Алгоритм решения изобретательских задач
Материал из Викиучебника
Алгоритм решения изобретательских задач[1][2][3][4][5][6][7][8][9][10] - раздел теории решения изобретательских задач (ТРИЗ), разработаной Генрихом Альтшуллером.
Этот учебник первоначально в Internet появился, как учебное пособие: Петров В. Алгоритм решения изобретательских задач. Учебное пособие. Тель-Авив, 1999 ISBN 965-7127-00-9. [1] © 1976-2007 by Vladimir Petrov
Это четвертая книга из серии «Профессиональный ТРИЗ». Пособие знакомит с Алгоритмом решения изобретательских задач (АРИЗ), являющимся разделом Теории решения изобретательских задач, автор которой – Генрих Альтшуллер.
АРИЗ – комплексная программа алгоритмического типа, основанная на законах развития технических систем и предназначенная для анализа и решения изобретательских задач.
ТРИЗ - уникальный инструмент для:
- поиска нетривиальных идей,
- выявления и решения многих творческих проблем,
- выбора перспективных направлений развития систем, в частности, техники, технологии и снижения затрат на их разработку и производство,
- развития творческого мышления,
- формирования творческой личности и коллективов.
Эта теория в последние годы стала популярной в США, Канаде, странах Европы и Юго-Восточной Азии (Японии, Южной Кореи), Австралии, Израиле и других странах.
Книга предназначена для инженеров и изобретателей, ученых и людей, решающих творческие задачи, студентов университетов и колледжей. Она может быть полезна преподавателям университетов, учителям школ и учащимся старших классов.
Были выпущены книги:
- Петров В. Основы теории решения изобретательских задач. — Тель-Авив, 2000,
- Петров В. Алгоритм решения изобретательских задач. Учебное пособие. — Тель-Авив, 1999.,
- Петров В. Законы развития систем,
- Петров В. Вепольный анализ.
[править] Введение
Алгоритм решения изобретательских задач (АРИЗ) – раздел теории решения изобретательских задач – ТРИЗ, предназначенный для решения нестандартных (с точки зрения ТРИЗ) задач повышенной сложности. (С понятием "стандартные" и "нестандартные" задачи можно ознакомиться в статье "Структура и фукнции ТРИЗ").
АРИЗ разработан Генрихом Альтшуллером и представляет собой алгоритмическую программу для детального анализа задачи с пошаговым продвижением к решению.
Название "алгоритм решения изобретательских задач" (см. история развития АРИЗ)[2] впервые использовано в приложении к "Экономической газете" . Аббревиатура АРИЗ впервые применена в книге "Алгоритм изобретения" 1969 г. [4][11]. В дальнейшем модификации АРИЗ включали указание на год создания, например, АРИЗ-71, АРИЗ-77... Последняя модификация АРИЗ, разработанная Г. С.Альтшуллером - АРИЗ-85-В.
АРИЗ включает три основные компоненты:
- программу,
- информационное обеспечение,
- методы управления психологическими факторами.
- Программа АРИЗ представляет собой последовательность операций по выявлению и разрешению противоречий (см. основную линию решения задач по АРИЗ), анализу исходной ситуации и выбору задачи для решения, синтезу решения, анализу полученных решений и выбору наилучшего из них, развитию полученных решений, накоплению наилучших решений и обобщению этих материалов для улучшения способа решения других задач. Структура программы и правила ее выполнения базируются на законах и закономерностях развития техники.
- Информационное обеспечение питается из информационного фонда, который включает систему стандартов на решение изобретательских задач; технологические эффекты (физические, химические, биологические, математические, в частности, наиболее разработанных из них в настоящее время – геометрические); приемы устранения противоречий; способы применения ресурсов природы и техники.
- Методы управления психологическими факторами необходимы вследствие того, что программа АРИЗ предназначена не для компьютера, а задачи решаются человеком. При решении изобретательских задач у решателя возникает [психологическая инерция], которой необходимо управлять. Кроме того, эти методы позволяют [развитие творческого воображения|развить творческое воображение], необходимое для решения сложных изобретательских задач.
АРИЗ-85-В достаточно сложный инструмент. Не рекомендуется его применять без предварительного изучения основ ТРИЗ и основательной проработки видов противоречий, основной линии решения задач по АРИЗ и логики АРИЗ.
При решении задач по АРИЗ не спешите, тщательно обдумывайте и записывайте формулировку каждого шага. Обязательно записывайте все соображения, возникающие по ходу решения задачи. Помните, что АРИЗ – инструмент для мышления, а не вместо мышления.
Прежде чем приступать к решению задач по АРИЗ, проверьте: может быть, ваша задача решается по стандартам на решение изобретательских задач [3]. АРИЗ - инструмент для решения нестандартных задач.
Подробнее это описано в статье "Струттура и фукнции ТРИЗ" (см. рис.1).
[править] Основные понятия и определения АРИЗ
К основным понятиям АРИЗ относятся: противоречия и идеальный конечный результат (ИКР).
[править] Понятие о противоречиях
«Противоречие есть критерий истины, отсутствие противоречия — критерий заблуждения».
Различные технические средства создавались и создаются для удовлетворения тех или иных потребностей человека.
Потребности растут значительно быстрее возможностей их удовлетворения, что и является своего рода источником технического прогресса.
Проектирование новых объектов чаще всего подразумевает улучшение тех или иных технических параметров системы.
Сложные изобретательские задачи (неизвестных типов) требуют нетривиального подхода, так как улучшение одних параметров системы приводит к недопустимому ухудшению других параметров. Возникают противоречия.
Прежде всего, уясним, что такое противоречие и какие его виды присущи техническим системам. «Противоречие — взаимодействие противоположных, взаимоисключающих сторон и тенденций предметов и явлений, которые вместе с тем находятся во внутреннем единстве и взаимопроникновении, выступая источником самодвижения и развития объективного мира и познания». (Большая Советская Энциклопедия, Изд. 3-е – М.: Советская Энциклопедия, 1975, т. 21 с. 132)[4].
Противоречие чаще всего возникают при попытке что-то изменить в системе.
Улучшая систему, одну ее часть (подсистему), свойство или параметр, мы невольно ухудшаем другие. Так возникают противоречия.
Обычно эти противоречия пытаются сгладить. Чуть-чуть улучшить один параметр и чуть-чуть ухудшить другой, находя компромиссные решения, но при этом не устраняется первопричина возникновения противоречия. Это временное решение, через некоторое время вновь придется возвращаться к этой задаче.
Более правильно разрешить имеющееся противоречие. Для этого мы должны выявить противоречия и причины их возникновения, а затем разрешить их, получая решение.
Решение задач по АРИЗ представляет собой последовательность по выявлению и разрешению противоречий, причин, породивших данные противоречия и устранению их использованием информационного фонда. Так выявляются причинно-следственные связи, суть которых - углубление и обострение противоречий.
Для этого в АРИЗ рассматриваются три вида противоречий:
- Поверхностное противоречие (ПП)
- Углубленное противоречие (УП)
- Обостренное противоречие (ОП).
Г. Альтшуллер их назвал соответственно:
- Поверхностное – административным противоречием (АП);
- Углубленное – техническим противоречием (ТП);
- Обостренное – физическим противоречием (ФП).
[править] Поверхностное противоречие
ПОВЕРХНОСТНОЕ ПРОТИВОРЕЧИЕ (ПП) - противоречие между потребностью и возможностью ее удовлетворения.
Его достаточно легко выявить. Оно часто задается администрацией или заказчиком и формулируется в виде: "Надо выполнить то-то, а как неизвестно", "Какой-то параметр системы плохой, нужно его улучшить", "Нужно устранить такой-то недостаток, но не известно, как", "Имеется брак в производстве изделий, а причина его не известна".
В связи с тем, что такое противоречие, как правило, формулируется руководством (администрацией) оно у Г. Альтшуллера и называется административным противоречием (АП).
Таким образом, поверхностное противоречие (ПП) выражается или в виде нежелательного эффекта (НЭ) - что-то плохо, или в виде необходимо создать что-то новое, но неизвестно каким образом.
Покажем, как формулируется поверхностное противоречие.
Задача 1.1. Авиадвигатели
Перед конструкторским бюро А.Н.Туполева была поставлена задача создания к концу 50-х годов нового пассажирского самолета на 170 мест с большой дальностью полета. Для этого потребовалось авиадвигатели на суммарную мощность 50 тыс. л.с. У самого мощного из имеющихся в СССР двигателей ТВ-2 было всего 6 тыс. л.с. (Техника и Наука, № 9, 1982, с.24-27). Как быть?
Это типичное ПП в виде нежелательного эффекта.
Задача 1.2. Скорость судна
Необходимо увеличить скорость судна, а как - неизвестно.
ПП в виде создание нового.
Задача 1.3. Мощный двигатель
Хочется, чтобы автомобиль имел более мощный двигатель.
ПП в виде создание нового.
Задача 1.4. Кастрюля
Можно обжечься, когда берешь горячую кастрюлю с плиты. Как устранить этот недостаток?
ПП в виде нежелательного эффекта.
[править] Углубленное противоречие
УГЛУБЛЕННОЕ ПРОТИВОРЕЧИЕ (УП) - это противоречие между определенными частями, качествами или параметрами системы.
УП возникает при улучшении одних частей (качеств или параметров) системы за счет недопустимого ухудшения других, т.е. полезное действие, вызывает одновременно и вредное.
УП можно рассматривать и как введение или усиление полезного действия, либо устранение или ослабление вредного действия вызывает ухудшение (в частности, недопустимое усложнение) одной из частей системы или всей системы в целом.
УП представляет собой причину возникновения поверхностного противоречия, углубляя его. В глубине одного ПП, чаще всего, лежит несколько УП.
Как правило, улучшая одни характеристики объекта, мы резко ухудшаем другие. Обычно приходится искать компромисс, то есть чем-то жертвовать.
При решении технических задач, изменяют технические характеристики объекта, поэтому Г. Альтшуллер углубленное противоречие назвал техническим противоречием (ТП).
Техническое (углубленное) противоречие возникает в результате диспропорции развития различных частей (параметров) системы. При значительных количественных изменениях одной из частей (параметров) системы и резком "отставании" другой (других) ее частей возникает ситуации, когда количественные изменения одной из сторон системы вступают в противоречие с другими. Разрешение такого противоречия часто требует качественного изменения этой технической системы. В этом и проявляется закон перехода количественных изменений в качественные [5][6].
Продолжим рассмотрение задач, формулируя углубленное (техническое) противоречие.
Задача 1.1. Авиадвигатели (продолжение).
Чтобы получить требуемую суммарную мощность нужно использовать 8 двигателей. При этом самые крайние двигатели располагаются на расстоянии 25 м от фюзеляжа, что недопустимо удлиняет крылья. Возникает углубленное противоречие между МОЩНОСТЬЮ самолета и недопустимым увеличением ДЛИНЫ крыла.
Сформулируем другое углубленное противоречие. Если перейти к спаренным двигателям на общую мощность 12 тыс. л.с., то нужно использовать воздушный винт диаметром 9 м, что приводит к необходимости поднять самолет над землей на 5 м. Углубленное противоречие в этом случае между МОЩНОСТЬЮ двигателей и большой ВЫСОТОЙ самолета.
Такие виды УП могут быть, в частности, устранены использованием приема 17 "Переход в другое измерение" [7].
А.Н.Туполев разрешил описанное противоречие следующим образом.
Он предложил спарить двигатели в единый блок, а на одном валу блока расположить сразу два четырехлопастных воздушных винта, которые вращаются в разные стороны (рис. 2). Потребовалось всего 4 блока (по два на крыло), диаметр винта составил 5,2 м. Самолет не нужно поднимать на большую высоту. В результате был создан самолет ТУ-114 (рис. 3) с достаточно высокой скоростью полета до 870 км/час.
Задача 1.2. Скорость судна (продолжение).
Увеличение грузоподъемности судна связано с уменьшением скорости хода. В свою очередь, увеличение скорости хода судна приводит к росту мощности двигателей, увеличению энергозатрат, что требует увеличения веса и габаритов силовой установки и запасов топлива. Чрезмерное их увеличение может привести к тому, что негде будет размещать полезный груз. В данном примере выявлены технические (углубленные) противоречия: ГРУЗОПОДЪЕМНОСТЬ - СКОРОСТЬ, СКОРОСТЬ - МОЩНОСТЬ, МОЩНОСТЬ - ЭНЕРГОЗАТРАТЫ, ЭНЕРГОЗАТРАТЫ - ВЕС и т.д.
Задача 1.3. Мощный двигатель (продолжение).
Увеличение мощности автомобиля приводит к повышенному расходу бензина.
Т.е. УП – увеличение мощности – расход вещества.
Задача 1.4. Кастрюля (продолжение).
Необходимость нагрева кастрюли при приготовлении пищи вступает в противоречие с процедурой снятия кастрюли голыми руками?
Т.е. УП – температура (приготовление пиши) – вредные факторы, генерируемые самим объектом (безопасность).
Рассмотрим еще задачи.
Задача 1.5. Микросхема
Обычно проводники в интегральных микросхемах (ИМС) делают из золота, имеющего самое малое удельное сопротивление току, но недопустимо плохую адгезию с материалом подложки. Как быть?
Возникает углубленное противоречие (УП) между ЭЛЕКТРОПРОВОДНОСТЬЮ и АДГЕЗИЕЙ.
Задача 1.6. Корпус яхты
- минимального сопротивления формы корпуса;
- максимальной остойчивости;
- минимального сопротивления трения.
Прежде чем решать эти задачи рассмотрим еще один вид противоречий, рассматривающийся в АРИЗ.
[править] Обостренное противореиче
ОБОСТРЕННОЕ ПРОТИВОРЕЧИЕ (ОП) - предъявление диаметрально противоположных свойств (например, физических) к определенной части технической системы.
Оно необходимо для определения причин, породивших углубленное противоречие, т.е. является дальнейшим его углублением. Уточнение (углубление) противоречий может продолжаться и дальше для выявления первопричины.
Для человека, незнакомого с АРИЗ, формулировка ОП звучит непривычно и даже дико - некоторая часть ТС должна находится сразу в двух взаимоисключающих (взаимопротивоположных) состояниях: быть холодной и горячей, подвижной и неподвижной, длинной и короткой, гибкой и жесткой, электропроводной и неэлектропроводной и т.д.
Изучение причин, породивших углубленное (техническое) противоречие, в технических системах, как правило, приводит к необходимости выявления противоречивых физических свойств системы, поэтому Г.Альтшуллер назвал это физическим противоречием.
Продолжим разбор приведенных ранее задач и сформулируем для них обостренные противоречия (ОП).
Задача 1.2. Скорость судна (продолжение).
Уменьшить энергозатраты можно, ликвидировав подводную часть корпуса корабля. Но чтобы судно держалось на плаву, подводная часть корпуса необходима.
Итак, обостренное противоречие: подводная часть корпуса должна быть для обеспечения плавучести и не должна быть, чтобы не увеличивать энергозатраты при увеличении скорости.
Были придуманы суда на подводных крыльях (рис.4), суда на воздушной подушке (рис.5), полупогруженные суда (рис.6) и экранопланы (рис.7).
Задача 1.3. Мощный двигатель (продолжение).
Бензина должно тратиться много, чтобы двигатель имел возможность работать на полную мощность, и бензина должно тратиться мало, чтобы не создавать лишние расходы. Таким образом, ОП – расход бензина должен быть большой и маленький.
Придуманы эжекторные двигатели.
Задача 1.4. Кастрюля (продолжение).
Кастрюля должна быть горячей, чтобы осуществлялся процесс варки, и должна быть холодной, чтобы ее было безопасно брать.
Горячим должна быть внутренняя поверхность кастрюли. Холодной должны быть ручки, внешняя поверхность кастрюли и крышки.
Частичные решения: ручки выполняются из теплоизоляционного материала или ручку теплоизолируют от поверхности кастрюли. Такое же решение и с ручкой от крышки.
Немного лучшее решение, если дно кастрюли делать теплопроводным (металлическим), а стенки кастрюли делать теплоизоляционными, например, пластмассовыми или керамическими. Полное решение – внешний слой кастрюли и крышки покрывать теплоизоляционным слоем. Тогда в кастрюле будет дольше сохраняться тепло. Это же решение может быть применено и к чайнику (решение предложил Владимир Петров).
Задача 1.5. Микросхема (продолжение).
Сформулируем обостренное противоречие (ОП).
Чтобы проводник в интегральной микросхеме (ИМС) имел маленькое сопротивление, он должен быть выполнен из золота, а чтобы проводник имел хорошую адгезию с подложкой, должен быть из другого материала.
Более короткое и обостренное ОП можно сформулировать: материал проводника должен быть из ЗОЛОТА и НЕ ИЗ ЗОЛОТА.
Типичное разрешение такого обостренного противоречия - использование ПОСРЕДНИКА (прием 24 "Принцип посредника")[8].
Правило использования посредника подробно рассматриваться при изучении веполного анализа[9].
Видимо, Вы уже догадались о решении. Сначала наносят подслой, имеющий хорошую адгезию с подложкой и с золотом, а затем на него напыляют золото. В качестве подслоя берут никель или титан (Степаненко И.П. Основы микроэлектроники. Учебное пособие. - М.: Сов. радио, 1980.-424 с.).
Задача 1.6. Корпус яхты (продолжение).
В задаче с проектированием корпуса яхты обостренных противоречий несколько:
- Для того чтобы яхта двигалась с большей скоростью (имело малое сопротивление формы), корпус должен быть узким и длинным, а чтобы вынести большую парусность (быть остойчивой), корпус должен быть широкий. Это противоречие было разрешено изобретением катамарана (рис. 8) – два параллельных корпуса, соединенных вместе. Каждый корпус узкий, поэтому имеет малое сопротивление движению, а а оба корпуса вместе, расположенные на определенном расстоянии друг от друга – образуют широкий корпус, поэтому яхта остойчивая.
- Второе обостренное противоречие относится к другой части яхты - к балласту (киль). Для повышения остойчивости яхты балласт должен быть тяжелым, а чтобы она была более маневренной, балласт должен быть легким.
Противоречие разрешается или использованием внутреннего пространства киля (ресурсов), например, помещают туда аккумуляторы. Или киль делается пустотелым в виде трубы, в котором всегда проходит вода, являющаяся грузом (балластом).
Рассмотрим еще оду задачу.
Задача 1.7. Радиотехническое устройство
Для питания многих радиотехнических устройств (РТУ) используются промышленная сеть переменного тока, хотя большинство блоков РТУ, например, усилитель, генератор и другие нуждаются в постоянном питающем напряжении. По этой причине на выходе усилителя необходим элемент, имеющий противоречивые физические свойства. Он должен быть ПРОВОДЯЩИМ для положительной полуволны синусоидального тока и НЕПРОВОДЯЩИМ для отрицательной полуволны, чтобы обеспечить усилитель однополярным питающим напряжением.
Данное обостренное противоречие (ОП) разрешается за счет выпрямителя, выполненного на диодах (рис. 9), обладающих указанными физическими свойствами и реализующих функцию преобразования переменного тока в постоянный.
Следует подчеркнуть еще раз, что в отличие от углубленного (технического) противоречия, принадлежащего всей системе, обостренное (физическое) - относится только к определенной ее части.
[править] Цепочка противоречий
Таким образом, рассмотренные три вида противоречий образуют цепочку: поверхностное противоречие (ПП) – углубленное противоречие (УП) - обостренное противоречие (ОП), которая определяет причинно-следственные связи в исследуемой технической системе.
Проиллюстрируем эту цепочку.
Задача 1.8. Чемоданы
ПП – пустые чемоданы занимают много места (нежелательный эффект).
УП – чемодан необходим для перевозки вещей, но занимает много места дома, когда его не используют.
ОП – чемодан должен быть большой, чтобы в него помещалось много вещей, и меленький, чтобы он не занимал много места, когда он не используется. Т.е. чемодан должен быть большой и маленький.
Решение: Чемодан делается складной (рис. 10). Или набор чемоданов в виде "матрешки" (рис. 11). Меньший чемодан вкладывается в больший.
Задача 1.9. Мощные транзисторы
Неидеальность ключевых свойств мощных транзисторов и диодов являются причиной потерь электрической энергии, которая разогревает полупроводниковый прибор, ухудшая тепловой режим его работы.
Сформулируем поверхностное противоречие (ПП): "Необходимо улучшить тепловой режим транзисторного (диодного) ключа в радиоэлектроаппаратуре, в которую он устанавливается".
Или: "Необходимо исключить перегрев силового транзистора в усилителе радиоприемника". В первой формулировке ПП показывается, какое качество нужно улучшить, а во второй - нежелательный эффект (НЭ) - перегрев транзистора.
Устранение указанного поверхностного противоречия может осуществляться за счет создания нового транзистора или применения радиатора, который улучшает тепловой режим работы транзистора, но увеличивает габариты радиоаппаратуры.
Углубленное противоречие (УП) между ТЕМПЕРАТУРОЙ и ГАБАРИТАМИ или ПОТЕРЯМИ ЭНЕРГИИ (МОЩНОСТИ) и ГАБАРИТАМИ.
Улучшение теплоотвода приводит к необходимости увеличения площади радиатора, а снижение габаритов радиоаппаратуры требует уменьшения площади радиатора.
Опишем обостренное противоречие (ОП): площадь радиатора должна быть БОЛЬШОЙ, чтобы улучшить отвод тепла, и МАЛЕНЬКОЙ, чтобы радиоаппаратура была малых габаритов.
Такое противоречие можно, например, разрешить путем изменения структуры.
На радиаторе делают ребра (рис. 12). Общая площадь радиатора остается такой же или больше, а габариты аппаратуры не увеличиваются и даже могут быть уменьшены.
Целый букет противоречий разобран Ф.Энгельсом в работе "История винтовки". Рассмотрим некоторые из них.
Задача 1.10. Винтовка
Изобретение винтовки преследовало цель - улучшить результаты стрельбы. Поэтому в гладкоствольных мушкетах была сделана нарезка, а плотно пригнанная пуля скользила по ним. При этом заряжать винтовку стало гораздо сложнее и дольше - пулю приходилось забивать шомполом (раньше оружие заряжалось с дульной части).
Возникло углубленное (техническое) противоречие между точностью стрельбы (преимущества нарезов винтовки) и скорострельностью или удобством заряжания (преимущества гладкоствольного оружия - мушкетов).
В глубине этого углубленного противоречия лежат несколько обостренных (физических). Вот некоторые из них:
- Чтобы повысить точность стрельбы, необходимы нарезы на внутренней поверхности ствола, а чтобы облегчить заряжание (повысить скорострельность), нарезы не нужны (внутреннюю поверхность ствола необходимо иметь гладкой).
- Или - для увеличения скорострельности пуля должна не плотно прилегать к внутренней поверхности ствола, а для улучшения точности стрельбы пуля должна плотно прилегать к внутренней поверхности ствола и даже врезаться в нарезы.
Обратите внимание, что, эти обостренные противоречия составлены для разных частей системы (винтовки): 1 – для ствола, 2 – для пули.
В то время пуля оборачивалась просаленной материей (пластырем) и без особых усилий забивалась шомполом в ствол.
Затем выяснилось, что для увеличения точности и дальности стрельбы пуле необходимо придавать вращательное движение, при этом она более точно выдерживает заданное ей направление, так как становится более устойчивой. На внутренней поверхности ствола стали делать винтовые нарезы. Прежнее противоречие еще более обострилось, в связи с тем, что заряжать винтовку стало еще труднее.
Винтовка "в значительной мере превосходила гладкоствольный мушкет в отношении меткости... Вместе с тем, заряжание винтовки являлось делом сравнительно трудным. Забивание пули представляло довольно утомительную операцию; порох и завернутая в пластырь пуля вкладывались в ствол отдельно, и за одну минуту можно было сделать не более одного выстрела". Энгельс Ф. История винтовки. Маркс К., Энгельс Ф. Соч., изд. 2-е, т.15.- М.: Политиздат, 1959, с. 202..
В данном случае обостренное противоречие будет.
Нарезы должны быть винтовые, для повышения точности стрельбы, и не должны быть винтовые (должны быть прямые) для повышения скорострельности.
Вот еще одно из характерных обостренных противоречий: "Старая винтовка, для того чтобы облегчить забивание пули, должна была быть короткой, настолько короткой, что она уже не подходила в качестве рукоятки для штыка". Энгельс Ф. История винтовки. Маркс К., Энгельс Ф. Соч., изд. 2-е, т.15.- М.: Политиздат, 1959, с. 203.
Ствол винтовки должен быть коротким, чтобы было легче забивать пулю, и должен быть длинным, чтобы служить рукояткой для штыка.
Противоречие было разрешено, когда был придуман затвор. Винтовка заряжалась с казенной части.
Теперь, рассмотрев различные противоречия, следует еще раз отметить, что решить сложную техническую задачу – значит улучшить необходимые показатели системы, не ухудшая другие. Осуществить это возможно путем выявления углубленного (технического) противоречия, определения причин, породивших его, или даже причины причин (выявление обостренного противоречия), и устранения этих причин, то есть разрешения обостренного (физического) противоречия.
Этап выявления обостренного противоречия представляет собой точную постановку задачи. Выявление обостренного противоречия при решении технических задач требует определенной направленности поиска, что возможно только при знании ответа. В реальной технической задаче ответ, безусловно, не известен.
Направленность в решении может быть достигнута ориентировкой на законы развития технических систем и, прежде всего, на закон увеличения степени идеальности технической системы [10][11].
[править] Идеальный конечный результат
Решение математических задач и задач "на сообразительность" часто выполняют методом "от противного". Суть метода заключается в том, что решать задачу начинают с конца. Определяют конечный результат - ответ. Уяснив его, "прокладывают" дорогу к началу, то есть решают задачу.
Заманчиво было бы и решение технических задач осуществлять аналогичным образом. Но как же узнать ответ?
Действительно, при решении технических задач ответ не известен, но можно пойти дальше... Можно представить идеал разрабатываемого устройства – идеальное устройство – идеальный конечный результат (ИКР).
ИКР - маяк, к которому следует стремиться при решении задачи.
ИКР - решение, которое мы хотели бы видеть в своих мечтах, выполняемое фантастическими существами или средствами (волшебная палочка). Например, дорога существует только там, где с ней соприкасаются колеса транспорта.
[править] Идеальная техническая система
Идеальная техническая система - это система, которой нет, а ее функции выполняются, т.е. цели достигаются без средств.
ИКР транспортного средства - когда его нет, а груз транспортируется (груз сам передвигается в нужном направлении с необходимой скоростью). Достаточно много технических систем, в названии которых есть слово САМ. Например, самосвал (оригнальный вид самосвала, позволяющий почти самостоятельно опрокидывать кузов, показан на рис.13).
САМ – значит без непосредственного участия человека. Раньше этому способствовала механизация, теперь автоматизация и кибернетизация, в частности, компьютеризация. Стиральная машина САМА (по программе) выполняет необходимую работу. Компьютер САМ переводит текст, делает мультфильмы или проектирует те или иные объекты.
Об идеальных аппаратах мечтают и исследователи океанских глубин: "Безусловно, уже давно люди понимали, что идеальным (выделил автор) был бы такой аппарат, который создавал бы на глубине "земные" условия. (Диомидов М.Н., Дмитриев А.Н. Покорение глубин. - Л.: Судостроение, 1969, с. 93).
Пример 1.1. Идеал спасательных средств на воде - непотопляемая лодка при любых погодных условиях. "... судостроительные фирмы ряда стран разработали конструкцию "непотопляемой" спасательной лодки, полностью герметичной и вмещающей в кубрик 35 человек, которые прикрепляют себя к сидениям спасательными ремнями. Лодка выполнена из прочного легкого материала и может без какого-либо вреда для пассажиров катапультировать с высоты 25 м. Даже уйдя под воду, она снова выплывает на поверхность, принимая нормальное положение. ("Непотопляемая лодка". Панорама, Наука и Техника, 1979, № 6, с. 34).
Одна из основных особенностей "идеального устройства" ("идеальной системы") та, что оно должно появляться только в тот момент, когда необходимо выполнять полезную работу, причем в это время система несет 100% расчетную нагрузку. Во все остальное время этой системы не должно существовать или она должна выполнять другую полезную работу. Это свойство давно нам знакомо из сказок - "Скатерть-самобранка" и т.д.
Много примеров можно привести и из жизни; все убирающиеся, складные (рис. 14) и надувные (рис. 15) предметы. Например, складная и приставная мебель (стол, кресло, диван, кровать и т.д.), надувные предметы (лодки, спасательные жилеты, матрасы, кресса, понтоны и т.д.)
Пример 1.2. Для спасения людей в случае аварийной посадки самолета на воду английские инженеры разработали спасательное устройство, представляющее собой понтоны, которые автоматически надуваются сжатым воздухом. ("Непотопляемая лодка". Панорама, Наука и Техника, 1979, № 6, с. 34).
Вторая особенность идеальной машины или идеального устройства, что его вообще нет, а работа, которую они должны выполнять, производится как бы сама собой (с помощью волшебной палочки).
Идеальный грузовик - это кузов, перемещающий груз. Все остальные части грузовика лишние, они необходимы только для достижения этой цели.
ИКР транспортного средства - когда его нет, а груз транспортируется (груз "сам" передвигается в нужном направлении с необходимой скоростью).
Приведем примеры на свойство идеальности.
Пример 1.3. "Автомобильные ремни безопасности необходимо периодически менять. Вызвано это опасениями, не ослаблен ли материал. Изобрели ленту, которая сама своим видом покажет, когда ее менять". (Изобретатель и Рационализатор, 1977, № 8, МИ 0801).
Пример 1.4. "На рисунок протектора наносят слой цветной краски и фиксируют километраж, пройденный автомобилем до истирания нанесенного слоя. Такой метод оценки изнашиваемости шин прост, пригоден при исследованиях долговечности новых типов и конструкций" . Этот метод можно применять при контроле шин для их замены. (Изобретатель и Рационализатор, 1974, № 9, МИ 0946).
Пример 1.5. Оконные стекла необходимо мыть. Осуществлять эту операцию в цехах с высокими и большой площади окнами довольно сложно и трудоемко. Если цехи "остеклить" лавсановой пленкой, то при дуновении легкого ветерка пленка сама сбрасывает с себя пыль. Эта пленка прозрачна, легка, не боится паров плавикой кислоты. Для "остекления" окон такой пленкой можно использовать облегченные рамы.
Пример 1.6. Соприкосновение трущихся поверхностей, выполненных из стали, приводит к их износу, поэтому участок взаимодействия смазывают.
Польские специалисты утверждают, что любая сталь станет самосмазывающейся (ИКР), не потеряв своих лучших механических свойств, если к ней добавить 0,3% свинца. Можно повысить скорость резания, продлить срок службы инструмента. (Изобретатель и Рационализатор, 1975, № 2, МИ 0203).
Пример 1.7. В болтовых соединениях, для того чтобы гайка сама не отворачивалась в процессе эксплуатации, на болт наворачивают вторую (контр) гайку.
Идеалом в данном случае было бы "гайка сама себя закрепляет (контрит)". Сейчас уже существует немало разных конструкций самоконтрящихся гаек. Одна из них.
Гайку надежно удерживают на месте расположенные по торцу зубцы с острыми кромками, которые направлены по касательной к резьбовому отверстию и имеют наклон 7-10°. Такое решение позволяет применять самоконтрящиеся гайки многократно. При этом на 30% уменьшается сроки монтажа и демонтажа, повышается надежность соединений и сокращается номенклатура крепежа. Такая гайка особенно необходима для тех соединений, которые испытывают различные по характеру нагрузки. (Социалистическая Индустрия, № 170 (3062), 26.07.79. с.4 "Самоконтрящаяся гайка").
В случае болтовых соединений без гайки контрится должен САМ болт "...на торцевой поверхности головки (в данном случае болта, но может быть и гайка), обращенной к соединяемой детали, выполнены концентричные заостренные кольцевые выступы (рис. 16)" . (А.с. № 297812, БИ, 1971, № 10. с.124).
Стремление к идеалу – общая тенденция развития технических систем.
В транспортных средствах эта тенденция проявляется, в частности, в неуклонном повышении доли использования ими полезного веса. Этим объясняется увеличение водоизмещения судов, особенно танкеров. (Логачев С.И. Морские танкеры. - Л.: Судостроение, 1970, с.28).
Пример 1.8. Танкер водоизмещением 3000 тонн полезно использует 57% своего водоизмещения, а танкер водоизмещением более 200000 тонн - 86% (рис. 17). (Логачев С.И. Морские танкеры. 1970, с.42-43), таким образом, приближаясь к идеалу.
Пример 1.9. "Обработка деталей абразивными кругами сопровождается повышением температуры в зоне контакта, которая отрицательно воздействует на поверхностный слой детали, повышает износ самого круга".
ИКР в данном случае – круг сам предохраняет деталь и себя от перегрева.
"В Запорожском машиностроительном институте разработаны шлифовальные круги, состоящие из традиционных компонентов, но в своем составе имеющие эндотермическую добавку. При высоких температурах шлифования она разлагается с поглощением тепла и уносит его из зоны обработки". (Против тепла. Социалистическая Индустрия , 27.03.75). Интересно отметить, что стремление к идеалу присуще не только технической системе в целом, но я отдельным ее частям и процессам, происходящим в них.
[править] Идеальное вещество
Идеальное вещество - вещества нет, а функции его (прочность, непроницаемость и т.д.) остаются. Именно поэтому в современных судах тенденция использовать все более легкие и более прочные материалы, то есть материалы с все большей удельной прочностью и жесткостью.
Задача 1.9. Мощные транзисторы (продолжение).
Определим идеальный конечный результат в задаче об мощных транзисторах. ИКР радиатора (теплоотвода) – отсутствующий радиатор, обеспечивающий полный отвод тепла от транзистора.
Радиатора не должно быть, а тепло должно отводиться самим транзистором, либо радиатор должен появляться только при начинающемся перегреве транзистора, либо радиатор должен быть вынесен за пределы данной радиоэлектроаппаратуры (РЭА), либо роль радиатора должен выполнять какой-то другой элемент. Таким образом, задаются направления решения.
В первом направление, следует идти по пути создания транзистора без потерь энергии, чтобы не вставала задача отвода тепла. Это направление самое трудное и, как правило, для разработки РЭА не пригодное.
Вполне приемлемо второе направление, ибо можно создать теплопроводник с лепестками из никелида титана (нитинола) - материала, обладающего эффектом памяти формы. (А.с. № 958 837). При нормальной