Основы инженерного творчества(Суздальцев А.И

дом системы (или еѐ части) с макроуровня на микроуровень, т.е. система (или еѐ часть) заменяется веществом, способным при взаимодействии с полем выполнить требуемые действия.

Этот стандарт не имеет прямых аналогов-прародителей среди эвристических приѐмов устранения технических противоречий. Зато он полностью воплощает в себе один из вышерассмотренных законов развития технических систем – закон перехода с макроуровня на микроуровень. Этот переход часто сопровождается переходом от системы к подсистеме.

Задача 55. Одним из необходимых инструментов нанотехнологии является легкоуправляемый двигатель, позволяющий осуществлять микроперемещения зонда (острозаточенной иглы) с точностью до сотых долей нанометра. Ни одна механическая или электромеханическая система не может дать такой точности (лучшие механические и электронно-механические микрометры имеют точность на пять порядков хуже!). Совершенно очевидно, что никакое совершенствование механических систем не сможет обеспечить повышения точности

всто тысяч раз. В лучшем случае может быть достигнуто улучшение

вдесять раз. Следовательно, для решения задачи необходимо перейти на микроуровень. Какие физические эффекты, совершающиеся на уровне атомов и молекул, могут быть использованы для получения микроперемещений? Самый очевидный из них – это тепловое расширение тел. Нагревая твѐрдое тело (стержень) с жѐстко закрепленным одним концом, мы будем получать микроперемещение его свободного конца. Оценим достижимую при использовании этого метода точ-

ность. Коэффициент линейного теплового расширения твѐрдых тел составляет от 0,5·10-6 К-1 (кварц) до 29·10-6 К-1 (цинк). Для других металлов он лежит в пределах (5 ... 25)·10-6 К-1. Даже если взять кварцевый стержень длиной 10 мм, то при нагревании на один градус мы получим перемещение его свободного конца на 5 нм, что в пятьсот раз больше, чем нам необходимо, а обеспечить более высокую точность регулирования температуры этого стержня весьма сложно (в лучшем случае еѐ можно повысить в 10 раз). Кроме того, быстродействие тепловых процессов даже в малых объѐмах невысоко, что также является существенным ограничением.

Другими подходящими эффектами являются магнитоупругий (магнитострикция) и обратный пьезоэлектрический эффекты. В принципе, оба они позволяют получать микроперемещения в нужном диапазоне и являются достаточно быстродействующими. Однако управлять электрическим полем (напряжением на обкладках пьезо-

200

элемента) намного проще, чем магнитным, и можно обеспечить более высокую точность. Поэтому в нанотехнологиях преимущественно применяются пьезодвигатели.

Использование эффекта ядерного магнитного резонанса (ЯМР) для измерения напряжѐнности магнитного поля позволило сразу в 1000 раз повысить точность измерений.

В дальнейшем на основе этого эффекта были созданы томографы, имеющие ряд важных преимуществ перед рентгеновскими и ультразвуковыми томографами. В частности, только ЯМР-томографы могут использоваться для диагностики заболеваний мозга.

Одним из новейших направлений развития микро- и наноэлектроники является магнитная спинтроника, использующая магнитополупроводниковые наноструктуры с фиксацией направления спина электрона в качестве управляемого параметра. На основе таких структур в настоящее время разрабатываются запоминающие устройства огромной ѐмкости, считывающие головки высочайшего разрешения для магнитных дисков, микроминиатюрные датчики магнитного поля и бесконтактные датчики токов, элементы гальванической развязки, спиновые транзисторы и логические элементы на их основе, что открывает перспективы создания сверхбыстродействующего квантового микрокомпьютера.

Стандарт 10. Если для решения задачи нужно ввести добавки, но по условиям задачи это запрещено, то следует использовать обходные пути:

1)вместо вещества ввести поле;

2)вместо «внутренней» добавки использовать «наружную»;

3)вводить добавку в очень малых дозах;

4)вводить добавку временно;

5)в качестве добавки использовать часть имеющегося (основного) вещества, переведѐнного в особое состояние;

6)вместо объекта использовать его копию, в которую разрешено вводить добавки;

7)добавки вводят в виде химического соединения, из которого они в дальнейшем выделяются.

26 (принцип копирования), 32-в, г, д (использование красящих, люминофорных или радиоизотопных добавок), 36 (применение фазовых

201

переходов). Кроме того, могут использоваться третий и четвѐртый приѐмы устранения физических противоречий:

-разрешение противоречия путѐм использования переходных состояний одного или обоих конфликтующих элементов, при которых сосуществуют или попеременно проявляются противоположные свойства;

-разрешение противоречия путѐм, перестройки структуры конфликтующей зоны одного или обоих конфликтующих элементов так, чтобы эта зона наделялась одним свойством, а вся остальная часть элемента – противоположным свойством.

Но самым важным условием успешного применения этого стандарта является хорошее знание различных физических и химических эффектов, поскольку введение добавки всегда связано с физическим или химическим взаимодействием добавляемого вещества с основным или с окружающей средой. Это хорошо видно из следующего примера.

Задача 56. Для предохранения трущихся поверхностей деталей механизмов широко применяются металлоплакирующие смазки. Они обычно приготовляются путѐм добавления тонко измельчѐнного металлического порошка в обычное машинное масло. При работе механизма на трущихся поверхностях деталей создаѐтся тончайший защитный слой того металла, который добавлен в масло. Причѐм это самовосстанавливающийся слой, а его толщина саморегулируется. Она не может быть больше величины зазора между трущимися поверхностями, а по мере износа этого слоя он восстанавливается из новых частиц металла, взвешенных в масле. Такая смазка не только защищает детали от износа, но и успешно «залечивает» мелкие поверхностные дефекты на трущихся поверхностях, продлевая в несколько раз ресурс работы механизма. Но для успешного еѐ применения необходимо, чтобы размеры гранул порошка, взвешенного в масле, были бы меньше рабочего зазора между трущимися поверхностями, иначе частицы металла просто не смогут попасть в этот зазор и плакирующий слой не возникнет. Поэтому для точных механизмов, где рабочие зазоры минимальны, такие смазки не применяются, поскольку приготовить металлический порошок с размерами гранул, не превышающими микрометра, практически невозможно. Как создать плакирующие смазки для точных механизмов?

202

В этой задаче явно видно физическое противоречие: частицы металла должны быть в смазке в рабочем зазоре между трущимися поверхностями и их не может там быть, поскольку они крупнее, чем величина зазора. Если рассматривать частицы металла как добавку в основное вещество – масло, то данная задача является типичной для использования стандарта 10: добавка необходима для создания плакирующего слоя, но использовать еѐ нельзя, так как невозможно получить металлический порошок с гранулами столь мелких размеров.

Рассмотрим предлагаемые стандартом обходные пути. Первые четыре способа сразу отпадают. Пятый способ в принципе возможен. Ведь в процессе трения происходит истирание трущихся поверхностей, и срываемые с поверхности частички основного металла будут как раз нужного размера. Но для образования плакирующего слоя этого мало. Плакирующий металл должен быть намного мягче основного металла. В противном случае не только не будет образовываться плакирующего слоя, но, напротив, твѐрдые частички основного металла будут действовать как абразив и приводить к ещѐ более быстрому истиранию трущихся поверхностей (что реально и происходит при сухом трении, и роль смазки здесь состоит не только в уменьшении коэффициента трения, но и в своевременном удалении из рабочего зазора сорванных частиц основного металла).

Можно, правда, предварительно покрыть трущиеся поверхности очень тонким слоем более мягкого металла. Но в этом случае мы вместо поставленной задачи – создания плакирующей смазки для точных механизмов, решаем другую – повышение износостойкости трущихся поверхностей путѐм их специальной обработки. Шестой способ также явно отпадает, но зато седьмой должен подойти. Если бы мы получили химическое соединение плакирующего металла, которое бы растворялось в масле, а при повышении температуры (которое всегда сопровождает трение) это соединение бы разрушалось, выделяя атомы металла, то задача оказалась бы решена. Действительно, сами металлы в масле не растворяются. Но металлы не растворяются и в воде, хотя есть большое число химических соединений металлов (в частности, их солей), которые прекрасно растворяются в воде, например, поваренная соль содержит металл натрий, который при определѐнных условиях можно из неѐ выделить. Но в нашем случае химическое соединение металла должно растворяться не в воде, а в машинном масле – органическом веществе.

203

Известно, что в органическом веществе хорошо растворяются также органические вещества. Следовательно, нам нужна какая-либо соль металла и органической кислоты. Таких солей множество. Остаѐтся выбрать из них такую, которая разлагается при сравнительно невысокой температуре и содержит достаточно мягкий металл. Здесь уже необходим справочник по органической химии. Наиболее подходящим оказался уксуснокислый кадмий (соль кадмия и уксусной кислоты). Эта соль хорошо растворяется в машинном масле и разлагается при температуре +250 °С. Экспериментальная проверка показала прекрасные результаты, трущиеся поверхности при самых малых рабочих зазорах покрывались тончайшим самовосстанавливающимся плакирующим слоем кадмия. Это и понятно, ведь в истинном растворе мельчайшими частицами растворенного вещества являются его молекулы, а они пройдут в любой микроскопический зазор.

3.6. Изобретающая машина

Известно изречение «Где алгоритм – там и программа». Не заставило себя долго ждать появление программных продуктов, предназначенных для активизации творческого процесса. На современном рынке представлено 50 программных продуктов, основанных на методах мозгового штурма, морфологического анализа, синектики и пр. Программы хорошо отработаны и стоят в пределах 300 долларов США, однако стоимость сторонних услуг измеряется сотнями тысяч долларов. На методической основе ТРИЗ первые программные продукты появились в 80-х годах прошлого столетия. Первым из них можно считать программный продукт «Изобретающая машина», созданный в г. Минске.

Изобретающая машина – это интеллектуальная система, обеспечивающая поддержку решения проблем в любой области техники, основанная на Теории решения изобретательских задач (ТРИЗ), является результатом более чем 40-летних исследований в области изобретательской деятельности, обобщения громадного патентного фонда, изучения опыта работы наиболее крупных изобретателей прошлого и настоящего. Положенная на компьютер, она позволяет использовать изобретательский опыт для решения конкретных задач. С изобретательской машиной (ИМ) может работать специалист, не владеющий компьютером, и через полчаса формального обучения в диалоге с компьютером может получать новые идеи – решения технических задач. Система ИМ первой версии занимает на жѐстком диске ПК 8,5 Мбайт и состоит из трѐх подсистем:

ИМ-ПРИЁМЫ, ИМ-СТАНДАРТЫ, ИМ-ЭФФЕКТЫ [10].

204

Подсистема ИМ-ПРИЁМЫ – инструменты разрешения технических противоречий (ТП), позволяющие решать 1250 типовых изобретательских задач, она содержит базу знаний, включающую 88 приѐмов и подприѐмов разрешения ТП, базу данных с примерами из патентного фонда с 300 описаниями патентов и авторских свидетельств. Подсистема ИМ-СТАНДАРТЫ позволяет получать не только высокоэффективные решения, но и прогноз развития рассматриваемой системы, она содержит базу знаний, включающую 77 стандартов решения изобретательских задач, базу данных наиболее сильных комплексных приѐмов из патентного фонда с 380 описаниями патентов и авторских свидетельств.

Подсистема ИМ-ЭФФЕКТЫ – указатель физических, химических и геометрических эффектов с сотнями примеров применения содержит более 1200 эффектов, их описание в виде текста и графики. Разработанная в конце 80-х годов прошлого столетия сотрудниками научно-исследовательской лаборатории изобретающих машин (НИЛИМ, г. Минск) эта система на сегодняшний день не имеет аналогов за рубежом. Сотрудники лаборатории изобретающих машин в настоящее время сотрудничают со многими фирмами США. Великобритании, Германии, Италии, Австрии и Израиля.

Взаимодействие пользователя с системой ИМ приведено на структурной схеме (рис. 3.9).

111 1

205

б) Плата просверлена множеством отверстий диаметром в доли миллиметра. Контроль ведется сравнением с эталоном – это медленно и ненадѐжно. Как быть?

ЛИТЕРАТУРА

Основная литература:

1.Альтшуллер, Г.С. Алгоритм изобретения / Г.С. Альтшуллер. – М.: Московский рабочий, 1973. – 296 с.

2.Альтшуллер, Г.С. Творчество как точная наука / Г.С. Альтшуллер. – М.: Сов. радио, 1979. – 184 с.

3.Безмоздин, Л.Н. Художественно-конструкторская деятельность человека / Л.Н. Безмоздин. – Ташкент: Фан АН УзССР, 1978. – 246 с.

4.Гаврилюк, П.И. Эстетическая культура и социальный прогресс / П.И. Гаврилюк – Киев: Наукова думка, 1978. – 120 с.

5.Голдовский, Б.И. Рациональное творчество. О направленном поиске новых технических решений / Б.И. Голдовский, М.И. Вайнерман. – М.: Речной транспорт, 1990. – 120 с.

6.Горлов, А.В. Логика творчества: учеб. пособие для вузов. – Орѐл: ОрѐлГТУ, 2005. – 204 с.

7.Дикарѐв, В.И. Справочник изобретателя / В.И. Дикарѐв. – Спб.: Издательство «Лань», 1999. – 352 с. – Учебники для вузов. Специальная литература.

8.Диксон, Дж. Проектирование систем: изобретательство, анализ

ипринятие решений: пер. с англ./ Дж. Диксон. – М.: Мир, 1969. –

185 с.

9.Дрейзин, В.Э. Основы научных исследований и инженерного творчества: учеб. пособие для вузов в 4-х кн. Кн.4. Анализ технических объектов и решений, методы интенсификации инженерного творчества / В.Э. Дрейзин, И.С. Захаров. – Курск: Курский ГТУ, 2005. – 259 с.

10.Изобретающая машина. Проспект IMLab. – Минск: МП «Со-

брат», 1995. – 12 с.

11.Карпухин, М.Г. Функционально – стоимостный анализ в электротехнической промышленности / М.Г. Карпухин, Б.И. Майданчик.

– М.: Энергоатомиздат. 1984. – 288 с.

208

12.Колесниченко, А. На «восемь с плюсом» /А. Колесниченко // Газета «Аргументы и факты». – 2006. – № 29. – С. 4.

13.Меерович, М.И. Технология творческого мышления: практическое пособие / М.И. Меерович, Л.И. Шрагина. – Мн.: Харвест, М.: АСТ, 2000. – 432 с.

14.Половинкин, А.И. Основы инженерного творчества: учеб. пособие для студентов втузов. – М.: Машиностроение, 1988. – 368 с.

15.Селюцкий, А.В. Вдохновение по заказу/ А.В. Селюцкий, Г.И. Слугин. – Петрозаводск: Карелия, – 1977. – 166 с.

16.Титов, В.В. Выбор целей в поисковой деятельности (методы анализа проблем и поиска решений в технике) / В.В. Титов. – М.: Речной транспорт, – 1991. – 125 с.

17.Тринг, М. Как изобретать?: пер. с англ. под ред. и с предисл. В.В. Патрикеева / М. Тринг, Э. Лейтуэйт: – М.: Мир, 1980. – 272 с.

18.Альтшуллер, Г.С. Найти идею. Введение в ТРИЗ – теорию решения изобретательских задач. / Г.С. Альтшуллер. – Издательство: Альпина Бизнес Букс, 2000. – 202 (400) с. Формат: pdf в архиве Размер: 4,68 мб (+3%). ISBN: 978-5-9614-0534-7.

http://rapidshare.com/files/90594341/Reload_Altshull.rar

19.Меерович, М.И. Теории решения изобретательских задач /

М.И. Меерович, Л.И. Шрагина. – Мн.:Издательство: Харвест, 2003. – 218 (428) с. Формат: djvu

(архив) Размер: 6,49 мб (+3%). ISBN: 985-13-0078-0 http://rapidshare.com/files/25853625/inv_triz.rar

20. Орлов, М. Основы классической ТРИЗ. Практическое руководство для изобретательного мышления / М. Орлов. – М.: Издательство «СОЛОН-ПРЕСС», 2006. – 432 с. Формат: pdf в архиве. Размер: 11,5 мб (+3%). ISBN: 5-98003-191-Х. Язык: русский

http://rapidshare.com/files/41517564/klasstriz.ra

21. Петров, В. Алгоритм решения изобретательских задач / В. Петров. – М., 1999. – 256 с. Формат: pdf в архиве. Размер: 2,04 мб.

ISBN: 965-7127-00-9. http://rapidshare.com/files/26621255/ariz.rar

22.Петров, В. Базовый курс теории решения изобретательских задач / В. Петров. – М.: 2002. Формат: doc в архиве. Размер: 13,9 мб (+3%) (расп. - 28,3 мб). ISBN: 965-7127-00-9. Язык: русский.

http://rapidshare.com/files/26620420/trizuchpet.rar

23.Саламатов, Ю.П. Как стать изобретателем / Ю.П. Саламатов. – М.: Просвещение, 1990. Формат: chm (архив).Размер: 583 кб.

209