Понятие фтэ
Физико-технический эффект– это физический закон (процесс, явление), который можно рассматривать как преобразователь одного физического параметра в другой. ФТЭ можно рассматривать как «черный» ящик, преобразующий входной параметр в выходной (рис 1.1).
Пример 1 (тепловое расширение тела): увеличение температуры твердого тела приводит к увеличению его объема. В этом ФТЭ входным параметром является Температура, выходным – Объем.
Пример 2 (нагрев вещества): увеличение количества тепла, подводимого к веществу, приводит к увеличению его температуры. Здесь входной параметр – Количество теплоты, выходной – Температура.
Рис. 1.1. Физико-технический эффект как черный ящик
1.2. Формализация описания фтэ
Математически ФТЭ можно записать в виде:
,
где:
индекс «1» относится ко входу, «2» - к выходу;
I – направление изменения параметра:
1
2 – уменьшение,
3 – постоянное значение,
4 – произвольное изменение;
P – физический параметр (вес, скорость, переменный ток, напряженность электрического поля …);
R – тип объекта (проводник, твердое тело, диэлектрик, например, Х1 – проводник, Х – твердое тело).
Примеры описания ФТЭ:
Пример 1: 1TX → 1VX (увеличение температуры твердого тела приводит к увеличению его объема).
Пример 2: 1Q1V → 1TV (увеличение количества теплоты, подводимого к телу, приводит к увеличению его температуры).
Дерево фтэ
Дерево ФТЭ – структурная схема, элементами которой является ФТЭ, причем выход одного ФТЭ является входом другого (рис.1.2).
Рис. 1.2. Дерево ФТЭ
Синтез физического принципа действия
Синтез физического принципа действия (ФПД) позволяет синтезировать структуру системы из ФТЭ.
Сущность метода: нахождение такой комбинации ФТЭ, при которой осуществляется преобразование входного параметра системы в выходной.
На первом этапе словесная формулировка задачи преобразуется во входной и выходной параметры системы. На втором – находится комбинация ФТЭ, приводящая к преобразованию «вход – выход». На третьем этапе на основании найденной цепочки ФТЭ синтезируется принципиальное решение задачи.
Алгоритм синтеза фпд
Алгоритм синтеза физического принципа действия рассмотрим на примере следующей задачи.
Задача. В ряде случаев ЛЭП приходится размещать в районах с большим количеством осадков. В холодный период времени, когда температура окружающей среды колеблется около 0˚С, провода постепенно обрастают коркой льда значительной толщины. В ряде случаев вес наросшего льда столь велик, что провода не выдерживают и рвутся. Синтезировать систему, предотвращающую обрыв проводов ЛЭП при наличии снега и намерзании льда.
Этапы алгоритма
1. Определить цель (цели), достижение которой разрешит проблему (выходной параметр системы).
При решении данной задачи можно идти двумя путями: устранить причину, вызвавшую нежелательный эффект, или устранить следствие данной причины (сам нежелательный эффект).
В нашем случае причиной обрыва проводов являются осадки, следствием – лед. Причину устранить не удастся, однако возможно ликвидировать лед. Таким образом, целью нашей задачи является «устранить лед».
2. Находятся источники достижения цели: за счет каких элементов, энергии и т.п. будет достигнута цель (входной параметр системы).
На этом этапе целесообразно воспользоваться вещественно – полевыми ресурсами (ВПР), то есть теми полями и веществами, которые уже есть в системе.
По видам ВПР можно разделить на следующие группы: энергетические, вещественные, пространственные, временные, функциональные, информационные, комбинированные.
К энергетическим ресурсам относятся все известные нам виды энергии и полей (электрические, электромагнитные, тепловые поля и т. д.), которые не подводятся к системе и не вырабатываются специально, а уже имеются в совершенствуемой системе или во внешней среде.
Под вещественными ресурсами понимаются все материальные тела, которые есть в системе, надсистеме или внешней среде. Новое вещество можно получить разложением имеющихся веществ.
Под пространственными ресурсами будем понимать свободное пространство, "пустоту", которую можно использовать для изменения исходной системы или для повышения эффективности ее эксплуатации. Примеры: матрешка, телескопическая антенна.
Временные ресурсы - это использование промежутков времени между процессами, временное объединение процессов.
Функциональные ресурсы - это возможность использовать известную функцию объекта по иному назначению, либо выявление новой функции в системе. Сюда же можно отнести и возможность системы выполнять по совместительству дополнительные функции после некоторых изменений.
Информационные ресурсы - это данные о параметрах вещества, полей, изменения свойств или параметров объекта. При этом, чем больше мы обнаружим отличий одного вещества от другого, тем эффективнее может оказаться их разделение. Вещества различают по разным параметрам: размерам, твердости, отражательной и преломляющей способности света, по магнитным, электрическим, химическим, биологическим и другим свойствам. Если различия в параметрах малы, то их усиливают, подвергая вещества воздействиям, при которых отличия увеличиваются.
В нашем случае в качестве ресурса – источника достижения цели можно использовать «переменный электрический ток» - вещественный ресурс системы (рис.1.3).
Рис. 1.3. Представление системы в виде совокупности входного и выходного параметров
3. Сформулировать условие задачи в терминах ФТЭ (символическом виде).
Для нашей задачи:
3J4X1 → 2P2X (преобразовать переменный ток, текущий по проводнику, в уменьшение веса твердого тела).
Возможна краткая запись данной задачи в виде «вход выход», то есть Переменный ток Вес.
4. Строится дерево ФТЭ для входного параметра системы «Переменный ток», выходного – «Вес». Пример дерева ФТЭ представлен на рис.1.4.
Рис.1.4. Пример дерева ФТЭ
Данное дерево может состоять, например, из следующей цепочки ФТЭ.
Переменный ток является источником электромагнитного поля, то есть «Переменный электрический ток» преобразуется в «Электромагнитное поле».
Электромагнитное поле нагревает токопроводящее изделие, помещенное в данное поле, при этом ферромагнитное изделие нагревается сильнее, чем неферромагнитное (индукционный нагрев). Для этого эффекта входным параметром является «Электромагнитное поле», выходным – «Температура».
Нагрев изделия приводит к уменьшению веса изделия, если оно плавится в незамкнутой системе. Этот эффект преобразует входной параметр «Температура» в выходной «Вес».
5. Находится принципиальное решение задачи.
В нашем случае это может быть ферромагнитная втулка, надетая на провод (рис.1.5).
Рис.1.5. Принципиальное решение задачи