5.1. Понятие о логики решения нестандартных задач
Логика решения нестандартных задач показывает взаимосвязь элементов в основной линии (4.1), описанной раньше.
ПП формулируется или в виде потребности в появлении нового требования «A» (положительного эффекта), или в виде нежелательного эффекта (анти-Б), который необходимо устранить. Схематически изобразим это так:
ПП (ПЭ): А или ПП (НЭ): анти-Б
или, наоборот
ПП (ПЭ): Б или ПП (НЭ): анти-А
Поверхностное противоречие — это только одно требование (или хорошее или плохое).
Для определения ПТ выявляем два противоречивых требования, предъявляемых к системе. Обозначим эти требования буквами «А» и «Б». Тогда техническое противоречие может быть представлено как потребность в улучшении характеристик, удовлетворяющих требованию «А», которое приводит к недопустимому ухудшению характеристик, удовлетворяющих требованию «Б» (появлению требования анти-Б). Нежелательный эффект заключается в требованиях «Б». Или наоборот — улучшение «Б» за счет ухудшения А (появления «анти-А»).
ПТ: А — анти-Б или анти-А — Б
В отличии от поверхностного противоречия, противоречие требований имеет два требования, которые противоречат друг другу.
Формулировка ИКР должна быть направлена на устранение нежелательного эффекта (анти-Б) при сохранении положительного требования (положительного эффекта ) «А», то есть
ИКР: А, Б
ПС определяется путем выявления противоречивых свойств «С» и «анти-С» (например, физических), которыми должен обладать элемент системы, не справляющийся с требованиями ИКР. Для этого необходимо определить, каким свойством «С» должен обладать элемент, чтобы обеспечить требование «Б», т. е. чтобы устранить нежелательный эффект. Одновременно этот же элемент должен обладать противоположным свойством (анти-С), чтобы сохранить положительное требование «A». Таким образом, элемент должен обладать свойством «С», чтобы удовлетворить требованию «Б», (обозначим это С → Б), и свойством «анти-С», чтобы сохранить требование A (обозначим это анти С → А).
ПС: С → Б, анти-С → А
Дальнейшее обострение противоречий осуществляется выявлением более глубинных свойств «C 1 », которые необходимы для создания (обеспечения) выявленных ранее свойств «C».
С 1 → С
В некоторых случаях при решении сложных изобретательских задач, необходимо выявить еще более глубоко причинно-следственные связи в системе. Для этого приходится выявлять еще более глубинные свойства С 1 , С 2 , …С n . Следующее по номеру свойство определяет, причину возникновения предыдущего свойства, т. е. что необходимо для выполнения этого свойства.
С 2 → С 1
С 3 → С 2
…… …
С n → С n-1
В таких случаях выявляют несколько противоречий свойств (ПС 1 , ПС 2 , ПС 3 … ПС n ). Схематически это можно изобразить:
Решение (Р) задачи состоит в разрешении противоречия свойств, например, путем разделения противоречивых свойств C… C n .
Где, вертикальной чертой условно обозначено разделение.
Основные способы разделения противоречивых свойств были представлены выше (п. 2.5). Полностью логическая схема решения нестандартных задач показана на рис. 5.1.
Рис. 5.1. Логическая схема решения нестандартных задач
Обозначения:
ПП — поверхностноее противоречие.
НЭ — нежелательный эффект.
ПТ —противоречие требований.
ПЭ — положительный эффект.
ПС —противоречие свойств.
А, Б — качества или параметры системы.
ИКР — идеальный конечный результат.
С — требуемые свойства системы.
Р — решение.
│ —знак разделения противоречивых свойств.
В более развернутом виде логика решения нестандартных задач с возможностью выявления глубинных свойств представлена на рис. 5.2.
Рис. 5.2. Логическая схема решения нестандартных задач
Обозначения:
ПП — поверхностное противоречие.
ПТ — противоречие требований.
ИКР — идеальный конечный результат.
Р — решение.
А, В — качества или параметры системы.
ПС — противоречие свойств.
С, С 1 , С n — требуемые свойства или состояния системы.
│ — знак разделения противоречивых свойств.
Углубление свойств, т. е. обострение противоречия свойств покажем на задаче 2.7. «рыцарские доспехи». Сделаем формальный разбор по логике решения нестандартных задач.
Разбор задачи
ПП: анти-Б
ПП: Как улучшить подвижность рыцаря и облегчить доспехи?
Вид ПП — Нежелательный эффект (НЭ).
Плохой параметр «анти-Б» — тяжелые и неудобные доспехи.
ПТ: A — анти-Б
ПТ: Противоречие между защитными свойствами (A) доспехов, их весом и удобством движения (анти-Б).
ИКР: A — Б
ИКР: Доспехи обладают защитными свойствами (A), легки и удобны в движении (Б).
ПС: С → A; анти-С→ Б
ПС: Доспехи должны быть легкими и гибкими (С), чтобы было удобней двигаться (Б), и должны быть негибкими и тяжелыми (анти-С), чтобы обладать хорошими защитными свойствами (A).
ПС 1 : С 1 → С; анти- С 1 → анти-С
ПС 1 : Доспехи должны быть из многих кусков металла (С1), чтобы быть гибкими (С), и из единого куска металла (анти-С1), чтобы быть негибкими (анти-С).
Доспехи должны быть не из сплошного куска металла (С1), чтобы быть легкими (С), и из сплошного куска металла (анти-С1), чтобы быть тяжелыми (анти-С).
В структуре
Сделать доспехи из многих кусков металла. Каждый кусок металла тоже не сплошной — кольцо.
Отдельные куски должны быть соединены так, чтобы общая «одежда» была гибкой.
Придумали кольчугу (рис. 2.7). 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.
Заметим, что основа основ («изюминка») методики состоит в последовательном определении ПТ, ИКР, ПС (5.1).
5.2. Практика
Проиллюстрируем логику решения нестандартных задач. Начнем разбор с простейших задач.
Задача 5.1. Чемодан
Условие задачи
Чемоданы необходимы для складирования вещей во время поездок. Если необходимо перевозить много вещей, то используют большие чемоданы. После перевозки чемоданы необходимо где-то хранить, и они занимают много места. Как быть?
Разбор задачи
ПП: анти-Б
ПП: Пустой чемодан занимают много места. Нежелательный эффект (НЭ) — занимает много места (анти-Б) дома.
ПТ: А — анти-Б
ПТ: Чемодан размещает необходимые вещи (А) для перевозки вещей, но занимает много места (анти-Б) дома, когда его не используют.
ИКР: А, Б
ИКР: Чемодан не занимает места (Б) дома, когда его не используют, и размещает все необходимые вещи (А) во время их перевозки.
ПС: C → А, анти-С → Б
ПС: Чемодан должен быть меленький (С), чтобы он не занимал много места (Б), когда он не используется, и большой (анти-С), чтобы в него помещалось много вещей (А) для перевозки.
Т. е. чемодан должен быть маленький и большой.
Решение задачи
Разрешим описанные противоречивые свойства:
Во времени и структуре:
Во время перевозки вещей чемодан большой, а во время хранения маленький. Такое противоречие можно разрешить путем изменения структуры чемодана в нужное время, по необходимому условию.
Решение 1: Чемодан делается складной.
Рис. 5.3. Складной чемодан
Решение 2: Чемодан в виде матрешки. Меньший чемодан вкладывается в больший.
Рис. 5.4. Чемодан в чемодане
По условию:
Решение 3: Чемодан дома используется по другому назначению — в нем хранится что-то необходимое дома. Его можно задрапировать под какой-то предмет, например, тумбочку, или любой предмет интерьера.
В пространстве:
Решение 4: Чемодан берется напрокат у друзей или знакомых.
Использование ресурсов:
Решение 5: Чемодан не берется с собой, а все необходимые вещи покупаются на месте.
Использование принципа дешевой недолговечности — одноразовости:
Решение 6: Одноразовый чемодан и вещи, которые не жалко оставить на месте.
Задача 5.2. Кастрюля
Условие задачи
Можно обжечься, когда берешь горячую кастрюлю с плиты. Как устранить этот недостаток?
Разбор задачи
ПП: анти-Б
Административное противоречие практически уже сформулировано при описании исходной ситуации.
ПП: Как не обжечься, когда берут горячую кастрюлю с плиты. Нежелательный эффект (НЭ) — ожег.
ПТ: А — анти-Б
ПТ: Необходимость нагрева кастрюли для приготовления пищи (А) вступает в противоречие с процедурой снятия кастрюли голыми руками — ожег (Б).
Т. е. ПТ — Приготовление пищи (А) — ожег (Б).
ИКР: А, Б
ИКР: Горячая кастрюля не обжигает руки.
ПС: C → А, анти-С → Б
ПС: Кастрюля должна быть холодной (анти-С), чтобы ее было безопасно брать (не обжигать руки), и должна быть горячей (свойство С), чтобы осуществлялся процесс приготовления пищи.
Решение задачи
Разрешим описанные противоречивые свойства:
Во времени:
Решение 1: Ждут, пока ручки кастрюли остынут.
В пространстве:
Горячим должна быть внутренняя поверхность кастрюли и крышки (рис. 5.).
Холодной должны быть:
— ручки кастрюли;
— внешняя поверхность кастрюли;
— внешняя поверхность крышки;
— ручка крышки.
Рис. 5.5. Кастрюля
В структуре:
Решение 2: Частичные решения:
— ручки кастрюли выполняются из теплоизоляционного материала (рис. 5.6);
— ручки кастрюли теплоизолируют от поверхности кастрюли (рис. 5.7);
— ручку крышки выполняют из теплоизоляционного материала (рис. 5.8);
— ручку крышки теплоизолируют от поверхности крышки (подобно рис. 5.7).
Рис. 5.6. Кастрюля с ручками из теплоизоляционного материала
Рис. 5.7. Кастрюля с изолированными ручками
Рис. 5.8. Крышка кастрюли
Решение 3: Немного лучшее решение, если дно кастрюли, внутренние стенки кастрюли и крышки делать теплопроводным (металлическими), а внешние стенки кастрюли и крышки, а также ручки делать теплоизоляционными, например, керамическими (рис. 5.9). Такую кастрюлю можно нагревать на газе, а стенки не будут отдавать тепло окружающему воздуху. Это позволит убыстрить процесс варки и сэкономить газ.
Рис. 5.9. Кастрюля с теплоизолирующими стенками
Решение 4: Полное решение — внешний слой кастрюли и крышки покрывать теплоизоляционным слоем (рис. 5.10). Тогда в кастрюле будет дольше сохраняться тепло. Нагрев осуществляют изнутри электронагревательным элементом. Это же решение может быть применено и к чайнику. Использование такой кастрюли может изменить способ варки. В ней достаточно довести продукты до кипения и выключить нагрев. Все сварится само, так как температура будет сохраняться длительное время.
Рис. 5.10. Кастрюля с электронагревателем
Задача 5.3. Бериллий
Условие задачи
Бериллий — один из самых твердых металлов и имеет высокий модуль упругости. Конструкционные материалы на основе бериллия обладают одновременно и лёгкостью, и прочностью, и стойкостью к высоким температурам. Будучи в 1,5 раза легче алюминия, эти сплавы в то же время прочнее многих специальных сталей. В связи с этим из него выгодно изготавливать особо жесткие и легкие конструкции.
Однако бериллий очень токсичен, он вызывает тяжелые легочные заболевания, нередко заканчивающиеся летальным исходом, поэтому бериллий не находит широкого распространения в технике.
Компромиссный выход — соединения бериллия. Но при этом неизбежно нарушается кристаллическая структура металла, которая, собственно, и создает те качества, которые нужно использовать.
Как быть?
Разбор задачи
ПП: анти-Б
ПП. Бериллий вреден для человека. Нежелательный эффект (НЭ) — вредное действие на человека (анти-Б).
ПТ: А — анти-Б
ПТ. Бериллий очень прочный и легкий металл (А), но вредно действует на человека (анти-Б).
ИКР: А, Б
ИКР. Бериллий не действует вредно на человека (Б) и обладает высокой прочностью и легкостью (А).
ПС: C → А, анти-С → Б
ПС. Человеку необходимо соприкасаться (C) с бериллием, чтобы обслуживать конструкции, сделанные из него, обладающие высокой прочностью и легкостью (А), и не должны соприкасаться (анти-С) с человеком, чтобы не вредить его здоровью (Б).
Разрешение ПС
Разделение противоречия в пространстве.
Решение
Конструкции из бериллия используются для объектов, с которыми человек не соприкасается, например для искусственных спутников Земли.
Специалисты компании British Aircraft провели исследования, которые показали, что применение бериллия в несущих конструкциях искусственных спутников Земли позволяет снизить вес этих конструкций на 35%. Что же касается вредных для человека свойств бериллия, то они для спутников, работающих в автоматическом режиме и в безвоздушном пространстве, несущественны.
Задача 5.4. Одо Нобунага
Условие задачи
Военно-политический лидер Японии Одо Нобунага, один из наиболее выдающихся самураев в японской истории, был жесток, похож на обезьяну и не терпел лжи. Всех, кто говорил неправду, он убивал.
— Правда ли, что я похож на обезьяну? — спросил он однажды своего приближенного.
Что бы вы ответили на месте приближенного?
Разбор задачи
ПП: А
ПП. Как остаться в живых? Положительный эффект (ПЭ) — остаться в живых (А).
ПТ: А — анти-Б
ПТ. Противоречие между необходимостью остаться в живых (А) и необходимостью сказать правду, что самурай похож на обезьяну (анти-Б).
ИКР: А, Б
ИКР. Подчиненный остается жив (А) и говорит правду (Б), что самурай похож на обезьяну.
ПС: C → А, анти-С → Б
ПС. Подчиненный должен сказать правду (C) самураю, что он похож на обезьяну, так как он не любил ложь, и должен не говорить правду (анти-С), что самурай похож на обезьяну, чтобы остаться в живых.
Разрешение ПС
Разделение противоречия по условию.
Решение
— Да что вы, ваше превосходительство! — выкрикнул он. — Как можно?! Наоборот, это обезьяна имеет честь походить на вас!
Что вызвало смех самурая и привело в превосходное расположение духа.
Использован прием 13. Принцип наоборот.
Задача 5.5. Фараон
Условие задачи
Фараон имел неограниченную бесконтрольную власть.
Как сделать так, чтобы он управлял без издевательства над его народом и без преступлений?
Разбор задачи
ПП: анти-Б
ПП. Как не допустить издевательств над народом и преступлений фараона? Нежелательный эффект (НЭ) — преступления фараона (анти-Б).
ПТ: А — анти-Б
ПТ. Противоречие между эффективностью управления государством с неограниченной властью (А) и преступлениями (анти-Б).
ИКР: А, Б
ИКР. Фараон имеет неограниченную власть (А) и не совершает преступления (Б).
ПС: C → А, анти-С → Б
ПС. Фараон не должен быть под контролем народа (иметь бесконтрольную власть), чтобы эффективно управлять большим государством (А), и должен находиться под полным контролем народа , чтобы управлять без безобразий и преступлений (Б).
Разрешение ПС
Разделение противоречия во времени.
Решение
В Древнем Египте при жизни фараона его любые приказания (в том числе преступные) выполнялись беспрекословно, но после смерти народ судил своего владыку. И если хотя бы один человек предъявлял претензии и не прощал вину фараону — царь приговаривался к высшему наказанию: ему отказывали в погребении. А без погребения душа, по верованиям, была обречена на вечные муки… Мумию непогребенного фараона устанавливали — в назидание — в доме «наказанного», чтобы она была вечной укоризной наследникам.
Задача 5.6. Школьный инспектор
Условие задачи
Инспектор, проверявший некую школу, заметил, что когда бы он ни задал классу вопрос, в ответ тянули руки все ученики. Более того, хотя школьный учитель каждый раз выбирал разных учеников, ответ всегда был правильным
Как это получалось?
Разбор задачи
ПП: А
ПП. Как ученики давали все время правильный ответ? Положительный эффект (ПЭ) — все дают правильный ответ (А).
ПТ: А — анти-Б
ПТ. Противоречие между проявлением активности учеников (все поднимают руки) (анти-Б) и их знаниями (правильным ответом) (А).
ИКР: А, Б
ИКР. 100% активность учеников (все поднимают руки) (Б) и все отвечают правильно (А).
ПС: C → А, анти-С → Б
ПС. Для проявления активности (Б) все ученики должны поднимать руки (С), чтобы давать правильный ответ (А), не все ученики должны поднимать руки (анти-С).
Разрешение ПС
Разделение противоречия в структуре.
Решение
Учитель предварительно договорился с учениками, чтобы они вызывались отвечать независимо от того, знают ответ или не знают. Но те, кто знает ответ, должны поднимать правую руку, а те, кто не знает, — левую. Учитель каждый раз выбирал другого ученика, но всегда того, кто поднимал правую руку.
Использован прием 10. Принцип предварительного исполнения и ресурсы.
Задача 5.7. Травило
Условие задачи
В романе Ю. Брайдера и Н. Чадовича «Бастионы Дита» для борьбы со всяческой нечистью жители города Дит имеют на вооружении специальные ружья, стреляющие шариками из травило. Травило — это вещество, проедающее практически все: металл, одежду, плоть… Как же тогда зарядить такое ружье травилом? Ведь оно проест и само ружье, и руки стрелка.
Разбор задачи
ПП: анти-Б
ПП. Как стрелять травилом, которое проедает все? Нежелательный эффект (НЭ) — травило причиняет вред оружию и обслуживающим людям (анти-Б).
ПТ: А — анти-Б
ПТ. Противоречие между необходимым свойством травила проедать все (А) и причинением вреда оружию и обслуживающим людям (анти-Б).
ИКР: А, Б
ИКР. У травила остаются свойства проедать все (А) и не наносить вред оружию и людям (Б).
ПС: C → А, анти-С → Б
ПС. Травило должно разъедать все (C), так как это его основное свойство (А), и не должно разъедать (анти-С), так как оно принесет вред оружию и людям (Б).
Разрешение ПС
Разделение противоречия во времени.
Решение
Приготовление шариков из травила идет непосредственно в самом ружье из компонентов, не представляющих опасности по отдельности, которые в ружье и закладываются.
Небольшая недоработка идеи, описанная в романе. В ружье нельзя соединять эти компоненты. Травило проест ружье.
Известно бинарное оружие — два или больше безопасных компонентов соединяются в снаряде во время полета. В воздухе перегородки между этими веществами ломаются, например за счет вращения снаряда и вещества перемешиваются.
Задача 5.8. Ремонт буксиров
Условие задачи
Дудинский морской порт находится на севере России в Красноярском крае и сооружен для обеспечения Норильского комбината. Суда в этот порт доставляют буксиры.
Каждый год требуется осматривать подводную часть буксиров и при необходимости ремонтировать.
Для этого буксиры доставляют на ремонтный завод или используют специальное сооружение — док.
Ближайший ремонтный завод находится в Мурманске, что достаточно далеко, а дока в порту нет и стоит он очень дорого.
Как быть?
Разбор задачи
ПП: анти-Б
ПП. Отсутствие дока в Дудинском порту. Нежелательный эффект (НЭ) — отсутствие дока (анти-Б).
ПТ: А — анти-Б
ПТ. Противоречие между необходимостью осмотра дна буксиров (А) и отсутствием дока в порту (анти-Б).
ИКР: А, Б
ИКР. Производится осмотр и ремонт дна буксира (А) без приобретения дока (Б).
ПС: C → А, анти-С → Б
ПС. Док необходим (C), чтобы проводить осмотр и ремонт дна буксиров (А), и док не нужен (анти-С), чтобы не приобретать его (Б).
Разрешение ПС
Разделение противоречия в структуре.
Решение
Док «построили» изо льда (рис. 5.11).
Рис. 5.11. Ледяной док
Осенью буксиры оставили на реке.
Когда река стала замерзать, лед постепенно вырубали, «делая» ледяной док.
Задача 5.9. Дуэль
Условие задачи
В кинофильме «Новый Дон Жуан» слуга, притворяющийся Дон Жуаном, получает одновременно вызовы на дуэль от полусотни дворян.
Как ему поступить?
Разбор задачи
ПП: анти-Б
ПП. Как остаться в живых на дуэли. Нежелательный эффект (НЭ) — погибнуть на дуэли (анти-Б).
ПТ: А — анти-Б
ПТ. Выполнить обещание (А) участвовать в дуэли, так как это дело чести дворянина, но при этом он погибнет (анти-Б).
ИКР: А, Б
ИКР. Выполняет обещание (А) участвовать в дуэли и не погибает (Б).
ПС: C → А, анти-С → Б
ПС. Слуга должен драться на дуэли (С), чтобы выполнить обещание (А) участвовать в дуэли, и не должен драться на дуэли (анти-С), чтобы остаться живым (Б).
Разрешение ПС
Разделение противоречия по условию.
Решение
Слуга предлагает им самим разрешить спор, чья очередь драться первым. Они решают это привычным способом — дуэлями. В результате — все перебиты.
Использованы ресурсы знаний человеческой натуры.
Задача 5.10. Потерянные гайки
Условие задачи
Меняя колесо своей машины, человек уронил все четыре гайки его крепления в решетку канализационного стока, откуда достать их было невозможно Он уже решил, что застрял здесь, но проходивший мимо мальчик подсказал ему очень дельную мысль, которая позволила ему поехать дальше. В чем состояла его идея?
Разбор задачи
ПП: анти-Б
ПП. Отсутствие гаек для крепления колеса на машине. Нежелательный эффект (НЭ) — отсутствие крепления колеса (анти-Б).
ПТ: А — анти-Б
ПТ. Противоречие между необходимостью ехать (А) и отсутствием крепления колеса машины (анти-Б).
ИКР: А, Б
ИКР. Машина едет (А) без отсутствующих гаек, крепящих колесо (Б).
ПС: C → А, анти-С → Б
ПС. Гайки должны быть (C) для закрепления колеса, чтобы можно было ехать (А), и не должны быть (анти-С), так как они отсутствуют (Б).
Разрешение ПС
Разделение противоречия в структуре.
Решение
Мальчик предложил отвернуть по одной гайке с каждого из трех колес и закрепить ими четвертое колесо. Сделав это, человек смог доехать до ближайшего гаража на прочно закрепленных колесах.
Использованы ресурсы машины.
Задача 5.11. Водовод
Условие задачи
При строительстве водовода на Усть-Илимской ГЭС в Сибири необходимо было опустить 4000-тонную трубу (водовод) на склон.
Трубу строят вертикально (рис. 4.12а), а потом опускают на склон
(рис. 4.12б). Соответствующих устройств в то время не было, и нужно было разработать специальную систему подъемных кранов или домкратов. Это требует много времени и средств.
Как быть?
Рис. 5.12. Опускание водовода на склон
Разбор задачи
ПП: анти-Б
ПП: Отсутствие оборудования для опускания водовода на склон. Нежелательный эффект (НЭ) — отсутствие оборудования (анти-Б).
ПТ: А — анти-Б
ПТ: Необходимость опускания водовода на склон (А) и отсутствие оборудования (анти-Б).
ИКР: А, Б
ИКР: Водовод опускается на склон (А) без специального оборудования (Б).
ПС: C → А, анти-С → Б
ПС: Необходимо иметь оборудование (С), чтобы опустить водовод на склон (А), и не нужно иметь оборудование (анти-С), так как оно отсутствует (Б).
Разрешение ПС
Разрешение противоречия в структуре.
Водовод должен опускаться сам без оборудования.
Решение
Под трубой и между трубой и склоном насыпали снег (рис. 5.13). Когда весной он растаял, труба опустилась.
Рис. 5.13. Опускание водовода на склон
Задача 5.12. Перегрев автопокрышек
Условие задачи
Дальнобойщики часто ездят по автострадам на большой скорости и длительное время без остановок. Это приводит к перегреву шин из-за трения об асфальт, особенно летом, когда асфальт разогрет от солнечных лучей. Температура шины может достигать температуры более 130 °С. Шоферам приходится останавливаться и ждать, пока остынут шины.
Как не допустить этого?
Разбор задачи
ПП: анти-Б
ПП: Автомобильные шины перегреваются при длительной езде. Нежелательный эффект (НЭ) — перегрев шин (анти-Б).
ПТ: А — анти-Б
ПТ: Необходимость быстрой и длительной езды (А) приводит к перегреву шин и их порче (анти-Б).
ИКР: А, Б
ИКР: Быстрая и длительная езда (А) не приводит к перегреву и порче шин (Б).
ПС: C → А, анти-С → Б
ПС: Шина нагревается (С) при быстрой и длительной езде (А), и не должна нагреваться (анти-С), чтобы не испортить шину (Б).
Разрешение ПС
Разрешение противоречия в структуре.
Шина должна сама охлаждаться.
Решение
Внутрь шин заливают небольшое количество воды. Она закипает при температуре примерно в 100 ºС, переходит в парообразное состояние, забирая при этом тепло от шины. Далее пар попадает на холодную поверхность (например, обод колеса). Водяной пар конденсируется, превращаясь в воду. Цикл таких фазовых переходов повторяется многократно.
Задача 5.13. Защита от проникновения в компьютер
Условие задачи
В сфере информационных технологий все больше приходится уделять внимание средствам безопасности. Системы защиты должны учитывать больше аспектов безопасности, что приводит к их усложнению. Они становятся громоздкими и сложными в эксплуатации и настройке.
Система блокирования поведения должна обеспечивать защиту не только от известных вредоносных программ, но и от неизвестных, которые могут появиться в будущем. Для этого необходимо реализовать правила безопасности для всех типов программ (пользовательские приложения, сервисы, скрипты, драйверы и т. д.) и ресурсов (файлы, ключи реестра, устройства внешней памяти и др.), а сами правила должны учитывать не только одиночные операции, но также и последовательности взаимосвязанных операций. Таким образом, можно добиться высокой вероятности обнаружения и блокирования вредоносных программ.
Правила безопасности должны быть понятны для неопытных пользователей, а создание и обновление правил безопасности должно проходить при минимальном участии пользователя. Это позволит упростить эксплуатацию и настройку системы защиты.
Правила безопасности должны составляться таким образом, чтобы вероятность появления ложных тревог была минимальной. Как обеспечить эти требования?
Рис. 5.14. Защита компьютера
Разбор задачи
Краткая формулировка задачи
Создать простую систему защиты компьютера с высокой степенью безопасности без ложных тревог и с минимальным участием пользователя в настройке правил безопасности.
ПП 1 : А
ПП 1 : Нужно обеспечить надежную безопасность работы компьютера. Требование А — безопасность работы компьютера с минимумом ложных тревог.
ПП 2 : анти-Б
ПП 2 : Система защиты компьютера усложняется. Нежелательный эффект — анти-Б. Требование Б — простота системы защиты и ее обслуживания (минимальное участие пользователя в настройке правил безопасности).
ПТ: А — анти-Б
ПТ: Надежная система защиты компьютера обеспечивает хорошую безопасность его работы, но чрезмерно усложняет ее и требует серьезного участия пользователя в настройке правил безопасности.
Повышение безопасности усложняет систему.
ПТ: между БЕЗОПАСНОСТЬЮ (требование А) и УСЛОЖНЕНИЕМ (требование анти-Б). ПРОСТОТА (требование Б)
ИКР: А, Б
ИКР: Система защиты должна обеспечивать безопасность (А), не усложняя (Б) саму себя и ее обслуживание.
Система защиты должна поддерживать правила безопасности, применимые к любым типам программ и ресурсов. Все правила должны создаваться автоматически, без участия пользователя. Обновление правил должно проходить также автоматически и без генерации ложных тревог.
ПС: C → А, анти-С → Б
ПС: Для обеспечения безопасности (А) должны быть сформулированы правила безопасности, которые можно применять к любым типам программ и ресурсов, т. е. правил должно быть много (свойство С), и правил безопасности д. б. мало (анти-С), чтобы не усложнять (Б) систему безопасности и не затрачивать много времени и знаний для настройки и эксплуатации системы защиты.
С другой стороны, чем меньше пользователь принимает участия в создании и поддержании правил безопасности, тем больше решений принимает сама система защиты. Если она не учитывает все имеющиеся и появляющиеся требования безопасности, то защита будет не надежной.
С третей стороны, уменьшение вероятности появления ложных тревог достигается за счет уменьшения количества правил безопасности, так как любое правило безопасности потенциально может вызвать ложную тревогу. Чем больше правил безопасности, тем больше вероятность появления ложных тревог и наоборот, чем меньше правил безопасности, тем меньше вероятность появления ложных тревог.
Т. е. правил должно быть много, так как с их помощью система защиты определяет, какие действия программ разрешены, а какие запрещены, и их не должно быть, так как они затрудняют эксплуатацию системы защиты.
ПС 1 . Это противоречие можно еще больше обострить, выявляя первопричины. Почему правил должно быть много? Чтобы учесть все аспекты безопасности (все возможные программы и ресурсы) в настоящем и будущем.
ПС 1 : C → С 1 , анти-С → анти-С 1
ПС 1 : Правила должны быть простые (С 1 ), учитывающее каждое отдельное требование безопасности, поэтому их должно было много (С), и должны быть сложные (анти-С 1 ), чтобы их было мало (анти-С 1 ). Т. е. правила должно быть простые и сложные.
Разрешение физического противоречия (ПС и ПС1).
Разделение противоречивых свойств ПС:
В структуре:
Решение 1.
Отказ от правил безопасности. Выполнение программ происходит в физически изолированной среде (на виртуальной машине или отдельном компьютере), которая представляет собой точную копию основной среды пользователя. При закрытии программы происходит проверка всех изменений, сделанных программой. Если нет никаких нарушений, то все изменения переносятся на основной компьютер пользователя. Здесь использована тенденция перехода от реальной системы к виртуальной (рис. 5.15).
Рис. 5.15. Виртуальный компьютер
Решение 2.
Установленные на компьютере программы сами генерируют для себя правила безопасности без участия пользователя (все правила их обновление создаются автоматически без генерации ложных тревог). В данном случае пользователь, как элемент системы, заменяется на выполняемые программы. Программы, так же, как и в первом решении, выполняются в изолированной среде, а правила безопасности составляются на основе изменений, сделанных программой. Программы адаптивные, самообучаемые и самоорганизующиеся. После составления правил безопасности и их опробования, программа автоматически запускается в реальной среде. Здесь использована тенденция увеличения степени управляемости и динамичности.
Разделение противоречивых свойств (ПС).
Во времени:
Решение 3.
Система защиты поставляется с предварительно составленными правилами безопасности для популярных программ. Работа пользователя упрощается за счет предварительно составленной базы данных (БД) правил безопасности.
Решение 4.
Включением и выключением правил безопасности (динамизация) можно управлять с помощью системы обнаружения вторжений, совместно используемой с системой блокирования поведения. При обнаружении аномального поведения работа с программой продолжается в физически изолированной среде без каких-либо ограничений. При закрытии программы пользователю показывается отчет о подозрительных действиях, на основании которого можно откорректировать правила безопасности.
Решение 5.
Ложные тревоги можно накапливать в процессе работы программы и показывать только один раз при завершении работы программы. Выполнение программы происходит в физически изолированной среде. При завершении работы программы пользователю показываются все сомнительные операции.
Решение 6.
Указанные выше способы автоматизируются путем самообучения, самоорганизации и саморазвития программ (увеличение степени управляемости).
Задача 5.14. Игольное ушко
Условия задачи
Вдевать нитку в иголку кропотливое занятие. Удобно вдевать нитку в большое игольное ушко, но большое игольное ушко делает большую дырку в ткани, портя ее. Как быть?
Разбор задачи
ПП 1 : анти-А
ПП 1 : Неудобно вдевать нитку в маленькое игольное ушко. Нежелательный эффект (НЭ) — анти-А — отсутствие удобств. Требование А — удобство вдевания нитки в иголку.
ПП 2 : анти-Б
ПП 2 : Большое ушко иголки портит ткань. Нежелательный эффект (НЭ) — анти-Б — порча ткани. Требование Б — ткань не портится.
ПТ 1 : анти-А —Б
ПТ 1 : Ткань не портится (Б), но неудобно (анти-А) вдевать нитку в маленькое игольное ушко.
ПТ 2 : А — анти-Б
ПТ 2 : Удобно (А) вдевать нитку в игольное ушко, но портит (анти-Б) ткань.
ИКР: А, Б
ИКР: Удобно (А) вдевать нитку в иголку, и не портится (Б) ткань.
ПС: C → А, анти-С → Б
ПС: Игольное ушко должно быть большим (С), чтобы было удобно (А) вдевания нитки в иголку, и маленьким (анти-С), чтобы не портить (Б) ткань.
Разрешение ПС. Разделение противоречивых свойств ПС:
В структуре:
Решение 1. Одно из возможных решений — сделать ушко динамичным — гибким. Мы воспользовались приемом 15. Принцип динамичности. Такое решение было предложено в патенте США 3 987 839 (рис. 5.16). Игла 10 сделана из двух соединенных проволок 11 и 12. Проволоки закручивают на один оборот и запаяны на концах. Острый конец иглы затачивают. При нажатии на иглу появляется ушко (рис. 5.16, в).
Рис. 5.16. Гибкое ушко иголки по патенту США 3 987 839
10 — игла, образованная двумя проволоками; 11, 12 — проволока; 13 — серебряный или твердый припой; 15 — тупой конец иглы; 16 — острый конец иглы; 17 — игольное ушко.
В 21 веке дизайнер Woo Moon-Hyung воплотил подобное решение (рис. 5.17).
Рис. 5.17. Гибкое ушко иголки дизайнера Woo Moon-Hyung
В пространстве, во времени и динамизация:
Решение 2. Вынести игольное ушко от иглы (прием 2. Принцип вынесения). Тогда его можно сделать большим. В большое ушко вдевается нитка. Затем ушко делается маленьким, чтобы войти в маленькое ушко иголки. Для этого ушко должно быть динамичным — гибким. Разработали нитковдеватель (рис. 5.18).
Рис. 5.18. Нитковдеватель
Задача 5.15. Создание бомбардировщика
Условие задачи
Эту задачу пришлось решать сотрудникам конструкторского бюро А. Н. Туполева при создании стратегического бомбардировщика Ту-95 в начале 50-х годов прошлого века.
Стратегический бомбардировщик, впервые создаваемый в СССР, должен был сочетать в себе высокую скорость полета с большой дальностью действия. Для обеспечения требуемой скорости полета необходима силовая установка общей мощностью около 50 тыс. л. с.
Решили использовать турбовинтовой двигатель. Основная тяга в нем создавалась воздушным винтом, приводимым во вращение газовой турбиной. Такая схема обеспечивала наилучший КПД и минимальный расход топлива. На момент разработки самолета в СССР был только двигатель ТВ 2 мощностью 6 250 л. с. Таким образом, для достижения требуемой общей мощности необходимо было разместить на крыльях самолета 8 двигателей. Поскольку расстояние между осями двигателей определялись диаметром воздушного винта, чтобы не было наложения потоков воздуха от винтов друг на друга и, соответственно, не снижался КПД движителя и не возникала вибрация, то для размещения всех агрегатов (по 4 на каждом крыле) требовался слишком большой размах крыла. Самые крайние двигатели располагаются на расстоянии 27 м от фюзеляжа (рис. 5.19). Такая большая длина крыла была избыточна для поставленных перед самолетом задач и приводила к недопустимому росту веса крыльев и перегрузке по весу самолета в целом.
Как быть?
Рис. 5.19. Создание самолета
Разбор задачи
ПП: анти-Б
ПП: Размещение двигателей приводит к недопустимому удлинению крыльев (анти-Б). Нежелательный эффект — недопустимое удлинение крыльев (анти-Б).
В данной изобретательской ситуации просматриваются как минимум две задачи:
— обеспечить малый вес длинного крыла;
— обеспечить размещение требуемого количества двигателей на крыле допустимого размаха.
В настоящее время первую задачу, скорее всего, удалось бы успешно решить за счет современных конструктивных материалов: кевлара и титановых сплавов. Однако в середине прошлого века такие технологии отсутствовали, поэтому усилия сосредоточились на второй задаче, приняв за нежелательный эффект излишний размах крыла.
ПТ: А — анти-Б
ПТ: Обеспечение требуемой суммарной мощности двигателей (А) приводит к недопустимому удлинению крыльев (анти-Б).
ИКР: А, Б
ИКР: Длина крыльев не увеличивается (Б), и обеспечивается суммарная необходимая мощность (А).
ПС: C → А, анти-С → Б
ПС: Количество двигателей должно быть большим (С), чтобы обеспечить требуемую суммарную мощность (А), и должно быть маленьким (анти-С), чтобы не допускать удлинение крыла (Б).
Анализ ПТ и ПС
Требование ПТ, которое нельзя менять — это обеспечение требуемой суммарной мощности двигателей.
Способы разрешения ПС
Разделение противоречивых свойств ПС.
Поскольку требования, приведенные в формулировке ПС, должны быть реализованы в одно и то же время и в одной и той же области пространства, а сами требования касаются числа элементов системы, то данное ПС, скорее всего, может быть разрешено за счет преобразований структуры. Т. е. в данном случае ПС может быть разрешено в структуре.
Суммарная мощность связана с количеством двигателей, а длина крыла — с расстоянием между осями воздушных винтов, которые необходимо размещать на крыле.
Таким образом, суммарную мощность нужно оставить той же, т. е. должно быть 8 двигателей, а количество винтов уменьшить в два раза, т. е. два двигателя должны работать на один винт.
Решение задачи
Двигатели ТВ-2Ф спарили. Они работали на общий редуктор (рис. 5.20), вращающий один вал винта. При этом на каждом крыле устанавливалось только по 2 таких агрегата, что позволило получить размах крыльев в приемлемых пределах.
Рис. 5.20. Схема сдвоенных двигателей
Однако полученное решение привело к новой проблеме.
Описание ситуации 2
Необходимо было обеспечить преобразование полной мощности в 12 000 л. с. в полезную тягу, то есть создать поток воздуха от одного винта, эквивалентного потоку двух винтов, рассчитанных на меньшую мощность, для чего пришлось увеличить диаметр винта, который превысил 7 м. Это привело к необходимости поднять фюзеляж над поверхностью земли на 5 м (рис. 5.21) и к увеличению размеров стоек шасси. Возникли новые проблемы с установкой крыльев, уборкой шасси, увеличением их веса и усложнением обслуживания самолета.
Как быть?
Рис. 5.21. Фюзеляж высоко поднят
ПП 2 : анти-Б 2
ПП 2 : Фюзеляж самолета слишком высоко поднят (анти-Б 2 ) над землей. Нежелательный эффект — излишнее поднятие (анти-Б 2 ) фюзеляжа над землей.
ПТ 2 : А 2 — анти-Б 2
ПТ 2 : Обеспечение необходимой мощности (А 2 ) самолета приводит к излишнему поднятию (анти-Б 2 ) фюзеляжа над землей.
ИКР: А 2 , Б 2
ИКР: Обеспечивается необходимая общая мощность (А 2 ) двигателей самолета и не увеличивается высота (Б 2 ) самолета.
ПС 2 : C 2 → А 2 , анти-С 2 → Б 2
ПС 2 : Диаметр воздушного винта должен быть большой (С 2 ), чтобы обеспечить необходимую мощность (А 2 ) двигателей самолета (создавать необходимый поток воздуха), и должен быть маленький (анти-С 2 ), чтобы не увеличивать высоту (Б 2 ) самолета.
Разрешение ПС 2
Первоначально проведем анализ на возможность изменений свойств ПС.
Невозможно делать винт большого диаметра, так как нельзя поднимать фюзеляж так высоко над землей.
Такой вид ПС может быть разрешен в структуре, в частности, используя прием «дробление».
Решение 2
Один винт большого диаметра разделили на два винта меньшего диаметра, что позволило не поднимать фюзеляж высоко над землей.
Каждый из винтов вращается от своего вала, расположенный соосно один внутри другого (рис. 5.22б).
Рис. 5.22. Создание самолета
Однако и это решение привело к новой проблеме.
Описание ситуации 3
Замена одиночного воздушного винта большого диаметра двумя винтами меньшего диаметра, вращающимися на одной оси, привело к уменьшению КПД движителя.
Как быть?
ПП 3 : анти-Б 3
ПП 3 : Как повысить КПД движителя. Нежелательный эффект — уменьшение КПД (анти-Б 3 ) движителя.
ПТ 3 : А 3 — анти-Б 3
ПТ 3 : Уменьшение диаметра воздушного винта за счет применения двух винтов (А 3 ) меньшего диаметра, вращающихся на одной оси, привело к ухудшению КПД (анти-Б 3 ) движителя.
ИКР: А 3 , Б 3
ИКР 3 : Использование двух винтов (А 3 ) меньшего диаметра не ухудшает КПД (Б 2 ) движителя.
Данная ситуация достаточно проста, поэтому не будем формулировать ПС, а сразу выполним анализ возможности условий существования ПТ:
— использование двух винтов меньшего диаметра — условие обязательное;
— оба винта установлены на одной оси — условие обязательное;
— оба винта вращаются вместе как один винт — условие необязательное, его можно подвергнуть изменению, вплоть до инверсии (сделать «наоборот»).
Решение 3
Винты должны вращаться в противоположные стороны.
Технически это обеспечить достаточно просто, поскольку в силовой агрегат входит планетарный редуктор между двигателем (двигателями) и винтом (винтами). При такой схеме вращения задний воздушный винт будет раскручивать поток воздуха, закрученный передним винтом, потери мощности на закручивание воздуха будут уменьшаться, и КПД движителя будет даже больше, чем у одиночного воздушного винта большого диаметра.
Чтобы понять, как организовано вращение винтов в противоположные направления, напомним устройство и принцип работы планетарного редуктора. В рамках одной планетарной передачи можно получать разные передаточные числа и направления вращения. На рис. 5.23 изображена одна из возможных схем планетарного редуктора.
В рассматриваемом случае одна из осей винта, например, связана с солнечной шестерней, а другая с эпициклом.
Рис. 5.23. Планетарный редуктор
Именно путем решения такой цепочки задач был создан турбовинтовой агрегат 2ТВ-2Ф суммарной мощностью 12 тыс. л. с. с соосными воздушными винтами диаметром 5,6 м, вращающимися в разные стороны. Этот агрегат был установлен на первые образцы самолета Ту-95. Впоследствии вместо двух двигателей ТВ-2Ф в агрегат включили один двигатель ТВ-12 (НК-12) с сохранением мощности и параметров воздушных винтов. Силовые агрегаты на базе двигателя ТВ-12 устанавливались не только на Ту-95, но и на другие самолеты, в том числе и на пассажирский самолет Ту-114.
Можно отметить, что преобразования системы двигателя и воздушного винта, показанные в этом примере, полностью соответствуют одному из наиболее практичных законов развития технических систем — закону перехода в надсистему. Двигатель прошел по цепочке преобразований «Моносистема» (один двигатель ТВ-2) — «Бисистема» (два двигателя в агрегате 2ТВ-2Ф) — «Новая моносистема» (двигатель ТВ-12). А для воздушного винта реализовалась цепочка «Моносистема» (одиночный винт) — «Би-система» (два винта, вращающихся вместе) — «Бисистема со сдвинутыми характеристиками» (два винта, вращающихся в разные стороны).
Задача 5.16. Увеличение скорости судна
Необходимо увеличить скорость судна, а как — неизвестно. Это типичное ПП.
Увеличение скорости хода судна приводит к росту мощности двигателей, увеличению затрат энергии, что требует увеличения веса, габаритов силовой установки и запасов топлива. Чрезмерное их увеличение может привести к тому, что негде будет размещать полезный груз.
ПТ: А — анти-Б
В данном примере выявлены следующие технические противоречия (ПТ):
СКОРОСТЬ (А) — МОЩНОСТЬ (анти-Б),
Можно продолжить цепочку технических противоречий:
МОЩНОСТЬ — ЭНЕРГОЗАТРАТЫ
ЭНЕРГОЗАТРАТЫ — ВЕС и т. д.
ИКР: А, Б
ИКР: Обеспечивается увеличение скорости (А) хода судна без увеличения мощности (Б).
ПС: C → А, анти-С → Б
Увеличение скорости хода судна приводит к росту сопротивления движению, поэтому приходится увеличивать мощность двигателей.
ПС: Сопротивление движениюувеличивается (С) с увеличением скорости (А) движения, и оно не должно увеличиваться (анти-С), а еще лучше уменьшаться , чтобы не увеличивать мощность (Б) двигателей.
Сопротивление движению должно быть большим и маленьким .
Можно рассмотреть ситуацию и с другой стороны.
Уменьшить сопротивление движения, а, следовательно, и мощность двигателя можно, ликвидировав подводную часть корпуса судна, но чтобы судно держалось на плаву, подводная часть корпуса необходима.
В этом случае ПТ между плавучестью (А » ) и мощностью (Б).
ПС: подводная часть корпуса должна быть (С » ) для обеспечения плавучести (А » ) и не должна быть (анти-С » ), чтобы не увеличивать мощность (Б) двигателя при увеличении скорости.
Разрешение противоречия
Такие противоречивые свойства разрешаются изменением структуры. Движение судна должно быть в воде, чтобы поддерживать судно, и не в воде (в воздухе), чтобы уменьшить сопротивление движению.
Подводная часть корпуса судна не должна быть в воде.
Мы должны изменить (заменить) структуру воды — сделать ее воздухом (или подводную часть корпуса судна сделать воздухом), т. е. судно необходимо вынести из воды.
Можно ПС сформулировать и так:
Корпус судна должен находиться в воде, чтобы создавать силу поддержания, и не должен находиться в воде (должен находиться в воздух, чтобы не создавать гидродинамическое сопротивление при движении.
Такое противоречие разрешается во времени.
При движении (в один момент времени) сила поддержания обеспечивается за счет физического принципа, позволяющего поднять корпус из воды, а при стопе (в другой момент времени) корпус может находиться в воде.
Создали суда на подводных крыльях, воздушной подушке и экранопланы .
Задача 5.17. Лифт в многоэтажном доме
Условие задачи
В одном учреждении, находящемся в многоэтажном доме, поступило много жалоб от посетителей и служащих, что им приходится подолгу ждать лифт. Администрация собиралась ставить дополнительный лифт, и подыскивали место, где его поставить. Выяснилось, лифт можно ставить только с внешней стороны здания, что предполагает большие затраты.
Один из администраторов рассказал об этой задаче своему знакомому изобретателю. На следующий день изобретатель пришел в учреждение посмотреть ситуацию своими глазами. После исследования ситуации изобретатель сказал, что он может решить эту задачу. Что же он предложил?
Разбор задачи
ПП: анти-Б
Как дешево поставить дополнительный лифт? Нежелательный эффект (НЭ) — дорого (анти-Б) строить новый лифт.
ПТ: А — анти-Б
ПТ: Отсутствие жалоб посетителей (А) и затраты средств (анти-Б) на постановку нового лифта.
ИКР: А, Б
ИКР:Нет затрат (Б) на дополнительный лифт, а посетители не жалуются (А).
ПС: C → А, анти-С → Б
ПС: Лифт не должен быть поставлен (анти-С), чтобы не было больших затрат (Б), и должен быть поставлен (С), чтобы посетители не жаловались (А).
Разрешение противоречия
Такой вид противоречия решается использованием ресурсов. Остается подобрать самые дешевые ресурсы. Наиболее дешевые отходы и психологические эффекты.
В здании не было отходов, которые помогли бы решить задачу, и изобретатель использовал психологические эффекты. Для решения такого рода задач существует прием «отвлечения внимания».
Решение .
Изобретатель предложил поставить около дверей лифта зеркала.
Люди любят смотреть на себя и не замечают, как проходит время.
Задача 5.18. Перекачка газа
Условие задачи
Необходимо перевести весь газ из транспортного баллона (рис. 5.24а — справа — баллон 200 л) в два пустых — рабочих (рис. 5.24а — слева — баллоны 100 л). Емкость каждого из них равна половине емкости транспортного баллона.
Известны два способа перекачки газа (рис. 5.24 б, в).
Первый способ (рис. 5.24 б) состоит в том, что транспортный баллон прямо подсоединяют к рабочим. В этом случае во всех баллонах устанавливается одинаковое давление, и половина газа останется в транспортном баллоне. Второй способ (рис. 5.24 в) намного сложнее: газ перекачивается из большого баллона (200 л) в два других (по 100 л) при помощи компрессора. Так можно перевести весь газ, но необходимо использовать специальное оборудование — компрессор высокого давления.
Рис. 5.24. Перекачка газа
а) исходное состояние: два рабочих баллона емкостью 100 л каждый и транспортный баллон емкостью 200 л.; б) непосредственное соединение транспортного баллона с рабочим; в) соединение через компрессор.
Задача заключается в том, чтобы найти способ полностью переводить газ из транспортного баллона в рабочие без применения дополнительного оборудования (компрессоров).
С такой задачей приходится сталкиваться при «зарядке» самолетов.
Разбор задачи
Краткая формулировка задачи
Найти простой способ перевода всего газа из одного баллона в два других.
ПП: анти-Б
Нежелательный эффект: НЕПОЛНАЯ (анти-Б) перекачка газа.
В данной задаче перекачка газа возможна с применением и без применения компрессора :
— с компрессором
ПТ 1 : Б — анти-А
Газ переводится весь (Б), но при этом усложняется (анти-A) система.
ПТ 1 : Полная перекачка газа — Сложность.
— без компрессора
ПТ 2 : анти-Б — А
Система не усложняется (A), но газ переводится не весь (анти-Б).
ПТ 2 : Простота — Потери газа.
Используя простой способ (прямое подсоединение), но при этом теряем половину газа.
Выбор ПТ
Выбираем ПТ 2 , так как эта формулировка нацелена на использование простого способа (см. краткую формулировку задачи).
Примечание: Этим шагом мы выбрали способ перевода газа только непосредственным соединением одного баллона с другим.
ИКР: А, Б
Газ «сам» полностью — (Б) (с тем же давлением и в том же количестве) переходит из одного баллона в два других, без использования (А) дополнительного оборудования (компрессора).
ИКР: Простота — Полностью перевод газа.
ПС: C → А, анти-С → Б
Чтобы система не усложнялась, необходимо к баллону с газом непосредственно присоединить пустой (рабочий) баллон, но это увеличивает общий объем емкости, в которой находится газ (уменьшая его давление), что не позволяет газу перейти полностью.
Таким образом, «лишний» объем должен быть (свойство «C»), чтобы система была простая «A», и не должен быть (свойство анти-С), чтобы газ перешел весь «Б».
Примечание: напомним, что основное свойство газа — занимать весь предоставленный ему объем. Поэтому при присоединении рабочих баллонов газ расширяется, занимая весь объем баллонов, а давление уменьшается.
ПС 1 : C → С 1 , анти-С → анти-С 1
Чтобы не было «С» лишнего объема рабочий баллон не должен быть пустым (должен быть заполненным ) «С 1 », и чтобы был объем для перевода газа «анти-С» рабочий баллон должен быть пустым «анти-С 1 ».
Подсоединяемые баллоны должны быть заполнены, чтобы газ не расширялся, и не должны быть заполнены (должны быть пустые), чтобы их можно было заполнить необходимым газом.
Примечание: На этом шаге мы точно сформулировали задачу.
Разрешение ПС и ПС 1
Разделение противоречивых свойств можно осуществлять:
— в пространстве;
— во времени;
— в структуре (изменяя структуру системы, в частности — агрегатное состояние ).
Итак, противоречивые свойства: рабочий баллон должен быть ПОЛНЫЙ и ПУСТОЙ (заполненный и не заполненный).
В пространстве это противоречие не разрешается .
Разделение указанных противоречивых свойств во времени требует, чтобы вещество , заполняющее рабочий баллон, постепенно освобождало место для газа , поступающего из транспортного баллона, и заполняло освободившееся место в транспортном баллоне.
Остается только выяснить, каким должно быть вещество, заполняющее рабочие баллоны. Для этого воспользуемся структурными изменениями вещества, изменяя его агрегатное состояние.
Вещество внутри рабочего баллона находится в газообразном состоянии, которое нас не устраивает. Значит, его можно сделать твердым или жидким.
Заполнить баллоны твердым веществом? Твердое монолитное вещество не обладает такими свойствами. Этим мы можем испортить баллоны. Можно конечно баллоны заполнить песком или льдом. Такое состояние в принципе может решить задачу, но оно достаточно неэффективно. Остается использовать жидкость.
Решение
Если рабочие баллоны заполнить жидкостью, не смешивающейся с газом, поместить их выше транспортного баллона, и соединить баллоны трубками, то газ (полностью и без компрессора) перейдет из транспортного баллона в рабочие (рис. 5.25). Идея изобретения найдена.
Рис. 5.25. Перекачка газа (решение)
Задача 5.19. Баллоны с кислородом
Условие задачи
Для создания нормальных условий жизнедеятельности экипажа кабина самолета выполняется герметичной. На случай ее разгерметизации самолет снабжается определенным запасам кислорода, который под давлением накачивается в тяжелые стальные баллоны. Таких баллонов требуется несколько десятков. Это значительно утяжеляет самолет. Как быть?
Разбор задачи
Краткая формулировка задачи
Обеспечить самолет запасам кислорода, не утяжеляя самолет.
Сформулируем для данной задачи два ПП.
ПП 1 : анти-А
ПП 1 : Нужно обеспечить жизнедеятельность (А) экипажа в разгерметизированной кабине самолета. Нежелательный эффект — при разгерметизации кабины самолета не обеспечивается жизнедеятельность (анти-А). Требование А — обеспечение жизнедеятельности экипажа.
ПП 2 : анти-Б
ПП 2 : Стальные баллоны с запасом кислорода утяжеляют (анти-Б) самолет. Нежелательный эффект — утяжеление самолета. Требование Б — обеспечение номинальной массы самолета или уменьшение ее.
ПТ: А — анти-Б
ПТ: Баллоны с кислородом обеспечивают жизнедеятельность (А) экипажа, но утяжеляют (анти-Б) самолет.
ПТ здесь между ЖИЗНЕДЕЯТЕЛЬНОСТЬЮ (требование А) и МАССОЙ (требование Б) самолета. Утяжеление — анти-Б.
Примечание: Начиная с противоречия требований мы можем упростить анализ, если будем дальше рассматривать только один баллон.
ИКР: А, Б
ИКР: Баллон не утяжеляет (Б) самолет, обеспечивая нормальную жизнеспособность (А) экипажа.
ПС: C → Б, анти-С → А
ПС: Масса баллона должна быть малой (С), чтобы не утяжелять (Б) самолет, и большой (анти-С), чтобы обеспечить жизнедеятельность экипажа (А).
Углубим противоречие свойств.
Сформулированное выше физическое противоречие можно еще больше обострить, выявляя первопричины. Почему баллон тяжелый? У него толстые стенки, чтобы выдержать высокое давление, под которым закачивается газ. Высокое давление должно быть, чтобы больше помещалось газа в баллон, для обеспечения жизнедеятельности экипажа.
ПС 1 : C → С 1 , анти-С → анти-С 1
Тогда можно сформулировать ПС1,
ПС 1 : Стенки баллона должны быть тонкие (С 1 ) [в пределе нулевые] — малая масса (С), чтобы не утяжелять (анти-Б) самолет. Стенки баллона должны быть толстые (анти-С 1 ), поэтому у баллона большая масса (анти-С). Баллон выдерживает высокое давление газа. В баллоне помещается больше газа, чтобы обеспечить жизнедеятельность (А). Т. е. стенки у баллона должны быть и не должны быть.
Углубим противоречие свойств ПС1.
ПС 2 : C 1 → С 2 , анти-С 1 → анти-С 2
Сформулируем ПС для кислорода.
ПС 2 : Кислород не должен быть под давлением (С 2 ), чтобы сделать баллон с тонкими (С 1 ) стенками, соответственно, легким, и должен быть под большим давлением (анти-С 2 ), чтобы больше поместить кислорода в баллоне, поэтому делали стенки баллона толстыми (анти-С 1 ).
Разрешение ПС, ПС 1 и ПС 2
Такое противоречие разрешается изменением структуры системы, например, изменением агрегатного состояния . В данном случае изменяем агрегатное состояние кислорода. Кислород должен быть жидким.
Решение
Остается только вспомнить, как хранятся жидкие газы. Конечно, в сосуде Дьюара — специальный термос. Такое решение и предложил А. Н. Туполев. Это решение позволило во много раз снизить массу и объем системы жизнеобеспечения.
Уточнение задачи
Уточним в этой задаче понятия административного , технического и физического противоречий (ПП, ПТ, ПС) и причинно-следственные связи между ними.
ПП 1 относится к жизнедеятельности экипажа самолета, при его разгерметизации. Такая задача может решаться любыми путями, даже без использования кислорода. Например, использовать принцип наподобие самозаклеивающихся шин. Это противоречие сформулировано для всей кабины.
ПП 2 выражено в виде нежелательного эффекта (НЭ) и относится только к баллонам. Т. е. здесь уже выбран способ обеспечения жизнеспособности экипажа с помощью кислорода, находящегося в баллонах. Так как способ выбран (а это прерогатива заказчика), то и «болезнь» определяется более локально.
В ПТ поле поиска сужается: уже рассматриваются не все баллоны, а только один (все остальные подобны). Кроме нежелательного эффекта (утяжеление самолета), указывается положительные свойства (обеспечение жизнеспособности). В ПС идет дальнейшее сужение зоны поиска рассматривается не весь баллон, а только его стенки (еще более точно толщина стенок) и выявляются диаметрально противоположные свойства, предъявляемые к стенкам.
Таким образом, анализ задач по логике АРИЗ постепенно сужает поле поиска и выявляет диаметрально противоположные свойства, например, физические.
Это можно представить в виде диаграммы (рис. 5.26).
Рис. 5.26. Анализ по логике решения нестандартных задач
Продемонстрируем графическое изображение физического противоречия на задаче 5.19.
Толщина стенки баллона h должна быть больше номинальной h n (выдерживающей определенное давление газа) и меньше минимальной h min . Еще лучше h min = 0 .
Это неравенство представлено формулой (5.2).
Изобразим для наглядности эти неравенства на рис. 5.27.
Рис. 5.27. Изображение физического противоречия
Формулировка противоречия свойств требует, чтобы h была одновременно в зоне «А» и в зоне «Б», что исходя из графиков невозможно (рис. 5.27а) или области могут соприкасаться (рис. 5.27б) в точке h=0 (стенки нет), где области «А» и «Б 1 » соприкасаются, но области «А» и «Б» никогда не бывают пересекающимися.
Еще раз продемонстрируем причинно-следственные связи в логике решения нестандартных задач.
Теперь покажем причинно-следственные связи, задавая вопрос «Почему?».
И так, исходная ситуация — самолет тяжелый.
Почему самолет тяжелый? — Потому, что большая масса баллона.
Почемубольшая масса баллона? — Потому, что толстая стенка баллона.
Почемутолстая стенка баллона? — Потому, что высокое давление кислорода.
Почемувысокое давление кислорода? — Потому, что нужно много кислорода.
Почему нужно много кислорода? — Потому, что нужно обеспечить жизнедеятельность экипажа.