2. Закономірності розвитку технічних систем і актуальність їх використання в практичній діяльності

Важливу роль у підвищенні ефективності інженерної діяльності у пошуку нових технічних рішень відіграють:

• знання закономірностей розвитку технічних систем (ТС);

• вміння їх аналізувати та використовувати для пошуку нових резервів розвитку ТС;

• визначення доцільності удосконалення або створення принципово нових ТС.

Технічна система (ТС) - це сукупність упорядковано взаємодіючих елементів з характерними властивостями, які не зводяться до властивостей окремих елементів, і призначена для виконання конкретних корисних функцій [1]

Як приклад, який відображає закономірності розвитку технічної системи, розглянемо динаміку розвитку швейної машини.

З глибини століть дійшла до наших днів звичайна швейна голка, яка виконує свою функцію. Саме кістяну, дерев’яну або кам’яну голки чи скоріше шило можна вважати пращурами швейної машини.

Трохи пізніше був винайдений гачок, а напевно потім і сама голка з вушком, причому вушко робилося на гострому кінці голки або шила, майже як на голках сучасних швейних машинах.

Є підстави вважати, що цю ідею, десь у чотирнадцятому столітті, першими використали голландці, у чиїх майстернях по пошиттю вітрил уперше була застосована колісна машина, яка зшивала довгі полотнища вітрил. Вона була недосконалою, дуже громіздкою і займала багато місця.

Ручні швейні машини з’явилися близько трьохсот років тому, але вони не являли собою механізм зовні схожий на сучасний і повторювали рухи людей при шитті.

Перший патент на винахід швейної машини був виданий англійцеві Чарльзу Вейзенталю тільки в 1755 році. Він одержав патент на голку, яку можна використовувати для механізму, який шиє. Машина, ж так і не була створена.

Пройшло ще 35 років до винаходу англійця Томаса Саінта, що вважається першою швейною машиною. В 1790 винахідник запатентував машину для виготовлення шкіряних речей та взуття, у якій шило робило отвір у шкірі й дало можливість голці проходити через неї. Критики вказували на те, що Саінт тільки запатентував ідею, але імовірно, що сама машина так ніколи й не була створена. В 1880-х роках була зроблена спроба відтворити машину за малюнками Саінта, але виявилося, що вона не буде працюватиме без значної модифікації.

Історія переносить нас в Німеччину, де близько 1810 року, винахідник Бальтазар Креме винайшов машину для шиття кашкетів. Точної дати винаходу не можна вказати, тому що Креме свої винаходи не патентував. Тоді ж австрійський кравець Джозеф Мадерспергер винайшов ряд швейних механізмів на які одержав патент в 1814 році. Він продовжував працювати над винаходами до 1839 року, на фінансову допомогу, надану австрійським урядом, але так і не зумів зібрати воєдино всі елементи в одній машині.

Ще два винаходи були запатентовані одночасно, один - у Франції Томасом Стоуном і Джеймсом Хендерсоном - машина, яка намагалася наслідувати ручне шиття, інший Скоттом Джоном Дунканом - машина для вишивки, що використовувала безліч голок. На жаль, нічого конкретного не відомо про долі цих винаходів. Тільки в 1830 році французові Бартоломі Тимонье був виданий патент французьким урядом, та дане урядове замовлення на виготовлення партії машин для пошиття військової форми. До 1840-ого року була побудована невелика фабрика, яка нараховувала 80 машин. Але розгнівані кравці, які шили до цього вручну, розгромили фабрику та знищили всі машини.

Така доля спіткала багатьох винахідників та їх винаходи. Наприклад, застібка “блискавка” для одягу та взуття теж була винайдена за десятки років до того часу як їх стали масово використовувати і довгий час удосконалювалася. Тільки після замовлення великої кількості комбінезонів для морських піхотинців Великої Британії вона одержала фінансування та „путівку в життя”.

Як відомо після невдачі засмучений Тимоньє з новою моделлю машини виїхав до Англії, де заснував першу фабрику з виробництва одягу. На жаль, він розорився і помер в убогості в 1857 році не зважаючи на його творчі успіхи.

І нарешті в Америці в 1833 Уолтер Хунт винайшов першу машину принцип дії якої відрізнявся від ручного шиття, вона мала голку з отвором на кінці й дві шпульки. Недоліком її було те, що вона шила тільки прямо й невеликий відрізок тканини.

Дев'ятьма роками пізніше його співвітчизник, Джон Гриноуг, винайшов швейну машину, у якій голка повністю проходила через тканину. Хоча модель була зроблена й показана, у надії продажу її швейним магнатам, нею на жаль ніхто не зацікавився.

Зрушення в цьому питанні наступило нарешті, тільки у 1845 році коли американець Елиас Хоу одержав патент на першу машину з досить досконалим човниковим механізмом. Цей тип машин можна й нині зустріти у деяких бабусь. У нас вона з‘явилась завдяки купцю Папову, який виготовляв її у своїх майстернях під маркою "Singer і Попов". Човник рухався вздовж машини, голководій - квадратного перетину, регулювання натягу нитки було дуже примітивне.

Корінна зміна в конструкції машин відбулася в 1850 році, коли відразу три винахідники Вильсон, Гиббс і Зингер запатентували нові більш досконалі конструкції. Найбільш вдалою машиною виявилася машина Зингера з так званим „хитним човником”. Суть винаходу - човник став ходити не вздовж машини, як раніше, а робив дугоподібний рух поперек станини машини, що призвело до зміни її конструкції. При цьому човник також став більш зручнішим для проходження через нього нитки. Натяг нитки човника регулювався пружиною, а верхня нитка регулювалася чашечками за рахунок тертя.

В 1854 році в Нью-Йрку Исаком Зингером разом з Едуардом Кларком було засноване товариство „И. Зингер і Ко”, а в штаті Нью-Джерсі заснований завод по виробництву швейних машин. Підприємство росло й розвивалося. Унікальна по тим часам система продажів та виплат дозволила компанії до 1863 року завоювати світову популярність і лідерство. Наприкінці 19-го століття був справжній бум по виробництву й придбанню швейних машин. Багато відомих фірм з‘явилися саме в цей час, наприклад , „Pfaff”, „Veritas”, „Kaizer” тощо.

В 1990 році фірма Зингер заснувала завод в Росії (м. Подольськ), який випускав швейні машини із деталей, що поставлялися із закордону.

В 1950 р. Відбувся значний стрибок у розвитку швейного машинобудування в Японії засновано фірми "Джукі", "Ямото", "Сейко" та інші.

Роботи по розробці нових і удосконаленню існуючих швейних машин продовжуються і сьогодні по всьому світі. Швейні машини застосовуються в таких підгалузях легкої промисловості, як швейна, взуттєва, трикотажна, шкіргалантерейна та хутрова.

Рівень розвитку сучасної техніки інколи просто вражає, проте з кожним роком бачимо все нові й нові пристрої, машини, зокрема електронно- обчислювальні, засоби виробництва, побутові прилади, які ще декілька років тому могли здаватись просто проявом фантазії інженерів-мрійників, а насправді

• це, насамперед, результат творчої праці колективів фахівців.

Швейну та взуттєву галузь також не оминає прогрес, хоча з боку пересічного громадянина може виникнути просте запитання - що можна вдосконалити у швейній машині? Зрозуміло, що для фахівця це питання не є актуальним. Проблема швидкості швейних машини нині не є нагальною бо рівень швидкості сучасних швейних можна збільшити у такий спосіб, що оператор буде не в змозі нормально працювати, виконуючи свою операцію з належною якістю. Тому розвиток машинобудування легкої промисловості націлений на удосконалення устаткування за умов автоматизації та адаптації робочого місця для максимального поліпшення умов праці відповідно до технологічних потреб.

Як бачимо із прикладів кожна технічна система має свій «життєвий цикл».

«Життєвий цикл» технічної системи графічно можна зобразити у вигляді ламаної кривої (рис.3.1).

Основні

п

Час

оказники

технічної

системи

1. - примітивізм; 2 - значні удосконалення;

3 - надійність; 4 - масовий атрибут.

Рисунок 3.1 - Лінії «життєвого циклу» технічних систем А та Б

Точки перегину а, в, у умовно відображають моменти переходу системи з одного стану до іншого.

Можна побачити, що на 4 етапі починається спад. Тому необхідна заміна

на нову технічну систему. Попередня система - А. Нова система (створення якої можливо на базі першої) - Б.

Середній термін створення нового обладнання (від конструкторської розробки до впровадження у виробництво) 5-10 років. Саме цей термін визначає моральну старість попередніх зразків техніки. За сучасних економічних умов краще один раз замінити машину на принципово нову високопродуктивну, ніж декілька разів робити заміну на подібні, але більш модернізовані машини (що дають підвищення продуктивності до 20%).

Інженер має чітко уявляти закономірності (особливості) розвитку технічної системи, тобто її «життєвого циклу». Це необхідно для того, щоб визначити - потрібно удосконалювати існуючу систему, чи є потреба у створенні абсолютно нової. Наприклад, ефект починається тільки після переходу до масового використання системи (2 етап). Тобто, в даний період навіть незначне удосконалення дає значний ефект. Якщо система, що досліджується, знаходиться на 4 етапі - найкращім буде направити зусилля на створення та розробку нової системи [2].

Для розробки нової системи необхідно:

• проаналізувати динаміку розвитку існуючої системи;

• визначити етап (стадію) її розвитку;

• обґрунтовано сформулювати конкретну програму дій (технічне завдання).

Розглянемо детальніше закономірності розвитку й удосконалення знарядь та інструментів, що використовують люди для реалізації певних функцій і досягнення бажаних цілей, застосовуючи графік на рис. 3.2.

По вертикальній осі графіка зазначається «досконалість» виробу - його виробнича спроможність і корисність для людини. Горизонтальна - вісь часу.

Особливість графіка продемонструємо на прикладі автомобіля із бензиновим двигуном. Перші з них являли собою дерев'яні візки з малопотужними і простими двигунами. Примітивізм і неповторність конструкції гранично ускладнювали використання - тільки автор (творець) був спроможний передбачати несприятливі для саморухомого апарата умови і впливи, а також ремонтувати пошкодження. Цій частині історії автомобіля відповідає початкова частина графіка на ділянці 1 [3].

Після значних удосконалень і початку заводського виготовлення ці перші серійні автомобілі могли купувати тільки дуже багаті особи, які спроможні були платити механікам і водіям за ремонт автомобіля й керування ним. Перші дві декади існування автомобіля відзначені практично безперервним внесенням в його конструкцію великої кількості істотних удосконалень, що дало змогу пройти всю частину кривої 1-2.

Рисунок 3.2 - Криві, які характеризують винахідницьку діяльність в різні періоди «життєвого циклу» технічної системи

У момент часу, позначений на графіку точкою а, відбулася якісна зміна в організації виробництва автомобілів і залученні до їх удосконалення по- справжньому великих матеріальних та інтелектуальних ресурсів. Автомобілебудування отримало дуже великі кошти й сконцентрувало кращих фахівців із конструювання двигуна, трансмісії, системи управління тощо. Був винайдений конвеєр і застосовані цілком нові матеріали для коліс, гальм та інших частин автомобіля. За порівняно короткий інтервал часу а-Р із

примхливої та крихкої «антилопи-гну» автомобіль перетворився на досить надійний і навіть не надто дорогий засіб пересування. Масове виробництво настільки зменшило ціну нескладних моделей автомобілів, що вони стали атрибутом не тисяч, а мільйонів сімей.

Автомобіль порівняно рівномірно вдосконалювався впродовж всіх десятиліть ХХ ст., але наприкінці останнього почав поступово виходити на так зване «плато досконалості», якому відповідає горизонтальна частина графіка (етап 4). Вичерпалися можливості удосконалення форми кузова для зменшення коефіцієнта лобового опору, потужності й економічності двигуна, рівня зручності сидінь тощо. Прогрес у наші дні пов‘язаний не з футуризацією обрисів автомобіля, а з насиченням його вмісту новітньою мікрокомп‘ютерною технікою, засобами комфорту та безпеки пасажирів тощо.

Отже, період розвитку автомобіля від винайдення до виходу на «плато досконалості» механічних аспектів його досконалості тривав майже сто років. Це досить довго, а тому одного разу навчений слюсар-механік міг без проблем використовувати свої знання з ремонту двигуна чи інших систем автомобіля десятки років - принцип їх дії й основі риси конструкції залишалися незмінними.

Д

Дещо про технічні системи та закономірності їх розвитку, які необхідно використовувати в практичній діяльності

жерелом неприємностей для зайнятих ремонтом автомобілів осіб стали його комп’ютеризовані елементи (система Б). Прогрес у цьому секторі сьогодні настільки стрімкий, що знання й навички втрачають придатність уже не за десятки років, а усього за кілька (рис. 3.3). Перенавчання й перепідготовка спеціалістів стали нормою.

Рисунок 3.3 - Наглядний приклад результатів технічної творчості - автомобіль сьогодні та сто років тому.

Генрі Форд - “автомобільний король Америки”.

Більшість людей вважає, що Генріх Форд винайшов конвеєр по складанню автомобілів, але за 6 років до Форда Рєнсом Олдс з автомобільної компанії “Oldsmobile " вже використовував в виробництві візки, що рухаються поздовж складальної лінії автомобілів, а стрічкові транспортери вже застосовувалися й на зернових елеваторах та на м’ясокомбінатах у Чикаго.

А рівно за 5 років до цього Генрі Ліленд з компанії “Cadillac Automobile " вразив світ виробництвом взаємозамінних деталей для автомобілів, що значно збільшило темпи виробництва цієї фірми.

Г

Рисунок 3.4 - Ранні зразки моделі Т (1907 г.): а) модель Т - з двома важелями та двома педалями; б) модель Т - з двома важелями та трьома педалями

WATCH Tnt ГОГСІїЛ CO L'Y

Рисунок 3.5 - Рекламні анонси Генрі Форда на автомобілі моделі Т (1915р.).

еній Генрі Форда заключався в тому, що в 1913 році він зміг об’єднати компанію “Oldsmobile " та ідею Ліленда. Це дозволило йому створити свою відому складальну лінію, що рухалась. Автомобільна рама рухалась по цеху на конвеєрній стрічці, в той час коли робітники з обох боків конвеєра встановлювали деталі на раму. Після того як був впроваджений конвеєр, автомобіль моделі Т можливо було виготовити менше ніж за 2 години, а ціна автомобіля зменшилась вдвічі й становила близько $400.

Ця ідея була дуже успішною і вироблялася більш ніж 15 років, с 1913 р. до кінця 1928 р., половину всіх проданих в Америці автомобілів складали “Форди”.

Швидконіг для всіх доріг.

Швидконіг - так перекладається з латині велосипед. Ми вже в 1981 році відмітили двохсотліття велосипедної історії.

Серед перших винахідників велосипеду можна зазначити кріпака з містечка Верхотури, що на Уралі, Єфима Артемонова, що був ковалем, слюсарем, теслярем тобто винахідливою людиною - майстром на всі руки. Ніхто сьогодні не знає, як саме дійшов він до свого винаходу. Лише у Словнику Верхотурського повіту Пермської губернії, що був виданий у 1910 році, написано: ’’Мастеровой уральських заводов Артемонов в 1801 году...бегал на изобретённом им велосипеде”. У цього велосипеда був руль, педалі, сідло тощо. Вся конструкція викована з заліза. Ведуче колесо - переднє, діаметром в ріст людини. Заднє - вдвоє менше. Така конструкція стала прототипом цілого сімейства велосипедів, які здобули назву „павуків” (рис.3.6).

По рівній дорозі „павук” розганявся до 12-20 верст за годину. Але був нестійкий тому, що центр тяжіння був розташований дуже високо.

Рисунок 3.6 - Еволюція створення та розвитку винаходу - велосипед

Багато часу пройшло поки конструктори не вирішили змінити схему велосипедів - „ відірвати ” ноги велосипедиста від переднього колеса. Лише в 1858 році, більше ніж півстоліття потому, на швидконогах вперше з „явилася ланцюгова передача. І ще десятки років потому намаганнями англійця Старлея, німця Трефта, француза Сирурена та інших винахідників шатуни з педалями перемістилися на знайоме нам місце - між колесами, причому ведучим стало заднє. На ободах з„явилися гумові шини, у втулках стали застосовувати шарикопідшипники, поставили гальма - велосипед поступово прийняв сучасний вигляд, але вага його становила більш ніж 30 кг і на нерівностях дороги він трясся так, що його прозвали кісткотрясом.

Наступний значний винахід зробив шотландець Данлоподом. Він запропонував оснастити обода колес гумовими шлангами наповненими водою, яку з часом він замінив повітрям, але для цього йому прийшлося винайти ніпель

• клапан, який утримує в шині закачане повітря.

З часом порожнистими стали не тільки шини. Суцільнометалева рама була замінена трубчастою з легких сплавів, зрівнялися поступово в діаметрі колеса тощо.

В 1892 році тільки в Франції було видано 1000 патентів на винахід щодо велосипеду, в Англії -2400, в США - 4000.... Винахідницький бум не зменшився і продовжується. На сьогодні по всьому світі зареєстровано більше 20000 патентів на різні конструкції велосипеду.

Подібним до розглянутого нами прикладу був процес еволюції апаратів для створення та запису зображень, звуків тощо. Та для них, на відміну від автомобіля, тільки останні роки XX ст. стали періодом принципових удосконалень. Наприклад, якраз у даний момент стає анахронізмом фіксування зображення на папері чи плівці за допомогою фотохімічних процесів. Традиційні фотоапарати, практично вийшовши на своє плато досконалості, поступаються цифровим апаратам, які фіксують зображення у формі електричних імпульсів 1, тих самих, які вперше були використані в електролампових електронно-обчислювальних машинах. На наш погляд, вкладення сьогодні грошей в удосконалювання плівкових фотоапаратів так само нерозумне, як реанімація й удосконалення газових освітлювальних ламп.

Щось подібне сталося і в звукотехниці де запис інформації на стрічку видається аж надто примітивним на тлі лазерних дисків, які містять недоступну для попередніх типів засобів звукотехніки кількість інформації й дають змогу дуже якісно відтворювати найскладнішу оперну чи концертну музику.

Та повернімося до комп‘ютерів. Ці машини лише за півстоліття пройшли стрімкий і набагато складніший шлях еволюції, який можна передати кількома незалежними графіками вдосконалення. Окремою була історія електронно- обчислювальних машин (ЕОМ), які працювали на вакуумних багатоелектродних лампах розжарення, мали велетенські розміри та споживали багато електроенергії. Швидко досягнувши досконалості у своїй конструкції, ці «динозаври» майже миттєво зникли, у кілька разів меншим за об‘ємом і масою ЕОМ, робочим елементом яких стали напівпровідникові діоди, тріоди й інші елементи.

Однак життя цих «переможців» було ще коротшим - фізики й технологи придумали спосіб виготовлення сполучених в єдиний комплекс (так званий «чіп») дедалі більшої кількості мікроскопічних елементів ЕОМ - спершу десятків, потім тисяч, у наш час - мільйонів. Мініатюризація елементів пам‘яті й інших складових частин ЕОМ дала змогу витіснити напівпровідникові машини комп‘ютерами з робочими елементами на мікросхемах. Змагання конструкторів і виробників комп'ютерів із різних фірм і країн зумовило блискавичне поліпшення їх якості - „нові” моделі ставали „старими” ще до повного поширення на ринку збуту, а "сучасна технологія" на заводах - виробниках ЕОМ насправді була вже ретротехнологією, бо в лабораторіях- лідерах науковці шліфували те, що наступного року здійснювало черговий переворот і примушувало споживачів відмовлятися від попередніх моделей комп'ютерів і купувати нові.

Тому стратегічно правильним буде орієнтуватися не на "сучасні", а на „перспективні” інформаційно-комп'ютерної технології, на ті, які будуть домінувати на ринку через кілька років.

Та це й ще не все - слід проаналізувати можливий шлях розвитку всієї інформаційно-комп‘ютерної сфери. Чи не відбудеться такий переворот, коли всі сучасні машини стануть старим непотребом на кшталт ЕОМ на скляних вакуумних елементах?

Є всі підстави вважати, що вже перша половина XXI століття буде відзнаначена аж двома подібними революціями [3].

Перша з них - перехід з електрично-струмових процесорів (чипів) на лазерно-світлові. Вчені вже років із тридцять намагаються створити світлові процесори, вважаючи таке завдання цілком, реальним. Швидкодія нових процесорів у кілька тисяч разів перевищить навіть найкращі сучасні, а тому персональні комп‘ютери „оптичного періоду” одразу ж стануть суперкомп‘ютерами - спілкування людини з ними буде відбуватися без клавіатури (голосом), створення тексту статті чи книги - з голосу людини. Так перший з оптичних процесорів із тактовою частотою 8 ГГц уже запрацював у 2003 році в одній із, військових лабораторій Ізраїлю й отримав кодове позначення ЕnLight256. Немає жодних сумнівів у тому, що подібне станеться і в інших країнах, де так само добре підготовлені інженери-фізики йдуть подібним шляхом.

Друга з очікуваних революцій - віддаленіша у часі й може бути названа «нано-квантовою». Перехід у нанодіапазон розмірів означає, що елементи комп’ютерів зменшаться в тисячі разів, об‘єм запису інформації на плівках у мільйони. Та головним є не це, а той факт, що в наночіпах стануть непридатні всі ті фізичні закони макросвіту - Ома, Ампера та інших - які лежать в основі сучасних комп‘ютерних процесорів. Там діятимуть закони квантової механіки, можливості яких перевищують попередні більше, ніж ядерна енергія перевищує традиційну хімічну. Навіть обережні передбачення переконують у тому, що перший квантовомеханічний нанокомп‘ютер буде потужнішим за усі суперкомп'ютери зразка 2003 року разом узяті.

Як же діяти в передбаченні того, що вказані вище дві комп‘ютерно- інформаційні революції обов‘язково відбудуться? Для розширеного аналізу багатьох можливих варіантів дій не маємо змоги, отже, обмежимося найістотнішим.

Стає ультимативно важливим перехід від “короткого” планування до “довготривалого”, від припущень про незмінність і постійну придатність сучасного інформаційно-комп’ютерного обладнання до уявлення про те, що час його “життя” може тривати не більше двох-трьох років.

Тож виникає питання, навіщо нині засвоювати швидку роботу на клавіатурі та запам'ятовувати сотні команд, якщо у перспективі управління стане звуковим, а не механічно-тактильним? У даний момент звуковий спосіб уже відпрацьований на суперкомп’ютерах з високою швидкодією. Оптичні процесори дадуть змогу здійснити його й на невеликих і відносно дешевих персональних машинах, які в найближчі роки можуть розпочати свій життєвий цикл, зображений нами вище у формі характерних графік (рис. 3.2) [3].