Основы теории изобретательства. Учебное пособие

связанные с осями и колесами, с последующим усложнением конструкции крыши коробкой и т. д.

4 этап технического творчества заканчивается экспериментом, моделью и оформлением рационализаторского предложения или патента.

Подходы к решению практических изобретательских задач опираются на известные методы активации поиска – случайный перебор вариантов (метод проб и ошибок), морфологический метод, методы фокальных объектов, мозгового штурма, контрольных вопросов, синектики, функционально-стоимостной анализ, а также комплексная программа – алгоритм решения изобретательских задач (АРИЗ).

Эвристические приемы или методы «проб и ошибок» широко применяются и в настоящее время. Академик А. А. Микулин для повышения надежности магнето в двигателях самолетов предложил их ставить по 2 штуки, случайно увидев человека, передвигающегося по улице, один глаз которого был травмирован.

Загипсованную руку для снятия гипса лучше распиливать при теле, чем наоборот, предварительно остановив пилу в повязке, такое решение обусловлено прежними ранениями рук.

Контрольные вопросы и задания

1.Что входит в состав «изобретающая машина»?

2.Какие подходы в решении изобретательских задач имеют место в практической деятельности в настоящее время?

3.Перечислите приемы в решении изобретательских задач, широко используемые в настоящее время.

3. НАУЧНЫЕ ОСНОВЫ ИЗОБРЕТЕНИЙ

Наука растет из года в год в геометрической прогрессии. Этот рост относится и к числу научных работников, и к количеству публикуемых статей о новых теориях, экспериментах, расчетах, гипотезах. Рост науки, сам по себе непрерывный, привел тем не менее к качественному новому положению именно теперь, в начале III тысячелетия. Как никогда раньше, сейчас нужны новые технологии и изобретения, разработанные на базе известных физических эффектов и явлений окружающего мира.

11

Приведем несколько примеров изобретений, основанных на физических эффектах и законов.

1. Силы инерции.

Если на тело действует сила, приложенная к его поверхности, возникающая при этом сила инерции слагается из сил инерции его элементарных частиц, как бы последовательно, более удаленные от места приложения действующей на тело силы частицы «давят» на более близкие. Во всем объеме тела возникают напряжения, приводящие к смещениям частиц тела. Этот эффект используется в различных инерционных выключателях, переключателях и акселерометрах.

Авт. свид. № 483.120, А 63 Н 30/02. Переключатель для электрической игрушки, содержащий корпус с контактами и установленный в нем с возможностью ограниченного поворота диск с токосъемниками и прикрепленным к нему одним концом поводком, отличающийся тем, что с целью реверсирования электродвигателя при столкновении игрушки с препятствием, на свободном конце поводка укреплен груз.

2. Момент инерции.

Чем больше масса вращающегося тела и чем дальше она отнесена от центра вращения, тем большим моментом инерции обладает тело.

Авт. свид. № 538.800, В 21 J 7/24. Способ регулирования энергии ударов в кузнечнопрессовых машинах ударного действия, заключающийся в изменении момента инерции маховых масс, отличающийся тем, что с целью повышения качества обрабатываемых деталей и долговечности машин, момент инерции изменяют путем подачи или отвода жидкости во внутренние полости маховых масс.

3. Гироскопический эффект.

Вращающееся тело обладает гироскопическим эффектом – способностью сохранять в пространстве неизменное направление оси вращения. При силовом воздействии с целью изменить направление оси вращения возникает прецессия гироскопических систем. Гироскопы широко применяются в технике, они являются одним из основных элементов современных систем управления судами, самолетами, планетоходами, космическими кораблями.

Авт. свид. № 474.444, В 60 L 11/16. Локомотив с электропередачей, содержащий аккумулятор энергии в виде вращающегося маховика, связанный с преобразователем энергии, представляющим собой обратимую электрическую машину, отличающийся тем, что, с целью устранения сил гироскопического эффекта маховика на устойчивость локомотива, маховик с преобразователем энергии смонтирован в оболочке и помещен в гироскопический механизм с двумя степенями свободы.

12

4. Трение.

Трение представляет собой силу, возникающую при относительном перемещении двух соприкасающихся тел в плоскости их касания. Ввиду зависимости сил трения от многих, порой очень трудно учитываемых, факторов, предпочитают пользоваться феноменологической теорией трения, описывающей в основном факты, а не их объяснения.

Различают трение качения и трение скольжения. Феноменологическая теория базируется, в основном, на представлении о том, что касание твердых тел имеет место лишь в отдельных пятнах, на которых действуют силы диффузии, химической связи, адгезии и т. п.; при скольжении каждое пятно касания (фрикционная связь) существует ограниченное время. Сумма всех сил, действующих на пятна касания, усредненная по времени и по поверхности, носит название силы трения. Продолжительность существования фрикционной связи определяет такие важные величины, как износостойкость, температуру пограничного слоя, работу по определению силы трения.

Трение покоя больше трения движения, и этот факт снижает чувствительность точных приборов. Заменить трение покоя трением движения – это значит уменьшить силу трения и как-то стабилизировать ее. Задачу можно решить, заставив трущиеся элементы совершать колебания.

В патенте США № 3.239.283 задача решается выполнением втулки подшипника из пьезоэлектрического материала и покрытием ее электропроводящей фольгой. Пропуская переменный ток, под действием которого пьезоэлектрик вибрирует, они ликвидируют трение покоя.

5. Закон Архимеда.

На всякое тело, погруженное в жидкость или газ, действует со стороны жидкости или газа подъемная сила, направленная вверх

иприложенная к центру тяжести погруженного тела. Величина этой силы равна весу вытесненной жидкости. В этой формулировке, хотя

ив не очень явной форме, предполагается наличие тяготения, так как существование выталкивающей силы обусловлено разностью статических давлений в жидкости или газе на элементы нижней и верхней поверхности тела.

Если жидкость имеет различный удельный вес по высоте, то подъемная сила будет изменятся в соответствии с изменением ее удельного веса.

Авт. свид. № 332.989, В 23 К 37/04. Манипулятор, содержащий стол с устройством для его поворота, выполненным в виде металли-

13

ческого корпуса, наполненного жидкой средой, в которой размещен поплавок, отличающийся, тем, что, с целью обеспечения возможности изменения подъемной силы поплавка, жидкая среда состоит из жидкостей с различными удельными весами.

Мы показали лишь немногие физические эффекты и законы, используемые в изобретательских задачах. Во все времена естественные науки, и прежде всего физика являлись локомотивом технического прогресса. Многие значимые изобретения основаны именно на законах физики. Например, изобретение паровой машины, изобретателем которой является русский механик Иван Ползунов (1728–1766). Проект парового двигателя мощностью 1,8 л.с. Ползунов разработал в 1763 г. В январе 1764 г. он приступил к созданию действующей «огнем» машины. В Российском государственном историческом архиве хранятся подлинные чертежи паровой машины с его личной подписью («механикус Иван Ползунов»). К чертежам приложена пояснительная записка, составленная автором в декабре 1765 г., когда Ползунов закончил постройку паровой машины. Паровая машина Ползунова была первым в мире двухцилиндровым двигателем с работой цилиндров на один общий вал, что впервые в мире позволило двигателю работать без какого-либо использования гидравлической энергии, т. е. в том числе на совершенно безводном месте, что было огромным шагом вперед по сравнению с существовавшими тогда паровыми машинами, не способными обходиться без вспомогательного гидравлического привода.

Контрольные вопросы и задания

1.Что позволяет фундаментальной науке использовать свои знания в изобретательском творчестве?

2.Перечислите знаковые научные открытия, которые позволили решить важнейшие изобретения.

4. ПОИСК ИЗОБРЕТАТЕЛЬСКОЙ ИДЕИ

Рассмотрим схему поиска изобретательской идеи на примере электролиза цветных металлов.

При плавке цветных металлов для стабилизации технологического процесса в электролизных ваннах используют специальные ванны с избыточным давлением или гасильные шесты в виде стволо-

14

вой древесины определенных размеров и влажности. Применение последних наиболее целесообразный вариант в технологии, так как не требуют коренной реконструкции ванн, ведущей к удорожанию конечной продукции. Однако существенным недостатком применения дешевых гасильных шестов следует считать трудности заготовки сырой стволовой древесины для предприятий, отдаленных от лесных массивов. В связи с этим возникает проблема, чем заменить гасильные шесты, на натуральной древесной основе которых предприятие ежесуточно расходует до нескольких тысяч. Заменителями должны стать шесты, из древесных отходов которых достаточно в любом населенном пункте.

Составим алгоритм изобретательской идеи. 1. Формулировка условия задачи.

Предложить конструкцию гасильного шеста, геометрические и физико-механические характеристики которого соответствуют образцу из натуральной древесины.

2.Составление эскиза технического объекта (ТО) гасильного шеста, отвечающего условию задачи.

3.Уяснение сути задачи.

Предложить технологию гасильного шеста на основе древесины, заменяющего натуральную древесину, и по себестоимости не выше последней.

4. Выражение желаний.

Предлагаемое решение очевидно должно быть таким, чтобы внутренняя структура материала отвечала внутренней структуре натурального сырого дерева, чтобы обеспечить необходимые прочностные свойства шеста, так как электролиз пробивает ими корку шлама в ванне, а сам шест постоянно сгорает. Шест не должен быть изготовлен из измельченной древесины, так как последующее формирование его приведет к введению в материал смол, отрицательно влияющих на качество выплавляемого материала.

5. Предвидение возможного силового поля для формирования технического объекта.

Силовые поля имеют различную природу и из обилия существующих, необходимо их конкретизировать для принятого ТО. Формы полей – механические, реактивные, ньютоновы, гравитационные, деформации, архимедовы, диффузии, капиллярные, акустические, ультразвуковые, электрические, магнитные, рентгеновские и др. Предвидение на базе имеющихся знаний показывает, что для достижения формирования ТО из отходов древесины и требуемых физико-

15

механических характеристик, необходимо использование механических, деформационных, диффузионных, капиллярных, ультразвуковых и тепловых полей.

6. Перечисление элементов объекта и их свойств.

Элементами объекта очевидно должна быть не измельченная древесина, а древесина в виде кусковых отходов продольной распиловки или строганного, лущеного шпона, с целью минимального введения связующего.

7. Изучение приемов решения и их применение для данного ТО. Известно 40 приемов. Для решения данной задачи, очевидно, применим прием ТРИЗ «дробление и объединение», который необхо-

димо технологически связать. 8. Исполнение желаний.

Выполненные 7 пунктов алгоритма согласно с поставленными задачами позволяет сформулировать заявку на предполагаемое изобретение с учетом п. 9. Для других задач, в зависимости от их сложности, возможно продолжение исследования до положительного решения.

9. Обмен энергии, веполи.

Обмен энергии поля вводится в решение задачи в том случае, если технический объект не может осуществлять требуемого действия сам по себе. В связи с этим он должен взаимодействовать с внешней средой. При этом любое изменение сопровождается выделением, поглощением или преобразованием энергии. Форсированное формирование гасильного шеста из отходов древесины невозможно без наложения теплового поля, преобразование энергии которого ведет к полимеризации связующего на основе водных растворов и формирование гасильного шеста в монолитную структуру, напоминающую натуральную древесину. Для вещества: древесина и связующее с наложенным тепловым полем образуют минимальную техническую систему, получившую название веполь (вещество + поле) (см п. 11).

10. Анализ и синтез элементов, и их свойств.

С увеличением числа веществ технического объекта усложняется согласование элементов, поэтому сложные задачи расчленяются на более простые с минимальным количеством элементов.

11.Дополнительное применение приемов.

12.Выбор оптимальных решений.

13.Применение найденных решений для других задач. Пунктами алгоритма 11, 12, 13 завершается работа над постав-

ленной задачей путем определения одного из возможных решений проблемы и окончательной подготовки материалов для предоставления к патентованию.

16

Все способы по обучению поиска изобретательской идеи можно условно разделить на две группы.

1.Эвристические методы технического творчества, основанные на использовании достаточно четко описанных методик и правил поиска новых технических решений. Эти методы начали разрабатываться еще с древних времен (Сократ, Архимед, Р. Декарт и Л. Лейбниц).

Внастоящее время известно более 100 эвристических методов, методик, приемов, принципов, алгоритмов.

2.Компьютерные методы поискового конструирования основаны на использовании ЭВМ в решении нестандартных задач. Компьютерные методы используют при решении сложных задач, которые без машинной поддержки вызывают определенные трудности.

По мнению специалистов, на первом этапе целесообразно научиться свободно пользоваться методами мозговой атаки, морфологического анализа и синтеза, контрольных вопросов, алгоритма решения изобретательских задач, метода синтеза технических решений на графиках, синтеза технических принципов действия, математического программирования – синтеза оптимальных структур и форм.

Для удобства решения инженерных нестандартных задач целесообразно отдельные машины, аппараты, здания, сооружения, блок, узел, деталь называть техническим объектом (ТО) или «Техническая система».

Курс ОТИ отличается от традиционных учебных дисциплин математики, механики и других, дающих решение четко определенных инженерных задач, тем, что нестандартные творческие инженерные задачи несоизмеримо труднее и сложнее четко определенных задач.

Всвязи с этим, задача курса ОТИ заключается не в подготовке специалистов для выполнения стандартных операций, а в воспитании творческих личностей с расширенными потенциальными возможностями, позволяющие улучшить показатели функциональной красоты нестандартных изделий.

Контрольные вопросы и задания

1.Каков алгоритм решения изобретательской задачи?

2.Перечислите основные способы поиска изобретательской

идеи.

3.В чем заключается техническое творчество современного инженера?

4.Что позволяет курс ОТИ решать в повседневной деятельности инженера?

17

5. МОРФОЛОГИЧЕСКИЙ АНАЛИЗ ИЗОБРЕТАТЕЛЬСКОЙ ЗАДАЧИ

Морфологический анализ – пример системного подхода в области изобретательства. Морфологический анализ или метод морфологического анализа основан на подборе возможных решений для отдельных частей задачи, так называемых морфологических признаков, характеризующих устройство, и последующем систематизированном получении их сочетаний (комбинировании). Относится к эвристическим методам. Метод разработан в 30-х гг. XX в. швейцарским астрономом Фрицем Цвикки. Благодаря этому методу он смог за короткое время получить значительное количество оригинальных технических решений, например, в ракетостроении.

Для проведения морфологического анализа необходима точная формулировка проблемы для рассматриваемой системы. В итоге дается ответ на более общий вопрос посредством поиска всевозможных вариантов частных решений, независимо от того, что в исходной задаче речь шла только об одной конкретной системе.

Рассмотрим основные этапы применения метода.

1.Выясняется цель задачи – поиск вариантов функциональных схем либо принципов действия, либо структурных схем, либо конструктивных разновидностей разрабатываемой системы. Возможно исследование одновременно по нескольким признакам.

2.Выделяют узловые точки (оси, отдельные части задачи), которые характеризуют разрабатываемую систему с позиции ранее сформулированной цели. Это могут быть частные функции подсистем,

принципы их работы, их форма, расположение, характеристики и свойства (состояние вещества и энергии, вид совершаемого движения, физические, химические, биологические, психологические, потребительские свойства и т. д.). Удобно предварительно (допустим, из анализа аналогичной системы) построить соответствующую блоксхему (функционирования, принципа действия, структурную схему), элементы которой и образуют узлы. Количество узлов обычно выбирается из условия обозримости и реальности анализа, а при работе на компьютере – в пределах физической возможности вычислительной техники и отведенного на решение задачи времени. Удобно задачу решать в ряд этапов: сначала по ограниченному числу наиболее важных узловых точек, а затем для дополнительных, второстепенных или выявленных в ходе анализа и представляющих интерес новых узлов.

18

3.Для каждой узловой точки предлагаются варианты решений: либо исходя из личного опыта (зависит от эрудиции), либо беря их из справочников и банков (баз) данных (т. е. на каждую ось нанизываются возможные решения, по аналогии со счетами). Варианты должны охватывать всю область возможных решений для данной узловой точки. Но чтобы задача была обозримой, рекомендуется сначала выделять укрупненно-обобщенные группы вариантов, которые при необходимости впоследствии конкретизируются. Варианты могут быть не только реальные, но и фантастические.

4.Проводят полный перебор всех вариантов решений (каждый раз берут по одному варианту для каждой оси) с проверкой комбинаций на соответствие условиям задачи, на несовместимость отдельных вариантов в предлагаемой их общей группе, на реализуемость и иные условия. При необходимости для выбранных решений можно повторить морфологический анализ, конкретизируя узлы (оси) и варианты. Морфологический анализ удобнее и нагляднее проводить с применением морфологических таблиц (ящиков). Формальное комбинирование вариантов создает впечатление автоматизма в применении метода. Однако его эвристическая природа весьма существенна и зависит от следующих субъективных факторов:

−интуитивное выделение узлов и их признаков, состава вариантов. Отсутствие уверенности, что учтены все (и особенно, перспективные) узлы и варианты;

−конкретное решение является следствием анализа просматриваемых комбинаций, возникновения продуктивных ассоциаций

иобразов.

Например, необходимо предложить новую эффективную конструкцию устройства для транспортирования по снегу – снегоход. Точное определение класса изучаемых систем (устройств) позволяет раскрыть основные характеристики или параметры, облегчающие поиск новых решений. К примеру к снегоходу как транспортному средству морфологическими признаками могут быть функциональные узлы снегохода: А – двигатель, Б – движитель, В – опора кабины, Г – управление, Д – обеспечение заднего хода и т. п. (табл. 5.1) Каждая характеристика (параметр) обладает определенным числом различных независимых свойств. Так, двигатели: А1 – внутреннего сгорания, А2 – газовая турбина, А3 – электродвигатель, А4 – реактивный двигатель и т. д.; движители: Б1 – воздушный винт, Б2 – гусеницы, Б3 – лыжи, Б4 – снегомет, Б5 – шнеки и т. д.; опора кабины: В1 – опора кабины на снег, В2 – на двигатель, В3 – на движитель и т. д.

19

По заданной проблеме в матричном выражении (морфологическом ящике) фиксируются наиболее существенные параметры. Например, для снегохода матрица будет иметь вид:

(А1 А2 А3 А4) (Б1 Б2 Б3 Б4 Б5) (В1 В2 В3).

Возможные сочетания: А1, Б3, В2, или А1, Б2, В3, или А2, Б1, В2 и т. д. Общее количество сочетаний в морфологическом ящике равно

произведению чисел элементов на осях. В нашем примере: 4 · 5 · 3 = 60. Это число возможных вариантов мозговой атаки.

Матрица – символическая форма описания решений. Она дает представление о всех возможных конструктивных схемах снегохода путем фиксирования в каждой строке матрицы одного из элементов. Набор этих элементов будет представлять возможный вариант исходной задачи.

Рассматривая разные сочетания этих элементов, можно получить большое сочетание всевозможных вариантов решений, в том числе и самых неожиданных. Так, морфологическая матрица для реактивных двигателей, работающих на химическом топливе, построенная Ф. Цвикки, содержала 576 возможных вариантов решений. Ответственным этапом метода является оценка вариантов решений, вытекающих из структуры морфологической матрицы. Сравнивают варианты по одному или нескольким наиболее важным для данной технической системы показателям.

20