2.1. Общие понятия
Различные средства создавались и создаются для удовлетворения тех или иных потребностей человека.
Потребности растут значительно быстрее возможностей их удовлетворения, что и является своего рода источником прогресса.
Проектирование новых объектов чаще всего подразумевает улучшение тех или иных параметров системы.
Сложные изобретательские задачи требуют нетривиального подхода, так как улучшение одних параметров системы приводит к недопустимому ухудшению других параметров. Возникают противоречия.
Противоречие — взаимодействие противоположных, взаимоисключающих сторон и тенденций предметов и явлений, которые вместе с тем находятся во внутреннем единстве и взаимопроникновении, выступая источником самодвижения и развития объективного мира и познания.
Противоречие — это одно из основных понятий ТРИЗ . Наиболее полно противоречия рассматриваются в Алгоритме Решения Изобретательских Задач (АРИЗ).
Решение задач по АРИЗ представляет собой последовательность по выявлению и разрешению противоречий, причин, породивших данные противоречия и устранению их использованием информационного фонда. Так определяются причинно-следственные связи, суть которых — выявление противоречий.
В ТРИЗ рассматриваются три вида противоречий.
Автор ТРИЗ Г. С. Альтшуллер назвал их:
— Административное противоречие (АП);
— Техническое противоречие (ТП);
— Физическое противоречие (ФП).
Эти названия были выбраны Альтшуллером для решения технических задач, но для задач из других областей они не всегда подходят, поэтому мы их назвали:
Административное противоречие — поверхностное противоречие (ПП);
Техническое противоречие — противоречие требований (ПТ);
Физическое противоречие — противоречие свойств (ПС).
2.2. Поверхностное противоречие
Поверхностное противоречие (ПП) — противоречие между потребностью и возможностью ее удовлетворения.
Его достаточно легко выявить. Оно часто задается руководством или заказчиком и формулируется в виде: «Надо выполнить то-то, а как — неизвестно», «Какой-то параметр системы плохой, нужно его улучшить или нужно устранить такой-то недостаток, но, не известно, как», «Имеется брак в производстве изделий, а причина его неизвестна» и т. д.
Таким образом, ПП выражается в виде:
— нежелательного эффекта (НЭ ) — что-то плохо;
— улучшения — необходимо создать что-то новое, но неизвестно каким образом.
Задача 2.1. Автобус
Условие задачи
Автобус должен перевозить много пассажиров. Как это сделать?
Это типичное ПП.
2.3. Противоречие требований
Противоречие требований (ПТ) — это противоречие между определенными частями, качествами или параметрами системы.
ПТ возникает при улучшении одних частей (параметров) системы за счет недопустимого ухудшения других.
Оно представляет собой причину возникновения поверхностное противоречия (ПП), углубляя его. В глубине одного ПП, чаще всего, лежит несколько ПТ.
Как правило, улучшая одни характеристики объекта, мы резко ухудшаем другие. Обычно приходится искать компромисс, то есть чем-то жертвовать.
ПП возникает в результате диспропорции развития различных частей (параметров) системы. При значительных количественных изменениях одной из частей (параметров) системы и резком «отставании» другой (других) ее частей возникает ситуация, когда количественные изменения одной из сторон системы вступают в противоречие с другими.
Продолжим рассмотрение задачи об автобусе.
Задача 2.1.Автобус (продолжение)
Разбор задачи
Чтобы перевозить много пассажиров автобус должен быть вместимым, т. е. больших размеров. Однако большой автобус плохо маневрирует. Таким образом, можно сформулировать ПТ.
ПТ: противоречие между вместимостью автобуса и маневренностью.
2.4. Противоречие свойств
Противоречие свойств (ПС) — предъявление диаметрально противоположных свойств (например, физических) или состояний к определенной части системы.
Оно необходимо для определения причин, породивших противоречие требований, т. е. является дальнейшим его углублением. Уточнение (углубление) противоречий может продолжаться и дальше для выявления первопричины.
Для человека, незнакомого с ТРИЗ, формулировка ПС звучит непривычно и даже дико.
Требование к формулировке ПС: некоторая часть системы должна находиться сразу в двух взаимоисключающих состояниях: быть холодной и горячей, подвижной и неподвижной, длинной и короткой, гибкой и жесткой, электропроводной и неэлектропроводной, быть и не быть и т. д.
Одно из свойств, удовлетворяет одному из параметров ПТ, а другое свойство — удовлетворяет другому параметру.
ПС — своего рода необычное неравенство. Обычно с помощью неравенств указывается промежуток (или интервал), например,
Графически промежуток представлен на рис. 2.1.
Рис. 2.1. Графическое представление промежутка
Этот промежуток представляет собой зону «А». Обычно в этой зоне и ищут «оптимальное» решение.
ТРИЗ идет совершенно другим путем.
Определяют, каким свойством «с» должна обладать система, чтобы параметр «А» (в ПТ) был наилучший. Обозначим это свойство «С». Далее определяют, каким свойством «с» должна обладать система, чтобы параметр «Б» был наилучший. Обозначим это свойство «анти-С».
Такое конфликтующее действие представляется в виде неравенства (2.2).
Изобразим для наглядности это неравенство на рис. 2.2.
Рис. 2.2. Изображение физического противоречия
Формулировка противоречия свойств требует, чтобы «с» была одновременно в зоне «А» и в зоне «Б», что исходя из графика невозможно (рис. 2.2).
Задача 2.2. Блок питания
Для питания многих электронных устройств используются промышленная сеть переменного тока, хотя большинство их блоков, например, усилитель, генератор и другие нуждаются в постоянном питающем напряжении. По этой причине на выходе блока питания необходим элемент, имеющий противоречивые физические свойства.
ПС: Элемент блока питания должен пропускать переменный ток, поскольку другого источника тока нет, и не должен пропускать переменный ток, поскольку прибору требуется постоянный ток.
Разрешение противоречия
Данное противоречие свойств разрешается в структуре за счет пропускания только положительной полуволны и не пропускания отрицательной. Это осуществляется с помощью выпрямителя, выполненного на диодах, обладающих указанными физическими свойствами и реализующих функцию преобразования переменного тока в постоянный.
Продолжим разбор задачи об автобусе.
Задача 2.1.Автобус (продолжение)
Разбор задачи
Сформулируем ПС для данной задачи.
ПС: Автобус должен быть маленьким , чтобы быть маневренным и большим , чтобы вмещать много пассажиров.
Более точно, то эти требования не ко всему автобусу, а только к салону.
Следует подчеркнуть еще раз, что в отличие от противоречия требований, принадлежащего всей системе , противоречие свойств — относится только к определенной ее части .
Таким образом, рассмотренные три вида противоречий образуют цепочку, которая определяет причинно-следственные связи в исследуемой системе (2.3).
Теперь, рассмотрев различные виды противоречий, следует еще раз отметить, что решить сложную задачу — значит улучшить необходимые показатели системы, не ухудшая другие. Осуществить это возможно путем выявления ПТ, определения причин, породивших его, или даже причины причин (выявление ПС), и устранения этих причин, то есть разрешения противоречия свойств.
Этап выявления противоречия свойств представляет собой точную постановку задачи. Г. С. Альтшуллер писал (напомним, что противоречие свойств Альтшуллер назвал физическим противоречием): «В физическом противоречии „дикость“ требований достигает предела. Отпадают все варианты, кроме одного или нескольких, максимально близких к ИКР».
2.5. Способы разрешения противоречия свойств
В качестве основных способов разрешения ПС можно назвать способы разрешения противоречивых свойств:
— в пространстве ;
— во времени ;
— в структуре , в частности, фазовые изменения, например, агрегатное состояние;
— по условию .
Продемонстрируем эти способы разрешения ПС.
Задача 2.3. Очки
Условие задачи
Людям с плохим зрением нужно иметь две пары очков. Одни, чтобы смотреть в даль и другие, чтобы смотреть вблизи, например, читать. Очень неудобно постоянно менять очки. Как быть?
Разбор задачи
ПП: Как улучшить удобства использования очков?
ПТ: Противоречие между необходимостью хорошо видеть вдали и вблизи, и удобством использования очков (смена очков).
ПС: Должно быть одна пара очков, чтобы было удобно их использовать (не менять очки), и должна быть две пары очков (с разными типами линз), чтобы хорошо видеть вдали и вблизи.
Решение задачи
Разрешим ПС, разделяя противоположные свойства:
В пространстве.
Используются бифокальные очки (рис. 2.3). Большая часть линзы для дали, а сегмент нижней части линзы для близких расстояний (для чтения).
Рис. 2.3. Бифокальные очки
Задача 2.4. Пластырь
Условие задачи
Раны заклеивают пластырем, но когда его снимают, то образовавшаяся корочка срывается вместе с пластырем. Как быть?
Разбор задачи
ПП: Как не допустить срыва свежей корочки?
ПТ: Противоречие между необходимостью заклеивания ранки и срыва свежей корочки.
ПС: Пластырь должен быть не клейким (не должно быть адгезии), чтобы не срывать свежую корочку, и должен быть клейким (должна быть хорошая адгезия), чтобы хорошо заклеивать ранку.
Решение задачи
Разрешим ПС, разделяя противоположные свойства:
В пространстве.
Место, которое прикладывается к ранке не клейкое (там находится марля, пропитанная антисептиком), а по краям пластырь клейкий (адгезионный).
2.4. Пластырь
Другой вариант этой задачи.
Условие задачи
Раны заклеивают пластырем, и кожа не «дышит». Как быть?
Разбор задачи
ПП: Как сделать, чтобы кожа дышала под пластырем?
ПТ: Противоречие между необходимостью защиты ранки от внешней среды, т. е. ее закрытием и тем, что закрытие ранки мешает коже «дышать».
ПС: Пластырь должен быть, чтобы защищать ранку, и не должен быть, чтобы кожа «дышала».
Решение задачи
Разрешим ПС, разделяя противоположные свойства:
В пространстве и структуре.
Часть пластыря существует, а часть не существует. Пластырь делается с дырочками. Ранку закрывает марля. Она тоже не сплошная.
Задача 2.5. Реактивный самолет
Условие задачи
Прямое крыло самолета создает большое лобовое сопротивление при околозвуковых и сверхзвуковых скоростях полета. Как быть?
Разбор задачи
ПП: Как уменьшить лобовое сопротивление движению самолета при сверхзвуковых скоростях полета?
ПТ: Противоречие между устойчивостью полета на малых скоростях и сопротивлением движению полета на больших скоростях полета.
ПС: Крыло должно быть стреловидное, чтобы не создавать сопротивление движению полета при больших скоростях, и должно быть не стреловидное, чтобы придать устойчивость полета на малых скоростях (при взлете и посадке).
Решение задачи
Разрешим ПС, разделяя противоположные свойства:
В структуре и по условию.
Создали самолет с изменяемой стреловидностью (геометрией) крыла (рис. 2.5). На малых скоростях крылья раздвинуты (прямое крыло), а при больших скоростях прижаты к фюзеляжу (стреловидное крыло).
Условие в данном случае скорость полета (большая или маленькая).
Рис. 2.5. Самолет с изменяемой стреловидностью крыла
Задача 2.6. Компьютер
Условие задачи
Компьютер тратит лишнюю энергию, когда не работает. Как быть?
Разбор задачи
ПП: Как уменьшить потери энергии?
ПТ: Противоречие между необходимостью работы компьютера и потерями лишней энергии.
ПС: Компьютер должен быть выключенным, чтобы не расходовать лишнюю энергию, когда он не работает, и должен быть включенным, чтобы выполнять необходимую работу.
Решение задачи
Разрешим ПС, разделяя противоположные свойства:
Во времени.
Через установленное время, когда на компьютере не работают, он переходит в «спящий» режим (hibernation mode).
Задача 2.7. Рыцарские доспехи
Условие задачи
Рыцарские доспехи (латы) тяжелые и в них ограничена подвижность, поэтому неудобно вести бой. Как быть?
Рис. 2.6. Рыцарские доспехи
Разбор задачи
ПП: Как улучшить подвижность рыцаря и облегчить доспехи?
ПТ: Противоречие между защитными свойствами доспехов и их весом, и удобством движения.
ПС: Доспехи должны быть легкими и гибкими, чтобы было удобней двигаться, и должны быть не гибкими и тяжелыми, чтобы обладать хорошими защитными свойствами.
Т. е. доспехи должны быть из единого куска металла (быть не гибким) и из многих кусков металла (быть гибким).
Решение задачи
Разрешим ПС, разделяя противоположные свойства:
В структуре.
Придумали кольчугу. Она состоит из отдельных колечек, соединенных вместе. Каждое колечко жесткое, а все вместе гибкие. Кроме того, в середине кольца нет металла, поэтому вес значительно уменьшается.
Рис. 2.7. Кольчуга
Светофор — это пример изменения по условию. Красный цвет — движения нет. Зеленый — движение разрешается.
Задача 2.8. Автомат по разливу жидкостей
Условие задачи
При отсутствии бутылки под краном, выливается лишняя жидкость. Как быть?
Разбор задачи
ПП: Как избежать потери жидкости?
ПТ: Противоречие между необходимостью заполнения бутылки жидкостью и потерей жидкости.
ПС: Жидкость не должна выливаться, чтобы не было потерь жидкости, и должна выливаться, чтобы заполнить бутылку.
Решение задачи
Разрешим ПС, разделяя противоположные свойства:
По условию.
Жидкость выливается только при наличии бутылки под краном.
Рис. 2.8. Автомат по разливу жидкостей
Это решение для любых упаковочных автоматов.
Задача 2.9. Мощный транзистор
Условие задачи
Неидеальность ключевых свойств мощных транзисторов и диодов являются причиной потерь электрической энергии, которая разогревает полупроводниковый прибор, ухудшая тепловой режим его работы. Как быть?
Разбор задачи
ПП 1 : Необходимо улучшить тепловой режим транзисторного (диодного) ключа в электроаппаратуре, в которую он устанавливается.
ПП 2 : Необходимо исключить перегрев силового транзистора.
В формулировке ПП2 показывается улучшение, какое качество нужно улучшить, а в ПП2 — нежелательный эффект (НЭ) — перегрев транзистора.
Это по существу изобретательская ситуация.
Устранение указанного административного противоречия может осуществляться путем:
— создания нового транзистора или
— применения радиатора, который улучшает тепловой режим работы транзистора, но увеличивает габариты аппаратуры.
В первом направлении необходимо проводить серьезную научно-исследовательскую и опытно-конструкторскую работу (НИОКР). Это занимает много времени и средств. Поэтому из изобретательской ситуации мы выбираем второй путь — изобретательский.
ПТ: Противоречие между температурой и габаритами или потерями энергии (мощности) и габаритами.
Улучшение теплоотвода приводит к необходимости увеличения площади радиатора, а снижение габаритов радиоаппаратуры требует уменьшения площади радиатора.
ПС: Площадь радиатора должна быть маленькой, чтобы радиоаппаратура была малых габаритов, и большой, чтобы улучшить отвод тепла.
Решение задачи
Такое противоречие можно разрешить:
В структуре, например, путем ее изменения.
1. На радиаторе делают ребра. Общая площадь радиатора увеличивается (увеличивается теплообмен), а габариты аппаратуры не увеличиваются и даже могут быть уменьшены. Ребра делают игольчатыми, чтобы еще больше увеличить площадь радиатора (площадь теплообмена).
Рис. 2.9. Радиатор для транзистора
2. Лепестки радиатора делают с эффектом памяти формы — из никелида титана — нитинола (а. с. 958 837). При нормальной температуре лепестки прижаты к транзистору, а при повышении температуры за пределы допустимой, они отгибаются, увеличивая площадь теплоотвода. Это разрешение противоречивых свойств не только в структуре, но и по условию (превышение температуры) или можно считать, что это разрешение во времени (во время превышения температуры).
3. Можно присоединить к транзистору элемент Пельтье, который будет охлаждать транзистор.
В пространстве
Радиатор вместе с транзистором размещают на наружной стенке блока, как это сделано в измерительных приборах: цифровых вольтметрах и частотомерах.
Рис. 2.10. Радиатор — наружная стенка прибора
Можно использовать тепловую трубу, позволяющую отвести локально выделяемое тепло на значительное расстояние от его источника или с помощью тепловых труб подводить холодный поток.
Рис. 2.11. Принцип работы тепловой трубы
2.12. Тепловые трубы присоединены к радиатору
Холодный поток можно получить от элемента Пельтье.