Что понимается под развитием технических систем
Законы развития технических систем
Законы развития технических систем (ЗРТС), на которых базируются все основные механизмы решения изобретательских задач в ТРИЗ, впервые сформулированы Г. С. Альтшуллером в книге «Творчество как точная наука» (М.: «Советское радио», 1979, с.122-127), и в дальнейшем дополнялись последователями.
Содержание
Введение
Изучая (эволюцию) технических систем во времени Генрих Альтшуллер сформулировал законы развития технических систем, знание которых помогает инженерам предсказывать пути возможных дальнейших улучшений продуктов:
Самый важный закон рассматривает идеальность системы — одно из базовых понятий в ТРИЗ.
Описание законов
Закон увеличения степени идеальности системы
Техническая система в своём развитии приближается к идеальности. Достигнув идеала, система должна исчезнуть, а её функция продолжать выполняться.
Основные пути приближения к идеалу:
При приближении к идеалу техническая система вначале борется с силами природы, затем приспосабливается к ним и, наконец, использует их для своих целей.
Закон увеличения идеальности наиболее эффективно применяется к тому элементу, который непосредственно расположен в зоне возникновения конфликта или сам порождает нежелательные явления. При этом повышение степени идеальности, как правило, осуществляется применением незадействованных ранее ресурсов (веществ, полей), имеющихся в зоне возникновения задачи. Чем дальше от зоны возникновения конфликта будут взяты ресурсы, тем в меньшей степени удастся продвинуться к идеалу.
Закон S-образного развития технических систем
Эволюцию множества систем можно изобразить S-образной кривой, показывающей, как меняются во времени темпы её развития. Выделяются три характерных этапа:
В качестве примера рассмотрим паровоз. Вначале был достаточно долгий экспериментальный этап с единичными несовершенными экземплярами, внедрение которых вдобавок сопровождалось сопротивлением общества. Затем последовало бурное развитие термодинамики, совершенствование паровых машин, железных дорог, сервиса — и паровоз получает публичное признание и инвестиции в дальнейшее развитие. Затем, несмотря на активное финансирование, произошёл выход на природные ограничения: предельный тепловой КПД, конфликт с окружающей средой, неспособность увеличивать мощность без увеличения массы — и, как следствие, в области начался технологический застой. И, наконец, произошло вытеснение паровозов более экономичными и мощными тепловозами, и электровозами. Паровой двигатель достиг своего идеала — и исчез. Его функции взяли на себя ДВС и электромоторы — тоже вначале несовершенные, затем бурно развивающиеся и, наконец, упирающиеся в развитии в свои природные пределы. Затем появится другая новая система — и так бесконечно.
Закон динамизации
Надёжность, стабильность и постоянство системы в динамичном окружении зависят от её способности изменяться. Развитие, а значит и жизнеспособность системы, определяется главным показателем: степенью динамизации, то есть способностью быть подвижной, гибкой, приспосабливаемой к внешней среде, меняющей не только свою геометрическую форму, но и форму движения своих частей, в первую очередь рабочего органа. Чем выше степень динамизации, тем, в общем случае, шире диапазон условий, при которых система сохраняет свою функцию. Например, чтобы заставить крыло самолёта эффективно работать в существенно разных режимах полёта (взлёт, крейсерский полёт, полёт на предельной скорости, посадка), его динамизируют путём добавления закрылков, предкрылков, интерцепторов, системы изменения стреловидности и проч.
Однако, для подсистем закон динамизации может нарушаться — иногда выгоднее искусственно уменьшить степень динамизации подсистемы, тем самым упростив её, а меньшую стойкость/приспособляемость компенсировать созданием стабильной искусственной среды вокруг неё, защищённой от внешних факторов. Но в итоге совокупная система (над-система) всё же получает большую степень динамизации. Например, вместо того, чтобы приспосабливать трансмиссию к загрязнению путём её динамизации (самоочистка, самосмазка, перебалансировка), можно поместить её в герметичный кожух, внутри которого создана среда, наиболее благоприятная для движущихся частей (прецизионные подшипники, масляный туман, подогрев и проч.)
Закон полноты частей системы
Любая техническая система, самостоятельно выполняющая какую-либо функцию, имеет четыре основные части — двигатель, трансмиссию, рабочий орган и средство управления. Если в системе отсутствует какая-либо из этих частей, то её функцию выполняет человек или окружающая среда.
Двигатель — элемент технической системы, являющийся преобразователем энергии, необходимой для выполнения требуемой функции. Источник энергии может находиться либо в системе (например, бензин в баке для двигателя внутреннего сгорания автомобиля), либо в надсистеме (электроэнергия из внешней сети для электродвигателя станка).
Трансмиссия — элемент, передающий энергию от двигателя к рабочему органу с преобразованием её качественных характеристик (параметров).
Рабочий орган — элемент, передающий энергию на обрабатываемый объект, и завершающий выполнение требуемой функции.
Средство управления — элемент, регулирующий поток энергии к частям технической системы и согласующий их работу во времени и пространстве.
Анализируя любую автономно работающую систему, будь то холодильник, часы, телевизор или авторучка, везде можно видеть эти четыре элемента.
Закон сквозного прохода энергии
Итак, любая работающая система состоит из четырёх основных частей и любая из этих частей является потребителем и преобразователем энергии. Но мало преобразовать, надо ещё без потерь передать эту энергию от двигателя к рабочему органу, а от него — на обрабатываемый объект. Это закон сквозного прохода энергии. Нарушение этого закона ведёт к возникновению противоречий внутри технической системы, что в свою очередь порождает изобретательские задачи.
Главным условием эффективности технической системы с точки зрения энергопроводимости является равенство способностей частей системы по принятию и передаче энергии.
Первое правило энергопроводимости системы
Если элементы при взаимодействии друг с другом образуют энергопроводящую систему с полезной функцией, то для повышения её работоспособности в местах контактирования должны быть вещества с близкими или одинаковыми уровнями развития.
Второе правило энергопроводимости системы
Если элементы системы при взаимодействии образуют энергопроводящую систему с вредной функцией, то для её разрушения в местах контактирования элементов должны быть вещества с различными или противоположными уровнями развития.
Третье правило энергопроводимости системы
Если элементы при взаимодействии друг с другом образуют энергопроводящую систему с вредной и полезной функцией, то в местах контактирования элементов должны быть вещества, уровень развития которых и физико-химические свойства изменяются под воздействием какого-либо управляемого вещества или поля.
Закон опережающего развития рабочего органа
В технической системе основной элемент — рабочий орган. И чтобы его функция была выполнена нормально, его способности по усвоению и пропусканию энергии должны быть не меньше, чем двигатель и трансмиссия. Иначе он или сломается, или станет неэффективным, переводя значительную часть энергии в бесполезное тепло. Поэтому желательно, чтобы рабочий орган опережал в своём развитии остальные части системы, то есть обладал большей степенью динамизации по веществу, энергии или организации.
Часто изобретатели совершают ошибку, упорно развивая трансмиссию, управление, но не рабочий орган. Такая техника, как правило, не даёт значительного прироста экономического эффекта и существенного повышения КПД.
Закон перехода «моно — би — поли»
Первый шаг — переход к бисистемам. Это повышает надежность системы. Кроме того, в бисистеме появляется новое качество, которое не было присуще моносистеме. Переход к полисистемам знаменует собой эволюционный этап развития, при котором приобретение новых качеств происходит только за счет количественных показателей. Расширенные организационные возможности расположения однотипных элементов в пространстве и времени позволяют полнее задействовать их возможности и ресурсы окружающей среды.
Но на каком-то этапе развития в полисистеме начинают появляться сбои. Упряжка из более чем двенадцати лошадей становится неуправляемой, самолет с двадцатью моторами требует многогократного увеличения экипажа и трудноуправляем. Возможности системы исчерпались. Что дальше? А дальше полисистема снова становится моносистемой… Но на качественно новом уровне. При этом новый уровень возникает только при условии повышения динамизации частей системы, в первую очередь рабочего органа.
Закон перехода с макро- на микроуровень
Переход с макро- на микроуровень — главная тенденция развития всех современных технических систем.
Для достижения высоких результатов задействуются возможности структуры вещества. Вначале используется кристаллическая решетка, затем ассоциации молекул, единичная молекула, часть молекулы, атом и, наконец, части атома.
ТЕХНИЧЕСКИХ СИСТЕМ
Лекции 15
ЗАКОНЫ СТРОЕНИЯ И РАЗВИТИЯ
ТЕХНИЧЕСКИХ СИСТЕМ
Профессор Лозенко В.К.
Здесь рассматриваются следующие основные вопросы:
· Основные инвариантные понятия теории совершенствования техники.
· Закономерности возникновения и развития потребностей.
· Законы строения технических систем.
· Законы и закономерности развития технических систем.
В разделе 7 МС ИСО 9000:2000 содержатся следующие рекомендации. «При проектировании и разработке продукции или процессов руководству необходимо обеспечить, чтобы организация не только была способна учитывать свою основную деятельность и свои функции, но и все факторы, содействующие тому, чтобы характеристики продукции и показатели процессов отвечали ожиданиям потребителей и других заинтересованных сторон. Например, организация должна принимать во внимание жизненный цикл продукции, охрану труда, возможность проведения испытаний, пригодность, простоту в использовании, надежность, долговечность, эргономику, внешнюю среду, утилизацию продукции, а также определенные риски». Весьма важным обстоятельством является тот факт, что «ожидания потребителя» «идут в ногу» с мировым прогрессом, который определяется законами техноэволюции, действующими объективно и независимо от воли конкретного человека или группы людей. Знание и использование законов техноэволюции необходимо организации для того, чтобы «скорее стремиться к улучшению результативности и эффективности процессов организации, чем ожидать появления проблемы» (раздел 8 МС ИСО 9000:2000). Если «не держать руку на пульсе техноэволюции», то проблемы появятся обязательно.
Законы строения и закономерности развития техники отражают и определяют для отдельных классов технических систем (ТС) и фиксированных моментов времени (или в зависимости от исторического времени) объективно существующие устойчивые, детерминировано или статистически повторяющиеся (при наличии определенных условий) существенные закономерные связи и отношения между потребностями (функциями ТС), критериями эффективности, признаками структуры и внешними факторами.
Различие между законами и закономерностями техники условное и нечеткое. Законы, по сравнению с закономерностями, отражают наиболее важные и фундаментальные связи и отношения, которые проявляются в любой ТС или в очень широком классе разнообразных по функциям и структуре технических объектов. Рассматриваемые закономерности строения и развития ТС разделим на группы:
1) закономерности строения ТС, которые для фиксированного момента времени отражают связи и отношения между основными признаками ТС;
2) закономерности функционирования ТС, которые для времени в рамках рабочих циклов ТС отражают связи и отношения на уровне потоковых, функциональных и реализующих их физических процессов;
3) закономерности развития ТС, в которых отражаются изменения функций, структуры (внутренних факторов), критериев эффективности и внешних факторов в зависимости от исторического времени.
Процесс совершенствования техники, как самостоятельный технологический процесс, существует более двух веков, однако, общая теория создания и проектирования новых изделий не была разработана. Такая теория не возникла, по-видимому, потому, что человечество устраивала сложившаяся в ХVII-ХVIII веках эмпирическая технология разработки и проектирования отдельных классов машин и других сложных технических объектов, применительно к которым разработаны были также и частные теоретические построения.
Первое направление связано с созданием и применением, начиная с 40-х годов эвристических методов технического творчества (мозговая атака, сенектика, морфологический анализ и синтез, методы эвристических приемов типа АРИЗ (алгоритм решения изобретательских задач) Г.С. Альтшуллера, библиотек эвристики, физических эффектов, функционально-стоимостной анализ и др.).
Второе направление обусловлено созданием, начиная с 70-х годов, компьютерных средств поддержки инженерного творчества (системы математического моделирования новых технических решений, синтез новых принципов действия с помощью банков данных по физическим эффектам и др.).
Эта дисциплина находится в стадии становления. В завершенном виде она будет иметь до десятка крупных составных частей, которые не будем сейчас прогнозировать. Однако сегодня она уже имеет системно увязанные заделы по четырем частям:
· система инвариантных понятий;
· законы строения и закономерности развития ТС;
· методология системного иерархического выбора конкурентоспособных решений;
· методы принятия конструкторско-технологических решений.
В этой лекции будет завершено описание первой части этой дисциплины (инвариантные понятия, ЛК 2 и 4) и рассмотрена ее вторая часть (законы строения и закономерности развития ТС).
Завершая вводную часть, хотелось бы обратить внимание уважаемых читателей на то, что предложенный вашему вниманию материал лекций 6,8,10 и 12, по существу, является основой нового подхода к формированию маркетинговой стратегии предприятия, которую можно назвать “стратегией упреждающего маркетинга”. По моему мнению, прелагаемая стратегия в совокупности с уже известными стратегиями “сбытового маркетинга” и “бенчмаркинга” наиболее полно описывает этот важный этап современного бизнеса. С точки зрения лидерства на рынке, иерархия этих стратегий имеет вид (в порядке возрастания их важности):
1. Стратегия сбытового маркетинга.
2. Стратегия бенчмаркинга.
3. Стратегия упреждающего маркетинга.
1. Основные инвариантные понятия теории совершенствования техники
В предыдущих лекциях [9] были рассмотрены физические, биологические и технические системы, а также негативные результаты техноэволюции. Дано обобщенное представление технического объекта или технической системы, описаны технические функции, реализуемые ТС, и удовлетворяемые потребности, а также сформулированы требования к выбору и описанию критериев развития технических систем. Подробно рассмотрены показатели качества, характеризующие развитие и возможность выживания ТС в конкурентной среде техноценоза, технологические критерии, связанные с возможностью изготовления технической системы, показатели качества ТС, оказывающие влияние на неживую природу и показатели качества, характеризующие влияние ТС на живую природу и человека. Было показано, что в техноценозах действуют объективные, в целом, слабо зависящие от человека, законы развития и борьбы, аналогичные законам, которые действуют в биологических системах.
1.1. Структура (внутренние факторы) технической системы и уровни её описания
Структура ТС обычно имеет четыре уровня описания, иерархическая подчиненность которых следующая:
1) описание функциональной структуры;
2) описание принципа действия;
3) описание технического решения;
4) описание значений параметров.
Иерархическая соподчиненность характеризуется двумя свойствами:
· каждое последующее описание включает в себя предыдущее;
· каждый последующий уровень описания является более детальным и более полно характеризует ТС по сравнению с предыдущим.
Эти свойства схематично изображены на рис.1. Все рисунки к лекции представлены в файле «Рисунки к законам развития».
· Конструктивная ФС, у которой ребра представлены только функциями элементов, описанными формулой (1) [9].
· Потоковая ФC, у которой ребра представлена только потоками вещества, энергии или информации и операциями по их превращению (преобразованию) в соответствии с формулой (2) [9].
· Совмещенная ФС, у которой ребра могут быть представлены функциями и потоками, описанными формулами (1) и (2) [9], соответственно.
ФС может описывать конкретную ТС или достаточно широкий класс функционально близких ТС, для которых можно построить обобщенную функциональную структуру.
Принцип действия (ПД) дает описание ТС на физическом уровне и указывает, с помощью каких физических эффектов и явлений реализуются функции и подфункции в ФС. Принцип действия тоже представляет собой ориентированный граф, который строится на основе потоков ФС, где для операций преобразования потоков вещества, энергии и информации указывают реализующие их физические эффекты.
Именно на этом этапе происходит разделение технических специалистов на электротехников и гидравликов, на энергетиков и металлургов и т.д. Именно с этого, уже однозначно решенного для себя этапа, начинают процесс проектирования новой ТС практически все “узкие” специалисты. В подавляющем большинстве случаев “узкий” специалист не ставит себе задачу на уровне функциональной структуры
ТС. Обычно, задача ставится так: “разработать электромеханический модуль для привода платформы, совершающей возвратно-поступательное перемещение”. Структура ТС при такой постановке задачи описана уже на уровне принципа действия («Электромеханическое преобразование энергии») и исключает из рассмотрения другие возможные варианты решения задачи, например, с использованием гидропривода, двигателя внутреннего сгорания и т.д.
В ряде случаев, использование иного принципа действия позволяет создать более эффективную (по совокупности показателей качества) ТС.
Правило № 1. Если описание структуры ТС задано на уровне принципа действия, то проектировщик обязан построить ФС для данной ТС, провести сравнительный анализ возможных ТС, построенных с использованием различных принципов действия, и обоснованно выбрать лучший вариант. Если решение такой задачи не под силу “узкому” специалисту, то он должен получить от Заказчика необходимые доказательства эффективности выбранного направления.
Техническое решение (ТР)представляет собой конструктивное оформление ФС и ПД. Описание ТР обычно дается в виде перечня элементов, их взаимосвязей и взаимного расположения, способов соединения между элементами и последовательности их взаимодействия, особенностей конструктивного исполнения элементов по форме, материалу, соотношений важнейших параметров и т.п. Поскольку каждый элемент ТС может быть разделен на свои элементы и указанным образом описан, то ТР технической системы может быть описано с любой степенью детализации. Описание ТР по уровню и характеру соответствует описанию патентов. Таким образом, ТР представляет собой безразмерное описание ТС, которая может иметь самые различные значения размерных и физических параметров.
К великому сожалению, до сих пор подавляющее число технических вузов России считает своей главной задачей научить будущих специалистов именно этому навыку (описание параметров). Это понятно. “Узкий” специалист (преподаватель) хорошо и комфортно чувствует себя в своей области. Он не хочет выходить за ее рамки. Весь парадокс сложившейся ситуации заключается в том, что, если для любой ТС заданы функциональная структура, принцип действия и техническое решение, то оптимизация ТС на уровне параметров не дает больше 10-15% по главным критериям эффективности. Сейчас эти работы, в основной своей массе, формализованы. Разработаны и активно используются на ПК самые различные программы расчета, проектирования и конструирования конкретных ТС. От разработчика, по существу, не требуется особой изобретательности и творчества. Этот вид деятельности постепенно переходит в разряд рутинных работ. Развитие ПК заставит разработчиков (в конкурентной борьбе с ПК) переквалифицироваться у постепенно переходить на более сложные, более творческие этапы деятельности (разработка технических решений – изобретений, обоснованный выбор принципа действия, функциональной структуры и, самое главное и трудное, генерация новых потребностей). Невероятно высокие темпы развития ПК в направлении их интеллектуализации, к сожалению, не осознаются у нас ни на одном достаточно высоком государственном уровне. Будем надеяться на рынок. Скорее всего, он заставит.
1.2. Внешние факторы
К внешним факторам (вынужденным внешним воздействиям) относятся явления и воздействия внешней среды, которая влияет на строение, функционирование и развитие ТС. При проектировании новой техники внешние факторы оказывают существенное влияние на структуру и критерии эффективности ТС. Чаще всего действуют следующие факторы:
· Природные: географическое положение, климатические, гидрологические, почвенно-грунтовые условия, биологическая среда, запасы сырьевых и энергетических ресурсов и др.
· Научно-технический уровень: наличие знаний фундаментальных наук, технический уровень мировой техники и ТС, с которыми взаимодействует ТС, имеющиеся технологические возможности и др.
· Искусственные потоки вещества, энергии и информации, с которыми проектируемая ТС находится в функциональном или вынужденном взаимодействии. В частности, ТС, работающие в зонах сильного радиоактивного излучения, существенно отличаются от ТC, работающих в нормальных условиях.
· Личностные: уровень общей культуры, нравственности, образа жизни, образования и подготовки людей, занимающихся созданием, производством и эксплуатацией новой техники.
· Социально-экономические и политические действующие экономические отношения, наличие неудовлетворенных потребностей, социально-экономическая целесообразность реализации потребностей, наступление энергетического кризиса, действующая политика экспорта-импорта, завоевание рынка по определенной продукции и др.
Каждый класс ТС для каждого момента исторического времени имеет достаточно четкий состав внешних факторов.
1.3. Список требований
Наряду с критериями эффективности, которые подробно рассмотрены в [9], каждая проектируемая ТС имеет список внешних и внутренних требований (условий и ограничений), выполнение которых обеспечивает реализацию необходимых потребительских качеств. К таким требованиям относятся, например, условия прочности элементов, соблюдение нормативных температурных режимов, функциональная и конструктивная совместимость, стыковка элементов одной ТС с другими, защита от агрессивной химической внешней среды и т.д.
По отношению к каждой ТС существует понятие необходимого и достаточного списка требований. Невыполнение любого требования из этого списка ухудшает хотя бы одно из потребительских качеств или ТС становятся неработоспособными. Для различных уровней задач выбора проектно-конструкторских решений существует свой необходимый и достаточный список требований.
Правило 2. Искусство и мастерство проектирования новой техники, в первую очередь, заключается в умении составить необходимый и достаточный список требований, в котором значения отдельных требований были 6ы конкурентоспособными и технически реализуемы.
Что понимается под развитием технических систем
Законы развития технических систем можно разделить на три группы: «статику», «кинематику» и «динамику».
Начнем со «СТАТИКИ» — законов, которые определяют начало жизни технических систем.
Любая техническая система возникает в результате синтеза в единое целое отдельных частей. Не всякое объединение частей дает жизнеспособную систему. Существуют по крайней мере три закона, выполнение которых необходимо для того, чтобы система оказалась жизнеспособной.
Необходимым условием принципиальной жизнеспособности технической системы является наличие и минимальная работоспособность основных частей системы.
Каждая техническая система должна включать четыре основные части: двигатель, трансмиссию, рабочий орган и орган управления. Смысл закона 1 заключается в том, что для синтеза технической системы необходимо наличие этих четырех частей и их минимальная пригодность к выполнению функций системы, ибо сама по себе работоспособная часть системы может оказаться неработоспособной в составе той или иной технической системы. Например, двигатель внутреннего сгорания, сам по себе работоспособный, оказывается неработоспособным, если его использовать в качестве подводного двигателя подводной лодки.
Закон 1 можно пояснить так: техническая система жизнеспособна в том случае, если все ее части не имеют «двоек», причем «оценки» ставятся по качеству работы данной части в составе системы. Если хотя бы одна из частей оценена «двойкой», система нежизнеспособна даже при наличии «пятерок» у других частей. Аналогичный закон применительно к биологическим системам был сформулирован Либихом еще в середине прошлого века («закон минимума»).
Из закона 1 вытекает очень важное для практики следствие.
Чтобы техническая система была управляемой, необходимо, чтобы хотя бы одна ее часть была управляемой.
«Быть управляемой» — значит менять свойства так, как это надо тому, кто управляет.
Знание этого следствия позволяет лучше понимать суть многих задач и правильнее оценивать полученные решения. Возьмем, например, задачу 37 (запайка ампул). Дана система из двух неуправляемых частей: ампулы вообще неуправляемы — их характеристики нельзя (невыгодно) менять, а горелки плохо управляемы по условиям задачи. Ясно, что решение задачи будет состоять во введении в систему еще одной части (вепольный анализ сразу подсказывает: это вещество, а не поле, как, например, в задаче 34 об окраске цилиндров). Какое вещество (газ, жидкость, твердое тело) не пустит огонь туда, куда он не должен пройти, и при этом не будет мешать установке ампул? Газ и твердое тело отпадают, остается жидкость, вода. Поставим ампулы в воду так, чтобы над водой поднимались только кончики капилляров (а.с. № 264 619). Система приобретает управляемость: можно менять уровень воды — это обеспечит изменение границы между горячей и холодной зонами. Можно менять температуру воды — это гарантирует устойчивость системы в процессе работы.
Необходимым условием принципиальной жизнеспособности технической системы является сквозной проход энергии по всем частям системы.
Любая техническая система является преобразователем энергии. Отсюда очевидная необходимость передачи энергии от двигателя через трансмиссию к рабочему органу.
Передача энергии от одной части системы к другой может быть вещественной (например, вал, шестерни, рычаги и т.д.), полевой (например, магнитное поле) и вещественно-полевой (например, передача энергии потоком заряженных частиц). Многие изобретательские задачи сводятся к подбору того или иного вида передачи, наиболее эффективного в заданных условиях. Такова задача 53 о нагреве вещества внутри вращающейся центрифуги. Вне центрифуги энергия есть. Имеется и «потребитель», он находится внутри центрифуги. Суть задачи — в создании «энергетического моста». Такого рода «мосты» могут быть однородными и неоднородными. Если вид энергии меняется при переходе от одной части системы к другой — это неоднородный «мост». В изобретательских задачах чаще всего приходится иметь дело именно с такими мостами. Так, в задаче 53 о нагреве вещества в центрифуге выгодно иметь электромагнитную энергию (ее передача не мешает вращению центрифуги), а внутри центрифуги нужна энергия тепловая. Особое значение имеют эффекты и явления, позволяющие управлять энергией на выходе из одной части системы или на входе в другую ее часть. В задаче 53 нагрев может быть обеспечен, если центрифуга находится в магнитном поле, а внутри центрифуги размещен, например, диск из ферромагнетика. Однако по условиям задачи требуется не просто нагревать вещество внутри центрифуги, а поддерживать постоянную температуру около 2500 С. Как бы ни менялся отбор энергии, температура диска должна быть постоянной. Это обеспечивается подачей «избыточного» поля, из которого диск отбирает энергию, достаточную для нагрева до 2500 С, после чего вещество диска «самоотключается» (переход через точку Кюри). При понижении температуры происходит «самовключение» диска.
Важное значение имеет следствие из закона 2..
Чтобы часть технической системы была управляемой, необходимо обеспечить энергетическую проводимость между этой частью и органами управления.
В задачах на измерение и обнаружение можно говорить об информационной проводимости, но она часто сводится к энергетической, только слабой. Примером может служить решение задачи 8 об измерении диаметра шлифовального круга, работающего внутри цилиндра. Решение задачи облегчается, если рассматривать не информационную, а энергетическую проводимость. Тогда для решения задачи нужно прежде всего ответить на два вопроса: в каком виде проще всего подвести энергию к кругу и в каком виде проще всего вывести энергию сквозь стенки круга (или по валу)? Ответ очевиден: в виде электрического тока. Это еще не окончательное решение, но уже сделан шаг к правильному ответу.
Необходимым условием принципиальной жизнеспособности технической системы является согласование ритмики (частоты колебаний, периодичности) всех частей системы.
Примеры к этому закону приведены в гл.1..
К «КИНЕМАТИКЕ» относятся законы, определяющие развитие технических систем, независимо от конкретных технических и физических факторов, обусловливающих это развитие.
Развитие всех систем идет в направлении увеличения степени идеальности.
Идеальная техническая система — это система, вес, объем и площадь которой стремятся к нулю, хотя ее способность выполнять работу при этом не уменьшается. Иначе говоря, идеальная система — это когда системы нет, а функция ее сохраняется и выполняется.
Несмотря на очевидность понятия «идеальная техническая система», существует определенный парадокс: реальные системы становятся все более крупноразмерными и тяжелыми. Увеличиваются размеры и вес самолетов, танкеров, автомобилей и т.д. Парадокс этот объясняется тем, что высвобожденные при совершенствовании системы резервы направляются на увеличение ее размеров и, главное, повышение рабочих параметров. Первые автомобили имели скорость км/ч. Если бы эта скорость не увеличивалась, постепенно появились бы автомобили, намного более легкие и компактные с той же прочностью и комфортабельностью. Однако каждое усовершенствование в автомобиле (использование более прочных материалов, повышение к.п.д. двигателя и т.д.) направлялось на увеличение скорости автомобиля и того, что «обслуживает» эту скорость (мощная тормозная система, прочный кузов, усиленная амортизация). Чтобы наглядно увидеть возрастание степени идеальности автомобиля, надо сравнить современный автомобиль со старым рекордным автомобилем, имевшим ту же скорость (на той же дистанции).
Видимый вторичный процесс (рост скорости, мощностей, тоннажа и т.д.) маскирует первичный процесс увеличения степени идеальности технической системы. Но при решении изобретательских задач необходимо ориентироваться именно на увеличение степени идеальности — это надежный критерий для корректировки задачи и оценки полученного ответа.
Развитие частей системы идет неравномерно; чем сложнее система, тем неравномернее развитие ее частей.
Неравномерность развития частей системы является причиной возникновения технических и физических противоречий и, следовательно, изобретательских задач. Например, когда начался быстрый рост тоннажа грузовых судов, мощность двигателей быстро увеличилась, а средства торможения остались без изменения. В результате возникла задача: как тормозить, скажем, танкер водоизмещением 200 тыс. тонн. Задача эта до сих пор не имеет эффективного решения: от начала торможения до полной остановки крупные корабли успевают пройти несколько миль…
Исчерпав возможности развития, система включается в надсистему в качестве одной из частей; при этом дальнейшее развитие идет на уровне надсистемы.
Об этом законе мы уже говорили.
Она включает законы, отражающие развитие современных технических систем под действием конкретных технических и физических факторов. Законы «статики» и «кинематики» универсальны — они справедливы во все времена и не только применительно к техническим системам, но и к любым системам вообще (биологическим и т.д.). «Динамика» отражает главные тенденции развития технических систем именно в наше время.
Развитие рабочих органов системы идет сначала на а затем на микроуровне.
В большинстве современных технических систем рабочими органами являются «железки», например винты самолета, колеса автомобиля, резцы токарного станка, ковш экскаватора и т.д. Возможно развитие таких рабочих органов в пределах макроуровня: «железки» остаются «железками», но становятся более совершенными. Однако неизбежно наступает момент, когда дальнейшее развитие на макроуровне оказывается невозможным. Система, сохраняя свою функцию, принципиально перестраивается: ее рабочий орган начинает действовать на микроуровне. Вместо «железок» работа осуществляется молекулами, атомами, ионами, электронами и т.д.
Переход с на микроуровень — одна из главных (если не самая главная) тенденций развития современных технических систем. Поэтому при обучении решению изобретательских задач особое внимание приходится обращать на рассмотрение перехода «макро-микро» и физических эффектов, реализующих этот переход.
Развитие технических систем идет в направлении увеличения степени вепольности.
Смысл этого закона заключается в том, что невепольные системы стремятся стать вепольными, а в вепольных системах развитие идет в направлении перехода от механических полей к электромагнитным; увеличения степени дисперсности веществ, числа связей между элементами и отзывчивости системы.
Многочисленные примеры, иллюстрирующие этот закон, уже встречались при решении задач.