Основы теории изобретательства. Учебное пособие

Министерство науки и высшего образования Российской Федерации Сибирский государственный университет науки и технологий имени академика М. Ф. Решетнева

П. В. Цаплин, С. П. Ереско, А. В. Ушаков

ОСНОВЫ ТЕОРИИ ИЗОБРЕТАТЕЛЬСТВА

Утверждено редакционно-издательским советом университета в качестве учебного пособия для студентов бакалавриата по направлениям подготовки

15.03.02«Технологические машины и оборудование»,

23.03.02«Наземные транспортно-технологические комплексы»,

23.03.03«Эксплуатация транспортно-технологических машин

икомплексов» всех форм обучения

Красноярск 2020

1

УДК 001.894(075.8)

ББК 30уя73

Ц17

Рецензенты:

доктор технических наук, профессор Г. Я. ШАЙДУРОВ (Сибирский федеральный университет);

кандидат технических наук, доцент Н. А. РОМАНОВА (Сибирский государственный университет науки и технологий имени академика М. Ф. Решетнева)

Цаплин, П. В.

Ц17 Основы теории изобретательства : учеб. пособие / П. В. Цаплин, С. П. Ереско, А. В. Ушаков ; СибГУ им. М. Ф. Решетнева. – Красно-

ярск, 2020. – 90 с.

Предназначено для изучения курса «Основы теории изобретательства». Показано, как выполнить изобретательскую задачу, предложить один из вариантов ее оптимального решения на основе вепольного анализа, использование приемов, физических приемов и других методов. Предлагается порядок составления заявки на предполагаемое изобретение. Пособие оснащено необходимым справочным материалом.

УДК 001.894(075.8)

ББК 30уя73

© СибГУ им. М. Ф. Решетнева, 2020 © Цаплин П. В., Ереско С. П.,

Ушаков А. В., 2020

2

3

ПРЕДИСЛОВИЕ

Изобретения – национальное богатство России, а изобретательская деятельность – главная составляющая научно-технического прогресса. Научно-технический прогресс – это локомотив экономики. Без него невозможно создание и производство современных машин, станков, спутников, приборов электроники, продуктов питания, одежды и многого другого. Без изобретений научно-технический прогресс немыслим.

Однако изобретательской деятельностью в нашей стране могут заниматься не многие. Возникает вопрос: может ли стать изобретателем каждый человек? Каждый человек изобретать не может, но каждый инженер обязан это делать. Само слово «инженер» с латинского языка переводится как «изобретатель». В процессе своей профессиональной и творческой деятельности инженер часто сталкивается с различного рода изобретательскими задачами. Поэтому будущих инженеров необходимо учить изобретательству, как учат музыке, живописи, танцу.

Техническое творчество студентов-механиков важно не только как становление инженера, но и для самоутверждения, для дальнейшего их творческого роста. Данное учебное пособие имеет цель овладеть теми теоретическими знаниями, необходимыми для творческого изобретательского процесса. Необходимые навыки изобретательства приобретаются только когда студент самостоятельно, опираясь на определенный багаж знаний станет разрешать изобретательские задачи.

Изучение данного пособия способствует освоению у обучающихся следующих профессиональных компетенций (ПК): способно-

сти оценивать инновационный потенциал проекта; способности подготовки заявки на изобретение и промышленные образцы в области автоматизированных технологий и производств, управления процессами, жизненным циклом продукции и ее качествами; способности осуществить фиксацию и защиту объектов интеллектуальной собственности; способности руководить подготовкой отзывов и заключений на проекты стандартов, рационализаторские предложения и изобретения.

Изучение курса ОТИ и работа с изобретательной машиной повышает возможности специалистов при поиске новых технических решений и прогнозирования новых технических задач.

4

1. ИСТОРИЯ ИЗОБРЕТАТЕЛЬСКОГО ТВОРЧЕСТВА. ВЕЛИКИЕ ИЗОБРЕТЕНИЯ ЧЕЛОВЕКА

Человек, как существо разумное, издавна занимался поиском разрешения изобретательских задач, которые постоянно улучшали его условия жизни в природной среде. В процессе жизнедеятельности человек во все времена вынужден был искать те решения, которые бы позволили ему в древности выживать, а позднее улучшать его условия и быт, управлять окружающим миром.

Первыми изобретателями можно назвать тех, кто стали приспосабливать камни и палки для охоты и защиты от хищных животных, а первая инженерная задача заключалась в обработке этих примитивных орудий. Гениальным изобретателем следует признать того первобытного инженера, который первым прикрепил камень к палке, чтобы эффективнее защищаться и результативнее нападать.

Проследим, как со временем появлялись новые изобретения человека в процессе его жизнедеятельности, разделив временные отрезки на периоды. В книге Г. С. Альтшуллера «Творчество как точная наука» в табл. 1 представлена хронология важных изобретений человека.

С наступлением нашей эры динамика развития изобретений возрастает. В средние века наука и техника активно развивалась на Ближнем Востоке и Средней Азии. В эпоху Возрождения центр научной мысли перемещается в Европу.

Ниже в табл. 1.1 отметим лишь важные и значимые изобретения человека.

Таблица 1.1

Хронология изобретений человека

5

Песочные часы. Песочные часы предположительно изобрели моряки в XI в., так как этот прибор использовался до XIV в. только на кораблях для учета времени. Часы дополняли магнитный компас и помогали в навигации судна. Но единственные источники, говорящие об этом, – корабельные журналы. И только в 1328 г. песочные часы материализовались на полотнах Амброзио Лоренцетти. С XV в. этот прибор получил большую популярность и стал использоваться на суше буквально повсеместно. Это был первый точный измеритель отрезков времени. На кораблях появились даже специальные люди, отвечавшие за своевременное переворачивание часов. В настоящее время песочные часы используются при проведении некоторых врачебных процедур, в фотографии, а также в качестве сувениров. В операционных системах Windows символ песочных часов, в который обращается указатель мыши, используется для индикации занятости системы.

Доменная печь. Средние века – это настоящая эпоха железа. Рыцарские доспехи, оружие, бытовые орудия труда – очень многое стали изготавливать из металла. Легкоплавкие руды перестали отвечать требованиям средневековой цивилизации. Им на смену пришли тугоплавкие металлы. А для них нужны были совсем другие печи.

6

Спрос рождает предложение. И вот был изобретен штукофен – прототип доменной печи. Первые штукофены были построены в Чехии и Германии. Температура в них была выше, плавление шло более медленно и ровно. На выходе получали три сорта металла – чугун, сталь, ковкое железо. Следующим шагом стал блауофен – поддувная печь, которая в последствии была усовершенствована до доменной печи.

Очки. Очки для зрения, без которых невозможно представить себе современную цивилизацию, были изобретены в средине века. Самое раннее документально зафиксированное упоминание о них относится к 1268 г. и принадлежит Роджеру Бэкону. Первый портрет, на котором появляется человек в очках, – работа итальянского монаха Томмазо да Модена (1325–1379) 1352 г., изображающая Хью Провенса, переписывающего рукописи. На мужчине видны круглые очки.

Механические часы. Предположительно, механические часы были изобретены при монастыре для точного определения времени службы, на которую всех монахов созывал монастырский колокол. Первые механические часы были огромными и помещались в башню. У них была только часовая стрелка. Самые старые сохранившиеся по сей день, находятся в соборе Солсбери (Великобритания). Они были созданы в 1386 г. Руанские часы 1389 г. до сих пор имеют отлаженный механизм и работают.

Печатный станок. Бумага и книгопечатание – изобретение Китая. Но европейцы в XV в. придумали, как создавать книги быстро, изобретя механическое книгопечатание. Первое упоминание о таком механизме относится к судебному процессу в Страсбурге, состоявшемуся в 1439 г. Изобретение печатного пресса приписывают по одним источникам Йоганну Гутенбергу, по другим, более скудным, – Лоуренсу Янсону Костеру. Печатный пресс был сконструирован на основе пресса для бумаги. Этот механизм мог печатать до 250 страниц

вчас. В России книгопечатание зародилось при царе Иване IV Грозном

в1563 г. Первым русским книгопечатником считается Иван Федоров.

В заключении отметим великие изобретения человека.

Огонь. Человек открыл полезные свойства огня довольно давно, на заре цивилизации. С его помощью можно было согреться и освещать, менять вкусовые свойства пищи. Первоначально человек имел дело с «диким» огнем, возникающим от пожаров или извержением вулкана. Постепенно страх перед огнем сменился любопытством. Со временем человек сам научился добывать огонь, и тот стал его постоянным спутником, основой хозяйства, защитой от зверей. В результате многие последующие открытия стали возможны благодаря

7

огню – керамика, металлургия, паровой двигатель и т. д. Человек научился добывать огонь благодаря замечательному физическому явлению – трению. Брались две палочки сухого дерева, в одной из которых была лунка. Первая ставилась на землю и прижималась. Вторую палочку ставили в лунку и начинали быстро вращать между ладонями. Дерево нагревалось и воспламенялось. Конечно, такой процесс требовал определенной сноровки. Позднее возникли другие способы получения открытого огня.

Колесо. Многие эксперты полагают, что прообразом колеса стали катки, которые подкладывали под стволы деревьев при их транспортировке. Так, если бревно-каток в центре было тоньше, чем по краям, то оно передвигалось более равномерно, не отклоняясь по сторонам. Люди подметили это, и появилось приспособление, называемое ныне скатом. Со временем конструкция менялась, и от цельного бревна остались два валика, соединенные осью. Так было изобретено колесо, которое стало применяться в первых повозках. Первоначально колеса были жестко соединены с осью. Да и сами колеса были не совершенными – их выполняли из цельного куска дерева. В последующие века

итысячелетия колесо становилось все более совершенным. С приходом металлургии колесо получило металлические обода и спицы. Скорости существенно возросли. А с появлением химии появился

икаучук – материал для покрышек. В итоге колесо стало открытием, которое дало мощный толчок развитию всей техники.

Письменность. Появление письменности позволило сохранять

ипередавать необходимую информацию человеку. Первые формы символов для передачи информации возникли около 6 тыс. лет назад. До этого человек пользовался более примитивными сигналами, такими как дымом, ветками и прочими ухищрениями. Сама письменность возникла с изобретением символов. Сначала появились пиктограммы. Пиктография была широко распространена еще в каменном веке,

иособо учиться этому не надо было. Со временем в пиктограммы стали вводиться условные значки, определяющие определенные по-

нятия. Постепенно пиктограммы становились все более четкими и определенными. Высшей формой пиктографии стали иероглифы. С помощью иероглифов стало возможным передавать не только определенные действия, но и мысли, чувства, ощущения. Иероглифы зародились в Древнем Египте, а затем распространились на Дальний Восток – Китай, Японию. Количество иероглифов достигало несколько тысяч, и поэтому владеть ими могли не многие.

8

Контрольные вопросы и задания

1.Перечислите самые значимые изобретения человека за всю историю цивилизации.

2.Какие основные изобретения эпохи средневековья вы знаете?

3.Дайте характеристику динамике развития инженерной мысли человечества.

2.ОБЩИЕ ПОДХОДЫ В РЕШЕНИИ ИЗОБРЕТАТЕЛЬСКИХ ЗАДАЧ

Поиски методик и их внедрение в обучение такой дисциплины как «Основы теории изобретательства» были проведены в нашей стране в 1970-х гг. XX в. Эти методики во многом позаимствованы из такого курса как «Теория решения изобретательских задач», разработанного советским и российским инженером и писателем-фантастом Г. С. Альтшуллером (1926–1998). Научный подход к поиску и решению изобретательских задач, лабораторию во главе Г. С. Альтшуллером привели к разделению всех объектов техники на устройства и способы их реализации. Такие объекты были названы техническими системами (ТС), которые развивались по объективно существующим законам общей диалектики. Такой подход дает основание решать нестандартные технические задачи целенаправленным образом, используя приемы, физические принципы и другие способы.

Механизмы решения изобретательских задач были заложены

впрограммы под названием «Изобретающая машина» (ИМ) для интеллектуальной поддержки при решении сложных технических задач

влюбой области техники. Результат диалога с ИМ – это патентоспособные идеи новых технических решений.

Всостав ИМ входят системы:

1)П – помогает генерации идей путем включения приемов разрешения технических противоречий;

2)С – использует систему стандартов решения сложных задач со структурным прогнозом развития полученной идеи;

3)Э – содержит рекомендации по применению физических, химических и геометрических эффектов при решении задач;

4)ФСА – помогает проводить функционально-стоимостной анализ заданной ТС с целью снижения себестоимости и повышения качества выпускаемой продукции.

9

В настоящее время в практической деятельности имеют место два подхода в решении изобретательских задач:

1)разделение задачи на простые составляющие;

2)системный подход к развитию техники на основе методик, предложенных Г. С. Альтшуллером.

Первое направление охватывает следующий комплекс действий:

−желание создавать новое;

−выбор объекта;

−изучение существующих решений;

−поиск идеи для решения избранной темы;

−экспериментирование;

−выявление недостатков;

−создание модели;

−окончательное формирование технического творчества. Системный подход условно реализуется в 4 этапа.

1 этап учитывает актуальность темы для предприятия, общест-

венная польза, личные способности изобретателя и интерес других творческих лиц к данной проблеме.

2 этап учитывает целесообразность работы над темой, ее комплексный характер решения.

3 этап рассматривает возможность использования известных технических решений, включая случайные изобретения-открытия, таких ученых как Фельберг, Ричардсон, Гудиер и др. Идея должна отвечать трем основным требованиям:

−быть полезной и ценной;

−быть новой, единственной в своем роде;

−быть простой даже для сложной задачи.

Представленные требования должны опираться на законы природы. Ярким примером этого может служить: аналогия взлета с воды утки и гидроплана; строители создают опорные металлоконструкции, заимствованные у прочного ствола бамбука; жуки в ночи подают световые сигналы себе подобным добиваясь общения, что также заимствовано человеком; поведение аквариумных рыбок, указывающих на приближение шторма или его направление, что нередко используется мореплавателями; лягушки, птицы, муравьи указывают на приближение дождя.

Такой же целесообразный путь используется и людьми для реализации технических идей. Создавая автомобиль в 1886 г., немец Даймлер Бенц поставил двигатель на раму телеги, раму на рессоры,

10