Образование для новой эры. Основные принципы триз - теория решения изобретательских задач. Проверьте свои знания

Противоречия в нашей жизни

Зачем разрешать противоречия?

Ранее мы говорили о том, что если не мешать процессу развиваться, то он обязательно когда-то и чем-то, но кончится. Если вовремя не вмешаться в процесс, то он кончится "как всегда", то есть плохо.

Помните знаменитое - "Следите, чтобы молоко не убежало", так и с противоречиями, если их вовремя не разрешить, то "молоко убежит", противоречие перерастет в серьезное разногласие, в спор, в конфликт, в войну.

Если вдуматься, то из основных положений диалектики о том, что всё находится в развитии и источником развития является противоречие, вытекает, что мы живем всегда в предконфликтной ситуации. Внешне все выглядит благополучно и спокойно, но мы то знаем, что у кого-то появляются новые потребности и желания, накапливаются противоречия и недовольство. Как-то генерал Лебедь (умеющий воевать!) сказал: "Воюют только дураки". Вы скажете: "А если вынудили?". А я скажу: "А почему вы допустили такую ситуацию, что вас вынудили? Почему вы плохо думали и прогнозировали?" Война - это следствие безнравственности власть имущих. Слава Богу, войны тоже всегда заканчиваются. Но лучше не допустить, чем потом исправлять. (Проблему "Не допустить" решают много наук, в частности, кибернетика - наука об управлении и прогностика - наука о разработке прогнозов).

Итак: разрешил противоречие хорошо и вовремя - мир, не разрешил - война. Вот почему ТРИЗ, обучающая разрешать противоречия, мироносная теория.

Интересный вопрос: Можно ли противоречия разрешить на всю жизнь? В некоторых случаях можно, если процесс длится дольше, чем жизнь. Например, жилищную проблему, если дом большой и новый; денежную, если рента большая и надежная; семейную, если супруги полюбили друг друга на всю жизнь.

Зачем формулировать противоречия?

Если понятие противоречия нельзя отнести к простым, то и процесс формулирования противоречий не прост. Но если есть ясное понимание того, что формулирование противоречий помогает решать задачи, то морально легче выполнять эту операцию.

Отметим, что формулирование противоречий - это творческий процесс.

Итак, формулировать противоречие надо по следующим причинам:

1. Чтобы правильно понять задачу. Чем точнее будет сформулировано противоречие, тем точнее будет и решение задачи.

2. Сформулировав противоречие, мы превращаем часто аморфно поставленную проблему в точно сформулированную задачу, и получаем тем самым возможность использовать мощный "решательный" аппарат ТРИЗ для разрешения противоречий.

При формулировании противоречий вскрываются важные причинно-следственные связи, осуществляется точный анализ ситуации.

3. Формулирование противоречия - это уже начало решения задачи. В процессе формулирования противоречий могут родиться хорошие идеи и решения, бывает, и окончательные. Дальше и решать не надо!

Тризовцы заметили два таких замечательных факта:

При бесконечном разнообразии изобретательских задач число противоречий, лежащих в их основе, сравнительно не велико;

Одинаковые противоречия можно разрешать одинаковыми приёмами и способами.

4. При формулировании противоречий для сложных задач может выявиться несколько самостоятельных противоречий. Это значит, что задача оказалась многозначной, то есть состоящей из нескольких задач. Тогда противоречия ранжируются и разрешаются последовательно, начиная, например, с самого существенного и другие могут оказаться решенными автоматически.

5. Формулирование противоречий хорошо развивает одну из составляющих "ТРИЗовского" мышления - мышление противоречиями. Чтобы освоить этот вид мышления, надо "на первых порах" заставлять себя для всех задач (простых и сложных) формулировать противоречия, потом это будет делаться само собой и такой вид мышления станет привычным. Как говорят, "уйдет в подкорку".

ТРИЗ учит решать изобретательские задачи. Известные - с помощью Информационного фонда , неизвестные - с помощью АРИЗ. Алгоритм решения изобретательских задач (АРИЗ) является, пожалуй, самым популярным и действенным элементом (и инструментом) теории Альтшуллера. Алгоритмы представляют собой подробное и достаточно трудоемкое описание последовательности изобретательского процесса, которое может взять на вооружение каждый человек, чья деятельность связана с творчеством. Но при этом стоит отметить, что важно не только знание, но и понимание алгоритмов, а также практика работы с ними. Автор методики писал: «АРИЗ - инструмент для мышления, а не вместо мышления».

Поскольку АРИЗ занимает важное место в теории изобретательских задач, в этом уроке мы попробуем дать ответ на вопрос: какие алгоритмы ТРИЗ используются для поиска наиболее подходящих решений и как с ними эффективно работать?

Что такое АРИЗ?

Алгоритмом Г. С. Альтшуллер назвал свою методику в широком, а не узком, математическом смысле. Алгоритм решения изобретательских задач не требовал жесткой точности, как, например, алгоритм извлечения квадратного корня из целого положительного числа. Он отличался гибкостью: разные задачи могли решаться разными путями, зависящими не только от условий задачи, но и от знаний, опыта и способностей самого изобретателя.

АРИЗ - это комплексная программа алгоритмического типа, основанная на законах развития технических систем и предназначенная для анализа и решения изобретательских задач.

Это своеобразная пошаговая инструкция, в которой можно выделить 3 части (по книге В. Петрова «Алгоритм решения изобретательских задач»):

1. Программа АРИЗ - последовательность операций по выявлению и разрешению противоречий, анализу исходной ситуации и выбору задачи для решения, синтезу решения, анализу полученных решений и выбору наилучшего из них, накоплению наилучших решений и обобщению этих материалов для улучшения способа решения других задач. Структура программы и правила ее выполнения базируются на законах и закономерностях развития техники.
2. Информационное обеспечение , включает в себя систему стандартов на решение изобретательских задач; технологические эффекты (физические, химические, биологические, математические, в частности, наиболее разработанных из них в настоящее время - геометрические); приемы устранения противоречий; способы применения ресурсов природы и техники.
3. Методы управления психологическими факторами, ведь программа АРИЗ предназначена для использования человеком. Помимо преодоления психологической инерции, технология позволяет развивать творческое воображение необходимое для решения сложных изобретательских задач.

Основные понятия АРИЗ

Категориальный аппарат АРИЗ достаточно прост и базируется на двух основных понятиях: противоречиях и идеальном конечном результате. Рассмотрим их детально и проиллюстрируем примерами.

Противоречия. Противоречие - взаимодействие противоположных, взаимоисключающих сторон и тенденций, предметов и явлений, которые вместе с тем находятся во внутреннем единстве. В случае с ТРИЗ и АРИЗ решение проблемы строится на последовательности по выявлению и разрешению противоречий, устранению их причин. АРИЗ апеллирует к трем видам противоречий, благодаря которым выявляются причинно-следственные связи. Их определение необходимо для понимания сути решения задачи, поэтому рассмотрим их детальнее.

Поверхностное противоречие (ПП) - противоречие между потребностью и возможностью ее удовлетворения. Классическая теория Г. С. Альтшуллера называет это противоречие административным (АП), поскольку оно часто формулируется администрацией или заказчиком и содержит отсылку к проблеме: «Надо увеличить скорость работы, но неизвестно как» или «Имеется брак в производстве, его нужно устранить, но неясно как это сделать» и т.д. Поверхностное противоречие (ПП) сопряжено либо с устранением нежелательного эффекта (НЭ) - того, что нас не устраивает в технической системе, либо с необходимостью создания чего-то нового, но еще непонятно как. Пример: снимая горячую кастрюлю с плиты, можно обжечься. Как устранить этот недостаток?

Углубленное противоречие (УП) - это противоречие между определенными частями, качествами или параметрами системы. УП возникает при улучшении одних частей (качеств или параметров) системы с учетом недопустимости ухудшения других, когда полезное действие, вызывает одновременно и вредное. Обычно приходится искать компромисс, то есть чем-то жертвовать ради решения (скоростью работы, габаритами и т. д.). Таким образом, углубленное противоречие представляет собой причину возникновения поверхностного противоречия, усиливая его. Г. С. Альтшуллер, указывая, что для решения задачи нужно изменить технические характеристики объекта, называл это противоречие техническим (ТП). Пример: кастрюля должна нагреваться, ведь только так возможно приготовление еды. Это вступает в противоречие с потребностью снимать кастрюлю руками.

Обостренное противоречие (ОП) - предъявление диаметрально противоположных свойств (например, физических) к определенной части технической системы. Оно необходимо для определения причин, породивших углубленное противоречие, другими словами, является дальнейшим его углублением. Порой это нужно для выявления первопричины. Для многих незнакомых с АРИЗ такая формулировка звучит непривычно, ведь ОП подразумевает, что часть ТС должна находиться сразу в двух взаимоисключающих состояниях: быть холодной и горячей, подвижной и неподвижной и т.д. Изучение причин, породивших углубленное (техническое) противоречие приводит к необходимости выявления противоречивых физических свойств системы, поэтому Г. С. Альтшуллер назвал его физическим противоречием (ФП). Пример: кастрюля должна быть горячей, чтобы готовить в ней еду, и холодной, чтобы снимать ее руками. Но достаточно, чтоб горячим было только дно и стенки. А вот ручки можно сделать из теплоизоляционного материала. Так мы приходим к решению.

Идеальный конечный результат (ИКР) - решение, которое мы хотели бы видеть в своих самых смелых мечтах, когда возможно абсолютно все. ИКР - идеальная система, КПД которой равен 100%. Альтшуллер предположил, что самое эффективное решение проблемы - такое, которое достигается «само по себе», только за счет уже имеющихся ресурсов. Он определял идеальный конечный результат (ИКР) как ситуацию когда: «Некий элемент (X-элемент) системы или окружающей среды сам устраняет вредное воздействие, сохраняя способность выполнять полезное».

• Идеальная техническая система - это система, которой нет, а ее функции выполняются, другими словами, цели достигаются без средств. Мы приводили пример такой ТС, описывая закон увеличения степени идеальности системы.
• Идеальное вещество - вещества нет, а функции его (прочность, непроницаемость и т.д.) остаются. Этим объясняется современная тенденция использовать все более легкие и более прочные материалы.
• Идеальная форма - обеспечивает максимум полезного эффекта, например, прочность при минимуме используемого материала.
• Идеальный процесс - получение результатов без процесса, то есть мгновенно. Сокращение процесса изготовления изделий - цель любой прогрессивной технологии.

Таким образом, суть АРИЗ заключается в том, чтобы на основе сопоставления идеального и реального состояния ТС выявить противоречие и устранить его. Именно для этого важно, чтобы у изобретателя было развито ассоциативное мышление, которое можно тренировать в том числе и при помощи нашей игры "Цепочки ассоциаций".

Цепочки ассоциаций

Эта игра направлена на развитие ассоциативного мышления.

Сначала вам будет предложено закончить десять цепочек из 3 слов своей ассоциацией. Постарайтесь придумать такую ассоциацию, которая очень хорошо связана именно с предложенными словами, но никакими другими.

После заполнения цепочек вам нужно найти лишние элементы в построенных ранее цепочках. Нажмите «Старт» для начала игры.

Составляющие АРИЗ

Алгоритм решения изобретательских задач состоит из нескольких элементов. Здесь дан упрощенный вариант АРИЗ.

Этап 1. ТИП ЗАДАЧИ

Вначале нужно определить к какому типу задач относится наша: она исследовательская или изобретательская? Исследовательская задача требует описания нового явления, неизвестного ранее и непонятного. Изобретательская же имеет дело с известным нам явлением, которое нужно изменить или устранить. Очевидно, что такие задачи решаются проще, поэтому нужно уметь переводить исследовательскую задачу в изобретательскую. Чтобы сделать это, нужно к условию задачи поставить вместо вопроса «почему (как) это происходит?» вопрос: «как это делать?» Для этого записать формулировку обращенной задачи по схеме: «Система (указать назначение) включает (перечислить входящие в систему элементы). Необходимо при заданных условиях (указать) обеспечить получение (указать наблюдаемое явление)».

Этап 2. ПРОТИВОРЕЧИЯ И ИКР

На данном этапе нужно сформулировать противоречия и идеальный конечный результат. Бывают случаи, когда четкое определение этих двух составляющих уже наталкивает на приемлемый результат. Например, задача: как поступить гостинице, чтоб гости не крали вещи? Противоречие - кражу допустить нельзя, но и следить за вещами и проверять багаж съезжающих невозможно. ИКР - даже в случае кражи гостиница не должна нести убытков. Решается все просто - стоимость вещей в номере изначально включается в стоимость проживания.

Этап 3. РЕСУРСЫ

Ресурсами может быть все, что полезно для нахождения решения. Желательно, чтобы для этого использовались те ресурсы, которые уже присутствуют в проблемной ситуации, а также максимально дешевые ресурсы. Например, если грузовик буквально на сантиметр выше моста или дорожного перекрытия, разумнее спустить немного колеса и проехать, а не искать объездной путь.

Благодаря работе в направлении поиска полезных ресурсов созданы специальные справочники для ТРИЗ.

Этап 4. РЕШЕНИЕ

Применить приемы и принципы, созданные для поиска решений в ТРИЗ:

• 40 приемов устранения технических противоречий, сформулированные Г. С. Альтшуллером. Подробнее о них читайте в уроке, посвященном Информационному фонду ТРИЗ .
• Операторы РВС (Р - размер, В - время, С - стоимость). Суть метода в том, что при применении оператора РВС снижается психологическая инерция мышления. Достигается это благодаря мысленному изменению параметров объекта, что позволяет взглянуть на него под другим углом.

Этап 5. АНАЛИЗ

Получив один или несколько вариантов решения задачи, нужно проанализировать их с позиции идеальности. Для этого нужно выяснить насколько сложно и дорого обойдется его реализация, задействованы ли все ресурсы системы, какие нежелательные эффекты возникли, как их минимизировать или устранить.

Схематичное представление АРИЗ

АРИЗ требует точной формулировки задачи, когда выявлены ПП, УП, ИКР, ОП согласно изображенной цепочке.

ПП → УП → ИКР → ОП → Р

С этими понятиями мы уже знакомились, когда говорили о терминологии, поэтому здесь лишь коротко объясним связь между ними для большей наглядности схемы.

В первую очередь формулируется поверхностное противоречие (ПП), которое логично выделяется из условия задачи. О нем, как правило, говорит сам заказчик. Зачастую ПП - это нежелательный эффект, который нужно устранить, предъявив к системе определенные требования. Так определяют углубленное противоречие (УП).

Дальше ТС представляется такой, какой она должна быть в результате устранения нежелательного эффекта - избавившейся от негативного фактора и сохранившей положительные качества. Таким образом формулируется ИКР. Когда разработана концепция идеального результата, он сравнивается с текущим состоянием системы, на основании чего ищутся причины ее несовершенства Эти причины и составляют ОП - обостренное противоречие, выявление и устранение которых приводит к решению проблемы.

Последовательность, описанная выше, характерна для основных модификаций АРИЗ. За время своего существования алгоритм развивался и продолжает развиваться в направлении формализации и детализации описанной последовательности.

Г. С. Альтшуллер в книге «Алгоритм изобретения» писал, что постоянно совершенствовал свой алгоритм, проведя за этой работой 25 лет. Каждую модификацию он проверял на практике, после чего корректировал АРИЗ. Но это не значит, что все предыдущие варианты, вплоть до последнего, не были рабочими. В свое время они успешно применялись изобретателями, а дальнейшие модификации учитывали все возрастающий опыт решения разнообразных задач, что поступательно делало АРИЗ более универсальным.

Ниже схематически представлены основные, но не все, модификации АРИЗ. Более детальное их описание и полный перечень можно найти в статье «История развития АРИЗ» в Викиучебнике.

Обозначения:

• АП - административное противоречие.
• ТП - техническое противоречие.
• ТПу - усиленное техническое противоречие (предельное состояние).
• ИКР - идеальный конечный результат.
• ИКР1у - усиленная формулировка ИКР1.
• ФП - физическое противоречие.
• ФПмак - физическое противоречие на макроуровне.
• ФПмик - физическое противоречие на микроуровне.
• Р - решение

Этапы и примеры решения задач по АРИЗ-85-В

В процессе совершенствования, АРИЗ адаптировался под степень сложности задачи. Самые простые задачи решались с помощью основной цепочки АРИЗ (АП - ТП - ИКР - ФП - Р). Ее, к слову, некоторые современные последователи ТРИЗ считают наиболее удачной и понятной. Но более сложные задачи требовали и более подробного алгоритма для своего решения. АРИЗ-85-В, как последняя модификация, схематически представленный выше, отвечал данной задаче - он довольно детальный, хотя, по мнению отдельных теоретиков ТРИЗ, это также делает его громоздким.

АРИЗ-85-В достаточно сложный инструмент, поэтому не рекомендуется его применять без предварительного изучения основ ТРИЗ и основательной проработки видов противоречий, основной линии решения задач по АРИЗ и логики АРИЗ.

Все модификации АРИЗ имеют свои недостатки, на которые указывают и пытаются решить практики ТРИЗ. Например, конкретно в случае с АРИЗ-85-В части 6-8 недостаточно развиты и структурированы. Также имеется разрыв в логике с включением 4 части. В целом, еще предстоит разработать часть АРИЗ точно определяющую исходную изобретательскую ситуацию и все возможные пути решения задачи.

Как и всякий инструмент, АРИЗ дает результаты, во многом зависящие от умения пользоваться им. Не следует думать, что, прочитав текст алгоритма, можно сразу решать любые задачи. Прочитав описание приемов самбо, не стоит сразу выходить на соревнования. Так и с АРИЗ: единоборство с задачей требует практических навыков.

Проверьте свои знания

Если вы хотите проверить свои знания по теме данного урока, можете пройти небольшой тест, состоящий из нескольких вопросов. В каждом вопросе правильным может быть только 1 вариант. После выбора вами одного из вариантов, система автоматически переходит к следующему вопросу. На получаемые вами баллы влияет правильность ваших ответов и затраченное на прохождение время. Обратите внимание, что вопросы каждый раз разные, а варианты перемешиваются.

Ревенков А.В.

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

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

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

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

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

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

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

6.1. Административное противоречие

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

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

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

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

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

Рис. 6.1

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

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

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

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

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

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

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

6.2. Техническое противоречие

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

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

Рис. 6.2

существенно изменить рассматриваемую систему или ее взаимодействие с надсистемой (НС) таким образом, чтобы отпала необходимость в этой потребности, в выполнении этой функции - ПС 1 ; в этом случае формулируется проблема по изменению НС;

дополнить существующую техническую систему некоторым устройством, которое позволило бы удовлетворить сформулированную потребность - ПС 2 (см. пример на рис 6.2).

Проблемы могут быть разные.

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

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

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

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

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

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

То есть проблемная ситуация (ПС 2) заключается в том, что функцию выполнять надо, ибо в этом есть потребность, а нежелательных эффектов при этом быть не должно.

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

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

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

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

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

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

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

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

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

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

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

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

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

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

Для этой проблемы можно сформулировать технические противоречия в двух вариантах.

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

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

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

Рис. 6.3

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

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

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

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

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

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

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

Таблица 6.1

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

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

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

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

6.3. Физическое противоречие

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

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

Из анализа табл. 6.1 можно сформулировать следующие противоречия.

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

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

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

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

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

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

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

Таблица 6.2

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

Рис. 6.4

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

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

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

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

Сформулируем ФП:

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

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

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

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

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

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

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

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

Например. Материал стальной детали, например железнодорожных рельсов, должен быть твердым и прочным (P 1), чтобы хорошо сопротивляться статическим нагрузкам и износу, и должен быть пластичным (P 2), чтобы хорошо сопротивляться ударным воздействиям, приводящим к выкрашиванию поверхностного слоя металла в зоне контакта с колесом. Применение операции термообработки увеличивает прочность и твердость, но при этом снижается пластичность. Свойства прочность и пластичность характеризуют различные качественные стороны материала, но они находятся в отношении противоположности. Для стальной детали они несовместимы.

6.4. Эвристическая ценность противоречий

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

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

Пример 6.9. Рассмотрим ламповый усилитель. Катод радиолампы должен иметь постоянную термоэлектронную эмиссию (P 1). Однако применение переменного электрического тока (от трансформатора) для подогрева катода приводит к тому, что термоэлектронная эмиссия изменяется (P 2) в соответствии с частотой электрического тока: в громкоговорителе слышен фон (50 Гц), а это недопустимо.

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

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

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

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

Из этого ТП можно сформулировать следующее ФП.

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

Из этого ФП можно сформулировать следующее ИКР.

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

Но этому ИКР мешает физическая особенность протекающего процесса.

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

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

Рис. 6.5

Таким образом, в физических противоречиях дается описание свойств, которыми должны обладать компоненты системы, чтобы достичь тех целей, которые ставит перед собой разработчик.

Потребность в улучшении (усилении) некоторого функционального свойства Ф 1 влечет за собой необходимость придания одному из компонентов ТС технической характеристики (свойства) Р . Но это ухудшает другое тоже важное функциональное свойство Ф 2 (рис. 6.5).

Свойства Р и не-Р характеризуются на качественном уровне, например, адгезия: большая и маленькая (пример 6.8) скорость: большая и маленькая (пример 6.9), материал: прочный и пластичный, электрический ток: постоянный и переменный (пример 6.10).

Таким образом, ФП отражает ситуацию, в которой к физическому состоянию зоны конфликта предъявляются взаимно противоположные требования.

Для ТП, приведенного в примере 6.4, физическое противоречие можно сформулировать в следующем виде.

ФП: Литейный уклон должен быть большим для удобства формования, и уклон должен быть маленьким, чтобы уменьшить затраты на обработку резанием.

Физическое противоречие представляет собой два несовместимых по истинности высказывания. Как сделать так, чтобы они оказались совместимыми?

Обратимся к законам логики.

Закон непротиворечия гласит, что два противоположных высказывания не могут быть одновременно истинными в одно и то же время и в одном отношении. При этом предполагается соблюдение закона тождества, заключающегося в том, что в рассуждении каждое понятие должно употребляться в одном и том же смысле, в том же содержании признаков.

Закон непротиворечия не будет нарушаться, если утверждение или отрицание относятся к разному времени или изменились какие-либо другие условия. Или же в них понятие, которое является субъектом суждения, рассматривается в разных отношениях. Или же в этих суждениях разные субъекты, то есть рассматриваются разные понятия.

Таким образом, если субъекты высказываний будут разные, то о законе непротиворечия говорить не приходится, так как суждения, участвующие в формулировке ФП, становятся несравнимыми. Следовательно, они перестают быть несовместимыми.

Поэтому можно предложить следующие приемы разрешения противоречий.

Смысл этого приема заключается в том, что при функционировании объекта в одни промежутки времени проявляется одно свойство, например P , а в другие промежутки времени - другое противоположное свойство не-P .

Поскольку субъекты суждения разделены во времени, то в формулировке ФП они представляют собой разные понятия. Следовательно, высказывания, составляющие ФП, становятся несравнимыми и перестают быть противоречащими.

Практическая реализация этого приема весьма часто сводится к введению в систему, например вещества, на определенное время. Это вещество должно обеспечить получение нужного свойства в заданный период времени, а когда оно выполнит свою функцию, оно должно пропасть.

Естественно, возникает проблема, как это организовать. Какими свойствами должно обладать это вещество? Какие поля можно ввести в систему (или найти в ТС или компонентах, с которыми взаимодействует рассматриваемый технический объект), чтобы это вещество проявило нужные свойства?

Для этого нужно посмотреть, какие другие свойства можно обнаружить в системе в эти моменты времени и как их можно для этого использовать.

Таким образом, формулировка ФП активизирует мышление и дает некоторые направления поиска решения.

Пример 6.10. В промышленности распространен способ определения площадок контакта поверхностей при помощи растертых на минеральных маслах красок. Краску наносят на одну поверхность, затем эту поверхность вводят в соприкосновение с другой поверхностью. По распределению пятен краски на этой второй поверхности судят о качестве контакта. Слой краски составляет порядка 5-6 мкм. Для более точного определения зоны контакта поверхностей необходимо применение более тонкого слоя краски. Однако тонкий слой не позволяет четко видеть границы пятна краски.

ТП: При уменьшении толщины краски повышается точность контроля, но ухудшается индикация (обнаружение) результата.

ФП: Слой краски должен быть тонким для повышения точности и он должен быть толстым для обнаружения.

Здесь можно воспользоваться известным приемом переформулирования условий задачи - заменить некоторые термины, желательно более общими, чтобы избавиться от вектора психологической инерции, расширить область поиска возможных решений. В частности, во второй части ФП мысль: "толстым для обнаружения" заменить "контрастным для обнаружения" . Это будет более общая и более точная формулировка, так как толстый слой нужен для контрастности.

Из формулировки ФП видно, что в рассматриваемом технологическом процессе можно выделить два этапа: испытание - приведение площадок в соприкосновение и контроль - момент обнаружения границ пятен краски.

Следовательно, рассматриваемые свойства должны быть различные в разные моменты времени. Значит, нужно использовать прием разрешения противоречия во времени.

Естественно возникает вопрос: какие вещества и (или) поля можно ввести в технологический процесс, чтобы разрешить это противоречие во времени?

Отсюда можно наметить путь решения задачи. Слой краски должен быть тонким в момент испытания, а при контроле пятно краски становится контрастным.

Какие вещества и поля можно ввести в систему, то есть какие физико-технические эффекты можно использовать для решения этой частной задачи?

Можно ввести вещество, которое вступит в химическую реакцию с нанесенным слоем краски, можно ввести в краску люминофор и применить ультрафиолетовое облучение и др.

Действительно, если пытаться ввести в систему вещество, то оно должно определенным образом взаимодействовать с веществами и полями, которые имеются в рассматриваемом техническом объекте. Значит, поиск решения заключается в том, что сначала формулируются свойства, которыми должно обладать это вещество, а потом с учетом определенных ограничений осуществляется поиск самого вещества.

Второй весьма часто применяемый способ разрешения ФП во времени основан на использовании закона динамизации. Действительно, если объект должен иметь различные свойства в разные моменты времени, значит, он должен как-то изменяться и быть легко управляем. Противоречие, описанное в примере 6.1, разрешено введением элементов механизации (закрылки, предкрылки). При посадке самолета форма крыла меняется таким образом, что увеличиваются и коэффициент подъемной силы, и площадь крыла.

Складывающиеся устройства: нож, зонтик, стул, убирающееся шасси самолета, телескопическая удочка - все эти технические решения были разработаны потому, что нужно было разрешить ФП.

Пример. Шариковая ручка должна оставлять след на бумаге, но не должна оставлять следы на одежде, не пачкать карман. Противоречие разрешается во времени либо введением еще одного вещества (шариковая ручка с колпачком), либо за счет динамизации (убирающийся стержень).

Разделить противоречащие свойства в пространстве

Практическая реализация этого приема заключается в том, чтобы разнести в пространстве противоречащие свойства, которыми должен обладать рассматриваемый объект.

Пример 6.11. Еще раз вернемся к рассмотрению проблемы повышения свойств стальных изделий. Для того, чтобы металлическая деталь обладала хорошей износостойкостью нужно, чтобы она имела высокую твердость. Это достигается применением термически упрочняемого материала и процессами упрочняющей термической обработки. Но в таком состоянии материал, как правило, имеет низкую ударную вязкость, то есть подвержен хрупкому разрушению при ударных нагрузках.

Твердость нужна для износостойкости, то есть только в поверхностном слое.

В хрупком материале возникшая трещина развивается практически мгновенно, а в вязком материале происходит медленное разрушение при значительной пластической деформации.

При ударных нагрузках вязкий материал деформируется, а хрупкий ломается. В работающей машине процесс развития пластической деформации может быть обнаружен по изменению характера ее работы. Поэтому высокая ударная вязкость материала конструкции является одним из способов обеспечения безопасности эксплуатации техники.

В конкретной задаче физическое противоречие заключается в том, что: "Деталь должна быть твердой для обеспечения высокой износостойкости, и деталь не должна быть твердой, чтобы иметь высокую ударную вязкость" .

Формулировка этого ФП сама "подсказывает", что его можно разрешить разделением этих свойств в пространстве - твердой деталь должна быть только в поверхностном слое.

Решение: материал детали не упрочняется термической обработкой (малое содержание углерода), а поверхностный слой цементируется (науглероживается) и производится термообработка - закалка.

Высказывания в ФП перестают быть противоречащими, так как в них меняются субъекты. Теперь уже одна часть рассматриваемого объекта обладает свойством Р , а другая - противоположным свойством не-Р .

Таким образом, чтобы понять, можно ли разрешить противоречие в пространстве или во времени, нужно проанализировать требования, которые приводят к противоречащим свойствам, выяснить, в чем различие этих требований.

Для разрешения ФП в пространстве можно либо использовать свободное (пустое) пространство в ТО, либо ввести в систему вещество-разделитель.

Следует отметить еще одну важную особенность этого этапа решения задачи.

Формулировка ФП - это модель задачи. И как всякая модель она позволяет выделить существенные стороны решаемой задачи, сконцентрировать на них свое внимание, понять какие вещественно-полевые, пространственные и временные ресурсы можно использовать для решения проблемы.

Формулирование ФП раскрывает еще два важных аспекта решаемой задачи. Эта модель дает возможность выявить оперативную зону и оперативное время .

Оперативная зона (ОЗ) - это пространство, в пределах которого возникает конфликт.

Оперативное время (ОВ) - это момент времени, когда конфликт возникает, а также время до появления конфликта, когда в ТО происходят процессы, подготавливающие этот конфликт.

Определение оперативной зоны и оперативного времени позволяет конкретизировать поставленную задачу.

В примере 6.12 ОЗ - это все тело детали, ОВ- технологический процесс, в котором формируются рассматриваемые свойства, то есть, процессы термообработки.

В примере 6.11 ОЗ - сопрягаемые площадки, ОВ - от момента испытания до момента контроля.

Рассматривая противоречащие высказывания как диалектическое противоречие, естественно заключить, что для его разрешения нужно найти (синтезировать) такое решение, которое позволило бы избавиться от НЭ и сохранить или, еще лучше, усилить нужное свойство. То есть нужно создать объект с новыми свойствами, исключающими рассматриваемое противоречие (речь идет не о поиске компромиссного решения). Поэтому для разрешения противоречия естественно воспользоваться приемами, которые позволяют изменять системные свойства рассматриваемых объектов.

Из приведенных примеров видно, что разрешение противоречий в пространстве и во времени, как правило, сопровождалось введением в систему веществ и полей, то есть, введением компонентов и связей, которые приводили к изменению системных свойств ТО.

Изменение системных свойств ТО возможно так же и за счет других структурных изменений.

Введение, удаление связей, изменение характера связей между компонентами системы

Пример 6.12. В радиоприемнике сила радиосигнала (особенно коротких волн) на антенне значительно изменяется. Это обусловлено в основном взаимным наложением радиоволн, приходящих в точку приема различными путями. Это сказывается на выходном сигнале - явление фединга-замирания.

ФП: Сила выходного сигнала должна быть постоянной для удобства прослушивания передач, но она не может быть постоянной из-за явления фединга-замирания.

ОЗ - все радиоприемное устройство от антенны до громкоговорителя;

ОВ - моменты времени, когда изменяется сила сигнала на антенне.

Разрешение ФП

Изменение связей в усилительном устройстве: введение отрицательной обратной связи - устройство, называемое автоматическим регулятором усиления.

Для разрешения ФП в примере 6.10 в катод было введено вещество. В каналах тонкого фарфорового цилиндрика помещена вольфрамовая нить - нагреватель. Нить накаливается переменным электрическим током, и ее тепло передается фарфоровому цилиндрику и нанесенному на него никелевому слою. Электрического контакта между катодом и нагревателем нет. Термоэлектронная эмиссия стала постоянной.

В примере 6.7 решения минизадач 1, 2, 4, приведенных в табл. 6.2, основаны на введении в систему дополнительных компонентов.

Системные свойства ТО могут быть изменены также еще одним приемом, основанным на системном подходе.

Количественные изменения в компонентах или во взаимодействиях между ними, которые привели бы к качественным изменениям.

Количественные изменения весьма часто приводят к качественным изменениям и, следовательно, оказывают существенное влияние на системные свойства объекта.

Например, при нагреве жидкости до определенной температуры происходит ее испарение, при нагреве ферромагнетика до определенной температуры, называемой точкой Кюри, происходит скачкообразное изменение магнитных свойств.

Закалка сталей основана на том, что при охлаждении при определенной температуре происходит изменение кристаллической решетки железа. При этом изменяется растворимость углерода в железе (сталь - это твердый раствор углерода в железе). Но здесь применен еще один прием - количественные изменения. При быстром охлаждении фиксируются те структуры, которые устойчивы при высокой температуре.

Следует отметить, что в технических решениях, как правило, используется сразу не менее двух приемов. Например, введение компонента в систему часто приводит и к разделению противоречащих свойств в пространстве; для того, чтобы разделить противоречащие свойства во времени или ввести количественные изменения во взаимодействие компонентов, иногда приходится вводить в систему еще один компонент в виде вещества или поля.

Таким образом, для разрешения ФП целесообразно, в первую очередь, проанализировать те требования, которые приводят к появлению несовместимых свойств, проверить, действительно ли необходимо совмещать противоречащие свойства в одной и той же точке пространства и в один и тот же момент времени, то есть рассмотреть, нельзя ли разрешить противоречие в пространстве или во времени.

Пример 6.13. Период колебания маятника (например, часов - "ходики") должен быть постоянным при изменении окружающей температуры (рис. 6.6, а).

Но поскольку температура воздуха меняется, то это сказывается на точности хода часов. Это связано с тем, что с изменением температуры изменяется длина маятника и, следовательно, период его колебаний.

Рис. 6.6

ФП: Период колебания маятника должен быть постоянным, но он не может быть постоянным, так как при изменении температуры изменяется длина маятника. Стержень металлический и при изменении температуры изменяется его длина.

ОВ - то время функционирования объекта, когда происходит изменение температуры;

ОЗ - точка подвеса, стержень, точка расположения центра масс груза, то есть вся система в целом.

ОЗ и понимание физических законов, которым подчиняется функционирование объекта, позволяют наметить пути решения задачи.

Период колебания маятника зависит от длины стержня и силы тяжести: , где L - длина маятника; g - ускорение силы тяжести.

Естественно, возникает задача, как управлять этими параметрами. При этом надо стремиться к получению идеального технического решения, то есть ТО должен управлять собой сам.

Здесь следует отметить еще одно важное обстоятельство. Технические и физические противоречия часто возникают именно после формулировки идеального технического решения, идеального конечного результата.

В данном случае объект должен сам управлять своими параметрами, для..., но он не может этого сделать, так как у него нет для этого ресурсов . Это тоже можно рассматривать как физическое противоречие.

Значит, эти ресурсы нужно найти. И ориентировку в поиске ресурсов дает представление об оперативной зоне, оперативном времени и компонентах надсистемы, с которыми связан рассматриваемый ТО.

Нужно устройство, которое хорошо бы реагировало на изменение температуры и изменяло бы длину маятника или силу притяжения груза (mg).

Какие вещества и поля можно ввести в систему?

6.5. Заключение

Таким образом, административные (АП), технические (ТП) и физические (ФП) противоречия - это модели задач.

Из приведенных примеров видно, что:

Административные и технические противоречия носят содержательный характер, а по форме они представляют собой описание проблемной ситуации.

Административные противоречия только формулируют проблему в терминах: цель, потребность, функция, нежелательные эффекты .

В ТП противоречие связано с функционированием ТО в целом при выполнении им главной полезной функции (ГПФ). В нем определяется изменяемый параметр, который существенным образом влияет на функциональные свойства технического объекта. Формулировка ТП позволяет обозначить направления решения проблемы.

В ФП , как правило, речь идет о компонентах ТО и их взаимодействиях.

В отличие от АП и ТП в физическом противоречии формулируются требования, приводящие к несовместимым свойствам, которыми должен обладать объект. Раскрывая суть конфликта, формулировка ФП обладает эвристической ценностью и позволяет наметить приемы поиска решения задачи.

Задачи и обстоятельства, в которых они возникают, могут быть самые разные. Дать рекомендации на все случаи невозможно. Поэтому весьма важным является систематизация приемов, их свертывание в компактный набор, который при необходимости можно было бы развернуть.

Г.С. Альтшуллер предложил 11 приемов разрешения физических противоречий, применение которых будет рассмотрено при изучении алгоритма решения изобретательских задач. Но чтобы ими воспользоваться, нужно уметь выявить и сформулировать физические противоречия.

Кроме того, не надо забывать, что знание законов техники весьма часто позволяет целенаправленно выйти на нужный прием разрешения противоречий.

Гин Анатолий, Френклах Григорий

Основные понятия ТРИЗ

Любую задачу можно назвать изобретательской, если для ее решения нужно разрешить противоречие. В ТРИЗ различают три вида противоречий: административное, техническое и физическое. АДМИНИСТРАТИВНОЕ ПРОТИВОРЕЧИЕ возникает, когда необходимо что-то сделать, но неизвестно каким способом.

ПРИМЕР
Необходимо повысить точность обработки какой-либо детали, но как? То ли платить дополнительно рабочему за увеличение точности, то ли использовать более совершенный станок, то ли вообще сменить технологию обработки.

Преодолевая административные противоречия каким-либо способом, сталкиваемся с противоречием техническим.

ПРИМЕР
Допустим, решили увеличить скорость самолета и для этого поставили на него мощные двигатели. Но крылья не могут оторвать от земли потяжелевший самолет. Решили увеличить крылья, но возросшее лобовое сопротивление свело почти на нет мощь новых двигателей.

ТЕХНИЧЕСКОЕ ПРОТИВОРЕЧИЕ — это конфликт внутри технической системы между ее параметрами, узлами, деталями.

При уточнении задачи техническое противоречие заменяется физическим.

ФИЗИЧЕСКОЕ ПРОТИВОРЕЧИЕ возникает между параметрами технической системы в каком-либо одном элементе или даже его части.

ПРИМЕР
Для приведенной выше задачи с самолетом физическое противоречие для крыла звучит так:
ДОЛЖНО БЫТЬ маленькое крыло,
ЧТОБЫ не создавать лобовое сопротивление и не уменьшать скорости самолета, и
ДОЛЖНО БЫТЬ большое крыло,
ЧТОБЫ оторвать самолет от земли.

Физические противоречия в простейших случаях можно разрешить, разделяя противоречивые требования во времени и в пространстве, иногда используют фазовые переходы и другие физические эффекты.

Например, разрешение противоречия во времени: во время полета крыло маленькое, а во время взлета и посадки — большое (крыло с изменяемой геометрией).

Для закрепления материала рассмотрим еще один пример. На игрушечной фабрике решили освоить новинку — летающую куклу Карлсон. Но как сделать куклу достаточно эстетичной и заставить ее летать — непонятно (это АДМИНИСТРАТИВНОЕ противоречие).

В результате разрешения административного противоречия пришли к ТЕХНИЧЕСКОМУ противоречию: если у куклы винт большой, то она летает, но внешний вид у нее ужасный — не Карлсон, а ветряная мельница. Если винт маленький, то внешний вид прекрасный, но летать кукла отказывается.

Физическое противоречие в данном случае можно сформулировать так: винт должен быть большим, чтобы кукла летала, и винт должен быть маленьким, чтобы она была эстетичной. Это противоречие довольно легко разрешается: в «спокойном» состоянии лопасти винта свернуты в рулон, но при вращении они разворачиваются центробежной силой и становятся большими.

Справку подготовили А. Гин и Г. Френклах

Учебник по ТРИЗ Гасанов А И

7. Противоречия - разбор примеров и задач

Ревенков А. В.

Рассмотрим, как формулировка противоречий помогает в поиске решения задачи.

Следует отметить, что противоречия в задачах появляются в следующих случаях:

Когда не видно, как реализовать возникшую потребность (административные);

Когда стремление улучшить одни свойства объекта приводит к недопустимому ухудшению других свойств (технические);

Физические противоречия обнаруживаются в результате анализа технических противоречий, а также после формулирования ИКР и попытке приблизиться к нему.

В физическом противоречии формулируются требования, приводящие к несовместимым свойствам, которыми должен обладать объект. Раскрывая глубинную суть конфликта, формулировка ФП обладает эвристической ценностью. После формулировки физического противоречия необходимо провести его анализ и наметить прием его разрешения, и только после этого непосредственно осуществлять поиск самого решения.

Стремление же сразу искать ответ на поставленную задачу без такого анализа практически приводит к применению метода проб и ошибок. Поэтому наша задача отработать приемы поиска решения, сформировать навык применения приемов, которые рекомендуются в ТРИЗ.

Задача 7.1. Одно из чудес света - Александрийский маяк на египетском берегу Средиземного моря. Время разрушило маяк, но многие археологи утверждают, что он был высотой более 300 м.

Несколько веков простоял маяк с надписью на вершине: «Для богов и во имя спасения моряков построил Состратос из Книда, сын Дексифона». Так звали строителя, и люди запомнили его имя на века. Но история помнит и другое. Когда строительство маяка заканчивалось, Состратоса вызвал правитель и повелел: «Ты высечешь на маяке мое имя!».

Строителю было запрещено высекать свое имя, и он знал, что если он не выполнит приказа, то его казнят, а если выполнит, то потомки никогда не узнают имени настоящего автора маяка.

Строитель остался жив, но весь мир узнал его имя.

Как это могло произойти?

АП: Очень хочется увековечить свое имя, а правитель запретил это делать, - он хочет увековечить свое имя.

ТП-1 : Если я выбью на стене свое имя, то увековечу его, что хорошо, но лишусь жизни, что недопустимо.

ТП-2 : Если я выбью на стене имя правителя, то не увековечу своего имени, что плохо, но при этом останусь жить, что хорошо.

Таким образом, приходим к двум противоречащим высказываниям, которые и составляют физическое противоречие.

ФП : На стене должно быть мое имя, чтобы его увидели потомки, на стене не должно быть моего имени, а должно быть имя правителя, чтобы меня не казнили.

Эту задачу можно сформулировать следующим образом. Пока жив правитель, надпись должна быть одна, а после его смерти - другая.

Тогда ФП можно переформулировать: Надпись должна быть одна, чтобы ее увидел правитель, и надпись должна быть другая, чтобы ее увидели потомки. Как это сделать?

Из последней формулировки ФП видно, что для правителя надпись должна быть одна, чтобы он ее увидел, а для потомков должна быть другая, чтобы увековечить свое имя. То есть противоречащие требования, которые предъявляются к объекту, относятся к разным моментам времени.

Противоречие разрешается во времени введением в систему еще одного компонента - вещества, которое сначала должно быть, а потом исчезнуть.

Решение

Строитель вытесал на каменной стене свое имя, но закрыл его слоем известкового раствора, на котором написал имя правителя. Через несколько лет известняк выветрился и проступило имя «Состратос, сын Дексифона».

Задача 7.2. В экспериментальной лаборатории для испытания длительного действия кислот на поверхность образцов сплавов имеется установка, которая представляет собой герметичную камеру.

На дно камеры устанавливаются образцы в виде кубиков. Камеру заполняют агрессивной жидкостью и создают необходимую температуру и давление.

Проблема заключается в том, что агрессивная жидкость действует не только на образцы, но и на стенки камеры, вызывая их коррозию. Камеру приходиться изготовлять из благородных металлов, что чрезвычайно дорого.

Таким образом, имеем АП: нужно снизить затраты на испытания, а как это сделать - неизвестно.

В задаче описана система, состоящая из трех компонентов, которые участвуют в конфликте: камера, образцы и агрессивная жидкость.

Соответственно имеются три пары взаимодействий (рис. 7.1):

камера - жидкость;

камера - кубик;

жидкость - кубик.

Жидкость агрессивная и должным образом взаимодействует с образцом (кубиком) - цели испытаний достигаются. Но жидкость разрушает стенки камеры - плохое взаимодействие.

Рис. 7.1

Жидкость должна быть агрессивной, но стенки камеры не должны разрушаться. Поэтому первая и третья пара взаимодействий находятся в конфликте между собой.

Г. С. Альтшуллер разбирал эту задачу на семинарах и писал, что «… за 1973–1982 гг. накопилась обширная статистика…

Слушатели, незнакомые с ТРИЗ, в 75 % случаев выбирают в качестве конфликтующей пары „камера - жидкость“, то есть ситуация переводится в задачу по борьбе с коррозией. Это крайне невыгодная стратегия: локальная задача по улучшению способа испытаний образцов заменяется несоизмеримо более общей и трудной задачей по защите металла от коррозии. В результате - 80 % заведомо неверных решений и почти 20 % весьма сомнительных и ненадежных (например, различные защитные покрытия камеры). Слушатели, знающие основы ТРИЗ, в 83 % случаев выбирают пару „кубик - жидкость“, что почти всегда приводит к правильному ответу».

Очевидно, это связано с тем, что в постановке задачи незримо присутствует вектор психологической инерции (ВПИ), который и нацеливает на решение именно этой проблемы.

Разработка модели задачи в виде сформулированных ТП позволяет избавиться от вектора психологической инерции (ВПИ).

Главная полезная функция (ГПФ) камеры - это создание необходимых условий для испытаний: размещение образцов, агрессивной жидкости, создание давления и температуры.

Камера должна быть, чтобы изолировать агрессивную среду и создать необходимые условия для проведения испытаний (температуру и давление). Но жидкость вредно действует на стенки камеры.

Поэтому в формулировке ТП нужно отразить конфликт совместного взаимодействия:

Но жидкость и образцы должны находиться в камере, значит, агрессивная жидкость будет взаимодействовать со стенками камеры.

ТП-1 : Если жидкость будет находиться в камере, то будут соблюдены условия испытаний, но при этом стенки камеры будут разрушаться.

ТП-2 : Если жидкость будет взаимодействовать с образцом вне камеры, то не будет и разрушительного действия жидкости на стенки камеры, но при этом не будут соблюдены условия испытаний.

Здесь следует отметить, что понятие «изменяемый параметр», участвующий в описании ТП - это не только количественные изменения в системе (например, увеличить, уменьшить), но и качественные изменения, наличие или отсутствие каких-то условий.

Понятие «функциональное свойство» (см. рис. 7.1) в данной задаче следующее:

Ф1 - условия проведения испытаний;

Ф2 - сохранение (неразрушение) стенок камеры.

В этой задаче целесообразно обратиться к формулированию ИКР - того идеального образа, к которому нужно стремиться.

ИКР : Жидкость сама нужным образом воздействует на образец и не оказывает вредного воздействия на камеру.

Достижению ИКР мешают реальные условия.

ФП : Жидкость должна быть агрессивной для образцов, чтобы достичь целей испытаний и не должна быть агрессивной для стенок камеры, чтобы они не разрушались.

После такой формулировки, естественно, возникает задача: «Как сделать так, чтобы жидкость, находясь в камере, не воздействовала на ее стенки агрессивно?»

Коррозия стенок камеры - это нежелательный эффект (НЭ). Следует обратить внимание, что после формулирования ФП задача получает другую направленность - не бороться с НЭ, а не допустить его появления.

Из противоречащих высказываний видно, что диктуемые требования относятся к объектам, которые расположены в разных точках пространства - агрессивная для образцов и не агрессивная для стенок камеры.

Таким образом, приходим к мысли, что противоречие можно разрешить в пространстве.

Ресурсы для изменения системных свойств объекта:

Изменение изделия или инструмента;

Введение веществ, полей;

Изменение формы компонентов системы.

Основное требование для проведения испытаний - жидкость должна контактировать с образцами.

Возможные решения

Каждый образец с жидкостью изолируется от камеры, например, устанавливается в сосуд или мешок, сделанный из пленки. Эти дополнительно введенные компоненты должны быть сделаны из материалов, которые выдерживают действие жидкости и температуры, при которых проводятся испытания.

При этом можно добиться дополнительного эффекта, чтобы стенки камеры не взаимодействовали с парaми агрессивной жидкости.

Жидкость удерживается самим образцом. Для этого его надо сделать с полостью.

Следует отметить, что препятствием для получения последнего решения является заданный в условии задачи ВПИ, который создается тем, что испытуемый образец называется кубиком.

Задача 7.3 . При наклеивании новых обоев из стен удаляют шурупы, на которых крепились ковры, книжные полки и т. д. Возможно, что придется вернуть некоторые предметы на старое место. Как найти отверстия в стене?

ТП : Чтобы найти отверстие, нужно на обоях сделать какую-то метку, например, вставить в отверстие спичку, которая при наклейке обоев проткнет их и будет выступать. Это неважно, если точно известно, что это отверстие будет использовано. А если неизвестно, какие отверстия понадобятся, а какие нет, то это портит внешний вид стены.

Таким образом, необходимо предложить простой способ отыскания отверстий в стене после наклейки обоев, но такой, чтобы внешний вид стены не был испорчен.

ФП : Метка на стене должна быть, чтобы знать, куда вставить шуруп, и метки быть не должно, так как она портит внешний вид стены.

Из этой формулировки, естественно, формулируется задача, что метка должна быть такой, чтобы ее не было видно.

Из формулировки ФП видно, что противоречащие требования к метке относятся к различным моментам времени. Метка должна появляться только тогда, когда в ней возникает потребность, а когда такой потребности нет, то нет и метки.

Система: стена, обои, отверстия в стене (пустые или с установленными в них вставками - пластмассовыми или деревянными).

Следует вспомнить, что разрешение противоречия во времени предусматривает введение в имеющуюся систему веществ, полей или того и другого, а также использование приема динамизации компонентов и связей между ними. Все эти мероприятия приводят к изменению системных свойств. Какие из перечисленных ресурсов можно использовать для решения задачи?

Для поиска ресурсов сначала нужно понять, какими свойствами обладают компоненты системы, которые проявляются в связях между ними или с компонентами надсистемы. Если эти свойства не удается использовать, то подумать, как их усилить или изменить.

Если отверстие большое и примерно известно его расположение, то можно, ощупывая пальцами стенку, найти место, где обои прогибаются. Можно найти место отверстия, постукивая легким предметом по стенке. Там, где пустота, - будет другой звук. Но это все сложно.

Поэтому нужно подумать, какие вещества и поля можно ввести в имеющуюся систему.

Возможные решения

В отверстие установить маленький магнит или намагнитить шуруп и завернуть его до конца, вровень со стенкой. Для поиска этого магнита использовать железные опилки. Как? Например, перемещать полиэтиленовый пакетик с опилками и смотреть, как они будут себя вести.

Можно в отверстие поместить железосодержащую деталь (гайку, гвоздь) и использовать намагниченные опилки.

Рис. 7.2

А если известно, что этот поиск нужно будет сделать в ближайшие дни, то заложить в отверстие ватку, смоченную валерианкой и использовать кошку?

Задача 7.4 . На одной из метеостанций требовалось зимой, в лютые морозы четыре раза в сутки опускать в прорубь приборы для замеров параметров воды и взятия пробы. Работа осложнялась тем, что прорубь через 2? 4 ч полностью замерзала и ее приходилось ломом пробивать заново. Никаких сложных механизмов на метеостанции нет. Как освободить работника метеостанции от ручной работы по пробиванию проруби?

Следует обратить внимание на то, что в условии задачи присутствует ВПИ. В задаче дается ориентировка на создание устройства по пробиванию проруби.

Поэтому целесообразно дать эту задачу для самостоятельного решения. Посмотреть, в каком направлении будут сделаны попытки ее решения. Затем провести анализ сделанных попыток, выяснить причины неудач. Чаще всего это связано с тем, что задачу пытаются решать методом проб и ошибок, не применяя предлагаемый подход, через формулировку противоречия и определения приемов его разрешения.

Часто учащиеся начинают решать задачу, не вникнув полностью в условия, не поняв до конца физические процессы, происходящие в описываемом явлении. А это весьма важно для поиска ресурсов при решении задачи. Поэтому целесообразно выяснить, насколько глубоко учащиеся вникли в существо происходящих явлений, и эту часть задачи разобрать более подробно.

Охлаждение воды происходит за счет конвективного теплообмена с холодным воздухом и за счет испарения.

Усиливают охлаждение воды низкая температура воздуха и ветер.

Препятствует охлаждению воды конвективный теплообмен в толще воды. Известно, что вода максимальную плотность имеет при температуре около 4 °C. Поэтому вода, охладившись до этой температуры, как имеющая бoльшую плотность, опускается вниз. Снизу поднимается более теплая вода.

Система: вода, лед, лом. Надсистема (НС) - холодный воздух, глубинные слои воды.

В этой задаче под функциональными свойствами, которые приводят к возникновению ТП, понимаются потребности (см. рис. 7.1). С одной стороны, прорубь нужна для выполнения некоторых работ. С другой стороны, очень не хочется систематически заниматься работой по пробиванию проруби.

Таким образом, ТП : Прорубь пробивать нужно для взятия проб воды. И этого делать не нужно, потому что это тяжелая работа.

Следует отметить, что после такой формулировки задача начинает получать несколько иную направленность, чем была в исходной постановке. И это особенно становится заметным после формулировки ИКР.

ИКР : ТС обладает таким свойством, что сама не дает воде замерзать.

Достижению ИКР препятствуют природные процессы. Это и обуславливает физическое противоречие.

ФП : вода в проруби должна замерзать, так как взаимодействует с холодным воздухом, но она не должна замерзать, чтобы не пробивать ломом каждый раз прорубь (не ломать лед).

Следует подчеркнуть, что формулировка ИКР и ФП определяет направление поиска решения - не разрабатывать устройство для прорубания, а не допускать замерзания воды.

Изменение системных свойств рассматриваемого объекта можно сделать введением дополнительных компонентов (веществ или полей).

Какие вещества и поля можно ввести в систему, чтобы вода не замерзала?

Какими свойствами должны обладать эти вещества?

Какие ресурсы можно почерпнуть из НС?

Возможные решения

В лед вмораживают металлическую трубу (рис. 7.2.) Нижние слои воды более теплые. Металл хорошо проводит тепло.

Рис. 7.3

На поверхность воды, в трубу наливают жидкость с низкой температурой замерзания, которая не смешивается с ней и легче воды (например, бензин, керосин, масло).

Труба дает еще один эффект - при наличии течения не вымывает эту жидкость.

Для уменьшения конвективного теплообмена с воздухом прорубь можно накрыть крышкой из теплоизоляционного материала (например, из пенопласта) или палаткой.

Задача 7.5 . Из замкнутого резервуара с непрозрачными стенками в химический реактор поступает агрессивная и ядовитая жидкость. Требуется измерять скорость истечения этой жидкости, однако никаких измерительных устройств на пути этой жидкости ставить нельзя (рис. 7.3).

Состав системы: резервуар, расходный трубопровод, агрессивная и ядовитая жидкость.

Задача на измерение, обнаружение.

ТП : Измеряющее устройство должно быть для осуществления контроля расхода жидкости, но его нельзя установить внутри расходного трубопровода.

Переход от ТП к ФП в этой задаче встречает определенные трудности. Это связано с тем, что в условии задачи не объясняются причины

Рис. 7.4

запрета устанавливать его в потоке жидкости. Вероятно, что детали измерительного устройства не могут вступать в контакт с жидкостью.

Следовательно, нужно поискать обходные пути.

Здесь можно наметить два пути решения проблемы.

Измерительное устройство (ИУ) поставить снаружи расходной трубы.

Вместо прямого измерения попытаться применить косвенное измерение. То есть измерять не расход жидкости, а какой-то другой параметр, по которому можно было бы определять расход.

Можно ли ИУ поставить не на расходную трубу, а в другое место?

Рассмотрим первый путь.

Если измерительное устройство поставить снаружи расходной трубы, то пока непонятно, как измерять расход, на каком физическом принципе действия может работать такое устройство.

В трубопроводе имеется жидкость. Надо измерять некоторые свойства этой жидкости, в частности, ее скорость. Измерительное устройство и жидкость разделены стенкой трубы.

Если измерять свойство вещества нельзя прямым контактом, значит, нужно использовать поля, которые могут проникать сквозь стенку трубы. Такими полями могут быть звуковые и ультразвуковые, электромагнитные волны.

Из физики известен эффект Доплера - изменение частоты колебаний, воспринимаемой наблюдателем при движении источника колебаний. Применяется для измерения скорости потока гетерогенных (неоднородных по составу) тел.

ФП: Для применения эффекта Доплера в трубе должна быть гетерогенная среда, но из резервуара течет однородная жидкость.

Как сделать поток гетерогенным? Очевидно, нужно ввести в систему еще одно вещество.

Возможные решения

Ультразвуковыми колебаниями создать явление кавитации или вдувать в расходную трубу газ, например, воздух, чтобы по трубе перемещались пузырьки. Использовать эффект Доплера.

Устройство сложное.

Рассмотрим второй путь - косвенное измерение.

Для решения задачи нужно понять, как изменяются связи между компонентами системы, когда происходит истечение жидкости (рис. 7.4).

Рис. 7.5

Из задачи понятно, что при истечении жидкости взаимодействия между резервуаром и расходным трубопроводом 1, а также между жидкостью и расходным трубопроводом 2 не изменяются. А взаимодействия между жидкостью и резервуаром 3 изменяются - уменьшается уровень жидкости. Каким образом можно использовать это обстоятельство?

Очевидно, измеряя скорость изменения уровня жидкости, можно получить скорость жидкости в расходной трубе. Для этого достаточно знать, как меняется площадь поперечного сечения резервуара по высоте.

Если вводить вещества в контакт с агрессивной жидкостью нельзя, значит, нужно использовать поля, например, ультразвуковое для измерения положения границы раздела между жидкостью и воздушной прослойкой в резервуаре. Можно использовать оптические методы.

Кроме того, нужно посмотреть, какие еще свойства изменяются при уменьшении уровня жидкости.

Изменяются вес резервуара, объем воздуха над жидкостью. Значит, можно производить измерение этих параметров.

Возможное решение

Вместо скорости истечения агрессивной жидкости измерять скорость поступления воздуха в резервуар. Для повышения точности измерения, возможно, придется контролировать еще давление воздуха внутри резервуара, атмосферное давление, а также температуру воздуха.

Задача 7.6 . При приземлении самолета можно наблюдать, что в момент касания колес с бетонным покрытием аэродрома появляется легкий дымок. Это результат динамического взаимодействия резины колес с аэродромным покрытием, который приводит к интенсивному износу покрышек. Как устранить это явление?

В этой задаче формулировка противоречий не столько помогает выйти на тот или иной прием его разрешения, сколько помогает глубже вникнуть в суть явления и осуществить целенаправленный поиск решения.

Состав системы: шасси, колесо самолета. Надсистема - воздух, бетонное покрытие.

Конфликтующая пара: колесо самолета и бетонное покрытие.

Анализ явления. Посадочная скорость самолета большая. В момент касания бетонного покрытия колесо неподвижно. Из-за большого момента инерции оно не может мгновенно раскрутиться и какое-то время скользит. В этот момент происходит значительное истирание покрышки.

Износа покрышки не будет, если нижняя точка колеса будет иметь такую же скорость, что и самолет.

Следовательно, нужно устройство для раскручивания колеса, но такое, которое бы не усложняло систему, чтобы его масса, габариты и энергоемкость стремились к нулю.

Например, ставить на каждое колесо двигатель для его раскручивания недопустимо - это значительно усложняет конструкцию, увеличивает вес конструкции.

ТП : Если на шасси установить специальное устройство для раскручивания колеса, то это усложнит систему, но устранит нежелательное явление - износ покрышки.

ФП : Устройство для раскручивания колеса должно быть. И его быть не должно, чтобы не усложнять систему и не увеличивать ее массу.

ОЗ - колесо, покрытие взлетно-посадочной полосы (ВПП), ОВ - момент касания ВПП и время, когда самолет идет на посадку.

Следуя принципу идеальности, нужно при минимальных усложнениях в системе обеспечить требуемое свойство.

Значит, нужно попытаться использовать имеющиеся ресурсы в рассматриваемой ТС или НС.

Во-первых, найти энергию, и, во-вторых, найти способ ее использования для преобразования в механическое движение - вращение колеса.

Здесь целесообразно сформулировать ИКР.

ИКР : Колесо само раскручивается до встречи с бетонным покрытием.

Самолет идет на посадку с большой скоростью, торможение происходит за счет аэродинамических сил. Таким образом, имеется бесплатная энергия - скоростной напор воздушной среды (рис. 7.5, а). Как его можно использовать для раскручивания колеса?

Если свободно подвешенное на оси колесо находится в воздушном потоке, то из-за симметричности обтекания оно вращаться не будет.

Рис. 7.6

Получаем ФП : Колесо должно вращаться, чтобы в момент касания оно не скользило по бетону, и оно не будет вращаться, так как нет условий для возникновения крутящего момента.

Значит, нужно создать крутящий момент. Из приведенной схемы видно, что при симметричном обтекании момента не возникает. Следовательно, нужно сделать так, чтобы сумма аэродинамических сил, действующая на нижнюю часть колеса, была больше, чем на верхнюю часть.

Выберем изменяемый элемент. Очевидно, что он должен быть на самолете. Это может быть либо элемент рассматриваемой системы, то есть колесо, либо ближайшей надсистемы, в которую входит колесо, то есть шасси.

Возможные решения

Ввести еще один компонент в систему.

На стойку шасси закрепить крыло, которое сделает несимметричным обтекание колеса воздушным потоком (см. рис. 7.5, б).

Изменить форму имеющегося компонента.

Для согласования скоростей вращения колес и скорости полета самолета французский изобретатель Х. Оливье предложил раскручивать колеса в полете. Для этого на боковой поверхности колес установить лопатки, которые позволяют раскрутить колеса под действием набегающего воздушного потока (рис. 7.5, в).

Можно привлечь аналогию - вертушка анемометра, прибора для измерения скорости ветра.

Задача 7.7 . На кораблях, особенно военных, каждый квадратный метр площади на счету. Особенно важно, чтобы любые сооружения занимали как можно меньше места. Но весьма трудно сократить вылет трапа, потому что он зависит от высоты и глубины ступенек. Сделать каждую ступеньку выше (тогда их потребуется меньше) нельзя - затрудняется хождение. А сделать каждую ступеньку у же тоже нельзя, так как на ней должна уместиться ступня.

Как сократить вылет трапа L (рис. 7.6, а)?

Рис. 7.7

Рассматриваемая система - трап состоит из однородных компонентов - ступенек, которые характеризуются двумя важными для поставленной проблемы параметрами: высотой h и шириной b ступеньки.

ТП : Если ступеньки стандартной ширины b и высоты h, то удобно ходить, но при этом трап занимает много места, имеет большой вылет L.

Из этого ТП можно сформулировать два физических противоречия.

ФП-1 : Ступенька должна быть высокой, чтобы сократить вылет трапа, и она не должна быть высокой, чтобы удобно было ходить.

ФП-2 : Ширина ступеньки должна быть маленькой, чтобы сократить вылет трапа, и она должна быть большой, чтобы удобно было ходить.

Противоречия в задаче обусловлены двумя требованиями, с одной стороны, минимальный вылет трапа (размерная характеристика) и, с другой стороны, удобством хождения, то есть антропологическим фактором.

Первое требование ориентирует на поиск решения путем пространственных преобразований или применения принципа динамизации (аналогия - складывающаяся стремянка).

Второе - на анализ потребительных свойств этого устройства при использовании его по прямому назначению человеком, то есть выявление тех свойств трапа, которые были бы достаточны для удобного спуска и подъема.

Здесь целесообразно обратиться к функциональному анализу ступенек - дать оценку уровня выполнения ими своих функций, например, по трехбалльной шкале: адекватно, недостаточно или избыточно.

Если создаваемая лестница не предназначена для организации встречного движения пешеходов, то каждая ступенька поднимающимся или спускающимся человеком используется не в полной мере. Действительно, ведь человек ставит ногу только на одну ступеньку, если он не решил по дороге отдохнуть или не затеял на лестнице разговор.

Таким образом, длина ступеньки избыточна по выполняемой функции, для перемещения по лестнице. И ее можно сократить, например, вдвое.

Таким образом, мы получили ресурс для решения задачи. Возникает вопрос: можно ли эту избыточность использовать для решения поставленной проблемы?

Избыточная длина «подсказывает» использовать пространственный ресурс.

Если длина ступеньки уменьшилась, то на ее место можно поставить следующую ступеньку.

Таким образом, ступеньки можно расположить в шахматном порядке. Вылет трапа уменьшится вдвое при сохранении удобства перемещения (см. рис. 7.6, б)