Фундаментальний закон розвитку технічних систем. Закон збільшення ступеня ідеальності. Перевірте свої знання

Розвиток усіх систем йде у напрямі збільшення ступеня ідеальності.

Ідеальна технічна система - це система, вага, обсяг і площа якої прагнуть нуля, хоча її здатність виконувати роботу при цьому не зменшується. Інакше висловлюючись, ідеальна система - коли системи немає, а функція її зберігається і виконується.

Незважаючи на очевидність поняття «ідеальна технічна система», існує певний парадокс: реальні системи стають дедалі більшими і важкими. Збільшуються розміри і вага літаків, танкерів, автомобілів тощо. буд. Парадокс цей пояснюється лише тим, що вивільнені під час вдосконалення системи резерви скеровуються збільшення її розмірів і, головне, підвищення робочих параметрів. Перші автомобілі мали швидкість 15-20 км/год. Якби ця швидкість не збільшувалася, поступово з'явилися б автомобілі, набагато легші та компактніші з тією ж міцністю та комфортабельністю. Однак кожне вдосконалення в автомобілі (використання більш міцних матеріалів, підвищення к. л. д. двигуна і т. д.) прямувало на збільшення швидкості автомобіля і того, що обслуговує цю швидкість (потужна гальмівна система, Міцний кузов, посилена амортизація). Щоб наочно побачити зростання ступеня ідеальності автомобіля, треба порівняти сучасний автомобільзі старим рекордним автомобілем, який мав ту саму швидкість (на тій самій дистанції).

Видимий вторинний процес (зростання швидкості, потужностей, тоннажу тощо) маскує первинний процес збільшення ступеня ідеальності технічної системи. Але при вирішенні винахідницьких завдань необхідно орієнтуватися саме на збільшення ступеня ідеальності – це надійний критерій для коригування задачі та оцінки отриманої відповіді.

Формулювання закону та основні поняття.

Розвиток усіх систем йде у напрямі збільшення ступеня ідеальності.

Ідеальна ТС це система, маса, габарити та енергоємність якої прагнуть до нуля, а її здатність виконувати роботу при цьому не зменшується.

У межі: ідеальна система та якої немає, а функція її зберігається і виконується.

Оскільки для виконання функції потрібно лише матеріальний об'єкт, то за зниклу (ідеалізовану) систему цю функцію повинні виконувати інші системи (сусідні ТЗ, над- або підсистеми). Тобто. частина систем перетворюється в такий спосіб, щоб виконувати ще й додаткові функції - функції зниклих систем. Приймається до виконання "чужа" функція може бути аналогічна власної, тоді відбувається збільшення ГПФ даної системи; якщо функції не збігаються - відбувається збільшення кількості функцій системи.

Зникнення систем та збільшення ДПФ або кількості виконуваних функцій – дві сторони загального процесуідеалізації.

Тому розрізняють два види ідеалізації систем:

Мал. 1. Види ідеалізації систем.
- 1-го виду, коли маса (М), габарити (Г), енергоємність (Е) прагнуть до нуля, а ДПФ або кількість виконуваних функцій (Ф n) залишається незмінною:

2-го виду, коли ДПФ або кількість функцій (Фn) збільшується, а маса, габарити, енергоємність залишаються незмінними,

Тут Ф n функція системи (ДПФ) чи "сума" кількох функцій.

Загальний вид ідеалізації систем відображає обидва процеси (зменшення М, Р, Е та збільшення ГПФ або кількості функцій):

Тобто граничний випадок ідеалізації техніки полягає в її зменшенні (і зрештою, зникненні) при одночасному збільшенні кількості виконуваних нею функцій; в ідеалі - техніки не повинно бути, а функції, потрібні людині та суспільству, повинні виконуватися.

Ідеалізація реальних МС може йти шляхом, що відрізняється від наведених залежностей. Найчастіше спостерігається змішаний вид ідеалізації, коли виграш у М, Р, Е, отриманий у процесі ідеалізації, витрачається на додаткове збільшення ГПФ чи кількості функцій. Ці процеси можна умовно зобразити кривими, показаними на рис. 29.

Мал. 2. Один із змішаних видів ідеалізації реальних систем.
1 – процес ідеалізації загального вигляду 2 - процес збільшення корисно-функціональних підсистем (розгортання ТС - збільшення (М,Г,Е), 3 - рівнодіюча лінія розвитку I(S).

Подібні залежності характерні, наприклад, для авіації, водного транспорту, військової техніки та ін.

Процес ідеалізації зовні аналогічний 2-му виду I(S 2), коли збільшення ДПФ відбувається при незмінних значення М,Г,Е. На самому справі М, Г, Епідсистем зменшуються, але ці підсистеми подвоюються, потроюються, з'являються нові й т.д. Отже, лише на рівні підсистем йде процес ідеалізації 1-го виду, але в рівні всієї ТЗ ідеалізація 2-го виду.

Якщо рознести у часі процеси 1,2 (рис. 29), тобто розділити змішаний процес на два окремих, то отримаємо якийсь узагальнений (нормальний) процес розвитку ТС, що включає фазу розгортання та фазу згортання системи (рис. 30).

Мал. 3. Нормальний вид ідеалізації реальних систем.
1 - розгортання ТС, 2 - згортання ТС, 3 - крива, що обгинає.

Технічна система, виникнувши, починає "завойовувати" простір (збільшує свої М, Г, Е), а досягнувши певної межі, зменшується (згортається).

Процес розвитку ТС протікає в часі, тому горизонтальна вісь (Ф n - ДПФ) це одночасно і вісь часу - кожний винахід збільшує головну корисну функцію системи (рис. 31).

Мал. 4. Розвиток ТС у часі.

Можна перетворити ці графіки на остаточний вигляд - хвилеподібну криву розвитку ТЗ у просторі та часі (рис. 32). Ця модель розвитку справедлива всім рівнів ієрархії над- і підсистем, речовини.

Мал. 5. Просторово-тимчасова модель розвитку ТС.

Таким чином, процес розвитку (ідеалізації) технічних системможна описати виразом:

Один із механізмів розгортання (переходу в СР) перехід моно-бі-полі добре вписується у "хвилю" розвитку ТЗ (рис. 33). На будь-якому етапі розвитку (розгортання) система може бути згорнута в ідеальну речовину - в нову моносистему, яка може стати початком нової хвилі розвитку.

Мал. 6. Модель розвитку технічних систем.

Як робляться кроки по лінії розвитку ТЗ?, Що рухає систему від одного винаходу до іншого?, Який механізм цього процесу?

Аналіз історії розвитку багатьох ТЗ показує, що вони розвиваються через ряд послідовних подій:

1. Виникнення потреби.

2. Формулювання головної корисної функції - соціального замовлення нового ТЗ.

3. Синтез нової ТЗ, початок її функціонування (мінімальна ДПФ).

4. Збільшення ДПФ - спроба "вичавити" із системи більше, ніж вона може дати.

5. При збільшенні ДПФ погіршується якась частина (або властивість) ТЗ - виникає технічна суперечність, тобто з'являється можливість сформулювати винахідницьке завдання.

6. Формулювання необхідних змін ТЗ (відповідь на запитання: що треба зробити для збільшення ГПФ? і що не дозволяє нам це зробити?), тобто перехід до винахідницького завдання.

7. Рішення винахідницької задачі із застосуванням знань з галузі науки і техніки (і навіть ширше - із культури взагалі).

8. Зміна в ТС відповідно до винаходу.

9. Збільшення ДПФ (див. крок 4).

Аналіз винаходів показує, що розвиток усіх систем йде у напрямку ідеалізації, тобто елемент чи система зменшується чи зникає, та її функція зберігається.

Громіздкі та важкі електронно-променеві комп'ютерні монітори замінюються легкими та плоскими рідкокристалічними. Швидкість процесора збільшується у сотні разів, але його розмір та споживання енергії не підвищуються. Стільникові телефони ускладнюються, але їхній розмір зменшується.

$ Подумайте про ідеалізацію грошей.

Елементи АРІЗ

Розглянемо базові кроки алгоритму вирішення винахідницьких завдань (АРІЗ).

1. Початком аналізу є складання структурної моделіТС (як описано вище).

2. Потім виділяється головне технічне протиріччя(ТП).

Технічними протиріччями(ТП) називають такі взаємодії у системі, коли позитивна дія одночасно викликає і негативну дію; або якщо введення/посилення позитивної дії, або усунення/ослаблення негативної дії, викликає погіршення (зокрема, неприпустиме ускладнення) однієї з частин системи або всієї системи в цілому.

Для збільшення швидкості гвинтового літака треба збільшити потужність двигуна, але збільшення потужності двигуна зменшить швидкість.

Часто виявлення головного ТП потрібно проаналізувати причинно-наслідковий ланцюжок(ПСЦ) зв'язків та протиріч.

Продовжимо ПСЦ для протиріччя «збільшення потужності двигуна зменшить швидкість». Для збільшення потужності двигуна треба збільшити об'єм двигуна, для чого треба збільшити масу двигуна, що призведе до додаткової витрати палива, що збільшить масу літака, що зведе нанівець виграш у потужності та знизить швидкість.

3. Виробляється уявне відділення функцій(властивостей) від об'єктів.

У аналізі будь-якого елемента системи нас цікавить він сам, яке функція, тобто здатність виконувати чи сприймати певні впливу. Для функцій також існує причинно-наслідковий ланцюжок.

Головна функція двигуна – не крутити гвинт, а штовхати літак. Нам потрібний не сам двигун, а лише його здатність штовхати літак. Так само нас цікавить не телевізор, а його здатність відтворювати зображення.

4. Виготовляється посилення протиріччя.

Суперечність слід подумки посилити, довести до краю. Багато – все, мало – нічого.

Маса двигуна взагалі не збільшується, але швидкість літака зростає.

5. Визначаються Оперативна зона(ОЗ) та Оперативний час(ВВ).

Слід виділити той точний час і простору, у якому виникає протиріччя.

Суперечність маси двигуна та літака виникає завжди і скрізь. Суперечність між людьми, які бажають потрапити на літак, виникає лише у певний час (на свята) та у певних точках простору (деякі рейси).

6. Формулюється ідеальне рішення.

Ідеальне рішення(або ідеальний кінцевий результат) звучить так: ікс-елемент, абсолютно не ускладнюючи систему і не викликаючи шкідливих явищ, усуває шкідливий вплив протягом оперативного часу (ОВ) та в межах оперативної зони (ОЗ), зберігаючи корисну дію.

Ікс-елемент замінює газову плиту. Функція плити нагрівати їжу в домашніх умовах протягом декількох хвилин залишається, але небезпеки вибуху газу або отруєння газом немає. Ікс-елемент менший за газову плиту. Ікс-елемент – мікрохвильова піч

7. Визначаються наявні ресурси.

Для вирішення протиріччя потрібні ресурси, тобто можливості інших вже існуючих елементів системи виконати цікаву для нас функцію (вплив).

Ресурси можуть бути знайдені:

а) усередині системи,

б) за межами системи, у зовнішньому середовищі,

в) у надсистемі.

Для перевезення пасажирів у пікові дні можна знайти такі ресурси:

а) усередині системи – ущільнити розташування крісел у літаку,

б) поза системою – поставити на рейси додаткові літаки,

в) у надсистемі (для авіації – транспорт) – використовувати залізницю.

8. Застосовуються методи поділу протиріч.

Розділити суперечливі властивості можна такими способами:

- в просторі,

- в часі,

– на рівнях системи, підсистеми та надсистеми,

- Об'єднанням або поділом з іншими системами.

Запобігання зіткненню машин та пішоходів. У часі – світлофор, у просторі – підземний перехід.

Підсумовуючи кроки АРІЗ:

Структурна модель - Пошук протиріччя - Відділення властивостей від об'єктів - Посилення протиріччя - Визначення точки часу та простору - Ідеальне рішення - Пошук ресурсів - Поділ протиріч

Метод моделювання «маленькими чоловічками»

Метод моделювання "маленькими чоловічками" (метод ММЧ) призначений для зняття психологічної інерції. Роботу елементів системи, що у протиріччі, схематично представляють як малюнка. На малюнку діє велика кількість "маленьких чоловічків" (група, кілька груп, "натовп"). Кожна з груп виконує одну з суперечливих процесів елемента.

Якщо уявити двигун літака як двох груп чоловічків, одна з них тягтиме літак вперед і вгору (тяга), а друга – вниз (маса).

Якщо уявити газову плиту по ММЧ, то одна група чоловічків нагріватиме чайник, а друга – спалюватиме потрібний людині кисень.

$ Спробуйте уявити гроші в системі ринкової економікиу вигляді маленьких чоловічків.

Прийоми вирішення протиріч

Давайте проведемо невелику розминку уяви. У країнах капіталізму ХІХ століття існували внутрішні класові протиріччя, головне у тому числі – між багатством одних груп людей (класів) і злиднями інших. Проблемою були й глибокі економічні кризи, депресії. Розвиток ринкової системи у XX столітті дозволило подолати чи згладити ці протиріччя країнах Заходу.

У ТРВЗ узагальнено сорок прийомів вирішення протиріч. Подивимося, як деякі з них були застосовані до системи "капіталізм ХІХ століття".

Прийом Винесення

Відокремити від об'єкта "частину, що "заважає" ("заважає" властивість) або, навпаки, виділити єдино потрібну частину (потрібна властивість).

Переважна властивість – злидні, необхідна властивість – багатство. Злидні винесені за межі країн золотого мільярда, багатство зосереджено в їх межах.

Прийом Попередньої Дії

Заздалегідь виконати потрібну зміну об'єкта (повністю або хоча б частково).

Об'єкт – свідомість жебраків та експлуатованих. Якщо свідомість заздалегідь обробляти, то жебраки нічого очікувати вважати себе жебраками і експлуатованими.

Прийом «Заздалегідь підкладеної подушки»

Компенсувати щодо невисоку надійність об'єкта заздалегідь підготовленими аварійними засобами.

Створення системи соціального страхування та допомоги з безробіття, тобто аварійних коштів на час криз.

Прийом Копіювання

а) Замість недоступного, складного, дорогого, незручного чи тендітного об'єкта використовувати його спрощені та дешеві копії.

б) Замінити об'єкт чи систему об'єктів їх оптичними копіями (зображеннями).

Замість якісних товарів можна продавати за тими самими цінами дешеві китайські. Замість фізичних товарів продавати телевізійні та рекламні образи.

Прийом Заміни Дорогої Довговічності Дешевою Недовговічністю

Замінити дорогий об'єкт набором дешевих об'єктів, поступившись деякими якостями (наприклад, довговічністю).

Згідно економічної теорії, причина депресій та падіння прибутку – у падінні попиту. Якщо зробити товари дешевими і недовговічними, можна навіть знизити продажну ціну. При цьому і прибуток збережеться, і попит постійно підтримуватиметься.

Герой нашого часу

Закінчуючи з технікою та переходячи до наступного розділу, давайте порадіємо разом із безіменним героєм нашогочасу, автором нижченаведеного твору, знайденого на просторах Інтернету. Порівняйте, чому присвячувалися оди у попередні століття.

Ода на радість. Від грошей.

Я, прокидаючись, усміхаюся,

І засинаючи, посміхаюся,

І одягаючись, посміхаюся,

І роздягаючись, усміхаюся.

Все в цьому житті мені за кайфом:

Смуток світлий, легкі натуги,

Прекрасні вина, смачні страви,

Друзі чесні, ніжні подруги.

Можливо, хтось не повірить,

Що так живуть у світі білому.

Що, все хочете перевірити?

Так і бути, скажу, в чому справа.

Відкрило джерело натхнення

Кличе сильно, непохитно.

Чудова його назва - гроші,

Звучить свіжо та витончено.

Люблю я грошові знаки,

Їхній вигляд, і запах, і шурхіт,

Їх отримувати без жодної бійки,

І їм звертати увагу.

Як дурний я був усі ці роки,

Заповітної мети не маючи,

Терпів краху та негаразди,

Поки щоденний знак не плекав!

Молюсь чесно на Мамону,

І в тому гріха зовсім не бачу,

І всім раджу резонно

Забути совдепівську жижу!

Всі народжені для натхнення,

Всі жити в коханні мають право,

Полюбимо брати, наші гроші.

Гроші не наші – теж слава!

Як чистий і зрозумілий сенс грошей,

І сам собі еквівалентний,

Він той самий буде в понеділок

І той самий буде в неділю.

Тепер я люблю гроші витрачати

І перетворювати на будь-які блага,

А якщо раптом мені їх не вистачить –

Не засмучу під білим прапором!

Так само радісно і дзвінко

Їх покличу, знайду їх знову

З безтурботною легкістю дитини.

У нас – взаємне кохання!

Глава 2. Наука та Релігія.

Закони розвитку технічних систем, на яких базуються всі основні механізми вирішення винахідницьких завдань у ТРВЗ, вперше сформульовані Г. С. Альтшуллером у книзі «Творчість як точна наука» (М.: «Радянське радіо», 1979, с.122-127), і надалі доповнювалися послідовниками.

Вивчаючи (еволюцію) технічних систем у часі Генріх Альтшуллер сформулював закони розвитку технічних систем, знання яких допомагає інженерам пророкувати шляхи можливих подальших покращень продуктів:

1. Закон збільшення ступеня ідеальності системи.
2. Закон S-подібного розвитку технічних систем.
3. Закон динамізації.
4. Закон повноти елементів системи.
5. Закон наскрізного проходження енергії.
6. Закон випереджаючого розвитку робітничого органу.
7. Закон переходу «моно-бі-полі».
8. Закон переходу з макро- на мікрорівень.

Найважливіший закон розглядає ідеальність системи - одне з базових понять у ТРВЗ.

Закон збільшення ступеня ідеальності системи:

Технічна система у своєму розвитку наближається до ідеальності. Досягши ідеалу, система має зникнути, та її функція продовжувати виконуватися.

Основні шляхи наближення до ідеалу:

• підвищення кількості виконуваних функцій,
• «згортання» до робочого органу,
• перехід у надсистему.

При наближенні до ідеалу технічна система спочатку бореться з силами природи, потім пристосовується до них і, нарешті, використовує для своїх цілей.

Закон збільшення ідеальності найбільше ефективно застосовується до того елемента, який безпосередньо розташований у зоні виникнення конфлікту або сам породжує небажані явища. У цьому підвищення ступеня ідеальності, зазвичай, здійснюється застосуванням незадіяних раніше ресурсів (речовин, полів), що у зоні виникнення завдання. Чим далі від зони виникнення конфлікту буде взято ресурси, тим меншою мірою вдасться просунутися до ідеалу.

Закон S-подібного розвитку технічних систем:

Еволюцію безлічі систем можна зобразити логістичної кривою, що показує, як змінюються у часі темпи її розвитку. Виділяються три характерні етапи:

1. "дитинство". Йде, зазвичай, досить довго. У цей час йде проектування системи, її доопрацювання, виготовлення дослідного зразка, підготовка до серійного випуску.
2. "розквіт". Вона бурхливо вдосконалюється, стає все більш потужною та продуктивною. Машина випускається серійно, її якість покращується та попит на неї зростає.
3. "старість". З якогось моменту покращувати систему стає дедалі важче. Мало допомагають навіть великі збільшення асигнувань. Незважаючи на зусилля конструкторів, розвиток системи не встигає за зростаючими потребами людини. Вона пробуксовує, тупцює на місці, змінює свої зовнішні обриси, але залишається такою, яка є, з усіма своїми недоліками. Усі ресурси остаточно вибрано. Якщо спробувати в цей момент штучно збільшувати кількісні показники системи або розвивати її габарити, залишаючи колишній принцип, то сама система входить у конфлікт з довкіллямта людиною. Вона починає більше завдавати шкоди, ніж користі.

Як приклад розглянемо паровоз. Спочатку був досить тривалий експериментальний етап з окремими недосконалими екземплярами, використання яких також супроводжувалося опором суспільства. Потім був бурхливий розвиток термодинаміки, вдосконалення парових машин, залізниць, Сервіс - і паровоз отримує публічне визнання та інвестиції в подальший розвиток. Потім, незважаючи на активне фінансування, відбувся вихід на природні обмеження: граничний тепловий ККД, конфлікт з довкіллям, нездатність збільшувати потужність без збільшення маси - і, як наслідок, в області почався технологічний застій. І, нарешті, сталося витіснення паровозів більш економічними та потужними тепловозами та електровозами. Паровий двигундосяг свого ідеалу – і зник. Його функції взяли він ДВС і електромотори - теж спочатку недосконалі, потім бурхливо що розвиваються і, нарешті, упираються у розвитку на свої природні межі. Потім з'явиться інша нова система- І так нескінченно.

Закон динамізації:

Надійність, стабільність і сталість системи у динамічному оточенні залежить від її здатності змінюватися. Розвиток, а отже і життєздатність системи, визначається головним показником: ступенем динамізації, тобто здатністю бути рухомою, гнучкою, що пристосовується до зовнішнього середовища, що змінює не тільки свою геометричну форму, а й форму руху своїх частин, насамперед робочого органу. Що ступінь динамізації, тим, у випадку, ширше діапазон умов, у яких система зберігає свою функцію. Наприклад, щоб змусити крило літака ефективно працювати в суттєво різних режимахпольоту (зліт, крейсерський політ, політ на граничній швидкості, посадка), його динамізують шляхом додавання закрилків, передкрилків, інтерцепторів, системи зміни стріловидності та ін.

Однак, для підсистем закон динамізації може порушуватися - іноді вигідніше штучно зменшити ступінь динамізації підсистеми, тим самим спростивши її, а меншу стійкість/пристосовність компенсувати створенням стабільного штучного середовища навколо неї, захищеного від зовнішніх факторів. Але в результаті сукупна система (над-система) все ж таки отримує велику ступінь динамізації. Наприклад, замість того, щоб пристосовувати трансмісію до забруднення шляхом її динамізації (самоочищення, самозмащення, перебалансування), можна помістити її в герметичний кожух, усередині якого створена середовище, найбільш сприятливе для рухомих частин (прецизійні підшипники, масляний туман,

Інші приклади:

• У 10-20 разів знижується опір руху плуга, якщо його лемеш вібрує з певною частотою залежно від властивостей ґрунту.
• Ківш екскаватора, перетворившись на роторне колесо, породив нову високоефективну систему видобутку корисних копалин.
• Автомобільне колесо із жорсткого дерев'яного диска з металевим ободом стало рухомим, м'яким та еластичним.

Закон повноти частин системи:

Будь-яка технічна система, що самостійно виконує будь-яку функцію, має чотири основні частини - двигун, трансмісію, робочий орган та засіб управління. Якщо у системі відсутня якась із цих частин, її функцію виконує людина чи довкілля.

Двигун - елемент технічної системи, що є перетворювачем енергії, необхідної для виконання необхідної функції. Джерело енергії може бути або в системі (наприклад, бензин у баку для двигуна внутрішнього згорянняавтомобіля), або в надсистемі (електроенергія із зовнішньої мережі для електродвигуна верстата).

Трансмісія - елемент, що передає енергію від двигуна до робочого органу із перетворенням її якісних характеристик (параметрів).

Робочий орган - елемент, що передає енергію на об'єкт, що обробляється, і завершує виконання необхідної функції.

Засіб управління - елемент, що регулює потік енергії до частин технічної системи та узгоджує їх роботу у часі та просторі.

Аналізуючи будь-яку автономно працюючу систему, чи то холодильник, годинник, телевізор чи авторучка, скрізь можна бачити ці чотири елементи.

• Фрезерний верстат. Робочий орган: фреза. Двигун: електродвигун верстата. Все, що знаходиться між електродвигуном і фрезою можна вважати трансмісією. Засіб управління - людина-оператор, рукоятки та кнопки, або програмне управління (верстат із програмним управлінням). В останньому випадку програмне управління «витіснило» людину-оператора із системи.

Закон наскрізного проходу енергії:

Отже, будь-яка працююча система складається з чотирьох основних частин і кожна з цих частин є споживачем та перетворювачем енергії. Але мало перетворити, треба ще без втрат передати цю енергію від двигуна до робочого органу, а від нього - на об'єкт, що обробляється. Це закон наскрізного проходження енергії. Порушення цього закону веде до виникнення протиріч усередині технічної системи, що у свою чергу породжує винахідницькі завдання.

Головною умовою ефективності технічної системи з погляду енергопровідності є рівність здібностей частин системи прийняття і передачі енергії.

• Імпеданси передавача, фідера і антени повинні бути узгоджені - у цьому випадку в системі встановлюється режим хвилі, що біжить, найбільш ефективний для передачі енергії. Розузгодження веде до появи стоячих хвиль та дисипації енергії.

Перше правило енергопровідності системи:

Якщо елементи при взаємодії один з одним утворюють систему провідної енергії з корисною функцією, то для підвищення її працездатності в місцях контакту повинні бути речовини з близькими або однаковими рівнями розвитку.

Друге правило енергопровідності системи:

Якщо елементи системи при взаємодії утворюють енергопровідну систему зі шкідливою функцією, то її руйнації у місцях контактування елементів мають бути речовини з різними чи протилежними рівнями розвитку.

• При застиганні бетон зчіпляється з опалубкою, і її важко потім відокремити. Дві частини добре узгодилися між собою за рівнями розвитку речовини - обидві тверді, шорсткі, нерухомі і т. д. Утворилася нормальна енергопровідна система. Щоб не допустити її утворення, потрібно максимальне неузгодженість речовин, наприклад: тверде - рідке, шорстке - слизьке, нерухоме - рухоме. Тут може бути кілька конструктивних рішень - утворення прошарку води, нанесення спеціальних слизьких покриттів, вібрація опалубки та ін.

Третє правило енергопровідності системи:

Якщо елементи при взаємодії один з одним утворюють енергопровідну систему зі шкідливою та корисною функцією, то в місцях контактування елементів повинні бути речовини, рівень розвитку яких і фізико-хімічні властивості змінюються під впливом будь-якої керованої речовини або поля.

• Відповідно до цього правила виконано більшість пристроїв у техніці, де потрібно з'єднувати та роз'єднувати енергопотоки у системі. Це різні муфти включення в механіці, вентилі в гідравліці, діоди в електроніці та багато іншого.

Закон випереджаючого розвитку робочого органу:

У технічній системі основний елемент – робочий орган. І щоб його функція була виконана нормально, його здібності щодо засвоєння та пропускання енергії повинні бути не меншими, ніж двигун і трансмісія. Інакше він або зламається, або стане неефективним, переводячи значну частину енергії на марне тепло. Тому бажано, щоб робочий орган випереджав у своєму розвитку інші частини системи, тобто мав більший ступінь динамізації по речовині, енергії або організації.

Часто винахідники роблять помилку, наполегливо розвиваючи трансмісію, управління, але з робочий орган. Така техніка, як правило, не дає значного приросту економічного ефекту та суттєвого підвищення ККД.

• Продуктивність токарного верстата та його технічна характеристиказалишалися майже незмінними протягом багатьох років, хоча інтенсивно розвивалися привід, трансмісія та засоби управління, тому що сам різець як робочий орган залишався колишнім, тобто нерухомою моносистемою на макрорівні. З появою обертових чашкових різців продуктивність верстата різко піднялася. Ще більше вона зросла, коли була задіяна мікроструктура речовини різця: під впливом електричного струму ріжуча кромка різця почала коливатися кілька разів на секунду. Нарешті, завдяки газовим і лазерним різцям, повністю змінили вигляд верстата, досягнуто небачена раніше швидкість обробки металу.

Закон переходу «моно-бі-полі»

Перший крок – перехід до бісистем. Це підвищує надійність системи. Крім того, в бісистемі з'являється нова якість, яка не була властива моносистемі. Перехід до полісистем знаменує собою еволюційний етап розвитку, у якому придбання нових якостей відбувається з допомогою кількісних показників. Розширені організаційні можливості розташування однотипних елементів у просторі та часі дозволяють повніше задіяти їх можливості та ресурси навколишнього середовища.

• Двомоторний літак (бісистема) надійніший за свого одномоторного побратима і має більшу маневреність (нову якість).
• Конструкція комбінованого велосипедного ключа (полісистема) призвела до помітного зниження витрати металу та зменшення габаритів у порівнянні з групою окремих ключів.
• Найкращий винахідник - природа - продублювала особливо важливі частини організму людини: у людини дві легені, дві нирки, два ока і т.д.
• Багатошарова фанера набагато міцніша за дошку тих же розмірів.

Але на якомусь етапі розвитку у полісистемі починають з'являтися збої. Упряжка з більш ніж дванадцяти коней стає некерованою, літак із двадцятьма моторами вимагає багаторазового збільшення екіпажу та важкокерований. Можливості системи вичерпалися. Що далі? А далі полісистема знову стає моносистемою… Але якісно на новому рівні. У цьому новий рівень виникає лише за умови підвищення динамізації елементів системи, насамперед робочого органу.

• Згадаймо той самий велосипедний ключ. Коли динамізувався його робочий орган, тобто губки стали рухливими, з'явився ключ. Він став моносистемою, але водночас здатним працювати з багатьма типорозмірами болтів та гайок.
• Численні колеса всюдиходів перетворилися на одну рухливу гусеницю.

Закон переходу з макро- на мікрорівень:

Перехід із макро- на мікрорівень - головна тенденція розвитку всіх сучасних технічних систем.

Для досягнення високих результатів використовуються можливості структури речовини. Спочатку використовується кристалічна грати, потім асоціації молекул, одинична молекула, частина молекули, атом і, нарешті, частини атома.

• У гонитві за вантажопідйомністю на заході поршневої ери літаки постачалися шістьма, дванадцятьма і більше моторами. Потім робочий орган - гвинт - все ж таки перейшов на мікрорівень, ставши газовим струменем.

За матеріалами wikipedia.org



- Законів, які визначають початок життя технічних систем.

Будь-яка технічна система виникає в результаті синтезу в єдине ціле окремих елементів. Не всяке об'єднання елементів дає життєздатну систему. Існують принаймні три закони, виконання яких необхідне для того, щоб система виявилася життєздатною.

Необхідною умовою принципової життєздатності технічної системи є наявність та мінімальна працездатність основних частин системи.

Кожна технічна система повинна включати чотири основні частини: двигун, трансмісію, робочий орган та орган управління. Сенс закону 1 у тому, що з синтезу технічної системи необхідна наявність цих чотирьох частин та його мінімальна придатність до виконання функцій системи, бо як така працездатна частина системи може бути непрацездатною у складі тієї чи іншої технічної системи. Наприклад, двигун внутрішнього згоряння, сам по собі працездатний, виявляється непрацездатним, якщо його використовувати як підводний двигун підводного човна.

Закон 1 можна пояснити так: технічна система життєздатна у разі, якщо її частини немає «двійок», причому «оцінки» ставляться за якістю роботи цієї частини у складі системи. Якщо хоча б одну з частин оцінено «двійкою», система нежиттєздатна навіть за наявності «п'ятірок» в інших частинах. Аналогічний закон стосовно біологічних систем був сформульований Лібіхом ще в середині минулого століття («закон мінімуму»).

З закону 1 випливає дуже важливе для практики слідство.

Щоб технічна система була керованою, необхідно щоб хоча б одна її частина була керованою.

«Бути керованою» - означає змінювати властивості так, як це треба тому, хто керує.

Знання цього слідства дозволяє краще розуміти суть багатьох завдань та правильніше оцінювати отримані рішення. Візьмемо, наприклад, завдання 37 (запаювання ампул). Дана система з двох некерованих частин: ампули взагалі некеровані - їх характеристики не можна (невигідно) міняти, а пальники погано керовані за умовами завдання. Зрозуміло, що розв'язання задачі полягатиме у введенні в систему ще однієї частини (вепольний аналіз відразу підказує: це речовина, а не поле, як, наприклад, у задачі 34 про фарбування циліндрів). Яка речовина (газ, рідина, тверде тіло) не пустить вогонь туди, куди він не повинен пройти, і при цьому не заважатиме установці ампул? Газ та тверде тіло відпадають, залишається рідина, вода. Поставимо ампули у воду так, щоб над водою піднімалися тільки кінчики капілярів (а.с. № 264619). Система набуває керованості: можна змінювати рівень води – це забезпечить зміну кордону між гарячою та холодною зонами. Можна змінювати температуру води – це гарантує стійкість системи у процесі роботи.

Необхідною умовою важливої ​​життєздатності технічної системи є наскрізний прохід енергії по всіх частинах системи.

Будь-яка технічна система є перетворювачем енергії. Звідси очевидна необхідність передачі енергії від двигуна через трансмісію до робочого органу.

Передача енергії від однієї частини системи до іншої може бути речовинною (наприклад, вал, шестерні, важелі тощо), польовий (наприклад, магнітне поле) та речовинно-польовий (наприклад, передача енергії потоком заряджених частинок). Багато винахідницьких завдань зводяться до підбору того чи іншого виду передачі, найбільш ефективного в заданих умовах. Така задача 53 про нагрівання речовини всередині центрифуги, що обертається. Поза центрифугою енергія є. Є й «споживач», він усередині центрифуги. Суть завдання – у створенні «енергетичного мосту». Такі «мости» можуть бути однорідними і неоднорідними. Якщо вид енергії змінюється під час переходу від однієї частини системи до іншої — це неоднорідний «міст». У винахідницьких завданнях найчастіше доводиться мати справу саме з такими мостами. Так, у задачі 53 про нагрівання речовини в центрифузі вигідно мати електромагнітну енергію (її передача не заважає обертанню центрифуги), а всередині центрифуги потрібна теплова енергія. Особливе значення мають ефекти та явища, що дозволяють керувати енергією на виході з однієї частини системи або на вході до іншої частини. У задачі 53 нагрівання може бути забезпечений, якщо центрифуга знаходиться в магнітному полі, а всередині центрифуги розміщений, наприклад, диск з феромагнетика. Однак за умовами завдання потрібно не просто нагрівати речовину всередині центрифуги, а підтримувати постійну температуру близько 2500 С. Як би не змінювався відбір енергії, температура диска має бути постійною. Це забезпечується подачею "надлишкового" поля, з якого диск відбирає енергію, достатню для нагрівання до 2500 С, після чого речовина диска "самовідключається" (перехід через точку Кюрі). При зниженні температури відбувається «самовключення» диска.

Важливе значення має слідство із закону 2..

Щоб частина технічної системи була керованою, необхідно забезпечити енергетичну провідність між цією частиною та органами управління.

У завдання на вимірювання і виявлення можна говорити про інформаційну провідність, але вона часто зводиться до енергетичної, тільки слабкої. Прикладом може бути рішення задачі 8 про вимірювання діаметра шліфувального кола, що працює всередині циліндра. Вирішення завдання полегшується, якщо розглядати не інформаційну, а енергетичну провідність. Тоді для вирішення завдання потрібно насамперед відповісти на два питання: в якому вигляді найпростіше підвести енергію до кола і в якому вигляді найпростіше вивести енергію крізь стінки кола (або по валу)? Відповідь очевидна: як електричного струму. Це ще не остаточне рішення, але вже зроблено крок до правильної відповіді.

Необхідною умовою важливої ​​життєздатності технічної системи є узгодження ритміки (частоти коливань, періодичності) всіх елементів системи.

Приклади цього закону наведені в гл.1..

Розвиток усіх систем йде у напрямі збільшення ступеня ідеальності.

Ідеальна технічна система - це система, вага, обсяг і площа якої прагнуть до нуля, хоча її здатність виконувати роботу при цьому не зменшується. Інакше висловлюючись, ідеальна система — коли системи немає, а функція її зберігається і виконується.

Незважаючи на очевидність поняття «ідеальна технічна система», існує певний парадокс: реальні системи стають дедалі більшими і важкими. Збільшуються розміри та вага літаків, танкерів, автомобілів тощо. Парадокс цей пояснюється тим, що вивільнені при вдосконаленні системи резерви скеровуються збільшення її розмірів і, головне, підвищення робочих параметрів. Перші автомобілі мали швидкість 15-20 км/год. Якби ця швидкість не збільшувалася, поступово з'явилися б автомобілі, набагато легші та компактніші з тією ж міцністю та комфортабельністю. Однак кожне вдосконалення в автомобілі (використання більш міцних матеріалів, підвищення к.п.д. двигуна і т.д.) прямувало на збільшення швидкості автомобіля і того, що обслуговує цю швидкість (потужна гальмівна система, міцний кузов, посилена амортизація) . Щоб наочно побачити зростання ступеня ідеальності автомобіля, треба порівняти сучасний автомобіль зі старим рекордним автомобілем, який мав ту саму швидкість (на тій самій дистанції).

Видимий вторинний процес (зростання швидкості, потужностей, тоннажу тощо) маскує первинний процес збільшення ступеня ідеальності технічної системи. Але при вирішенні винахідницьких завдань необхідно орієнтуватися саме на збільшення ступеня ідеальності - це надійний критерій для коригування задачі та оцінки отриманої відповіді.

Розвиток елементів системи йде нерівномірно; що складніша система, то нерівномірніше розвиток її частин.

Нерівномірність розвитку елементів системи є причиною виникнення технічних і фізичних протиріч і, отже, винахідницьких завдань. Наприклад, коли почалося швидке зростання тоннажу вантажних суден, потужність двигунів швидко збільшилася, а засоби гальмування залишилися без зміни. В результаті виникло завдання: як гальмувати, скажімо, танкер водотоннажністю 200 тис. тонн. Завдання це досі не має ефективного рішення: від початку гальмування до повної зупинки великі кораблі встигають пройти кілька миль.

Вичерпавши можливості розвитку, система входить у надсистему як одну з частин; при цьому розвиток йде на рівні надсистеми.
Про цей закон ми вже говорили.

Вона включає закони, що відбивають розвиток сучасних технічних систем під впливом конкретних технічних і фізичних чинників. Закони «статики» та «кінематики» універсальні — вони справедливі за всіх часів і не лише стосовно технічних систем, а й до будь-яких систем взагалі (біологічних тощо). "Динаміка" відображає головні тенденції розвитку технічних систем саме в наш час.

Розвиток робочих органів системи йде спочатку на макро-, а потім мікрорівні.

У більшості сучасних технічних систем робочими органами є залізниці, наприклад гвинти літака, колеса автомобіля, різці токарного верстата, ківш екскаватора і т.д. Можливий розвиток таких робочих органів у межах макрорівня: «залізки» залишаються «залізками», але стають досконалішими. Проте неминуче настає момент, коли розвиток на макрорівні виявляється неможливим. Система, зберігаючи свою функцію, важливо перебудовується: її робочий орган починає діяти на мікрорівні. Замість «залізок» робота здійснюється молекулами, атомами, іонами, електронами тощо.

Перехід з макрона мікрорівень — одна з головних (якщо не найголовніша) тенденцій розвитку сучасних технічних систем. Тому при навчанні вирішення винахідницьких завдань особливу увагудоводиться звертати на розгляд переходу «макро-мікро» та фізичних ефектів, що реалізують цей перехід.

Розвиток технічних систем йде у напрямі збільшення ступеня вепольності.

Сенс цього закону полягає в тому, що невепольні системи прагнуть стати вепольними, а у вепольних системах розвиток йде у напрямку переходу від механічних полів до електромагнітних; збільшення ступеня дисперсності речовин, числа зв'язків між елементами та чуйності системи.

Численні приклади, що ілюструють цей закон, вже зустрічалися під час вирішення завдань.