2. Рішення задач на принципи розв'язання технічних та фізичних суперечностей

Вступ

Давним-давно, в IX столітті, виникла наступна ситуація. У франкській державі, як сказали б сьогодні, змінилося керівництво. До влади прийшов молодий король, що згодом став відомий під ім'ям Карл Великий.

Великим цього короля нащадки прозвали цілком заслужено: результатом його довгого правління стала величезна імперія франків, що включала в себе землі сучасних Франції, Німеччини, Іспанії й декількох інших держав.

Але все це трапилося потім.

А поки молодий король повинен був коронуватися. Коронація - це така процедура, коли римський папа - намісник бога на Землі - власноручно й прилюдно покладає корону на голову короля, що вступає у владу, тим самим надаючи його правлінню законний, освячений богом характер (сьогодні сказали б - легітимний характер).

Для Карла все це було гарно, - саме цього він і хотів.

Але з іншої сторони виходило, що римський папа, поклавши на голову Карла корону, як би виявлявся вище, головніше Карла - адже це він “давав” Карлу корону, тобто (нехай і теоретично) міг би її й не “давати” або “відібрати” у майбутньому. Іншими словами, Карл у досить істотному ступені виявлявся залежимо від папи.

А от цього Карл уже ніяк не хотів допустити.

Вийшло зачароване коло. Виникла проблема:

Якщо Карл дозволить папі покласти на свою голову корону, то він виявиться законним і всіма визнаним правителем (це добре!), але в той же час потрапить у залежність від папи (це погано!). Якщо ж Карл відмовиться від коронації, то його ніхто не буде визнавати законним правителем (це погано!), але зате він ні від кого не буде залежним (це добре!).

Як же поступити Карлу?

Такі ситуації в житті трапляються дуже часто й, як виявилося, властиві абсолютно всім типам систем - суспільним, технічним, літературно-художнім, політичним, сімейним, науковим і т.д. і т.п.

Загальні відомості

Один з основних законів розвитку систем, виявлених у рамках теорії розв'язання винахідницьких задач (ТРВЗ) - це закон нерівномірності розвитку частин системи. Суть його в тім, що системи розвиваються не всіма своїми частинами відразу й з однаковою швидкістю. Одні підсистеми розвиваються швидше, інші повільніше. Нерівномірно змінюються й надсистеми, у яких система повинна функціонувати.

Такі «розриви» між розвитком частин системи одержали в ТРВЗ назву суперечностей. Розв'язання проблем, таким чином, зводиться до розв'язання суперечностей, що виникають при розвитку систем.

У ТРВЗ розроблена методика їхнього розв'язання [7, 8].

Для полегшення розв'язання суперечностей у ТРВЗ уведений поділ на три рівні їхніх формулювань. Перший рівень – так називана адміністративна суперечність (АС). Воно виникає, коли необхідно щось зробити, але невідомо яким способом.

Розглянемо, як приклад наступну задачу: під час польоту у літака шасі переміщуються всередину літака, щоб зменшити опір повітря, але під час аварії шасі дуже повільно випускаються. Як бути?

У нашому випадку АС: при аварії літака потрібно швидко випустити шасі, але незрозуміло, як це зробити.

Другий рівень – технічна суперечність (ТС). Їх у будь-якій проблемі завжди дві й вони мають стандартне формулювання: Якщо зробити якусь дію А, то воно приведе до того, що покращиться якась властивість В₁ розглянутої системи (це добре!), але при цьому обов'язково погіршиться якась властивість В₂ цієї ж або сусідньої системи (це погано!).

Треба знайти таке розв'язання, при якому максимально поліпшується перша властивість системи (В₁) і при цьому зовсім не погіршується інша властивість (В₂).

У нашому випадку ТС-1: якщо зробити швидкий "випускник", то шасі вийде швидко, але система неприпустимо ускладниться. ТС-2: якщо залишити повільний "випускник", то система буде простою, але шасі не встигне вийти.

Третій рівень – фізична суперечність (ФС). Спрощене формулювання її наступне: (Об'єкт, з яким ми працюємо) повинен бути (властивість, необхідна для одержання необхідного результату), щоб (результат, який потрібно одержати), і повинен бути (властивість, необхідна для іншого необхідного результату), щоб (інший необхідний результат).

У нашому випадку ФС: колеса шасі повинні бути зовні літака, щоб забезпечити аварійну посадку, і повинні бути усередині, щоб не викликати опір повітря.

Розроблено систему правил, що дозволяють від адміністративної суперечності перейти до технічної, а потім до фізичної суперечності. Така система одержала назву АРВЗ - алгоритм розв'язання винахідницьких задач, який розробив радянський винахідник Г.С.Альтшуллер у середині 50-х років. Він запропонував 40 типових прийомів усунення технічних суперечностей, що дозволяють знайти нове технічне рішення (див. додатки В).

Образно кажучи, типові прийоми – це універсальні коди, або ключі, за допомогою яких можна розкодувати і відкривати складні і хитромудрі замки на входах сховищ рішень творчих задач.

Для полегшення користування прийомами розроблена програма пошуку (додаток Г). Таблиця пошуку виглядає дуже просто. У вертикальному стовпчику записані показники технічної системи, які треба поліпшити, а в горизонтальному рядку – показники, що неприпустимо погіршуються при використанні відомих способів рішення задачі. На перетинанні вертикального стовпчика і горизонтального рядка зазначені номери прийомів усунення технічних суперечностей. Залишається тільки вникнути в суть рекомендацій, і відразу з'являється ідея сильного рішення.

Для розв'язання проблеми, сформульованої на рівні ФС, існує система прийомів розв'язання фізичних суперечностей (з повним їхнім переліком можна познайомитися в додатку Д), а також величезний фонд фізичних, хімічних і геометричних ефектів. Це дозволяє одержати модель розв'язання, придатну для реалізації й практичного впровадження.

Зокрема, фізична суперечність для шасі аварійного літака розв'язується прийомом «поділу в просторі»: частина колеса повинна бути зовні літака, а частина - усередині. Тому зараз у ряді конструкцій літаків шасі забирають не до кінця, а так, щоб невеликий шматочок колеса стирчав зовні. Істотного опору це не створює, зате можна саджати літак навіть у тому випадку, якщо "втягувач" не працює взагалі.

Для закріплення матеріалу розглянемо ще один приклад. На іграшковій фабриці вирішили освоїти новинку - літаючу ляльку Карлсон. Але як зробити ляльку досить естетично й змусити її літати - незрозуміло - АС.

У результаті розв'язання адміністративної суперечності прийшли до ТС-1: якщо в ляльки гвинт великий, то вона літає, але зовнішній вигляд у неї жахливий - не Карлсон, а вітряний млин. ТС-2: якщо гвинт маленький, то зовнішній вигляд прекрасний, але літати лялька відмовляється.

Фізичну суперечність в цьому випадку можна сформулювати так: гвинт повинен бути великим, щоб лялька літала, і гвинт повинен бути маленьким, щоб вона була естетичною. Ця суперечність досить легко розв'язується "поділом в часі": в "спокійному" стані лопати гвинта згорнуті в рулон, але при обертанні вони розвертаються відцентровою силою й стають більшими.

І на останнє, розглянемо приклад на користування таблицею.

Розглянемо використання прийомів розв'язання технічних суперечностей при рішенні конкретної задачі.

Задача. Видобуток руди в деяких шахтах ведуть у такий спосіб: проходять спочатку самий нижній рівень, укладають там залізничні колії. Потім починають розробляти більше високі рівні, а для транспортування руди роблять спеціальні колодязі (рудоспуски), по яких руду скидають на нижній рівень, звідки вивозять. Рудоспуски можуть бути глибиною в кілька сотень і діаметром у кілька метрів. Руду до них підгортають бульдозерами, у результаті в них попадають колоди, дошки від шахтного кріплення й т.і. Іноді сторонні предмети застряють у рудоспуску, і він забивається (забутовується). Довідуються про це тільки тоді, коли завал дійде до початку рудоспуску. Як тепер його прочистити (розбутувати)? Раніше це робили з величезним ризиком для життя: доброволець влазив у колодязь і встановлював там довгу тичину з вибухівкою (ближче до місця завалу). За кордоном для такої роботи запропонували пристосувати робота, що доставляє вибухівку наверх, або ракету зі складною системою наведення, щоб вона попадала не в стінку колодязя, а в завал. Але все це складно й дорого. Як бути?

ТС-1: якщо використовувати робота, що доставляє вибухівку наверх, або ракету зі складною системою наведення це підвищує зручність експлуатації (це добре), але дуже ускладнюється сама система (це погано).

ТС-2: якщо не використовувати робота або ракету, а використовувати людину це зменшить складність системи (це добре), але це погіршує експлуатацію та може привести до смерті людини (це погано).

Розв'язувати цю задачу можна, переглядаючи один по одному список прийомів і пробуючи їх застосувати для даного випадку. Але краще скористатися таблицею (додаток Г).

Що потрібно поліпшити? Зручність експлуатації (рядок 33 у таблиці). Що при цьому неприпустимо погіршується? Зростає складність (графа 36). Можлива й інше формулювання: спроба зменшити складність пропонованих рішень (рядок 36) приводить до погіршення зручності експлуатації (графа 33). На перетинанні зазначених рядків і граф виписуємо прийоми: 32, 25, 12, 17 і 27, 9, 26, 24. Розглянемо кожний з них.

Прийом 32 - принцип зміни фарбування - не підходить. Прийом 25 - принцип "самообслуговування". Він підказує, що вибухівка повинна сама підніматися наверх. Але як? Прийом 12 - принцип еквіпотенційності. Не піднімати, не опускати - підірвати внизу? Але вибухова хвиля не дійде до завалу. Може направити вибух нагору, як кумулятивний? Прийом 17 - принцип переходу в інший вимір. Подавати вибухівку через бічну шахту? Складно. Прийом 27 - принцип дешевої недовговічності замість дорогої довговічності. Використати дешевий пристрій одноразового користування, яке б доставляло вибухівку наверх? Замість ракети щось істотно більш дешеве. Може бути, повітряна кулька? Прийом 9 - принцип попередньої антидії не підходить. Прийом 26 - принцип копіювання - не підходить. Прийом 24 - принцип "посередника". Можна використати якийсь предмет - посередник, що переносить вибухівку або передає енергію вибуху до завалу.

Комбінація підказок прийомів 25, 27 і 24 дає дві ідеї: піднімати вибухівку за допомогою повітряної кульки; заповнювати шахту легким вибуховим газом - воднем. Змішуючись із повітрям, він створить гримучу суміш.

Вирішення задачі, яка запропонована у вступі до практичного заняття, це для тих студентів хто неуважно читав попередній матеріал. Карл Великий розв'язав свою суперечність в просторі. Коли папа, який нічого не підозрював, підняв руки з короною, щоб покласти її на Карла, Карл зненацька вихопив її з рук церковного володаря, який при цьому оторопів, і сам надів її собі на голову. Пів шляху корона була в руках папи, а другу половину шляху в руках Карла.

Виконання роботи

Задача №30.

При зберіганні нафти або бензину в ємностях з відкритим дзеркалом відбувається їхній активний випар. Як уникнути інтенсивного випару?

ТС-1: якщо ємність відкрита, це підвищує зручність експлуатації (це добре), але відбувається активний випар, тобто кількість речовини (це погано).

ТС-2: якщо ємність закрита, то активного випара не буде і кількість речовини буде постійна (це добре), але це погіршує зручність експлуатації (це погано).

Що потрібно поліпшити? Кількість речовини (рядок 26 у таблиці). Що при цьому неприпустимо погіршується? Зручність експлуатації (графа 33). Можлива й інше формулювання: спроба збільшити зручність експлуатації (рядок 33) приводить до втрат кількості речовини (графа 26). На перетинанні зазначених рядків і граф виписуємо прийоми: 35, 29, 25, 10, і 12, 35. Розглянемо кожний з них.

Прийом 35 - ПРИНЦИП ЗМІНИ ФІЗИКО-ХІМІЧНИХ ПАРАМЕТРІВ ОБ'ЄКТА

підсказує, що рідину можна заморозити або змінити концентрацію.

Прийом 29 - ПРИНЦИП ВИКОРИСТАННЯ ПНЕВМО- І ГІДРОКОНСТРУКЦІЙ підсказує використати надувну повітряну подушку.

Прийом 25 - ПРИНЦИП САМООБСЛУГОВУВАННЯ – не підходить.

Прийом 12 - ПРИНЦИП ЕКВІПОТЕНЦІЙНОСТІ - не підходить.

Прийом 10 - ПРИНЦИП ПОПЕРЕДНЬОЇ ДІЇ – підсказує, що необхідно заздалегідь виконати необхідну дію ( чи хоча б частково).

Висновок

Комбінація підказок прийомів 35, 29 і 10 дає ідею: покривати поверхню ємності з нафтою або бензином для зменшення активного випировування і при цьому не погіршуючи зручність експлуатації пінопластовими кульками. Вони будуть зменшувати поверхню рідини яка стикається з повітрям і зменшувати випаровування.