Хорошо в лагере! Каждый день вмещает столько интересных и разнообразных событий, что только диву даешься. Но одно неизменно: десять часов утра – начало занятий. Мы продолжаем разбираться с экранами хроноскопа. Сегодня рассмотрим два новых: развертывание и свертывание. Ребята смеются. Похоже на стол для упаковки… Но вперед!

– Сколько будет, если к одному прибавить один? Ребята оскорблены в лучших чувствах и ожидают подвоха. Кто-то все-таки нехотя отвечает:

– Ну два, а что?

– Всегда ли один плюс один равняется двум?

Задача 17

На заводе, производящем кабель, возникла проблема. Кабельные катушки положено перевозить на грузовиках «на ребре». Чтобы катушка весом в несколько тонн не выкатилась из кузова, нужна сложная система креплений, их устанавливать долго и трудно. Как быть?

Ребята обсуждают задачу. Идеально было бы, конечно, если бы никаких креплений не было, а катушка бы не каталась. Сделать ее квадратной! Но тогда как с ней работать? Ведь для того, чтобы сматывать кабель с катушки, она должна кататься! Противоречие: катушка должна быть круглой, чтобы удобно было сматывать с нее кабель, и не должна быть круглой, чтобы не кататься по кузову. Как такое противоречие разрешить? Хорошие решения получаются, когда используются ресурсы. В данном случае – сами катушки, их обычно в грузовике несколько.

– Связать две или три катушки вместе! Связка будет некруглой, она не сможет кататься!

– К одной круглой катушке прибавили другую круглую и получили…

– Некруглую!

– Верно. Получили новое качество, новое свойство, которого не было раньше. Такой прием разрешения противоречия в ТРИЗ называется системным переходом. Помните, мы говорили, что система – это то, что имеет системное свойство, не сводящееся к свойствам составляющих ее элементов и возникшее благодаря их объединению. Можете привести примеры проявления новых системных свойств при объединении?

– Мы на прошлом занятии говорили о биметаллической пластине. Соединили два разных металла и получили новое свойство – изменение формы от температуры, – вспомнил Дима.

– Мои папа и мама каждый день принимают контрастный душ: горячая вода, потом холодная, потом опять горячая, потом опять… и так много раз. И меня они приучили, мне сперва не нравилось, а потом – наоборот. И это дает такую бодрость, такое хорошее самочувствие – ни горячий, ни холодный по отдельности так не действуют!

– Действительно, здорово! Такие резкие перемены активируют защитные силы организма и усиливают выработку дофамина в нейронах мозга. А дофамин – это такое вещество (нейромедиатор), которое ускоряет мышление и реакции, повышает активность мозга и всего организма, порождает приятные ощущения

Первыми живыми организмами на Земле были одноклеточные. Возможности их были невелики. И они стали объединяться в колонии. Чем больше в колонии клеток, тем она сильнее. Но появляются и неудобства – клетки мешают друг другу. Тогда возникает «разделение труда». Разные группы клеток начали выполнять разные функции: добычу пищи, переваривание, защиту от врагов, общее управление… Появляется иерархия – подчинение одних групп другим. Чем выше по развитию живой организм, тем больше уровней включает его структура, больше прямых и обратных связей между разными уровнями. Система из иерархической может стать сетевой (как Интернет). Все такие системы нелинейные и очень богаты ресурсами. В ТРИЗ такое развитие называют «развертыванием системы».

Аналогично развиваются и технические системы. Их развертывание происходит двумя путями: прежде независимые системы объединяются друг с другом (такое объединение называется переходом в надсистему) либо система постепенно дробится на части, но эти части остаются связанными между собой. Можете привести примеры?

– Мой папа системный администратор. Он рассказывал, что когда-то большие компьютеры имели только один пульт управления и поэтому их вычислительная мощность расходовалась неэффективно. Очень часто машина ждала, пока люди выполняли свои функции. А потом изобрели многозадачный режим и систему из множества терминалов, с которых могли работать разные люди, причем каждый со своими задачами. Это ведь типичное дробление?

– Когда были изобретены персональные компьютеры, они сначала работали каждый отдельно, а потом начали объединяться в сети, вроде интернета, для обмена информацией. А в последнее время начали возникать «компьютерные облака», в которых компьютеры не только делятся друг с другом разной информацией, но и могут работать совместно, объединяя свои мощности для решения очень сложных задач.

Самый первый шаг к объединению – это попарное объединение или, используя биологический термин, – гибридизация. В ТРИЗ это называют переходом к би-системе (сдвоенной системе).

Просто поразительно, как много новых свойств дает гибридизация! Особенно, когда объединяются системы-конкуренты, предназначенные для выполнения одной и той же функции, но работающие на разных физических принципах. Объединение конкурентов часто используется, когда одна система уже исчерпала возможности своего развития, а другая только-только родилась. Первые паровые машины ставили на парусные корабли. Машины были еще недостаточно экономичными, пожирали слишком много угля, и пройти весь путь с их помощью было невозможно. Но они выручали во время штиля, когда паруса не работали. Парусно-паровой корабль сочетал в себе достоинства парохода – независимость от ветра – и экономичность парусника. А первые реактивные двигатели (бустеры или ускорители) устанавливались на самолете с обычными поршневыми моторами. Работать они могли всего несколько минут, но очень быстро разгоняли самолет до высокой скорости. Бустер мог помочь при взлете и спасти в бою.

Набрав силы в «содружестве» со старой системой, новая система постепенно занимает ее место. Конечно, при объединении систем нужно следить, чтобы появлялись полезные качества и исчезали ненужные, вредные. Иначе может получиться, как у одного незадачливого ученого-селекционера: после многолетней работы он вывел гибрид репы с капустой, у которого вершки были как у репы, то есть несъедобные листья, а корешки как у капусты, тоже несъедобные!

Задача 18

В середине пятидесятых годов ученый Н. Ф. Казаков изучал очень вредное явление – при больших скоростях резания металла на резце возникали небольшие бугорки – наросты, которые мешали обработке. Оказалось, что причина их появления – диффузия атомов металла заготовки в резец, происходящая при высоких температурах и высоких давлениях в зоне резания. Задумавшись, как превратить этот вредный эффект в полезный, Казаков изобрел диффузионную сварку, позволяющую надежно соединять самые разные металлы и даже металл со стеклом или керамикой. Но процесс этот очень капризный. Необходимо практически полное отсутствие кислорода, потому что даже тончайшая окисная пленка на поверхности металла мешает диффузии. Существуют два способа проведения такой сварки. Первый – в вакуумной камере. Можно без больших затрат создать вакуум в тысячные доли атмосферного давления. Но для сварки требуется откачка воздуха до миллионной доли атмосферы – это длительный, трудоемкий и дорогой процесс. Другой способ – сварка в инертном газе. Но для этого нужен инертный газ высокой очистки, в котором примеси кислорода не превышают миллионной доли, а он очень дорогой. А в имеющемся дешевом инертном газе примесей – тысячные доли. Как быть?

– Эта задача на объединение конкурентов? – спрашивает Женя.

– Да.

– Тогда все просто. Нужно заполнить камеру дешевым инертным газом и откачать. Причем нужно откачивать не до миллионной доли атмосферы, а только до тысячной. Кислорода при этом останется, как при миллионной. Так у нас и газ дешевый, и откачка намного проще…

Развертывание системы на би-переходе не останавливается. Следующий шаг – переход к полисистеме, когда объединяется либо много систем, либо однородная система разбивается на множество элементов.

Задача 19

Приходит грузовое судно в порт и ждет, пока его разгрузят и загрузят снова. Даже при самых производительных способах разгрузки и загрузки это приводит к большим убыткам. Как быть?

– Я читал, что теперь используют суда, состоящие из отдельных частей, каждая из которых может самостоятельно держаться на плаву. Их можно собирать вместе и возить как поезд.

– Верно, такие судна называют лихтеровозами. Баржи-лихтеры соединяют друг с другом, к ним пристыковывают нос и корму с двигателями – и судно готово в дальний путь. В порту каждый лихтер самостоятельно становится под разгрузку, а новый лихтеровоз собирается из заранее нагруженных барж и уходит без задержки в следующий рейс. Это типичный переход к полисистеме, то есть системе из многих однородных частей.

И на полисистемах развитие не останавливается. Полисистемы усложняются, внутри появляется собственная структура, иерархия, внутренние связи. Это хорошо видно на развитии одной не совсем технической системы.

…В 490 году до нашей эры огромная армия персов высадилась на побережье Греции. Их встретило в несколько раз меньшее войско афинян. Но сражение при Марафоне, как известно, закончилось полным разгромом завоевателей. Всего сто девяносто два афинянина погибли в нем, а персов – свыше шести тысяч, остальные в панике бежали. Как это могло случиться? Персы были прекрасными воинами. Но они умели биться только каждый за себя. А афиняне были обучены сражаться в строю – знаменитой греческой фаланге. Десять тысяч афинян, построенные в ровные шеренги, ощетинившиеся копьями, бегом бросились на лагерь персов и промчались через него, сокрушая все на своем пути. Так система победила бессистемность.

А можно ли победить фалангу? Ее победил через несколько столетий римский легион. При своих достоинствах фаланга была крайне неуклюжа. Как развернуть десять тысяч человек при неожиданном нападении с фланга? Римский легион состоял из отдельных небольших фаланг, которые назывались манипулами. Каждая манипула могла маневрировать самостоятельно, а при необходимости манипулы объединялись в единую грозную фалангу.

– Как лихтеровоз! – воскликнул Алеша.

– Да. Сначала все манипулы были однородными. В более поздние времена манипулы разделились на три линии: в первой шли молодые и не очень опытные легковооруженные бойцы, а в третьей – тяжеловооруженные опытнейшие воины – триарии, прослужившие двадцать и более лет. До них очередь сражаться доходила только в самых тяжелых боях, но зато они были почти непобедимы.

В античные времена командир легиона сам участвовал в сражении или командовал, посылая ординарцев. Сегодня армия – это сложнейшая многоуровневая иерархическая система с множеством внутренних связей, по которым снизу вверх поступают сведения, а сверху вниз – приказы. В ней взаимодействуют различные подразделения, специалисты многих военных профессий. Словом, армия напоминает современный вычислительный центр с множеством разных инструментов, датчиками, которые сообщают «командованию» – центральному процессору – информацию, а также с рабочими органами, выполняющими «команды».

– Значит, все технические системы в конечном итоге превратятся в автоматизированные, роботизированные, компьютеризованные комплексы? – ставит вопрос ребром Женя.

– И да, и нет. Пора обратить внимание на экран «Свертывание».

Задача 20

Для заклейки автомобильных шин применяют портативный вулканизатор – прибор, позволяющий выдержать место склейки в течение 10–15 минут при точно заданной температуре. Он состоит из электронагревателя, питающегося от автомобильного аккумулятора, датчика температуры и электронного коммутирующего устройства. Нагреватель доводит температуру до заданной, датчик температуры сигнализирует об этом, и электронное устройство отключает нагреватель. Если температура снизилась, то по сигналу датчика нагреватель опять включается. И так 10–15 минут. Дорогое и не очень надежное устройство. Можно ли предложить что-нибудь получше?

– Сделать другую, более надежную схему!

– Выполнить коммутатор на микросхеме!

– Тогда вулканизатор станет еще дороже!

– Нет, ребята, вы предлагаете сделать нашу систему еще более сложной и дорогой, продолжаете ее развертывать. А нужно попытаться свернуть. Помните, как мы решали задачу о серебрении контактов? Мы там сделали систему более идеальной, свернули ее с помощью закона Архимеда. А нельзя ли сделать что-нибудь подобное? Что было бы идеально?

– Идеально было бы, если бы температура поддерживалась сама все время, без регуляторов.

– Давайте нарисуем график температуры, который нам нужен. К доске выходит Дима и начинает рисовать, комментируя:

– Сначала температура растет, пока не достигнет заданной. Потом в течение 10–15 минут она должна не меняться, – на графике появляется горизонтальная площадка, – а потом она может снижаться.

– Что нам необходимо?

– Чтобы была «площадка»…

– Вспомнил! – вмешивается Миша. – Я видел такую площадку в учебнике физики, называется «теплота плавления»! Если какое-то вещество начало плавиться, то пока все не расплавится, температура не повышается!

– Верно. Это происходит потому, что энергия нагрева идет не на повышение температуры, а на плавление. Аналогично и при охлаждении: пока все не затвердеет, температура не падает. Теперь понятно, какое решение нужно?

– Понятно! Нужно снабдить нагреватель некоторым количеством вещества, которое плавится при нужной нам температуре!

– А как обеспечить необходимое время выдержки?

– Наверное, это зависит от количества вещества?

– Правильно. Вот мы и «свернули» нашу систему. Датчиков нет, коммутатора нет. Получилось очень простое устройство. Маленькая коробочка, внутри которой свинцово-оловянный сплав с нужной температурой плавления, спираль электронагревателя и температурное реле. Вулканизатор включают, нагреватель греет металл, тот плавится. Когда весь металл расплавится, температура начинает снова расти и реле выключает ток. Металл постепенно затвердевает, поддерживая при этом постоянную температуру.

– Самым массовым самолетом Великой Отечественной войны был штурмовик Ил-2 конструктора С. Ильюшина. Его прозвали «черная смерть». Он атаковал на бреющем полете (на малой высоте) вражеские танки, автомобили, поезда, укрепления. По нему стреляли снизу из разного оружия, поэтому самолет должен был иметь пуленепробиваемую броню. Перед войной в разных странах пытались создать такой самолет, но из-за массивной брони машины получались слишком тяжелыми. Потому что все конструкторы крепили броню к корпусу самолета. А Ильюшин предложил делать из брони сам корпус самолета.

– Ну, неужели до этого другие конструкторы не могли додуматься? Как-то не верится…

– И правильно, что не верится. Нельзя думать, что самолеты да и любую технику создают дураки. Но другие конструктора не имели того, что имел Ильюшин, – броню нового типа, созданную металлургами С. Кишкиным и Н. Скляровым. Их работа плюс талант авиаконструктора дали вместе замечательные результаты.

– И здесь, значит, работает гибридизация!

– А велосипедный ключ на гайки нескольких разных размеров – это тоже свертывание?

– Конечно. Все системы так и развиваются. Сначала развертывание, обеспечивающее появление и эффективное выполнение новых функций за счет усложнения системы, а потом – свертывание, когда за счет перехода на микроуровень, повышения динамичности и других законов системы упрощаются, становятся надежнее, проще, дешевле, сохраняя полезные функции. Самое интересное – и при развертывании и при свертывании идеальность растет.

 

Вечерние размышления

На занятиях у нас теперь постоянно много гостей – преподаватели других секций, приезжающие иногда родители. Больше всего их поражает, как быстро дети решают сложнейшие изобретательские задачи. Мы уже давно работаем с детьми и привыкли, но когда-то это удивляло и нас. Мы давно поняли, что очень сильно действуют два противоположных фактора:

• У детей «свободные головы», не забитые догмами, они легко генерируют новые, странные и нетривиальные идеи.

• Они легко следуют необычным правилам и рекомендациям ТРИЗ, не воюют с ними… А в обучении взрослых их внутреннее сопротивление «творчеству по формулам» – едва ли не главная проблема:

• Правда, ребятам не хватает знаний, поэтому для них самое трудное – из найденных решений отобрать те, которые реальны. Ну, знания – дело наживное…

Мы подробно рассмотрели сегодня еще несколько закономерностей развития технических систем. Интересно, что они действуют не только в технике. В психологии давно известны понятия «свертывание» и «погружение» – основные способы изучения, понимания, запоминания любого материала, освоения навыков. Боксер отрабатывает технику удара по частям: движение ног, корпуса, поворот плеча, движение руки, потом локтя, кисти. Даже в медленном темпе вначале это трудно выполнить правильно. Но постепенно отдельные движения сливаются в одно, доведенное до полного автоматизма, – мгновенный удар. Комплекс движений «свернут» и «погружен» в подсознание, перешел на инстинктивный уровень.

Мало кто способен запомнить подряд хотя бы сотню несвязанных слов. А стихотворение, даже длинное, запомнить несложно – оно легко «свертывается», укладывается в памяти и так же легко потом «развертывается»: слова, строчки тянут за собой другие слова и строчки. Понять – значит уметь свернуть и потом развернуть. Почему же так мало используется этот универсальный механизм? Педагог В. Ф. Шаталов стал применять его сознательно при обучении детей. И это было очень эффективно. Даже обычный лист бумаги свертывается не как попало, а в закономерных направлениях. Хорошо свернуть материал можно, только зная его внутренние закономерности построения. Когда информация свернута, остается несколько основных «памятных знаков», тех «ниточек», за которые нужно потянуть, чтобы информация развернулась. Такие «ниточки» и знаки – опорные конспекты В. Ф. Шаталова, его выразительные рисунки и схемы. Аналогичную роль выполняют и наши плакаты, рисунки на доске, интересные истории, технические примеры.