
- •ОГЛАВЛЕНИЕ
- •ПРЕДИСЛОВИЕ
- •ВВЕДЕНИЕ
- •1.1. Понятие научного знания
- •1.2. Методы теоретических и эмпирических исследований
- •1.3. Выбор направления научного исследования
- •Вопросы для самопроверки
- •2. ТВОРЧЕСТВО КАК ОСНОВНАЯ ЧАСТЬ ДЕЯТЕЛЬНОСТИ ЧЕЛОВЕКА
- •2.1. Творчество
- •2.2. Воображение
- •Вопросы для самопроверки
- •3. ЗАКОНЫ РАЗВИТИЯ ТЕХНИЧЕСКИХ СИСТЕМ
- •Вопросы для самопроверки
- •4. СТРОЕНИЕ МЕХАНИЗМОВ
- •4.1. Основные определения
- •4.2. Классификация кинематических пар
- •4.3. Виды механизмов и их структурные схемы
- •Вопросы для самопроверки
- •5. МЕХАНИЧЕСКИЕ СВОЙСТВА МЕТАЛЛИЧЕСКИХ МАТЕРИАЛОВ
- •5.1. Деформация металлов
- •5.2. Разрушение металла при растяжении
- •5.3. Твердость металлов
- •5.4. Прочностъ металлов при динамических нагрузках
- •5.6. Ползучесть металлов
- •5.7. Изнашивание металлов
- •5.8. Маркировка сталей
- •Вопросы для самопроверки
- •6. МЕТОДЫ АКТИВИЗАЦИИ ПОИСКА НОВЫХ ТЕХНИЧЕСКИХ РЕШЕНИЙ
- •6.1. Метод контрольных вопросов
- •Вопросы для самопроверки
- •6.2. Метод мозгового штурма
- •Вопросы для самопроверки
- •6.3. Метод морфологического анализа
- •Вопросы для самопроверки
- •Вопросы для самопроверки
- •6.5. Метод предварительного анализа
- •Вопросы для самопроверки
- •6.6. Приемы преодоления технических противоречий
- •6.7. Метод фокальных объектов
- •6.8. Эвристика как наука о творческом мышлении
- •Вопросы для самопроверки
- •6.9. Инверсология
- •Вопросы для самопроверки
- •6.10. Методы традиционной логики
- •6.11. Апология случайности
- •Вопросы для самоконтроля
- •Вопросы для самопроверки
- •Вопросы для самопроверки
- •9. ИЗОБРЕТЕНИЯ
- •9.1. Объекты изобретений
- •9.2. Установление сущности изобретения
- •9.3. Выбор объекта патентной защиты
- •9.4. Формулировка существенных признаков
- •9.5. Единство изобретения
- •9.6. Условия патентоспособности изобретений
- •9.6.1. Промышленная применимость
- •9.6.2. Понятие «уровень техники»
- •9.6.3. Новизна
- •9.6.4. Изобретательский уровень
- •9.7. Полезная модель
- •10. ОФОРМЛЕНИЕ И ПОДАЧА ЗАЯВКИ НА ИЗОБРЕТЕНИЕ И ПОЛЕЗНУЮ МОДЕЛЬ
- •10.1. Порядок подачи заявки на изобретение и полезную модель
- •10.2. Состав документов заявки на изобретение и полезную модель
- •10.3. Заявление о выдаче патента на изобретение
- •10.4. Описание изобретения
- •10.4.1. Структура описания изобретения
- •10.4.2. Название изобретения
- •10.4.3. Область техники, к которой относится изобретение
- •10.4.4. Уровень техники
- •10.4.5. Сущность изобретения
- •10.4.6. Сведения, подтверждающие возможность осуществления изобретения
- •10.5. Особенности объектов изобретения
- •10.5.1. Устройство как объект изобретения
- •10.5.2. Способ как объект изобретения
- •10.5.3. Вещество как объект изобретения
- •10.6. Формула изобретения
- •10.6.2. Структура формулы изобретения
- •10.6.4. Чертежи и иные материалы
- •10.6.5. Реферат
- •ЗАКЛЮЧЕНИЕ
35
3. ЗАКОНЫ РАЗВИТИЯ ТЕХНИЧЕСКИХ СИСТЕМ
Если продолжить сравнение ТРИЗ (теория решения изобретательных задач) с техническими системами, то опорой теории наверняка будут ЗРТС (законы развития технических систем).
Рассматриваемые ниже законы выявлены в ТРИЗ в результате анализа огромного массива изобретений и многократно проверены при создании но вых объектов.
Чтобы перейти к конкретному рассмотрению ЗРТС, необходимо ввести несколько определений.
Будем считать, что технической системой (те) называется некоторое множество взаимосвязанных элементов, обладающих качественно новым свойством, не сводящимся к свойствам отдельных его элементов.
Вкачестве технической системы возьмем контактную шовную свароч ную машину (рис. 3.1).
Машина производит сварку непрерывным швом бензобаков, канистр и
т. Д. до 0,1-3,0 мм.
Всварочную машину при поднятых электродах вносят свариваемые детали б. Механизм автоматически опускается и сразу же приводятся во вращение электроды за счет привода 10. В это же время со сварочного трансформатора подается сварочный ток (10000-15000 А). В процессе пере
дачи свариваемых деталей на электроды подается ток, который проходит к свариваемым деталям. Детали под действием тока нагреваются до темпера
туры плавления, где и происходитсварка.
Например, в сварочной машине можно изменить режимы сварки: сва рочный ток, усилия сварки, время сварки. В свою очередь, эти параметрыЯВ ляются системамипо отношениюк толщинедеталей и скорости сварки.
Например, в сварочной машине (рис. 3.1) можно выделить такие эле менты подсистемы, как ролики 5, кронштейн 7, гибкую шину 8, сварочный трансформатор 2 и наконец свариваемые детали 6 и привод сварочного роли ка 1О, 11, 12, 13.
Кроме того, каждая те входит как составная часть в свою надсисте му. Надсистемой называется система более высокого уровня, которая включает несколько те, являющихся составными элементами этой сва рочной машины.
Техническая система обычно состоит из элементов, определенным об разом размещенных и связанных друг с другом в пространстве (устройства, вещества), или элементов, следующих друг за другом во времени (операции, процессы). Например, в систему изготовления сварочной машины входят подсистемы всей машины, которые указаны выше, а также подсистемы элек трооборудования, пневматическая часть, управление машиной. Тогда над системой будет являться производство данного изделия.

36
3
4
5
6
5
4
Рис. 3.1 Схема шовной контактной машины 1 - |
корпус машины; 2 - сварочный |
||
трансформатор, 3 - |
привод сжатия, |
4 - консоли, 5 - |
ролики, б - свариваемые детали; |
7 - кронштейн, 8 - |
гибкие тины, 9 - |
вторичный виток трансформатора, 1О - привод вра |
щения роликов, 11 - двигатель, 12 - редуктор; 13 - карданный вал
Изложенные определения позволяют перейти непосредственно к фор мулировке законов, по которым развиваются любые те. Эти законы ЯВЛЯЮТ ся формой реализации в технике известных законов материалистической диалектики единства и борьбы противоположностей; отрицания отрицаний; перехода количественных изменений в качественные.
В настоящее время известны одиннадцать основных законов разви-
тия технических систем:
развития те по S-образной кривой; полноты частей те;
сквозного прохода энергии;
повышения степени идеальности те; вытеснения человека из те; неравномерности развития частей те; свертывания-развертывания те;

37
повышения динамичности и управляемости те; перехода те на микроуровень и преимущеетвенного использования
полей; перехода те в надсистему;
согласования-рассогласования те. Рассмотрим подробно эти законы.
1. Характеристика жизни и развития любой технической системы имеет вид S-образной кривой (рис. 3.2). Подобная форма кривой является общей для развития не только технических, но и биологических, обществен ных и других систем. Так развиваются не только сами системы, но и их от
дельные подсистемы.
Справедливость этого закона подтверждена результатами многих ис следований. В одной из книг по теории промышленного развития показано, что по k.~-образноЙ кривой изменяются не только технические, но и экономи
ческие показатсли, такие как изменение спроса и предложения продукции. Рассмотрим эту замечательную кривую.
Как правило, S-образную кривую изображают в виде графика, по одной из осей координат которого отложены значения основных параметров систе мы N, а по другой - время Т. ДЛЯ те основными параметрами могут быть
мощность, скорость, грузоподъемность и т. д.
В действительности S-образная кривая не является такой гладкой, как она представлена на рис. 3.2. В связи с неравномерным развитием подсистем график (рис. 3.3) имеет вид ломаной линии, на которой, однако, можно выде лить характерные участки (этапы I~IV)J определяющиекоренные изменения в развитии те.
Этап 1 является начальным и характеризует зарождение те, образно говоря, ее «детство». На этом этапе те только что создана в макетном или опытном образце, впервые реализован заложенный в нее новый принцип действия. В этот период те имеет больше недостатков, чем преимуществ, и развивается только за счет энтузиазма ее создателей.
N |
N |
т |
т |
Рис. 3.2. Кривая жизни те |
Рис. 3 1. Основные этапы жизни те |

38
Этап 11 характеризует активное развитие те, ее массовое производство, интенсивное усовершенствование всех подсистем, входящих в нее. На этом 7тапе коллектив создателей увеличивается за счет ПрИБлечения Болыllгоo числа специалистов, занятых в технологическом процессе выпуска те.
Этап 111 характеризует замедление подъема показателей те. Система
уже исчерпала свои потенциальные возможности и ее развитие резко замед ляется, она «стареет». Если рост показателей еще и происходит, то это осу
ществляется только за счет отдельных
усовершенствований внешнего, кос метического характера. В этот период
сама система и ее промышленное про
изводство продолжают двигаться
больше по инерции, чем развиваться. Количество участников производства данной системы возросло по сравне
нию с начальным этапом, и они в
большинстве СБоем являются актив ными защитниками данной системы, сопротивляясь и противодействуя соз данию принципиально новой те.
Этап lV - постоянство парамет ров те или в некоторых случаях даже спад ее показетелей. Здесь возможны два случая. В первом те вышла на свой предельный уровень развития и
дальше развиваться не может, по
скольку полностью исчерпаны ресур
сы физического принципа ее действия. Во втором случае спад показателей
означает продолжение процесса со
вершенствования данной те, но это
совершенствование происходит уже за
счет ухудшения ее второстепенных
параметров.
Как правило, на одном из ран них этапов развития те зарождается идея новой (кривая ТСБ на рис. 3.4, а), более совершенной по своим показа телям системы, выполняющей свои функции на другом физическом прин ципе. Случается, однако, что зарожде ние и развитие альтернативных те
N
а
т
Кuз
б
т
в
r
з
г
т
Рис 3 4. Характерные показатели жизни те
39
происходит одновременно. Но если для одной из них, пусть даже более про изводительной, в данный момент времени нет соответствующих условий (материалов, технологий и т. д.), то такая те вынуждена ждать «своего часа». Ярким примером этого является электромобиль. Идея его создания возникла практически одновременно с идеей создания автомобиля с двигателем внут реннего сгорания. Однако из-за неразвитости ряда подсистем, И, в первую очередь, аккумуляторов, электромобиль до настоящего времени не вышел из стадии эксперимента, в то время как автомобиль с двигателем внутреннего сгорания за 100 лет своего существования завоевал весь мир.
е S-образной кривой (рис. 3.4, а) взаимосвязаны другие интересные показатели, такие как изменения количества изобретений Киз (рис. 3.4, б) за время жизни те, уровня этих изобретений У (рис. 3.4, в) и эффективности ТС на каждом этапе Э (рис. 3.4, г). Попробуем сопоставить S-образную кривую жизни те с другими изобретательскими показателями в этот период.
Кривая Киз имеет два пика: в точках перегиба кривой между этапами 1 и 11,111 и TV. Первый пик объясняется тем, что при переходе к массовому про изводству технического объекта возникает большое число изобретений, на правленных как на развитие данного объекта, так и на создание технологии его изготовления, сборки, измерения параметров, разработки необходимой
оснастки и т. д.
Второй пик изобретательской активности в жизни ТС появляется, когда
система, исчерпав свои потенциальные возможности развития, вступает в зо ну застоя. Все участники производственного процесса активно пытаются
продлить жизнь угасающей системы и совершенствуют ее отдельные элемен ты, не меняя ничего в принципе действия.
Вполне естественно, что за время жизни те сопровождающие ее изобретения имеют разные уровни. Наиболее высокий уровень имеет место в начале жизни системы, ведь все начинается с пионерской идеи, когда созда ются изобретения, нацеленные на принципиальные изменения в структуре объекта. Затем уровень снижается, так как пионерская идея дополняется большим количеством идей более низкого уровня. Новый всплеск уровня изобретений появляется в периоды бурного развития ТС, перехода к серий ному производству и дальнейшему совершенствованию всех входящих в нее
подсистем.
Оценивая эффективность ТС, можно отметить, что на начальном этапе она обычно имеет самую низкую эффективность, в большинстве случаев да же отрицательную, так как затраты на разработку и создание опытного или экспериментального образца превышают отдачу от него. Затем эффектив ность растет и достигает своего максимума при вхождении те в период при ближения к своему «застою». Таким образом, именно на данном этапе те в максимальной степени использует все свои ресурсы.
40
Развитие те по S-образной кривой может быть проиллюстрировано на примере системы записи и воспроизведения информации - системы, имею щей большое распространение и потому хорошо известной всем.
В качестве параметра, характеризующего эту те, можно рассмотреть, например, объем информации на единицу площади поверхности носителя (пластинки, магнитной ленты, магнитного диска и т. д.). Можно ввести и не который интегрированный показатель, учитывающий, кроме того, габарит
ные, весовые и энергетические параметры системы.
Посмотрим, какой же путь прошла система записи и воспроизведения информации за годы своего существования.
Прежде всего отметим, что с точки зрения физических принципов, ис пользованных для этих целей, система прошла ряд этапов, каждый из кото рых условно можно назвать механическим, магнитным и оптическим (лазер ным). Таким образом, в надсистеме звукозаписи и звуковоспроизведения (ко торая, кстати, продолжает развиваться) можно выделить ряд конкурирую щих, пытающихся сменить друг друга систем, развитие каждой из которых как раз и подчиняется закону SУ-образной кривой.
Все началось с фонографа Т. Эдисона (1847-1931), изобретенногоим в 1877 г. Сейчас фонограф можно увидеть лишь в музеях истории техники. Звук в нем записывался на цилиндрическом валике, обернутом оловянной фольгой (или бумажной лентой, покрытой слоем воска), с помощью иглы, связанной с мембраной, которая начинала колебаться под действием звука. Игла вычерчивала на поверхности фольги винтовую канавку переменной глубины, а при воспроизведении движущаяся по канавке игла совершала ме ханические колебания, передаваемые на соединенную с ней мембрану, ис
пускавшую, в свою очередь, звуковые волны.
Первый фонограф был достаточно прост, качество его звучания было низким. Тем не менее он уже содержал все основные элементы звукозаписы вающей и воспроизводящей систем.
Возможности фонографа были оценены достаточно быстро. Возникла потребность в массовом производстве как самих фонографов, так и записы вающих валиков (носителей информации). Однако скоро выяснилось, что, например, валики имеют малую емкость информации и их трудно копиро вать. Обе трудности были преодолены, когда уже в 1888 г. немецким инже нером Э. Берлинером, работавшим в США, в качестве носителя звука был предложен цинковый диск, покрытый тонким слоем воска, и аппарат для воспроизведения звука с этого диска - граммофон. Диск Берлинера позволял снимать с него по определенной технологии большое количество целлулоид ных, каучуковых, а в конце концов - шеллачных копий. Это позволило пе рейти к массовому производству как граммофонных пластинок, так и сравни тельно портативных патефонов. Параллельна с самой пластинкой, изменяв шейся в сторону увеличения плотности и объема записи, расширения частот-

41
ного диапазона передачи звука и т. Д., происходило совершенствование и
других подсистем. Так, например, иглы для патефонов, которыми пользова лись люди старшего поколения, имели срок службы 5 МИН., т. е. их надо было менять для прослушивания каждой пластинки. Применение корунда и алмаза для изготовления игл увеличило срок из службы в десятки и даже сотни ты сяч раз (игла практически стала «вечной») и позволило использовать пла стинки с плотной записью - долгоиграющие. Строго говоря, механическая
система в том виде, в котором мы ее рассмотрели, просуществовала до 4D-SO-x годов. Ей на смену пришла электрическая, точнее электроакустиче ская система записи и воспроизведения. Эта система, как и предыдущая, свя зана с записью звука на граммофонную пластинку, и может рассматриваться как развитие механического принципа. Электроакустическая система позво
лила повысить как качество звучания, так и мощность воспроизведения зву
ка, что, в свою очередь, создало условия для прослушивания пластинок в
больших помещениях и при большом скоплении слушателей, в том числе и в стереофоническом и квадрофоническом режимах.
Развитие механической системы во времени показано на рис. 3.5 (кривая 1).
N
"
Рис 3.5. Кривые жизни конкурирующих те
На этапе активного развития данной системы (участок 2) приблизи тельно в 30-е годы зародилась и начала развиваться другая система записи и воспроизведения информации - магнитная (кривая 11).
Новая система обладает значительными преимуществами по сравне нию с предшествующей, однако она не исключает последнюю из эксплуата ции и даже стимулирует ее дальнейшее развитие. Магнитная система запи сывает звук с помощью ориентированных определенным образом магнитных частиц (доменов) на гибкой ленте и воспроизводит его путем считывания магнитного поля, созданного этими частицами, и преобразования его в элек трический ток, проходящий через громкоговоритель. В настоящее время эта
система получила очень широкое распространение.
42
Обе системы, конкурируя между собой, развиваются благодаря совер шенствованию входящих в них подсистем. Так, например, обе те прошли
этапы автоматизации управления и использования элемента записи для счи тывания, дискретного изменения скорости носителя звука, обеспечения сте реозвучания, увеличения ДЛИНЫ ЗВУКОВОЙ дорожки, миниатюризации узлов и блоков подсистем и т. Д.
В третьей системе (кривая 111), использующей лазерный принцип при сохранении некоторых основных внешних атрибутов систем механической и магнитной записи и считывания, принцип нанесения и считывания звука из менен на оптический. Звуковая информация наносится лазерным модулиро
ванным лучом на специальную подложку диска, а считывание производится
путем регистрации светового сигнала, отраженного от поверхности оптиче
ского диска. ЭТО ПОЗВОЛИЛО вновь резко повысить качество и объем звуковой информации на носителе. Оптическая система появилась в 70-х годах, когда
предшествующие - механическая и магнитная - системы в основном уже ис черпали возможности своего развития. В настоящее время они совершенст вуются главным образом за счет незначительных конструктивных и дизай нерских изменений или за счет объединения с другими ТС.
Набор S-образных кривых жизни конкурирующих ТС отражает диалек тический характер развития техносферы. Все ВНОВЬ создаваемые ТС должны быть хоть немного более надежными, производительными, более удобными в эксплуатации, чем предшествующие. В противном случае вновь созданные системы не могут являться конкурентами своих прототипов. Иными словами,
право на жизнь имеют только те усовершенствования, которые изменяют ис
ходную систему в направлении, предписанном зртс.
2. Закон полноты частей технической системы гласит: «Необходи мым условием принципиальной жизнеспособности те является минимальная работоспособность основных частей системы».
Каждая те должна включать четыре основные части: двигатель, транс миссию, рабочий орган и орган управления, причем они должны быть хотя бы в минимальной степени ориентированы на выполнение системой ее главных функций. Это означает, что каждая из упомянутых частей ТС долж на быть работоспособной в тех условиях, в которых работает вся ТС.
Так, например, в ТС (рис. 3.1) двигатель 11 присутствует обязательно, трансмиссией являются редукторы 12, которые обеспечивают передачу энер гии от двигателя 11 к рабочим органам - кронштейну, который приводит в движение сварочный ролик 5; органом управления является блок управления машиной (на рисунке он не показан).
Закон полноты частей те на первый взгляд кажется очевидным. Каж дый инженер, проектируя какую-либо ТС, стремится обеспечить работоспо собность всех входящих в нее подсистем. Однако в дальнейшем, при совер шенствовании те и улучшении работы отдельных ее частей, происходит
наращивание на основную структурную схему дополнительных узлов и
43
ращивание на основную структурную схему дополнительных узлов и блоков, введение которых порой идет вразрез с требованиями закона, в результате чего совершенствуемая система может оказаться нежизнеспособноЙ.
3.Закон сквозного прохода энергии. СУЩНОСТЬ этого закона сводится
кследующему: любая ТС дЛЯ выполнения своих функций должна обеспечить
сквозной проход энергии ко всем частям системы. Данный закон вместе со вторым ЗРТС определяет условия жизнеспособности любой ТС. При кажу щейся простоте и очевидности этого закона его строгое выполнение позволя ет избежать многих ошибок при разработке новых те. Особенно это важно учитывать при совершенствовании сложных ТС или наращивании их допол нительными узлами, блоками и элементами. Иногда, увлекшись возможно стью обогащения ТС новыми дополнительными функциями, разработчики забывают или не в полной мере обеспечивают энергией вновь введенные подсистемы. Это приводит К неполному функционированию введенных под систем или даже всей те в целом.
Для успешного обеспечения сквозного прохода энергии ко всем частям
системы полезно использовать вещественно-полевые ресурсы, о которых
речь пойдет ниже.
4. Закон повышения степени идеальности технических систем гла сит: «Развитие ТС идет в направлении повышения идеальности». Понятие «идеальность» в ТРИЗ имеет специфическое толкование, поэтому его следует рассмотреть более подробно.
В ТРИЗ принят функциональный подход: идеальной является такая система, которой нет, а ее функция выполняется. В стремлении к идеалу те должны ничего не весить, не занимать объема, не потреблять энергии и т. Д., при ЭТОМ выполнять то, для чего они предназначены. Идеальный грузовик - самодвижущийся, ничего не весящий кузов. Чем грузовик больше, тем боль шую часть общей массы составляет перевозимый груз - отсюда стремление конструкторов создавать большегрузные автопоезда.
Транспортное средство, очень близкое к идеальному, существует на самом деле - это обычный плот. На время перемещения груза, т. е. бревен, он как транспортное средство - есть, а затем, прибыв на место, исчезает, и оста ется один груз - бревна.
Изучение истории развития техники позволило выявить такие основ ные направления повышения степени идеальности существующих ТС, как:
специализация ТС, ведущая к повышению удельных параметров, т. е. отношения полезного параметра (мощности, производительности, точности и Т. д.) К вредному (потерям, помехам), конструктивному (массе, размеру) или
стоимостному;
универсализация ТС, ведущая к повышению удельного веса функцио нирования системы, т. е. отношения числа функций, выполняемых системой, к массе, объему, стоимости и другим параметрам системы;
44
выявление и использование ранее не эксплуатировавшихея СВОЙСТВ, параметров или частей самой системы;
совмещение в те, находящихся на высоком уровне развития, универ сализации со специализацией путем перехода к динамичным управляемым или самоуправляемым системам, способным при подготовке к работе или непосредственно в процессе функционирования изменяться для лучшего вы полнения той или иной функции;
повышение степени согласования частей те между собой и с внешней средой без существенного изменения принципа действия системы;
повышение полноты частей Т'С и вытеснение из нее человека как эле мента этой системы.
Рассмотрим, как проявляется закон идеальности в системах магнитной записи и воспроизведения звука - магнитофонах. е момента своего появле ния в начале хх В. магнитофон претерпел поразительные изменения. От гро мадного ящика со сложной механикой и большим энергопотреблением он уменьшился до настольного или даже карманного прибора, работающего от батареек. Специальные записывающие устройства ныне могут даже разме щаться в сережках, перстнях, часах и других малогабаритных предметах. В этом нашло отражение стремление конструкторов магнитофонов к умень шению их массы, размеров, потребляемой мощности, т. е. стремление к иде альности. Увеличение числа полезных функций проявляется в возможности многократной записи информации и ее стирания, объединения с компьюте ром, с автоответчиком, генерации справочной непрерывной информации
ит.д.
Еще один пример проявления закона идеальности в действии - разви тие систем металлообработки. Если в 60-е годы для обработки деталей слож ной формы требовался целый парк металлообрабатывающих станков, то в настоящее время для этих же целей можно использовать всего один обраба тывающий центр.
Закон ПОВЫIllения степени идеальности технических систем позволил сформулировать понятие об идеальном решении, идеальном конечном ре зультате (ИКР) решения. Не случайно формулирование ИКР - одии из важ нейших инструментов ТРИЗ в целом и АРИЗ В частности. Ориентация на идеальность позволяет резко улучшить работу инженера (конструктора, про ектировщика), выбрать среди множества направлений решение наиболее перспективное, так как хотя оно и недостижимо, но в непосредственной бли зости от него лежит область сильных изобретательских решений.
5. Закон вытеснения человека из технической системы. Проявление данного закона можно наблюдать в различных областях техники.
Так, например, в авиации широко используют такой «заместитель» че ловека, как автопилот. Многие операции человека в металлообработке выпол няют обрабатывающие центры, на автоматизированной сборке - роботы и т. Д.
45
в системе звукозаписи и воспроизведения вытеснение человека на
тлядно проявляется по мере совершенствования узла управления: вводятся
автоматическая запись и воспроизведение информации, автоматическая ус
тановка уровня записи и т. д.
При вытеснении человека из те его функции переходят к техническим устройствам. Пока, однако, в ряде случаев такое направление развития те является малоперспективным, так как полное повторение функций человека в техническом объекте зачастую ведет к усложнению всей системы в целом.
Наиболее эффективным направлением вытеснения человека является использование уникальных возможностей машин и механизмов. Так, напри мер, при разработке системы автоматизированной сборки изделий не имеет смысла пытаться повторять все сборочные действия человека, более целесо образно создавать новые автоматизированные сборочные устройства, ис пользующие физические эффекты, учитывающие геометрию собираемых из делий, направления возможного их сближения и т. д.
6. Закон неравномерности развития частей технической системы говорит о том, что все те в отличие от биологических развиваются дискрет но. Дискретность обусловлена необходимостью накопления знаний о работе системы, выявления ее недостатков и поиска путей их устранения.
Анализ работы любой реальной те обычно показывает, что ее отдель ные узлы и блоки работают хорошо, другие - хуже, третьи, возможно, - со всем плохо. Неодинаковость их работы часто вызывает несогласованность в работе всей системы в целом. Попытки усовершенствования отдельных час тей системы часто вызывают сопротивление соседних подсистем, самой сис темы, ее надсистемы и окружающей среды. Это сопротивление может прояв ляться В различных требованиях, предъявляемых к усовершенствованной системе со стороны ее окружения, в том числе и среды. Например, требова ние повышения скорости самолета ведет к необходимости разработки нового двигателя. Это, в свою очередь, требует изменений в конструкции самолета, повышения прочности его элементов, изменения формы, использования но
вых материалов и т. Д.
Стремление конструкторов усоверIIIенствовать один плохо работаю щий узел или блок приводит к тому, что происходит скачок в качестве рабо ты именно этой подсистемы и опережение ею остальных.
Следующим шагом является усовершенствование работы других бло ков, при этом оказываются «в хвосте» третьи и т. д. так происходит до тех
пор, пока вся система в целом не исчерпает возможности своего совершенст
вования или не появится новая, более совершенная, работающая на ином
принципе система.
Контактная шовная сварка появилась почти 100 лет назад, но принципи альная конструкция машины почти не изменилась. Однако блоки ее управле ния значительно изменились как по габаритам самого блока управления, так и
46
его схема сварки. Размеры первого блока управления машиной составили: L - 1800,Н- 500 + 400, а сейчас с процессорной техникой 200 х 100 х 100.
7. Закон свертывания-развертывания технических систем гласит: «Развитие те идет в направлении развертывания те при возможном на оп ределенном этапе развития системы свертывании». Термин «свертывание»
отражает процесс упрощения системы при сохранении количества и качества
функций, выполняемых системой. Развертывание означает, что на опреде
ленном этапе развития число структурных элементов может увеличиваться.
Действительно, если мы проследим процесс жизнедеятельности любой те от ее рождения до глубокой старости, то легко можем наблюдать, что в начальный период любая те работает в своей минимальной функциональной структуре и содержит минимальное количество узлов, обеспечивающих вы полнение требуемой функции. Этот набор минимального числа элементов системы, обеспечивающий ее работоспособность, называется функциональ ным центром. В дальнейшем происходит возрастание количества выполняе мых функций, при этом увеличивается и количество входящих в те функ циональных элементов. Процесс продолжается до определенного предела, пока не происходит объединение, свертывание некоторых взаимосвязанных блоков в новый самостоятельный узел.
Так, например, минимальная структурная схема магнитофона, вклю
чающая электропривод, каналы записи и воспроизведения звука, магнитную
ленту с катушками, с течением времени стала наращивать дополнительные
функции управления скоростью движения магнитной ленты, выбора опти мальных режимов работы, подключения внешних устройств и т. д.
В то же время процесс развертывания получил свое продолжение в на правлении объединения (свертывания) магнитной ленты и катушек в единый
узел - кассету с одновременным уменьшением ее размеров.
По мере углубления наших знаний об окружающем мире становится все более очевидным, что дальнейший научно-технический прогресс должен идти не вширь, а вглубь, Т. е. таким образом, чтобы в ходе развития те про исходило не наращивание потребляемой ими энергии, а, наоборот, ее умень шение. В частности, это означает стремление те к предельной микроминиа
тюризации, к построению их непосредственно из атомов и молекул.
Наглядным примером такой тенденции является микроминиатюриза ЦНЯ радиоэлектронной аппаратуры. В качестве примера можно привести на нотехнологию технических процессов атомной сборки, когда вместо процес
са изготовления изделия, включающего выплавку металла, вырезание из него деталей определенной формы и набора и их последующую сборку, предлага
ется использовать цепочку: атомы - молекулы - агрегаты молекул - микро
детали - изделие.
8. Закон повышения динамичности и управляемости технических систем. Это значит, что развитие те идет в направлении повышения дина-
47
мичности И управляемости как отдельных частей, так и всей системы
в целом.
Под термином «динамичность» те или ее частей будем понимать ка чество, характеризующее способность Т'С или входящих в нее подсистем проявлять большую подвижность при все возрастающем числе степеней свободы.
Выше мы уже отмечали, что каждая подсистема взаимодействует как с соседними подсистемами, так и с самой системой и окружающей ее средой. Оптимальной для каждой подсистемы является ситуация, когда на любом этапе своего собственного функционирования и функционирования сопря гающихся с ней систем, она оказывается способной адаптироваться к окру жающим условиям так, чтобы расход энергии, сопровождающей ее работу, был минимальным.
Этот закон проявляется в процессе развития ТС, которое происходит:
от систем с постоянными параметрами к системам с параметрами, из
меняющимися при изменении режимов работы, что обеспечивает оптималь ность функционирования системы (В качестве примера можно привести тот же магнитофон с разными скоростями движения ленты);
от узкофункциональных систем, предназначенных для выполнения конкретной операции, к широкофункциональным системам, позволяющим изменять функцию системы путем ее перенастройки, в том числе к системам
со сменными органами;
от автономного принципа работы системы, при котором выполнение функции задано соответствующим внутренним устройством системы к про граммному (В качестве примера можно привести станок с числовым про граммным управлением, имеющий набор различных инструментов и способ ный к программированию процесса обработки дегали).
Развитие ТС происходит также по следующим направлениям:
ксистемам с дифференцированными внутренними условиями (условия
внекоторой оперативной зоне стремятся стать оптимальными для проведенного технологического процесса: температура, давление, газовый
состав и т. д., В то время как условия на выходе и входе системы определяют
внешняя среда или человек. К таким системам относятся различные печи для обжига и сушки, где в оперативной зоне создают требуемую температуру, давление и газовый состав, а за пределами поддерживают условия для нормальной работы оператора);
к системам с повышенным числом степеней свободы, с гибкими, эла стичными исполнительными элементами (например при создании захватных устройств промышленных роботов конструкторы стремятся не только увели чить число степеней свободы, но и сделать сами захваты из гибких, эластич ных материалов);
48
к системам с изменяемыми связями между элементами с заменой веще ственных связей полевыми, с использованием вещественных связей, меняю щихся под действием поля и Т. Д.;
от неуправляемых систем к управляемым, в том числе:
с управлением, зависящим от параметров внешней среды; с ис пользованием обратимых физических и химических превращений (фазовых переходов, ионизации - рекомбинации, диссоциации - син теза);
управлением путем введения хорошо управляемого процесса,
противоположного основному процессу;
управлением за счет обратных связей (например для временного закрепления и удержания сборочных деталей и элементов иногда используют фазовые переходы веществ);
от систем со статической устойчивостью к системам, динамически ус тойчивым за счет непрерывного управления (последнее правило наглядно подтверждается теорией устойчивости самолета: чем выше его статическая устойчивость, тем он более безопасен, но менее маневренен. В настоящее время разрабатывают самолеты с минимальным запасом устойчивости, но их безопасность обеспечивается непрерывной работой автоматов и рулей по устранению отклонений. Более простым примером является велосипед: трех колесный велосипед обладает статической устойчивостью, а двухколесный - динамической);
к использованию самопрограммирующихся, самообучающихся, само восстанавливающихся систем (к ним, например, относятся самообучающиеся робототехнические системы).
9. Закон перехода технических систем на микроуровень и преиму щественпого использования полей гласит: «Развитие те идет в направле нии перехода отдельных систем или частей с макроуровнями на микроуро вень, с последующим использованием полей». То есть развитие те идет в направлении большей дисперсности составляющих ее элементов, в направ лении применения полевого управления и воздействия на входящие в систе
му элементы.
Использование данного закона в технике способно привести к значи тельному повышению уровня создаваемых изобретений, к резкому улучше нию параметров и характеристик технических объектов.
ЛИНИЮ «макроуровень - микроуровень - поля» разделяют на ряд сле дующих обобщенных структурных образований:
макроуровень - узлы, блоки И элементы те, образуемые монолитной деталью определенной формы (шестеренки, шайбы, втулки и т. п.);
полисистемы, состоящие из нескольких элементов простой геометри ческой формы (конструкции из набора плоских листов, нитей, шариков, маг нитные сердечники, игловые фрезы, тросы и т. п.);
49
полисистемы из высокодисперсных элементов (порошки, эмульсии, аэ розоли, суспензии);
системы, использующие эффекты, связанные со структурой веществ - аморфных и кристаллических, твердых и жидких, с кристаллическими пере стройками и фазовыми переходами (надмолекулярный уровень);
системы, использующие молекулярные явления - различные химиче
ские превращения (разложение, синтез, полимеризация, катализ, ингибиро вание и т. п.);
системы, использующие атомные явления - физические эффекты, свя занные с изменением состояния атомов веществ (ионизация, рекомбинация, действия элементарных частиц, в том числе электронов и т. п.);
системы, использующие вместо веществ действие различных полей. Здесь следует дать определение термину «поле», которое принято в
ТРИЗ и отличается от его классического определения в физике. Под полем в ТРИЗ понимается любое воздействие какого-либо физического агента на те. Так, например, в ТРИЗ полем являются воздействия: механические (механи ческое поле), тепловые (тепловое поле), световые (световое поле), запаховые (запаховое поле) и т. д.
Такое отступление от классической физики, где все взаимодействия разделяют на четыре вида: гравитационное, электромагнитное, слабое и сильное ядерное, введено ДЛЯ облегчения участи изобретателя, решающего новую задачу, ответ на которую могут подсказать чисто «изобретательские»
поля.
При применении «изобретательских» полей наблюдается тенденция к переходу от полей постоянных к модулированным по амплитуде, частоте и фазе, а также к переменным полям разных знаков; от полей с однородной по стоянной структурой к неоднородным и т. Д.
В системе звукозаписи и воспроизведения данный закон проявился в переходе от механической записи и воспроизведения звука к системе, управ ляемой магнитным полем, т. е. в переходе от создания и фиксации микроне ровностей на твердом шеллаковом диске к гибкой ленте (металлической) и далее к полимерной ленте с ферромагнитным покрытием.
10. Закон перехода технической системы в надсистему. Из этого за кона следует, что развитие те идет в направлении более высокого уровня обобщения, т. е. с тенденцией перехода в надсистему. Этот момент наступает
тогда, когда система или ее отдельные части исчерпали все свои возможно
сти и ресурсы для дальнейшего развития на существующем уровне. С пере ходом на следующий уровень развитие продолжается уже в надсистеме.
Переход в надсистему может осуществляться тремя основными путями. 1. Создание надсистемы из однородных объектов. При этом стремятся получить не только суммарный эффект от использования нескольких подсис
тем, не только взаимоуничтожение присущих этим подсистемам вредных
50
свойств, но и новое качество, рожденное при их объединении. Такое объеди нение может привести к образованию бисистемы, состоящей из двух подсис тем, или полисистемы, состоящей из нескольких подсистем. В качестве при меров би- и полисистем можно привести: биплан, стерео- и квадроаппарату ру, полимеры и т. д. Би- и полисистемы могут в дальнейшем объединяться, образуя системы более высокого уровня, чем предшествующие.
2. Создание надсистем из конкурирующих (альтернативных) систем. Это происходит, когда имеется несколько альтернативных те, каждая из ко торых уже находится Б области насыщения по своим функциональным воз можностям. Их объединение позволяет получить новую надсистему, у кото рой достоинства каждой из входящих в те подсистем сохранены, а недостат
ки устранены.
Например, формирование валков из сухого торфа на торфяном поле может быть обеспечено применением бульдозера с отвалом и потоком сжато го воздуха, подаваемого через нижнюю часть отвала. Проблема в данном технологическом процессе заключалась в том, чтобы бульдозер сгребал свер ху только сухой слой торфа, толщина которого не является постоянной. Объ
единение двух систем путем подачи сжатого воздуха в нижнюю кромку от
вала позволило вести процесс сбора торфа более эффективно и на более вы сокой скорости.
3. Создание надсистем из антагонистических систем (систем с проти воположными функциями). Это позволяет повысить управляемость надсис
темы, произвольно менять ее параметры в широком диапазоне.
Например, поочередное пропускание (объединение) в одном трубопро воде двух жидкостей с различными свойствами - пульпы, разрушающей тру бу, и щелочи, осаждающейся на ее стенках, позволило повысить долговеч ность трубопровода. Ранее щелочь, осаждаясь на стенках трубы, забивала ее. Теперь же пульпа сдирает эти осадки, которые защищают таким образом са мутрубу.
11.Закоп согласования-рассогласования технических систем гла сит: «В период жизни те происходит согласование и рассогласование ее подсистем между собой и (или) с внешней средой».
В данном законе термин рассогласование включает понятие целена правленного отклонения от «согласованного» режима работы, обусловленно го необходимостью решения каких-либо локальных или общих задач. Далее мы будем говорить об основном процессе - согласовании. Этот процесс, на пример в магнитофоне, проявляется в режимах записи и воспроизведения, когда механическое движение магнитной ленты согласуется с работой элек тронной части магнитофона.
В процессе развития те обычно происходит согласование ее подсистем как между собой, так и (или) с внешней средой. Согласование может идти по
51
различным показателям и характеристикам системы: материалам, форме,
размерам, частоте, прочности, надежности, температуре и Т. д.
Согласование может происходить следующими путями:
согласованием параметров подсистем для ПОВЫllIения полезного или
исключения вредного эффекта;
переходом к динамическому согласованию-рассогласованию при под
готовке к работе или в процессе работы подсистемы.
Согласование элементов по материалам обычно используют для ис ключения разрушающего воздействия деталей ТС друг на друга. Так, напри мер, при конструировании изделий из различных материалов необходимо ис ключить возможность образования электрохимических пар, снижения пластичности стальных изделий при воздействии на них водорода и т. Д.
Согласование по форме и размерам обычно позволяет достичь опти мального взаимодействия с внешней средой или с ее отдельными элементами.
Согласование ритма работы подсистем обычно используют для повы шения эффективности работы или исключения разрушения системы.
При согласовании подсистем сложных объектов наблюдаются тенден
ции по использованию отдельных подсистем для выполнения других,
несвойственных им функций.
Например, в кассетных магнитофонах желательно протирать магнит ную головку в начале работы. Эту функцию поручили предназначенной для совсем других целей магнитной ленте - на нее наклеивают специальную чис
тящую полоску.
Каковы же дальнейшие перспективы развития систем записи и воспро изведения звука в свете рассматриваемого закона? Можно назвать возможное согласование параметров звука с другими внешними факторами воздействия на человека, например гипнотическими, обонятельными, тактильными (ося зательными) и т. д. Возможно также согласование темпа, громкости испол нения музыкальных произведений с физиологическими особенностями слу шателя (его энцефаллограммой, кардиограммой и т. д.). Перспективно согла сование определенной мелодии с общим физиологическим состоянием слу шателя, применение этого воздействия в терапевтических целях, для стиму лирования работоспособности и т. д.
Одновременно будет происходить все большее свертывание подсистем, т. е. переход к более миниатюрной и компактной звукозаписывающей аппа ратуре не только специального назначения, но и предназначенной для быто вых целей.
Мы рассмотрели основные ЗРТС и некоторые формы их проявления в технике. В дальнейшем мы очень часто будем возвращаться к этим законам,
проверяя по ним правильность хода решения задач и полученные решения.