобные системы бывают относительно короткоживущими - их новая компонента в результате последующего развития отторгает старую и переходит к автономному существованию.

· Для определения перспективности ТС необходимо наряду с обычным анализом естественных пределов ее развития выполнить прогноз ее надсистемы.

Нужно учесть, что первый этап развития обычно длится несколько лет. Следовательно, ТС в момент выхода на рынок будет взаимодействовать не с сегодняшней надсистемой, а с той, которая сложится к тому времени. Может измениться многое - доступные ресурсы, законодательство и даже потребности общества.

Например, в свое время производство бумаги требовало все больше древесины, что приводило к вырубке лесов. Для спасения леса нужно было найти замену древесине. Ценой значительных затрат времени и сил задачу решили - был создан пластик, почти не отличимый от бумаги. Но, увы и ах, - к этому моменту была разработана и внедрена технология интенсивного выращивания деревьев на плантациях (изощреная агротехника плюс особо быстрорастущие виды деревьев), полностью покрывающая потребности целлюлозно-бумажной промышленности. И созданная с таким трудом пластиковая бумага, действительно очень хорошая, оказалась никому не нужной - все-таки она немного дороже настоящей.

Так что необходим прогноз надсистемы по следующим ее типам: объект главной функции ТС, инфраструктура/источники ресурсов, технология изготовления/материалы, генерируемые ТС вредные факторы.

Итак, нужны приемы, позволяющие выявлять и устранять физические противоречия, содержащиеся в изобретательских задачах. Эти приемы позволяют резко сократить поисковое поле и без "поштучной" проверки отбросить множество "пустых" вариантов. Несколько приемов мы уже назвали: разделение противоречивых свойств в пространстве или во времени, использование переходых состояний веществ. А еще? Где взять набор приемов, достаточно богатый, чтобы решать самые различные изобретательские задачи? Ответ очевиден: ФП присущи только изобретательским задачам высших уровней, поэтому приемы устранения ФП надо искать в решениях этих задач. Практически это означает, что необходимо отобрать изобретения высших уровней и исследовать их описания. В таких описаниях обычно указаны исходная техническая система, ее недостатки и предлагаемая техническая система. Сопоставляя эти данные, можно выявить суть ФП и прием, использованный для его устранения.

Фонд описаний изобретений весьма велик: ежегодно в разных странах выдается около 300 тыс. патентов и авторских свидетельств. Для выявления современных приемов устранения ФП достаточно исследовать самый свежий "патентный слой" глубиной, скажем, в пять лет-это около 1,5 млн. изобретений. Цифра устрашающая. Однако первая же операция-отбор изобретений высших уровней - резко сокращает число описаний, подлежащих детальному исследованию. Изобретений пятого уровня очень мало - доли процента; четвертого уровня тоже немного - три - четыре процента. Если даже прихватить наиболее интересные изобретения третьего уровня, исследовать надо не более 10% изобретений в выделенном "патентном слое": 150 тыс. описаний. Это - в идеальном случае. Для составления списка наиболее сильных приемов достаточен массив в 20-30 тыс. патентных описаний. Хороший список приемов устранения ФП - уже немало. Но нужно уметь правильно выявлять противоречия, а также знать, когда и какой прием использовать, нужно располагать критериями для оценки полученных результатов. А для этого необходимо знать законы развития технических систем.

Развитие технических систем, как и любых других систем, подчиняется общим законам диалектики. Чтобы конкретизировать эти законы применительно именно к техническим системам, приходится опять-таки исследовать патентный фонд, но уже на значительно большую глубину. Нужно брать не "патентный слой", а, так сказать, "патентную скважину": патентные и историко-технические материалы, отражающие развитие какой-то одной системы за 100- 150 лет. Разумеется, для выявления универсальных законов нужна не одна, а многие "патентные скважины", - работа весьма и весьма сложная. Но, зная законы развития технических систем, можно уверенно отобрать наиболее эффективные приемы устранения противоречий и построить программу решения изобретательских задач.

Что такое объективные законы развития технических систем? Рассмотрим конкретный пример. Киносъемочный комплекс - типичная техническая система, включающая ряд элементов: киносъемочный аппарат, осветительные приборы, звукозаписывающую аппаратуру и т. д. Аппарат ведет съемку с частотой 24 кадра в секунду, причем при съемке каждого кадра затвор открыт очень небольшой промежуток времени, иногда всего одну тысячную секунды. А светильники работают на постоянном токе (или на переменном, но обладают большой тепловой инерцией) и освещают съемочную площадку все время. Таким образом, полезно используется незначительная часть энергии. В основном энергия расходуется на вредную работу: утомляет артистов, нагревает воздух.

Обратите внимание: основные элементы этой системы "живут" каждый в своем ритме. Представьте себе животное с мозгом, работающим по 24-часовому циклу, и лапами, предпочитающими действовать, скажем, по 10-часовому циклу: у мозга наступает время сна, а лапы бодрствуют, они полны сил, по их "часам" полдень, надо бегать... Эволюция безжалостно бракует такие организмы. Но в технике очень часто создают "организмы с несогласованной ритмикой" а потом долго мучаются из-за присущих им недостатков.

Один из объективных законов развития технических систем том, что системы с несогласованной ритмикой вытесняются более совершенными системами с согласованной ритмикой. Так в приведенном примере нужны безынерционные светильники, работающие синхронно и синфазно вращению шторки объектива. Тогда резко уменьшится расход энергии, улучшатся условия работы артистов.

Приведем пример из другой области техники. Для обеспечения выемки угля бурят в пласту скважины, заполняют их водой и передают через нее импульсы давления. Частота импульсов определяется случайными факторами, а пласт имеет свою частоту колебаний. Опять обе части системы работают в разных ритмах -явное нарушение закона согласования ритмики. И вот появляется а. с. № 317 797, в нем предлагается частоту импульсов установить равной собственной частоте колебаний угольного массива.

Изобретения ("просто импульсы" и "импульсы с частотой, равной собственной частоте разбуренного массива") разделены промежутком в семь лет. Эти семь потерянных лет-плата за незнание законов развития технических систем.

Согласование ритмики частей системы - лишь один из законов, определяющих развитие технических систем. Используя "свод" таких законов, можно построить программу решения изобретательских задач. Она даст возможность, не блуждая по поисковому полю, выйти в район решения, т. е. сократить число вариантов, скажем, до десятка.

Далее, казалось бы, совсем просто: надо рассмотреть десять вариантов и выбрать нужный. Но десять вариантов, полученных при переводе задачи на первый уровень, могут качественно отличаться от десяти вариантов, необходимых для решения задачи, которая с самого начала была задачей первого уровня. У "естественной" задачи первого уровня все варианты решения понятны изобретателю, они обычно прямо относятся к его специальности, не отпугивают своей сложностью. "Искусственная" задача первого уровня, полученная из задачи, скажем, четвертого уровня, может иметь решения "дикие" или выходящие за пределы знаний изобретателя. Предположим, анализ задачи отсек все "пустые" варианты, оставив только одну возможность: "Задачу удастся решить, если вращающаяся в сосуде жидкость будет прижиматься не к стенкам сосуда, а к его оси". Известно, что на вращающуюся жидкость действуют центробежные силы, направленные к стенкам сосуда. Скорее всего, изобретатель отбросит полученный вариант как явно противоречащий физике... Между тем существуют жидкости, в которых вопреки обычным представлениям -при вращении возникают центростремительные силы! Это явление называется эффектом Вайссенберга. Оно выходит за пределы вузовской физики для инженеров, поэтому не все инженеры о нем знают.

Для уверенного решения задач нужна информация о всей физике. Именно о всей, потому что решение трудных задач часто связано с использованием малоизвестных физических эффектов или малоизвестных нюансов обычных физических эффектов. Более того, вся физика должна быть представлена в таком виде, чтобы эффекты не приходилось перебирать подряд. Иными словами, нужна не просто физика, нужны таблицы, связывающие типы изобретательских задач (или типы противоречий) с соответствующими физическими эффектами. В таком же виде должны быть представлены и чисто изобретательские приемы, выявленные путем анализа патентных материалов.

Но и этого, мало. Нужно, чтобы изобретатель, действуя по программе, не боялся отбрасывать варианты, кажущиеся вероятными, и не боялся идти к идеям, кажущимся "дикими", т. е. необходимо управление психологическими факторами.

• эффективная технология решения изобретательских задач может основываться только на сознательном использовании законов развития технических систем;
• исходя из этих законов, можно построить программу решения изобретательских задач, позволяющую без перебора вариантов сводить задачи высших уровней к задачам первого уровня;
• чтобы свести задачу высшего уровня к задаче первого уровня, нужно прежде всего найти физическое противоречие, поэтому программа должна содержать операторы, позволяющие по определенным правилам выявлять физическое противоречие;
• для преодоления физических противоречий программа должна иметь информационный фонд, включающий фонд изобретательских приемов, выявленный путем анализа больших массивов современной патентной информации; фонд приемов должен быть представлен в виде таблиц использования приемов в зависимости от типа задачи или содержащегося в ней противоречия;
• информационный фонд должен включать также таблицы применения физических эффектов;
• программа должна иметь средства управления психологическими факторами, прежде всего средства активизации воображения и средства преодоления психологической инерции.

Эта глава книги содержит ключевые моменты, которые при надлежащем развитии могли бы стать главным направлением развития ТРИЗ. В этой главе речь, по сути, идет о необходимости создания принципиально иных средств управления знаниями. Т.е. о том, что существующие знания должны быть представлены в таком виде, который был бы максимально пригоден для поиска именно того знания, которое необходимого для решения данной изобретательской задачи. Естественно, что и сама изобретательская задача должна быть определенным образом формализована, чтобы иметь четкие ориентиры для поиска нужных знаний. К сожалению, выйти на такой уровень методики решения изобретательских задач автору ТРИЗ, а также его последователям не удалось. (А.Б.)

Закономерности развития технических систем характеризуют различные аспекты перестройки систем по мере их совершенствования и тенденции изменения свойств технических объектов во времени.

Знание этих закономерностей дает ориентировку при решении задач. Их можно рассматривать как возможные стратегии при решении той или иной проблемы, как приемы поиска решений, позволяющие сделать очередной шаг в прогрессивном направлении развития техники.

3.4.1Закономерность стадийного развития.

Эта закономерность характеризует функциональный аспект развития мировой техники в целом и технических объектов того или иного класса.

Анализ истории техники позволил выделить 4 стадии (этапа) развития технических объектов, отличающихся появлением новых функций, выполняемых ТО.

1. В ТО реализована только технологическая функция – физико-химическое воздействие на объект исполнительным органом. ТО представляет собой инструмент, который состоит из рабочего органа, хотя в нем могут быть и некоторые передаточные элементы – трансмиссия, например, нож, лопата, топор.

2. Наряду с технологической функцией, в ТО реализуется функция преобразования энергии . Структура ТО усложняется, к рабочему органу (РО) добавляются: ПЭ, Тр, ОУ.

3. В ТО реализуется функция управления . В структуру ТО встраивается система управления, измеряющая некоторые параметры и определяющая значения параметров других компонентов ТО.

4. В ТО реализуется функция планирования. В структуру ТО добавляются компоненты, формирующие исходные данные для работы системы управления.

В таблицеприведен пример, иллюстрирующий основные этапы развития техники.

Таблица. Примеры стадийного развития техники.

Стадии развития	Средства обработки абстрактной информации	Средства обработки физических объектов
1. Эпоха ручных орудий	Счетные палочки, счеты, логарифмическая линейка.	Токарный станок (ТС) с ручным, затем с ножным приводом.
2. Эпоха механизации – возникновение и развитие машин. Характеризуется наличием трех основных звеньев: преобразователя энергии, передаточных устройств и рабочего органа.	Электромеханический арифмометр, электрические калькуляторы, ЭВМ 1-го поколения.	ТС с приводом от водяного колеса, паровой машины, электродвигателя с ручным управлением.
3. Эпоха детерминированных автоматизированных производящих систем. Реализована функция контроля и коррекции регулярно протекающего процесса, имеется блок управления системой.	ЭВМ 2-го и 3-го поколений, ПЭВМ, базы данных.	ТС с числовым программным управлением с “жесткой” записью программы на магнитной ленте, перфоленте.
4. Эпоха недетерминированных самоуправляющихся систем. Выполняется функция анализа ситуации и принятие решения.	Базы знаний.	Гибкие автоматизированные производственные системы.

Из закономерности стадийного развития следует весьма важное следствие, что переход к каждой последующей стадии возможен после того, как предыдущая стадия получит достаточное научное и техническое развитие. При этом невозможно «перескакивать» через одну или несколько стадий развития. Например, бессмысленно оснащать ТО приводом, если нет РО. Невозможно оснащать ТО системой управления, если не исследованы закономерности его функционирования и не созданы соответствующие модели. Невозможно создать экспертную систему, базу знаний, не создав предварительно хорошо работающую базу данных в рассматриваемой предметной области.

Закономерность стадийного развития имеет большое практическое значение при анализе проблемы и постановке задачи синтеза, при совершенствовании существующих технических объектов.

Знание закономерностей развития дает инженеру ориентировку относительно перспектив совершенствования технических устройств. Определив, на какой стадии своего развития находится исследуемый ТО, в соответствии с закономерностью стадийного развития можно наметить пути его дальнейшего совершенствования.

Следует отметить, что на каждой стадии развития очередная фундаментальная функция реализуется, как правило, с помощью универсальных устройств , – происходит заимствование средств из другой технической области. Затем начинается дифференциация и специализация этих средств. Это непосредственно следует из закона повышения идеальности ТО.

Например, развитие систем управления технологическим оборудованием шло от использования универсальных ЭВМ к специальным.

При создании новых ТО стремятся к повышению их качественных показателей. Каждый новый образец предназначен, как правило, для выполнения все более сложных функций. Это приводит к тому, что технический объект оснащается многими дополнительными системами и устройствами. Поэтому следствием из закономерности стадийного развития является тенденция возрастания сложности технических систем.

Принцип действия, реализованный в рабочем органе, начинает занимать новые функциональные ниши. Функцию, которую раньше выполнял человек, теперь берет на себя технический объект. Техническая система развивается, отбирая все больше функций у человека.

Эту тенденцию Б. Л. Злотин назвал «Законом вытеснения человека из технической системы». Метафоричное название закона не следует понимать буквально. Человек не является компонентом технической системы по определению. Речь идет о том, что человек вытесняется, как участник процесса выполнения ГПФ.

Эта линия развития выглядит следующим образом.

1. На начальном этапе человек с помощью созданного инструмента сам выполняет действия по физико-химическому воздействию на некоторый предмет.

2. Добавляется преобразователь энергии, развитие получают органы управления, – человек теперь управляет некоторым процессом.

3. Развитие получают автоматизированные системы управления. Человек уже только наблюдает по контрольным приборам за ходом процесса, изредка вмешиваясь в него, осуществляя, например, корректировку.

4. Все действия процесса автоматизированы таким образом, что человек только контролирует процесс путем наблюдения.

Следует отметить, что весьма часто технологическая функция, реализованная в рабочем органе, создается на основе имеющегося преобразователя энергии, например, дуговая электросварка, контактная электросварка. При этом для выполнения технологической функции в конструкцию встраиваются необходимые органы управления. Естественно, что такой рабочий орган в принципе не может работать без преобразователя энергии.

Основные этапы стадийного развития технических систем коротко можно представить в виде таблицы.

Таблица. Характеристика основных этапов развития техники

Закономерность стадийного развития используется при прогнозировании потребностей и для определения направлений развития техники.

3.4.2Закономерность прогрессивной конструктивной эволюции.

Термин «прогрессивной конструктивной эволюции» использует А. И. Половинкин. В работах Г. С. Альтшуллера и его учеников эту закономерность просто называют этапами развития технических систем, законом S –образного развития технических систем.

История развития техники показывает, что любое открытие в науке и технике только через некоторое время начинает использоваться для выполнения некоторой полезной функции. Сначала открывается некоторый физический эффект, который тщательно исследуется, разрабатывается технология изготовления опытных образцов. Проводятся чисто научные исследования, практическая отдача которых пока минимальна. Затем на основе освоенного физического эффекта синтезируется ФПД устройства, которое может уже иметь прикладное значение. Спустя некоторое время на основе этого ФПД создается техническое устройство, способное качественно выполнять некоторую полезную функцию.

Технический объект для удовлетворения потребности создается тогда, когда имеются научные и технические возможности обеспечить ему удовлетворительные потребительные свойства, которые зависят от его уровня качества (линия К 11 на рис. 19).

Теоретически предельно возможный

Показатель качества

Затраты

Время

Открытие

физического эффекта

Минимально приемлемый уровень качества

Начало исследований нового физического эффекта

Начало практического применения ФПД

Рис. 19. Изменение показателя качества ТО при его конструктивной эволюции.

Как правило, первый образец принципиально нового ТО создается в условиях неполного знания свойств нового, только что открытого явления. Поэтому технически сложно реализовать высокое качество выполняемой функции.

С началом применения нового ТО стремление улучшить его функциональные характеристики приводит к развертыванию работ по его совершенствованию, улучшению показателей качества, устранению недостатков и повышению эффективности использования. Появляются различные модификации технических объектов, расширяется область применения технических устройств, созданных на физическом принципе действия, в основе которого лежит открытый физический эффект.

Взаимосвязь затрат и показателя качества совершенствуемого ТО характеризуется S-образной кривой рис. 19.

Начальный участок S-образной кривой (участок I на рис. 19) соответствует этапу теоретического изучения и экспериментальной отладки полученного ФПД, исследованию возможностей его практического применения. На этом этапе осуществляется опытная эксплуатация единичных лабораторных образцов вновь созданного ТО. Этот период отличается напряженной работой и большими затратами для увеличения показателей качества.

Улучшению характеристик ТО способствует рост общего научно-технического потенциала и развитие технологии производства.

По мере накопления теоретических знаний и практических результатов по производству и эксплуатации ТО, рост показателей эффективности и качества технических объектов, основанных на этом ФПД, становится более интенсивным (участок II). Устраняются недостатки, улучшаются функциональные показатели, повышается надежность, экономичность и другие показатели качества, растет отдача средств, вложенных в используемые технические устройства.

В этот период совершенствуется конструкция ТО и технология его изготовления, производство часто становится массовым, резко увеличивается количество изобретений в той области техники , к которой относится применяемый ФПД. Этот ФПД находит все более широкое применение в различных областях. Разрабатывается гамма технических устройств. Развитие идет как в направлении универсализации, так и специализации.

Однако наступает время, когда ТО вступает в третью стадию своего развития.

Участок III кривой 1 (рис. 19) характеризуется значительным увеличением затрат на повышение качества ТО. Эффективность средств, направленных на повышение качества ТО, снижается. Это связано с тем, что происходит исчерпание возможностей принятого физического принципа действия. Совершенствование ТО осуществляется его усложнением, внесением конструктивных изменений, оптимизацией параметров, изменением конструкторско-технологических решений. Показатели качества приближаются к некоторому пределу, который может быть достигнут при использовании этого ФПД (линия К 12).

Совершенствование ТО продолжается до тех пор, пока существует потребность в производстве технических объектов, основанном на этом физическом принципе действия.

Если нет условий перехода на новый принцип действия, то в процессе конструктивной эволюции рост эффективности замедляется и длительное время воспроизводятся ТО с близкими по значению показателями качества.

Однако, как правило, задолго до этого периода обнаруживается новый принцип действия, использование которого может в перспективе обеспечить более высокие показатели качества. Но его практическое применение начнется тогда, когда будет накоплен необходимый научно-технический потенциал и созреют социально-экономические условия (линия К 21 , кривая 2 на рис. 19).

Сначала он по своим показателям качества отстает от своего предшественника, но он находится на начальном этапе своего развития и, в соответствии с закономерностью, описываемой S-образной кривой, этот ТО, основанный на новом ФПД, в конце концов, быстро обгоняет и вытесняет своего конкурента.

История развития техники показывает, что технический объект, основанный на определенном физическом принципе действия, отмирает в период своего наивысшего развития, т. е. когда в максимальной степени реализованы его показатели качества. Например, к середине XX века паровозы достигли предельного своего совершенства, т. е. предельного КПД, и сразу стали вытесняться тепловозами (новый принцип действия) с более высоким КПД.

При создании новых технических объектов необходимо оценить, на каком этапе конструктивной эволюции находится прототип, каковы перспективы его развития, какие изменения в науке и технике произошли с начала его создания, причем не только в рассматриваемой области техники, но и в смежных областях. Исследуются различные аспекты проблемы: какие достижения научно-технического прогресса не нашли своего отражения при создании существующих ТО, предназначенных для удовлетворения рассматриваемой потребности и что можно использовать из последних достижений науки и техники для разработки нового принципа действия, конструктивных и конструкторско-технологических решений для создания нового ТО.

При решении задачи по совершенствованию ТО необходимо оценить конкурентоспособность других ФПД, установить, на каких этапах своего развития они находятся, найти область эффективного применения рассматриваемого принципа действия, оценить перспективность и целесообразность конструктивного совершенствования прототипа или прийти к выводу, что нужно переходить на другой ФПД и определить, на какой. В решении последней проблемы существенную помощь оказывают другие закономерности развития техники, рассматриваемые ниже.

3.4.3Динамизация технических систем.

В русском языке слово динамика имеет три значения: «1. Отдел механики, изучающий законы движения тел в зависимости от действующих на них сил. 2. Ход развития, изменения какого-нибудь явления... 3. Движение, действие, развитие...». Прилагательные: «динамический, динамичный – богатый движением, действием».

Термин динамизация, используемый в названии этого принципа развития технических систем, отражает именно богатство движения, заложенное в технический объект.

Сущность динамизации технических систем Саламатов Ю. П. дает в следующей формулировке: «Жесткие системы для повышения их эффективности должны становиться динамичными, т. е. переходить к более гибкой, быстро меняющейся структуре и к режиму работы, подстраивающемуся под изменения внешней среды».

История техники показывает, что придание свойства динамичности конструкции часто позволяло разрешать многие проблемы, возникающие при создании ТО, значительно улучшало показатели качества.

Например, для повышения маневренности сверхзвуковых реактивных самолетов, сначала были разработаны двигатели с поворотными соплами и системой струйного управления, позволяющие изменять вектор тяги, затем поворотные двигатели. Это позволило создать самолет с вертикальным взлетом и посадкой.

Убирающееся шасси для снижения лобового сопротивления, пропеллер с изменяющимся углом атаки лопасти , раскрывающиеся панели солнечных батарей на космическом аппарате, складывающийся зонтик, разводной мост, и т. д. – это примеры динамичных конструкций.

Таблица. Переход к многофункциональности

Этапы динамизации	Пример
1. Ограниченно динамичная система	Вертикально фрезерный станок
2. Система со сменными рабочими органами	Фрезерный станок с набором инструментов
3. система с программным принципом управления	Фрезерный станок с программным управлением Увеличение количества одновременно управляемых координат
4. Система с изменяемыми рабочими органами	Фрезерный станок с магазином инструментов Фреза с изменяемой геометрией режущих кромок

В развитии механических систем можно выделить два направления динамизации: динамизация веществ и полей.

Динамизация веществ начинается с разделения вещества на части и введения связи между ними. Здесь возможна такая последовательность переходов:

один шарнир→ много шарниров→ гибкое вещество→ жидкость→ газ→ поле.

Динамичность – это свойство, характеризующее структуру объекта. Поэтому оно может проявляться как в компонентах, так и в связях между ними.

Придание свойства динамичности техническому объекту обусловлено двумя обстоятельствами: с одной стороны, это потребность в обеспечении приспособляемости (адаптации) объекта к изменяющимся внешним условиям и, с другой стороны, достижение лучшей управляемости объектом.

Динамизация весьма эффективна как прием решения технических задач. Например, для увязки размеров и обеспечения взаимозаменяемости в конструкциях применяют регулируемое звено или упругий элемент в качестве компенсаторов погрешностей увязываемых размеров.

С одной стороны, динамизация, – это одно из направлений конструктивной эволюции технических систем. Здесь большую роль играет развитие возможностей технологии производства.

Например, для создания водяного замка в сливных частях трубопроводных систем долгое время применялись жесткие конструкции в виде сифона. Применение гофрированной трубки – сильфона сделало эту конструкцию не только дешевле (меньшее количество деталей), но и упростило процесс стыковки сливной части раковины с вводным патрубком канализации.

С другой стороны, переход на новый принцип действия, как правило, сопровождается повышением динамичности ТО, увеличением его функциональных возможностей.

Например, применение металлического ключа для открывания дверей автомобиля заменяется посылкой кодированного радиосигнала. При этом сразу может открываться несколько дверей. Этот же «радиоключ» используется и для блокировки системы зажигания.

Кроме того, как будет показано в следующей главе, динамизация является одним из приемов разрешения противоречий в технических задачах.

Таким образом, динамизация, – это одна из наблюдаемых закономерностей развития, использование которой позволяет определять направления совершенствования ТО. Понимая, что любая ТС проходит определенные стадии динамизации, можно определить, на каком этапе она в данный момент находится, и сделать шаг в перспективном направлении.

Одно из направлений совершенствования конструкций – динамизация связей (рис. 21). Связи можно разделить на вещественные и полевые. В вещественных связях используется какая-либо передающая среда – вещество. В полевых связях передающая среда отсутствует.

В вещественных связях взаимодействие компонентов осуществляется непосредственно с помощью вещества, поэтому связи могут различаться в зависимости от того какие свойства вещества для этого используются. Жесткая связь может быть реализована с помощью твердого монолитного вещества, например, стержень, балка, ферма. Гибкие связи могут быть организованы при использовании эластичных и упругих материалов, например, трос, ремень, цепь, сильфон, пружина, или материалов, находящихся в вязкотекучем состоянии, которые занимают промежуточное положение между твердыми веществами и жидкостями, например, термопласт. Может быть использован и газ, например, пневмопривод, газостатические и газодинамические подшипники.

Кинематические

Гидравлическая

Пневматическая

Характер движения

1. Вокруг оси

2. По линии

3. В плоскости 

4. В пространстве

Трос, ремень, цепь

Балка, стержень

Вещественные

Полевые

Твердое вещество

Эластичное вещество

Жесткие

СВЯЗИ

Гравитационные

Электрические

Магнитные

Электромагнитные

Рис. 21. Схема динамизации связей

Если вещества разделены и обеспечивают подвижное соединение, то образуются кинематические связи. Их развитие весьма часто идет в направлении использования более сложных движений.

Полевая связь, как правило, лучше обеспечивает управляемость компонентами технического объекта, она часто создает дополнительные удобства.

Действительно, можно заметить, что многие механизмы в своем развитии проходили этапы, показанные нарис. 21, или, по крайней мере, часть этих этапов.

Однако здесь следует отметить некоторую особенность. С одной стороны, для гидравлической связи, как правило, используются специальные жидкости (естественное вещество – вода часто не удовлетворяет нужным свойствам), а в пневматической связи может использоваться воздух (специальные газы, как правило, не применяются). Поэтому пневматическая связь ближе к идеальному техническому решению.

С другой стороны, гидравлическая связь передает давление практически мгновенно, жидкость несжимаема, поэтому нет потерь на передачу энергии. В пневматических связях часть энергии расходуется на сжатие газа. Поэтому в соответствии с принципом энергетической проводимости гидравлическая связь лучше. Кроме того, она имеет и меньшее время переходного процесса, а это значит, что она лучше и с позиции управляемости процессом.

Приведенная на рис. 21Рис. схема развития связей ТО дает еще один прием поиска технических решений. В частности, если простая кинематическая связь, например, в виде шарнира с одной степенью свободы не позволяет решить задачу, то можно попробовать увеличить количество степеней свободы, изменить характер движения, а именно: перейти к более сложному движению взаимодействующих компонентов. Так работают в манипуляторы современных роботов.

Принцип динамизации используется для совершенствования ТО в рамках определенного ФПД, поэтому можно сказать, что это один из приемов решения задач в процессе конструктивной эволюции ТО.

Например, карданный узел в наборе торцевых гаечных ключей значительно упрощает выполнение работ в труднодоступных местах.

Трамвай из двух вагонов, двухсекционные автобусы и троллейбусы позволяют значительно увеличить вместимость транспортного средства. При этом радиус поворота увеличивается незначительно. Создание двухэтажных автобусов, увеличение длины вагона, дает чисто масштабный эффект. Следует отметить, что оба направления соответствуют конструктивному подходу совершенствования ТО.

Следует отметить также, что переход на другой ФПД, как правило, сопровождается увеличением степени динамичности технической системы.

Динамизация технического объекта часто приводит к увеличению количества выполняемых функций, например, складной нож, разводной ключ,

Динамизация полей осуществляется переходом от полей с постоянными во времени (не изменяющимися) характеристиками, к полям с переменными по времени значениями полевой характеристики.

Поле может меняться во времени и в пространстве. Динамизация во времени может быть представлена последовательностью:

постоянное → возрастающее (убывающее) → циклически меняющееся поле.

Циклические процессы могут быть импульсными и синусоидальными, а управление ими может осуществляться по амплитуде, частоте и сдвигу фаз сигнала.

Динамизация в пространстве выражается в том, что поле из постоянного становится градиентным. Градиент – это мера возрастания или убывания в пространстве какого-либо параметра поля при перемещении на единицу длины.

Переменное поле, как правило, легче поддается преобразованиям, например, трансформатор. Оно имеет больше параметров, которые можно использовать для выработки управляющего сигнала. Импульсное управление, как правило, энергетически более экономно, чем управление постоянным сигналом.

Градиентное поле позволяет решать задачи за счет концентрации напряженности поля в рабочей зоне. Например, большое давление, развиваемое иголкой на малой площади острия; для дистанционного управления потоками заряженных частиц применяется магнитная оптика.

Динамизацию не следует рассматривать только как богатство механического движения. Это более широкие возможности оперативного влияния на параметры, характеризующие компоненты технической системы. Это способность компонентов приспосабливаться к изменяющимся условиям работы, например, автоподстройка радиоприемного устройства на принимаемую частоту сигнала.

3.4.4Переход с макроуровня на микроуровень

Познание человеком Природы начиналось с наиболее простых форм движения материи – механической.

Механические способы взаимодействия макровеществ с привлечением свойств различных геометрических форм вещества было положено в основу работы первых технических устройств. Это не случайно, так как макровещество с его внешними формами и геометрическими параметрами непосредственно даны человеку в ощущениях.

С развитием науки и техники происходит более глубокое проникновение в строение веществ, познание глубинных их свойств и более тонких их взаимодействий на молекулярном и атомарном уровнях.

Человек осваивает технологию на основе применения физической химии, ядерной физики, квантовой механики. Механическое способы взаимодействие веществ, положенные в основу физического принципа действия работы устройства, вытесняются взаимодействием частиц вещества, молекул, атомов.

В процессе конструктивной эволюции повышение качества выполняемой функции часто приводит к усложнению ТС. Переход на другой физический принцип действия заключается в том, что физическая операция основывается на использовании свойств веществ, связанных с их внутренним строением при активном участии физических полей. Эти взаимодействия формируют свойства, которые используются для выполнения требуемой физической операции.

Если на начальной стадии развития физическая операция осуществлялась на макроуровне, – взаимодействием различных веществ на основе использования законов механики, то затем, в результате развития науки и техники, она реализуется на микроуровне, т. е. на использовании свойств малых частиц веществ, определяемых законами строения материи.

В результате этого перехода функцию технической системы, состоящей из нескольких компонентов, выполняет одно вещество со специальными свойствами.

Переход с макроуровня на микроуровень – это закономерность, описывающая процесс перехода к другому ФПД в направлении совершенствования системы.

Из приведенных примеров видно, что очередной шаг в развитии техники может осуществляться в разных направлениях в соответствии с описанными закономерностями: по пути конструктивной эволюции; в соответствии с закономерностью стадийного развития техники; по пути динамизации; переходом на микроуровень.

Запуск двигателя в невесомости

Дополнительные двигатели малой тяги для создания

небольшого ускорения

Вытеснительная диафрагма

Капиллярное заборное устройство

ФПД2
Источники

электроэнергии

Электростатический

генератор

Вольтов столб

Солнечные батареи

Пьезоэлектрический

преобразователь

Топливные элементы

Химический аккумулятор

Электродинамический

генератор

Рис. 22. Примеры развития ТО путем перехода на микроуровень

Печатная и множительная техника

Жесткие печатные формы

Матричные принтеры

Механическая печатная машинка

Электрическая печатная машинка

Струйные принтеры

Лазерные принтеры

Светокопировальные устройства

Использование электростатических полей («Эра», «Вега», «Ксерокс»)

Динамизация

Добавление ПЭ

Переход на другой ФПД

Рис. 23 Смена физического принципа действия множительной техники

Показателен пример развития пар трения.

1.Подшипник скольжения.

2. Подшипник качения (шариковые, роликовые).

3. Гидростатические подшипники – вал не соприкасается с обоймой, а парит в масле, которое под давлением заполняет зазор. Получается бесконтактная гидростатическая опора.

5. Газостатические опоры. Газ нагнетается под давлением через пористые втулки, которые являются его опорами.

6. Газодинамическая опора. Для быстроходных валов давление газа создается под действием центробежных сил.

7. Магнитные опоры – полевое взаимодействие.

Фонограф Эдисона

Магнитофон – магнитная лента

Патефон – граммпластинки

Электрический проигрыватель – граммпластинки

Запись звука на фотопленке

Звукозапись

Лазерная запись звука

Конструктивная эволюция

Новый ФПД

Конструктивная эволюция, стадийное развитие – добавление ПЭ

Смена ФПД

Рис. 24. Смена физического принципа действия записи звука

Переход на другой ФПД приводит к скачкообразному качественному изменению техники. Например, для идентификации изделий вначале применялись печатные этикетки, затем штрих-коды, магнитные метки, радиометки. В перспективе вся информация об изделии будет зашита в микрочип. Соответственно, меняется и оборудование для считывания информации (фотоэлементы, магнитные сканеры, приемо-передающие устройства).

Последовательные изменения в исходной технической системе могут начинаться с разделения вещества, с объединения его с другим веществом, с изменения формы, затем получение веществ с заданной структурой, и других преобразований (рис. 25).

Переход к другому физическому принципу действия – использованию межмолекулярных, межатомных взаимодействий, квантовых эффектов, наноразмерных структур, приводит к использованию скрытых, глубинных свойств веществ для реализации физической операции.

Например, на смену лампам накаливания, используемых в качестве индикаторов и для подсветки приборов, приходят светодиоды; на смену электронно-лучевой трубке, в которой электронный луч вызывает свечение экрана, приходят жидкокристаллические экраны, в которых жидкий кристалл поворачивает угол поляризации света в зависимости от подводимого к нему напряжения.

В технических системах все большее применение находят материалы со специальными свойствами, например, с эффектом памяти формы, изменяющие свой цвет в зависимости от температуры, фотохромные материалы, – очкихамелеоны и др.

Агрегаты молекул

Дисперсное

Слоистое, волокнистое, матричное

Сплошное

(гомогенное)

Молекулы, атомы, ионы

Элементарные частицы

Перфорированное

Капилярно-пористый материал (КПМ)

КПМ ионоактивные

КПМ с заданной структурой

Рис. 25. Схема перехода вещества на микроуровень

Таким образом, новый ФПД образуется не за счет увеличения числа компонентов технической системы в целом, а за счет изменения компонентов и структуры самого вещества, а также организации их вещественно-полевого взаимодействия.

Это положение хорошо иллюстрируется достижениями нанотехнологий, в основе которых лежит осуществление локальных атомно-молекулярных взаимодействий. Объекты таких взаимодействий имеют размеры от 1 до 100нм. Многие функции полупроводниковых устройств сейчас могут быть выполнены благодяря применению углеродных нанотрубок.

Нанотрубки – это третья аллотропная форма углерода (после графита и алмаза). Они представляют собой цилиндры, свернутые из одной или нескольких графитовых плоскостей, толщиной в несколько атомов. В зависимости от размера и формы они могут обладать проводящими или полупроводниковыми свойствами. Нанодиоды и нанотранзисторы, построенные с их применением, в сотни раз меньше существующих транзисторов и диодов. На основе нанотрубок предложено изготавливать устройства памяти (нанопамять), наноинверторы, наномоторы. Разрабатываются новые материалы с наноструктурой или с нанорельефом, обладающие уникальными свойствами: самоочищением, износостойкостью, цветостойкостью и т. п.

3.4.5Закономерность свертывания – развертывания технической системы

Эта закономерность отражает тенденции развития технических систем в плане их структурной перестройки.

Одно из направлений повышения степени идеальности технических систем – это улучшение выполнения ГПФ, увеличения количества выполняемых функций при тех же или меньших факторах расплаты. Это достигается созданием универсальных ТО, что в процессе конструктивной эволюции приводит к усложнению технической системы.

Рис. 26. Универсальный ключ

В техническом объекте главную полезную функцию (ГПФ) выполняет непосредственно рабочий орган. Поэтому процесс развертывание технической системы начинается с момента рождения ТС, т. е. создания функционального центра – рабочего органа , к которому добавляются компоненты, улучшающие выполнение ГПФ. При этом усложняется структура ТС (рис. 27).

((РО  Тр)   ПЭ)   ОУ

Развертывание

Свертывание

Рис. 27. Модель свертывания–развертывания технической системы

Развертывание ТС продолжается сначала в рамках существующей конструктивной концепции, а затем и при ее изменении.

Это приводит к увеличению количества компонентов и, следовательно, к усложнению ТО. Затем новые достижения в науке и техники позволяют отказаться от ряда узлов в пользу одного, который выполняет несколько функций. Начинается процесс свертывания ТС, который сопровождается улучшением выполнения ГПФ.

Таким образом, развертывание ТО это процесс присоединения новых функциональных компонентов. ГПФ остается, но она лучше выполняется. Главное требование – чтобы в процессе развертывания происходило повышение потребительных свойств технического объекта. При этом происходит усложнение ТО за счет увеличения количества компонентов и связей между ними.

Следует отметить, что в развитии реальных технических систем проявляется сразу несколько закономерностей, например, рис. 28.

Пишущая ручка

Гусиное перо

Стальное перо

Шариковая ручка

Фломастер

Доработанный природный материал

Конструктивная эволюция –

смена материала

Образование бисистемы

РО + емкость для чернил

Шариковая ручка с колпачком

Шариковая ручка с убирающимся стержнем

Динамизация

Бисистема

Рис. 28. Развитие пишущей ручки

Процесс свертывания характеризуется тем, что в технической системе уменьшается количество компонентов. Функции упраздненных компонентов передаются другим компонентам или в надсистему.

Поскольку ГПФ выполняет РО, то упраздняться могут только компоненты, которые выполняют основные или вспомогательные функции. Поэтому свертывание ТО происходит в последовательности, обратной развертыванию. В пределе техническую систему можно свернуть до рабочего органа.

Этот процесс полностью соответствует закону увеличения степени идеальности: техническая система уменьшает свои МГЭ (масса-габариты-энергия) при одновременном улучшении выполнения ГПФ.

Процесс свертывания может осуществляться как при конструктивной эволюции ТО, так и в процессе «перехода на микроуровень», т. е. при изменении принципа действия некоторых компонентов ТО, что наблюдается значительно чаще.

С одной стороны, в соответствии с закономерностью стадийного развития, к РО добавляются компоненты, происходит усложнение технического объекта, он развертывается до полной технической системы. Это характерно для этапа конструктивной эволюции.

С другой стороны, в соответствии с законом повышения идеальности, для технических систем характерно стремление к уменьшению количества компонентов – свертыванию ТС.

Переход с макро на микроуровень часто сопровождается объединением функций в одном компоненте (например, в микросхеме выполнены полупроводниковые датчики и мостовая схема для обработки сигнала). Количество компонентов ТС становится меньше, но каждый из них становится многофункциональным, т. е. происходит упрощение структуры технической системы, ее свертывание .

Процессы свертывания и развертывания всегда сопровождаются появлением точек бифуркации (от лат. bifurcus раздвоенный), т. е. разделения, разветвления. Одна часть технических объектов получает развитие на пути конструктивной эволюции, другая – по линии динамизации, третья за счет перехода на микроуровень. Эти процессы сопровождаются скачкообразным изменением свойств технического объекта.

Г. С. Альшуллер отмечал, что одним из направлений развертывания ТС является объединение ее с другой технической системой, – образование бисистемы, эффективность которой выше чем двух слабо связанных систем. Он назвал этот процесс «переходом в надсистему». Затем возможно образование полисистем.

Он отмечал также, что эффективность ТС может быть повышена развитием межэлементых связей, а также «увеличением различия между элементами», – т. е. объединением систем с противоположными свойствами (рис. 29Рис.). Действительно, линия развития: “моно – би – поли – новая свернутая система” прослеживается у многих ТО.

Например, повышение скорострельности оружия шло по линии: одноствольное ружье (пистолет), – двуствольное, – многозарядная винтовка (револьвер), – карабин, – пулемет, автомат.

Синтез би- и полисистем может быть получен объединением: однородных ТС; систем со смещенными характеристиками; систем с противоположными свойствами.

Частично свернутая бисистема

2А 1

Новая бисистема

Частично свернутая бисистема

2Б 1
Моноситема

Полностью свернутая бисистема (новая моносистема)

Бисистема

Рис. 29 Схема развития технической системы

3.4.6Закономерность взаимосвязанного и неравномерного развития

Суть этой закономерности заключается в том, что прогресс одной отрасли техники (или определенного класса ТО) способствует развитию других отраслей (или классов ТО), он является стимулом для внедрения полученных научных и технических достижений в других отраслях.

Введение

1. Понятия и определения

2. Закономерности техники

3. Основные законы развития технических систем

3.1 Закон прогрессивной эволюции техники

3.2 Закон полноты частей системы

3.3 Закон расширения множества потребностей-функций

3.4 Закон соответствия между функцией и структурой

4. Вытеснение человека из технических систем

4.1 Закон стадийного развития техники

4.2 Роботизация и законы робототехники

5. Прогнозирование развития технических систем

Список литературы

Введение

Развитие человечества, уже много столетий связано с развитием техники. На протяжении многих лет люди улучшали и модернизировали существующую технику и изобретали новую. Техника же помогала люди развиваться самим, улучшать свои навыки и способности.

Как и весь наш мир техника существует и развивается на основе законов. Разработка законов развития технических систем велась уже достаточно давно. Первую работу по законам развития техники написал Георг Гегель в параграфе «Средство» работы «Наука логики». «Техника механическая и химическая потому и служит целям человека, что ее характер (суть) состоит в определении ее внешними условиями (законами природы)». В 1843 году В. Шульц описал прототип закона полноты частей системы. Он писал, что «можно провести границу между орудием и машиной: заступ, молот, долото и т.д., системы рычагов и винтов, для которых, как бы искусно они ни были сделаны, движущей силой служит человек … все это подходит под понятие орудия; между тем плуг с движущей его силой животных, ветряные мельницы следует причислить к машинам ». Чуть позже некоторые законы развития техники были описаны К. Марксом и Ф. Энгельсом. К. Маркс описал эти законы в разделе «Развитие машин», «…различие между орудием и машиной устанавливают в том, что при орудии движущей силой служит человек, а движущая сила машины – сила природы, отличная от человеческой силы, например животное, вода, ветер и т.д.». Некоторые дополнительные материалы можно найти в работах Ф. Энгельса по истории развития военной техники и ведения войн. Это работы 1860–1861 гг., в частности: «О нарезной пушке», «История винтовки», «Оборона Британии», «Французская легкая пехота» и др. Определенным вкладом в понимании техники и ее законов было создание «философии техники». Этот термин ввел немецкий ученый Эрнест Капп. В 1877 году он выпустил книгу «Основные линии философии техники». Основное развитие этого течения проходило в начале XX века. В основном, развитием «философии техники » занимались немецкие ученые Ф. Дессауер, М. Эйт, М. Шнейдер и др. В России эту тематику разрабатывал П.К. Энгельмейер. В 1911 году он выпустил книгу «Философия техники». Все эти работы обсуждали теоретические и социальные проблемы техники и технического прогресса. Вопросами истории техники, классификации и определения понятий техники занимались многие ученые в различных странах К. Туссман и И. Мюллер (в Германии), В.И. Свидерский, А.А. Зворыкин, И.Я. Конфедератов, С.В. Шухардин (в России) и др. В 1962 году был выпущен фундаментальный труд по истории техники.

Тем не менее, наука о законах техники только начинает формироваться. И первый этап, естественно, связан с формулированием и обоснованием гипотез о законах строения и развития техники. Сегодня нет пока достаточно обоснованных общепризнанных отдельных законов техники и нет еще даже в гипотезах полной замкнутой системы их системы. Создание такой системы, как и обоснование отдельных законов – одно из важнейших актуальных современных направлений фундаментальных исследований, относящихся к технознанию и общей теории проектирования. Это направление ждет своих энтузиастов-исследователей.

Однако, в отличие от недавнего времени сегодня уже имеются теоретические и методические разработки по законам и закономерностям техники, которые представляют большой интерес для практического использования. Законы техники, а также более частные и локальные закономерности могут иметь многоплановое приложение в инженерном творчестве. Во-первых, на основе законов и закономерностей техники могут быть разработаны наиболее эффективные методология и методы инженерного творчества. Во-вторых, привязка законов и закономерностей к конкретному классу технического объекта позволяет определить наиболее структурные свойства, облик и характеристики технического объекта в следующих поколениях.

В данной работе будут рассмотрены наиболее основные законы, нашедшие свое подтверждение на практике, на основание которых можно анализировать существующие технические объекты и со степенью вероятности проектировать дальнейшее развитие отдельных машин и механизмов.

Прежде чем перейти непосредственно к самим законам, нужно дать точное определение техническим объектам, описывающимся в этих законах, и дать определения закону, как понятию.

1. Понятия и определения

Техника(греческое «техне» – ремесло, искусство, мастерство).

Определения техники можно объединить в три основные группы. Их можно представить следующим образом: техника как искусственная материальная система; техника как средство деятельности; техника как определенные способы деятельности.

Первое значение (техника как искусственная материальная система) выделяет одну из сторон существования техники, относя ее к искусственным материальным образованиям. Но не все искусственным материальным образования являются техникой (например, продукты селекционной деятельности, которые обладают естественной структурой). Поэтому сущность техники не исчерпывается подобными определениями, так как не выделяют технику среди других искусственных материальных образований.

Второе значение также является недостаточным. Техника трактуется как средство труда, средство производства, орудия труда и т.д. Иногда техника определяется сразу и как средства, и как орудия. Но это не корректно, так как и то и другое понятия лежат в одной плоскости рассмотрения и средства труда являются более широким понятием по отношению к орудиям труда.

Третье выделенное значение – техника как определенные способы деятельности. Но этой сущности скорее соответствует понятие «технологический процесс», который, в свою очередь, является элементом технологии.

Технический объект. Понятие «технический объект» обозначает такое техническое явление, которое обладает всеми основными признаками общего класса технических образований. Отдельный технический объект является наиболее полной единичной клеткой технического мира.

Таким образом, технические объекты – это такие образования, которые, выполняя функцию средства человеческой деятельности, интегрируют в себе основные стороны деятельности человека (материальную, научную, художественную). Все другие образования существуют относительно самостоятельно и образуют смежные явления, представляющие отдельные части целого. К ним можно отнести: явления духовной жизни человека; произведения искусства; используемые неизмененные природные формы; технические системы, обладающие искусственной природой, но не выполняющие целостной социальной функции.

Наиболее детально характеристику технического объекта дал В.В. Чешев. Он пишет «…технический объект предстает в виде определенной совокупности элементов, в виде определенной вещественной структуры. …он представляет собой особую «целесообразную форму» проявления некоторого закона природы и должен описываться со стороны технических свойств, проявляемых им при практическом использовании в производственной (или какой-либо другой) сфере деятельности, а также должен быть описан со стороны своего внутреннего содержания как процесс, определяемый законом природы. Описывая техническое устройство совокупностью технических и естественных свойств, мы получаем обобщенное представление о техническом объекте».

Машина (от лат. machina – устройство искусственного происхождения (совокупность агрегатов или устройств).

Машиной называют устройство для совершения полезной работы или преобразования энергии. Машины, в которых энергия преобразуется в механическую работу, затрачиваемую на приведение в движение машин-орудий, называют машинами-двигателями.Машины, при помощи которых производится изменение формы, свойств, положения, состояния тех или иных материалов или предметов, называют машинами-орудиями (например, металлорежущий станок). «Идеальная машина» – абстрактный эталон, в реальных условиях недостигаемый и отличающийся следующими обстоятельствами:

Все части идеальной машины все время несут полезную расчетную нагрузку.

Материал «идеальной машины» работает так, что его свойства используются наилучшим образом, например, металлические части работают только на растяжение, деревянные части – только на сжатие и т.д.

Для каждой части «идеальной машины» созданы наиболее благоприятные внешние условия (температура, давление, характер движения внешней среды и т.д.).

Если «идеальная машина» передвигается, то вес, объем и площадь полезного груза совпадают или почти совпадают с весом, объемом и площадью самой машины.

«Идеальная машина» способна менять назначение (в пределах своей основной функции).

Межремонтный период частей равен сроку службы всей «идеальной машины».

Сравнивая «идеальную машину» с идеей изобретения, можно судить об уровне, вообще достигнутом в данной отрасли техники, и о качестве найденной идеи.

Механизм – это совокупность тел (обычно – деталей машин), ограничивающих свободу движения друг друга взаимным сопротивлением. Механизмы служат для передачи и преобразования движения. Как преобразователь движения механизм видоизменяет скорости, или траектории, или же и то, и другое. Он преобразует скорости, если при известной скорости одной из его частей другая его часть совершает движение, подобное движению первой, но с другой скоростью. Механизм преобразует траекторию, если, в то время как одна из его точек описывает известную траекторию, другая описывает другую заданную траекторию.