Найти идею введение в ТРИЗ – теорию решения изобретательских задач
.pdf
■ З а д а ч а 6.8. Современный супермаховик представляет собой катушку, на которую с натягом намотана тонкая стальная лента. Такой маховик очень прочен, но, разумеется, и для него существует критическая скорость, превысив которую маховик начинает разрушаться под действием центробежных сил. Первая фаза разрушения — расслоение наружных витков ленты. Чтобы увеличить критическую скорость, стали проклеивать ленту тонким слоем очень прочного клея. Критическая скорость возросла. Но все-таки хотелось бы получить маховик с еще более высокой критической скоростью... Как быть?
Будем считать, что лента взята самая прочная. Клей — тоже. Намотка осуществлена с оптимальным натягом. Резервов здесь нет.
Решая эту задачу по общей схеме, прежде всего отметим, что дана невепольная система — лента. Правда, лента свернута в спираль, которую можно считать полисистемой неполных веполей. Клей можно во внимание не принимать, по условиям задачи из него выжато все возможное.
Как будет развиваться неполный веполь — ясно: он прежде всего станет полным веполем. Следовательно, в системе появится второе вещество и поле, и все элементы войдут в единую структуру.
Как ввести второе вещество? Здесь явное противоречие: не должно быть посторонних веществ, чтобы не ухудшались характеристики маховика, и должно быть второе вещество, чтобы маховик стал вепольной системой. Решение: второе вещество — тоже стальная лента, т. е. маховик получен намоткой двойной ленты. Красиво, не правда ли? Второе вещество введено без всякого усложнения системы... Однако само по себе введение второго вещества еще ничего не дает. Было, скажем, 800 одинарных витков, стало 400 витков двойных. Веполь по-прежнему неполный, нет взаимодействия между витками (точнее, есть только «клеевое» взаимодействие, которое было и раньше). Нужно ввести поле. Какое поле сожмет две металлические лен-
Глава 6. Истребители противоречий |
121 |
122 |
НАЙТИ ИДЕЮ |
ты, притянет одну ленту к другой? Ответ очевиден: электрическое поле, силы взаимного притяжения разноименных зарядов. Клей, помимо своей основной функции, будет работать как диэлектрик между двумя проводниками. Это — изобретение по а. с. 1084522.
Можно ли пойти дальше? Конечно. Оставим пока мысль о сжатии витков за счет силы электромагнитов, расположенных внутри маховика (тяжело!) или вне его (тяжело и громоздко!). Что можно сделать, не уменьшая коэффициента свернутости системы?
У нас теперь «электризованный» маховик, в котором электрическое поле работает на увеличение механической прочности. Но ведь главная функция маховика — накопление энергии. Не обязательно только механической; «электризованный» маховик — конденсатор, он может накапливать одновременно энергию механическую и электрическую. Это — изобретение по а. с. 1132310.
* * *
Схема (см. рис. 12) дает более или менее целостное, но слишком общее представление о путях развития технических систем. Пользоваться этой схемой для решения задач неудобно: даже в детализированном виде схема не отражает многих механизмов развития, например приемов свертывания. Практически удобнее иметь — по крайней мере для решения типовых задач — свод конкретных правил, расположенных в определенной последовательности. Такой свод появился в ТРИЗ в 1975 г. Создан он был не только с использованием общих законов развития, но и на основе анализа больших массивов патентной информации: изучены десятки тысяч патентов и авторских свидетельств, прослежена логика развития многих технических систем.
Анализ показал, что все изобретательские задачи можно разделить на две группы:
1.Задачи, решаемые прямым применением уже известных законов развития технических систем или следствий, непосредственно вытекающих из этих законов.
2.Задачи, решение которых пока не поддается полной формализации.
Таким образом, задачи делятся на типовые и нетиповые, причем задачи, сегодня нетиповые, завтра — после выявления неизвестных еще закономерностей — станут задачами типовыми.
Типовые задачи решаются по четким правилам в один ход: правила указывают, как должна быть преобразована исходная система. Называют такие правила стандартами, а совокупность этих правил, определенным образом классифицированных, —
системой стандартов.
Следует сразу отметить: стандартные задачи стандартны (т. е. просты) только с позиций ТРИЗ. При решении методом проб и ошибок стандартные задачи могут оказаться очень трудными, а ответы на них — неожиданными и остроумными. Примером может служить задача 3.9 о полигоне для испытания сельскохозяйственных машин. С этой задачей на протяжении ряда лет велись эксперименты, охватившие сотни слушателей, приступающих к изучению ТРИЗ. Ни разу задача не была правильно решена методом проб и ошибок. ТРИЗ позволяет решить задачу мгновенно — стандартнейшим переходом к веполю: «Чтобы повысить эффективность управления, необходимо заменить одно из веществ ферромагнитными частицами (или добавить ферромагнитные частицы) и использовать магнитное поле». Описание стандарта содержит соответствующие примеры, поэтому конкретизация решения не представляет особого труда. Хотя с позиций патентного права налицо «творческий продукт» — получено новое и полезное техническое решение...
■ З а д а ч а 6.9. В центрифуге в течение длительного времени (несколько дней) идут химические реакции. Необходимо поддерживать температуру 200 °С. Для этого используют электромаг-
Глава 6. Истребители противоречий |
123 |
124 |
НАЙТИ ИДЕЮ |
нитное поле — оно нагревает расположенный внутри центрифуги ферромагнитный диск. В ходе реакций то выделяется, то поглощается энергия. Чтобы выдержать заданную температуру, надо регулировать мощность электромагнитного поля, а для этого необходимо знать, какова температура внутри центрифуги. Ваше предложение?
Эксперименты с этой задачей велись три года (потом решение было «разглашено»), накопилась любопытная статистика. До обучения ТРИЗ: из 382 человек правильно решили задачу только 8, среднее время на решение — полтора часа. После обучения: из 122 человек все 122 практически мгновенно (в процессе ознакомления с условиями) дали правильный ответ. Помогли простые правила:
1.Если дана задача на измерение, желательно использовать обходной путь — перейти к задаче на изменение системы (поставить вопрос: «Как изменить систему, чтобы отпала необходимость в измерении?»).
2.Если дана задача на регулирование состояния вещества, желательно усложнить задачу, дополнительно потребовав, чтобы это регулирование происходило само по себе — за счет использования обратимых физических превращений, например фазовых переходов, ионизации — рекомбинации и т. д.
3.Если дана задача на обеспечение оптимального режима действия, а обеспечить его трудно или невозможно, желательно идти обходным путем: установить максимальный режим, а избыток действия убрать.
Задача 6.9 — типичная задача на измерение. Переведем ее, следуя правилу 1, в задачу на изменение: надо так изменить нагревательный диск, чтобы он сам — без всяких измерений, без всякого контроля — поддерживал нужную температуру. Воспользуемся далее правилом 2: вещество нагревательного диска должно само «отключаться» от приема энергии при нагреве и само
«включаться» при переохлаждении. Ответ достаточно очевиден. Необходимо выполнить нагревательный диск из материала с точкой Кюри в 200 °С. Остается учесть правило 3 и уточнить ответ. Мощность электромагнитного поля должна быть избыточной (на случай, если реакция идет с поглощением тепла), диск сам отберет нужную часть энергии и не нагреется выше 200 °С.
Еще немного статистики. Из 382 человек 362 решали задачу именно на измерение. Все схемы получились громоздкими и ненадежными, многие схемы вообще оказались неверными: контроль за температурой мешал вращению центрифуги. Двадцать человек заменили измерительную задачу «изменительной», стихийно действуя по правилу 1. Но только 8 из них пришли к идее использования перехода через точку Кюри.
Теперь другая задача.
■ З а д а ч а 6.10. Нужен паяльник, в котором автоматически поддерживалась бы определенная температура.
Можно с уверенностью утверждать, что, не дочитав условий задачи, вы уже будете знать ответ: индукционный нагрев плюс наконечник паяльника, выполненный из вещества с заданной точкой Кюри.
Правила, которые помогли решить задачи 6.9 и 6.10, взяты из системы стандартов.
Еще раз подчеркну: стандартная задача — не значит простая. Вспомните задачу 6.8 о супермаховике — разве она проста?.. Задача становится стандартной в зависимости от того, известны ли соответствующие законы развития технических систем. Некоторые сравнительно простые задачи до сих пор не поддаются стандартизации, их приходится перемалывать, продвигаясь шаг за шагом. И наоборот: есть сложные задачи, которые легко решаются по стандартам. Стандарты указывают «хитрые», обходные подходы к задачам. В этом есть нечто парадоксальное: решение идет по правилам... неправильного (т. е. нетривиального) мышления.
Глава 6. Истребители противоречий |
125 |
126 |
НАЙТИ ИДЕЮ |
■ З а д а ч а 6.11. Возьмем в качестве прототипа паяльник с наконечником, имеющим определенную точку Кюри. Нужно усовершенствовать паяльник.
Из 19 инженеров, которым была предложена эта задача, семь просто отказались ее решать: «Формулировка неверная, неизвестно, что требуется...» Девять человек не пошли дальше туманных высказываний: «Наверное, надо уменьшить вес... или расход энергии... может быть, компоновку или внешний вид?.. Хорошо бы посмотреть паяльник в натуре...» Три человека предложили использовать наборы сменных наконечников с разными точками Кюри. Идея небогатая: 30 или 50 сменных наконечников — это громоздко.
Из 16 инженеров, знающих стандарты, задачу правильно решили все 16... Статистика, конечно, небольшая, она отражает лишь качественную сторону дела. Но читатель может сам продолжить опыты с задачей 6.11: всегда полезно проверить то или иное утверждение. Предложите задачу 6.11 своим коллегам. Правильный ответ: поскольку простой веполь уже есть, надо ввести второе поле, управляющее точкой Кюри наконечника паяльника. Таким полем может быть механическое поле сил сжатия.
* * *
Система стандартов возникла не сразу. С самого начала разработки ТРИЗ была необходимость иметь мощный информационный фонд, включающий прежде всего типовые приемы устранения технических противоречий. Работа эта велась много лет, было проанализировано свыше 40 000 изобретений, выявлено 40 типовых приемов (вместе с подприемами — более 100). В глубине технических противоречий, как уже говорилось, спрятаны противоречия физические. По самой своей сути физические противоречия предъявляют двойственные требования к объекту: быть подвижным и неподвижным, горячим и холодным и т. п. Неудивительно, что, изучая приемы устранения физических про-
тиворечий, пришли к выводу, что должны существовать парные (двойственные) приемы, более сильные, чем одинарные. Информационный фонд ТРИЗ пополнился списком парных приемов (дробление-объединение и т. д.). В дальнейшем выяснилось, что решение сложных задач обычно связано с применением комплексных приемов, включающих несколько обычных приемов (в том числе и парных) и физический эффект. Наконец, были выделены особо сильные сочетания приемов и физэффектов — они и составили первую, еще немногочисленную, группу стандартов. К этой группе были присоединены правила преобразования технических объектов, вытекающие из законов развития. Постепенно сложилась система стандартов, регулярно пополняемая и совершенствуемая.
Стандарты — истребители технических и физических противоречий. Все стандарты нацелены на преодоление противоречий, в крайнем случае — на их обход. Победить противоречие, совместить несовместимое, осуществить невозможное — в этом смысл стандартов.
* * *
Современная система включает 76 стандартов, разделенных на пять классов.
Первый класс — построение и разрушение вепольных систем. Главная идея этого класса четко отражена в первом же стандарте 1.1.1: для синтеза работоспособной технической системы необходимо — в простейшем случае — перейти от невеполя к веполю. Но это именно простейший случай. Часто приходится строить веполи, преодолевая дополнительные трудности. Например, поле должно действовать на одно вещество и не действовать на другое, расположенное рядом.
■ З а д а ч а 6.12. Полистироловые катушки обмотаны тонким изолированным проводом и имеют металлические ножки. Припаивали провод к ножкам, окуная его в ванну с припоем при 280 °С. Однако при этом требовалась зачистка концов провода.
Глава 6. Истребители противоречий |
127 |
128 |
НАЙТИ ИДЕЮ |
Для устранения этой операции решили вести пайку при температуре припоя 300 °С (изоляция при этой температуре сгорала). Но при 300 °С происходил перегрев, полистирол размягчался, ножки перекашивались. Как вы поступили бы в этой ситуации?
Вот фрагмент стандарта 1.1.8:
«Если нужен избирательно-максимальный режим (максимальный режим в определенных зонах — при сохранении минимального режима в других зонах), поле должно быть:
—либо максимальным; тогда в места, где необходимо минимальное воздействие, вводят защитное вещество (1.1.8.1);
—либо минимальным; тогда в места, где необходимо максимальное воздействие, вводят вещество, дающее локальное поле, например термитные составы — для теплового воздействия, взрывные составы — для механического воздействия (1.1.8.2).
■Примеры
А.с. 264619. Для запайки ампулы с лекарством горелку включают на максимальный режим, а избыток пламени отсекают, погружая корпус ампулы в воду (высовывается только верхушка капилляра).
А.с. 743810. В зазор между свариваемыми деталями закладывают смесь, выделяющую при сварке локальное тепло».
Стандарт дает прямой ответ на задачу 6.12. Ножки с концами проводов предварительно окунают в расплав горючей смеси, а затем пайка ведется как и раньше — припоем с температурой 280 °С. Изоляция сгорает при вспышке экзотермической смеси, полистирольная катушка не размягчается.
Помните задачу 3.1 о пайке золотых цепочек? Она решается по тому же стандарту. Припой — он содержит и фосфор — замешивают на касторовом масле и окунают в него золотую цепочку. Припой покрывает поверхность цепочки, заполняя и зазоры звеньев. Теперь надо убрать избыток припоя (вспомните правило 3, использованное при решении задачи 6.9). Цепочку обваливают
в тальке, избыток припоя счищается, припой остается только в зазорах звеньев, где его удерживают силы поверхностного натяжения. Остается пропустить цепочку сквозь пламя горелки. Одна за другой происходят микровспышки припоя (сгорает фосфор), звенья спаиваются, точнее — свариваются (температура вспышек выше температуры плавления золота).
В класс 1 входят также стандарты на разрушение, в частности стандарт 1.2.2, которым была решена задача о «крышке» для жидкого шлака: «Если между двумя веществами в веполе возникают сопряженные — полезное и вредное — действия, причем непосредственное соприкосновение веществ сохранять не обязательно, а использование посторонних веществ запрещено или нецелесообразно, задачу решают введением между двумя веществами третьего вещества, являющегося их видоизменением».
Посмотрим действие этого стандарта еще на одной задаче.
■ З а д а ч а 6.13. При осаждении металлов электролизом из водных растворов возникает проблема отделения осадка (продукции) от катода (инструмента). Операция эта весьма трудоемка и производится вручную (красноречиво само название операции — «сдирка»). Как быть?
Между катодом и слоем осажденного на катод металла должна быть металлическая прослойка — легко образующаяся, электропроводная, легко разрушающаяся. По а. с. 553309 такую прослойку получают, покрывая катод «рыхлым губчатым слоем осаждаемого металла, который наносят электролитически в режиме предельного тока».
* * *
Второй класс включает стандарты на развитие вепольных систем. Повышение эффективности вепольных систем может быть достигнуто прежде всего переходом к сложным веполям: усложнение при этом относительно невелико, оно с лихвой компенсируется появлением новых качеств. Большая группа стандартов относится к приемам форсирования простых и сложных веполей.
Глава 6. Истребители противоречий |
129 |
130 |
НАЙТИ ИДЕЮ |
Сюда, в частности, входят приемы, позволяющие увеличить динамичность систем, обеспечивающие согласование ритмики и структурирование веществ и полей, указывающие пути перехода к комплексному форсированию.
■ З а д а ч а 6.14. Из описания к а. с. 903090: «Известен способ шлифования деталей инструментом в виде баллона из эластичного материала, рабочая поверхность которого покрыта абразивом. Шлифование происходит в условиях постоянного прижима инструмента к заготовке. Для равномерного прижима абразива к обрабатываемой поверхности баллона вводят ферромагнитные частицы, образующие суспензию, а инструмент прижимают путем воздействия на нее постоянным магнитным полем. Реализация данного способа позволяет повысить равномерность прижима абразива к обрабатываемой поверхности и точность обработки. Однако одновременно вследствие увеличения площади контакта круга с заготовкой повышается температура в зоне резания и усиливается затупление абразива, что приводит к повышению шероховатости обрабатываемых поверхностей и снижает производительность процесса...» Как быть?
Четкое противоречие: полезно, чтобы инструмент прижимался к изделию; и вредно, чтобы инструмент прижимался к изделию. И столь же четкий способ преодоления противоречия: постоянный прижим абразива заменяют переменным, круг начинает вибрировать, трение уменьшается. Для создания вибрации применяют дополнительное магнитное переменное поле, действующее на ферросуспензию. Чтобы действие магнитного поля было максимальным, частицы суспензии выполняют из материала с магнитострикционными свойствами, т. е. в изобретении дополнительно использован еще и физический эффект.
Стандарты второго класса продвигают техническую систему вдоль центрального стержня общей схемы развития: от простых веполей к сложным, форсированным и комплексно форсированным. Дальнейшее развитие идет за счет наращивания физэффек-