Из книги "Творчество как точная наука", Г.С. Альтшуллер, М. "Советское радио", 1977 г, стр. 122-127.

Законы развития технических систем можно разделить на группы: "статику", "кинематику" и "динамику".

"Статика" — законы, которые определяют начало жизни технических систем. Любая техническая система, возникающая в результате синтеза в единое целое отдельных частей, дает жизнеспособную систему. Существуют, по крайней мере, три закона, выполнение которых необходимо для того, чтобы система оказалась жизнеспособной.

Каждая техническая система должна включать четыре основные части: двигатель, трансмиссию, рабочий орган и орган управления. Смысл закона заключается в том, что для синтеза технической системы необходимо наличие этих четырех частей и их минимальная пригодность к выполнению функций системы, ибо сама по себе работоспособная часть системы может оказаться неработоспособной в составе той или иной технической системы. Например, двигатель внутреннего сгорания, сам по себе работоспособный, оказывается неработоспособным, если его использовать в качестве подводного двигателя подводной лодки.

Закон можно пояснить так: техническая система жизнеспособна в том случае, если все ее части не имеют "двоек", причем "оценки" ставятся по качеству работы данной части в составе системы. Если хотя бы одна из частей оценена "двойкой", система нежизнеспособна даже при наличии "пятерок" у других частей. Аналогичный закон применительно к биологическим системам был сформулирован Либихом еще в середине 19-ого века ("закон минимума").

Из закона вытекает очень важное следствие.

Любая техническая система является преобразователем энергии. Отсюда очевидная необходимость передачи энергии от двигателя через трансмиссию к рабочему органу.

Передача энергии от одной части системы к другой может быть вещественной (например, вал, шестерни, рычаги и т.д.), полевой (например, магнитное поле) и вещественно-полевой (например, передача энергии потоком заряженных частиц). Многие изобретательские задачи сводятся к подбору того или иного вида передачи, наиболее эффективного в заданных условиях.

Важное значение имеет следствие из закона.

Хорошо работают, а значит, и жизнеспособны только системы, в которых вид колебаний подобран так, что части системы не мешают друг другу и наилучшим способом выполняют полезную функцию.

* * *

К "кинематике" относятся законы, определяющие развитие технических систем независимо от конкретных технических и физических факторов, обусловливающих это развитие.

Идеальная техническая система — это система, вес, объем и площадь которой стремятся к нулю, хотя ее способность выполнять работу при этом не уменьшается. Иначе говоря, идеальная система — это когда системы нет, а функция ее сохраняется и выполняется.

Несмотря на очевидность понятия "идеальная техническая система", существует определенный парадокс: реальные системы становятся все более крупноразмерными и тяжелыми. Увеличиваются размеры и вес самолетов, танкеров, автомобилей и т.д. Парадокс этот объясняется тем, что высвобожденные при совершенствовании системы резервы направляются на увеличение ее размеров и, главное, повышение рабочих параметров. Первые автомобили имели скорость 15-20 км/ч. Если бы эта скорость не увеличивалась, постепенно появились бы автомобили, намного более легкие и компактные с той же прочностью и комфортабельностью. Однако каждое усовершенствование в автомобиле (использование более прочных материалов, повышение КПД двигателя и т.д.) направлялось на увеличение скорости автомобиля и того, что "обслуживает" эту скорость (мощная тормозная система, прочный кузов, усиленная амортизация). Чтобы наглядно увидеть возрастание степени идеальности автомобиля, надо сравнить современный автомобиль со старым рекордным автомобилем, имевшим ту же скорость (на той же дистанции).

Видимый вторичный процесс (рост скорости, мощностей, тоннажа и т.д.) маскирует первичный процесс увеличения степени идеальности технической системы. Но при решении изобретательских задач необходимо ориентироваться именно на увеличение степени идеальности — это надежный критерий для корректировки задачи и оценки полученного ответа.

Неравномерность развития частей системы является причиной возникновения технических и физических противоречий и, следовательно, изобретательских задач. Например, когда начался быстрый рост тоннажа грузовых судов, мощность двигателей быстро увеличилась, а средства торможения остались без изменения. В результате возникла задача: как затормозить, скажем, танкер водоизмещением 200 тыс. тонн. Задача эта до сих пор не имеет эффективного решения: от начала торможения до полной остановки крупные корабли успевают пройти несколько миль…

Один из путей такого перехода: технические системы объединяются с образованием би- полисистемы. Объединение систем в надсистему (НС) "выгодно" для технической системы:

• часть функций передается в надсистему (например, ремонт телевизоров в одной мастерской);
• часть подсистем выводятся из технической системы, объединившись в одну становятся частью надсистемы (коллективная антенна вместо десятков индивидуальных);
• у объединенных в надсистеме технических систем появляются новые функции и свойства…

"Динамика".

Включает законы, отражающие развитие современных технических систем под действием конкретных технических и физических факторов. Законы "статики" и "кинематики" универсальны, — они справедливы во все времена и не только применительно к техническим системам, но и к любым системам вообще (биологическим и т.д.). "Динамика" отражает главные тенденции развития технических систем именно в наше время.

В большинстве современных технических систем рабочими органами являются "железки", например, винты самолета, колеса автомобиля, резцы токарного станка, ковш экскаватора и т.д. Возможно развитие таких рабочих органов в пределах макроуровня: "железки" остаются "железками", но становятся более совершенными. Однако неизбежно наступает момент, когда дальнейшее развитие на макроуровне оказывается невозможным.

Переход с макро- на микроуровень — одна из главных (если не самая главная) тенденций развития современных технических систем.

Смысл этого закона заключается в том, что невепольные системы стремятся стать вепольными, а в вепольных системах развитие идет в направлении перехода от механических полей к электромагнитным; увеличение степени дисперсности веществ, числа связей между элементами и отзывчивости системы.

Объективные законы, отражающие существенные и повторяющиеся особенности развития технических систем имеют статистическую природу и выявляются путем анализа истории техники и патентных фондов. Развитие технической системы описывает конкретную тенденцию развития и показывает, как ее использовать при прогнозировании развития, создании новых и совершенствовании имеющихся технических систем. Все технические системы раскрываются через закономерности меньшей степени общности (линии развития тех. систем), конкретные приемы развития и образуют единую систему, отражающую реальное развитие тех. систем. В теории решения изобретательских задач сформулирован ряд основных требований к техническим системам, которые должны: выявляться и подтверждаться на достаточно больших и достоверных информационных фондах, базирующихся на фактах, существенных для развития (изобретениях высокого уровня); согласовываться друг с другом, позволять построить непротиворечивую систему (допустимы непринципиальные противоречия между выводами, следующими из разных законов, связанные с неполнотой наших знаний о технических системах; быть инструментальными, т.е. помогать целенаправленно находить решения конкретных проблем, прогнозировать развитие, строить инструментарий поиска нового и т.п.; допускать практическую проверку по материалам, базирующимся на истории техники и др. информационных фондах; быть "открытыми", т.е. допускать дальнейшее развитие и совершенствование. Выявлены следующие законы технической системы: 1) закон противоречии в развитии, описывающий возникновение, обострение и разрешение противоречий в процессе развития тех. системы; 2) закон повышения степени идеальности, описывающий развитие тех. системы как повышение степени ее идеальности, т.е. рост отношения суммы выполняемых системой полезных функций к сумме факторов расплаты за выполнение этих функций - материальных и энергетических затрат; 3) закон перехода на микроуровень и к использованию полей, описывающий тенденцию все большего использования глубинных уровней строения материи и различных полей при развитии тех. систем; 4) закон повышения динамичности и управляемости, описывающий повышение в процессе развития тех. системы их способности к целенаправленным изменениям, обеспечивающим возможность их адаптации к меняющимся требованиям к тех. системе со стороны человека, других систем, внешней среды и т.п., переход систем к самоуправлению и самоорганизации; 5) закон повышения полноты тех. системы, описывающий тенденцию ко все более полному выполнению тех. системой, ранее выполнявшихся другими техническими системами, внешней средой или человеком, сопровождающуюся поэтапным вытеснением человека из функционирования тех. системы как исполнителя и все возрастающим втягиванием его в функционирование как потребителя; 6) закон развертывания - свертывания, описывающий повышение идеальности тех. системы; 7) закон согласования - рассогласования, описывающий развитие тех. системы с позиций, включающих: последовательное согласование тех. системы с др. системами, обеспечивающее наилучшее прохождение необходимых потоков энергии, вещества, информации; рассогласование, обеспечивающее уменьшение и прекращение прохождения ненужных потоков; сдвиг согласования, обеспечивающий отбор части полезного или вредного потока для выполнения дополнительных полезных функций; динамическое согласование - рассогласование, при котором параметры системы изменяются управляемо, обеспечивая регулирование потока так, чтобы параметры тех. системы принимали оптимальные значения в зависимости от условий работы; 8) закон этапного развития, описывающий типовую последовательность развития тех. системы и графики изменения главных эксплуатационных характеристик в зависимости от "возраста" системы, представляющие собой логистические (S-образные) кривые, имеющие три четко выраженных участка: период медленного начального роста; быстрый лавинообразный рост; резкое замедление роста, стабилизация, а иногда и падение. Каждый из законов раскрывается через линии развития, показывающие направления развития.

2.Утюг

2.1 Утюг - элемент бытовой техники для разглаживания складок и заминов на одежде. Процесс разглаживания называют глажкой или глажением, снаряд, для глаженья белья и одежи. Утюг был изобретён очень давно. В IV веке до нашей эры в Древней Греции были изобретены способы плиссировки одежды из полотна с помощью горячего металлического прута, напоминавшего скалку. Для разглаживания одежды в древности использовались слегка обработанные нагретые булыжники. В XVIII-XIX веках утюги представляли собой металлические сооружения формы, близкой к современной. Утюги нагревались на газу или печи. В Украине до введения в обиход утюгов в эпоху смуты поляками и литовцами одежда не гладилась. Рубахи и порты из натуральной льняной ткани после стирки и сушки требовалось хорошо размять для придания мягкости и ворсистости. Это осуществлялось оригинальным способом. Бельё наматывалось на скалку, после чего несколько раз тщательно прокатывалось «рубелем» - длинной деревянной плашкой с рёбрами на нижней поверхности и рукоятью на конце. Рубель с характерным стуком перекатывал скалку, рёбра его при этом разминали волокна ткани. Это приспособление называлось также «ребрак», «раскатка», «пральник» и тому подобное. Оно просуществовало в русских деревнях некоторых регионов до конца XX века. Существовали также «гавки» - стеклянные шары, наполненные горячей водой металлические кружки. К середине XVIII века появился утюг с горящими углями внутри. Наиболее распространёнными были нагревательные утюги - они ставились в печь и разогревались. Значительно дороже были спиртовые утюги - в XIX веке за него давали небольшую отару овец. Облегчённый утюг с электронагревом появился в 1903 году благодаря изобретателю Эрлу Ричардсону. С появлением электричества и развитием техники, появились электрические утюги. С точки зрения электротехники, их принцип основывается на выделении тепловой энергии при прохождении электрического тока через резистивный нагревательный элемент (самые первые электрические утюги использовали в качестве нагревательного элемента электрическую дугу). Как правило, конструкция утюга предусматривает расположение нагревательного элемента как можно ближе к подошве и наличие ручки из термоизолированого материала во избежание ожогов. В современных электрических утюгах есть небольшой резервуар для воды, вода используется для образования пара, позволяющего добиться большей эффективности глажения. Регулировать количество пара помогает клапан пара (игла),который также уменьшает образование накипи в нагревательном элементе утюга.

2 .2 Задамся целью построения системы.

Цель : Провести общее исследование системы «Утюг », выяснить его назначение, выявить полезные функции реализуемые системой, составить иерархическое дерево подсистем, составить модель ТС, осветить «жизненный цыкл» системы. А также проверить и закрепить свои знания по курсу ТТС при выполнении индивидуальной работы.

Назначение. Он предназначен для разглаживания складок и заминов на нашей одежде, а значит и экономия нашего времени.

Главная полезная функция реализуемая моей системой, является функция сухого и влажного глажения. К дополнительным функциям и возможностям, могу отнести: парообразование, разбрызгивание воды.

GEN3 Partners

Февраль 2003

1. ВВЕДЕНИЕ

1.1 ЦЕЛЬ РАБОТЫ

1.2 АКТУАЛЬНОСТЬ

2. ОБЩАЯ СТРУКТУРА ЗРТС

2.1 ПОНЯТИЕ ЗРТС

2.2 ПОНЯТИЕ МЕХАНИЗМА ЗРТС

2.4 СТРУКТУРА ЗРТС

3. TREND OF S-CURVE EVOLUTION

3.2.1 Первый этап

3.2.2 Переходный этап

3.2.3 Второй этап

3.2.4 Третий этап

3.2.5 Четвертый этап

3.3 СВЯЗЬ С ЗАКОНОМ НЕРАВНОМЕРНОСТИ РАЗВИТИЯ ЧАСТЕЙ ТС

3.3.1 Характеристика связи между двумя законами

3.4 ПРИМЕНЕНИЕ S-CURVE ANALYSIS ДЛЯ ОСОБЫХ ТИПОВ ПРОЕКТОВ

3.4.1 Применение S-curve analysis для прогнозных проектов

3.4.2 Применение S-curve analysis для Feasibility Study

4. ЗАКЛЮЧЕНИЕ

5. ЭВОЛЮЦИОННЫЙ АНАЛИЗ

5.1 ХАРАКТЕРИСТИКА ЗАКОНОВ РАЗВИТИЯ ТЕХНИЧЕСКИХ СИСТЕМ

5.1.1 Закон повышения идеальности

5.1.2 Закон повышения свернутости

5.1.3 Закон перехода в надсистему

5.1.4 Закон повышения эффективности использования потоков вещества, энергии и информации

5.1.5 Закон повышения согласованности

5.1.6 Закон повышения управляемости

5.1.7 Закон повышения динамичности ТС

5.1.8 Закон повышения полноты ТС

5.1.9 Закон вытеснения человека из ТС

5.2 ПОРЯДОК ПРИМЕНЕНИЯ ЗРТС

6. ЗАКЛЮЧЕНИЕ И ВЫВОДЫ

1. ВВЕДЕНИЕ

1.1 ЦЕЛЬ РАБОТЫ

1.2 АКТУАЛЬНОСТЬ

Создателем и разработчиком базового списка ЗРТС является Генрих Альтшуллер (Альтшуллер Г.С. Творчество как точная наука. - М.: «Советское радио», 1979). В дальнейшем развитии и углублении ЗРТС в той или иной степени принимало участие большое количество специалистов по ТРИЗ, поэтому оценить вклад каждого и даже упомянуть всех не представляется возможным. Однако наибольшую роль в разработке именно данной версии, как нам кажется, сыграли Б.Злотин, А.Зусман и В.Герасимов. Очень полезными оказались обсуждения с И.Петием. Отдельно следует отметить вклад И.Гриднева - именно он предложил перейти от Закона минимальной энергопроводимости к Закону повышения проводимости, который в итоге превратился в Закон повышения эффективности использования потоков.

В настоящее время благодаря усилиям многих разработчиков ЗРТС превратились в высокоэффективный инструмент анализа. Однако не существует единого общепризнанного документа, детально описывающего все Законы и методику их применения, как они видятся на сегодняшний день. Это приводит к разночтениям как в понимании самих Законов, так и их роли и месте в общем процессе анализа. Эти разночтения, усугубляемые отсутствием зафиксированной пошаговой методики применения, снижают эффективность использования Законов в проектах. Поэтому разработка подобного документа, содержащего развернутые характеристики ЗРТС и иллюстрированную примерами методику их применения, является весьма актуальной задачей.

2. ОБЩАЯ СТРУКТУРА ЗРТС

2.1 ПОНЯТИЕ ЗРТС

Законы развития технических систем - это комплексы статистически достоверных линий развития, описывающих закономерный последовательный переход систем из одного конкретного состояния в другое и справедливых для всех технических систем или их больших классов.

ЗРТС носят статистический характер, т.е. не обязательны к выполнению. Они являются внешним проявлением своего рода естественного отбора, который идет в мире техники. Действительно, технические системы конкурируют между собой за области применения, как биологические системы - за экологические ниши (есть и другие виды конкуренции - например, военные системы вступают между собой во взаимодействие типа "хищник - жертва").

В конкурентной борьбе побеждают те системы, которые лучше других удовлетворяют требованиям общества. Эти требования, в общем, сводятся к одному: работать как можно лучше, а потреблять ресурсов и производить нежелательных отходов как можно меньше (более подробно об этом будет сказано при описании Закона повышения идеальности). Поскольку самые различные ТС сталкиваются примерно с одними и теми же проблемами, то и методы их решения, в общем, стереотипны. Так вот, ЗРТС как раз и являются хорошо систематизированным списком таких типовых "выигрышных" ходов, благодаря которым системы-победительницы завоевывают и удерживают первенство. Поэтому, хотя следовать этим законам и не обязательно, но очень и очень желательно (если, конечно, не ставить перед собой задачу обеспечить преимущество системам-конкурентам).

Комментарий 1.

Критерий "переход из одного конкретного состояния в другое" требует некоторого пояснения. Представим себе гипотетическую линию развития, описывающую закономерный последовательный переход от "несовершенных" систем ко все более "совершенным". Чем не закон? Все критерии вроде соблюдены - закономерность статистически достоверна и абсолютно универсальна. Наоткрывать подобных "законов" можно сколько угодно - этим в свое время прославился профессор Половинкин. Ему, например, принадлежит честь открытия следующего закона: "идей всегда больше, чем систем".

Проблема с подобными "законами" состоит в том, что они не описывают никаких конкретных переходов. Для сравнения возьмем одну из линий Закона повышения динамичности: переход от монолитной системы к одношарнирной, затем многошарной и гибкой. Что может быть конкретней! Из-за отсутствия конкретности многочисленные псевдо-законы совершенно бесполезны, их невозможно применить на практике. Для отсева подобных "законов" и введен критерий конкретности. Разумеется, само понятие конкретности достаточно размыто - это вопрос соглашения. Он может быть решен только практически: следует выяснить, насколько успешно рекомендуемые законом переходы могут быть применены для совершенствования техники, т.е. степень конкретности описываемых переходов определяется их эвристической силой (и наоборот).

Комментарий 2.

С одной стороны, от ЗРТС требуется всеобщность, т.е. они должны быть справедливыми для всех ТС. Действительно, если и существуют закономерности развития каких-то очень узких классов ТС, например, электроутюгов, то они мало кому интересны (разве что специалистам исключительно по электроутюгам), т.к. не могут быть использованы за пределами своего класса. С другой стороны, имеет смысл принимать во внимание и такие линии развития, которые справедливы хотя и не для всех без исключения ТС, но для некоторых обширных и часто встречающихся их классов - из чисто практических соображений, просто потому, что такие ТС встречаются достаточно часто. Например, Закон оптимизации потоков справедлив только для систем, в которых потоки веществ, полей и информации присутствуют и играют существенную роль. Да, существуют системы, в котрых потоков нет совсем или их роль пренебрежимо мала (к ним, например, относятся так называемые статические системы - стол, вешалка для одежды, всякого рода корпуса и прочие "держалки"), а потому Закон оптимизации потоков к ним практически неприменим. Но и систем с потоками так много, что игнорировать этот Закон смысла не имеет.

Естественной границы между "узким" и "широким" классом систем не существует - это опять-таки вопрос договоренности. Соответственно, по этому параметру нельзя однозначно судить, относится ли свежевыявленная закономерность к ЗРТС или нет. Например, электронные схемы наверняка имеют свои специфические комплесы линий развития. Являются ли они достаточно широким классом систем, чтобы включать эти комплексы в ЗРТС, или нет? Ответ чисто практический - если в обозримом будущем мы собираемся регулярно и интенсивно заниматься электронными схемами, наверное, в этом есть смысл.

По крайней мере, в данной работе рассматриваются только Законы, имеющие ОЧЕНЬ широкую область применения.

2.2 ПОНЯТИЕ МЕХАНИЗМА ЗРТС

Механизм ЗРТС - это конкретная линия развития, реализующая данный закон. Законы и их основные механизмы будут подробно описаны в дальнейшем, поэтому здесь примеры не приводятся.

Следует отметить, что сами законы могут являться механизмами других законов. Таким образом, все законы вместе образуют иерархическую систему (см. Рисунок 1).

2.3 ПОНЯТИЕ АНАЛИТИЧЕСКОГО ИНСТРУМЕНТА (МЕТОДИКИ ПРИМЕНЕНИЯ ЗРТС)

Аналитический инструмент - это алгоритмизированная методика применения закона, выделенная в самостоятельный шаг анализа. На Рисунок 1 эти методики указаны в скобках рядом с названиями соответствующих законов.

Следует отметить, что аналитические инструменты обычно не исчерпывают полностью свои законы. Например, Feature Transfer - это алгоритм выполнения только одного перехода из целого их комплекса, составляющего Закон перехода в надсистему.

2.4 СТРУКТУРА ЗРТС

Структура ЗРТС представлена на Рисунке 1:

Рисунок 1 Структура ЗРТС

2.5 ПОНЯТИЕ ЭВОЛЮЦИОННОГО АНАЛИЗА

Эволюционный анализ, наряду со свертыванием, Feature Transfer и ф-поиском является аналитически-синтетическим инструментом, поскольку в его рамках анализ имеющейся ТС выполняется с целью поиска направлений ее совершенствования. Т.к. за совершенствование объекта следует браться не раньше, чем будут выявлены его ключевые недостатки, вся эта группа методов вынесена на завершающий отрезок аналитического этапа, расположенный после анализа причинно-следственных цепочек и формирования списка ключевых недостатков (см. Рисунок 2).

Эволюционный анализ выполняется по алгоритмизированной методике и в общем случае включает в себя последовательное рассмотрение всех законов. При этом законы, имеющие собственные аналитические инструменты, применяются в той части, которая не покрывается этими инструментами. В ряде случаев можно заведомо не рассматривать некоторые законы или их отдельные линии. Это относится, например, к Закону оптимизации потоков - как уже говорилось, если в анализируемой ТС потоки веществ, полей и информации отсутствуют или играют пренебрежимо малую роль, этот Закон применять не имеет особого смысла. Или, например, если в проекте имеется строгий запрет на смену механического принципа действия, может оказаться разумным исключение из анализа линии, направленной на динамизацию частей объекта на микроуровне.

Совсем не обязательно, что каждый переход по каждой линии каждого закона даст в результате перспективную идею. Поэтому в итоговый вариант отчета следует включать только те шаги, линии и законы, анализ которых принес значимый результат.

2.6 ЦЕЛИ ЭВОЛЮЦИОННОГО АНАЛИЗА

Эволюционный анализ выполняется с целью:

Сформулировать задачи реализации переходов по конкретным линиям развития.

Рисунок 2 Структура анализа

3. TREND OF S-CURVE EVOLUTION

3.1 ФОРМУЛИРОВКА ЗАКОНА; ОБЩАЯ ХАРАКТЕРИСТИКА

Формулировка закона:

Закономерность развития технических систем, заключающаяся в том, что в процессе развития изменение главных параметров ТС происходит таким образом, что графики временной зависимости этих параметров имеют S-образный вид (Рисунок 3).

Рисунок 3 Trend of S-curve evolution

Имеет смысл сразу указать на одну из типовых ошибок: при попытке локализовать ТС на S-кривой не указывают главные параметры, по которым ведется оценка.

Как видно из Рисунка 1, данный закон расположен на вершине иерархической пирамиды ЗРТС. Раньше считалось, что там должен располагаться Закон повышения идеальности. Но потом выяснилось, что Закон повышения идеальности является "движущей силой", которая вынуждает системы развиваться, а S-curve закон является внешним проявлением этого развития.

Вообще, S-curve закон стоит несколько особняком от других законов. Дело в том, что, в отличие от них, он совершенно не отражает существа происходящих в системах изменений - он лишь демонстрирует их результат, выраженный в изменении главных показателей. Поэтому этот закон не рассматривается в рамках эволюционного анализа, а используется в процедуре Benchmarking"a.

3.2 ХАРАКТЕРИСТИКА, ПРИЧИНЫ И ПРИЗНАКИ ЭТАПОВ РАЗВИТИЯ ТС. ТИПОВЫЕ ВЫВОДЫ.

3.2.1 Первый этап

3.2.1.1.1.1 Характеристика первого этапа

Первый этап развития ТС начинается с момента ее создания и характеризуется очень медленным ростом главных показателей (иногда рост может и вообще прекратиться на какое-то время). Длительность первого этапа может быть самой различной. Например, известно, что противотанковое ружье было создано невероятно быстро - от момента выдачи ТЗ до запуска в серийное производство прошло всего несколько месяцев (Рисунок 4). С другой стороны, топливный элемент (fuel cell) был изобретен еще в 19 веке, а на стадию коммерческого использования вышел только в конце 20-го (Рисунок 5), т.е. "детство" этой ТС длилось почти 100 лет!

Рисунок 4 Противотанковое ружье

Рисунок 5 Топливный элемент

На этом этапе происходит уточнение состава системы, отработка конструкции системы и ее элементов, а также отладка их взаимодействия между собой и с надсистемой.

Пример - разработка новой коробки для пиццы.

Свежую пиццу (Рисунок 6) обычно доставляют потребителю в картонных коробках (Рисунок 7).

Рисунок 6 Пицца

Рисунок 7 Стандартная коробка для пиццы

Обычная коробка не способна долго сохранять тепло. Кроме того, конденсирующаяся на днище влага, интенсивно испаряемая горячей пиццей, смачивает корж, делая его клеклым. В стенках коробки делают отверстия для отвода пара, но интенсивная вентиляция приводит к ускоренному охлаждению, а недостаточная не предотвращает намокание коржа.

Была изобретена новая коробка (Рисунок 8), в которой дно выполнено арочным и снабжено выступами. Воздушные прослойки между пиццей и дном, а также между дном и опорой обеспечивают отличную термоизоляцию, а конденсирующаяся на дне коробки влага не может смачивать корж, приподнятый на выступах.

Рисунок 8 Разработанная коробка для пиццы

Но после того, как была решена основная проблема - обеспечение термо- и гидроизоляции горячей пиццы, возникло множество побочных проблем. Например, выяснилось, что пиццу обычно разрезают прямо в коробке специальным дисковым ножом (Рисунок 9).

Рисунок 9 Разрезание пиццы

Плоское дно обычной коробки легко выдерживает приложенную нагрузку, а арочное дно новой коробки - нет. В итоге решение этой проблемы было найдено: было предложено крышку коробки также сделать выпуклой (Рисунок 10) и использовать ее в качестве подставки для разрезания пиццы (совместной прочности дна и крышки для этого хватает). На поиск решения и его отработку ушло некоторое количество времени, в течение которого термо- и гидроизоляционные свойства коробки нисколько не улучшались.

Рисунок 10 Коробка для пиццы с выпуклой крышкой

Кроме того, была поставлена проблема замка, удерживающего крышку на коробке. Было разработано и опробовано на практике несколько вариантов замка. А в итоге выяснилось, что замок вообще не нужен, т.к. крышка благодаря конусной отбортовке прекрасно удерживается на коробке просто за счет трения. Но силы и время были потрачены, а качество коробки не улучшилось.

Этот пример хорошо иллюстрирует процесс уточнения состава ТС (нужен замок или нет?) и конструкции ее элементов (выпуклая крышка, направляющие канавки для ножа на днище и т.п.), который абсолютно необходим несмотря на то, что главные показатели системы при этом могут изменяться незначительно или не расти совсем.

Главной особенностью первого этапа является тот факт, что система в силу разных причин еще не удовлетворяет требованиям общества, и поэтому практически не используется.

Следует также отметить, что ТС не обязательно должна пройти через все этапы. Нередко бывает, что система так и умирает на стадии разработки, не выйдя за пределы первого этапа. Так случилось с одним из ключевых компонентов программы "Звездных войн" - рентгеновским лазером с атомной накачкой. Расчеты и эксперименты показали, что при существующем уровне техники он не способен, как это планировалось, одновременно поразить множество целей с требуемой точностью. С другой стороны, на новом витке развития техники и технологии система может и ожить. Например, замечательная по красоте заложенной в ней идеи система "лифт в небо" была убита еще на стадии предварительных расчетов, так как выяснилось, что не существует материалов с разрывной прочностью, достаточной для поддержания троса, опущенного с геостационарной орбиты. Однако открытые относительно недавно нанотрубки как раз имеют требуемую прочность. Пока они очень дороги и имеют ничтожную длину, но лиха беда начало... Так что, возможно, эта система еще себя покажет!

3.2.1.1.1.2 Причины первого этапа

· Нехватка ресурсов

За редким исключением, новые ТС создаются в условиях тотального недостатка всех видов ресурсов - материальных, трудовых и интеллектуальных. Действительно, пока система полностью не отработана, не испытана и не прошла проверку на рынке, никто не может гарантировать, что ее ожидает успех, а все затраты окупятся сторицей. Разработка новых технических систем - всегда риск, и для сокращения возможных потерь средства на разработку обычно выделяют весьма экономно. Соответственно, не хватает рук, чтобы параллельно заниматься разными узлами или вариантами, денег на специализированные комплектующие, и просто интеллектуального потенциала немногочисленных ведущих разработчиков, чтобы думать над всеми проблемами одновременно.

Типичное место рождения новой ТС - если уж не сарай, как это было с самолетом братьев Райт (а в похожих условиях рождались и велосипед, и персональный компьютер), то небольшая лаборатория со скромным бюджетом, для которых все сказанное имеет место быть. Соответственно, разработчики вынуждены последовательно переходить от проблемы к проблеме, выискивать компромиссы и обходные пути, брать доступное вместо оптимального и затем долго его приспосабливать, и расплачиваться за все это временем.

В качестве иллюстрации можно использовать ту же коробку для пиццы. Денег было мало, и штатный дизайнер лаборатории Илона Василевская, подключив к делу своего мужа (к счастью, тоже дизайнера), вечерами после работы изготавливала гипсовые формы, выклеивала на них коробки из папье-маше, затем коробки вело при сушке, все приходилось переделывать, и так без конца. Так что первому этапу было от чего затянуться.

· Наличие цепочки "узких мест"

В данном случае под "узкими местами" понимаются особенности системы, независимо снижающие функциональные показатели или повышающие факторы расплаты до неприемлемого для общества уровня. Пока имеется хотя бы одно "узкое место", система видимым образом не развивается, хотя силы и время затрачиваются на устранение остальных "узких мест".

Примером может служить разработка устройства "Аргус", предназначенного для сверхтонкого измельчения стирального порошка (Рисунок 11).

Рисунок 11 Аргус

Довольно долгое время результаты его работы были нестабильны - на одном и том же режиме без всяких видимых причин степень измельчения от испытания к испытанию колебалась в широких пределах. И только спустя какое-то время разработчики выяснили, что проблема крылась в методике измерения. Оказалось, что при остывании смеси частички порошка слипаются друг с другом, искажая результаты замеров. Стоило, в числе прочих хитростей, перед испытанием нагреть металлическую плашку, на которой производились измерения, и стабильность была достигнута.

· Внешние причины

Техника развивается не сама по себе. Ее разрабатывают конкретные люди, живущие в конкретном обществе. И весь комплекс жизненных обстоятельств так или иначе влияет на сроки и успех разработки. К ним, например, относится арест основного разработчика. Для иллюстрации возьмем историю создания динамореактивной пушки (Рисунок 12):

Рисунок 12 Динамореактивная пушка

"В мае 1923 года конструкторы Л.Курчевский и С.Изенбек предложили так называемую динамореактивную пушку (ДРП), в казенной части ствола которой имелось коническое отверстие. Благодаря этому часть пороховых газов вырывалась через дно гильзы и коническое сопло, что уменьшало отдачу до минимума. Динамореактивный принцип сочли перспективным, была создана специальная комиссия для разработки подобных орудий… Первым результатом … стала предложенная Л. Курчевским на испытания летом 1923 года 76-мм ДРП, ствол которой был заимствован от 76-мм пушки образца 1902 года. В конце того же года были проведены испытания одного из образцов ДРП для установки на самолет.

И на этом, увы, все пока прекратилось. В 1924 году Курчевский был арестован по обвинению в растрате государственных средств и сослан на Соловки на 10 лет."

Василий МАЛИКОВ, академик РАРАН. Журнал "Русское оружие", 1997

Другим обстоятельством может служить законодательный запрет на определенные разработки. Например, по недавно принятому в Японии закону любые разработки по клонированию человеческих эмбрионов запрещены под страхом 5-летнего тюремного заключения.

3.2.1.1.1.3 Признаки 1-го этапа

· Главный признак: ТС еще не вышла на рынок или занимает на нем маленькие, строго ограниченные ниши

Игнорирование этого признака приводит к типовой ошибке, когда ТС, находящуюся на стадии испытаний и не представленную на данном секторе рынка, пытаются относить ко 2-му или 3-му этапам на том основании, что на данном участке времени система улучшалась значительно быстрее, чем раньше. Действительно, на стадии лабораторных исследований главные показатели системы могут меняться неравномерно, испытывая всплески и периоды застоя. Но все это время они находятся ниже черты минимально допустимых обществом значений, что закрывает им путь на рынок.

· В состав системы входят элементы, разработанные для других систем

Как уже говорилось, на первом этапе система развивается в услових дефицита ресурсов. В этой ситуации разработчики обычно концентрируют усилия на ядре системы, а в качестве вспомогательных элементов стремятся использовать уже готовые, разработанные для других систем (с минимально необходимой подгонкой). Заимствование может быть как физическим, так и на уровне конструкции. Пример - разработка первого автомобиля (Рисунок 13). Пожалуй, только двигатель разработан специально для него (и то насчет котла особой уверенности нет), а все остальные части явно заимствованы.

Рисунок 13 Первый автомобиль

С одной стороны, такой подход экономит силы и время. С другой стороны, чужеродные элементы обычно плохо приспособлены для выполнения функций в новых условиях, что существенно снижает эффективность новой ТС. Но в общем, это правильный подход - доработка второстепенных элементов без особого ущерба откладывается до тех пор, пока для этого не появится достаточно ресурсов.

· Система часто объединяется с элементами надсистемы. Причем эти элементы почти не изменяются - изменяется и приспосабливается система.

В принципе, этот признак идентичен предыдущему, но на другом системном уровне. Т.к. система еще не способна адекватно выполнять все необходимые функции, часть из них разработчики перекладывают на доступные элементы надсистемы.

Возьмем, например, гиперзвуковой летательный аппарат с прямоточным реактивным двигателем. Прямоточный двигатель на небольших скоростях неэффективен, поэтому такой аппарат пока не может взлететь и разогнаться самостоятельно. Разработчики нашли выход: экспериментальные образцы запускают с обычного реактивного самолета, да еще с реактивным ускорителем, т.е объединили целых три системы (Рисунок 14):

Рисунок 14 Прямоточный воздушно-реактивный двигатель + ракетный ускоритель + B52

Образец в полете показан на Рисунке 15:

Рисунок 15 Самолет с прямоточным реактивным двигателем

· Система стремится объединяться с альтернативными системами, господствующими на рынке.

Данный признак является важным частным случаем предыдущего. Дело в том, что правильно выполненное объединение альтернативных систем приводит к объединению их достоинств и гашению недостатков. Новая система обычно превосходит имеющиеся по некоторому выделенному набору главных показателей, но проигрывает им по всему комплексу требований. Старые же системы, наоборот, прекрасно вписаны в надсистему, но им уже не хватает сил для выхода на новый уровень главных показателей. Поэтому объединение выгодно обеим сторонам - новая система получает ресурсы для развития, а старая продлевает свое доминирующее положение.

Примером может служить история создания реактивного двигателя. На определенном этапе его ставили в качестве ускорителя на винтовые истребители, и только последующий прогресс позволил перейти к чисто реактивным машинам.

· Система стремится потреблять ресурсы из надсистемы, специально для нее не предназначенные. Система приспосабливается к потреблению этих ресурсов.

Действительно, пока система не доказала свою эффективность, никто не будет ее снабжать специально для нее созданными ресурсами. Типовой ход в этом случае - попытаться найти в надсистеме уже готовый доступный ресурс и приспособить систему для его потребления. Правда, ресурс может оказаться не слишком подходящим, но разработку специализированных ресурсов можно отложить до лучших времен. Поскольку сразу трудно определить, какой ресурс следует использовать, бывает необходимо перепробовать несколько разных, порой весьма экзотических. Например, одна из первых моделей двигателя внутреннего сгорания должна была работать на спорах папоротника!

Внешние проявления:

· Высокий уровень базовых патентов. Уровень последующих патентов быстро снижается к началу переходного этапа.

Создание новой системы - дело обычно достаточно сложное, в ее основу необходимо закладывать весьма нетривиальные идеи, что закономерно проявляется в относительно высоком уровне базовых патентов. В дальнейшем патентуются разного рода усовершенствования, не столь радикальные, как первоначальная идея, что приводит к снижению уровня патентов (Рисунок 16).

Рисунок 16 Уровень изобретений (по книге Г.С. Альтшуллера "Творчество как точная наука"? М. Советское радио 1979, стр 115)

Следует отметить, что уровень патентов - вещь в достаточной мере субъективная, поэтому данный признак является сугубо вспомогательным. Сам по себе он ни в коей мере не может служить исчерпывающим доказательством того, что система находится на первом этапе.

А вот для разработчиков новых стандартов (и микро-стандартов) на решение изобретательских задач, приемов разрешения противоречий и других решательных инструментов, этот признак может быть очень полезен. Дело в том, что самые эффективные инструменты могут быть, скорее всего, разработаны на базе самых сильных решений. А как их отобрать среди миллионов патентов? Данный признак дает хороший способ - наиболее сильные решения следует искать в базовых патентах.

С другой стороны, инженеры не так уж часто занимаются созданием новых ТС. Значительно больше времени и сил они тратят на совершенствование существующих. Не факт, что решательные инструменты, наиболее эффективные для создания ТС, столь же хороши для улучшения имеющихся. Кроме того, очень даже возможно, что улучшение систем на каждом из этапов требует специфического набора инструментов. Любопытно было бы собрать несколько коллекций патентов - базовых и этапных, и рассортировать по ним имеющиеся инструменты, а в дальнейшем и разработать новые, специально ориентированные на конкретный этап.

· Количество патентов остается примерно постоянным (Рисунок 17).

Это тоже легко объяснимо. Пока ТС находится в разработке, окончательно неизвестно, какие конструктивные особенности останутся в серийном варианте, а какие окажутся нежизнеспособными. Поэтому патентовать их особого смысла не имеет. Данный признак также является сугубо вспомогательным.

Рисунок 17 Количество изобретений (по книге Г.С. Альтшуллера "Творчество как точная наука"? М. Советское радио 1979, стр 115)

· Затраты превосходят доход (Рисунок 18).

Причины очевидны. ТС находится в разработке, обладает массой недостатков (пока), и поэтому либо совсем не продается, либо продается в ничтожных количествах как некая экзотика. Соответственно, доходы от продажи обычно не покрывают затрат на разработку и доводку.

Рисунок 18 Прибыль (по книге Г.С. Альтшуллера "Творчество как точная наука"? М. Советское радио 1979, стр 115)

· Число модификаций системы и глубина различий между ними сначала нарастают, а затем падают.

Действительно, система обычно создается в какой-то одной, простейшей модификации. Затем в процессе совершенствования появляются разные варианты. Поскольку заранее неизвестно, какое сочетание признаков окажется наиболее удачным, поначалу варианты множатся и ветвятся. Однако со временем ситуация проясняется, малоэффективные комбинации отмирают, и остается всего несколько фаворитов, между которыми к тому же происходит обмен признаками.

Примером может служить история авиации (Рисунок 19). Первые самолеты сильно отличались друг отдруга. Варьировалось все - количество, форма и расположение крыльев, количество и расположение двигателей; тянущие, толкающие и комбинированные схемы пропеллеров, и т.д. Но постепенно выкристаллизовались несколько основных типов, не так уж отличающихся друг от друга.

Рисунок 19 Самолеты

3.2.1.1.1.4 Возможные выводы из того факта, что система находится на первом этапе развития.

· Требуется значительно повысить отношение "функциональные возможности/затраты".

Данный вывод совершенно очевиден и в комментариях не нуждается. ТС на первом этапе еще очень сырая, недоработанная - надо улучшать функционирование и снижать факторы расплаты, причем существенно, иначе на рынок не пробиться.

· Главные усилия должны быть направлены на выявление и устранение "узких мест", препятствующих выходу на рынок.

Этот вывод следует из одной из причин нахождения ТС на первом этапе - наличия множества "узких мест", каждое из которых независимо снижает эффективность системы ниже минимально допустимого уровня. Пока существует хоть одно из них, система неконкурентоспособна. Значит, их нужно выявить и удалить всех до одного. При этом не нужно тратить силы и время на улучшение одного параметра до максимально возможного уровня, пока другой недопустимо низок. Лучше иметь удовлетворительный уровень всех характеристик, чем отличный для одних и никуда не годный для других.

В самом деле, если представить себе гипотетический пассажирский летательный аппарат, у которого два недостатка - неспособность летать и неспособность обеспечить безаварийную посадку, то сколько ни улучшай его способность к дальним/высотным/скоростным полетам, без обеспечения мало-мальски безопасной посадки пассажиров на него не заманишь.

· Допустимы глубокие изменения в составе системы и ее элементов вплоть до смены их принципа действия.

С одной стороны, на первом этапе система еще не накопила "инерции" - нет ни специализированной инфраструктуры, ни традиционных поставщиков, ни массового производства, которые обычно препятствуют сколь-нибудь серьезным изменениям. С другой стороны, совсем не факт, что имеющийся на данный момент состав системы и конструкция ее элементов оптимальны (будь это так, ТС пошла бы на рынок, а не прозябала бы на первом этапе). Следовательно, есть и серьезная причина (масса недостатков и "узких мест"), и возможность (отсутствие "инерции") для коренных изменений в ТС. Можно значительно менять ее состав (смело применяя радикальные варианты свертывания) и конструкцию ее элементов на любую глубину.

· Имеет смысл развивать систему для использования в одной конкретной области, где соотношение ее достоинств и недостатков наиболее приемлемо.

Нередко новая ТС обладает широкими возможностями, позволяющими (в перспективе) использовать ее сразу в нескольких областях. Однако попытка развивать ее сразу в нескольких направлениях ошибочна, т.к. приводит к распылению ресурсов и затягиванию первого этапа. Логичнее поступать наоборот - сконцентрировать усилия на продвижении ТС только в одном направлении. А в дальнейшем, выйдя на рынок, система сможет привлечь ресурсы для проникновения и в остальные отрасли.

При этом сектор рынка для первоначального проникновения следует в первую очередь выбирать исходя из соображений простоты внедрения, даже если этот сектор окажется не самым выгодным из возможных. Простота внедрения определяется, в частности, тем, что избранный сектор рынка должен быть особо заинтересован в возможностях, которые ТС может предоставить к моменту выхода на рынок, и равнодушен к оставшимся на тот момент недостаткам.

Похоже, что подобная стратегия лежит в основе выявленной Борисом Злотиным закономерности, согласно которой новые ТС впервые появляются не на том секторе рынка, на котором в итоге они добиваются максимального успеха. Например, компьютеры впервые вышли на рынок в качестве устройств для вычислений (Рисунок 20). А сейчас они в основном используются для обработки текстовой и графической информации в реальном масштабе времени. И правильно, т.к. уже на заре своей истории ЭВМ умели считать достаточно быстро, а средства ввода-вывода были крайне несовершенны, к работе с текстами и графикой неспособны. А выйдя на рынок в качестве вычислителей, компьютеры получили ресурсы для проникновения в другие области применения.

Рисунок 20 Компьютер

· Следует ориентироваться на существующую инфраструктуру и источники ресурсов.

Очевидно, что ориентация на специально созданную инфраструктуру и ресурсы может сильно затруднить выход ТС на рынок. Препятствием будет служить проблема "курицы и яйца" - системой не пользуются из-за отсутствия необходимых ей инфраструктуры и ресурсов, а инфраструктуру и источники ресурсов не создают из-за отсутствия спроса на них (систему-то не используют!). Поэтому лучше поначалу приспосабливать ТС к имеющимся ресурсам, пусть даже и не очень подходящим. Выйдя с их помощью на рынок, ТС разорвет порочный круг, создаст спрос на специализированные ресурсы и в итоге их получит. Действительно, первые самолеты потребляли автомобильный бензин и использовали для взлета/посадки луга и дороги. Потребуй они сразу специальных аэродромов, диспетчерской службы, радарной сети и авиакеросина для заправки, их путь в небо был бы еще более тернистым. А так, поначалу пользуясь малым, в итоге самолеты все это получили.

· Имеет смысл объединять ТС с лидирующими на данный момент системами.

Как уже говорилось, такое объединение позволяет новой ТС быстро выйти на рынок и получить ресурсы для дальнейшего развития. При этом ее недостатки будут скомпенсированы старой системой, а достоинства повысят конкурентоспособность полученного тандема. На этом пути образуются ТС с дефисом в названии: парусно-паровые, колесно-гусеничные, электро-механические и полу-автоматические. При этом надо отдавать себе отчет, что подобные системы бывают относительно короткоживущими - их новая компонента в результате последующего развития отторгает старую и переходит к автономному существованию.

· Для определения перспективности ТС необходимо наряду с обычным анализом естественных пределов ее развития выполнить прогноз ее надсистемы.

Нужно учесть, что первый этап развития обычно длится несколько лет. Следовательно, ТС в момент выхода на рынок будет взаимодействовать не с сегодняшней надсистемой, а с той, которая сложится к тому времени. Может измениться многое - доступные ресурсы, законодательство и даже потребности общества.

Например, в свое время производство бумаги требовало все больше древесины, что приводило к вырубке лесов. Для спасения леса нужно было найти замену древесине. Ценой значительных затрат времени и сил задачу решили - был создан пластик, почти не отличимый от бумаги. Но, увы и ах, - к этому моменту была разработана и внедрена технология интенсивного выращивания деревьев на плантациях (изощреная агротехника плюс особо быстрорастущие виды деревьев), полностью покрывающая потребности целлюлозно-бумажной промышленности. И созданная с таким трудом пластиковая бумага, действительно очень хорошая, оказалась никому не нужной - все-таки она немного дороже настоящей.

Так что необходим прогноз надсистемы по следующим ее типам: объект главной функции ТС, инфраструктура/источники ресурсов, технология изготовления/материалы, генерируемые ТС вредные факторы.

Законы развития технических систем

Введение

1. Статика

1.1 Закон полноты частей системы

1.2 Закон "энергетической проводимости" системы

2. Кинематика

3. Динамика

3.1 Закон перехода с макроуровня на микроуровень

4. Другие законы

4.2 Законы эволюции ТС

5.2 Закон перехода количественных изменений в качественные

Источники

Введение

Человечество переступило порог третьего тысячелетия. Наше общество связывает свои надежды с ожидаемыми переменами. В этих условиях недопустимо оставаться на позициях формализма и догматизма, которые в инженерной, особенно научной и учебной деятельности, нивелируют способности и оставляют в тени творческую индивидуальность личности.

В качестве проверочного теста (обоснования) выделим три вопроса.

Вопрос 1. Мы все слышали о системном подходе и системотехнике. Что вы знаете об их сущности и возможностях?

Вопрос 2. Окружающий мир условно можно разделить на два: естественный, где господствуют законы природы и искусственный - антропогенный мир созданный человеком, частью которого является мир техники. Законы естественного мира глубоко изучаются в курсах физики, биологии и др. Но знакомы ли Вы с законами и закономерностями развития антропогенного мира, как используете их в своей инженерной, учебной и исследовательской деятельности.

Вопрос 3. Какие методы принятия решений Вам известны? Обучали ли Вас методам принятия решений?

Мы считаем, что специалист, не имеющий основательной методологической подготовки, не может должным образом ориентироваться в непрерывно обновляющемся многообразии мира техники, даже в относительно узкой "своей" специальной области, не говоря уже о межотраслевых задачах. Для полной деятельности совершенно не достаточно иметь даже очень хорошую, но относительно узкую подготовку. Необходимо сформировать свою мировоззренческую позицию, связанную с научным и инженерным творчеством в Вашей области деятельности.

Сегодня без ускорения научно-технического прогресса наше общество не решит своих экономических и социальных проблем. Особое внимание следует уделять анализу проблем на стыке разных наук - естественных, технических и общественных. Поэтому необходимо в общей взаимосвязи, на основе системного подхода овладение законами развития технических наук, эволюции антропогенного мира.

Необходимо привлечь внимание к формированию мировоззренческих позиций инженеров, научных работников и преподавателей. Каждому из нас необходимо овладеть искусством системного подхода, использовать объективные законы и закономерности развития техники и на их основе принимать практические решения.

Законы развития технических систем (ЗРТС), на которых базируются все основные механизмы решения изобретательских задач в ТРИЗ, впервые сформулированы Г.С. Альтшуллером в книге "Творчество как точная наука" (М.: "Советское радио", 1979, с.122-127), и в дальнейшем дополнялись последователями.

закон техническая система энергетический

1. Статика

Законы развития технических систем можно разделить на три группы: "статику", "кинематику" и "динамику".

Начнем со "СТАТИКИ" - законов, которые определяют начало жизни технических систем.

Любая техническая система возникает в результате синтеза в единое целое отдельных частей. Не всякое объединение частей дает жизнеспособную систему. Существуют по крайней мере три закона, выполнение которых необходимо для того, чтобы система оказалась жизнеспособной.

.1 Закон полноты частей системы

Необходимым условием принципиальной жизнеспособности технической системы является наличие и минимальная работоспособность основных частей системы.

Каждая техническая система должна включать четыре основные части: двигатель, трансмиссию, рабочий орган и орган управления. Смысл закона 1 заключается в том, что для синтеза технической системы необходимо наличие этих четырех частей и их минимальная пригодность к выполнению функций системы, ибо сама по себе работоспособная часть системы может оказаться неработоспособной в составе той или иной технической системы. Например, двигатель внутреннего сгорания, сам по себе работоспособный, оказывается неработоспособным, если его использовать в качестве подводного двигателя подводной лодки.

Закон 1 можно пояснить так: техническая система жизнеспособна в том случае, если все ее части не имеют "двоек", причем "оценки" ставятся по качеству работы данной части в составе системы. Если хотя бы одна из частей оценена "двойкой", система нежизнеспособна даже при наличии "пятерок" у других частей. Аналогичный закон применительно к биологическим системам был сформулирован Либихом еще в середине прошлого века ("закон минимума").

Из закона 1 вытекает очень важное для практики следствие.

Чтобы техническая система была управляемой, необходимо, чтобы хотя бы одна ее часть была управляемой.

"Быть управляемой" - значит менять свойства так, как это надо тому, кто управляет.

Знание этого следствия позволяет лучше понимать суть многих задач и правильнее оценивать полученные решения.

Любая техническая система, самостоятельно выполняющая какую-либо функцию, имеет четыре основные части - двигатель, трансмиссию, рабочий орган и средство управления. Поясним это.

Двигатель - элемент технической системы, являющийся преобразователем энергии, необходимой для выполнения требуемой функции. Источник энергии может находиться либо в системе (например, бензин в баке для двигателя внутреннего сгорания автомобиля), либо в надсистеме (электроэнергия из внешней сети для электродвигателя станка).

Трансмиссия - элемент, передающий энергию от двигателя к рабочему органу с преобразованием её качественных характеристик (параметров).

Рабочий орган - элемент, передающий энергию на обрабатываемый объект, и завершающий выполнение требуемой функции. В идеальном случае рабочий орган - энергия. Например, инструмент для плазменной обработки. Этот частный случай представляет собой одну из тенденций развития техники.

Средство управления - элемент, регулирующий поток энергии к частям технической системы и согласующий их работу во времени и пространстве.

Если в системе отсутствует какая-либо из этих частей, то её функцию выполняет человек или окружающая среда.

Анализируя любую автономно работающую систему, будь то холодильник, часы, телевизор или авторучка, везде можно видеть эти четыре элемента.

Фрезерный станок. Рабочий орган: фреза. Двигатель: электродвигатель станка. Всё что находится между электродвигателем и фрезой можно считать трансмиссией. Средство управления - человек-оператор, рукоятки и кнопки, или программное управление (станок с программным управлением). В последнем случае программное управление "вытеснило" человека-оператора из системы.

.2 Закон "энергетической проводимости" системы

Необходимым условием принципиальной жизнеспособности технической системы является сквозной проход энергии по всем частям системы.

Любая техническая система является преобразователем энергии. Отсюда очевидная необходимость передачи энергии от двигателя через трансмиссию к рабочему органу.

Передача энергии от одной части системы к другой может быть вещественной (например, вал, шестерни, рычаги и т.д.), полевой (например, магнитное поле) и вещественно-полевой (например, передача энергии потоком заряженных частиц). Многие изобретательские задачи сводятся к подбору того или иного вида передачи, наиболее эффективного в заданных условиях.

Важное значение имеет следствие из закона 2.

Чтобы часть технической системы была управляемой, необходимо обеспечить энергетическую проводимость между этой частью и органами управления.

В задачах на измерение и обнаружение можно говорить об информационной проводимости, но она часто сводится к энергетической, только слабой. Примером может служить решение задачи об измерении диаметра шлифовального круга, работающего внутри цилиндра. Решение задачи облегчается, если рассматривать не информационную, а энергетическую проводимость. Тогда для решения задачи нужно прежде всего ответить на два вопроса: в каком виде проще всего подвести энергию к кругу и в каком виде проще всего вывести энергию сквозь стенки круга (или по валу)? Ответ очевиден: в виде электрического тока. Это еще не окончательное решение, но уже сделан шаг к правильному ответу.

Данный закон по другому называется в других источниках как закон сквозного прохода энергии.

Итак, любая работающая система состоит из четырёх основных частей и любая из этих частей является потребителем и преобразователем энергии. Но мало преобразовать, надо ещё без потерь передать эту энергию от двигателя к рабочему органу, а от него - на обрабатываемый объект. Это закон сквозного прохода энергии. Нарушение этого закона ведёт к возникновению противоречий внутри технической системы, что в свою очередь порождает изобретательские задачи.

Главным условием эффективности технической системы с точки зрения энергопроводимости является равенство способностей частей системы по принятию и передаче энергии.

Импедансы передатчика, фидера и антенны должны быть согласованы - в этом случае в системе устанавливается режим бегущей волны, наиболее эффективный для передачи энергии. Рассогласование ведёт к появлению стоячих волн и диссипации энергии.

Различают несколько правил энергопроводимости систем.

Первое правило энергопроводимости системы.

Если элементы при взаимодействии друг с другом образуют энергопроводящую систему с полезной функцией, то для повышения её работоспособности в местах контактирования должны быть вещества с близкими или одинаковыми уровнями развития.

Если элементы системы при взаимодействии образуют энергопроводящую систему с вредной функцией, то для её разрушения в местах контактирования элементов должны быть вещества с различными или противоположными уровнями развития.

При застывании бетон сцепляется с опалубкой, и её трудно потом отделить. Две части хорошо согласовались между собой по уровням развития вещества - оба твёрдые, шероховатые, неподвижные и т.д. Образовалась нормальная энергопроводящая система. Чтобы не допустить её образования, нужно максимальное рассогласование веществ, например: твёрдое - жидкое, шероховатое - скользкое, неподвижное - подвижное. Здесь может быть несколько конструктивных решений - образование прослойки воды, нанесение специальных скользких покрытий, вибрация опалубки и др.

Третье правило энергопроводимости системы.

Если элементы при взаимодействии друг с другом образуют энергопроводящую систему с вредной и полезной функцией, то в местах контактирования элементов должны быть вещества, уровень развития которых и физико-химические свойства изменяются под воздействием какого-либо управляемого вещества или поля.

Согласно этому правилу выполнено большинство устройств в технике, где требуется соединять и разъединять энергопотоки в системе. Это различные муфты включения в механике, вентили в гидравлике, диоды в электронике и многое другое.

1.3 Закон согласования ритмики частей системы

Необходимым условием принципиальной жизнеспособности технической системы является согласование ритмики (частоты колебаний, периодичности) всех частей системы.

По другому в других источниках данный закон называется как закон динамизации.

Надёжность, стабильность и постоянство системы в динамичном окружении зависят от её способности изменяться. Развитие, а значит и жизнеспособность системы, определяется главным показателем: степенью динамизации, то есть способностью быть подвижной, гибкой, приспосабливаемой к внешней среде, меняющей не только свою геометрическую форму, но и форму движения своих частей, в первую очередь рабочего органа. Чем выше степень динамизации, тем, в общем случае, шире диапазон условий, при которых система сохраняет свою функцию. Например, чтобы заставить крыло самолёта эффективно работать в существенно разных режимах полёта (взлёт, крейсерский полёт, полёт на предельной скорости, посадка), его динамизируют путём добавления закрылков, предкрылков, интерцепторов, системы изменения стреловидности и проч.

Однако, для подсистем закон динамизации может нарушаться - иногда выгоднее искусственно уменьшить степень динамизации подсистемы, тем самым упростив её, а меньшую стойкость/приспособляемость компенсировать созданием стабильной искусственной среды вокруг неё, защищённой от внешних факторов. Но в итоге совокупная система (надсистема) всё же получает большую степень динамизации. Например, вместо того, чтобы приспосабливать трансмиссию к загрязнению путём её динамизации (самоочистка, самосмазка, перебалансировка), можно поместить её в герметичный кожух, внутри которого создана среда, наиболее благоприятная для движущихся частей (прецизионные подшипники, масляный туман, подогрев и проч.)

Другие примеры:

В 10-20 раз снижается сопротивление движению плуга, если его лемех вибрирует с определенной частотой в зависимости от свойств грунта.

Ковш экскаватора, превратившись в роторное колесо, породил новую высокоэффективную систему добычи полезных ископаемых.

Автомобильное колесо из жёсткого деревянного диска с металлическим ободом стало подвижным, мягким и эластичным.

2. Кинематика

К "КИНЕМАТИКЕ" относятся законы, определяющие развитие технических систем, независимо от конкретных технических и физических факторов, обусловливающих это развитие.

2.1 Закон увеличения степени идеальности системы

Развитие всех систем идет в направлении увеличения степени идеальности.

Идеальная техническая система - это система, вес, объем и площадь которой стремятся к нулю, хотя ее способность выполнять работу при этом не уменьшается. Иначе говоря, идеальная система - это когда системы нет, а функция ее сохраняется и выполняется.

Несмотря на очевидность понятия "идеальная техническая система", существует определенный парадокс: реальные системы становятся все более крупноразмерными и тяжелыми. Увеличиваются размеры и вес самолетов, танкеров, автомобилей и т.д. Парадокс этот объясняется тем, что высвобожденные при совершенствовании системы резервы направляются на увеличение ее размеров и, главное, повышение рабочих параметров. Первые автомобили имели скорость 15-20 км/ч. Если бы эта скорость не увеличивалась, постепенно появились бы автомобили, намного более легкие и компактные с той же прочностью и комфортабельностью. Однако каждое усовершенствование в автомобиле (использование более прочных материалов, повышение к. п. д. двигателя и т.д.) направлялось на увеличение скорости автомобиля и того, что "обслуживает" эту скорость (мощная тормозная система, прочный кузов, усиленная амортизация). Чтобы наглядно увидеть возрастание степени идеальности автомобиля, надо сравнить современный автомобиль со старым рекордным автомобилем, имевшим ту же скорость (на той же дистанции).

Видимый вторичный процесс (рост скорости, мощностей, тоннажа и т.д.) маскирует первичный процесс увеличения степени идеальности технической системы. Но при решении изобретательских задач необходимо ориентироваться именно на увеличение степени идеальности - это надежный критерий для корректировки задачи и оценки полученного ответа.

Техническая система в своём развитии приближается к идеальности. Достигнув идеала, система должна исчезнуть, а её функция продолжать выполняться.

Основные пути приближения к идеалу:

повышение количества выполняемых функций,

"свертывание" в рабочий орган,

переход в надсистему.

При приближении к идеалу техническая система вначале борется с силами природы, затем приспосабливается к ним и, наконец, использует их для своих целей.

Закон увеличения идеальности наиболее эффективно применяется к тому элементу, который непосредственно расположен в зоне возникновения конфликта или сам порождает нежелательные явления. При этом повышение степени идеальности, как правило, осуществляется применением незадействованных ранее ресурсов (веществ, полей), имеющихся в зоне возникновения задачи. Чем дальше от зоны возникновения конфликта будут взяты ресурсы, тем в меньшей степени удастся продвинуться к идеалу.

2.2 Закон неравномерности развития частей системы

Развитие частей системы идет неравномерно; чем сложнее система, тем неравномерное развитие ее частей.

Неравномерность развития частей системы является причиной возникновения технических и физических противоречий и, следовательно, изобретательских задач. Например, когда начался быстрый рост тоннажа грузовых судов, мощность двигателей быстро увеличилась, а средства торможения остались без изменения. В результате возникла задача: как тормозить, скажем, танкер водоизмещением 200 тыс. тонн. Задача эта до сих пор не имеет эффективного решения: от начала торможения до полной остановки крупные корабли успевают пройти несколько миль…

По другому закон также называется в некоторых источниках как закон опережающего развития рабочего органа, данное наименование полнее отражает суть закона.

В технической системе основной элемент - рабочий орган. И чтобы его функция была выполнена нормально, его способности по усвоению и пропусканию энергии должны быть не меньше, чем двигатель и трансмиссия. Иначе он или сломается, или станет неэффективным, переводя значительную часть энергии в бесполезное тепло. Поэтому желательно, чтобы рабочий орган опережал в своём развитии остальные части системы, то есть обладал большей степенью динамизации по веществу, энергии или организации.

Часто изобретатели совершают ошибку, упорно развивая трансмиссию, управление, но не рабочий орган. Такая техника, как правило, не даёт значительного прироста экономического эффекта и существенного повышения КПД.

Производительность токарного станка и его техническая характеристика оставались почти неизменными на протяжении многих лет, хотя интенсивно развивались привод, трансмиссия и средства управления, потому что сам резец как рабочий орган оставался прежним, то есть неподвижной моносистемой на макроуровне. С появлением вращающихся чашечных резцов производительность станка резко поднялась. Ещё больше она возросла, когда была задействована микроструктура вещества резца: под действием электрического тока режущая кромка резца стала колебаться до нескольких раз в секунду. Наконец, благодаря газовым и лазерным резцам, полностью изменившим облик станка, достигнута невиданная ранее скорость обработки металла.

2.3 Закон перехода в надсистему

Исчерпав возможности развития, система включается в надсистему в качестве одной из частей; при этом дальнейшее развитие идет на уровне надсистемы.

Или другая трактовка данного закона: закон перехода "моно - би - поли".

Первый шаг - переход к бисистемам. Это повышает надежность системы. Кроме того, в бисистеме появляется новое качество, которое не было присуще моносистеме. Переход к полисистемам знаменует собой эволюционный этап развития, при котором приобретение новых качеств происходит только за счет количественных показателей. Расширенные организационные возможности расположения однотипных элементов в пространстве и времени позволяют полнее задействовать их возможности и ресурсы окружающей среды.

Двухмоторный самолет (бисистема) надёжней своего одномоторного собрата и обладает большей маневренностью (новое качество).

Конструкция комбинированного велосипедного ключа (полисистема) привела к заметному снижению расхода металла и уменьшению габаритов в сравнении с группой отдельных ключей.

Лучший изобретатель - природа - продублировала особо важные части организма человека: у человека два легких, две почки, два глаза и т.д.

Многослойная фанера намного прочнее доски тех же размеров.

Имеет место предел развития:

Но на каком-то этапе развития в полисистеме начинают появляться сбои. Упряжка из более чем двенадцати лошадей становится неуправляемой, самолет с двадцатью моторами требует многократного увеличения экипажа и трудноуправляем. Возможности системы исчерпались. Что дальше? А дальше полисистема снова становится моносистемой… Но на качественно новом уровне. При этом новый уровень возникает только при условии повышения динамизации частей системы, в первую очередь рабочего органа.

Вспомним тот же велосипедный ключ. Когда динамизировался его рабочий орган, т.е. губки стали подвижными, появился разводной ключ. Он стал моносистемой, но в то же время способным работать со многими типоразмерами болтов и гаек.

Многочисленные колёса вездеходов превратились в одну подвижную гусеницу.

3. Динамика

Перейдем к "ДИНАМИКЕ".

Она включает законы, отражающие развитие современных технических систем под действием конкретных технических и физических факторов. Законы "статики" и "кинематики" универсальны - они справедливы во все времена и не только применительно к техническим системам, но и к любым системам вообще (биологическим и т.д.). "Динамика" отражает главные тенденции развития технических систем именно в наше время.

.1 Закон перехода с макроуровня на микроуровень

Развитие рабочих органов системы идет сначала на макро-, а затем на микроуровне.

В большинстве современных технических систем рабочими органами являются "железки", например винты самолета, колеса автомобиля, резцы токарного станка, ковш экскаватора и т.д. Возможно развитие таких рабочих органов в пределах макроуровня: "железки" остаются "железками", но становятся более совершенными. Однако неизбежно наступает момент, когда дальнейшее развитие на макроуровне оказывается невозможным. Система, сохраняя свою функцию, принципиально перестраивается: ее рабочий орган начинает действовать на микроуровне. Вместо "железок" работа осуществляется молекулами, атомами, ионами, электронами и т.д.

Переход с макро - на микроуровень - одна из главных (если не самая главная) тенденций развития современных технических систем. Поэтому при обучении решению изобретательских задач особое внимание приходится обращать на рассмотрение перехода "макро-микро" и физических эффектов, реализующих этот переход.

Переход с макро - на микроуровень - главная тенденция развития всех современных технических систем.

Для достижения высоких результатов задействуются возможности структуры вещества. Вначале используется кристаллическая решетка, затем ассоциации молекул, единичная молекула, часть молекулы, атом и, наконец, части атома.

В погоне за грузоподъёмностью на закате поршневой эры самолёты снабжались шестью, двенадцатью и более моторами. Затем рабочий орган - винт - всё же перешел на микроуровень, став газовой струёй.

3.2 Закон увеличения степени вепольности

Развитие технических систем идет в направлении увеличения степени вепольности.

Смысл этого закона заключается в том, что невепольные системы стремятся стать вепольными, а в вепольных системах развитие идет в направлении перехода от механических полей к электромагнитным; увеличения степени дисперсности веществ, числа связей между элементами и отзывчивости системы.

4. Другие законы

4.1 Закон s-образного развития ТС

Эволюцию множества систем можно изобразить логистической кривой, показывающей, как меняются во времени темпы её развития. Выделяются три характерных этапа:

"детство". Идёт, как правило, достаточно долго. В этот момент идёт проектирование системы, её доработка, изготовление опытного образца, подготовка к серийному выпуску.

"старость". С какого-то момента улучшать систему становится всё труднее. Мало помогают даже крупные увеличения ассигнований. Несмотря на усилия конструкторов, развитие системы не поспевает за всё возрастающими потребностями человека. Она пробуксовывает, топчется на месте, меняет свои внешние очертания, но остаётся такой, какая есть, со всеми своими недостатками. Все ресурсы окончательно выбраны. Если попытаться в этот момент искусственно увеличивать количественные показатели системы или развивать её габариты, оставляя прежний принцип, то сама система вступает в конфликт с окружающей средой и человеком. Она начинает больше приносить вреда, чем пользы.

В качестве примера рассмотрим паровоз. Вначале был достаточно долгий экспериментальный этап с единичными несовершенными экземплярами, внедрение которых вдобавок сопровождалось сопротивлением общества. Затем последовало бурное развитие термодинамики, совершенствование паровых машин, железных дорог, сервиса - и паровоз получает публичное признание и инвестиции в дальнейшее развитие. Затем, несмотря на активное финансирование, произошёл выход на природные ограничения: предельный тепловой КПД, конфликт с окружающей средой, неспособность увеличивать мощность без увеличения массы - и, как следствие, в области начался технологический застой. И, наконец, произошло вытеснение паровозов более экономичными и мощными тепловозами, и электровозами. Паровой двигатель достиг своего идеала - и исчез. Его функции взяли на себя ДВС и электромоторы - тоже вначале несовершенные, затем бурно развивающиеся и, наконец, упирающиеся в развитии в свои природные пределы. Затем появится другая новая система - и так бесконечно.

4.2 Законы эволюции ТС

Структура законов эволюции технических систем

Эти законы определяют общее направление развития технических систем. Структура этих законов изображена на рис.1.

Рис.1. Структурная схема законов эволюции систем.

В своем развитии техника становится все более идеальной, т.е. ее развитие определяется законом увеличения степени ИДЕАЛЬНОСТИ.

Увеличение степени идеальности осуществляется выявлением и разрешением противоречий, которые возникают вследствие неравномерности развития систем.

Разрешение противоречий осуществляется использованием законов увеличения степени ДИНАМИЧНОСТИ системы, согласования и переходом системы в НАДСИСТЕМУ.

Увеличение степени динамичности проводится по функциям, структуре и управлению системой, которые осуществляются использованием закономерностей переходом системы на МИКРОУРОВЕНЬ, увеличением степени ВЕПОЛЬНОСТИ и ИНФОРМАЦИОННОЙ насыщенности систем.

Переход структуры системы с макро - на микроуровень осуществляется изменением масштабности и связанности элементов технической системы, а также использованием более сложных и энергетически насыщенных форм управления. Закон перехода с макро - на микроуровень, прежде всего, необходимо применять к рабочему органу. На рис.2 показана структура закона перехода системы на микроуровень. Механизмы каждой из закономерностей, например, дробления системы.

Согласование структуры системы может осуществляться согласованием элементов и связей системы. Согласование должно быть функциональное и параметрическое, согласование по уровням (системы с надсистемой - внешнее согласование, системы с подсистемами и подсистем между собой - внутреннее согласование). Приведем пример одного из видов параметрического согласования системы с надсистемой - согласования ритмики.

Пример. При добыче угля угольные пласты ослабляют, обрабатывая их мощными импульсами воды, подаваемые из гидромонитора. Повысить эффективность этого способа можно, если импульсы подавать с частотой, равной частоте собственных колебаний расшатываемого массива.

В общем случае закон перехода в надсистему имеет два направления: выполнение системой функций надсистемы (или придание системе дополнительных функций) и объединение системы с другой (другими) системой (системами). Структурная схема закона перехода в надсистему показана на рис.3.

Рис.3. Структура закона перехода системы в надсистему.

В свою очередь первое направление выполняется выявлением альтернативных способов осуществления функции надсистемы без использования существующей системы, и придать системе дополнительные функции.

Пример. Существует система доска, на которой пишут мелом. Функция писать на доске. Эту же функцию можно выполнить, если писать. Более общая функция оставлять изображение. Ее можно выполнить, если писать на больших листах бумаги, например, фломастером. Можно проектировать изображение на экран с помощью проектора, соединенного с компьютером.

При придании системе дополнительных функций систему объединяют с другой функцией. В общем случае это может происходить по технологии описанной ниже. В качестве примера можно привести радио с часами.

Г. Альтшуллер сформулировал закон перехода в надсистему формулируется следующим образом: исчерпав ресурсы развития, система объединяется с другой системой, образуя новую, более сложную систему. Кроме того, Альтшуллер предложил механизм такого перехода. Он состоит в объединении двух исходных систем, при этом получают бисистему, или нескольких систем с получением полисистемы. Переход "моно-би-поли" - неизбежный этап в развитии всех технических систем. Механизм перехода "моно-би-поли" показан на рис.4. После объединения систем в би - или полисистему происходит некоторое изменение новой системы. При этом сокращаются вспомогательные элементы, и устанавливается более тесная связь между отдельными системами. Такие системы называются частично свернутыми.

Рис.4. Объединение системы с другими системами.

Дальнейшее развитие приводит к полностью свернутым системам, в которых один объект выполняет несколько функций. Полностью (а иногда и частично) свернутая би - или полисистема становится новой моносистемой и может совершить новый виток спирали.

5. Структура законов развития систем В. Петрова

Природа, различные области знания, деятельности, мышление и любые объекты материального мира, в том числе и техника, развиваются по своим определенным законам. Но существуют и некоторые общие законы развития, появившиеся вследствие единства материального мира. Самые общие из них - законы диалектики .

Рис.5. Уровни законов развития систем.

Техника развивается в тесном взаимодействии с общественным развитием и экосферой, вследствие чего наблюдаются значительное проникновение и обогащение законов развития общества, природы и техники. Например, развитие техники во многом зависит от потребностей общества и влияет на развитие природы. В данной книге будет в общих чертах изложена система законов, кратко описаны все законы и более детально изложены наиболее важные законы, которые читатель может использовать. Подробно с законами можно ознакомиться в специальной книге по законам развития систем.

В общем, виде система законов техники должна иметь уровни потребностей, функций и систем. Схематично это изображено на рис.5.

Рис.6. Структура законов развития систем.

Закономерности развития потребностей определяют тенденции их изменения. Это необходимо для определения функций и систем, с помощью которых можно удовлетворить возрастающие потребности. Закономерности развития функций описывают тенденции их изменения. Они связаны с закономерностями развития потребностей, но имеют и свою специфику, например, переход систем к многофункциональности (универсальности) или, наоборот, к однофункциональности (специализации).

Законы развития потребностей и функций здесь рассматриваться не будут. Подробнее с ними можно ознакомиться в учебном пособии по законам развития технических систем и статьях.

Собственно законы техники можно разделить на две группы (см. рис.6):

1.законы организации систем (определяющие жизнеспособность системы),

2.законы эволюции систем (определяющие развитие технических систем).

Законы диалектики в развитии технических систем

Наиболее общие из законов диалектики следующие:

.единство и борьба противоречий,

2.переход количественных изменений,

.отрицание отрицания.

Действие этих законов распространяется на все области бытия и мышления, по-разному развиваясь в каждой из них. Именно поэтому каждая вновь создаваемая наука должна опираться на эти законы.

5.1 Закон единства и борьбы противоположностей

Закон единства и борьбы противоположностей - ядро диалектики. Он служит источником возникновения любых объектов, в том числе материального мира и, в частности, технических систем. Закон характеризует одно из основных понятий ТРИЗ - противоречие, которое будет подробно рассмотрено дальше.

Понятие единства и борьбы противоположностей было ведено более 5000 лет древними китайскими философами в описании картины Мира, включающую материальную и духовную стороны. По мнению китайских философов, вселенная образована из энергии Чи (Chi), которая является средством взаимодействия мировых сил Инь (Yin) и Ян (Yang).

Силы Инь - символизируют Тьму, Холод, Зло, Покой, все отрицательное, плохое, женское начало.

Силы Ян - символизируют Свет, Тепло, Добро, Деятельность, все положительное, хорошее, мужское начало.

Силы Инь и Ян взаимодействуют, взаимопреодолевают и превращаются друг в друга.

Рис.7. Инь-Ян.

Постепенно нарастая одна в другой, они переходят стадию предела, когда преодоление одного начала сменяется преодолением другого. Затем начинается обратное движение. Этот процесс бесконечен, ибо движение во вселенной вечно.

Идею вечного движения и борьбы противоположных начал воплощает известный графический образ Инь-Ян (монада) - темная и светлая доли круга.

Символически это показано на рис.7, где белая часть круга - сила Ян, а черная - Инь.

Черный кружок на белом фоне означает, что Ян рождает Инь, а белый кружок на черном - Инь рождает Ян. Уменьшение Ян приводит к увеличению Инь (см. внизу круга) и, наоборот (верх круга).

.2 Закон перехода количественных изменений в качественные

Закон перехода количественных изменений в качественные вскрывает общий механизм развития. В процессе развития количественные изменения в системе происходят непрерывно. При достижении определенного предела совершаются качественные изменения. Новое качество ускоряет темпы роста. Количественные изменения при этом совершаются постепенно (эволюционно), а качественные - скачком. Характер и продолжительность скачка могут быть разнообразными - длительными и кратковременными, бурными и относительно спокойными, с взрывом и без него и так далее. Любая система (в том числе и техническая) проходит несколько этапов своего развития.

Рис.8. S-образная кривая. Где: P - параметр системы, t - время.

Вначале система развивается медленно (участок I), при достижении некоторого уровня развитие ускоряется (участок II) и после достижения некоторого более высокого уровня скорость роста уменьшается и в конечном итоге рост параметра системы прекращается (участок III), что означает появление в системе некоторых противоречий. Иногда параметры начинают уменьшаться (участок IV) - система "умирает".

Подобные кривые часто называют S - образными.

Для технических систем:

участок I - "зарождение" системы (появление идеи и опытных образцов),

участок II - промышленное изготовление системы и доработка системы в соответствии с требованиями рынка,

участок III - незначительное "дожимание" системы, как правило, основные параметры системы уже не изменяются, происходят "косметические" изменения, чаще всего не существенные изменения внешнего вида или упаковки,

участок IV - ухудшение определенных параметров системы, которое может вызываться несколькими фактами:

следование моде, влияние экономической, социальной или политической ситуации, религиозные ограничения и т.п.;

физическое и моральное старение системы.

Рис.9. Скачкообразное развитие систем

Рис.10. Огибающая кривая.

Как правило, на участке IV система прекращает свое существование или утилизируется. Прекращение роста данной системы не означает прекращение прогресса в этой области. Появляются новые более совершенные системы - происходит скачок в развитии. Это типичный пример проявления закона перехода количественных изменений в качественные. Такой процесс изображен на рис.9.

На смену системе 1 приходит 2. Скачкообразное развитие продолжается - появляются системы 3, 4 и т.д. (рис.10).

Общий прогресс в отрасли можно показать при помощи касательной к данным кривым (показанная на рисунке пунктирной линией) - так называемой огибающей кривой.

Развитие любого вида техники может быть примером, подтверждающим этот закон. Обратимся к судостроению.

Пример. Скорость передвижения гребных судов постепенно повышалась за счет увеличения числа весел, но не превышало 7-8 узлов.

Скачок в развитии - появление парусных судов. Рост скорости здесь осуществлялся путем увеличения общей площади парусов. Однако самые быстроходные парусные корабли не показывали более 12-13 уз. В то же время коммерческие клиперы середины XIX в. развивали до 20 уз.

Дальнейшее повышения скорости передвижения и независимость его от скорости и направления ветра привело к очередному скачку - появились суда с двигателями. Увеличение скорости хода в этом типе судна происходило путем совершенствования двигателей и замены их на другие типы с большей удельной мощностью.

Следующим скачком в развитии судостроения было вынесение водоизмещающей части корпуса судна из воды. Появились суда на подводных крыльях и полупогруженные суда. В дальнейшем еще уменьшили сопротивление воды о корпус (о стойки крыльев) - придумали суда на воздушной подушке. И, наконец, дальнейшее уменьшение сопротивление движению корпуса - судно вынесли еще дальше от воды - появились экранопланы.

Учет закона перехода количественных изменений в качественные происходит на этапе выбора задачи и прогнозирования развития систем.

5.3 Закон отрицания отрицания

Суть закона отрицания отрицания заключается в том, что процесс поступательного развития происходит в относительной повторяемости, как бы по пройденным ступеням. Но повторение каждый раз происходит на более высоком уровне с применением новых элементов, материалов, технологий и т.д. Можно сказать, что процесс развития происходит по спирали. Наиболее ярко это заметно в моде.

Проиллюстрируем этот закон.

Рис.11. Шахта в корме.

Пример. В XIX веке на парусно-винтовых судах двигатели использовались только при штиле. Чтобы гребной винт не создавал сопротивления при плавании под парусами, его делали съемным и поднимали через шахту в корме на палубу.

Совершенствование силовой установки позволило избавиться от парусов. Потребность в съеме винта отпала. Шахту в корме над винтом делать перестали. В ХХ веке большие гребные винты стали делать со съемными лопастями. Судно оснастили оборудованием для замены лопастей гребного винта на плаву. И снова появилась необходимость делать в корме шахты. В изобретении Великобритании, сделанном в 1968 году и запатентованном и в СССР предложено для улучшения условий ремонтопригодности, в навесной корме, расположенной над гребным винтом, сделать шахту, через которую поднимают и опускают ремонтируемую лопасть.

Вот еще одно решение этой проблемы для транспортных и рыболовных судов прибрежного плавания, оснащенных и двигателем и парусами. Датские инженеры создали необычный винт. Когда судно движется под парусами, винт автоматически складывается и практически не создает сопротивления. Но стоит упасть скорости судна, как лопасти винта тотчас занимают рабочее положение. Одновременно включается и двигатель. Суда с таким винтом развивают скорость на 10% выше обычных.

Пример. С появлением пароходов роль парусного флота стала уменьшаться, и сейчас паруса используются лишь на небольших рыболовецких, спортивных или учебных судах. Однако в Гамбургском институте кораблестроения (ФРГ) разработан проект коммерческого парусного судна

Паруса напоминают поставленные вертикально самолетные крылья. Мачты судов поворачиваются вокруг своей оси, ставя паруса под наиболее благоприятным углом к ветру. КПД новых парусов в 1,5 раза больше традиционных. Паруса ставятся и убираются по такому же принципу, как раздвижной занавес в театре.

Судно автоматизировано, и им можно было бы даже управлять на расстоянии. При среднем ветре под парусами судно может идти со скоростью 12-15 узлов, как и современные морские транспортные суда; при попутном ветре до 20 узлов (у судов в двигателями скорость при свежем ветре падает). Система парусов позволяет использовать самый слабый порыв ветра. На случай полного безветрия, что случается крайне редко, придется установить на судне маломощный двигатель. В ветреную погоду он будет управлять парусами. На паруснике установлен компьютер, обрабатывающий метеорологическую информацию, постоянно поступающую со спутника земли или наземной станции, и рекомендует капитану оптимальный курс.

В условиях энергетического кризиса паруса с успехом могут соперничать с любым двигателем, работающем на жидком топливе. Конструкторы считают, что достаточно вместительные парусники могут быть экономичнее даже судов с ядерными установками.

6. Законы организации технических систем

Законы организации представляют собой критерии жизнеспособности для разработки новых технических систем. Структура этих законов представлена на рис.12.

Рис.12. Структурная законов организации систем.

Жизнеспособность системы тесно связана с понятием системность.

Разрабатываемый объект будет жизнеспособен, если он выполнен системным.

Под системностью понимается работоспособная система, с определенной структурой, отвечающей ее предназначению. Эта структура должна обеспечивать главную цель системы, и выполнять все основные и вспомогательные функции.

Состав системы включает: собственно систему, ее подсистемы, надсистему и окружающую или внешнюю среду. Работоспособность зависит не только от структуры системы, но и учета всех взаимосвязей и взаимовлияний системы на надсистему, окружающую среду, системы на подсистемы и обратного влияния. Отсутствие учета таких влияний может не только отрицательно сказаться на работоспособности системы, но и влиять на внешнюю среду.

Системность учитывает и закономерности исторического развития исследуемого объекта.

Структурная схема системности представлена на рис.13.

Таким образом, системность учитываться использованием законов полноты и избыточности системы и минимального согласования и обеспечение желательных взаимосвязей и взаимовлияний.

Полнота и избыточность могут быть функциональные и структурные.

Рис.13. Системность.

Функциональная полнота и избыточность должны обеспечивать главную цель системы, и выполнять все основные и вспомогательные функции, т.е. выполнять одно из требований системности.

Структурная полнота и избыточность должна обеспечить наличие необходимых элементов и связей системы, т.е. выполнять другое требование системности - обеспечение состава и структуры системы.

В качестве основных элементов системы можно назвать:

Источник и преобразователь энергии

Рабочий орган

Система управления.

Связи могут иметь самый разнообразный характер, в частности они могут представлять собой трансмиссию, которая передает и/или преобразует энергию.

Элементы и связи могут быть вещественные, энергетические и информационные. Которые должны содержаться в необходимом количестве и обеспечивать определенное качество.

Таким образом, закономерности организации определяют функциональный состав и структуру системы, обеспечивающие ее минимальную работоспособность.

В наиболее общем виде система может выполнять функции переработки, транспортировки и хранения. Функциональный состав должен соответствовать функциональному назначению системы, прежде всего ее главной функции. Работоспособность структуры определяется минимальным набором основных функций.

Минимальное согласование проводится по функциям, структуре и соответствия структуры функциям. Это третье требование системности - учет взаимосвязей и взаимовлияний. Таким образом, согласование бывает:

·Функциональное

·Структурное

·Функционально-структурное.

Последнее требование системности - учет исторического развития системы необходим при прогнозировании развития объекта исследования. Это происходит путем учета выявленных тенденций исторического и логического развития данного объекта, и учета общих законов развития систем.

Основными законами организации технических систем являются:

полнота частей системы;

избыточность частей системы;

наличие связей между частями системы и системы с над системой;

минимальное согласование частей и параметров системы.

В наиболее общем виде структура основных законов организации систем представлена на рис.14.

Рис.14. Основные законы организации ТС.

Источники

1.http://ru. wikibooks.org/wiki/Учебник_ТРИЗ/Законы_развития_технических_систем

Введение

1. Понятия и определения

2. Закономерности техники

3. Основные законы развития технических систем

3.1 Закон прогрессивной эволюции техники

3.2 Закон полноты частей системы

3.3 Закон расширения множества потребностей-функций

3.4 Закон соответствия между функцией и структурой

4. Вытеснение человека из технических систем

4.1 Закон стадийного развития техники

4.2 Роботизация и законы робототехники

5. Прогнозирование развития технических систем

Список литературы

Введение

Развитие человечества, уже много столетий связано с развитием техники. На протяжении многих лет люди улучшали и модернизировали существующую технику и изобретали новую. Техника же помогала люди развиваться самим, улучшать свои навыки и способности.

Как и весь наш мир техника существует и развивается на основе законов. Разработка законов развития технических систем велась уже достаточно давно. Первую работу по законам развития техники написал Георг Гегель в параграфе «Средство» работы «Наука логики». «Техника механическая и химическая потому и служит целям человека, что ее характер (суть) состоит в определении ее внешними условиями (законами природы)». В 1843 году В. Шульц описал прототип закона полноты частей системы. Он писал, что «можно провести границу между орудием и машиной: заступ, молот, долото и т.д., системы рычагов и винтов, для которых, как бы искусно они ни были сделаны, движущей силой служит человек … все это подходит под понятие орудия; между тем плуг с движущей его силой животных, ветряные мельницы следует причислить к машинам ». Чуть позже некоторые законы развития техники были описаны К. Марксом и Ф. Энгельсом. К. Маркс описал эти законы в разделе «Развитие машин», «…различие между орудием и машиной устанавливают в том, что при орудии движущей силой служит человек, а движущая сила машины – сила природы, отличная от человеческой силы, например животное, вода, ветер и т.д.». Некоторые дополнительные материалы можно найти в работах Ф. Энгельса по истории развития военной техники и ведения войн. Это работы 1860–1861 гг., в частности: «О нарезной пушке», «История винтовки», «Оборона Британии», «Французская легкая пехота» и др. Определенным вкладом в понимании техники и ее законов было создание «философии техники». Этот термин ввел немецкий ученый Эрнест Капп. В 1877 году он выпустил книгу «Основные линии философии техники». Основное развитие этого течения проходило в начале XX века. В основном, развитием «философии техники » занимались немецкие ученые Ф. Дессауер, М. Эйт, М. Шнейдер и др. В России эту тематику разрабатывал П.К. Энгельмейер. В 1911 году он выпустил книгу «Философия техники». Все эти работы обсуждали теоретические и социальные проблемы техники и технического прогресса. Вопросами истории техники, классификации и определения понятий техники занимались многие ученые в различных странах К. Туссман и И. Мюллер (в Германии), В.И. Свидерский, А.А. Зворыкин, И.Я. Конфедератов, С.В. Шухардин (в России) и др. В 1962 году был выпущен фундаментальный труд по истории техники.

Тем не менее, наука о законах техники только начинает формироваться. И первый этап, естественно, связан с формулированием и обоснованием гипотез о законах строения и развития техники. Сегодня нет пока достаточно обоснованных общепризнанных отдельных законов техники и нет еще даже в гипотезах полной замкнутой системы их системы. Создание такой системы, как и обоснование отдельных законов – одно из важнейших актуальных современных направлений фундаментальных исследований, относящихся к технознанию и общей теории проектирования. Это направление ждет своих энтузиастов-исследователей.

Однако, в отличие от недавнего времени сегодня уже имеются теоретические и методические разработки по законам и закономерностям техники, которые представляют большой интерес для практического использования. Законы техники, а также более частные и локальные закономерности могут иметь многоплановое приложение в инженерном творчестве. Во-первых, на основе законов и закономерностей техники могут быть разработаны наиболее эффективные методология и методы инженерного творчества. Во-вторых, привязка законов и закономерностей к конкретному классу технического объекта позволяет определить наиболее структурные свойства, облик и характеристики технического объекта в следующих поколениях.

В данной работе будут рассмотрены наиболее основные законы, нашедшие свое подтверждение на практике, на основание которых можно анализировать существующие технические объекты и со степенью вероятности проектировать дальнейшее развитие отдельных машин и механизмов.

Прежде чем перейти непосредственно к самим законам, нужно дать точное определение техническим объектам, описывающимся в этих законах, и дать определения закону, как понятию.

1. Понятия и определения

Техника(греческое «техне» – ремесло, искусство, мастерство).

Определения техники можно объединить в три основные группы. Их можно представить следующим образом: техника как искусственная материальная система; техника как средство деятельности; техника как определенные способы деятельности.

Первое значение (техника как искусственная материальная система) выделяет одну из сторон существования техники, относя ее к искусственным материальным образованиям. Но не все искусственным материальным образования являются техникой (например, продукты селекционной деятельности, которые обладают естественной структурой). Поэтому сущность техники не исчерпывается подобными определениями, так как не выделяют технику среди других искусственных материальных образований.

Второе значение также является недостаточным. Техника трактуется как средство труда, средство производства, орудия труда и т.д. Иногда техника определяется сразу и как средства, и как орудия. Но это не корректно, так как и то и другое понятия лежат в одной плоскости рассмотрения и средства труда являются более широким понятием по отношению к орудиям труда.

Третье выделенное значение – техника как определенные способы деятельности. Но этой сущности скорее соответствует понятие «технологический процесс», который, в свою очередь, является элементом технологии.

Технический объект. Понятие «технический объект» обозначает такое техническое явление, которое обладает всеми основными признаками общего класса технических образований. Отдельный технический объект является наиболее полной единичной клеткой технического мира.

Таким образом, технические объекты – это такие образования, которые, выполняя функцию средства человеческой деятельности, интегрируют в себе основные стороны деятельности человека (материальную, научную, художественную). Все другие образования существуют относительно самостоятельно и образуют смежные явления, представляющие отдельные части целого. К ним можно отнести: явления духовной жизни человека; произведения искусства; используемые неизмененные природные формы; технические системы, обладающие искусственной природой, но не выполняющие целостной социальной функции.

Наиболее детально характеристику технического объекта дал В.В. Чешев. Он пишет «…технический объект предстает в виде определенной совокупности элементов, в виде определенной вещественной структуры. …он представляет собой особую «целесообразную форму» проявления некоторого закона природы и должен описываться со стороны технических свойств, проявляемых им при практическом использовании в производственной (или какой-либо другой) сфере деятельности, а также должен быть описан со стороны своего внутреннего содержания как процесс, определяемый законом природы. Описывая техническое устройство совокупностью технических и естественных свойств, мы получаем обобщенное представление о техническом объекте».

Машина (от лат. machina – устройство искусственного происхождения (совокупность агрегатов или устройств).

Машиной называют устройство для совершения полезной работы или преобразования энергии. Машины, в которых энергия преобразуется в механическую работу, затрачиваемую на приведение в движение машин-орудий, называют машинами-двигателями.Машины, при помощи которых производится изменение формы, свойств, положения, состояния тех или иных материалов или предметов, называют машинами-орудиями (например, металлорежущий станок). «Идеальная машина» – абстрактный эталон, в реальных условиях недостигаемый и отличающийся следующими обстоятельствами:

Все части идеальной машины все время несут полезную расчетную нагрузку.

Материал «идеальной машины» работает так, что его свойства используются наилучшим образом, например, металлические части работают только на растяжение, деревянные части – только на сжатие и т.д.

Для каждой части «идеальной машины» созданы наиболее благоприятные внешние условия (температура, давление, характер движения внешней среды и т.д.).

Если «идеальная машина» передвигается, то вес, объем и площадь полезного груза совпадают или почти совпадают с весом, объемом и площадью самой машины.

«Идеальная машина» способна менять назначение (в пределах своей основной функции).

Межремонтный период частей равен сроку службы всей «идеальной машины».

Сравнивая «идеальную машину» с идеей изобретения, можно судить об уровне, вообще достигнутом в данной отрасли техники, и о качестве найденной идеи.

Механизм – это совокупность тел (обычно – деталей машин), ограничивающих свободу движения друг друга взаимным сопротивлением. Механизмы служат для передачи и преобразования движения. Как преобразователь движения механизм видоизменяет скорости, или траектории, или же и то, и другое. Он преобразует скорости, если при известной скорости одной из его частей другая его часть совершает движение, подобное движению первой, но с другой скоростью. Механизм преобразует траекторию, если, в то время как одна из его точек описывает известную траекторию, другая описывает другую заданную траекторию.

Теперь перейдем к определению закона и требования, которым должны удовлетворять законы техники.

Закон- необходимое, существенное, устойчивое, повторяющееся отношение между явлениями. Закон выражает связь между предметами, составными элементами данного предмета, между свойствами вещей, а также между свойствами внутри вещи. Но не всякая связь есть закон. Связь может быть необходимой и случайной. Закон – это необходимая связь. Он выражает существенную связь между сосуществующими в пространстве веществами. Это закон функционирования.

Закономерность, обусловленность объективными законами; существование и развитие соответственно законам

А.И. Половинкин сформулировал требования, которым должны удовлетворять законы техники:

1. Формулировка закона техники должна быть по форме лаконичной, простой, изящной, а по содержанию отвечать данным выше определениям закона.

2. Формулировка закона техники должна быть обобщенной и отражать очень большое число известных и возможных факторов. Иначе говоря, закон должен допускать эмпирическую проверку на существующих или специально полученных факторах, имеющих количественную или качественную форму. При этом формулировка закона должна быть настолько четкой, что два человека, независимо подбирающие и обрабатывающие фактический материал, должны получить одинаковые результаты проверки.

3. Формулировка закона техники должна не только констатировать: что, где, когда происходит (то есть упорядочивать и сжато описать факты), но еще, по возможности, дать ответ на вопрос, почему так происходит. В связи с этим заметим, что в науке немало существовало и существует эмпирических законов, которые на отвечают на вопрос «почему?» или отвечают на него частично. И по-видимому, почти нет научных законов (в виду локального характера их действия), которые отвечают на вопрос «почему?». На все вопросы обычно отвечает теория, опирающаяся на несколько законов.

4. Формулировка закона техники должна быть автономно независимой, то есть к законам будем относить такие обобщенные высказывания, которые не могут быть логически выведены из других законов техники. Выводимые обобщения будем относить к закономерностям техники.

5. Формулировка закона техники должна учитывать взаимосвязи: «техника – предмет труда», «человек – техника», «техника – природа», «техника – общество».

6. Формулировка закона техники должна иметь предсказательную функцию, то есть предсказывать новые неизвестные факты, которые могут быть более или менее очевидными, а иногда необычными, парадоксальными.

7. Формулировка всех законов техники должна иметь четко определенную единую понятийную основу.

2. Закономерности техники

Основные закономерности техники описал Ю.С. Мелещенко. Он глубоко и обстоятельно исследовал развитие техники, технических и естественных наук. В своей работе он дал глубокий анализ: концепций, понятий, определений и классификации техники; системы связи техники с другими общественными явлениями; развития техники, и научно-технических революций. В результате этого анализа Ю.С. Мелещенко вывел следующие закономерности развития техники:

1. Закономерности, характеризующие сдвиги в материальной стороне техники;

1.1 Изменения в применении материалов

1.2. Расширение ассортимента природных материалов, применяемых в технике.

1.3. Вовлечение материалов природы в сферу технического использования

1.4. «Поиск и создание новых материалов сочетается с постоянным совершенствованием имеющихся материалов, выявлением и использованием их новых свойств. Этот процесс, имеющий закономерный характер, пронизывает всю историю техники».

1.5. Растущая целенаправленность в применении материалов, из которых создана техника.

1.6. Подбор материалов, которые по своим свойствам наиболее соответствуют структуре и свойствам технических устройства.

1.7. Рациональное использование материалов в количественном отношении. Изменение показателей (обычно в сторону уменьшения) по мере совершенствования техники. Например, уменьшение удельного веса, коэффициента компоновки, показателя относительного веса конструкции и др.

2. Закономерности, связанные с изменениями в использовании процессов природы. Большую часть этой группы образуют закономерности, которые выражают сдвиги в энергетических и других процессах, используемых в технике.

2.1. Последовательное овладение все более сложными формами движения материи, их техническое использование, расширение спектра процессов, применяемых в технике (использование физических, химических и биологических процессов).

2.2. Использование все более глубоких и мощных источников энергии. От использования мускульной энергии человека и животных, к использованию энергии движения воды и воздуха, тепловой энергии (паровой двигатель, двигатель внутреннего сгорания), электроэнергии, атомной энергии.

2.3. Растущая интенсивность применяемых процессов. Например, давления, температуры, скорости, напряжения, скорости и интенсивности применяемых процессов, увеличение скорости и количества принимаемой и перерабатываемой информации и т.д.

2.4. Постоянное возрастание степени целенаправленности используемых энергетических и других процессов. «Смысл и назначение техники и состоит в том, чтобы не просто осуществить какой-то процесс, а максимально направить его в нужную сторону, сделать его наиболее полезным и рациональным». Это осуществляется двумя путями:

2.4.1. Усовершенствование выбранного принципа действия

2.4.2. Переход к принципиально новой технике.

3. Закономерности, связанные с изменением ее элементов, структуры и функций.

3.1. Процесс дифференциации и специализации технических систем, их элементов. «Объективные предпосылки к этому коренятся в росте и развитии общественных потребностей, которые вызывают к жизни все новые и новые формы деятельности, а вместе с ними и соответствующие средства труда. Эти процессы обусловлены также внутренней логикой развития техники».

3.2. Функциональная специализация. Средства труда или сложные технические системы предназначены для обслуживания определенной функции или достаточно общей операции.

3.3. Предметная специализация. Технические устройства или их элементы предназначаются для выполнения узкой операции, имеют ограниченную и жестко закрепленную программу действий.

Интересно отметить так же, что понимает Ю.С. Мелещенко под дифференциацией и специализацией. Он пишет: «Характерно также усиление дифференциации и специализации элементов технических устройств и систем. Примером тому служит классическая система машин трехзвенного состава, включающая в себя рабочую машину, передаточных механизм и двигатель. На ступени автоматизации она дополняется таким специализированным элементом, как управляющее устройство».

4. Процесс усложнения и интеграции техники.

4.1. Движение к автоматизации. «Можно выделить три основных этапа исторически развивающегося взаимодействия, людей и техники в процессе трудовой, целесообразной деятельности: 1) этап использования орудий техники; 2) этап машинной техники; 3) этап автоматизации». «Таким образом, закономерным для развития машинной техники является последовательное и все более полное замещение человека в выполнении материальных функций». «Автоматизация проходит рад ступеней в своем развитии. Различают частичную, комплексную и полную автоматизацию».

Все эти закономерности имеют в своей основе фундаментальные законы развития техники.

3. Основные законы развития технических систем

3.1 Закон прогрессивной эволюции техники

Действие закона прогрессивной эволюции в мире техники аналогично действию закона естественного отбора Дарвина в живой природе. Он отвечает на вопросы, почему происходит переход от предшествующего поколения технического объекта (далее ТО) к следующему улучшенному поколению; при каких условиях, когда и какие структурные изменения происходят при переходе от поколения к поколению.

Формулировка закона: В ТО с одинаковой функцией переход от поколения к поколению вызван устранением выявленного главного дефекта (дефектов), связанного, как правило, с улучшением критериев, развития, и происходит при наличии необходимого научно-технического уровня и социально-экономической целесообразности следующими наиболее вероятными путями иерархического исчерпания возможностей конструкции:

а) при неизменном физическом принципе действия и техническом решении улучшаются параметры ТО до приближения к глобальному экстремуму по значениям параметров;

б) после исчерпания возможностей цикла а) происходит переход к более рациональному техническому решению (структуре), после чего развитие опять идет по циклу а). Циклы а) и б) повторяются до приближения к глобальному экстремуму по структуре для данного принципа действия. При этом значения критериев развития, как правило, изменяются в соответствии функцией вида:

В формуле приняты следующие обозначения: L, a, b, b-коэффициенты определяемые по статическим данным; t – время. Вид функции, называемой S – функцией, показан на рисунке 1.

Рисунок 1. Закономерность изменения значений критерия развития при неизменном принципе действия

В) после исчерпания возможностей циклов а) и б) происходит переход к более рациональному физическому действия, после чего развитие опять идет по циклам а) и б). Циклы а) – в) повторяется до приближения к глобальному экстремуму по принципу действия для множества известных физических эффектов.

При этом в каждом случае перехода от поколения к поколению в соответствии с частными закономерностями происходят изменения конструкции, корреляционно связанные с характером дефекта у предшествующего поколения, а из всех возможных изменений конструкции реализуется в первую очередь то, которое дает необходимое или существенное устранение дефекта при минимальных интеллектуальных и производственных затратах. Циклы, описанные выше, представлены в таблице 1.

Таблица 1 Иерархическое исчерпание возможностей конструкторско-технологических решений

Таким образом, суть закона состоит в том, что в ТО с одинаковой функцией каждый переход от поколения к поколению вызван устранением возникшего главного дефекта (дефектов), связанного с улучшением какого-либо критерия (показателя) развития при наличии определенных технико-экономических условий. Таким образом, сначала на 1-м уровне улучшаются параметры используемого технического решения. Когда изменение параметров мало что дает, изменения осуществляют на 2-м уровне путем перехода к более эффективному техническому решению без изменения физического принципа действия. Затем, при исчерпании параметров, переходят на новое более прогрессивное техническое решение. Указанные циклы на 1-м и 2-м уровнях происходят до тех пор, пока в рамках используемого принципа действия уже не находят новых технических решений, обеспечивающих улучшение интересующих показателей. После этого наступает революционное изменение на 3-м уровне – переход на новый, более прогрессивный принцип действия и т.д. При этом в каждом случае перехода от поколения к поколению действуют весьма определенные частные закономерности изменения конструкции, которые с большой вероятностью конкретизируют направление и характер изменения ТО в следующем поколении.

Следует иметь в виду, что в законе прогрессивной эволюции иерархическое исчерпание конструкции не действует формально: «пока не будут достигнуты глобально оптимальные параметры, не может произойти переход к новому техническому решению, или пока не будут исчерпаны возможности наилучшего технического объекта (в рамках определенного принципа действия), не может произойти переход к новому принципу действия». Закономерность иерархического исчерпания конструкции действует, как указанно в формулировке закона, при соблюдении следующего условия: если при наличии необходимого научно-технического потенциала переход к новому техническому решению или принципу действия обеспечивает получение дополнительной эффективности, существенно превышающей дополнительные интеллектуальные и производственные затраты, то может произойти скачок к новому техническому решению или принципу действия без исчерпания возможностей предыдущего технического решения или принципа действия.

3.2 Закон полноты частей системы

Закон полноты частей системы был разработан автором ТРИЗ Г.С. Альтшуллером. Он выглядела так:

1. Отдельные элементы машины, механизма, процесса всегда находятся в тесной взаимосвязи.

2. Развитие происходит неравномерно: одни элементы обгоняют в своем развитии другие, отстающие.

3. Планомерное развитие системы (машины, механизма, процесса) оказывается возможным до тех пор, пока не возникнут и не обострятся противоречия между более совершенными элементами системы и отстающими ее частями.

4. Это противоречие является тормозом общего развития всей системы. Устранение возникшего противоречия и есть изобретение.

5. Коренное изменение одной части системы вызывает необходимость для функционально обусловленных изменений в других ее частях.

«Между главными составными частями машины – рабочим органом, передаточным механизмом (трансмиссией) и двигателем – имеется определенное соотношение, ибо все эти части находятся в тесной взаимосвязи и взаимообусловленности. Наличие взаимосвязи между главными составными частями машины приводит к тому, что развитие той или иной части оказывается возможным только до определенного предела – пока не возникнут противоречия между измененной частью машины и оставшимися без изменений другими ее частями». И далее «Противоречия, возникающие между отдельными частями машины, являются тормозом общего развития, ибо дальнейшее усовершенствование машины невозможно без внесения изменений в соответствующие ее части, без коренного улучшения их свойств».

Это закон объясняет причину, того что даже революционное изменения одно элемента, как это описано в 1 законе не приводит к аналогичному улучшению всей машины в целом.

3.3 Закон расширения множества потребностей-функций

Этот закон имеет отношение к развитию техники в целом отдельной страны или всего мира. В политэкономии уже давно известен закон возвышения потребностей, которые сформулирован на качественном уровне. Формулировка закона основывается на предшествующих работах и относится только к потребностям, реализуемым с помощью ТО:

При наличии необходимого потенциала и социально-экономической целесообразности возникшая новая потребность удовлетворяется с помощью впервые созданных технических средств (объектов); при этом возникает новая функция, которая затем существует как угодно долго, пока ее реализация будет обеспечивать и сохранение и улучшение жизни людей. Число таких качественно и количественно различающихся потребностей-функций, относящихся к техносфере страны или мира, со временем монотонно и ускоренно возрастает по экспоненциальному закону

где – число потребностей-функций до момента t=0: – эмпирический коэффициент;

t – время в годах.

3.4 Закон соответствия между функцией и структурой

Закон между функцией и структурой на протяжении многих веков изучали и обсуждали на философском уровне. При этом отмечали и анализировали многочисленные факты удивительных соответствий между выполненными функциями любого органа живого организма и его структурой (строением, конструкцией, конструктивными признаками). Такие же соответствия отмечались в деталях узлах машин, сооружений и других технических объектов.

Главная суть закона заключается в том, что в правильно спроектированном техническом объектом каждый элемент от сложных узлов до простых деталей и каждый конструктивный признак имеют вполне определенную функцию (назначение) по обеспечению работы технического объекта. И если лишить такой ТО какого-либо элемента или признака, то он либо перестанет работать (выполнять свою функцию), либо ухудшит показатели своей работы. В связи с этим у правильных ТО нет «лишних деталей». Эта главная суть соответствия между функцией и структурой лежит в основе всей познавательной деятельности, связанной с анализом и изучением существующих ТО и всей проектно-конструкторской деятельности по созданию новых ТО.

Каждый элемент ТО или его конструктивный признак имеют хотя бы одну функцию по обеспечению реализации функции ТО, т.е. исключение элемента или признака приводит к ухудшению какого-либо показателя ТО или прекращению выполнения им своей функции. Совокупность всех таких соответствий в ТО представляет собой функциональную структуру в виде ориентированного графа, который отражает системную целостность ТО и соответствие между его функцией и структурой (конструкцией).

Рассмотрим этот закон на примере функционального строения обрабатывающих (технологических) машин.

ТО или соответствующие человеко-машинные системы, предназначены для обработки материального предмета труда, состоят из четырех подсистем (элементов) , реализующих соответственно четыре фундаментальные функции, показанные на рисунке 2

Рисунок 2. Обобщенная функциональная структура обрабатываемых машин: => поток вещества, поток энергии, поток управляющих сигналов и воздействий

Ф1 – технологическая функция – обеспечивает превращение исходного материала (сырья) в конечный продукт ;

Ф2 – энергетическая функция – превращает вещество или извне полученную энергию в конечный вид энергии , необходимы для реализации функции Ф1;

Ф3 – функция управления – осуществляет управляющие воздействия , на подсистемы , в соответствии с заданной программой и полученной информацией , о количестве и качестве выбранного конечного продукта и конечной энергии ;

Ф4 – функция планирования – собирает (получает) информацию о произведенном конечном продукте и определяет потребные качественные и количественные характеристики конечного продукта.

Анализ функций различных ТО позволяет накапливать и формировать базы данных по формализованным описаниям функций элементов ТО и функциональным структурам ТО. Все эти базы данных могут быть эффективно использованы в различных методах поискового проектирования и конструирования, при проведении функционально-стоимостного анализа ТО технологий, построений информационно-поисковых систем для поддержки проектно-конструкторской деятельности.

4 Вытеснение человека из технических систем

4.1 Закон стадийного развития техники

В техники революционные изменения связаны с передачей техническим средствам широко распространенных функций, выполняемых человеком. Закон стадийного развития техники отражает революционные изменения происходящие в процессе развития как отдельных классов ТО, так и техники в целом. Гипотеза о законе имеет на инженерном уровне следующую формулировку.

ТО с функцией обработки материального предмета труда имеют четыре стадии развития, связанные с последовательной реализацией с помощью технических средств четырех фундаментальных функций и последовательным исключением из технологического процесса соответствующих функций, выполняемых человеком:

на первой стадии ТО реализует только функцию обработки предмета труда (технологическая функция);

на второй стадии, наряду с технологической, ТО реализует еще функцию обеспечения энергией процесса обработки предмета труда (энергетическая функция);

на третий стадии ТО реализует еще функцию управления процессом обработки предмета труда;

на четвертой стадии ТО реализует также и функцию планирования для себя объема и качества продукции, получаемой в результате обработки предмета труда; при этом человек полностью исключается из технологического процесса, кроме более высоких уровней планирования.

Переход к каждой очередной стадии происходит при исчерпании природных возможностей человека в улучшении показателей выполнения соответствующей фундаментальной функции в направлении дальнейшего повышения производительности труда и (или) качества производимой продукции, а также при наличии необходимого научно-технического уровня и социально экономической целесообразности.

В таблице 2 приведены примеры стадийного развития различных ТО, которые дополняют формулировку закона. Рассматриваемый закон имеет определенную связь с закономерностью функционального строения обрабатывающих машин.

Таблица 2. примеры стадийного развития ТО

Функция ТО	ТФ	ТФ+ЭФ	ТФ+ЭФ+ФУ	ТФ+ЭФ+ФУ+ФП
Размалывание зерна Получение осесеметричных круглых деталей из твердотельных заготовок Транспортирование груза по дороге	Каменные жернова с ручным приводом Токарный станок с рунным или ножным приводом Тачка или тележка, приводимая в движение человеком	Каменные жернова с приводом от водяного колеса или паровой машины Токарный станок с приводом от водяного колеса, паровой машины или электродвигателя Телега, приводимая в движение тягловым животным или автомобиль	Мельница с системой автоматического управления (САУ) Токарный станок с числовым программным управлением (ЧПУ) Автомобиль с САУ	Мельница с САУ, получающая задания от автоматизированной системы планирования работ (АСПР) Станок с ЧПУ, получающий задания от АСПР Автомобиль с САУ, получающий задания от бортовой АСПР, осуществляющей предварительный сбор информации
Примечание. ТФ – технологическая функция; ЭФ – энергетическая функция; ФУ – функция управления; ФП – функция планирования.

Закон стадийного развития отражает также развитие мировой техники в целом, что наглядно показано в таблице 3 где обозначение «ТО» указывает на реализацию соответствующей фундаментальной функции техническими средствами.

Таблица 3. Стадии развития техники

Следует отметить, что предписываемая законом картина последовательного четырех стадийного развития ТО имеет место только для классов ТО, появившихся до XVIII века. Уже в XIX веке, когда техника в целом находилась на второй стадии развития, вновь появившиеся ТО одновременно реализовали технологическую и энергетическую функции, поскольку для этого существовал необходимы научно-технический уровень и это следовало из требований социально-экономических целесообразности. Аналогично картину мы наблюдаем в настоящее время, когда вновь появляющеюся пионерные ТО для реализации новых потребностей часто реализует сразу три фундаментальные функции (технологическую, энергетическую, управления).

4.2 Роботизация и законы робототехники

В данной работе мы рассмотрим законы роботостроения и робототехники лишь обзорно и не будем углубляется во все существующие проблемы данной индустрии.

В настоящее время автоматизация достигла такого уровня, при котором ТО выполняют не только функции по обработке материальных предметов, но и начинают выполнять обслуживанию и планированию. Человекоподобные роботы уже выполняют функции секретарей и гидов. Робототехника уже выделена в отдельную отрасль. Сегодня человечество практически вплотную подошло к тому моменту, когда роботы будут везде и всюду. Латентная, почти незаметная в быту эволюция роботов вот-вот выльется в самую настоящую революцию роботов . Или даже Великую Революцию Автоматизированной Экономики .

Законы робототехники еще только разрабатываются. Сейчас многие ученые стараются выработать законы развития роботов и законы взаимодействия человека с роботом. Эти законы могут сыграть важную роль в будущем.

1. Робот не может причинить вред человеку или своим бездействием допустить, чтобы человеку был причинён вред (A robot may not injure a human being or, through inaction, allow a human being to come to harm)

2. Робот должен повиноваться всем приказам, которые дает человек, кроме тех случаев, когда эти приказы противоречат Первому Закону (A robot must obey orders given to it by human beings, except where such orders would conflict with the First Law)

3. Робот должен заботиться о своей безопасности в той мере, в которой это не противоречит Первому и Второму Законам (A robot must protect its own existence as long as such protection does not conflict with the First or Second Law).

Значительно позже, в 1986 году, Азимов дополнил этот свод законов ещё одним, нулевым правилом:

· Робот не может нанести вред человечеству или своим бездействием допустить, чтобы человечеству был причинён вред (A robot may not harm humanity, or, by inaction, allow humanity to come to harm)

Согласно статистической информации, собранной учёными проекта PHRIENDS (Physical Human-Robot Interation: DepENDability and Safety, то есть, Физическое взаимодействие людей и роботов: Надёжность и Безопасность), сегодняшние «гражданские» роботы в большинстве случаев безопасны лишь когда изолированы от доступа человека или когда передвигаются достаточно медленно. То есть, ни о каком соблюдении требований Первого (и Нулевого) Законов Робототехники пока и речи быть не может.

Сейчас ведутся активные разработки по обеспечению безопасности. В частности, сейчас учёные занимаются работой над прототипом исполнительного механизма под названием Variable Stiffness Actuator (VSA) с мехатронным (электронно-мехиническим) дизайном, позволяющим создавать лёгкие и менее «жёсткие» конечности роботов. Возможно, чем-то подобным будут оснащаться эти самые «робоняньки для престарелых», но на первое время подобные манипуляторы будут очень даже к месту на обычном производстве, где роботы и люди по-прежнему вынуждены трудиться «плечом к плечу». Уж если кто и сможет сказать что-то дельное при разработке будущих мировых стандартов безопасности роботостроения, то без мнения этих учёных точно не обойтись.

Также в роботостроении существует закономерность согласно которой, роботы с каждым поколением приобретают все больше человеческих черт и признаков . Это связано с тем что человеку психологический проще находиться рядом с объектом, который обладает сходством с человеком, кроме того не за горами когда роботы начнут выполнять роль нянек для младенцев и пожилых людей, такие разработки уже активно ведутся.

Однако препятствием к очеловечиванию роботов препятствует феномен так называемой «долины жути». В 1970 году пионер японской робототехники Масахиро Мори описал явление, названное им «Букими но тани» – «Долина жути» (сейчас распространен англоязычный термин, Uncanny Valley). Доктор Мори предположил, что человекообразные роботы будут симпатичны нам до лишь определенного предела. Когда внешний вид и поведение таких механизмов достигнут почти полной реалистичности, человек станет испытывать к ним резкую неприязнь. Но как только будет достигнут полный реализм, наше восприятие снова сменится на положительное или нейтральное. Объясняется это тем, что мы склонны испытывать симпатию к неодушевленным предметам, обнаруживающим сходство с человеком; обратная же ситуация, когда объект выглядит почти как человек, но демонстрирует явные признаки неодушевленного предмета, вызывает негативную реакцию, замешательство и страх. В 1978 году Мори объявил о подтверждении своей гипотезы, проведя ряд экспериментов при поддержке Токийского института технологий. Испытуемые добровольцы действительно охотнее проникались расположением к негуманоидным роботам, в то время как человекообразные автоматы чаще вызывали у них неприязнь.

Рисунок 3 Восприятие человека человекоподобных объектов

Таким образом, перед разработчиками роботов стоит еще очень большое количество проблем, поскольку многие законы и закономерности еще в роботостроение не установлены человеком еще или имеют не подтвержденный характер.

5. Прогнозирование развития технических систем

Если говорить, в общем, то прогнозирование развития техники в целом является очень сложной задачей, поскольку существующие законы техники не могут сказать каким будет уровень научно-технического развития через несколько лет. Так же тот же закон прогрессивной эволюции техники может установить как близко подошел тот или иной ТО к переходу на новый уровень. Прогнозирование с помощью S функции позволяет установить, насколько недоиспользованы возможности применяемого принципа действия Если эти возможности имеют значительные резервы, то на основе прогнозирования можно сформулировать задание на улучшение интересующих главный показателей. Если же прогноз покажет, что возможности принципа действия практически исчерпаны, то будет сделан обоснованный вывод о необходимости перехода на новый принцип действия. Но закон прогрессивной эволюции не может ответить каким будет новый принцип действия и когда именно произойдет переход.

Сейчас активно ведутся разработки по использованию законов развития биологии и переносе «патентов» природы для решения изобретательских задач.

Первым в 1964 г. высказал эту идею Г. Альтшуллер: «Как известно, бионика изучает животных с целью примене ния найденных принципов и приемов работы их органов к решению инженерно-технических задач. Однако современные животные – слишком сложные прообразы для современной техники. Это нередко затрудняет изучение «живых моделей», тормозит (а порой делает невозможным) создание технических аналогов. Между тем часто целесообразно брать в качестве прообразов вымерших ныне животных, изучаемых палеонтологией, так как они проще устроены. Другое преимущество такого подхода состоит в том, что во много раз расширяется круг прообразов, ибо современные животные – лишь незначительная часть фауны, существовавшей в течение всей истории Земли».

Многие природные механизмы и «конструкции» сейчас применяются в авиа- и машиностроении, в робототехники, медицине.

Применительно к конкретному ТО можно проводить анализ на основе закона соответствия между функцией и структурой.

Этот анализ сводиться к следующему.

1. Оценка функциональной ценности каждого элемента (узла или детали в машине, машины или станка в технологическом комплексе) с точки зрения его исключения и передачи его функций другому элементу.

2. Выделение комплекса функций в целях их реализации одним автономным техническим средством

3. Оценка целесообразности изменения потоковой функциональной системы и выбора более рациональной последовательности функциональных элементов.

4. Оценка целесообразности разделения функций элементов, выполняющих две и более функции.

5. Проверка полноты функциональной системы в соответствии с закономерностью функционального строения данного класса ТО. Оценка целесообразности введения новых функциональных элементов.

6. Выделение функций, выполняемых человеком, и оценка возможности и целесообразности их выполнениями техническими средствами

7. Оценка возможности использования функциональной системы ТО, выполняющих близкие и аналогичные функции и имеющих опережающие темпы развития по сравнению с разрабатываемым классом ТО.

Практическое использование закона стадийного развития связано с проведением исследований по его привязки к интересующему классу ТО, а также к функционально близкому классу ТО, имеющих опережающие темпы развития. При выполнении этих исследований даются ответы на следующие вопросы:

На какой стадии развития находиться рассматриваемый ТО или технологический комплекс?

Ограничивает ли возможности человека существенное улучшение основных показателей ТО?

Имеются ли необходимые научно-технические и технологические возможности для перехода на следующую стадию?

Имеется ли социально-экономическая целесообразность перехода на следующую стадию?

На основе такого анализа делается вывод о целесообразности перехода на следующую стадию и формируется соответствующее задание на научно-исследовательские и опытно-конструкторские разработки.

И так на основе имеющихся законов можно анализировать существующие конкретные технические объекты, устанавливать их уровень развития и прогнозировать их дальнейшее развитие. Но прогнозировать развитие техники в целом очень затруднительно и такой прогноз будет условным и неточным. В настоящее время еще не сложилась единая система законов развития техники и любых других систем. Будущим исследователям законов развития систем предстоит серьезно исследовать все имеющиеся материалы. Прежде всего, нужно исследовать самые древние системы. К ним в первую очередь относятся биологические системы. Может быть, следует даже исследовать еще более древние системы образования звезд, планет и космической системы и галактики. Должны быть исследованы различные виды культур, языки, религии, музыка, литература, искусства и т.д. Не менее интересно исследовать стремительно развивающиеся сегодня системы высоких технологий. Здесь тоже имеются свои закономерности. Особенно это касается микроэлектроники, компьютеров и программирования. В них наверняка имеются те закономерности, которые еще не выявлены.

Литература

1. Половкин А.И. Законы строения и развития техники. 3-е издание, переработанное и дополненное. Волгоград 1985 г.

2. Половкин А.И. Основы инженерного творчества. 2-е издание, переработанное и дополненное – М. Машиностроение, 1988. -368 с., ил.

3. Чешев В.В. О предмете и основных понятиях технических наук (гносеологический анализ). Автореферат диссертации на соискание ученой степени кандидата философских наук. Томск, 1968. с. 8 и 12.

4. Мелещенко Ю.С. Техника и закономерности ее развития. – Л.: Лениздат, 1970, 248 с

5. Альтшуллер Г.С. Как научиться изобретать. – Тамбов: Кн. изд., 1961,

6. Альтшуллер Г.С. О законах развития технических систем. – Баку, 20.01.1977.

7. Золотин. Б.Л., Зусман А.В. Законы развития и прогнозирования технических систем. Кишенев, Прогресс, 1989 г.

8. Петров В.М. Закономерности развития технических систем. – Методология и методы технического творчества. – Тезисы докладов и сообщений к научно-практической конференции 30 июня – 2 июля 1984 г. – Новосибирск, 1984 г.

9. Свидерский В.И. Некоторые особенности развития в объективном мире. – Л.: Изд-во ЛГУ, 1965.