Учебник по ТРИЗ

Гасанов А И

Бубенцов В Ю

Евсюков С А

Кудрявцев А В

Ревенков А В

В пособии хорошо описывается теория решения изобретательских задач и рассматриваются её инженерные приложения в качестве примеров. Последняя глава книги посвящена идеям и жизни создателя ТРИЗ — Г. С. Альтшуллера (писателя-фантаста Генриха Альтова).

Сетевая, неполная версия учебника.

 

Предисловие

Одним из основных недостатков, свойственных многим выпускникам вузов, является неумение самостоятельно ставить и решать плохо формализованные задачи. Поэтому, приходя на производство, они зачастую оказываются беспомощными перед возникающими техническими, увы, не учебными проблемами, теряются в нестандартных ситуациях, плохо ориентируются в быстро изменяющемся мире техники. Причина такого положения в том, что при изучении вузовского курса большинство учебных дисциплин, как правило, базируется на рассмотрении хорошо известных и отработанных на сегодняшний день объектов техники, на решении теоретических и практических задач, для которых уже имеется их готовая постановка. При этом объекты техники изучаются вне связи с законами развития техники, а способы решения задач даются в виде набора алгоритмов, иллюстрирующихся рафинированными учебными примерами, причем преподавателю (а часто и студенту) заранее известен правильный ответ. Решение подобных учебных задач обычно превращается в достаточно рутинную работу, не требующую глубоких творческих размышлений. Все это не способствует развитию инженерного мировоззрения, инженерного мышления.

Не отрицая необходимости приобретения навыков хорошего решения такого типа задач, хотелось бы высказать мысль, что каждый преподаватель высшей школы должен быть озабочен тем, чтобы будущий специалист, прежде всего, овладел бы системным видением мира, в том числе и мира технических систем, знаниями и навыками, необходимыми специалисту для решения нетиповых, творческих задач. При этом под творческими задачами мы как раз и подразумеваем такие из них, для которых в данный момент нет готовой четкой формулировки, неизвестен заранее способ решения, а близкие примеры решения аналогичных задач в данной отрасли техники не очевидны или попросту известны. При этом каждая задача может иметь несколько вариантов решений, из которых специалисту необходимо уметь выбирать наиболее рациональное. Работе с такими задачами Высшая школа не учит.

В значительной мере восполнить указанный пробел в постановке инженерного образования позволяет изучение приемов и методов решения творческих проблем, объединенных в рамках ТРИЗ — теории решения изобретательских задач.

К сожалению, ТРИЗ в качестве науки о законах и путях развитии технических систем и методах поиска новых технических решений по их преобразованию еще не стала полноправной вузовской дисциплиной. Есть пока — что относительно небольшой, хотя и постоянно пополняющийся, опыт внедрения ее в учебный процесс как у нас в стране, так и в вузах ряда промышленно развитых стран.

Одной из причин медленного внедрения этой дисциплины является практически полное отсутствие ВУЗовских учебников и учебных пособий. Осознание необходимости что-то изменить в этом положении вещей и стало побудительным мотивом для написания данного учебника.

В настоящее время ТРИЗ — это быстро развивающаяся дисциплина, постоянно расширяющая сферу своего влияния на «неинженерные» виды деятельности. В силу этого сегодня она включает много практических находок, которые появились в последние время и еще не получили должного теоретического обоснования. Данное обстоятельство привело авторов к мысли поместить в предлагаемом учебнике только те материалы по ТРИЗ, которые принято считать классическими, т. е. полученные при непосредственном участии создателя ТРИЗ Г. С. Альтшуллера.

Именно поэтому при написании учебника авторы стремились максимально придерживаться классических положений ТРИЗ, избегая каких-либо авторских трактовок и формулировок. Это в равной мере относится как к теоретическому материалу, так и к ряду примеров и задач.

Книга предназначена для преподавателей ТРИЗ и их студентов, а так же всех тех, кто хочет научиться решать любые творческие задачи.

Курс ТРИЗ в книге изложен в виде двадцати основных тем. Это, естественно, не вся ТРИЗ. Авторы отобрали лишь те вопросы, которые по их мнению, совершенно необходимы при формировании вузовского учебного курса по этой дисциплины. Объем материала по каждой теме неодинаков и потому не может рассматриваться в качестве материала двадцати отдельных занятий. Мало того, часть тем изложены в стиле лекций, некоторая, меньшая — в стиле практических занятий по развитию навыков применения отдельных инструментов ТРИЗ для решения задач. Сделано это для того, чтобы дать возможность каждому преподавателю адаптировать изложенный материал для конкретных условий своего вуза своей специальности.

Будучи специалистами разных отраслей техники, авторы в написанных ими разделах (темах) приводили часть примеров технических решений из своей отрасли, примеров, близких им профессионально. Это же касается и содержания части учебных задач. Эти материалы могут создать трудности как у студентов, так и у преподавателей. Устранить такой разброс в учебнике, не носящем узкоотраслевой характер, не только сложно, но и нецелесообразно. Преподавателю надо помнить и разъяснять студентам, что ТРИЗ — это наука о развитии любых технических систем. Поэтому иллюстрация законов развития техники и методологии решения задач должна демонстрироваться на широком наборе примеров, как из конкретной отрасли деятельности, специфичной для данного вуза, так и выходящих за эти рамки. В тех же случаях, когда эти трудности становятся непреодолимыми и пример или задача из учебника плохо вписывается в контекст изложения темы, преподаватель должен их заменить.

Авторы выражают особую благодарность Волюславу Владимировичу Митрофанову за неоднократное прочтение рукописи и ценные критические замечания по ее улучшению, неизменную доброжелательную поддержку в ее подготовке.

Учебник написан коллективом преподавателей московских Вузов: главы (занятия) 1, 5, 15, 16 — Гасановым А. И. (МИИТ); главы 10, 17, 18, 19 — Бубенцовым В. Ю. (МИХМ); главы 2, 13, 14, 19 — Евсюковым С. А. (МГТУ им. Н. Э. Баумана); главы 3, 4, 8, 9, 11, 12, 20 — Кудрявцевым А. В. (Центр ИННОТЭК); главы 6, 7 — Ревенковым А. В. (МАИ).

 

1. Предмет ТРИЗ

 

 

1.1 Введение

В книге рассматривается та грань инженерного труда, которая долгое время отсутствовала в вузовских курсах. Грань, которую то отдавали на откуп неуправляемому вдохновению, то пытались подменить математическими расчетами.

Речь в курсе пойдет об изобретательской деятельности, то есть о той силе, что сделала человека человеком, создала нашу цивилизацию. Овладение этой силой, ее управляемое применение и являются предметом нашего курса.

На занятиях будет рассмотрена современная методология инженерного творчества — ТРИЗ (теория решения изобретательских задач).

Курс состоит из ряда лекций, в которых излагаются вопросы теоретического характера и практических (семинарских) занятий, демонстрирующих применение теории к решению задач.

Так что же такое творчество? Ведь в обыденной жизни мы постоянно сталкиваемся со многими видами деятельности, к которым без особых напряжений относим понятие «творческая деятельность». Это, например, создание живописных, музыкальных, поэтических произведений и аналогичные виды деятельности. И все-таки обратимся за уточнением к «Словарю русского языка» С. И. Ожегова (Москва, 1972, изд. «Советская энциклопедия»). В соответствии с ним «Творчество — создание новых по замыслу культурных, материальных ценностей». Здесь особенно важно словосочетание «новых по замыслу».

В такой трактовке инженерной творческой деятельностью является изобретательская деятельность. И это очень важно понимать, т. к. развитие человеческой цивилизации, его темпы и уровень определяются именно изобретательской деятельностью людей, их творчеством. К числу выдающихся изобретений можно без всяких сомнений отнести способ добывания и сохранения огня, плуг и другие инструменты для обработки земли, колесо и повозку, порох, письменность, бумагу и печатный станок, ткацкий станок, паровую и электрическую машины, современные средства транспорта, электронную технику, включая электронные вычислительные машины.

Изобретая, человек создал мир второй, искусственной природы, мир вещей. Для этого он придумал множество способов использования и переработки естественных природных материалов, способов преобразования энергии воды, ветра, Солнца, ископаемого топлива в энергию различных силовых установок. Это, в свою очередь, позволило человеку не только освоить все уголки Земли, но и выйти за пределы атмосферы в космическое пространство.

Какое же место занимает изобретательское творчество в деятельности инженера в процессе создания новой и усовершенствования старой техники? Наиболее отчётливо это удаётся понять, рассматривая процесс проектирования техники, который можно представить в виде следующих укрупненных этапов:

•формулировка новой потребности, идеи, замысла ее удовлетворения;

•конструкторская и технологическая проработка (создание чертежей, расчет отдельных узлов и элементов, написание пояснительных документов);

•создание опытного образца, его испытания и доводка;

•окончательная корректировка технической документации и передача ее в производство.

Нас, пожалуй, в большей степени интересуют два первых этапа.

Включаясь в процесс создания новой техники на втором этапе, инженер-проектировщик должен использовать весь багаж своих знаний в области математики, вычислительной техники, специальных дисциплин, чему как правило неплохо обучают в ВУЗе. При этом, однако, совершенно ясно, что без хорошей начальной идеи, идеи, лежащей в основе разработки, труд проектировщика может оказаться малоэффективным: созданный образец техники вероятнее всего не будет способен выдержать конкуренцию с уже существующими товарами и услугами, или даже изначально окажется нежизнеспособным. Таких примеров техника знает предостаточно.

Чтобы избежать серьезных ошибок на этой важнейшей стадии создания проекта, существует ряд различных по сложности и эффективности методов поиска (генерирования) новых технических идей. Однако обучению этим методам в большинстве высших учебных заведениях пока уделяют мало внимания. Именно поэтому в подавляющем большинстве случаев даже высококвалифицированные специалисты, получившие хорошее фундаментальное образование, выдвигают новые идеи, основываясь на простом переборе вариантов, используя старый, как мир, но малоэффективный «метод проб и ошибок».

Возвращаясь еще раз к целям нашего курса, отметим, что он как раз и призван (хотя бы и частично) восполнить этот пробел в подготовке будущего инженера, познакомив его, насколько позволяет это сделать небольшой по своему объему учебный курс, с одним из эффективных методов поиска новых технических решений.

 

1.2 Исторический очерк создания методов изобретательского творчества

А давно ли возникла у человека потребность делать изобретения?

Когда в студенческой аудитории спрашиваешь, какая профессия самая древняя, то слышишь реплики: «ну, конечно же… мол, это всем известно…» В действительности же, одной из самых древних профессий, без которой, по-видимому, человек не смог бы стать человеком, является именно изобретательство. Привязанный к палке камень способствовал продлению средней продолжительности жизни человека на несколько лет и увеличивал тем самым и его численность на Земле. Это, безусловно, не самое первое его изобретение и тем более не последнее. По мере развития перед человеком постоянно вставали все новые и новые задачи, и они, так или иначе, решались в большинстве своем безвестными изобретателями. До нас дошли имена только самых выдающихся из них: Пифагора, Архимеда, Леонардо да Винчи.

Рассматривая их изобретательское творчество, историки науки и техники отмечают, что при поиске новых идей они пользовались ничем иным как методом «проб и ошибок». Об этом свидетельствуют, в частности, десятки записных книжек Леонардо да Винчи, в которых он записывал и зарисовывал случайным образом посещавшие его технические идеи. Метод случайного перебора иногда сознательно им усовершенствовался — например, когда конструкция летательного аппарата создавалась по аналогии с принципом полета птиц или бабочек.

Вопросы понимания механизмов человеческого мышления, выработки приемов повышения его эффективности в те далекие времена больше занимали, говоря сегодняшним языком, представителей гуманитарных профессий: философов, теологов, психологов. Первые упоминания об эвристике, учении о продуктивных методах творческого мышления, относятся к временам античности. Наиболее ранние попытки выявить особенности творческого подхода при решении задач нашли отражение в трудах Архимеда, Евклида, Апполония Бергамского, Аристея-старшего. Сам же термин «эвристика» впервые появился в трудах греческого математика Паппа Александрийского, жившего во второй половине III века нашей эры.

В дальнейшем к проблемам создания эвристики обращались ряд философов и математиков, например, Р. Декарт, Г. Лейбниц, Б. Больцано, А. Пуанкаре. Например, в труде «Правила для руководства ума» Р. Декарт предложил ряд принципов поиска истины. Они настолько интересны и актуальны еще и сегодня, что стоит кратко познакомиться с некоторыми его мыслями.

Декарт, во-первых, утверждал, что способность правильно судить и отличать истинное от ложного, что, собственно, и именуется здравым смыслом или разумом, от природы у всех людей одинакова. «Таким образом, различие наших мнений происходит не оттого, что одни люди разумнее других, но только оттого, что мы направляем наши мысли разными путями и рассматриваем не те же самые вещи. Ибо мало иметь хороший ум, главное — хорошо его применять». (Можно добавить, что мало иметь хорошие знания, главное уметь их применять.)

Для хорошего же применения своего ума Декартом сформулированы четыре принципа, следовать которым он рекомендовал, и которые остаются актуальными и в наше время. Приведем их и вслед за их автором настойчиво порекомендуем следовать им, и особенно — второму, поскольку он предвосхитил, как мы увидим дальше, один из фундаментальных системных принципов.

Первое — «никогда не принимать за истинное ничего, что я не познал бы таковым с очевидностью; иначе говоря, тщательно избегать опрометчивости и предвзятости и включать в свои суждения только то, что представляется моему уму столь ясно и столь отчетливо, что не дает мне никакого повода подвергать их сомнению».

Второе — «делить каждое из исследуемых затруднений на столько частей, сколько это возможно и нужно для лучшего их преодоления».

Третье — «придерживаться определенного порядка мышления, начиная с предметов наиболее простых и наиболее легко познаваемых и восходя постепенно к познанию наиболее сложного, предполагая порядок даже и там, где объекты мышления вовсе не даны в их естественной связи».

И последнее — «составлять всегда обзоры столь общие, чтобы была уверенность в отсутствии упущений».

Открытие учеными в XVIII–XIX веках электричества, магнетизма и радиоактивности привело к бурному развитию техники, появлению принципиально новых средств транспорта, связи, оружия, обрабатывающей техники и бытовых приборов. Потребность в большом числе новых технических разработок заставила инженеров и ученых всех областей знаний приступить к поиску прикладных методик изобретательства.

Возникло множество теорий, по-своему объясняющих творческие процессы и дающих рекомендации по их интенсификации. Появились и методы интенсификации поисковой деятельности. К наиболее интересным (с точки зрения исторического развития) и естественным методам, до сих пор активно используемым на практике, следует отнести рассмотренные ниже подходы.

Организационный подход, включающий:

•увеличение субсидий и соответственно коллективов исследователей;

•осознание необходимость создания объединений, коопераций разработчиков новой техники с целью дальнейшего повышения производительности их труда.

Такие объединения появились почти одновременно в ряде промышленно развитых стран. Так, в 1871 г. при Мюнхенском политехническом институте была образована первая лаборатория, занимавшаяся разработкой новых приборов для бурно развивавшейся техники низких температур.

Наиболее известным примером промышленно — исследовательских лабораторий может служить лаборатория Т. Эдисона, созданная им в 1872 году в городе Менло-Парк (США). Итоги деятельности лаборатории говорят сами за себя. За шесть с половиной лет было получено около 300 оригинальных технических решений (что составляет в среднем 1 патент за 8 дней). Еще более усовершенствовал систему поточного производства патентов А. Белл. С 1879 по 1900 год сотрудники лаборатории его компании получили свыше 3000 патентов. Именно в эти годы и были заложены основы промышленной электротехники и телефонии.

Развитие этого процесса привело к стремительному росту числа таких лабораторий. Характерен пример США: 1920 г. — 300, 1930–1600, 1940–2200, 1967 — 15000 лабораторий.

•конкурсное проектирование, которое также требует увеличенного субсидирования;

•переманивание «мозгов» (утечка мозгов), прежде всего характерная для науки и промышленности США

•японский подход, заключающийся в мощной поддержке и стимулирования рационализаторской и изобретательской деятельности на базе предельного «метода» проб и ошибок («думай непрерывно»).

Большой популярностью в Японии пользуются книги известного специалиста по проблемам стимулирования научно-технического прогресса Ясухиро Хиросиги. Вот его девять советов по тренировке творческого мышления:

•ежедневно выделяйте время для мышления; японская поговорка гласит: «лучше всего думается на коне, в постели и… в отхожем месте»;

•успокойтесь и подумайте;

•публикуйте свои достижения;

•ставьте себе конкретную цель, — это позволит наметить контуры будущего успеха;

•научитесь сосредотачиваться;

•избегайте шаблона;

•записывайте свои мысли;

•расширяйте общение с людьми других профессий;

•всегда ощущайте духовный голод, жажду деятельности.

Как легко заметить, что все рекомендации, несмотря на свою вероятную полезность, носят лишь самый общий и поэтому малопродуктивный характер.

Психологический подход.

Основной направленностью первого этапа психологических исследований, который можно отнести к последней трети 19 века, было изучение личности изобретателя. Причем сама личность часто рассматривалась как нечто, отмеченное божественной печатью исключительности. И лишь в ХХ веке на смену этим взглядам постепенно пришло убеждение, что творческие задатки есть в той или иной мере почти у всех людей.

Экспериментируя с задачами и головоломками, психологи выяснили, что испытуемые решают их перебором вариантов, что многое при этом зависит от предшествующего опыта. Это, однако, не прояснило главной проблемы, каким образом некоторым изобретателям удается малым числом проб решать задачи, заведомо требующие большого числа проб? Ответить на этот вопрос психология творчества не может и по настоящий день.

Возникает естественный вопрос, почему за длительный срок не было создано достаточно эффективных методов решения творческих задач? По-видимому, здесь можно выделить несколько причин. Это и низкий общий уровень развития методологии научного поиска, слабое понимание закономерностей развития природы и часто связанная с этим попытка решать более общую задачу: найти универсальные принципы, позволяющие решать любые творческие задачи во всех областях человеческой деятельности.

Однако более существенным в рассматриваемом вопросе, по-видимому, является то, что уровень промышленного и сельскохозяйственного производства в прошлые века, да и в начале ХХ века еще не создал ярко выраженной общественной потребности в разработке эффективных методов технического творчества, широкого их применения в практике создания новой техники, в практике работы изобретателя. Необходимые темпы технического прогресса вполне удовлетворялись случайными изобретениями, выполненными методом проб и ошибок.

Только современная мировая научно-техническая революция (начавшаяся в 30-е годы нашего столетия), характерной чертой которой является бурное развитие науки, техники и технологии, не могла не войти в противоречие со старым, малопроизводительным способом поиска новых решений.

Определяющими факторами этого момента были:

•увеличение спроса на новые идеи, особенно обострившиеся в преддверии и во время второй мировой войны;

•острый недостаток квалифицированной рабочей силы;

•высокая стоимость обучения и оплаты труда подобных специалистов;

•необходимость концентрации большого числа специалистов для решения комплексных, масштабных задач в ограниченные сроки.

Человечество ответило на это противоречие созданием методов и специальных приемов, активизирующих творческий процесс. Характерным оказался тот факт, что эти методы были созданы главным образом учеными и инженерами, непосредственно занимавшимися разработкой новой техники. Ими разработаны несколько различных методов поиска новых технических решений, различающихся своей сложностью и эффективностью. Большинство из них, однако, имеет лишь исторический интерес.

Среди наиболее эффективных и разработанных, позволяющих решать задачи разной степени сложности отметим следующие — мозговой штурм, синектику, метод фокальных объектов, морфологический анализ и, наконец, Теорию решения изобретательских задач (ТРИЗ).

Может возникнуть вопрос, а нужно ли в вузах изучать методы инженерного творчества, не достаточно ли в практике проектирования пользоваться методом проб и ошибок? Исследования науковедов и историков развития науки техники показывают, что, по-видимому, не достаточно! Стремительное развитие потребностей человечества, особенно отчётливо проявившееся во второй половине XX века, вступает в противоречие с темпами их удовлетворения, темпами развития техники и технологий. Создание и освоение производства техники новых поколений, позволяющей многократно повысить производительность труда, улучшить его условия, существенно снизить материальные, энергетические и финансовые затраты, уменьшить (а, по возможности, и ликвидировать) негативное влияние человека на окружающую среду — в первую очередь связано с разработкой новых эффективных изобретений.

Опыт же показывает, что одним из главных недостатков в подготовке большинства выпускников инженерных специальностей, именно тех специалистов, которые и призваны решать эти проблемы, является, неумение самостоятельно ставить новые задачи, отсутствие навыков поиска эффективных конструкторских и технологических решений на уровне изобретений, применения для перечисленных выше целей приобретенных знаний.

И вопрос этот актуален не только для нашего высшего образования. Приведем в связи с этим мнение американского специалиста в области методологии инженерного проектирования Дж. Диксона:

«Решение технических задач является высокоинтеллектуальным занятием, требующим применения знаний, а это заслуживает такого же внимания, как и приобретение знаний. Чтобы применять знания, нужно активно владеть ими и, кроме того, иметь определенную цель. При чтении курсов я все больше убеждался, что мои студенты знают больше того, что они понимают или могут использовать на практике».

Подчеркнем здесь слова о необходимости активного владения знаниями, что как раз и предполагает их использование при решении новых инженерных задач.

Сделав краткий экскурс в историю поиска эффективных подходов к решению изобретательских задач, в данном курсе мы сосредоточим свое внимание на изучении Теории решения изобретательских задач (ТРИЗ).

 

1.3 Инженерное творчество: системный подход

Что такое «техническая система»?

Термины, вынесенные в заголовок, очень часто встречаются в научной и технической литературе последних десятилетий. Это связано с тем, что в наше время в практике проектирования на передний план выступила необходимость решения не одиночных, а комплексных проблем, создания и совершенствования гораздо более сложных, чем это было ранее, технических объектов. Современный специалист весьма часто сталкивается с ситуациями, в которых приходится, с одной стороны, учитывать тенденции технического прогресса отрасли, но и, с другой стороны, — устранять негативные последствия использования устаревших конструкций, устройств и целых технологий. Системный подход — это попытка найти некоторые специфические методы, способные помочь решению всё усложняющегося комплекса проблем, с которыми инженеру приходится сталкиваться на этом пути.

Системные исследования в последние годы получили широкое развитие в самых различных сферах человеческой деятельности. Существуют многочисленные попытки сформулировать, что такое системный подход, системотехника, общая теория систем, дать этим терминам четкое определение. Разные авторы, однако, используя эти понятия при анализе интересующего их круга проблем, вкладывают в них неодинаковый смысл, и поэтому в настоящее время общепринятой трактовки данных терминов не существует. В то же время, понятие «система» носит ключевой характер в ТРИЗ, и именно поэтому (не претендуя на обобщающий характер наших высказываний) мы ниже изложим свою точку зрения на то, что такое системный подход в случае инженерной творческой деятельности. Как методология преобразования систем она включает в себя следующие структурные объекты (приводимый ниже перечень, естественно, не претендует на исчерпывающую полноту):

Понятийный аппарат: — совокупность присущих данному подходу определений и понятий, таких как система, структура, функция, системное качество, противоречие, модель системы.

•Язык описания систем и их взаимодействий (вепольный анализ).

•Законы строения и развития систем (ЗРТС).

•Приемы выявления и анализа новых потребностей.

Приемы анализа функционирования систем.

Приемы (операторы) преобразования систем, методы и алгоритмы их применения.

Приемы синтеза преобразованной системы.

Ряд положений этого перечня будут достаточно подробно рассмотрены на последующих занятиях; в этой вводной лекции мы дадим лишь ряд понятий, необходимых в дальнейшем.

Что мы будем понимать под термином «система» ?

Прежде всего, надо понимать, что каждое научное понятие, в том числе и понятие «система», — это некоторая полезная абстракция, вводимая для выделения различных объектов из окружающего мира для удобства его изучения.

Система — это некоторая совокупность взаимосвязанных элементов, обладающая свойствами, не сводящимися к свойствам отдельных элементов.

Можно различать как естественные, так и искусственные, создаваемые людьми системы (например, технические, социальные).

Под технической системой (а именно с техническими системами мы в этом курсе будем иметь преимущественно дело) будем понимать такую совокупность элементов, которая позволяет ей выполнять некоторую полезную для людей функцию.

Элемент системы — относительно целая ее часть, обладающая некоторыми свойствами, не исчезающими при отделении от системы. Однако в системе свойства отдельных элементов не просто суммируются. Чаще всего часть свойств каждого элемента при вхождении его в систему гасится, нейтрализуется, теряет свою индивидуальность. Но зато каждая система в целом обладает каким-то особым качеством, которое не является результатом простого суммирования свойств составляющих ее элементов. В этой связи говорят, что система обладает особым системным качеством (системным свойством).

При этом можно выделить два типа проявления системных свойств:

•непропорционально большое изменение свойств, которые имеются у отдельных объектов, составляющих систему; например, биметаллическая пластина значительно сильнее изменяет свою форму при изменении температуры, чем каждая из составляющих ее пластинок в отдельности;

•появление нового свойства, которым не обладает ни один из составляющих ее объектов; автомобиль, состоящий как минимум из двигателя, передачи, движителя, системы управления, обладает свойством перемещать людей и грузы по поверхности земли, что не способны сделать перечисленные выше его составляющие по одиночке.

Отдельные элементы системы являются подсистемами по отношению к рассматриваемой системе, то есть они также могут состоять из элементов, непосредственно взаимодействующих друг с другом, и т. д. В свою очередь, каждая система может рассматриваться как подсистема (элемент) другой системы более высокого порядка — надсистемы.

Таким образом, сама система, её подсистемы и надсистема, в которую она входит, образуют иерархию, формируя непрерывный ряд все более и более усложняющихся элементов. Наряду с подобным иерархическим рядом существуют (иногда взаимодействуя с ним непосредственно, а иногда и имея к нему лишь отдалённое отношение) другие ряды систем; весь окружающий нас мир и является, по сути, совокупностью этих рядов.

Рассмотренный в качестве примера автомобиль, — это подсистема по отношению к надсистеме «автомобильный транспорт», которая, в свою очередь, является подсистемой ещё более высокоорганизованных систем, объединяющих разные виды перевозок, экономику региона, страны и т. д. В то же время экономика не замыкается на проблемы, связанные с совершенствованием автомобильных перевозок, в ней параллельно функционируют и другие иерархии систем, иногда вплотную связанные с автотранспортом, а иногда зависящие от него в минимальной степени.

Надо иметь в виду, что выделение конкретной совокупности объектов в систему или под(над)систему зависит только от характера той задачи, которую ставит перед собой решающий ее специалист.

Функция системы — это способность системы воздействовать на другую систему, изменяя ее состояние, характеризующееся, в свою очередь, некоторым набором параметров. Носитель функции — конкретная система. Функция системы определяется ее назначением. Цель функционирования задается при создании технической системы и определяет ее выходное состояние, выходные параметры. Не все функции системы равноценны: среди них есть основные, ради выполнения которых система создаётся, и вспомогательные, которые обеспечивают выполнение основной функции, способствуют сохранению жизнеспособности самой системы.

Внутренняя форма организации системы определяет её структуру. Структура — это совокупность элементов и связей между ними, предполагающая их единство и определенную пространственно — временную устойчивость. И то и другое определяется физическими принципами, использованными при осуществлении требуемой полезной функции. Устойчивость предполагает свойство саморегуляции, реализуемой подсистемой управления.

Функции системы и ее структура должны находиться в единстве, взаимосвязи, то есть функция и структура должны соответствовать друг другу. Однако, это единство носит относительный, временный, преходящий характер. В процессе развития системы может происходить рассогласование её структуры и выполняемых функций, что приводит к конфликту. Чаще всего разрешение возникающих противоречий реализуется путем изменения существовавшей структуры вплоть до отказа от её дальнейшего использования.

Набор функций, которые способна выполнять система, со временем может меняться, что скажется на числе элементов, в неё входящих, на распределении функций между отдельными подсистемами. В итоге это приводит к изменению пространственно — временной структуры системы.

Важнейшим свойством любой технической системы является то, что изменение одной из её частей отражается на состоянии других частей и всей системы в целом. И наоборот, изменение системы в целом сказывается на состоянии ее частей. В разных случаях эти взаимосвязи проявляются с разной силой.

Наиболее типичная форма организации систем — иерархическая. По преимуществу иерархия — структура жесткая, с глубокими и прочными связями. И чем ниже по иерархической лестнице, тем жестче становятся связи системы с подсистемами. Это означает, что адекватное задание целей конкретной создаваемой (или совершенствуемой) системы требует предварительного определения целей более широкой системы, в которую она входит в качестве подсистемы. Подобный подход ориентирует поиски решения проблемы не только на уровне самой системы, но и на более высоком иерархическом уровне, — уровне надсистем.

Так, например, повышение долговечности конструкций железнодорожного пути может быть реализовано не только за счет повышения прочностных свойств самих элементов пути (рельсов, шпал, скреплений, балласта), но и за счет совершенствования надсистемы — системы ведения путевого хозяйства (качества ремонтов пути, его текущего содержания), или улучшений в смежной системе — подвижном составе (снижения статических и динамических нагрузок, улучшении состояния ходовых частей подвижного состава). Осознание этого факта привело в свое время к созданию во Всероссийском научно-исследовательском институте железнодорожного транспорта целого отделения комплексных испытаний подвижного состава и пути.

В общей совокупности подходов к изучению различных по уровню сложности систем можно выделить два фундаментальных.

Во-первых, при изучении системы необходимо представить себе, как происходило её развитие во времени. Это позволяет понять, что вызвало необходимость рождения технической системы, как происходило (или происходит) её развитие, что ждёт эту систему в будущем, когда и при каких условиях наступит её старение, «смерть»… Такой подход, который часто называют «генетическим», весьма продуктивен, поскольку даёт возможность не только оценить эффективность рассматриваемой системы, но и дать рекомендации о целесообразности своевременного перехода от этой системы к новой, сменяющей её в рамках непрерывного процесса эволюции.

Во-вторых, рассматривая систему, необходимо отчётливо представлять её пространственные связи. Как мы уже говорили, каждая система характеризуется значительным числом уровней (подсистема — система — надсистема), связей с другими системами. Любое изменение на одном из этих уровней так или иначе затронет и рассматриваемую систему, причем далеко не все следствия таких изменений могут носить положительный характер. Это означает, что чем больше связей внутри и вне системы мы увидим, тем большим набором возможностей для её совершенствования мы будем обладать.

Подведем некоторый итог относительно того, какими же основными признаками должна обладать совокупность отдельных элементов с тем, чтобы её можно было считать системой?

Таких признака четыре, это:

функциональность (любая система должна выполнять некоторую полезную функцию);

целостность (система — это не простая совокупность отдельных элементов, а ещё и результат их взаимодействия, получить который трудно, а порой и невозможно, если какой-либо из этих элементов удалить);

организация (имеет место иерархия систем различного уровня, причём отдельные элементы должны быть взаимосвязаны не только в пространстве, но и во времени);

системное качество (система обладает качеством, не сводящимся к качествам её отдельных элементов).

 

1.4 Что такое «Теория решения изобретательских задач» (ТРИЗ)

Создана ТРИЗ нашим соотечественником, инженером, изобретателем, известным писателем-фантастом Генрихом Сауловичем Альтшуллером (1926–1998 г.г.). Работу над ее созданием со своим другом Р. Б. Шапиро он начал в 1946 году, будучи молодым сотрудником патентного бюро. В 1956 г. появилась первая их публикация в научном журнале (Вопросы психологии, № 6, 1956), в которой были сформулированы основные положения новой теории.

Они провозгласили новые по тем временам положения, что техника развивается не случайным образом, а в соответствии со своими внутренними законами, что эти законы можно выявить и на их основе сознательно совершенствовать технические системы. И, наконец, решение любой изобретательской задачи — это результат преодоления противоречия.

Кстати, можно утверждать, что и сама ТРИЗ родилась как результат разрешения противоречия между необходимостью помочь изобретателям, обращавшимся за консультациями к будущему автору ТРИЗ в части решения своих изобретательских задач, и отсутствием необходимых методических средств «делания» изобретений.

Какой же был использован инструмент, позволивший, в конце концов, выявить в дальнейшем закономерности развития технических систем? Как описывают сами авторы упомянутой статьи, ими были изучены многочисленные материалы по истории техники, обширная мемуарная литература, относящаяся к работе крупных изобретателей. В дальнейшем на протяжении всей истории создания ТРИЗ основным инструментом разработок явилось изучение и обобщение материалов патентного фонда в наиболее активно развивавшихся разделах техники. Было показано, что каждое творческое решение новой технической задачи — независимо от того, к какой области техники оно относится, включает три основных момента:

•постановку задачи и определение противоречия, которое мешает ее решению обычными, уже известными в технике путями;

•устранение причины противоречия с целью достижения нового технического эффекта;

•приведение других элементов совершенствуемой системы в соответствие с измененным элементом (системе придается новая форма, соответствующая новой сущности).

Сообразно с этим процесс творческого решения новой технической задачи обычно должен включать три — отличные по цели и методу — стадии: аналитическую, оперативную и синтетическую.

Этот перечень явился в дальнейшем основой для создания целой серии (модификаций) основного инструмента ТРИЗ — алгоритма решения изобретательских задач (АРИЗов), средств планомерной обработки задачи, при которой происходит постепенное углубление в «физико-техническую» сущность конфликта, его целенаправленное обострение и последующее устранение. Таким образом, изобретатель получил в свое распоряжение инструмент организации мыслительных операций при решении своих задач.

В процессе решения задачи, а именно на оперативной стадии, необходимо чаще всего найти те приемы, которые создадут предпосылки для преобразования исходной и уже проанализированной системы в направлении повышения его параметров функционирования. Последовательный и неоднократный анализ патентного фонда информации позволил выявить не зависящие от отраслевой принадлежности типовые технические противоречия в системах и целую группу приемов для их устранения.

Дальнейшее развитие теории потребовало создания для описания систем единого языка. Таким языком в ТРИЗ стал язык вепольного анализа и синтеза систем. Согласно вепольному анализу любая ТС может быть представлена как взаимодействие различных веществ и полей и позволяет записывать ход решения изобретательских задач в виде специальных несложных формул, а в некоторых случаях сразу получать идею решения.

В дальнейшем было осознано, что наиболее сильные решения сложных изобретательских задач чаще всего связаны с использованием знаний из физики, химии, математики и ряда других наук. Но для эффективного использования этих знаний нужно было определить специфику их изобретательского применения. Это привело к систематизации такой информации и создании соответствующих специальных указателей по ее применению.

Соединение приемов устранения технических противоречий, вепольного анализа с использованием физических эффектов и явлений привело к появлению еще одного мощного инструмента ТРИЗ — стандартов на решение изобретательских задач, позволяющих по построенной вепольной модели предложить одно или даже группу сильных решений. Практика показывает, что система стандартов позволяет найти решение как минимум для половины встречающихся на практике задач.

Теория решения изобретательских задач направляет изобретателя на обострение существующих в задаче противоречий, преодолению стереотипов мышления, создающих «психологические тормоза» при решении задач, и учит не бояться явных конфликтов. Для этого хорошо бы иметь гибкое воображение. Поэтому в ТРИЗ разработан специальный курс развития творческого воображения (РТВ).

Систематическая творческая деятельность меняет самого человека. Поэтому применение «Теории решения изобретательских задач» совершенствует не только технику, но и самого человека — творца. Поэтому одним из продуктов использования ТРИЗ является формирование творческого стиля мышления вообще. В рамках ТРИЗ проделана большая работа по созданию педагогических подходов и методов формирования комплекса качеств, характеризующих творческую личность.

 

1.5 Заключение

Вернемся вновь к тому, о чем шла речь выше — к системному подходу.

История развития человеческого познания свидетельствует, что системный подход, системное исследование, не являются чем-то совсем новым, возникшим лишь в последние годы. Это естественный метод решения теоретических и практических проблем. Человек с давних времен в той или иной мере системно познавал и осваивал мир, часто даже не осознавая этого. В качестве примера можно привести используемые для решения различных задач такие методы логических рассуждений как индукция (перехода от частного к общему) и дедукция (получение выводов о частном на основе общих сведений), различные методики планирования, прогнозирования, исторического анализа. Но по мере развития самого человечества уровень, характер решаемых им задач непрерывно усложняется, а, следовательно, и уровень системного познания непрерывно углубляется, совершенствуется. Так, например, в период второй мировой войны и в послевоенные годы учёные и инженеры пришли к выводу, что проектировать, планировать следует не просто отдельное (пусть даже и очень сложное) изделие, а весь комплекс материальных условий и организационных мер, которые смогут обеспечить эффективное функционирование этого изделия. Более того, в процесс проектирования данного изделия в качестве важнейшей компоненты должно быть включено планирование самого процесса проектирования. В наше время эти идеи нашли дальнейшее развитие, и плодотворность системного подхода в творческой деятельности человека уже не вызывает сомнений.

Важно современному специалисту также понимать, что процесс становления системного подхода в технике опирается в том числе и на развитии общенаучного мировоззрения. «С давних пор, — пишет академик А. Н. Колмогоров, — известны аналогии между: а) сознательной целесообразной деятельностью человека; б) работой созданных человеком машин; в) различнейшими видами деятельности живых организмов, которые воспринимаются как целесообразные, несмотря на отсутствие управляющего ими сознания. Человеческая мысль искала веками объяснения этих аналогий на путях положительного знания, так и на путях религиозных и философских спекуляций». (Колмогоров А. Н. Предисловие к кн.: Эшби У. Р. Введение в кибернетику — М., 1959).

Стремительность технического прогресса, темпы которого будут только возрастать, требует от современного специалиста владения хорошими навыками системного подхода к рассматриваемой проблеме. Как и всякие задатки их (эти навыки) необходимо развивать целенаправленно, поскольку обыденный жизненный опыт способствует такому развитию лишь в минимальной степени.

Рассмотрение основных положений ТРИЗ, истории и логики ее развития позволяют достаточно уверенно утверждать, что сама ТРИЗ является ничем иным как достаточно цельной и стройной методологической системой, направленной на системный анализ изучаемого технического объекта и последующий системный поиск путей его преобразования. Поэтому «Теория решения изобретательских задач» (ТРИЗ), изучение которой мы начинаем этой лекцией, как раз и должна способствовать обострению системного мировоззрения специалиста, усилению системности подхода в его профессиональной деятельности.

 

3. Понятие идеальности

 

На предыдущем занятии был рассмотрен ряд законов, которым подчиняется процесс развития технических систем. Был выявлен общий план развития технических систем, даны закономерности, не привязанные конкретно к какой-либо машине или технологическому процессу.

Такой взгляд на технику дает возможность освободиться от непринципиальных моментов. Мы продолжим знакомиться с общими принципами, позволяющими прогнозировать направления развития технических систем, заниматься их совершенствованием осознанно, планируя его и здраво оценивая уже выполненные действия.

Нашей задачей будет выявление инструмента достаточно общего, применимого к любой технической системе, и в то же время конкретно помогающего в решении изобретательских задач. Новый инструмент должен помочь нам прогнозировать развитие технических систем, определять вектор оптимального направления их совершенствования. Для того чтобы подойти к пониманию возможности существования такого прогностического инструмента, рассмотрим некоторые исходные положения.

Общим качеством, присущим всем системам техники, является то, что они имеют потребительную стоимость, то есть полезность для общества или отдельного индивидуума. Полезность оценивается через выполняемое системой действие, через результат.

Однако эта полезность не дается человеку в чистом виде. Само существование искусственно созданных объектов, то есть преобразованных тел природы, предполагает, что технические объекты имеют и стоимость. Для получения желаемого результата необходимо создать саму систему и с ее помощью преобразовать некие ресурсы. То есть технический объект реализует в себе единство затрат и выигрыша. Их отношение лежит в основе практически всех систем оценки эффективности. Самый известный из применяемых — коэффициент полезного действия

Схематично можем представить любую техническую систему в следующем виде:

Вход (затраты)

Преобразователь

Выход (польза)

Рис. 3.1. Представление технической системы

Соотношение Выход/Вход = коэффициент эффективности.

Количественно все варианты такого рода коэффициентов могут находиться в диапазоне от 0 до 1.

Проанализируем характер изменения величин, составляющих данное отношение, то есть отношение Полезного выхода к Входу, к понесенным затратам. Анализ показывает, что это отношение исторически все более увеличивается. Уже многие поколения изобретателей направляют свои усилия на то, чтобы получать больше продукции на единицу понесенных затрат.

В приведенной выше схеме техническая система представляет собой преобразователь некоего потока. В качестве такого потока может выступать в простейшем случае какое-то вещество, или энергия, или информация. В реальности вход обычно представляет собой совокупность потоков, иными словами совокупность затрат. Обычно эффективность системы оценивается как соотношение выхода и входа. Затраты на саму систему при этом в затратах могут и не учитываться. Несколько изменим это соотношение и объединим в понятии «затраты» как ресурсы, поступающие на «вход», так и преобразователь. Это позволит нам рассматривать предельный случай отношения затрат, понесенных на создание и функционирование системы, и полученного полезного выхода.

Полезный выход можно определить как то, ради чего создана система, и при известных условиях отождествить его с главной полезной функцией.

Рассмотрим, что может быть пределом нашего стремления в совершенствовании технической системы применительно к конкретной полезной цели. Если не брать в расчет физические ограничения, то естественным было бы стремление вообще не иметь затрат и преобразователя, продолжая получать желаемый результат.

(Вход (затраты) + Преобразователь) = 0

Нулевые затраты  #i_001.jpg  Выход (польза)

Пределом развития технической системы является получение полезного выхода в чистом виде без всяких затрат. Именно это можно рассматривать как конечную цель развития системы, обеспечивающей получение конкретного полезного результата. Это может восприниматься как ориентир, позволяющий разработчику понимать, в каком направлении проводить работу.

Итак, система с нулевыми затратами на ее создание и на выполнение работы, имеет эффективность, равную бесконечности.

Понимание предельно возможной или предельно желательной ситуации может позволить нам увидеть верное направление развития технической системы. Инструмент, позволяющий описывать предельное состояние системы, становится инструментом постановки цели.

Постановка цели является важнейшим этапом решения проблемы, так как именно цель определяет направление работы, привлечение тех или иных средств, а также служит критерием качества полученных решений. В то же время процедуру определения цели можно считать одной из наиболее сложных в силу недостаточной формализации процедуры.

Необходимость при решении задачи предсказывать, предвидеть результат, была осознана уже давно. Д. Пойа приводит в своей книге «Математическое открытие» широко распространенную в средние века фразу «Смотри в конец», а также пояснение Гоббса по этому поводу: «… во всех ваших действиях часто имейте перед глазами то, чего вы хотите достигнуть, как ту вещь, которая направляет все ваши мысли на пути к ее достижению». Известна также фраза Гаусса: «Мои результаты я имею уже давно, я только не знаю, как я их получу».

Д. Пойа в книге «Математическое открытие» писал: «… Вы должны не просто думать о своей задаче — думать некоторым, так сказать, неопределенным образом, — вы должны быть постоянно обращены к своей задаче, предельно ясно видеть ее перед собой и, прежде всего, задавать себе основной вопрос: Что требуется?

В процессе решения задачи найдется много удобных случаев для постановки этого вопроса. Когда вы забрались чересчур глубоко в один из боковых ходов, который может, в конце концов оказаться тупиком или увести вас далеко от цели, когда ваши мысли начали блуждать, бывает очень важно снова спросить себя: Что требуется? — и снова тем самым поставить цель в центр вашего внимания».

Естественно, что и разработчики различных методов поддержки изобретателей включали советы такого рода в свои разработки. Однако, эти советы как правило, носили внешний характер, не указывая, как именно надо определить «конечную цель» или «идеальное решение» или «то, чего вы хотите достигнуть».

Поэтому практическую значимость представляет анализ механизмов, обеспечивающих определенное представление о результате решения, формируемое заранее, до получения самого решения. Известно, что чем раньше в процессе проектирования совершена ошибка, тем больше будут затраты на ее устранение. Следовательно, нет ничего более важного, чем правильно поставленная цель. Однако это до настоящего времени не нашло достаточного отражения в подготовке и практической деятельности инженеров, иных специалистов.

Основные усилия следует концентрировать на том, чтобы определить, есть ли вообще необходимость в постановке того или иного вопроса, а также на том, чтобы правильно сформулировать сам вопрос. Именно этот этап является корнем решения. Традиционный подход предполагает недвусмысленную, однозначную трактовку: принять решение, — значит дать ответ на вопрос. Но ответ на вопрос по существу является следствием, он вторичен, а главное — это выяснение сути проблемы. Всестороннее, детальное рассмотрение и обсуждение вопроса еще на начальном этапе следует проводить для того, чтобы четко определить причины беспокойства, выявить, существует ли необходимость принимать решение и что в нем главное. Таким образом, следует вначале выделить и тщательно проанализировать проблему, поставить цель, и лишь потом выработать пути ее достижения. И это представляется весьма существенным, ведь гораздо важнее (и, отметим, труднее) правильно сформулировать проблему и выбрать цели, чем найти пути их достижения. Получение исчерпывающего ответа на неправильный вопрос будет, по всей вероятности, намного менее полезным (а чаще — просто вредным), чем не до конца точный ответ на правильный вопрос.

Здесь находит подтверждение крылатая фраза Бэкона Веруламского «Путник, бредущий по прямой дороге, опередит всадника, который сбился с пути».

Итак, важнейший элемент творчества — это представление конечного результата до решения задачи, «знание о незнании».

Идеализация как метод моделирования в науке состоит в том, что выявив некоторое важное для нас свойство, тенденцию, мы предполагаем, что это свойство, тенденция достигает своего предела. При этом в модели могут быть отброшены остальные, неважные для конкретного рассмотрения свойства, характеристики объекта или процесса. Процедура идеализации дает возможность сформировать логический предел развития реального объекта — идеальный объект.

Идеал в общественных науках, в искусстве определяется энциклопедическим словарем как «идея, понятие, высшее совершенство, высшая конечная цель деятельности, стремлений, помыслов, совершенный образ, предел каких-либо мечтаний».

Два различных понятия идеального сливаются вместе в ситуации, когда мы строим идеальную функциональную модель технической системы. Она соответствует научной идеализации, так как формирует образ системы, через описание только ее полезной функции. И этот же образ может быть представлен как высшая конечная цель деятельности по совершенствованию технической системы.

Идеальные объекты создают определенный образ будущей конструкции. Существование этого образа связано с наличием у разработчика творческого воображения, фантазии. Обычно разработчики находятся в тисках реально возможного, постоянно учитывают существующие ограничения. При работе с идеальным объектом эти ограничения могут быть существенно ослаблены или сняты вообще.

Функциональная идеализация применяется при решении широкого круга задач. Рассмотрим, на какой базе она основана. В рамках функциональных моделей система описывается только через свою функцию. Для подобного описания не представляется важным, из чего «сложена» система. Предположим, что в борьбе за повышение эффективности она изготавливается из все более «невесомых» элементов. Свое логическое завершение такой процесс находит в «идеальной технической системе». Под идеальной системой понимается такая система, затраты на получение полезного эффекта в которой равны нулю. При этом под затратами понимается самый широкий круг понятий — энергия, материалы, занимаемое пространство… Понятие идеальной технической системы было выдвинуто Г. С. Альтшуллером. Образ идеальной системы позволяет сконцентрировать внимание разработчика только на ожидаемом полезном эффекте, лучше осознать, что требуется потребителю. Оценим, насколько эффективным может быть использование такого подхода к определению цели в практической деятельности.

Для этого рассмотрим эксперимент, проводившийся с использованием сюжета из сказки А. С. Пушкина о золотой рыбке. Итак, у старухи поломалось корыто, а дед в это время поймал золотую рыбку, которая взялась выполнить любое желание. Что же попросила старуха? Она попросила новое корыто. В процессе разворачивания сюжета мы видим как меняются представления о возможном и требования. Но они все время остаются конечными, хотя выполненное желание приводит к расширению понимания возможностей и росту неудовлетворенности. И только в своем последнем желании старуха, наконец-то приближается к истинной идеализации, к преодолению предела обыденных возможностей, к истинному всемогуществу. Она просит неограниченные права по управлению миром. (И, конечно не получает их, так как просьба эта очень запоздала, на ее выполнение не осталось ресурсов).

Здесь интересен постепенный переход от конкретных требований к предельным. Эксперимент, упомянутый выше, многократно проводился с группами инженеров, изучавших ТРИЗ. Им предлагалось, оказавшись в ситуации, описанной в сказке (надо стирать, а корыто прохудилось), что-то попросить у золотой рыбки. Значительная часть испытуемых просила стиральную машину. И только меньшая часть формулировала свой запрос по иному.

Эффективный подход связан с пожеланием иметь результат без технической системы, которая сейчас обеспечивает его достижение. Это может быть пожелание иметь чистую, самоочищающуюся, не пачкающуюся одежду, одноразовую одежду… Как можно видеть, существует два принципиально разных подхода к постановке цели, формированию ожидаемого результата — через выбор уже существующего технического средства и через определение истинных ценностей, истинных потребностей.

Как же практически может использоваться понятие идеальной технической системы? Это важный и эффективно действующий инструмент, широко применяющийся как самостоятельно, так и в составе комплекса иных средств. О его использовании в составе алгоритма решения изобретательских задач мы поговорим позднее. Сейчас же рассмотрим возможности его автономного применения. Но перед этим еще раз зафиксируем, что важнейшей (системной) закономерностью, присущей всем объектам техники в их историческом развитии, является закономерность уменьшения затрат на получаемую продукцию, за выполняемую функцию.

Доведенная до своего логического завершения, эта закономерность позволяет построить новую модель технического объекта — идеальную техническую систему. Рассмотрим эту тенденцию на примерах.

Пример 3.1. Наиболее ярким, наглядным примером повышения идеальности технических систем является развитие компьютерной техники. Всего за несколько десятков лет компьютеры прошли путь от огромных сооружений со сроком бесперебойной работы в несколько часов, до микроминиатюрных конструкций, занимающих кубические сантиметры и не требующих обслуживания в течение всего срока своего функционирования… При этом невообразимо выросли скорость счета, память, скорость обмена информацией. Журнал «Эксперт» в мае 2000 года привел данные, показывающие уменьшение количества атомов, которые необходимо организовать для хранения одного бита информации. Если в пятидесятых годах их для этого требовалось 1012, то в 1975 году уже 108, а в настоящее время — 104 атомов. В ближайшее время возможен переход к квантовым компьютерам, в которых один атом будет хранить один бит информации.

Внешне тенденция к миниатюризации электронных приборов, казалось бы, противоположна тенденции развития транспортных и обрабатывающих средств. Аппараты, машины, устройства этого направления все увеличиваются в размерах. Но что происходит на самом деле? Обратимся к примерам.

Абсолютно идеальное транспортное средство — когда средства нет, а груз транспортируется (другими словами, когда груз сам движется в нужном направлении с необходимой скоростью). Стремление к этому идеалу проявляется в повышении отношения «вес полезного груза к полному весу транспортного средства».

Пример 3.2. Журнал «Компьютерра» от 7 декабря 1999 года сообщил о статье в немецком журнале «Lastauto — Omnibus» («Грузовик — Автобус»). Этот журнал долгие годы … проводит эксплуатационные испытания тяжелых автопоездов по кольцевой трассе длиной 745 километров. Так вот, за тридцать лет, с 1966 года по 1996 год, удельная мощность этих сорокатонных чудовищ выросла с 5,53 до 10,60 лошадиной силы на тонну, средняя скорость возросла с 49,4 до 71,6 километра в час, расход же топлива снизился с 48,8 до 33, 4 литра на сотню километров. То есть комплексный показатель транспортной эффективности, отнесенной к единице топлива, а проще говоря, к литру солярки, возрос в 2,2 раза! И это при невиданном улучшении экологических показателей данного вида транспорта.

Как видно из примеров, в обоих случаях реализуется одна и та же тенденция — все более экономная реализация требуемой функции.

Итак, под идеальной технической системой понимается получение полезного результата без каких бы то ни было затрат, то есть реализация функции в чистом виде. Предмет нашей обработки сам преобразуется в нужное нам изделие. Модель объекта, с которой работают при функциональной идеализации, очень эвристична. Предполагается, что требуемую функцию мы получаем без каких-либо затрат, следовательно и без технической системы. Модель идеального объекта состоит в том, что самого объекта нет. Выполнение его функции теперь поручается тому изделию, обработку которого было необходимо проводить. При этом предполагается, что объект обработки имеет определенные внутренние резервы, которые и могут быть использованы.

Если объект уже как-то обрабатывается другой системой, то можно возложить выполнение требуемых функций на существующую систему. Сама постановка вопроса акцентирует поиск этих резервов, что в большом числе случаев приводит к возможности существенно уменьшить требования к инструменту, средствам обработки, т. е. произвести переформулирование проблемы. Концентрируя внимание на объекте обработки, мы рассматриваем его не отвлечённо, а в реальных условиях, в динамике.

Пример 3.3. Для крепления крышек различных химических аппаратов (теплообменников, реакторов и т. п.), применяют шпильки — металлические стержни с резьбой по обоим концам. На аппарат, работающий под большим давлением, может потребоваться до 200 шпилек. Каждая шпилька выполнена из стали, имеет диаметр в 50–70 мм, длину до 400 мм.

Все они должны иметь клеймо — на клейме указывается номер аппарата. Клеймо наносится ударом молотка по остро заточенной форме, приложенной к торцу шпильки. Работа трудоемкая, делать ее надо сразу после изготовления шпильки. Необходимо дать предложения по совершенствованию процесса клеймения.

В исходной постановке задачи было необходимо «механизировать процесс клеймения шпилек». Сформулировав требование: «шпилька сама клеймится», мы задаем рамки системы, в которой будет происходить данная операция. Эта формулировка является эвристической подсказкой, позволяющей локализовать область, в которой мы будем искать средства выполнения нужной нам операции. Поэтому методически верно будет уточнить ее. Необходимо раскрыть смысл термина «клеймится». Клеймение в рамках данной нам технологии осуществляют ударом молотка с клеймом на бойке. Т. е. клейму придают определенную кинетическую энергию, которая при соударении со шпилькой превращается в деформацию металла. Следовательно, задача рабочего или механического пресса — придать энергию, обеспечить соударение.

Теперь требование может звучать так: «шпилька сама накапливает энергию (разгоняется) и ударяет по клейму». Можем ли мы представить себе эту картину? Конечно, это сделать намного проще, чем в первоначальном варианте. Шпилька может сама разогнаться, если ее бросить вниз. Упасть точно на клеймо — задача более трудная. Необходимо организовать процесс падения, он должен происходить в каких-то направляющих. А как поднять шпильку на высоту, с которой она будет падать? Это делать не надо, так как шпилька после обработки на станке уже находится на определенной высоте.

Итак, все или почти все может происходить «само собой». В данной ситуации шпилька — это металлический стержень, намного более массивный, чем молоток, с помощью которого производится клеймение. Но для того, чтобы заставить именно шпильку самостоятельно выполнять требуемую работу, пришлось использовать понятие идеальности. Все должно происходить само собой, без затрат энергии и материалов. Обслуживающей, обрабатывающей системы быть не должно, а результат должен получаться.

Пример 3.4. Знаменитое Месояхское месторождение природного газа, многие годы питавшее энергией Норильск с его мощным горнометаллургическим комбинатом, со временем потеряло силу: упало давление в подземных пластах. Скважины пришлось законсервировать, хотя по подсчетам специалистов в недрах осталось еще не меньше половины запасов газа. Оставлять в недрах такое богатство — дорого, и откачивать газ специальными насосами невыгодно — тоже дорого.

Модель системы будет иметь вид: «газ сам выходит из недр». Еще более точно «газ сам откачивает себя из недр». Здесь может быть предложено откачивать газ, вращая насосы двигателями, работающими на том же газе. Но это, как мы уже выяснили, дорого. Задача была решена разработчиками, сумевшими использовать для откачки газа энергию газовых потоков другого месторождения. Газоносные пласты Месояха подсоединили через эжекторную станцию к трубопроводу, по которому с большой скоростью идёт газ Соленинского месторождения. Этот скоростной поток и служит откачивающей средой. Таким образом, удается извлекать ежегодно сотни миллионов кубометров газа.

Пример 3.5. Известному создателю куполов Р. В. Фуллеру принадлежит высказывание: «Если вы хотите установить степень совершенства здания, взвесьте его». Действительно, при прочих равных показателях более легкое здание предпочтительно — на него пошло меньше материала. Стены, элементы перекрытий и т. п. нужны нам не сами по себе, а как носители определенных функций. И чем меньше затрат необходимо на реализацию этих функций, тем лучше. История архитектуры, градостроительства, показывает нам, как неуклонно повышается степень «невесомости» зданий. Рассмотрим в качество примера элемент конструкций, во все времена являвшимся образцом наивысшего уровня архитектурного искусства и инженерных знаний — сферический купол.

Один из наиболее древних дошедших до нас значительных куполов перекрывает Римский Пантеон, созданный еще во времена античности. Пролет купола 43,3 метра, толщина в верхней части 1,6 м, в районе опор 2,5 м, средний вес одного квадратного метра порядка 8000 кг. Общий вес купола составляет 10 000 тонн. Рекордные показатели Пантеона по диаметру перекрываемой без промежуточных опор площади продержались 18 столетий. Снизить удельный вес купола и увеличить его пролет позволил только переход к новым материалам. Вот краткая летопись борьбы за «невесомость куполов». Рекорд Римского Пантеона был перекрыт только в начале двадцатого века. Зал «Столетия» в Польше имел диаметр 47 метров. Вес купола при этом снизился в полтора раза. В 1930 году в Лейпциге был построен купол над рынком. Он покрывал основание диаметром 76 метров. Использование металла высокого качества позволило снизить вес купола до двух тысяч тонн. Вес одного квадратного метра составил 476 килограмм. В 1956 году в одном из университетов США была построена аудитория с куполом, имеющим диаметр проекции в 91,5 метра. Здесь уже использовался алюминий, и это дало возможность вновь резко снизить вес конструкции — до 93 тонн. Один квадратный метр теперь весит 22,6 кг. Наконец, в 1984 году в СССР был построен стенд для испытания опор и линий электропередач. Диаметр перекрываемой площади составлял 220 метров, а весил купол всего 152 тонны!

В 400 раз снизился удельный вес одного метра поверхности. И это при том, что площадь, покрываемая куполом, выросла в тридцать раз.

В основном прогресс в строительстве куполов зависел от появления новых материалов. Материалы становились более «идеальными», они выполняли требуемые функции все более компактными средствами и позволяли создавать все более легкие конструкции.

Принцип повышения идеальности широко используется и в бизнесе. Многие предприятия обеспечивают снижение себестоимости продукции с помощью принципа «Потребитель сам…». Интересные примеры этого приводит Эдвин Тоффлер в книге «Третья волна».

Пример 3.6. «В 1956 году Американская телефонная и телеграфная компания, исследуя запросы в области коммуникации, начала вводить новую электронную технологию, которая позволила абонентам самостоятельно звонить на дальние расстояния. Сегодня стало возможным осуществлять прямой набор во многие заокеанские страны. Набирая соответствующий номер, потребитель выполняет задачу, прежде возлагавшуюся на оператора.

В 1973–1974 годах из-за арабского эмбарго на нефть цены на бензин поднялись. Крупнейшие нефтяные компании получили огромную прибыль, но местные бензозаправочные станции вынуждены были отчаянно бороться за экономическое выживание. Желая снизить цену, многие владельцы бензоколонок ввели самообслуживание. Поначалу это казалось странным. Газеты печатали забавные истории о водителях, которые пытались вставить шланг в радиатор. Однако вскоре потребитель, лично заправлявший свою машину, уже никого не удивлял…

В тот же период появились электронные банкоматы, которые не только упразднили понятие „часов работы“ банка, но также значительно сократили число кассиров, предоставив клиенту осуществлять операции самому, прежде выполнявшиеся банковскими служащими.

То, что клиент самостоятельно выполняет часть работы, не так уж ново — экономисты называют это „экстернализацией стоимости труда“. На этом принципе построены все супермаркеты. Улыбающегося продавца, знавшего ассортимент и приносившего вам товар, заменила тележка для покупок, которую вы сами катите перед собой…

Благодаря совершенствованию техники стоимость междугородних телефонных переговоров снизилась и это создает условия для развития в будущем системы ремонта, при котором владелец бытовой техники сможет, глядя на экран своего телевизора и слушая советы мастера, сам починить свою технику.

Еще 10 лет назад в Соединенных Штатах непрофессионалам продавалось только 30 % электроинструментов, остальные 70 % покупали плотники и другие ремесленники. Менее чем за 10 лет эти цифры поменялись местами: сегодня только 30 % инструментов покупают профессионалы, а 70 % — потребители, которые все чаще следуют призыву „сделай сам“.

Еще один вид реализации принципа идеальности — включение все большего числа потребителей в процесс проектирования изделий. Роберт Андерсон, руководитель отдела информационных услуг компании Рэнд Корпорейшен», предполагает: «Через 20 лет самой творческой вещью будет необычайно творческое потребление… Например, вы дома придумываете для себя фасон одежды или вносите изменения в стандартную модель, а компьютер выкроит ее для вас с помощью лазера и сошьет на машинке с цифровым управлением…»

Модель идеальной технической системы «заряжает» человека для решения или для оценки решения и в этом ее необходимость. Понятие идеальности задает внутреннюю планку для полета, прыжка, оно является топливом или стимулирует появление этого топлива, формирует внутренние критерии для процесса отбраковки приходящих при решении вариантов.

На базе модели идеальной технической системы Г. С. Альтшуллером был построен оператор ИКР (идеальный конечный результат). Суть его состоит в том, что задачу по реализации какой-либо функции возлагают на выбранный элемент (объект обработки, либо элемент технической системы, уже выполняющий какую-то полезную функцию).

Структура оператора ИКР:

Элемент

сам

выполняет требуемое действие (вместо иного элемента)

продолжая выполнять функцию, ради которой он был первоначально создан.

Так в уже приведенных примерах усовершенствования конкретных технических систем были реализованы следующие ИКР:

Шпилька САМА набирала энергию для деформации своего торца, сохраняя способность выдерживать силовую нагрузку в процессе работы.

Газ Соленинского месторождения САМ создает разряжение, достаточное для выкачивания дополнительного газа из недр, продолжая транспортироваться к потребителю.

В обоих рассмотренных примерах реализована общая схема — вместо специализированной системы обработку объекта поручают самому объекту (или объекту, сопутствующему). Этот подход можно назвать наиболее эффективным. Техническая система отсутствует, а функция ее выполняется. В этом случае мы имеем пару: «Обрабатываемый объект — отсутствующая техническая система».

ИКР: Объект сам обрабатывает себя, не ухудшая своих потребительских свойств.

Если же осуществить такой подход не удается, то возможны иные варианты построения ИКР.

Пара элементов теперь выглядит так: Инструмент (рабочий орган технической системы) — отсутствующие вспомогательные элементы системы.

ИКР: Инструмент сам обрабатывает объект, без вспомогательных элементов технической системы.

И, наконец, если не удается сократить систему, с помощью которой мы проводим обработку, то следует повышать эффективность, сокращая иные системы, действующие совместно. Следовательно, пара примет вид: «Система А — отсутствующая система Б.»

ИКР: Техническая система «А» сама обрабатывает объект как техническая система «Б», продолжая обрабатывать его и как «А».

Рассмотрим эти варианты несколько подробнее. Во всех этих формулировках присутствует некоторый элемент, которому поручается выполнение не только своей функции, но и вдобавок, функции иных элементов. Вот как это может выглядеть на реальном примере: В качестве системы А рассмотрим токарный станок, в качестве системы Б связанный со станком магазин заготовок. Тогда для обрабатываемой детали вариант 1 может быть сформулирован в следующем виде:

«Деталь сама придает себе требуемую форму, продолжая быть полезной для потребителя».

Второй вариант построения модели идеальной системы нам придется формулировать уже для инструмента, имеющегося в станке — для резца. Он может иметь следующую форму:

«Инструмент сам обрабатывает деталь без поддержки вспомогательных элементов (станины, суппорта и прочего)».

И, наконец, третий вариант формулировки может выглядеть так:

«Станок сам хранит заготовки деталей, не прекращая их обрабатывать».

Еще один пример: построение вариантов ИКР для транспортного средства.

А. Полезный груз сам себя транспортирует, не теряя потребительских качеств.

Б. Кузов транспортного средства сам перемещает полезный груз, без двигателя, движителя и системы управления.

В. Транспортное средство само обрабатывает транспортируемый груз (например, изготавливает бетон из компонентов), продолжая транспортировать его.

На практике реализуется большое количество разнообразных инструментов, помогающих изобретателю повышать идеальность существующих систем. Все они, оставаясь однотипными по существу, внешне принимают различные формы. Рассмотрим один из таких инструментов — оператор РВС, предложенный Г. С. Альтшуллером как инструмент для снятия психологической инерции.

 

Оператор РВС (размер, время, стоимость)

В ТРИЗ существует некоторое количество операторов, инструментов, предназначенных для снятия психологической инерции. Одним из них является оператор РВС. РВС расшифровывается как «Размер, Время, Стоимость». Суть оператора состоит в том, что предлагается последовательно исследовать возможности изменения совершенствуемого объекта в рамках заданных мысленных экспериментов. Изменив одну из заданных характеристик объекта на порядок (увеличив или уменьшив), следует представить себе такой объект, возможность реализации выполняемой им функции, возможные ограничения и пути их преодоления. Применение оператора РВС дает подчас неожиданные и интересные результаты. Уже много лет этот инструмент используется при решении практических задач. Этот оператор использует понятие идеальности для снятия психологической инерции у решающего задачу.

Мысленные эксперименты по увеличению размеров исследуемой системы до бесконечности или уменьшения их до нуля дают пищу воображению, приводят к пониманию каких — то новых возможностей или ограничений. Аналогичные путешествия к сверхбольшому и сверхмалому проводятся и относительно времени осуществления рабочего процесса или его стоимости.

Так, проводя исследование, например, бытового пылесоса и постепенно меняя при этом его размеры в сторону их уменьшения, можно прийти к выводу о том, что накопитель пыли не может находиться внутри такого пылесоса. Это должен быть уже не пылесос, а пылесборник. При этом возникает потребность представить себе, как может выглядеть подобный пылесборник. Пыль может накапливаться на поверхности аппарата, а может быть, как-то обрабатываться им, преобразовываться в вид, удобный для последующей сборки, например, коагулироваться, скатываться в достаточно большие объемы.

Процесс мысленного увеличения пылесоса приводит к тому, что он начинает постепенно захватывать все пространство комнаты или квартиры, а затем и дома. Возникает картина жизни в пылесосе, и становится ясно, что функцию пылесоса должен взять на себя, например, пол. Аналогичные процедуры можно проделать и с оставшимися осями. Рассмотрим ситуацию, когда время сбора пыли стремится к нулю. На этом пути придется не только повышать мощность устройства, но и позаботиться о том, чтобы оно было размещено везде, где может быть загрязнение. И опять возникает идея дома — пылесоса, поверхностей, самостоятельно борющихся с загрязнениями.

Тот же результат получается при последовательном увеличении времени работы. Стоит последовательно увеличить время очистки поверхности от сегодняшних минут и часов на несколько порядков, как становится понятной принципиальная невозможность ручной работы. Пылесос должен работать сам, работать медленно, постепенно и незаметно убирая пыль. Это приводит и к пониманию невозможности использовать существующий сегодня принцип засасывания пыли струей воздуха, ведь витание частиц возможно только при определенной скорости, а она у нас по условиям все должно делаться очень медленно…

Снижение стоимости процесса заставляет искать возможность выполнить очистку поверхности, избавиться от пыли за счет уже существующих систем иного назначения. В дело могут пойти различные электризующиеся поверхности (представьте себе, например специальную «пылесборную» пластинку, которую ставят на проигрыватель, когда надо собрать пыль в воздухе.

Как ни странно для обычного мышления, наименьшее количество эффективных решений находят при использовании варианта «стоимость стремится к бесконечности». Но это становится понятным исходя из понятия идеальности — использование дополнительных затрат для реализации функции прямо противоречит выявленной нами общей закономерности развития технических систем!

 

4. Практическое использование понятия идеальности

Идеальность — одно из ключевых понятий Теории решения изобретательских задач. Понятие идеальности составляет суть одного из законов (закон повышения идеальности), а также лежит в основе иных законов развития техники, наиболее отчетливо проявляясь в таких, как:

•закон вытеснения человека из технической системы;

•закон перехода от макросистем к микросистемам.

Г. С. Альтшуллер говорил, что идеальная система — это такая система, которой нет, а функция ее выполняется.

При построении образа идеальной технической системы необходимо выполнить два действия — представить себе, что реальной системы может и не быть, что можно обходиться без нее, а также сформулировать и точно определить функцию, ради которой система необходима. Выполнение обоих действий в реальных условиях может вызывать определенные трудности. Рассмотрим их более детально.

Формулирование системы как отсутствующей в учебном процессе обычно совершается достаточно просто. (Идеальный телефон — такой телефон, которого нет…, идеальный фонарик — такой фонарик, которого нет… и так далее). Однако в реальной деятельности, при работе с объектами, важными для решателя, у него могут возникнуть проблемы с самим объединением того, что дорого и необходимой по процедуре фигуры отрицания. Например, абстрактное понятие «идеального специалиста» строится легко. Идеальный специалист — это такой специалист, которого нет, а функции которого выполняются. Такое определение формируется достаточно просто. Но у многих людей вызывает затруднение формулировка идеальной модели именно для их специальности. Для многих конкретных специалистов возникают затруднения при формировании модели мира, в котором отсутствует потребность в их услугах. Врачу трудно определить, что такое идеальный врач, учителю, что такое идеальный учитель. Ранее ясная, модель в данном случае может деформироваться, сводиться к иной, например, к перечислению комплекса предъявляемых требований. Здесь проблема в построении новой модели мира, такого, в котором отсутствует важный и кажущийся незыблемым элемент.

Нелегко выполнить и вторую часть предписания — точно определить, что же такое «а функции ее выполняются». Но именно в этой работе и состоит наиболее важный аспект применения модели — понять, зачем вообще потребовалась совершенствуемая система.

В процессе решения задачи зачастую формулируются без предварительного определения и уточнения цели. Определение будущего результата работы подменяется описанием машины, предназначенной для достижения этого результата. Например, при необходимости фиксировать деталь, в задании на разработку может появиться формулировка «разработать устройство для фиксации детали». Такие исходные фомулировки должны, по возможности, корректироваться и уточняться.

В предыдущей лекции об идеальности отмечалось, что очень важно и полезно уметь увидеть цель, освобожденную от конкретных средств ее реализации. Видеть цель — это видеть результат действия еще до того, как станет понятно, с помощью чего можно подойти к этому результату. Такой подход необходим еще и потому, что оценка найденных средств может быть выполнена только при понимании желаемой цели. Глубина этого понимания определяет возможности и точность оценки, выбора оптимального для конкретной ситуации средства.

Например: «необходимо разработать устройство для опускания оборудования в колодец».

Эта формулировка может быть заменена на более общую — «необходимо опустить оборудование в колодец». Здесь уже появляется возможность воспользоваться существующими средствами. Эта формулировка также может быть изменена в очередной раз на еще более общую. Например, на такую: «Необходимо, чтобы оборудование находилось в колодце».

Можно ли продолжить ряд обобщений? Конечно, если мы обратимся к назначению оборудования. Если оно предназначено для подъема воды на поверхность, то цель может звучать так: «Необходимо, чтобы вода поднималась на поверхность». При этом появляется возможность рассмотреть варианты, в которых устройство, расположенное наверху, поднимает воду из колодца.

Самостоятельное, автономное применение принципа идеальности и определения идеальной технической системы, является одной из отличительных черт, формирующих стиль работы специалистов по ТРИЗ. Однако наиболее часто можно встретить в литературе использование этого принципа в операторе ИКР (формировании идеального конечного результата) — одного из наиболее интересных и эвристически ценных шагов АРИЗ.

Объем понятия Идеального конечного результата может отличаться от объема понятия и возможностей идеальной технической системы. ИКР — это постановка перед выбранным объектом требования самостоятельно реализовать комплекс функций, первоначально реализовавшихся другим объектом, (элементом той же системы, надсистемой, внешней средой). Возможны три варианта такой реализации, различающихся степенью идеальности (исчезновения) исходно заданной технической системы.

1. Объект сам (без обычных, специально предназначенных систем или устройств) обрабатывает себя, сохраняя при этом потребительские качества. Это означает, что изделие выполняет функцию системы, предназначенной для ее обработки (оставаясь полезной для потребителя). Данный ИКР фактически совпадает с пониманнием идеальной технической системы. Однако формулирование такого варианта не всегда бывает целесообразным, так как в некоторых задачах оно может вступать в противоречие с ранее заданным уровнем конкретизации зоны конфликта.

Система, предназначенная для обработки, как правило, состоит из ряда узлов. (Состав этих узлов в обобщенной форме рассматривался при изучении закона полноты частей системы). Идеальность такой системы повышается, если какой-либо из ее элементов берет на себя дополнительную функцию, замещает иные элементы. Наиболее целесообразно требовать это от инструмента, части системы, непосредственно обрабатывающей изделие. В этом случае ИКР имеет вид:

2. Инструмент сам выполняет функцию вспомогательных элементов системы (снабжает себя энергией, ориентирует себя в пространстве…), продолжая обрабатывать изделие (то есть выполнять свою функцию).

Естественно, что при этом инструмент может брать на себя не все вспомогательные функции, а их часть (например функции управления, либо снабжения энергией…). В различных случаях будут получаться системы, отличающиеся уровнем «свернутости» — системы без ярко выраженного источника энергии, либо без трансмиссии, либо без органа управления.

Если по каким либо причинам не удается избавиться от системы, реализующей важную функцию, то можно нагрузить эту систему дополнительными функциями и за счет этого избавиться от иных систем. ИКР в этом случае записывается в следующей форме:

3. Система сама выполняет дополнительную функцию, продолжая осуществлять свою.

Как видно, общая структура ИКР выглядит так:

Выбранный объект

САМ

выполняет дополнительную функцию,

продолжая выполнять свою функцию (здесь могут быть введены и иные дополнительные условия).

Отдельно следует рассмотреть ситуацию, когда в процессе работы над задачей принято решение ввести дополнительный элемент. Это может быть элемент, реально существующий в окружении системы, а может быть абстрактное представление — так называемый «Х-элемент». В таких ситуациях принято формулировать ИКР по следующей структуре:

Выбранный объект («Х-элемент»)

САМ

Устраняет ранее сформулированный нежелательный эффект

Абсолютно не усложняя систему (ведь требование сохранения собственных функций элемента здесь чаще всего избыточно, а риск усложнения системы дополнительными элементами вполне реален).

Работа с «Х-элементом» (в ранних версиях АРИЗов использовалось понятие «Внешняя среда») требует специальных навыков. Ведь строя ИКР и выполняя некоторые последующие действия, изобретатель формирует комплекс требований, свойств, характеристик, введение которых в систему позволит решить поставленную задачу. «Х-элемент» — это совокупность таких требуемых харатеристик, которые потом придется искать в самой системе как ее латентные, скрытые, непроявленные возможности. При невозможности такого внутреннего подбора, появляется необходимость использования элементов с требуемыми свойствами.

Попробуем выработать навык формулирования ИКР и его практического использования при решении изобретательских задач.

Используем ИКР применительно к такой области техники, как передача тепла на расстояние. Общеизвестно, что лучшие из доступных нам природных проводников тепла — это металлы. Особенно выделяются в этом плане медь, серебро, золото. Но и металлы передают тепло не так хорошо, как иногда этого бы хотелось. Например, передать значительный поток тепла по металлическому пруту длиной несколько метров будет достаточно сложно. Нагретый конец такого прутка может уже начать плавиться, а с противоположной стороны его вполне можно будет держать руками. Здесь вырисовывается интересная задача: как обеспечить переток значительной мощности через ограниченное сечение в условиях малых перепадов температур.

Сформулируем идеальный конечный результат в следующем виде: «Тепловой поток большой мощности сам проходит через пространство без потерь и при минимальной разности температур».

Такие устройства были созданы. Они получили название «тепловые трубы». Рассмотрим простейшую конструкцию подобного устройства.

Возьмем трубу, выполненную из теплостойкого материала (например, из стали). Выкачаем из нее воздух и введем внутрь некоторое количество жидкости — теплоносителя (рис. 4.1).

Рис. 4.1

Расположим трубу таким образом, чтобы ее нижний конец оказался в зоне нагрева, а верхний в зоне отвода тепла. Нагрев жидкости превратит ее в пар. Пар мгновенно заполнит весь объем и начнет конденсироваться на холодном торце. При этом будет отдана теплота, равная теплоте парообразования. (Ведь известно, что теплота парообразования равна теплоте, отдаваемой при конденсации пара) Капли, сконденсировавшиеся на верхней поверхности теплоносителя, будут падать вниз и вновь нагреваться. Такой «круговорот воды в природе» может переносить действительно очень большие мощности.

Как видно из этого описания процесса теплопереноса, тепловой поток действительно сам распространяется по объему тепловой трубы.

Рассмотрим теперь новую ситуацию с придуманным нами устройством. В предыдущем случае мы имели зону нагрева внизу, а съема тепла — вверху. Зададимся вопросом: что произойдет, если зона нагрева окажется вверху, а съем тепла будет производиться снизу (рис. 4.2)? Очевидно, что устройство перестанет работать. Для того чтобы оно заработало, надо, чтобы жидкость перед нагревом поднялась вверх.

Задача 4.1.: как обеспечить подьем теплоносителя к верхнему торцу трубы?

Рис. 4.2

Первое побуждение — поднять жидкость вверх с помощью специального устройства — например, насоса. Но построим ИКР. Мы можем применить этот оператор к трубе, к жидкости, к тепловому полю, к охлаждающему агенту. Важно при этом, чтобы формулировки были действительно построены до конца и полностью произнесены или записаны. Например:

ИКР: труба сама поднимает жидкость вверх, в зону нагрева, не мешая свободному распространению пара;

(вариант реализации: в теле трубы могут быть выполнены специальные каналы, по которым будет подниматься жидкость);

ИКР: жидкость сама поднимается в зону нагрева, не мешая свободному распространению пара;

(вариант реализации: можно ли так рассчитать параметры каналов, чтобы жидкость поднималась сама? Конечно, если они будут капиллярами);

ИКР: тепловое поле само поднимает жидкость в зону нагрева, не прекращая нагрева;

(вариант реализации: тепловое поле, распространяемое сверху, может выполнять полезную работу по подъему жидкости в зону нагрева).

Еще раз подчеркнем, что выполнение ИКР, то есть работы дополнительной для элемента, не должно мешать выполнению его полезных функций, и конечно же не должно мешать выполнению главной полезной функции всей системы. Выбор этого вспомогательного требования зависит от того, какую функцию выполняет выбранный элемент.

Кроме того, можно говорить о зоне внутри трубы, из которой выкачан воздух. Для нее мы тоже можем сформулировать ИКР, звучащий очень похоже на уже построенные. «Зона внутри трубы сама…» Есть и еще один объект — это тот самый насос, без которого мы хотим обойтись. Для того, чтобы обеспечить выполнение системой основной функции, может оказаться полезным предварительно ввести в систему новый элемент, просто для того, чтобы тут же постараться от него избавиться, оставив себе все его достоинства. В данном случае мы можем попробовать представить себе систему с насосом и согласно ИКР оставить в системе только рабочий орган насоса — например, его крыльчатку. И уже после этого потребовать от крыльчатки, чтобы она сама, без помощи двигателя и иных элементов поднимала жидкость — теплоноситель в зону нагрева.

Конечно, если мы выберем насос, работающий на ином принципе, например перистальтический, то требование будет предъявлено уже к иному рабочему органу. «Трубка сама пульсирует и поднимает жидкость наверх».

Вся совокупность построенных вариантов ИКР может и не определяться в рамках реального решения задачи. Но из сделанных построений виден общий принцип — ИКР обеспечивает концентрацию интеллектуальных усилий на выбранном элементе, заставляет человека, решающего задачу, искать в нем скрытые возможности.

Эффективным решением задачи о самостоятельном подъеме теплоносителя в зону нагрева при малых длинах трубки является использование капилляров. Кстати, капилляры также являются наиболее эффективным средством доставки теплоносителя в зону нагрева при использовании тепловой трубы в невесомости. Боковая поверхность трубки при этом выстилается слоем капиллярно-пористого вещества. Для труб с высокой рабочей температурой в качестве капилляров используется насечка на внутренней поверхности трубы.

Известно, что на поверхности тепловой трубы в рабочем режиме устанавливается (САМА!) постоянная температура. Это очень удобно для термостатирования, ведь в технике часто требуется обеспечить постоянство температурного поля, например, при сушке, при испытании серии приборов… С помощью тепловой трубы это реализуется довольно просто. Можно иметь на входе нагреватель с любой температурой, превышающей температуру испарения теплоносителя, и тепловая труба будет «срезать» все лишнее. Температура поверхности трубы будет зависеть только от соотношения интенсивностей подвода и отвода тепла и площадей теплообмена. Если процессы подвода и отвода тепла устоялись и равны площади поверхностей испарителя и конденсатора, то температура трубы равна половине суммы температур нагрева и конденсации.

Задача 4.2.: Рассмотрим работающую тепловую трубу. Она внешне не отличается от трубы неработающей. На испытательном стенде возникла задача: как определить, что тепловая труба вышла в рабочий режим. Поставим и эту задачу через формулирование ИКР, через определение требуемого результата. Конечно, для этого требуется понимать, что же происходит с трубой, когда она выходит на рабочий режим. Об этом могут сообщать ее элементы, находящиеся в измененном состоянии: в состоянии, связанном именно с тем, что тепловая труба устойчиво работает.

Что же происходит с элементами, когда тепловая труба работает? Вся поверхность корпуса имеет постоянную температуру. Капилляры заполнены жидкостью, поднимающейся вверх. Существует перепад давления между концами трубы. В зоне нагрева давление паров теплоносителя максимально, в зоне конденсации оно практически отсутствует. Нагретый теплоноситель, ставший паром, переносится от горячего конца в зону конденсации.

Все эти явления, которые мы можем назвать особенностями конкретной ситуации, могут сообщать нам о появлении нужного нам режима. На каждом из них можно сформулировать ИКР и построить на основе этих ИКР варианты возможных решений.

Один из вариантов, реализованный в лаборатории с целью проверки работоспособности тепловой трубы, состоял в том, что внутрь трубы был помещен обычный свисток (или упругая пластинка, которая колебалась в потоке пара и заставляла трубу звучать). Конечно, это решение в чем-то «идеально», а в чем-то и нет. Ведь в реальной установке этот способ, скорее всего, неприменим из-за дополнительного звукового фона. Но это «быстро внедряемое» решение обеспечило получение нужного знания с помощью подручных средств. Оно же дало еще одну задачу: как заставить свисток звучать только в требуемый момент. И здесь тоже ответ может подсказать оператор ИКР. Его можно сформулировать следующим образом.

«Свисток сам звучит только в момент, когда это необходимо оператору».

Построим еще более точную формулировку требования:

«Язычок свистка сам колеблется только в момент, когда это необходимо оператору».

Такое избирательное поведение может быть реализовано с помощью внешней силы, например, ввинчиваемого в боковую поверхность трубы стопора, заживающего язычок свистка.

Рассмотрим ситуации, в которых для поиска путей решения будет использоваться идеальность и основанный на ней оператор ИКР.

Задача 4.3.: Из металла изготавливаются небольшие металлические пустотелые шарики. Требуется, чтобы стенки шариков были равной толщины. Для обеспечения такого отбора можно создать сложное устройство бесконтактного контроля, а можно попробовать построить ИКР и искать решение на основе его формулировки.

Но сначала желательно определить, к какому из шариков предъявляется требование. Например, к шарику, в котором внутренняя полость расположена не центрально. Если так, то после этого уточнения требование определить значительно проще.

«Плохой» шарик сам отделяется от хороших шариков.

Более точно, то есть после рассмотрения природы явления на физическом уровне:

«Смещенный центр тяжести» шарика сам отделяет его от «хороших».

Возможный принцип решения: шарики поочередно должны скатываться по узкой линейке, установленной наклонно. Те из них, у которых центр масс расположен не в центре, будут отклоняться от прямолинейной траектории и падать с узкой дорожки. Разделение качественно изготовленных и бракованных шариков происходит при этом «само собой».

Задача 4.4.: Рассмотрим реальную ситуацию, описанную в книге М. Вертгеймера «Продуктивное мышление».

«Два мальчика играли в саду в бадминтон. Я мог видеть и слушать их из окна, хотя они меня не видели. Одному мальчику было 12 лет, другому — 10. Они сыграли несколько сетов. Младший был значительно слабее; он проиграл все партии.

Я частично слышал их разговор. Проигрывающий, назовем его „В“, становился все более и более грустным. У него не было никаких шансов. „А“ часто подавал так умело, что „В“ даже не мог отбить волан. Ситуация все более ухудшалась. Наконец „В“ бросил ракетку, сел на поваленное дерево и сказал: „Не буду больше играть“. „А“ пытался убедить его продолжать игру. „В“ не ответил. „А“ сел рядом с ним. Оба выглядели огорченными.

Здесь я прерываю рассказ, чтобы задать читателю вопрос: „Что бы вы предложили? Что бы вы сделали на месте старшего мальчика? Можете ли вы предложить что-нибудь разумное?“»

Попробуем решить эту нетехническую задачу (как сделать так, чтобы обоим игрокам хотелось играть и было интересно играть) с помощью оператора ИКР. Здесь также требуется четко поставить цель. Что бы мы хотели в конечном счете? Очевидно, что обоим игрокам должно быть интересно играть, даже несмотря на разницу в классе.

ИКР может звучать здесь следующим образом:

«Игрок „А“ сам помогает игроку „В“ отбивать мяч, не ухудшая своих показателей и не делая игру более скучной для себя».

Это может быть достигнуто, если оба игрока будут играть на один и тот же результат.

Целью игры также могло бы стать:

•стремление как можно дольше удержать волан в воздухе;

•необходимость для сильного игрока попасть в мишень воланом, который отобьет ему слабый игрок.

Или… сильный игрок мог бы играть левой рукой и т. д.

Уже сама формулировка цели в данном случае открывает возможности для ее достижения.

Задача 4.5.: Зимой водосточные трубы заполняются льдом. Весной лед начинает оттаивать, и возможны ситуации, когда ледяная пробка, подтаяв с внешней стороны и потеряв сцепление с трубой, летит вниз. Удар такой пробки о выступающие части трубы часто приводит к ее разрыву. Если же ледяная пробка падает на тротуар, то она может стать причиной травм находящихся вблизи людей. Выколачивание льда — дорогое и малоэффективное мероприятие. Как добиться того, чтобы пробки не падали вниз?

ИКР может быть обращен ко всем элементам, приведенным в данной задаче. Мы можем считать, что их всего два: лед и труба. Важным вопросом является формирование требования к этим элементам.

«Лед сам удерживается в трубе до момента полного таяния».

«Труба сама удерживает лед до момента его полного таяния».

Как можно видеть, в реальной ситуации труба и лед не держатся друг за друга до момента полного таяния (ведь нам приходится их об этом «просить»).

«Лед сам держится за трубу той своей частью, которая растает в последнюю очередь».

Возможный итог решения описан в одном из российских изобретений:

«Водосточная труба, включающая водосборную воронку, прикрепленную около ската крыши, колена обхода карниза и слива, отличающаяся тем, что, с целью создания защиты от повреждения падающим внутри трубы льдом, труба снабжена отрезком произвольно изогнутой проволоки, расположенной со стороны воронки внутри трубы и прикрепленной верхним концом к скату крыши» (рис. 4.3).

Рис. 4.3

В этом решении видно, что выполненное изменение — пропущенная внутри трубы проволока позволяет приблизиться к реализации ИКР, определенного для льда: лед сам удерживается внутри трубы до момента полного таяния.

Объекты техники имеют огромное количество свойств и характеристик, из которых в конкретных обстоятельствах человек почти всегда использует крайне незначительную часть. Этот запас свойств позволяет нам требовать от элементов системы чего-то нового и находить новые возможности их использования.

Можно констатировать, что идеальность — универсальный инструмент мыслительной деятельности.

Отличие идеальной технической системы от используемых в науке идеализаций состоит в том, что в науке модель приближают к реальному миру, а в технике реальный мир создают на основе модели. И если в науке к абсолютной истине можно только стремиться, никогда ее не достигая, то в технике можно сразу понять эту абсолютную для себя истину, то есть конечный предел, итоговое состояние объекта, но тоже стремиться к этому состоянию, к этой истине бесконечно. Выражаясь фигурально, техника дает нам возможность жить в мире мечтаний, делая их реальностью. И механизм работы с идеальными моделями, с ИКР является практическим инструментом реализации этих возможностей.

 

5. Вещественно-полевые ресурсы

Вспомним легенды древних греков о подвигах Геракла. В одной из них он пообещал царю Элиды Авгию очистить его огромные и сильно загрязненные конюшни, причем, сделать это собирался за один день. Выполнить эту работу вручную обычными способами было не по силам даже такому гиганту, как Геракл. Но он поступил по-изобретательски: нашел такие силы, которые помогли сдержать данное Авгию слово: разобрал стены конюшни и направил в них воды рек Алфея и Пенея, которые смыли все нечистоты, накопившиеся в конюшнях за долгие годы.

Как же охарактеризовать действия Геракла, a точнее тот прием, который он использовал для решения поставленной задачи? Сейчас мы сказали бы, что древнегреческий герой использовал мощный энергетический и вещественный ресурс, имевшийся в окружающей среде.

А вот пример отнюдь не из мифологии. Теплой водой в коровнике ополаскивают доильное оборудование. Водой горячее (40 °C) проводят санитарную обработку животных перед дойкой, а шестидесятиградусной — моют оборудование. Теплая и горячая вода поступает в коровник из котельной, работающей на жидком, твердом или газообразном топливе. От этой же котельной работает и агрегат для охлаждения парного молока. На охлаждение каждой тонны молока и нагрев воды расходуется почти 5 кг условного топлива. Но ведь парное молоко само имеет температуру 35 °C! Оказывается, теплоты парного молока вполне достаточно для приготовления не только теплой, но и горячей воды. Нужна лишь дополнительная специальная установка, которая и была разработана рядом институтов сельскохозяйственного машиностроения.

Если в примере с Гераклом использована энергия рек, т. е. ресурсы внешней среды, то в данном примере энергия для вспомогательных операций получена утилизацией теплоты самого главного продукта производства, который так или иначе все равно надо охлаждать. Теплота охлаждаемого молока как раз и есть ресурс для нагрева воды.

Мы уже не раз использовали термин «ресурс». Согласно толковому словарю, ресурс — это запас, накопление, возможности. Мы же далее будем понимать этот термин более широко: ресурс — это все, что без особых затрат может быть использовано во благо системы, для ее совершенствования.

Сам термин «вещественно-полевые ресурсы» впервые появился в тексте АРИЗ-85В. Однако очень скоро стало ясно, что понятие «вещественно-полевые ресурсы» (ВПР) — одно из фундаментальных понятий ТРИЗ, такое же, как уже знакомые нам противоречие, ИКР, веполь.

При решении задач по АРИЗ на этапе синтеза технического решения возникает необходимость в исходной модели задачи провести некоторые преобразования: ввести новые вещества и поля, либо изменить поля и вещества уже существующие в системе. Такие трансформации могут носить как физический характер (например, изменение агрегатного или фазового состояния веществ), так и быть изменениями характеристик пространственной структуры оперативной зоны объекта, в котором реализуется конфликт между его частями. Необходимые же преобразования в оперативной зоне по АРИЗ требуется совершить по отношению к некоторому икс-элементу, характер которого до поры, до времени неизвестен, а возможная его структура как раз и должна быть выявлена в процессе анализа задачи по шагам.

Анализ большого патентного материала, который, как и во всех других случаях, является основным исследовательским материалом в ТРИЗ, позволил разработать классификацию ВПР, существенно упрощающую работу с этим инструментом при решении изобретательских задач. Можно выделить следующие основные характеристики ресурсов: вид, количество, ценность, степень готовности к применению, источник.

По видам ресурсы можно разделить на энергетические, вещественные, пространственные, временные, функциональные, информационные, комбинированные.

К энергетическим ресурсам относятся все известные нам виды энергии и полей (электрические, электромагнитные, тепловые поля и т. д.), которые не подводятся к системе и не вырабатываются специально, а уже имеются в совершенствуемой системе или во внешней среде.

Приведем примеры:

Многие садоводы-любители для борьбы с вредителями пользуются опрыскивателем. Чаще всего в качестве энергетической установки при этом выступает сам человек, нагнетая давление в баллон с жидкостью. Точно так же поступает и автомобилист, накачивая шину колеса, хотя наверняка можно для этой цели приспособить и двигатель автомобиля.

Кстати, автомобиль, как источник разных, часто пока неиспользованных, видов энергии может быть объектом для поиска ВПР. Например, известно, что выхлопные газы выносят в атмосферу не только пары воды, диоксид углерода (углекислый газ) и некоторые вредные составляющие, но и неиспользованную тепловую и механическую энергию. Эту энергию можно заставить работать. Достаточно по специальным каналам направить выхлопные газы к турбинке и раскрутитъ ее до нескольких тысяч оборотов в минуту. Та, в свою очередь, приведет в действие небольшой воздушный компрессор, создающий дополнительное давление в воздухозаборнике, что и повысит мощность двигателя. Именно так и поступают при создании современных автомобилей с турбонаддувом.

Но выхлопные газы могут не только усиливать наддув двигателя, они способны подсушивать перевозимые грузы, перемешивать их. Могут они натянуть над автомобилем защитный тент, защитив и сам автомобиль и водителя от атмосферных осадков.

Под вещественными ресурсами будем понимать все материальные тела, которые есть в системе, надсистеме или внешней среде. Вот несколько примеров.

Для восстановления размеров деталей, например, изношенных венцов больших зубчатых колес экскаваторов, их помещают в специальную форму и с огромной силой сжимают нерабочие части венцов. Металл из этих частей выдавливается в зубцы, увеличивая их размеры. Затем лишний металл с контактных поверхностей зубчатых колес сошлифовывают. Практически также предложил поступать изобретатель Л. К. Нагорный при изготовлении составных прокатных валков: цилиндрическую гильзу надевают на ось с зазором, а затем ось сжимают с торцов, чтобы заполнить зазор. Вещественным ресурсом здесь является материал оси; изготовление валков значительно упрощается, поскольку не нужна точная обработка посадочных поверхностей (а.с. 833347).

Существенным для поиска вещественных ресурсов в системе является то, что вещества представляют собой многоуровневую иерархическую структуру, простирающуюся от элементарных частиц, через атомы, молекулы, их ассоциации, кристаллическую решетку к простейшим техновеществам (проволока, лист, шарик и т. д.), к объединению в ассоциации обработанных техновеществ, составляющих технические системы высокого уровня организации. Отсюда же ясно, что новое вещество в системе может быть получено как разрушением более крупной системы, например, разложением воды на молекулы водорода и кислорода, так и объединением уже существующих частиц более низкого уровня. При этом выгоднее разрушать «целые» частицы (молекулы, атомы), поскольку нецелые частицы (например, ионы) уже частично разрушены и сопротивляются дальнейшему разрушению. Достраивать же, наоборот, выгоднее нецелые частицы, стремящиеся к восстановлению

Под пространственными ресурсами будем понимать свободное пространство, «пустоту», которую можно использовать для изменения исходной системы или для повышения эффективности ее эксплуатации.

Во многих регионах мира, расположенных на берегах морей и океанов, возникают большие проблемы с питьевой водой. Воды рядом много, но использовать ее нельзя — она соленая! Необходимо не только создавать мощные опреснительные установки, но и строить большие хранилища для пресной воды. Швед К. Дункер предложил для хранения дождевой и питьевой воды использовать гигантские плавающие резервуары, представляющие собой не имеющие дна пластиковые контейнеры, нижний край которых с помощью грузил удерживается в вертикальном положении. Пресная вода (имеющая меньшую плотность) держится поверх соленой, не смешиваясь с ней. Чтобы избежать испарения пресной воды, предусматривается пластиковое же покрытие. Создание хранилищ такого объема на берегу было бы значительно сложнее и менее экономично.

Интересный пространственный ресурс нашли английские авиаторы. На взлетно-посадочной полосе, конструкцию которой запатентовали английские инженеры, готовят для взлета сразу несколько самолетов. Казалось бы, что это опасно. Однако разбегаться они будут по слегка искривленным (веерообразным) дорожкам длиной 600–900 м, а затем выходить на прямые участки и взлетать.

Ярким примером использования пространственного ресурса являются приемы перехода в другое измерение. В ряде стран уже широко практикуется не горизонтальное огородничество, а вертикальное, когда делянки с разными культурами в зависимости от степени развития растения размещают в вертикальной плоскости. При этом значительно облегчается уход за ними. Довольно близка к этому и идея использования крыш домов для устройства теплиц: и солнца, и воздуха — в достатке.

Мы часто говорим, что живем в пространстве и времени. Логично предположить, что помимо пространственных ресурсов, должны существовать и временные ресурсы. Что же можно к ним отнести? Это, во-первых, время до начала некоторого главного производственного процесса, и, во-вторых, промежутки между отдельными этапами производственного процесса. И те, и другие временные отрезки могут быть использованы для улучшения основного функционирования системы.

Пример на использование временного ресурса: если совместить процесс прокатки рельсов с их закалкой, то можно резко сократить расходы теплоты на повторный нагрев металла, необходимый для закалки.

Еще пример из другой отрасли.

Создан универсальный автомобильный разгрузчик. Он может многое: загружать семенами разные посевные агрегаты, смешивать удобрения, обслуживать картофелесажалки и, что особенно важно для сельского хозяйства, не имеет сезонных простоев. Летом разгрузчик используют на технологических операциях, а зимой — для вывоза сыпучих грузов.

Последний пример характеризует рациональный подход к проектированию техники, позволяющий ликвидировать ее простои за счет увеличения выполняемых ею функций.

Функциональные ресурсы. Это, по-видимому, возможность использовать известную функцию объекта по иному назначению, либо выявление новой функции в системе. Сюда же можно отнести и возможность системы выполнять по совместительству дополнительные функции после некоторых изменений. Приведем примеры таких ресурсов.

Для борьбы со сливной стружкой используют самые разнообразные способы — от стружколомающих канавок на резцах до механизмов мелкого трясения деталей станка. А вот изобретатели из Нижегородского технического университета предложили дробить стружку струей уже работающей в станке охлаждающей жидкости, создавая в ней импульсы давления с частотой в несколько десятков герц и давлением 5–15 МПа (а.с. 986600).

Но, как выясняется, этим не ограничиваются «изобретательские» возможности охлаждающей жидкости. Оказалось, что с легкой руки изобретателя Э. К. Асташенко она может сигнализировать и о поломке режущего инструмента (а. с. 776760). Струя, если инструмент сломался, стекает в небольшой резервуар на коромысле и, переполняя его, как чашу весов, другим концом коромысла выключает станок.

Перейдем к рассмотрению информационных ресурсов. Совершенно очевидно, что потребность в информационных ресурсах обычно возникает в задачах на разделение, обнаружение, измерение. Поэтому информационные ресурсы — это данные о параметрах вещества, полей, изменения свойств или параметров объекта. При этом, чем больше мы обнаружим отличий одного вещества от другого, тем эффективнее может оказаться их разделение. Вещества различают по разным параметрам: размерам, твердости, отражательной и преломляющей способности света, по магнитным, электрическим, химическим, биологическим и другим свойствам. Если различия в параметрах малы, то их усиливают, подвергая вещества воздействиям, при которых отличия увеличиваются.

Рассмотрим ряд решений, использующих информационные ресурсы.

Созрел ли арбуз? Эта задача имеет народнохозяйственное значение: не имея надежных приборов и методов, приходится «на авось» перевозить многие тонны ненужного покупателю груза. Однако, специалисты провели серию опытов и выявили, что имеется четкая связь: чем тверже корка, тем арбуз более зрелый. Дело за малым — сконструировать надежный и компактный прибор, удобный для работы на бахче. Для определения твердости металлов такие приборы давно существуют — в поверхность металла с определенной силой вдавливают шарик и затем измеряют диаметр отпечатка, характеризующий твердость. Вряд ли это будет удобно для нашей задачи. А нет ли у арбуза какого-либо другого свойства, позволяющего проще решить задачу? Оказывается есть! В. В. Чаленко и Н. Е. Руденко из научно-исследовательского института орошаемого овощеводства и бахчеводства предложили судить о степени зрелости арбуза по его электросопротивлению.

Также по различию свойств материалов, а точнее, по спектру издаваемых звуков, предложено определять правильность загрузки измельчаемых компонентов в мельницу (а. с. 400365). А вот новый способ диагностики ишемической болезни сердца использует разную степень поглощения ультразвука эритроцитами крови у больных и здоровых людей (а. с. 1126288).

Еще один интересный пример: по информации о параметрах стали, оцененных еще при выплавке с помощью математической обработки на ЭВМ, делают прогноз качества прокатанного из нее металлического листа.

До сих пор мы рассматривали только одиночные ресурсы. Однако, как и простые приемы решения изобретательских задач имеют тенденцию к объединению, так и ресурсы стремятся комбинироваться.

Идея выращивания корма непосредственно в животноводческих помещениях очень привлекательна и находит много поклонников. И. С. Крашаков предложил животноводческую ферму, связанную системой вентиляции с теплицей для выращивания зеленого корма, снабдить камерой для биологической обработки навоза. В этом случае навоз можно использовать и в качестве удобрения, и для дополнительного обогрева помещения теплотой, выделяющейся при его переработке. Биогаз, Вырабатывающийся при этом вырабатывающийся при этом, может быть использован как в двигательных установках, так и для освещения.

В Гипроцветмете разработана установка для комплексной очистки сточных вод от органических веществ, масел, шламов и различных взвесей. В этой установке стоки сначала превращают в газо-водяную пену, а затем сжигают. При этом теплоту отходящих газов используют при подготовке стоков и при очистке, что значительно снижает энергоемкость процессов.

Теперь рассмотрим основные характеристики ВПР. Как уже отмечалось выше, их различают:

•по виду: вещественные, энергетические, информационные, пространственные, временные, функциональные, комбинированные;

•количеству: неограниченные, достаточные, недостаточные;

•ценности для системы-источника: вредные, нейтральные, полезные;

•степени готовности к применению: готовые к применению, требующие модификации или разрушения (производные) путем использования различных физических, химических и геометрических эффектов;

•источникам, откуда ресурс может быть получен: из самой системы и ее подсистем; из надсистемы и соседних систем; из внешней среды; из «чужих» систем.

Рассматривая ресурсы, целесообразно особо выделить такой из них, как пустота. Пустота в зависимости от условий задачи может приобретать свойства как пространства, так и вещества. Ценность этого ресурса заключается в том, что он часто имеется в неограниченном количестве, предельно дешев, легко «смешивается» с веществами, образуя полые, пористые, ячеистые структуры, изменяя при этом свойства смесей в очень широких пределах. Пустота позволяет легко менять физические, адгезионные и адсорбционные, электрические и магнитные свойства материалов и т. д.

Пустота — не обязательно вакуум. Если вещество твердое, пустота в нем может быть заполнена жидкостью, газом; в жидкостях она обычно находится в виде пузырей газа (пара).

В технике одним из первых ресурсосберегающих мероприятий явилось применение фасонных, трубчатых, коробчатых и подобных им конструкций. Использование в них пустоты позволило достичь большой экономии материала без существенных потерь прочности, разработать разнообразные легкие многослойные и ячеистые материалы.

Пустота внедряется даже в конструкциях, где нужна, казалось бы, особая прочность и массивность.

Изобретатель О. В. Соловьев предложил сделать полыми такие высоконагруженные детали, как шарики и ролики подшипников, их кольца и сепараторы, детали зубчатого зацепления, шестерни, колеса, червяки, элементы крепежных соединений — болты, гайки, винты и др. Свою статью в № 4 за 1989 г. «Изобретатель и рационализатор» он назвал: «Достоинства пустоты». В чем же эти достоинства?

Дело в том, что формы контактирующих поверхностей небезупречны и их не удается улучшить в результате обработки. Это сказывается на долговечности изделий: из-за повышенных нерасчетных контактных напряжений происходит разрушение металла в виде выкрашивания либо повышенного износа, что увеличивает первоначальный (монтажный) зазор в контакте. А поскольку все рассматриваемые детали обычно массивны, возникают дополнительные ударные или вибрационные нагрузки, которые усиливают разрушение, как самой зоны контакта, так и всей машины в целом.

Введение же пустоты (изготовление элементов детали полыми) не только уменьшает массивность детали, но и придает ей свойство податливости, упругости и динамичности. Меняются формы и размеры контактирующих поверхностей. Зубцы теперь контактируют не по отдельным точкам или линиям, что имеет место в монолитных конструкциях, а по отдельным или слитным площадкам. Резко снижаются удельные напряжения в металле, существенно повышается контактная выносливость, износостойкость. Динамизация системы приводит к реализации принципа перехода в другое измерение: после того, как все-таки «сработаются» поверхностные слои металла на рабочих поверхностях, они приобретают такой взаимный контакт, который невозможно получить сейчас никакими механическими способами обработки. Интенсивность износа падает до минимального значения.

До сих пор мы рассматривали макропустоту. Но пустота может быть ресурсом и на микроуровне. Например, для кристаллической решетки это пространство между узлами, в которых находятся атомы вещества. В этот промежуток могут быть внедрены атомы другого вещества. На этом основаны многие виды технологий, такие как легирование металлов и сплавов другими металлами или упрочнение отдельных, например, поверхностных слоев деталей и конструкций (борирование, нитрирование, науглероживание сталей и т. д.). Таким способом можно в широких пределах менять свойства материалов.

Комбинируясь с другими веществами, пустота может образовывать комплексные вещества, приобретающие при этом новые свойства и возможности применения. Остановимся поэтому на некоторых из них.

С пеной связано множество легенд. В мифах древних греков рассказывается, как из морской пены родилась богиня любви и красоты Афродита. Вряд ли такой способ рождения богини был случаен. Древние греки предвосхитили много современных научных гипотез, научных истин. Так, в наше время бытует точка зрения, что пена сыграла определенную роль в возникновении жизни на Земле (Джон Бернал, академик А. И. Опарин).

В соответствии с ней, на поверхности мирового океана, под действием солнечных лучей в пене возникли и накопились органические соединения, давшие начало простейшим формам живого вещества, живой материи.

И в современной жизни практически нет такой сферы человеческой деятельности, в которой не нашлось бы применение пены: от космической техники до очистки отходов производства и сточных вод; а есть целые отрасли промышленности, в основе которых имеют место различного рода процессы, связанные с пенообразованием. Этим и объясняется исключительный интерес к теории и практике создания и использования пены.

Рассмотрим примеры ее применения.

В декабре 1968 г. в гавани города Эль-Кувейта затопило судно с большим числом овец на борту. Для подъема судна, с учетом сложившихся условий, необходимо было полгода. За это время трупы овец вызвали бы заражение воды в гавани и в городе, могла возникнуть эпидемия.

Выход из положения предложил датчанин К. Кройер. По его совету изготовили срочно и закачали внутрь судна 200 т полистирольных крупинок, состоящих на 98 % из воздуха. Пена вытеснила воду, закупорила мелкие отверстия, судно благополучно всплыло на поверхность. Что интересно в этом решении?

Идеально, чтобы судно само всплыло. Для этого есть практически только один ресурс — его внутренний объем. Но он заполнен водой. Нужно вещество, которое создало бы подъемную силу, причем вещество легкое. Конечно, лучшими могут быть вакуум или воздух. Создание вакуума в земных условиях всегда требует затрат энергии, а воздух — это неограниченный ресурс. Тем не менее, воздух сам по себе невозможно применить: закачиваемый, он тут же будет уходить через отверстия. Таким образом, должен быть воздух, т. к. он по всему нам подходит лучшим образом, и должен быть не воздух, т. к. он не удерживается внутри корпуса судна. Нужен видоизмененный воздух, нужна пена.

С давних времен человеком замечено, что для теплоизоляции хороша пустота в виде прослойки воздуха. В наших квартирах, кстати, этот принцип реализован в виде двойного и даже тройного остекления окон. Но всегда ли воздушная прослойка является наилучшим решением? Если немного поразмыслить о природе теплопередачи, то окажется, что этот принцип можно улучшить. Дело же здесь в том, что часть тепла переносится за счет конвекции, то есть всплывания теплого воздуха как более легкого, отсюда вывод: надо это всплывание прервать. Вот пена как раз это и делает, оказываясь лучшим исполнителем роли теплоизолятора.

Похожая ситуация и в случае со звукоизоляцией. Каждая стеночка вещества, образующего оболочку пены, многократно отражает звуковую волну, поглощает и превращает в тепло ее энергию, не позволяя вырваться наружу звуку. До сих пор мы рассматривали комбинированное вещество в виде пены. Чем оно было характерно? А тем, что пустота в ней образует замкнутые полости. Рассмотрим твердые пены и зададимся вопросом: а что будет, если вместо замкнутых полостей возникнут сквозные каналы; не будет ли такое вещество обладать какими-либо интересными свойствами? И действительно, такое вещество не только возможно, но и окружает нас повсюду. Это так называемые капиллярно-пористые материалы (КПМ). Простейшими примерами такого вещества является промокательная бумага, резиновая губка.

Но чтобы КПМ выполняла свое назначение, а в данных примерах речь идет о способности интенсивно впитывать жидкости, она должна иметь как можно более тонкие каналы-капилляры, только в этом случае поверхностное натяжение жидкости позволит ей самопроизвольно втягиваться в эти каналы.

Способность КПМ «захватывать» вещества может быть использована для соединения объектов. Предположим, к слитку надо прикрепить пластину с маркировкой. Для этого пластину, одна сторона которой пористая, кладут на дно платформы. После затвердевания металла пластина надежно скрепится со слитком.

Возникает вопрос, где и в какой последовательности следует вести поиск, а затем и рассмотрение ресурсов? В ТРИЗ принят следующий порядок, позволяющий получить результат при минимальном расходе ВПР:

•ВПР инструмента;

•ВПР внешней среды;

•побочные ВПР;

•ВПР изделия, если нет запрета на его изменение.

В этом последнем случае надо иметь в виду, что, как правило, изделие — неизменяемый элемент. Исключения возникают тогда, когда изделие может:

•изменяться само;

•допускать расходование какой-то части, когда его в целом неограниченно много;

•допускать переход в надсистему;

•допускать использование микроуровневых структур;

•допускать соединение с «ничем», т. е. c пустотой;

•допускать изменение на время.

Внутри каждой из перечисленных выше групп источников ВПР наиболее целесообразно пользоваться и следующими достаточно очевидными рекомендациями: сначала надо рассмотреть возможность использования простых ресурсов, а если же это невозможно, то перейти к производным от простых ресурсов и, наконец, к комплексным.

С другой стороны эффективнее всего использовать ресурсы, имеющиеся в неограниченном количестве. Как правило, это ресурсы внешней среды. К ним можно отнести воздух, воду, их температуру, фоновые поля Земли (гравитационное, магнитное и т. д.). Если таковых ресурсов нет, то рассматриваются ресурсы, имеющиеся в достаточном, либо ограниченном количестве.

Важнейшим принципом ТРИЗ становится использование в качестве ВПР природных источников энергии и отходов производства других технических систем (энергетических и вещественных). В настоящее время среди проблем, порожденных научно-технической революцией, есть одна особо тревожная — это возможность существенного повреждения и даже гибели биосферы Земли в результате все возрастающих техногенных воздействий. И, во-вторых, не менее важная проблема — истощение не возобновляемых природных ресурсов. Обе проблемы между собой чрезвычайно тесно связаны. Использование топлива, изымаемого из глубин Земли, в силу законов термодинамики таково, что на каждый киловатт-час полезной энергии, полученной при его сжигании в любой стационарной и транспортной энергоустановке, в окружающей среде бесполезно рассеивается приблизительно 2,5 квт. ч. Сжигается энергия, накопленная Солнцем в недрах Земли за миллиарды лет биологической жизни. Суммируясь с солнечной радиацией она как раз и приводит к повышению температуры атмосферы, к чему природные структуры биосферы Земли не приспособлены. Опасность нарушения их стабильности становится все более реальной. В этих условиях основные надежды связываются с так называемыми безотходными и малоотходными технологиями. Однако, хотя успехи здесь, казалось бы, немалые (водооборотные системы, газоочистные устройства, утилизация отходов и пр.), полностью безотходные технологии — это лишь идеал, к которому следует стремиться. Но идеалы, как правило, недостижимы. По-видимому, создание такого идеала само потребует огромных энергетических затрат, и нет гарантии, что на пути к нему человечество не достигнет грани, за которой — пропасть.

Скажем, автомобили на водородном топливе не загрязняют атмосферу там, где они используются. Однако производство водорода требует расходов энергии в количествах, при которых общее отрицательное воздействие на среду может быть даже большим, чем при обычных двигателях.

Таким образом, малоотходные технологии нельзя считать панацеей от антропогенного загрязнения биосферы, т. к., к сожалению, далеко не все достижения научно-технической революции удовлетворяют требованиям экологии. Нужно что-то иное. Нужно сформировать новый, экологический образ жизни и мышления, когда общественные процессы, и в первую очередь, научно-технический прогресс должны осуществляться только с учетом экологического правила, согласно которому повреждение природной среды за счет техногенных воздействий недопустимо, какой бы высокой ни была техническая и экологическая эффективность объектов, породивших эти воздействия. Надо обеспечить рождение новых товаров и продуктов, менее ресурсоемких и более безвредных для окружающей среды, но в то же время удовлетворяющих возрастающие духовные потребности развивающегося человечества.

Наиболее рациональным в этой части является пример самой природы, кругооборот веществ, в котором миллионы лет обеспечивалась стабильность биосферы. Человек, либо должен вписаться с созданной им техносферой в этот круговорот, что вряд ли реально, либо создать свою собственную систему циркуляции веществ и энергии, не только хорошо притертую к природной, но и имеющую механизмы утилизации или сброса излишков энергии.

Поэтому, для начала нужна специальная система учета, мобилизации, переработки отходов производства. Уже на стадии проектирования технологических процессов необходимо проектировать не нейтрализацию отходов, на что требуются и дополнительные вещества, и энергия, а получение из них дополнительных потребительских продуктов. Именно такой подход делает использование отходов производства одним из важнейших ресурсов.

Приведем несколько примеров.

Можно улучшить качество бетона, если (а. с. 1047864) добавить в него отходы виноделия, или (а. с. 897744) несколько тысячных процента кормовой патоки. Вообще для улучшения качества бетона стали достаточно широко применяться отходы разных производств. Например, в НИИ бетона и железобетона предложено использовать отходы алюминиевого производства в качестве добавки к бетонной смеси из портландцемента. Повышается морозостойкость смеси (а.с. 1152944).

Эффективно применение отходов многих производств и для создания новых строительных материалов. Так, в ЦНИИ промышленных зданий и сооружений (Москва) сделали прочный и морозостойкий силикатный кирпич, на 94 % состоящий из отходов производства, 84 % — отходы обогащения фосфоритов, 10 % — молотый топливный шлак и фосфогипс и лишь 6 % известь.

На железнодорожном транспорте в последнее десятилетие образовались большие запасы железобетонных шпал старых типов, непригодных для повторной укладки в путь. Типичный отход производства. Так вот, предложено использовать их для создания ряжевых подпорных стенок для удержания откосов насыпей земляного полотна от обрушения. Такая конструкция имеет ряд существенных достоинств: хороший водоотвод, высокую производительность при монтаже, устойчивость к атмосферным воздействиям, низкую стоимость.

Найти применение для отслуживших свой срок автомобильных шин — серьезная проблема для стран с развитой автомобилизацией. Поистине огромное количество шин выходит из строя. В самом деле, где можно использовать износившиеся автомобильные покрышки? Предприятия, занимающиеся сбором вторичного сырья в нашей стране, берут их неохотно: регенерировать трудно или попросту нельзя, измельчать в крошку при наличии металлического корда не всегда умеем. И потому по всей нашей стране горят коптящие костры. Расточительно? Весьма.

Над проблемой их рационального использования думают многие инженеры, не умеющие равнодушно проходить мимо валяющегося добра. И находят интересные решения. Так, специалисты Волгоградгидростроя предложили использовать изношенные покрышки для защиты берегов Волги от размывания. Скрепленные между собой они образуют на береговом откосе гибкие ковры, гасящие набегающую волну и способствующие образованию песчаных наносов. Если же покрышки соединить между собой болтами и гайками, перейти к объемным конструкциям, то можно использовать их в качестве строительных блоков для стен гаражей, складов, мастерских. Так и поступили инженеры в Англии, Канаде и США. А вот в Болгарии научились перерабатывать покрышки в кровельный материал, напоминающий черепицу, но более легкий и прочный, более устойчивый к непогоде. Причем, новый материал может использоваться и для декоративной облицовки стен.

Такое многообразие определяется большим перечнем свойств, заложенных в геометрии и материале старой покрышки. Она упруга, кругла, пуста и потому весит меньше кирпича и железобетона. В то же время прочна и стойка к атмосферным воздействиям.

Дополнив этот перечень и включив воображение, каждый может попытаться найти еще много полезных и эффективных применений такого, казалось бы, малополезного отхода.

Не меньшей проблемой является утилизация и бой стеклянной тары, тех самых стекляшек, которые зачастую являются причиной прокола велосипедных, мотоциклетных и даже автомобильных (нет, не изношенных, а вполне годных) шин. Хорошо известно, что стекло может сохранять неизменными свои свойства тысячелетиями. Если его не утилизировать, то за относительно короткий срок битое стекло может стать кошмаром человечества. Правда, стекло легко расплавить и заново сформировать из него нужный продукт, будь это оконный лист или молочная бутылка. Надо его только собрать да потратить определенное количество энергии.

Но можно поступить опять же по-другому. Перед автодорожниками постоянно стоит задача повышения качества дорог, их долговечность. Вот какую несложную технологию переработки бытового стекла предложил сотрудник СоюздорНИИ А. Сурманян. Стекло перемалывается в порошок. Затем к нему добавляется некоторое количество песка и клея. Эту смесь наносят на подложку из бумаги и укладывают на свежий бетон, бумагой вверх, приглаживают и оставляют до полного затвердения. Когда по этому участку дороги пойдут машины, они быстро сотрут шинами бумажную подложку. Стеклянно-песочная крышка обладает большой твердостью, и дорога прослужит на несколько лет дольше обычного. Кроме того, шероховатая поверхность обеспечивает лучшее сцепление колес с дорогой, а значит, повышает безопасность движения и расходы топлива.

Отходы производства могут образовывать и комплексы с другими ресурсами: пространством, энергией, веществами. По-видимому, всякий комплекс сильнее одиночного ресурса, т. к. обладает большим разнообразием свойств. Это же относится и к комплексам с отходами.

Еще в 1968 г. изобретатель Н. И. Самарин начал первые опыты по созданию огородов… на воде. На небольших плотиках, свесив корешки прямо в воду, растут у него огурцы, помидоры, зеленый лук… Какие же преимущества имеет водный огород по сравнению с традиционным? Изобретатель подсчитал, что сегодня в пруды, где разводят рыбу, вносят до сотен центнеров органических и минеральных веществ на гектар поверхности водоема. Рыбы потребляют не более 60 % этого «бульона», остальное лишь загрязняет воду. Если же на понтонах специальной конструкции разместить лотки, наполненные смесью перегноя с донным илом из тех же прудов (вещественный ресурс), то на том же пруду (пространственный и функциональный ресурсы) можно дополнительно выращивать хороший урожай овощей. Вода прудов служит одновременно и своеобразным аккумулятором тепла (энергетический ресурс), значит, овощи зреют, как в парнике, и даже в условиях средней полосы можно выращивать по два урожая в сезон! Лучше живется и самой рыбе. Как показывают замеры, рыбья молодь набирает в таких прудах на 10–12 % больше веса — ведь корни растений эффективно очищают воду. И, наконец, для облегчения поиска ресурсов можно воспользоваться следующим алгоритмом.

Алгоритм поиска ресурсов

Как же все-таки практически использовать ВПР при решении технических задач?

Наиболее простым представляется построение, например, двумерной таблицы, в которой по горизонтали и вертикали рассматривают одни и те же ресурсы, например: инструменты, побочные изделия, внешнюю среду.

В таблицу следует включить все ВПР и отдельной строкой — пустоту.

Такая таблица позволит просмотреть последовательно не только простые ВПР, но и их комбинации, по крайней мере, парные. Иногда на этом этапе могут возникнуть и более комплексные системы из ВПР: тройные и более высоких порядков.

Рассмотрим такую задачу.

Пленочное гидрозащитное покрытие котлована нужно защитить от воздействия солнечных лучей, иначе оно быстро разрушится. Для этого его можно покрыть слоем грунта, который выравнивают бульдозером. Бульдозер хорошо разравнивает грунт, но во время передвижения часто рвет гидрозащитную пленку. Как быть?

Вепольная модель этой задачи строится по типу полного веполя с вредным взаимодействием между веществами:

где В1 — пленка (изделие);

В2 — бульдозер (инструмент);

П — механическое поле.

По стандарту 1.2.1. между В1 и В2 следует ввести вещество В3, желательно даровое или достаточно дешевое:

Необходимо найти вещество B3, причем твердое, прочное, способное выдержать нагрузки от гусениц бульдозера.

Попробуем оценить имеющиеся ВПР:

•инструмент: бульдозер, его оборудование;

•изделие: сама пленка, ее толщина, другие размеры, прочность;

•побочные: отходы производства (пульпа, состоящая из воды и твердых частиц);

•внешняя среда: воздух, вода, грунт, магнитное поле Земли, гравитационное поле, температурное поле среды;

Проведем предварительный анализ этих ВПР, чтобы уменьшить размерность будущей двумерной таблицы.

По результатам анализа можно исключить из рассмотрения:

•бульдозер, так как вряд ли целесообразно изменять стандартную машину, имеющую универсальное назначение;

•магнитное поле Земли;

•саму пленку, так как она не обладает требуемой прочностью, а сделать ее многослойной, по-видимому, невозможно.

Теперь построим таблицу, в которой укажем все оставшиеся ресурсы.

Комбинации ВПР

Таблица симметрична, поэтому достаточно рассмотреть только верхний треугольник. Знаком «плюс» будем обозначать разумные сочетания ВПР, позволяющие получить вещество с требуемыми характеристиками.

Анализ ВПР четко приводит нас к мысли о необходимости создания твердого вещества из воды, либо из смеси воды с твердыми частицами (или из влажных твердых частиц — грунта) с помощью низких температур в зимний период.

И действительно, дождавшись зимы, можно залить котлован водой или даже пульпой, а по получившемуся поверх пленки льду разровнять бульдозером слой грунта. Весной лед растает, и грунт окажется на пленке.

Кроме того, с помощью таблицы можно получить и другой вариант:

грунт формируют в опалубке, увлажняют, замораживают и в таком виде укладывают поверх пленки.

Как видим, анализ ВПР позволяет находить неплохие, а главное — легко внедряемые решения технических задач.

Выше мы рассмотрели вещественно-полевые ресурсы, необходимые для образования технической системы, дали их классификацию и порядок выявления и применения. Однако для успешного решения задач изобретатель должен обладать рядом других, внутренних по отношению к своей личности ресурсов. Это, во-первых, человеческие качества, которые мы называем качествами творческой личности и о которых речь пойдет несколько позже. Важнейшим ресурсом также является и профессиональная подготовка инженера, тот багаж профессиональных и естественнонаучных знаний, приобретаемых в вузе и составляющих его инженерную эрудицию.

Мир «физичен». Техника изменяется не только в соответствии с законами своего развития (ЗРТС), но ее функционирование осуществляется в соответствии с законами физики, химии, биологии и т. д. Именно поэтому при анализе решаемой задачи важно максимально глубоко вскрыть причину конфликта в изучаемой системе. Как раз на этом пути и могут быть получены наиболее эффективные, говоря языком ТРИЗ, наиболее идеальные решения. Опыт преподавания в вузах и общения со студентами свидетельствует, что у студентов, а зачастую и у преподавателей естественнонаучного цикла отсутствуют достаточные представления о применимости соответствующих знаний в практике проектной деятельности инженера.

В действительности же эти знания не только вырабатывают научное мировоззрение специалиста, что, безусловно, важно, но и являются прямым инструментом преобразования техносферы. На практике эти инструменты реализуются в виде применения их при разработке новых технических систем физических, химических, геометрических и других эффектов и явлений. Изучению этих инструментов будет посвящена одна из рассматриваемых в дальнейшем тем.

В заключение этой темы рассмотрим остроумный пример решения проблемы только за счет внутренних (ближних) ресурсов.

Условия проблемы формулируются так. Для орошения земель в Австралии и Южной Америке нужна пресная вода. Предлагается для ее получения использовать айсберги Антарктиды, транспортируемые в нужное место. Есть много предложений по использованию для этой цели специальных судов-буксиров. Однако сформулируем задачу: айсберг сам перемещается в место его использования. Зададимся вопросом, откуда взять необходимую для перемещения айсберга энергию. Что есть в системе? Это — сам айсберг, окружающая его соленая вода, окружающий воздух. Известный английский популяризатор науки и техники Д. Джоунс, выступавший под псевдонимом «Дедал», предложил следующее изящное, хотя пока и не реализованное решение. Пресная талая вода айсберга легче, чем соленая вода океана. Поэтому она будет подниматься вверх, обтекая айсберг. Если кормовую подводную часть айсберга стесать под углом, то талая вода будет подниматься вдоль наклонной плоскости и выходить на поверхность позади айсберга, сообщая ему при этом некоторое количество движения. Как только айсберг начнет двигаться вперед, талая вода из-под всей нижней поверхности потечет к корме, усиливая этот эффект и удлиняя и углубляя выемку в кормовой части, создающую направленную тягу.

Как видим, для решения задачи необходимы знания физики и смелость в выдвижении «безумных» идей.

 

6. Противоречия при решении технических задач

 

В развитии технических систем в соответствии с законами диалектики происходит чередование этапов количественного роста и качественных скачков. В процессе количественного роста в результате неравномерного развития характеристик технической системы появляются противоречия.

Противоречие — проявление несоответствия между разными требованиями, предъявляемыми человеком к системе, и ограничениями, налагаемыми на нее законами природы, социальными, юридическими, и экономическими законами, уровнем развития науки и техники, конкретными условиями применения и т. п.

Пример 6.1. При проектировании пассажирского самолета с более высокой скоростью, чем прототип, можно уменьшить площадь крыла (при том же полетном весе). Это связано с тем, что с увеличением скорости увеличивается скоростной напор  и, следовательно, для создания той же подъемной силы крыла , где Сyкр — коэффициент подъемной силы крыла, ρ — плотность воздуха, Ν — скорость полета, Skp — площадь крыла,

Можно уменьшить площадь крыла Skp. Это желательно сделать, так как чем меньше площадь крыла, тем меньше сопротивление трения и, следовательно, меньше расход горючего.

Но при уменьшении площади крыла падает подъемная сила при малых скоростях полета. Поэтому нужно увеличить посадочную скорость самолета, а это приведет к увеличению длины разбега и торможения и, следовательно, к потребности увеличить взлетно-посадочную полосу, что недопустимо.

На начальных этапах развития, когда требования относительно невысоки, а система обладает большими ресурсами, такие противоречия разрешаются путем компромисса: отыскиваются варианты конструкции, обеспечивающие приемлемые значения обеих конкурирующих характеристик. Но количественный рост продолжается, происходит накопление и обострение противоречий. Эти противоречия разрешаются в результате качественных скачков — создания принципиально новых технических решений.

Если технический объект создан, то весьма часто ставится задача увеличения его главной полезной функции (ГПФ). Для этого, как правило, требуется усилить какое-либо свойство одного из элементов этого технического объекта. Однако при усилении одних свойств элемента нарушается взаимодействие (согласованность) с другими элементами технической системы, возникает противоречие, то есть источником противоречий является совершенствование, развитие технических объектов.

 

6.1. Административное противоречие

Решение любой технической задачи начинается с анализа проблемы. Результатом этого анализа является постановка и формулировка задачи, которую нужно решать.

В проблеме обычно описывается необходимость создания некоторого технического объекта (ТО) для удовлетворения определенной потребности, приводится соответствующая аргументация этой необходимости, описываются функции, которые должен выполнять этот ТО; требования, которые к нему предъявляются.

Каждый потребитель той или иной продукции характеризуется определенными свойствами. Анализ свойств потребителей позволяет определить некоторый набор требований, которым должна удовлетворять продукция, предназначенная для удовлетворения возникшей потребности.

Каждый вид продукции можно охарактеризовать набором определенных свойств. Часть этих свойств определяют потребительные свойства продукции (рис. 6.1).

Поэтому прежде, чем создавать тот или иной продукт, необходимо, с одной стороны, сформулировать требования, которым он должен удовлетворять, с другой стороны, оценить технические возможности создания продукта с требуемыми свойствами.

Рис. 6.1

Если есть потребность в создании продукции с определенными потребительными свойствами, но неизвестно как ее удовлетворить, то возникает проблемная ситуация (ПС).

Описание ПС — это формулирование потребностей, функций, которые нужно выполнить. Проблема заключается в том, что на этом этапе не видно путей, как реализовать выполнение этой функции.

Проблемная ситуация возникает, если нет соответствия между требованиями, предъявляемыми потребителями, и имеющимися техническими возможностями. Например, создание телевизора с объемным изображением, создание искусственного спутника Земли со сроком активного существования 10 лет и др. То есть первоначальная формулировка проблемы часто носит социально-технический характер и в общем случае выражается в терминах: цель, потребность, функция, нежелательные эффекты.

Г. С. Альтшуллер назвал такие проблемные ситуации административным противоречием. Анализ развития множества ТС показал, что совершенствование их характеристик обычно связано с преодолением противоречий, выявляющихся по мере эксплуатации этих систем. Возникает потребность что-то изменить, улучшить, причем претензии к работе системы обычно формулируются в виде довольно расплывчатых пожеланий типа: «хочется, чтобы было лучше…», «нужно что-то сделать» и т. д., проблем много: нужно что-то сделать, но что?

Этому виду противоречий соответствует изобретательская ситуация, включающая в себя целый клубок задач, из которых нужно выбрать именно ту, которую следует решать в первую очередь. Каким образом выделить первоочередную задачу среди прочих?

Г. С. Альтшуллер в работе «Найти идею» отмечал: «Такие противоречия отражают сам факт возникновения изобретательской задачи, точнее — изобретательской ситуации. Они автоматически даются вместе с ситуацией, но они ни в какой мере не способствуют продвижению к ответу».

Таким образом, административные противоречия только обозначают проблему и в ряде случаев дают некоторое обоснование ее возникновения.

 

6.2. Техническое противоречие

В первоначальной формулировке проблемы формулируются некоторые потребности, функции, которые необходимо выполнить.

В зависимости от вида проблемной ситуации (ПС) ее можно разрешить двумя способами (рис. 6.2):

Рис. 6.2

существенно изменить рассматриваемую систему или ее взаимодействие с надсистемой (НС) таким образом, чтобы отпала необходимость в этой потребности, в выполнении этой функции — ПС1; в этом случае формулируется проблема по изменению НС;

дополнить существующую техническую систему некоторым устройством, которое позволило бы удовлетворить сформулированную потребность — ПС2 (см. пример на рис 6.2).

Проблемы могут быть разные.

Например, мы не знаем, как технически реализовать выполнение потребной функции.

Или мы в принципе знаем, какое устройство нужно создавать для выполнения потребной функции, но при этом появляются нежелательные эффекты.

Нежелательный эффект, во-первых, связан с тем, что за реализацию функции, которую он должен выполнять, надо «платить». Из стремления же к идеальному решению следует, что полезная функция должна выполняться, но затрат на ее реализацию не должно быть.

Пример 6.2. По трубопроводу перекачивают газ. Необходимо обеспечить постоянный массовый расход газа при заданном перепаде давлений на входе и выходе трубопровода. Однако температура газа на входе в трубопровод меняется. Следовательно, массовый расход газа тоже будет изменяться.

Таким образом, возникает проблема. Массовый расход газа должен быть постоянным для управления некоторым процессом, но он не может быть постоянным, так как изменяется температура газа. При этом в систему нежелательно вводить сложные устройства, которые осуществляли бы функцию регулирования.

Во-вторых, нежелательные эффекты могут проявляться в виде вредных свойств (функций), которые возникают при функционировании технического объекта. Например, мы создаем некоторый технологический процесс, а он оказывает вредное воздействие на человека (электромагнитные излучения, вибрации и т. д.) или загрязняет окружающую среду и др.

То есть проблемная ситуация (ПС2) заключается в том, что функцию выполнять надо, ибо в этом есть потребность, а нежелательных эффектов при этом быть не должно.

Такие проблемы часто возникают на начальном этапе создания ТО, когда намечается некоторый план решения проблемы, то есть при формировании идеи, принципа действия ТО для реализации ГПФ или попытке улучшить некоторые функциональные характеристики технического объекта.

Г. С. Альтшуллер отмечал, что каждой задаче, входящей в изобретательскую ситуацию, соответствует свое техническое противоречие (ТП). Суть ТП сводится к тому, что при улучшении известными путями одного свойства (параметра) системы недопустимо ухудшается другой параметр.

Любая продукция, предназначенная для удовлетворения потребностей, характеризуется многими свойствами: экономичностью, надежностью, эргономичностью, эстетичностью, патентоспособностью, транспортабельностью, безопасностью, экологичностью, технологичностью и т. д. Для некоторых видов продукции весьма важными показателями являются масса конструкции, плотность компоновки, энергоемкость, мощность, производительность, время срабатывания механизмов, точность отработки параметров и т. д.

Все эти показатели условно можно разделить на две группы: показатели, характеризующие степень (уровень) выполнения техническим объектом ГПФ, и показатели, характеризующие факторы расплаты за выполнение ГПФ.

Стремление улучшить одни характеристики продукции часто приводит к ухудшению других. По крайней мере, на этапе анализа проблемы и постановки задачи не видно путей, как сделать так, чтобы при улучшении одних свойств не ухудшались бы другие, тоже весьма важные.

В проектно-конструкторских и технологических задачах обнаруживается противоречивость многих свойств, например, точность и производительность в технологии обработки материалов; масса, надежность и стоимость; устойчивость и управляемость технических объектов и др.

Например, один из способов увеличения надежности летательных аппаратов (потребность) — создание резервных систем и агрегатов. А это приводит к увеличению массы аппарата, что недопустимо, так как увеличиваются затраты на выполнение задания (ГПФ).

Нежелательные эффекты могут быть связаны с тем, что улучшение некоторых потребительных свойств приводит к усложнению ТО и, следовательно, к увеличению факторов расплаты.

Ситуация, когда попытки улучшить одну характеристику (или часть) системы приводит к ухудшению другой ее характеристики (или части), называется техническим противоречием (ТП).

Например, в технологии производства мероприятия, направленные на повышение производительности обработки, часто приводят к ухудшению качества продукции. (Если один из двух вариантов технологии при лучшем качестве позволяет обеспечить и бoльшую производительность, то он вытесняет второй вариант; в этом случае проблемной ситуации нет.)

Техническое противоречие появляется часто тогда, когда разработчик пытается каким-либо известным ему способом улучшить один из параметров качества (или функциональное свойство) объекта, но это приводит к недопустимому ухудшению другого, тоже весьма важного параметра качества (или функционального свойства).

Пример 6.2. Увеличение числа инструментов в слесарном наборе улучшает возможности дифференцированного воздействия на изделие, но ухудшает условия работы с набором, который становится более громоздким.

Для улучшения функционального свойства весьма часто рассматривается изменение одного из параметров технической системы, который существенно влияет на это функциональное свойство.

Пример 6.3. Чем больше литейный уклон на модели отливаемого изделия, тем легче извлечь ее из песчаной формы при формовке, но при этом нежелательно увеличиваются припуски металла (дополнительные его объемы), которые приходится в дальнейшем устранять механической обработкой литой заготовки.

Для этой проблемы можно сформулировать технические противоречия в двух вариантах.

ТП-1: Увеличивая литейный уклон, мы облегчаем процесс формования, но при этом увеличиваются затраты на обработку резанием.

ТП-2: Уменьшая литейный уклон, мы снижаем затраты на обработку, но при этом усложняется процесс формования.

Техническое противоречие можно представить в виде схемы, показанной на рис. 6.3.

Рис. 6.3

Формулирование технических противоречий — это конкретная реализация более общего приема поиска решения — переформулирование условий задачи. Это модель задачи, в которой раскрываются положительные и нежелательные эффекты или явления в рассматриваемой предметной области.

При этом возникает проблема, как, сохранив или даже улучшив положительные стороны (эффекты) в создаваемом ТО, не допустить появления нежелательных эффектов.

Формулировка ТП позволяет вычленить положительные и нежелательные эффекты для того, чтобы провести анализ причин появления нежелательных эффектов, и тем самым активизирует мышление на поиск возможных направлений решения проблемы.

Пример 6.4. ТП: Уменьшая время на изучение конкретной темы, мы добиваемся того, что можем более широко информировать обучаемых, но при этом уровень знаний и умений по этой теме понижается.

Пример 6.5. ТП: Декларируя истины, мы даем материал сжато и энергично, но при этом снижается способность обучаемых к самостоятельному поиску знаний.

Пример 6.6. ТП: Необходимо повысить производительность токарной обработки заготовки.

Анализ доступных ресурсов позволяет наметить два мероприятия, которые будут приводить к появлению нежелательных эффектов, связанных, с одной стороны, с увеличением затрат и, с другой стороны, с ухудшением качества получаемой детали (табл.1).

Таблица 6.1

Пример появления нежелательных эффектов при попытке решить поставленную проблему В приведенной таблице можно увидеть следующие противоречия.

ТП-1: Для повышения производительности труда нужно увеличить скорость резания. Но при этом увеличивается температура резца. Период стойкости инструмента уменьшается и, следовательно, увеличиваются затраты на обработку.

ТП-2: Для повышения производительности труда нужно увеличить скорость резания. Но при этом увеличивается температура заготовки. В материале заготовки происходят структурные изменения и, следовательно, снижается качество детали.

ТП-3: Для повышения производительности труда нужно увеличить подачу инструмента (глубину резания на каждом проходе резца). Но при этом увеличивается шероховатость поверхности и, следовательно, снижается качество детали.

 

6.3. Физическое противоречие

Как видно из последнего приведенного примера, предлагаемые мероприятия, направленные на повышение производительности токарной обработки, приводят к появлению ряда НЭ.

Проведенный анализ позволяет обнаружить и конкретизировать противоречивость свойств при взаимодействии компонентов рассматриваемой технической системы.

Из анализа табл. 6.1 можно сформулировать следующие противоречия.

Скорость резания должна быть большая для повышения производительности обработки, и она не должна быть большая, так как при этом увеличится температура резца.

Скорость резания должна быть большая для повышения производительности обработки, и она не должна быть большая, так как при этом увеличится температура заготовки.

Подача должна быть большая для повышения производительности обработки, и она не должна быть большая, чтобы не увеличивалась шероховатость поверхности.

Таким образом, для того, чтобы разрешить ТП, формулируются частные задачи, в которых предъявляются несовместимые требования к свойствам отдельных компонентов или взаимодействию между компонентами рассматриваемого объекта.

Совокупность таких требований Ю. В. Горин предложил назвать физическим противоречием (в 1973 г.), подчеркивая, что отношения противоречия перенесены на уровень физических свойств и отношений элементов системы.

Г. С. Альтшуллер отмечал: «Стремясь убрать конфликтующие, противоречивые отношения между внешними сторонами технической системы, получим противоречие на уровне внутреннего функционирования системы». Такое противоречие, в отличие от технического, называется физическим противоречием (ФП).

Сформулированные в примере 6.7 ФП позволяют наметить минизадачи и, тем самым, определить область поиска возможных решений (табл. 6.2).

Таблица 6.2

Пример 6.7. Для получения рельефной поверхности на крупногабаритных оболочках, например, для образования усилений в местах сварки на днищах топливных баков (ТБ), для получения вафельного силового набора на обечайках ТБ (места А на рис. 6.4) применяется операция избирательного размерного химического травления.

Рис. 6.4

Излишки материала удаляются в щелочных растворах. Места, которые не должны подвергаться травлению (поз. А рис. 6.4), покрываются лаком.

Проблемная ситуация заключается в том, что необходимо весьма точно нанести защитный лак на участки, которые не должны подвергаться травлению. Лак должен иметь хорошую адгезию к металлу, чтобы в процессе обработки не было подтравливания материала под покрытием.

Если лак наносить по трафарету, то не удается получить точный контур. Поэтому было принято решение наносить лак на всю поверхность, а затем по шаблону чертилкой делать разметку, скальпелем надрезать покрытие и удалять лак с тех участков, которые должны подвергнуться химической обработке.

Но это решение привело к следующей проблеме. Защитное покрытие должно иметь хорошую адгезию к металлу для того, чтобы не было подтравливания материала под краями покрытия в процессе химической обработки и можно было бы получить точный контур, и покрытие должно иметь слабую (плохую) адгезию, чтобы после нанесения покрытия и его разметки (по шаблону) можно было бы легко удалить часть покрытия (в местах, где должно происходить травление).

Сформулируем ФП:

Лак должен иметь хорошую адгезию, чтобы не было подтравливания; лак должен иметь плохую адгезию, чтобы его можно было легко удалить с участков, подлежащих травлению.

Формулировка ФП — это предельно обостренная и лаконичная формулировка задачи, выраженная часто в парадоксальной форме, обладающая эвристической ценностью.

Кроме того, в этой формулировке необходимо указывать, почему, для какой цели к рассматриваемому объекту предъявляются эти противоречащие требования.

Таким образом, при формулировке ФП нужно раскрыть физическую природу конфликта, объяснить, почему требования, отраженные в постановке задачи, являются противоречащими, и для чего нужно удовлетворить обоим противоречащим требованиям.

Пример 6.8. Из некоторого города в другой надо доехать (на автомобиле) быстро, чтобы успеть к некоторому событию. Но ехать быстро нельзя, так как дорога плохая, и это опасно.

Ехать надо быстро и в то же время медленно. Два противоречащих свойства процесса, которые обусловлены разными требованиями: необходимостью успеть вовремя и безопасностью. Поэтому физическое противоречие можно сформулировать следующим образом.

ФП: Скорость должна быть большая, чтобы успеть, и скорость должна быть маленькая, чтобы доехать.

Таким образом, ФП — это ситуация, когда к объекту или его части предъявляются противоположные (несовместимые) требования. Оно строится по схеме: объект должен обладать свойством Р и, вместе с тем, иметь противоположное свойство анти-Р.

Например. Материал стальной детали, например железнодорожных рельсов, должен быть твердым и прочным (P1), чтобы хорошо сопротивляться статическим нагрузкам и износу, и должен быть пластичным (P2), чтобы хорошо сопротивляться ударным воздействиям, приводящим к выкрашиванию поверхностного слоя металла в зоне контакта с колесом. Применение операции термообработки увеличивает прочность и твердость, но при этом снижается пластичность. Свойства прочность и пластичность характеризуют различные качественные стороны материала, но они находятся в отношении противоположности. Для стальной детали они несовместимы.

 

6.4. Эвристическая ценность противоречий

В физических противоречиях требования, которые предъявляются к объекту, могут являться следствием различных целей, которые ставит перед собой инженер. Эти разные цели и приводят к необходимости реализации в техническом объекте несовместимых свойств (Р и анти-Р).

Кроме того, физические противоречия могут быть связаны с тем, что требуемое свойство не представляется возможным реализовать, так как этому мешает проявление объективных законов природы. То есть научное основание наблюдаемого явления (которое является нежелательным) не согласуется с требованиями, которые предъявляются к рассматриваемому объекту.

Пример 6.9. Рассмотрим ламповый усилитель. Катод радиолампы должен иметь постоянную термоэлектронную эмиссию (P1). Однако применение переменного электрического тока (от трансформатора) для подогрева катода приводит к тому, что термоэлектронная эмиссия изменяется (P2) в соответствии с частотой электрического тока: в громкоговорителе слышен фон (50 Гц), а это недопустимо.

Требуемую функцию (постоянство термоэлектронной эмиссии) надо осуществить, не усложняя систему. Но при этом возникает техническое противоречие, которое можно сформулировать в двух вариантах.

ТП-1: Если для подогрева катода применить постоянный электрический ток, то термоэлектронная эмиссия будет постоянной, но при этом усложняется вся система (надо устанавливать выпрямитель).

ТП-2: Если для подогрева катода применить переменный электрический ток, то вся система упрощается (не надо устанавливать выпрямитель), но термоэлектронная эмиссия не будет постоянной и, следовательно, не обеспечится качество усилителя.

Из этих формулировок видно, что изменяемым параметром (см. рис. 6.3) является электрический ток.

Из этого ТП можно сформулировать следующее ФП.

ФП-1: Электрический ток должен быть переменным, чтобы не усложнять всю систему, и он не должен быть переменным для обеспечения постоянства электронной эмиссии.

Из этого ФП можно сформулировать следующее ИКР.

Катод, который подогревается переменным электрическим током, сам обеспечивает постоянство электронной эмиссии.

Но этому ИКР мешает физическая особенность протекающего процесса.

ФП-2: Электронная эмиссия должна быть постоянной для качественной работы радиолампы, но она должна быть переменной, так как катод подогревается переменным электрическим током.

В этом ФП описываются несовместимые свойства, которыми должен обладать катод при его взаимодействии с другими компонентами радиолампы и надсистемой, то есть при воздействии на него переменного электрического тока.