Введение

1. Понятия и определения

2. Закономерности техники

3. Основные законы развития технических систем

3.1 Закон прогрессивной эволюции техники

3.2 Закон полноты частей системы

3.3 Закон расширения множества потребностей-функций

3.4 Закон соответствия между функцией и структурой

4. Вытеснение человека из технических систем

4.1 Закон стадийного развития техники

4.2 Роботизация и законы робототехники

5. Прогнозирование развития технических систем

Список литературы

Введение

Развитие человечества, уже много столетий связано с развитием техники. На протяжении многих лет люди улучшали и модернизировали существующую технику и изобретали новую. Техника же помогала люди развиваться самим, улучшать свои навыки и способности.

Как и весь наш мир техника существует и развивается на основе законов. Разработка законов развития технических систем велась уже достаточно давно. Первую работу по законам развития техники написал Георг Гегель в параграфе «Средство» работы «Наука логики». «Техника механическая и химическая потому и служит целям человека, что ее характер (суть) состоит в определении ее внешними условиями (законами природы)». В 1843 году В. Шульц описал прототип закона полноты частей системы. Он писал, что «можно провести границу между орудием и машиной: заступ, молот, долото и т.д., системы рычагов и винтов, для которых, как бы искусно они ни были сделаны, движущей силой служит человек … все это подходит под понятие орудия; между тем плуг с движущей его силой животных, ветряные мельницы следует причислить к машинам». Чуть позже некоторые законы развития техники были описаны К. Марксом и Ф. Энгельсом. К. Маркс описал эти законы в разделе «Развитие машин», «…различие между орудием и машиной устанавливают в том, что при орудии движущей силой служит человек, а движущая сила машины – сила природы, отличная от человеческой силы, например животное, вода, ветер и т.д.». Некоторые дополнительные материалы можно найти в работах Ф. Энгельса по истории развития военной техники и ведения войн. Это работы 1860–1861 гг., в частности: «О нарезной пушке», «История винтовки», «Оборона Британии», «Французская легкая пехота» и др. Определенным вкладом в понимании техники и ее законов было создание «философии техники». Этот термин ввел немецкий ученый Эрнест Капп. В 1877 году он выпустил книгу «Основные линии философии техники». Основное развитие этого течения проходило в начале XX века. В основном, развитием «философии техники» занимались немецкие ученые Ф. Дессауер, М. Эйт, М. Шнейдер и др. В России эту тематику разрабатывал П.К. Энгельмейер. В 1911 году он выпустил книгу «Философия техники». Все эти работы обсуждали теоретические и социальные проблемы техники и технического прогресса. Вопросами истории техники, классификации и определения понятий техники занимались многие ученые в различных странах К. Туссман и И. Мюллер (в Германии), В.И. Свидерский, А.А. Зворыкин, И.Я. Конфедератов, С.В. Шухардин (в России) и др. В 1962 году был выпущен фундаментальный труд по истории техники.

Тем не менее, наука о законах техники только начинает формироваться. И первый этап, естественно, связан с формулированием и обоснованием гипотез о законах строения и развития техники. Сегодня нет пока достаточно обоснованных общепризнанных отдельных законов техники и нет еще даже в гипотезах полной замкнутой системы их системы. Создание такой системы, как и обоснование отдельных законов – одно из важнейших актуальных современных направлений фундаментальных исследований, относящихся к технознанию и общей теории проектирования. Это направление ждет своих энтузиастов-исследователей.

Однако, в отличие от недавнего времени сегодня уже имеются теоретические и методические разработки по законам и закономерностям техники, которые представляют большой интерес для практического использования. Законы техники, а также более частные и локальные закономерности могут иметь многоплановое приложение в инженерном творчестве. Во-первых, на основе законов и закономерностей техники могут быть разработаны наиболее эффективные методология и методы инженерного творчества. Во-вторых, привязка законов и закономерностей к конкретному классу технического объекта позволяет определить наиболее структурные свойства, облик и характеристики технического объекта в следующих поколениях.

В данной работе будут рассмотрены наиболее основные законы, нашедшие свое подтверждение на практике, на основание которых можно анализировать существующие технические объекты и со степенью вероятности проектировать дальнейшее развитие отдельных машин и механизмов.

Прежде чем перейти непосредственно к самим законам, нужно дать точное определение техническим объектам, описывающимся в этих законах, и дать определения закону, как понятию.

Техника (греческое «техне» – ремесло, искусство, мастерство).

Определения техники можно объединить в три основные группы. Их можно представить следующим образом: техника как искусственная материальная система; техника как средство деятельности; техника как определенные способы деятельности.

Первое значение (техника как искусственная материальная система) выделяет одну из сторон существования техники, относя ее к искусственным материальным образованиям. Но не все искусственным материальным образования являются техникой (например, продукты селекционной деятельности, которые обладают естественной структурой). Поэтому сущность техники не исчерпывается подобными определениями, так как не выделяют технику среди других искусственных материальных образований.

Второе значение также является недостаточным. Техника трактуется как средство труда, средство производства, орудия труда и т.д. Иногда техника определяется сразу и как средства, и как орудия. Но это не корректно, так как и то и другое понятия лежат в одной плоскости рассмотрения и средства труда являются более широким понятием по отношению к орудиям труда.

Третье выделенное значение – техника как определенные способы деятельности. Но этой сущности скорее соответствует понятие «технологический процесс», который, в свою очередь, является элементом технологии.

Технический объект. Понятие «технический объект» обозначает такое техническое явление, которое обладает всеми основными признаками общего класса технических образований. Отдельный технический объект является наиболее полной единичной клеткой технического мира.

Таким образом, технические объекты – это такие образования, которые, выполняя функцию средства человеческой деятельности, интегрируют в себе основные стороны деятельности человека (материальную, научную, художественную). Все другие образования существуют относительно самостоятельно и образуют смежные явления, представляющие отдельные части целого. К ним можно отнести: явления духовной жизни человека; произведения искусства; используемые неизмененные природные формы; технические системы, обладающие искусственной природой, но не выполняющие целостной социальной функции.

Наиболее детально характеристику технического объекта дал В.В. Чешев. Он пишет «…технический объект предстает в виде определенной совокупности элементов, в виде определенной вещественной структуры. …он представляет собой особую «целесообразную форму» проявления некоторого закона природы и должен описываться со стороны технических свойств, проявляемых им при практическом использовании в производственной (или какой-либо другой) сфере деятельности, а также должен быть описан со стороны своего внутреннего содержания как процесс, определяемый законом природы. Описывая техническое устройство совокупностью технических и естественных свойств, мы получаем обобщенное представление о техническом объекте».

Машина (от лат. machina – устройство искусственного происхождения (совокупность агрегатов или устройств).

Машиной называют устройство для совершения полезной работы или преобразования энергии. Машины, в которых энергия преобразуется в механическую работу, затрачиваемую на приведение в движение машин-орудий, называют машинами-двигателями. Машины, при помощи которых производится изменение формы, свойств, положения, состояния тех или иных материалов или предметов, называют машинами-орудиями (например, металлорежущий станок). «Идеальная машина» – абстрактный эталон, в реальных условиях недостигаемый и отличающийся следующими обстоятельствами:

Все части идеальной машины все время несут полезную расчетную нагрузку.

Материал «идеальной машины» работает так, что его свойства используются наилучшим образом, например, металлические части работают только на растяжение, деревянные части – только на сжатие и т.д.

Для каждой части «идеальной машины» созданы наиболее благоприятные внешние условия (температура, давление, характер движения внешней среды и т.д.).

Если «идеальная машина» передвигается, то вес, объем и площадь полезного груза совпадают или почти совпадают с весом, объемом и площадью самой машины.

«Идеальная машина» способна менять назначение (в пределах своей основной функции).

Межремонтный период частей равен сроку службы всей «идеальной машины».

Сравнивая «идеальную машину» с идеей изобретения, можно судить об уровне, вообще достигнутом в данной отрасли техники, и о качестве найденной идеи.

Механизм – это совокупность тел (обычно – деталей машин), ограничивающих свободу движения друг друга взаимным сопротивлением. Механизмы служат для передачи и преобразования движения. Как преобразователь движения механизм видоизменяет скорости, или траектории, или же и то, и другое. Он преобразует скорости, если при известной скорости одной из его частей другая его часть совершает движение, подобное движению первой, но с другой скоростью. Механизм преобразует траекторию, если, в то время как одна из его точек описывает известную траекторию, другая описывает другую заданную траекторию.

Теперь перейдем к определению закона и требования, которым должны удовлетворять законы техники.

Закон-необходимое, существенное, устойчивое, повторяющееся отношение между явлениями. Закон выражает связь между предметами, составными элементами данного предмета, между свойствами вещей, а также между свойствами внутри вещи. Но не всякая связь есть закон. Связь может быть необходимой и случайной. Закон – это необходимая связь. Он выражает существенную связь между сосуществующими в пространстве веществами. Это закон функционирования.

Закономерность, обусловленность объективными законами; существование и развитие соответственно законам

А.И. Половинкин сформулировал требования, которым должны удовлетворять законы техники:

Противоречие разрешить удалось, но также ясно, что пройдет еще немного времени, и придется снова говорить о необходимости повышения быстродействия подсистемы памяти. Итак, процесс развития компьютерных систем – это разрешение противоречий, с учетом спектра проблем и перечня противоречий, подлежащих разрешению. 2.8 Аппаратные и программные решения Как известно, многие задачи можно решить...

Как ему не достает той эрудиции, которая необходима для прочного обоснования идей". То есть надо и быть дилетантом и не быть им. Это диалектическое противоречие. В процессе изучения технического менеджмента мы будем с вами на практике разрешать, продуктивно разрешать это противоречие. Оказывается, как доказали своими работами наши ученые-дилетанты Г.С.Альтшуллер, Ю.П.Саламатов, Б.Л. ...

Ткань сгорала, оставляя тонкий «скелет», ярко светящийся при нагревании под действием пламени. Эти устройства получили название колпачки Ауэра. В принципе, на этом история развития ламп, использующих химическую энергию в качестве источник энергий практически прекратилась, хотя газовое освещение еще долго составляло конкуренцию электрическому (См. Фильм «Газовый свет»). Появление ацетиленовой (...

Тщательно, практически алгоритмизированы. Так к какой же группе методов отнести современный мозговой штурм: случайных, систематических, а может быть логических? Методические поисковые средства технического творчества в формировании эффективной среды их применения Обобщенная схема проектирования систем позволяет выделить основные этапы поиска решения и установить предпочтительный для каждого...

Знание этих закономерностей дает ориентировку при решении задач. Их можно рассматривать как возможные стратегии при решении той или иной проблемы, как приемы поиска решений, позволяющие сделать очередной шаг в прогрессивном направлении развития техники.

Анализ истории техники позволил выделить 4 стадии (этапа) развития технических объектов, отличающихся появлением новых функций, выполняемых ТО.

1. В ТО реализована только технологическая функция – физико-химическое воздействие на объект исполнительным органом. ТО представляет собой инструмент, который состоит из рабочего органа, хотя в нем могут быть и некоторые передаточные элементы – трансмиссия, например, нож, лопата, топор.

2. Наряду с технологической функцией, в ТО реализуется функция преобразования энергии . Структура ТО усложняется, к рабочему органу (РО) добавляются: ПЭ, Тр, ОУ.

3. В ТО реализуется функция управления . В структуру ТО встраивается система управления, измеряющая некоторые параметры и определяющая значения параметров других компонентов ТО.

4. В ТО реализуется функция планирования. В структуру ТО добавляются компоненты, формирующие исходные данные для работы системы управления.

В таблицеприведен пример, иллюстрирующий основные этапы развития техники.

Таблица. Примеры стадийного развития техники.

Закономерность стадийного развития имеет большое практическое значение при анализе проблемы и постановке задачи синтеза, при совершенствовании существующих технических объектов.

Знание закономерностей развития дает инженеру ориентировку относительно перспектив совершенствования технических устройств. Определив, на какой стадии своего развития находится исследуемый ТО, в соответствии с закономерностью стадийного развития можно наметить пути его дальнейшего совершенствования.

Следует отметить, что на каждой стадии развития очередная фундаментальная функция реализуется, как правило, с помощью универсальных устройств , – происходит заимствование средств из другой технической области. Затем начинается дифференциация и специализация этих средств. Это непосредственно следует из закона повышения идеальности ТО.

Например, развитие систем управления технологическим оборудованием шло от использования универсальных ЭВМ к специальным.

При создании новых ТО стремятся к повышению их качественных показателей. Каждый новый образец предназначен, как правило, для выполнения все более сложных функций. Это приводит к тому, что технический объект оснащается многими дополнительными системами и устройствами. Поэтому следствием из закономерности стадийного развития является тенденция возрастания сложности технических систем.

Принцип действия, реализованный в рабочем органе, начинает занимать новые функциональные ниши. Функцию, которую раньше выполнял человек, теперь берет на себя технический объект. Техническая система развивается, отбирая все больше функций у человека.

Эту тенденцию Б. Л. Злотин назвал «Законом вытеснения человека из технической системы». Метафоричное название закона не следует понимать буквально. Человек не является компонентом технической системы по определению. Речь идет о том, что человек вытесняется, как участник процесса выполнения ГПФ.

Эта линия развития выглядит следующим образом.

1. На начальном этапе человек с помощью созданного инструмента сам выполняет действия по физико-химическому воздействию на некоторый предмет.

2. Добавляется преобразователь энергии, развитие получают органы управления, – человек теперь управляет некоторым процессом.

3. Развитие получают автоматизированные системы управления. Человек уже только наблюдает по контрольным приборам за ходом процесса, изредка вмешиваясь в него, осуществляя, например, корректировку.

4. Все действия процесса автоматизированы таким образом, что человек только контролирует процесс путем наблюдения.

Следует отметить, что весьма часто технологическая функция, реализованная в рабочем органе, создается на основе имеющегося преобразователя энергии, например, дуговая электросварка, контактная электросварка. При этом для выполнения технологической функции в конструкцию встраиваются необходимые органы управления. Естественно, что такой рабочий орган в принципе не может работать без преобразователя энергии.

Основные этапы стадийного развития технических систем коротко можно представить в виде таблицы.

Таблица. Характеристика основных этапов развития техники

История развития техники показывает, что любое открытие в науке и технике только через некоторое время начинает использоваться для выполнения некоторой полезной функции. Сначала открывается некоторый физический эффект, который тщательно исследуется, разрабатывается технология изготовления опытных образцов. Проводятся чисто научные исследования, практическая отдача которых пока минимальна. Затем на основе освоенного физического эффекта синтезируется ФПД устройства, которое может уже иметь прикладное значение. Спустя некоторое время на основе этого ФПД создается техническое устройство, способное качественно выполнять некоторую полезную функцию.

Технический объект для удовлетворения потребности создается тогда, когда имеются научные и технические возможности обеспечить ему удовлетворительные потребительные свойства, которые зависят от его уровня качества (линия К 11 на рис. 19).

Теоретически предельно возможный

Показатель качества

Затраты

Открытие

физического эффекта

Минимально приемлемый уровень качества

Начало исследований нового физического эффекта

Начало практического применения ФПД

Рис. 19. Изменение показателя качества ТО при его конструктивной эволюции.

Как правило, первый образец принципиально нового ТО создается в условиях неполного знания свойств нового, только что открытого явления. Поэтому технически сложно реализовать высокое качество выполняемой функции.

С началом применения нового ТО стремление улучшить его функциональные характеристики приводит к развертыванию работ по его совершенствованию, улучшению показателей качества, устранению недостатков и повышению эффективности использования. Появляются различные модификации технических объектов, расширяется область применения технических устройств, созданных на физическом принципе действия, в основе которого лежит открытый физический эффект.

Взаимосвязь затрат и показателя качества совершенствуемого ТО характеризуется S-образной кривой рис. 19.

Начальный участок S-образной кривой (участок I на рис. 19) соответствует этапу теоретического изучения и экспериментальной отладки полученного ФПД, исследованию возможностей его практического применения. На этом этапе осуществляется опытная эксплуатация единичных лабораторных образцов вновь созданного ТО. Этот период отличается напряженной работой и большими затратами для увеличения показателей качества.

Улучшению характеристик ТО способствует рост общего научно-технического потенциала и развитие технологии производства.

По мере накопления теоретических знаний и практических результатов по производству и эксплуатации ТО, рост показателей эффективности и качества технических объектов, основанных на этом ФПД, становится более интенсивным (участок II). Устраняются недостатки, улучшаются функциональные показатели, повышается надежность, экономичность и другие показатели качества, растет отдача средств, вложенных в используемые технические устройства.

В этот период совершенствуется конструкция ТО и технология его изготовления, производство часто становится массовым, резко увеличивается количество изобретений в той области техники , к которой относится применяемый ФПД. Этот ФПД находит все более широкое применение в различных областях. Разрабатывается гамма технических устройств. Развитие идет как в направлении универсализации, так и специализации.

Однако наступает время, когда ТО вступает в третью стадию своего развития.

Участок III кривой 1 (рис. 19) характеризуется значительным увеличением затрат на повышение качества ТО. Эффективность средств, направленных на повышение качества ТО, снижается. Это связано с тем, что происходит исчерпание возможностей принятого физического принципа действия. Совершенствование ТО осуществляется его усложнением, внесением конструктивных изменений, оптимизацией параметров, изменением конструкторско-технологических решений. Показатели качества приближаются к некоторому пределу, который может быть достигнут при использовании этого ФПД (линия К 12).

Совершенствование ТО продолжается до тех пор, пока существует потребность в производстве технических объектов, основанном на этом физическом принципе действия.

Если нет условий перехода на новый принцип действия, то в процессе конструктивной эволюции рост эффективности замедляется и длительное время воспроизводятся ТО с близкими по значению показателями качества.

Однако, как правило, задолго до этого периода обнаруживается новый принцип действия, использование которого может в перспективе обеспечить более высокие показатели качества. Но его практическое применение начнется тогда, когда будет накоплен необходимый научно-технический потенциал и созреют социально-экономические условия (линия К 21 , кривая 2 на рис. 19).

Сначала он по своим показателям качества отстает от своего предшественника, но он находится на начальном этапе своего развития и, в соответствии с закономерностью, описываемой S-образной кривой, этот ТО, основанный на новом ФПД, в конце концов, быстро обгоняет и вытесняет своего конкурента.

История развития техники показывает, что технический объект, основанный на определенном физическом принципе действия, отмирает в период своего наивысшего развития, т. е. когда в максимальной степени реализованы его показатели качества. Например, к середине XX века паровозы достигли предельного своего совершенства, т. е. предельного КПД, и сразу стали вытесняться тепловозами (новый принцип действия) с более высоким КПД.

При создании новых технических объектов необходимо оценить, на каком этапе конструктивной эволюции находится прототип, каковы перспективы его развития, какие изменения в науке и технике произошли с начала его создания, причем не только в рассматриваемой области техники, но и в смежных областях. Исследуются различные аспекты проблемы: какие достижения научно-технического прогресса не нашли своего отражения при создании существующих ТО, предназначенных для удовлетворения рассматриваемой потребности и что можно использовать из последних достижений науки и техники для разработки нового принципа действия, конструктивных и конструкторско-технологических решений для создания нового ТО.

При решении задачи по совершенствованию ТО необходимо оценить конкурентоспособность других ФПД, установить, на каких этапах своего развития они находятся, найти область эффективного применения рассматриваемого принципа действия, оценить перспективность и целесообразность конструктивного совершенствования прототипа или прийти к выводу, что нужно переходить на другой ФПД и определить, на какой. В решении последней проблемы существенную помощь оказывают другие закономерности развития техники, рассматриваемые ниже.

Термин динамизация, используемый в названии этого принципа развития технических систем, отражает именно богатство движения, заложенное в технический объект.

Сущность динамизации технических систем Саламатов Ю. П. дает в следующей формулировке: «Жесткие системы для повышения их эффективности должны становиться динамичными, т. е. переходить к более гибкой, быстро меняющейся структуре и к режиму работы, подстраивающемуся под изменения внешней среды».

История техники показывает, что придание свойства динамичности конструкции часто позволяло разрешать многие проблемы, возникающие при создании ТО, значительно улучшало показатели качества.

Например, для повышения маневренности сверхзвуковых реактивных самолетов, сначала были разработаны двигатели с поворотными соплами и системой струйного управления, позволяющие изменять вектор тяги, затем поворотные двигатели. Это позволило создать самолет с вертикальным взлетом и посадкой.

Убирающееся шасси для снижения лобового сопротивления, пропеллер с изменяющимся углом атаки лопасти , раскрывающиеся панели солнечных батарей на космическом аппарате, складывающийся зонтик, разводной мост, и т. д. – это примеры динамичных конструкций.

Таблица. Переход к многофункциональности

Динамизация веществ начинается с разделения вещества на части и введения связи между ними. Здесь возможна такая последовательность переходов:

один шарнир→ много шарниров→ гибкое вещество→ жидкость→ газ→ поле.

Динамичность – это свойство, характеризующее структуру объекта. Поэтому оно может проявляться как в компонентах, так и в связях между ними.

Придание свойства динамичности техническому объекту обусловлено двумя обстоятельствами: с одной стороны, это потребность в обеспечении приспособляемости (адаптации) объекта к изменяющимся внешним условиям и, с другой стороны, достижение лучшей управляемости объектом.

Динамизация весьма эффективна как прием решения технических задач. Например, для увязки размеров и обеспечения взаимозаменяемости в конструкциях применяют регулируемое звено или упругий элемент в качестве компенсаторов погрешностей увязываемых размеров.

С одной стороны, динамизация, – это одно из направлений конструктивной эволюции технических систем. Здесь большую роль играет развитие возможностей технологии производства.

Например, для создания водяного замка в сливных частях трубопроводных систем долгое время применялись жесткие конструкции в виде сифона. Применение гофрированной трубки – сильфона сделало эту конструкцию не только дешевле (меньшее количество деталей), но и упростило процесс стыковки сливной части раковины с вводным патрубком канализации.

С другой стороны, переход на новый принцип действия, как правило, сопровождается повышением динамичности ТО, увеличением его функциональных возможностей.

Например, применение металлического ключа для открывания дверей автомобиля заменяется посылкой кодированного радиосигнала. При этом сразу может открываться несколько дверей. Этот же «радиоключ» используется и для блокировки системы зажигания.

Кроме того, как будет показано в следующей главе, динамизация является одним из приемов разрешения противоречий в технических задачах.

Таким образом, динамизация, – это одна из наблюдаемых закономерностей развития, использование которой позволяет определять направления совершенствования ТО. Понимая, что любая ТС проходит определенные стадии динамизации, можно определить, на каком этапе она в данный момент находится, и сделать шаг в перспективном направлении.

Одно из направлений совершенствования конструкций – динамизация связей (рис. 21). Связи можно разделить на вещественные и полевые. В вещественных связях используется какая-либо передающая среда – вещество. В полевых связях передающая среда отсутствует.

В вещественных связях взаимодействие компонентов осуществляется непосредственно с помощью вещества, поэтому связи могут различаться в зависимости от того какие свойства вещества для этого используются. Жесткая связь может быть реализована с помощью твердого монолитного вещества, например, стержень, балка, ферма. Гибкие связи могут быть организованы при использовании эластичных и упругих материалов, например, трос, ремень, цепь, сильфон, пружина, или материалов, находящихся в вязкотекучем состоянии, которые занимают промежуточное положение между твердыми веществами и жидкостями, например, термопласт. Может быть использован и газ, например, пневмопривод, газостатические и газодинамические подшипники.

Кинематические

Гидравлическая

Пневматическая

Характер движения

1. Вокруг оси

2. По линии

3. В плоскости 

4. В пространстве

Трос, ремень, цепь

Балка, стержень

Вещественные

Полевые

Твердое вещество

Эластичное вещество

Жесткие

Гравитационные

Электрические

Магнитные

Электромагнитные

Рис. 21. Схема динамизации связей

Если вещества разделены и обеспечивают подвижное соединение, то образуются кинематические связи. Их развитие весьма часто идет в направлении использования более сложных движений.

Полевая связь, как правило, лучше обеспечивает управляемость компонентами технического объекта, она часто создает дополнительные удобства.

Действительно, можно заметить, что многие механизмы в своем развитии проходили этапы, показанные нарис. 21, или, по крайней мере, часть этих этапов.

Однако здесь следует отметить некоторую особенность. С одной стороны, для гидравлической связи, как правило, используются специальные жидкости (естественное вещество – вода часто не удовлетворяет нужным свойствам), а в пневматической связи может использоваться воздух (специальные газы, как правило, не применяются). Поэтому пневматическая связь ближе к идеальному техническому решению.

С другой стороны, гидравлическая связь передает давление практически мгновенно, жидкость несжимаема, поэтому нет потерь на передачу энергии. В пневматических связях часть энергии расходуется на сжатие газа. Поэтому в соответствии с принципом энергетической проводимости гидравлическая связь лучше. Кроме того, она имеет и меньшее время переходного процесса, а это значит, что она лучше и с позиции управляемости процессом.

Приведенная на рис. 21Рис. схема развития связей ТО дает еще один прием поиска технических решений. В частности, если простая кинематическая связь, например, в виде шарнира с одной степенью свободы не позволяет решить задачу, то можно попробовать увеличить количество степеней свободы, изменить характер движения, а именно: перейти к более сложному движению взаимодействующих компонентов. Так работают в манипуляторы современных роботов.

Принцип динамизации используется для совершенствования ТО в рамках определенного ФПД, поэтому можно сказать, что это один из приемов решения задач в процессе конструктивной эволюции ТО.

Например, карданный узел в наборе торцевых гаечных ключей значительно упрощает выполнение работ в труднодоступных местах.

Трамвай из двух вагонов, двухсекционные автобусы и троллейбусы позволяют значительно увеличить вместимость транспортного средства. При этом радиус поворота увеличивается незначительно. Создание двухэтажных автобусов, увеличение длины вагона, дает чисто масштабный эффект. Следует отметить, что оба направления соответствуют конструктивному подходу совершенствования ТО.

Следует отметить также, что переход на другой ФПД, как правило, сопровождается увеличением степени динамичности технической системы.

Динамизация технического объекта часто приводит к увеличению количества выполняемых функций, например, складной нож, разводной ключ,

Динамизация полей осуществляется переходом от полей с постоянными во времени (не изменяющимися) характеристиками, к полям с переменными по времени значениями полевой характеристики.

Поле может меняться во времени и в пространстве. Динамизация во времени может быть представлена последовательностью:

постоянное → возрастающее (убывающее) → циклически меняющееся поле.

Циклические процессы могут быть импульсными и синусоидальными, а управление ими может осуществляться по амплитуде, частоте и сдвигу фаз сигнала.

Динамизация в пространстве выражается в том, что поле из постоянного становится градиентным. Градиент – это мера возрастания или убывания в пространстве какого-либо параметра поля при перемещении на единицу длины.

Переменное поле, как правило, легче поддается преобразованиям, например, трансформатор. Оно имеет больше параметров, которые можно использовать для выработки управляющего сигнала. Импульсное управление, как правило, энергетически более экономно, чем управление постоянным сигналом.

Градиентное поле позволяет решать задачи за счет концентрации напряженности поля в рабочей зоне. Например, большое давление, развиваемое иголкой на малой площади острия; для дистанционного управления потоками заряженных частиц применяется магнитная оптика.

Динамизацию не следует рассматривать только как богатство механического движения. Это более широкие возможности оперативного влияния на параметры, характеризующие компоненты технической системы. Это способность компонентов приспосабливаться к изменяющимся условиям работы, например, автоподстройка радиоприемного устройства на принимаемую частоту сигнала.

3.4.4Переход с макроуровня на микроуровень

Механические способы взаимодействия макровеществ с привлечением свойств различных геометрических форм вещества было положено в основу работы первых технических устройств. Это не случайно, так как макровещество с его внешними формами и геометрическими параметрами непосредственно даны человеку в ощущениях.

С развитием науки и техники происходит более глубокое проникновение в строение веществ, познание глубинных их свойств и более тонких их взаимодействий на молекулярном и атомарном уровнях.

Человек осваивает технологию на основе применения физической химии, ядерной физики, квантовой механики. Механическое способы взаимодействие веществ, положенные в основу физического принципа действия работы устройства, вытесняются взаимодействием частиц вещества, молекул, атомов.

В процессе конструктивной эволюции повышение качества выполняемой функции часто приводит к усложнению ТС. Переход на другой физический принцип действия заключается в том, что физическая операция основывается на использовании свойств веществ, связанных с их внутренним строением при активном участии физических полей. Эти взаимодействия формируют свойства, которые используются для выполнения требуемой физической операции.

Если на начальной стадии развития физическая операция осуществлялась на макроуровне, – взаимодействием различных веществ на основе использования законов механики, то затем, в результате развития науки и техники, она реализуется на микроуровне, т. е. на использовании свойств малых частиц веществ, определяемых законами строения материи.

В результате этого перехода функцию технической системы, состоящей из нескольких компонентов, выполняет одно вещество со специальными свойствами.

Переход с макроуровня на микроуровень – это закономерность, описывающая процесс перехода к другому ФПД в направлении совершенствования системы.

Из приведенных примеров видно, что очередной шаг в развитии техники может осуществляться в разных направлениях в соответствии с описанными закономерностями: по пути конструктивной эволюции; в соответствии с закономерностью стадийного развития техники; по пути динамизации; переходом на микроуровень.

Запуск двигателя в невесомости

Дополнительные двигатели малой тяги для создания

небольшого ускорения

Вытеснительная диафрагма

Капиллярное заборное устройство

электроэнергии

Электростатический

генератор

Вольтов столб

Солнечные батареи

Пьезоэлектрический

преобразователь

Топливные элементы

Химический аккумулятор

Электродинамический

генератор

Рис. 22. Примеры развития ТО путем перехода на микроуровень

Печатная и множительная техника

Жесткие печатные формы

Матричные принтеры

Механическая печатная машинка

Электрическая печатная машинка

Струйные принтеры

Лазерные принтеры

Светокопировальные устройства

Использование электростатических полей («Эра», «Вега», «Ксерокс»)

Динамизация

Добавление ПЭ

Переход на другой ФПД

Рис. 23 Смена физического принципа действия множительной техники

Показателен пример развития пар трения.

1.Подшипник скольжения.

2. Подшипник качения (шариковые, роликовые).

3. Гидростатические подшипники – вал не соприкасается с обоймой, а парит в масле, которое под давлением заполняет зазор. Получается бесконтактная гидростатическая опора.

5. Газостатические опоры. Газ нагнетается под давлением через пористые втулки, которые являются его опорами.

6. Газодинамическая опора. Для быстроходных валов давление газа создается под действием центробежных сил.

7. Магнитные опоры – полевое взаимодействие.

Фонограф Эдисона

Магнитофон – магнитная лента

Патефон – граммпластинки

Электрический проигрыватель – граммпластинки

Запись звука на фотопленке

Звукозапись

Лазерная запись звука

Конструктивная эволюция

Новый ФПД

Конструктивная эволюция, стадийное развитие – добавление ПЭ

Смена ФПД

Рис. 24. Смена физического принципа действия записи звука

Переход на другой ФПД приводит к скачкообразному качественному изменению техники. Например, для идентификации изделий вначале применялись печатные этикетки, затем штрих-коды, магнитные метки, радиометки. В перспективе вся информация об изделии будет зашита в микрочип. Соответственно, меняется и оборудование для считывания информации (фотоэлементы, магнитные сканеры, приемо-передающие устройства).

Последовательные изменения в исходной технической системе могут начинаться с разделения вещества, с объединения его с другим веществом, с изменения формы, затем получение веществ с заданной структурой, и других преобразований (рис. 25).

Переход к другому физическому принципу действия – использованию межмолекулярных, межатомных взаимодействий, квантовых эффектов, наноразмерных структур, приводит к использованию скрытых, глубинных свойств веществ для реализации физической операции.

Например, на смену лампам накаливания, используемых в качестве индикаторов и для подсветки приборов, приходят светодиоды; на смену электронно-лучевой трубке, в которой электронный луч вызывает свечение экрана, приходят жидкокристаллические экраны, в которых жидкий кристалл поворачивает угол поляризации света в зависимости от подводимого к нему напряжения.

В технических системах все большее применение находят материалы со специальными свойствами, например, с эффектом памяти формы, изменяющие свой цвет в зависимости от температуры, фотохромные материалы, – очкихамелеоны и др.

Агрегаты молекул

Дисперсное

Слоистое, волокнистое, матричное

Сплошное

(гомогенное)

Молекулы, атомы, ионы

Элементарные частицы

Перфорированное

Капилярно-пористый материал (КПМ)

КПМ ионоактивные

КПМ с заданной структурой

Рис. 25. Схема перехода вещества на микроуровень

Таким образом, новый ФПД образуется не за счет увеличения числа компонентов технической системы в целом, а за счет изменения компонентов и структуры самого вещества, а также организации их вещественно-полевого взаимодействия.

Это положение хорошо иллюстрируется достижениями нанотехнологий, в основе которых лежит осуществление локальных атомно-молекулярных взаимодействий. Объекты таких взаимодействий имеют размеры от 1 до 100нм. Многие функции полупроводниковых устройств сейчас могут быть выполнены благодяря применению углеродных нанотрубок.

Нанотрубки – это третья аллотропная форма углерода (после графита и алмаза). Они представляют собой цилиндры, свернутые из одной или нескольких графитовых плоскостей, толщиной в несколько атомов. В зависимости от размера и формы они могут обладать проводящими или полупроводниковыми свойствами. Нанодиоды и нанотранзисторы, построенные с их применением, в сотни раз меньше существующих транзисторов и диодов. На основе нанотрубок предложено изготавливать устройства памяти (нанопамять), наноинверторы, наномоторы. Разрабатываются новые материалы с наноструктурой или с нанорельефом, обладающие уникальными свойствами: самоочищением, износостойкостью, цветостойкостью и т. п.

3.4.5Закономерность свертывания – развертывания технической системы

Одно из направлений повышения степени идеальности технических систем – это улучшение выполнения ГПФ, увеличения количества выполняемых функций при тех же или меньших факторах расплаты. Это достигается созданием универсальных ТО, что в процессе конструктивной эволюции приводит к усложнению технической системы.

В техническом объекте главную полезную функцию (ГПФ) выполняет непосредственно рабочий орган. Поэтому процесс развертывание технической системы начинается с момента рождения ТС, т. е. создания функционального центра – рабочего органа , к которому добавляются компоненты, улучшающие выполнение ГПФ. При этом усложняется структура ТС (рис. 27).

((РО  Тр)   ПЭ)   ОУ

Развертывание

Свертывание

Рис. 27. Модель свертывания–развертывания технической системы

Развертывание ТС продолжается сначала в рамках существующей конструктивной концепции, а затем и при ее изменении.

Это приводит к увеличению количества компонентов и, следовательно, к усложнению ТО. Затем новые достижения в науке и техники позволяют отказаться от ряда узлов в пользу одного, который выполняет несколько функций. Начинается процесс свертывания ТС, который сопровождается улучшением выполнения ГПФ.

Таким образом, развертывание ТО это процесс присоединения новых функциональных компонентов. ГПФ остается, но она лучше выполняется. Главное требование – чтобы в процессе развертывания происходило повышение потребительных свойств технического объекта. При этом происходит усложнение ТО за счет увеличения количества компонентов и связей между ними.

Следует отметить, что в развитии реальных технических систем проявляется сразу несколько закономерностей, например, рис. 28.

Пишущая ручка

Гусиное перо

Стальное перо

Шариковая ручка

Фломастер

Доработанный природный материал

Конструктивная эволюция –

смена материала

Образование бисистемы

РО + емкость для чернил

Шариковая ручка с колпачком

Шариковая ручка с убирающимся стержнем

Динамизация

Бисистема

Рис. 28. Развитие пишущей ручки

Процесс свертывания характеризуется тем, что в технической системе уменьшается количество компонентов. Функции упраздненных компонентов передаются другим компонентам или в надсистему.

Поскольку ГПФ выполняет РО, то упраздняться могут только компоненты, которые выполняют основные или вспомогательные функции. Поэтому свертывание ТО происходит в последовательности, обратной развертыванию. В пределе техническую систему можно свернуть до рабочего органа.

Этот процесс полностью соответствует закону увеличения степени идеальности: техническая система уменьшает свои МГЭ (масса-габариты-энергия) при одновременном улучшении выполнения ГПФ.

Процесс свертывания может осуществляться как при конструктивной эволюции ТО, так и в процессе «перехода на микроуровень», т. е. при изменении принципа действия некоторых компонентов ТО, что наблюдается значительно чаще.

С одной стороны, в соответствии с закономерностью стадийного развития, к РО добавляются компоненты, происходит усложнение технического объекта, он развертывается до полной технической системы. Это характерно для этапа конструктивной эволюции.

С другой стороны, в соответствии с законом повышения идеальности, для технических систем характерно стремление к уменьшению количества компонентов – свертыванию ТС.

Переход с макро на микроуровень часто сопровождается объединением функций в одном компоненте (например, в микросхеме выполнены полупроводниковые датчики и мостовая схема для обработки сигнала). Количество компонентов ТС становится меньше, но каждый из них становится многофункциональным, т. е. происходит упрощение структуры технической системы, ее свертывание .

Процессы свертывания и развертывания всегда сопровождаются появлением точек бифуркации (от лат. bifurcus раздвоенный), т. е. разделения, разветвления. Одна часть технических объектов получает развитие на пути конструктивной эволюции, другая – по линии динамизации, третья за счет перехода на микроуровень. Эти процессы сопровождаются скачкообразным изменением свойств технического объекта.

Г. С. Альшуллер отмечал, что одним из направлений развертывания ТС является объединение ее с другой технической системой, – образование бисистемы, эффективность которой выше чем двух слабо связанных систем. Он назвал этот процесс «переходом в надсистему». Затем возможно образование полисистем.

Он отмечал также, что эффективность ТС может быть повышена развитием межэлементых связей, а также «увеличением различия между элементами», – т. е. объединением систем с противоположными свойствами (рис. 29Рис.). Действительно, линия развития: “моно – би – поли – новая свернутая система” прослеживается у многих ТО.

Например, повышение скорострельности оружия шло по линии: одноствольное ружье (пистолет), – двуствольное, – многозарядная винтовка (револьвер), – карабин, – пулемет, автомат.

Синтез би- и полисистем может быть получен объединением: однородных ТС; систем со смещенными характеристиками; систем с противоположными свойствами.

Частично свернутая бисистема

2А 1

Новая бисистема

Частично свернутая бисистема

2Б 1
Моноситема

Полностью свернутая бисистема (новая моносистема)

Бисистема

Рис. 29 Схема развития технической системы

Введение

1. Понятия и определения

2. Закономерности техники

3. Основные законы развития технических систем

3.1 Закон прогрессивной эволюции техники

3.2 Закон полноты частей системы

3.3 Закон расширения множества потребностей-функций

3.4 Закон соответствия между функцией и структурой

4. Вытеснение человека из технических систем

4.1 Закон стадийного развития техники

4.2 Роботизация и законы робототехники

5. Прогнозирование развития технических систем

Список литературы

Введение

Развитие человечества, уже много столетий связано с развитием техники. На протяжении многих лет люди улучшали и модернизировали существующую технику и изобретали новую. Техника же помогала люди развиваться самим, улучшать свои навыки и способности.

Как и весь наш мир техника существует и развивается на основе законов. Разработка законов развития технических систем велась уже достаточно давно. Первую работу по законам развития техники написал Георг Гегель в параграфе «Средство» работы «Наука логики». «Техника механическая и химическая потому и служит целям человека, что ее характер (суть) состоит в определении ее внешними условиями (законами природы)». В 1843 году В. Шульц описал прототип закона полноты частей системы. Он писал, что «можно провести границу между орудием и машиной: заступ, молот, долото и т.д., системы рычагов и винтов, для которых, как бы искусно они ни были сделаны, движущей силой служит человек … все это подходит под понятие орудия; между тем плуг с движущей его силой животных, ветряные мельницы следует причислить к машинам ». Чуть позже некоторые законы развития техники были описаны К. Марксом и Ф. Энгельсом. К. Маркс описал эти законы в разделе «Развитие машин», «…различие между орудием и машиной устанавливают в том, что при орудии движущей силой служит человек, а движущая сила машины – сила природы, отличная от человеческой силы, например животное, вода, ветер и т.д.». Некоторые дополнительные материалы можно найти в работах Ф. Энгельса по истории развития военной техники и ведения войн. Это работы 1860–1861 гг., в частности: «О нарезной пушке», «История винтовки», «Оборона Британии», «Французская легкая пехота» и др. Определенным вкладом в понимании техники и ее законов было создание «философии техники». Этот термин ввел немецкий ученый Эрнест Капп. В 1877 году он выпустил книгу «Основные линии философии техники». Основное развитие этого течения проходило в начале XX века. В основном, развитием «философии техники » занимались немецкие ученые Ф. Дессауер, М. Эйт, М. Шнейдер и др. В России эту тематику разрабатывал П.К. Энгельмейер. В 1911 году он выпустил книгу «Философия техники». Все эти работы обсуждали теоретические и социальные проблемы техники и технического прогресса. Вопросами истории техники, классификации и определения понятий техники занимались многие ученые в различных странах К. Туссман и И. Мюллер (в Германии), В.И. Свидерский, А.А. Зворыкин, И.Я. Конфедератов, С.В. Шухардин (в России) и др. В 1962 году был выпущен фундаментальный труд по истории техники.

Тем не менее, наука о законах техники только начинает формироваться. И первый этап, естественно, связан с формулированием и обоснованием гипотез о законах строения и развития техники. Сегодня нет пока достаточно обоснованных общепризнанных отдельных законов техники и нет еще даже в гипотезах полной замкнутой системы их системы. Создание такой системы, как и обоснование отдельных законов – одно из важнейших актуальных современных направлений фундаментальных исследований, относящихся к технознанию и общей теории проектирования. Это направление ждет своих энтузиастов-исследователей.

Однако, в отличие от недавнего времени сегодня уже имеются теоретические и методические разработки по законам и закономерностям техники, которые представляют большой интерес для практического использования. Законы техники, а также более частные и локальные закономерности могут иметь многоплановое приложение в инженерном творчестве. Во-первых, на основе законов и закономерностей техники могут быть разработаны наиболее эффективные методология и методы инженерного творчества. Во-вторых, привязка законов и закономерностей к конкретному классу технического объекта позволяет определить наиболее структурные свойства, облик и характеристики технического объекта в следующих поколениях.

В данной работе будут рассмотрены наиболее основные законы, нашедшие свое подтверждение на практике, на основание которых можно анализировать существующие технические объекты и со степенью вероятности проектировать дальнейшее развитие отдельных машин и механизмов.

Прежде чем перейти непосредственно к самим законам, нужно дать точное определение техническим объектам, описывающимся в этих законах, и дать определения закону, как понятию.

1. Понятия и определения

Техника(греческое «техне» – ремесло, искусство, мастерство).

Определения техники можно объединить в три основные группы. Их можно представить следующим образом: техника как искусственная материальная система; техника как средство деятельности; техника как определенные способы деятельности.

Первое значение (техника как искусственная материальная система) выделяет одну из сторон существования техники, относя ее к искусственным материальным образованиям. Но не все искусственным материальным образования являются техникой (например, продукты селекционной деятельности, которые обладают естественной структурой). Поэтому сущность техники не исчерпывается подобными определениями, так как не выделяют технику среди других искусственных материальных образований.

Второе значение также является недостаточным. Техника трактуется как средство труда, средство производства, орудия труда и т.д. Иногда техника определяется сразу и как средства, и как орудия. Но это не корректно, так как и то и другое понятия лежат в одной плоскости рассмотрения и средства труда являются более широким понятием по отношению к орудиям труда.

Третье выделенное значение – техника как определенные способы деятельности. Но этой сущности скорее соответствует понятие «технологический процесс», который, в свою очередь, является элементом технологии.

Технический объект. Понятие «технический объект» обозначает такое техническое явление, которое обладает всеми основными признаками общего класса технических образований. Отдельный технический объект является наиболее полной единичной клеткой технического мира.

Таким образом, технические объекты – это такие образования, которые, выполняя функцию средства человеческой деятельности, интегрируют в себе основные стороны деятельности человека (материальную, научную, художественную). Все другие образования существуют относительно самостоятельно и образуют смежные явления, представляющие отдельные части целого. К ним можно отнести: явления духовной жизни человека; произведения искусства; используемые неизмененные природные формы; технические системы, обладающие искусственной природой, но не выполняющие целостной социальной функции.

Наиболее детально характеристику технического объекта дал В.В. Чешев. Он пишет «…технический объект предстает в виде определенной совокупности элементов, в виде определенной вещественной структуры. …он представляет собой особую «целесообразную форму» проявления некоторого закона природы и должен описываться со стороны технических свойств, проявляемых им при практическом использовании в производственной (или какой-либо другой) сфере деятельности, а также должен быть описан со стороны своего внутреннего содержания как процесс, определяемый законом природы. Описывая техническое устройство совокупностью технических и естественных свойств, мы получаем обобщенное представление о техническом объекте».

Машина (от лат. machina – устройство искусственного происхождения (совокупность агрегатов или устройств).

Машиной называют устройство для совершения полезной работы или преобразования энергии. Машины, в которых энергия преобразуется в механическую работу, затрачиваемую на приведение в движение машин-орудий, называют машинами-двигателями.Машины, при помощи которых производится изменение формы, свойств, положения, состояния тех или иных материалов или предметов, называют машинами-орудиями (например, металлорежущий станок). «Идеальная машина» – абстрактный эталон, в реальных условиях недостигаемый и отличающийся следующими обстоятельствами:

Все части идеальной машины все время несут полезную расчетную нагрузку.

Материал «идеальной машины» работает так, что его свойства используются наилучшим образом, например, металлические части работают только на растяжение, деревянные части – только на сжатие и т.д.

Для каждой части «идеальной машины» созданы наиболее благоприятные внешние условия (температура, давление, характер движения внешней среды и т.д.).

Если «идеальная машина» передвигается, то вес, объем и площадь полезного груза совпадают или почти совпадают с весом, объемом и площадью самой машины.

«Идеальная машина» способна менять назначение (в пределах своей основной функции).

Межремонтный период частей равен сроку службы всей «идеальной машины».

Сравнивая «идеальную машину» с идеей изобретения, можно судить об уровне, вообще достигнутом в данной отрасли техники, и о качестве найденной идеи.

Механизм – это совокупность тел (обычно – деталей машин), ограничивающих свободу движения друг друга взаимным сопротивлением. Механизмы служат для передачи и преобразования движения. Как преобразователь движения механизм видоизменяет скорости, или траектории, или же и то, и другое. Он преобразует скорости, если при известной скорости одной из его частей другая его часть совершает движение, подобное движению первой, но с другой скоростью. Механизм преобразует траекторию, если, в то время как одна из его точек описывает известную траекторию, другая описывает другую заданную траекторию.

Теперь перейдем к определению закона и требования, которым должны удовлетворять законы техники.

Закон- необходимое, существенное, устойчивое, повторяющееся отношение между явлениями. Закон выражает связь между предметами, составными элементами данного предмета, между свойствами вещей, а также между свойствами внутри вещи. Но не всякая связь есть закон. Связь может быть необходимой и случайной. Закон – это необходимая связь. Он выражает существенную связь между сосуществующими в пространстве веществами. Это закон функционирования.

Закономерность, обусловленность объективными законами; существование и развитие соответственно законам

А.И. Половинкин сформулировал требования, которым должны удовлетворять законы техники:

1. Формулировка закона техники должна быть по форме лаконичной, простой, изящной, а по содержанию отвечать данным выше определениям закона.

2. Формулировка закона техники должна быть обобщенной и отражать очень большое число известных и возможных факторов. Иначе говоря, закон должен допускать эмпирическую проверку на существующих или специально полученных факторах, имеющих количественную или качественную форму. При этом формулировка закона должна быть настолько четкой, что два человека, независимо подбирающие и обрабатывающие фактический материал, должны получить одинаковые результаты проверки.

3. Формулировка закона техники должна не только констатировать: что, где, когда происходит (то есть упорядочивать и сжато описать факты), но еще, по возможности, дать ответ на вопрос, почему так происходит. В связи с этим заметим, что в науке немало существовало и существует эмпирических законов, которые на отвечают на вопрос «почему?» или отвечают на него частично. И по-видимому, почти нет научных законов (в виду локального характера их действия), которые отвечают на вопрос «почему?». На все вопросы обычно отвечает теория, опирающаяся на несколько законов.

4. Формулировка закона техники должна быть автономно независимой, то есть к законам будем относить такие обобщенные высказывания, которые не могут быть логически выведены из других законов техники. Выводимые обобщения будем относить к закономерностям техники.

5. Формулировка закона техники должна учитывать взаимосвязи: «техника – предмет труда», «человек – техника», «техника – природа», «техника – общество».

6. Формулировка закона техники должна иметь предсказательную функцию, то есть предсказывать новые неизвестные факты, которые могут быть более или менее очевидными, а иногда необычными, парадоксальными.

7. Формулировка всех законов техники должна иметь четко определенную единую понятийную основу.

2. Закономерности техники

Основные закономерности техники описал Ю.С. Мелещенко. Он глубоко и обстоятельно исследовал развитие техники, технических и естественных наук. В своей работе он дал глубокий анализ: концепций, понятий, определений и классификации техники; системы связи техники с другими общественными явлениями; развития техники, и научно-технических революций. В результате этого анализа Ю.С. Мелещенко вывел следующие закономерности развития техники:

1. Закономерности, характеризующие сдвиги в материальной стороне техники;

1.1 Изменения в применении материалов

1.2. Расширение ассортимента природных материалов, применяемых в технике.

1.3. Вовлечение материалов природы в сферу технического использования

1.4. «Поиск и создание новых материалов сочетается с постоянным совершенствованием имеющихся материалов, выявлением и использованием их новых свойств. Этот процесс, имеющий закономерный характер, пронизывает всю историю техники».

1.5. Растущая целенаправленность в применении материалов, из которых создана техника.

1.6. Подбор материалов, которые по своим свойствам наиболее соответствуют структуре и свойствам технических устройства.

1.7. Рациональное использование материалов в количественном отношении. Изменение показателей (обычно в сторону уменьшения) по мере совершенствования техники. Например, уменьшение удельного веса, коэффициента компоновки, показателя относительного веса конструкции и др.

2. Закономерности, связанные с изменениями в использовании процессов природы. Большую часть этой группы образуют закономерности, которые выражают сдвиги в энергетических и других процессах, используемых в технике.

2.1. Последовательное овладение все более сложными формами движения материи, их техническое использование, расширение спектра процессов, применяемых в технике (использование физических, химических и биологических процессов).

2.2. Использование все более глубоких и мощных источников энергии. От использования мускульной энергии человека и животных, к использованию энергии движения воды и воздуха, тепловой энергии (паровой двигатель, двигатель внутреннего сгорания), электроэнергии, атомной энергии.

2.3. Растущая интенсивность применяемых процессов. Например, давления, температуры, скорости, напряжения, скорости и интенсивности применяемых процессов, увеличение скорости и количества принимаемой и перерабатываемой информации и т.д.

2.4. Постоянное возрастание степени целенаправленности используемых энергетических и других процессов. «Смысл и назначение техники и состоит в том, чтобы не просто осуществить какой-то процесс, а максимально направить его в нужную сторону, сделать его наиболее полезным и рациональным». Это осуществляется двумя путями:

2.4.1. Усовершенствование выбранного принципа действия

2.4.2. Переход к принципиально новой технике.

3. Закономерности, связанные с изменением ее элементов, структуры и функций.

3.1. Процесс дифференциации и специализации технических систем, их элементов. «Объективные предпосылки к этому коренятся в росте и развитии общественных потребностей, которые вызывают к жизни все новые и новые формы деятельности, а вместе с ними и соответствующие средства труда. Эти процессы обусловлены также внутренней логикой развития техники».

3.2. Функциональная специализация. Средства труда или сложные технические системы предназначены для обслуживания определенной функции или достаточно общей операции.

3.3. Предметная специализация. Технические устройства или их элементы предназначаются для выполнения узкой операции, имеют ограниченную и жестко закрепленную программу действий.

Интересно отметить так же, что понимает Ю.С. Мелещенко под дифференциацией и специализацией. Он пишет: «Характерно также усиление дифференциации и специализации элементов технических устройств и систем. Примером тому служит классическая система машин трехзвенного состава, включающая в себя рабочую машину, передаточных механизм и двигатель. На ступени автоматизации она дополняется таким специализированным элементом, как управляющее устройство».

4. Процесс усложнения и интеграции техники.

4.1. Движение к автоматизации. «Можно выделить три основных этапа исторически развивающегося взаимодействия, людей и техники в процессе трудовой, целесообразной деятельности: 1) этап использования орудий техники; 2) этап машинной техники; 3) этап автоматизации». «Таким образом, закономерным для развития машинной техники является последовательное и все более полное замещение человека в выполнении материальных функций». «Автоматизация проходит рад ступеней в своем развитии. Различают частичную, комплексную и полную автоматизацию».

Все эти закономерности имеют в своей основе фундаментальные законы развития техники.

3. Основные законы развития технических систем

3.1 Закон прогрессивной эволюции техники

Действие закона прогрессивной эволюции в мире техники аналогично действию закона естественного отбора Дарвина в живой природе. Он отвечает на вопросы, почему происходит переход от предшествующего поколения технического объекта (далее ТО) к следующему улучшенному поколению; при каких условиях, когда и какие структурные изменения происходят при переходе от поколения к поколению.

Формулировка закона: В ТО с одинаковой функцией переход от поколения к поколению вызван устранением выявленного главного дефекта (дефектов), связанного, как правило, с улучшением критериев, развития, и происходит при наличии необходимого научно-технического уровня и социально-экономической целесообразности следующими наиболее вероятными путями иерархического исчерпания возможностей конструкции:

а) при неизменном физическом принципе действия и техническом решении улучшаются параметры ТО до приближения к глобальному экстремуму по значениям параметров;

б) после исчерпания возможностей цикла а) происходит переход к более рациональному техническому решению (структуре), после чего развитие опять идет по циклу а). Циклы а) и б) повторяются до приближения к глобальному экстремуму по структуре для данного принципа действия. При этом значения критериев развития, как правило, изменяются в соответствии функцией вида:

В формуле приняты следующие обозначения: L, a, b, b-коэффициенты определяемые по статическим данным; t – время. Вид функции, называемой S – функцией, показан на рисунке 1.

Рисунок 1. Закономерность изменения значений критерия развития при неизменном принципе действия

В) после исчерпания возможностей циклов а) и б) происходит переход к более рациональному физическому действия, после чего развитие опять идет по циклам а) и б). Циклы а) – в) повторяется до приближения к глобальному экстремуму по принципу действия для множества известных физических эффектов.

При этом в каждом случае перехода от поколения к поколению в соответствии с частными закономерностями происходят изменения конструкции, корреляционно связанные с характером дефекта у предшествующего поколения, а из всех возможных изменений конструкции реализуется в первую очередь то, которое дает необходимое или существенное устранение дефекта при минимальных интеллектуальных и производственных затратах. Циклы, описанные выше, представлены в таблице 1.

Таблица 1 Иерархическое исчерпание возможностей конструкторско-технологических решений

Таким образом, суть закона состоит в том, что в ТО с одинаковой функцией каждый переход от поколения к поколению вызван устранением возникшего главного дефекта (дефектов), связанного с улучшением какого-либо критерия (показателя) развития при наличии определенных технико-экономических условий. Таким образом, сначала на 1-м уровне улучшаются параметры используемого технического решения. Когда изменение параметров мало что дает, изменения осуществляют на 2-м уровне путем перехода к более эффективному техническому решению без изменения физического принципа действия. Затем, при исчерпании параметров, переходят на новое более прогрессивное техническое решение. Указанные циклы на 1-м и 2-м уровнях происходят до тех пор, пока в рамках используемого принципа действия уже не находят новых технических решений, обеспечивающих улучшение интересующих показателей. После этого наступает революционное изменение на 3-м уровне – переход на новый, более прогрессивный принцип действия и т.д. При этом в каждом случае перехода от поколения к поколению действуют весьма определенные частные закономерности изменения конструкции, которые с большой вероятностью конкретизируют направление и характер изменения ТО в следующем поколении.

Следует иметь в виду, что в законе прогрессивной эволюции иерархическое исчерпание конструкции не действует формально: «пока не будут достигнуты глобально оптимальные параметры, не может произойти переход к новому техническому решению, или пока не будут исчерпаны возможности наилучшего технического объекта (в рамках определенного принципа действия), не может произойти переход к новому принципу действия». Закономерность иерархического исчерпания конструкции действует, как указанно в формулировке закона, при соблюдении следующего условия: если при наличии необходимого научно-технического потенциала переход к новому техническому решению или принципу действия обеспечивает получение дополнительной эффективности, существенно превышающей дополнительные интеллектуальные и производственные затраты, то может произойти скачок к новому техническому решению или принципу действия без исчерпания возможностей предыдущего технического решения или принципа действия.

3.2 Закон полноты частей системы

Закон полноты частей системы был разработан автором ТРИЗ Г.С. Альтшуллером. Он выглядела так:

1. Отдельные элементы машины, механизма, процесса всегда находятся в тесной взаимосвязи.

2. Развитие происходит неравномерно: одни элементы обгоняют в своем развитии другие, отстающие.

3. Планомерное развитие системы (машины, механизма, процесса) оказывается возможным до тех пор, пока не возникнут и не обострятся противоречия между более совершенными элементами системы и отстающими ее частями.

4. Это противоречие является тормозом общего развития всей системы. Устранение возникшего противоречия и есть изобретение.

5. Коренное изменение одной части системы вызывает необходимость для функционально обусловленных изменений в других ее частях.

«Между главными составными частями машины – рабочим органом, передаточным механизмом (трансмиссией) и двигателем – имеется определенное соотношение, ибо все эти части находятся в тесной взаимосвязи и взаимообусловленности. Наличие взаимосвязи между главными составными частями машины приводит к тому, что развитие той или иной части оказывается возможным только до определенного предела – пока не возникнут противоречия между измененной частью машины и оставшимися без изменений другими ее частями». И далее «Противоречия, возникающие между отдельными частями машины, являются тормозом общего развития, ибо дальнейшее усовершенствование машины невозможно без внесения изменений в соответствующие ее части, без коренного улучшения их свойств».

Это закон объясняет причину, того что даже революционное изменения одно элемента, как это описано в 1 законе не приводит к аналогичному улучшению всей машины в целом.

3.3 Закон расширения множества потребностей-функций

Этот закон имеет отношение к развитию техники в целом отдельной страны или всего мира. В политэкономии уже давно известен закон возвышения потребностей, которые сформулирован на качественном уровне. Формулировка закона основывается на предшествующих работах и относится только к потребностям, реализуемым с помощью ТО:

При наличии необходимого потенциала и социально-экономической целесообразности возникшая новая потребность удовлетворяется с помощью впервые созданных технических средств (объектов); при этом возникает новая функция, которая затем существует как угодно долго, пока ее реализация будет обеспечивать и сохранение и улучшение жизни людей. Число таких качественно и количественно различающихся потребностей-функций, относящихся к техносфере страны или мира, со временем монотонно и ускоренно возрастает по экспоненциальному закону

где – число потребностей-функций до момента t=0: – эмпирический коэффициент;

t – время в годах.

3.4 Закон соответствия между функцией и структурой

Закон между функцией и структурой на протяжении многих веков изучали и обсуждали на философском уровне. При этом отмечали и анализировали многочисленные факты удивительных соответствий между выполненными функциями любого органа живого организма и его структурой (строением, конструкцией, конструктивными признаками). Такие же соответствия отмечались в деталях узлах машин, сооружений и других технических объектов.

Главная суть закона заключается в том, что в правильно спроектированном техническом объектом каждый элемент от сложных узлов до простых деталей и каждый конструктивный признак имеют вполне определенную функцию (назначение) по обеспечению работы технического объекта. И если лишить такой ТО какого-либо элемента или признака, то он либо перестанет работать (выполнять свою функцию), либо ухудшит показатели своей работы. В связи с этим у правильных ТО нет «лишних деталей». Эта главная суть соответствия между функцией и структурой лежит в основе всей познавательной деятельности, связанной с анализом и изучением существующих ТО и всей проектно-конструкторской деятельности по созданию новых ТО.

Каждый элемент ТО или его конструктивный признак имеют хотя бы одну функцию по обеспечению реализации функции ТО, т.е. исключение элемента или признака приводит к ухудшению какого-либо показателя ТО или прекращению выполнения им своей функции. Совокупность всех таких соответствий в ТО представляет собой функциональную структуру в виде ориентированного графа, который отражает системную целостность ТО и соответствие между его функцией и структурой (конструкцией).

Рассмотрим этот закон на примере функционального строения обрабатывающих (технологических) машин.

ТО или соответствующие человеко-машинные системы, предназначены для обработки материального предмета труда, состоят из четырех подсистем (элементов) , реализующих соответственно четыре фундаментальные функции, показанные на рисунке 2

Рисунок 2. Обобщенная функциональная структура обрабатываемых машин: => поток вещества, поток энергии, поток управляющих сигналов и воздействий

Ф1 – технологическая функция – обеспечивает превращение исходного материала (сырья) в конечный продукт ;

Ф2 – энергетическая функция – превращает вещество или извне полученную энергию в конечный вид энергии , необходимы для реализации функции Ф1;

Ф3 – функция управления – осуществляет управляющие воздействия , на подсистемы , в соответствии с заданной программой и полученной информацией , о количестве и качестве выбранного конечного продукта и конечной энергии ;

Ф4 – функция планирования – собирает (получает) информацию о произведенном конечном продукте и определяет потребные качественные и количественные характеристики конечного продукта.

Анализ функций различных ТО позволяет накапливать и формировать базы данных по формализованным описаниям функций элементов ТО и функциональным структурам ТО. Все эти базы данных могут быть эффективно использованы в различных методах поискового проектирования и конструирования, при проведении функционально-стоимостного анализа ТО технологий, построений информационно-поисковых систем для поддержки проектно-конструкторской деятельности.

4 Вытеснение человека из технических систем

4.1 Закон стадийного развития техники

В техники революционные изменения связаны с передачей техническим средствам широко распространенных функций, выполняемых человеком. Закон стадийного развития техники отражает революционные изменения происходящие в процессе развития как отдельных классов ТО, так и техники в целом. Гипотеза о законе имеет на инженерном уровне следующую формулировку.

ТО с функцией обработки материального предмета труда имеют четыре стадии развития, связанные с последовательной реализацией с помощью технических средств четырех фундаментальных функций и последовательным исключением из технологического процесса соответствующих функций, выполняемых человеком:

на первой стадии ТО реализует только функцию обработки предмета труда (технологическая функция);

на второй стадии, наряду с технологической, ТО реализует еще функцию обеспечения энергией процесса обработки предмета труда (энергетическая функция);

на третий стадии ТО реализует еще функцию управления процессом обработки предмета труда;

на четвертой стадии ТО реализует также и функцию планирования для себя объема и качества продукции, получаемой в результате обработки предмета труда; при этом человек полностью исключается из технологического процесса, кроме более высоких уровней планирования.

Переход к каждой очередной стадии происходит при исчерпании природных возможностей человека в улучшении показателей выполнения соответствующей фундаментальной функции в направлении дальнейшего повышения производительности труда и (или) качества производимой продукции, а также при наличии необходимого научно-технического уровня и социально экономической целесообразности.

В таблице 2 приведены примеры стадийного развития различных ТО, которые дополняют формулировку закона. Рассматриваемый закон имеет определенную связь с закономерностью функционального строения обрабатывающих машин.

Таблица 2. примеры стадийного развития ТО

Закон стадийного развития отражает также развитие мировой техники в целом, что наглядно показано в таблице 3 где обозначение «ТО» указывает на реализацию соответствующей фундаментальной функции техническими средствами.

Таблица 3. Стадии развития техники

Следует отметить, что предписываемая законом картина последовательного четырех стадийного развития ТО имеет место только для классов ТО, появившихся до XVIII века. Уже в XIX веке, когда техника в целом находилась на второй стадии развития, вновь появившиеся ТО одновременно реализовали технологическую и энергетическую функции, поскольку для этого существовал необходимы научно-технический уровень и это следовало из требований социально-экономических целесообразности. Аналогично картину мы наблюдаем в настоящее время, когда вновь появляющеюся пионерные ТО для реализации новых потребностей часто реализует сразу три фундаментальные функции (технологическую, энергетическую, управления).

4.2 Роботизация и законы робототехники

В данной работе мы рассмотрим законы роботостроения и робототехники лишь обзорно и не будем углубляется во все существующие проблемы данной индустрии.

В настоящее время автоматизация достигла такого уровня, при котором ТО выполняют не только функции по обработке материальных предметов, но и начинают выполнять обслуживанию и планированию. Человекоподобные роботы уже выполняют функции секретарей и гидов. Робототехника уже выделена в отдельную отрасль. Сегодня человечество практически вплотную подошло к тому моменту, когда роботы будут везде и всюду. Латентная, почти незаметная в быту эволюция роботов вот-вот выльется в самую настоящую революцию роботов . Или даже Великую Революцию Автоматизированной Экономики .

Законы робототехники еще только разрабатываются. Сейчас многие ученые стараются выработать законы развития роботов и законы взаимодействия человека с роботом. Эти законы могут сыграть важную роль в будущем.

1. Робот не может причинить вред человеку или своим бездействием допустить, чтобы человеку был причинён вред (A robot may not injure a human being or, through inaction, allow a human being to come to harm)

2. Робот должен повиноваться всем приказам, которые дает человек, кроме тех случаев, когда эти приказы противоречат Первому Закону (A robot must obey orders given to it by human beings, except where such orders would conflict with the First Law)

3. Робот должен заботиться о своей безопасности в той мере, в которой это не противоречит Первому и Второму Законам (A robot must protect its own existence as long as such protection does not conflict with the First or Second Law).

Значительно позже, в 1986 году, Азимов дополнил этот свод законов ещё одним, нулевым правилом:

· Робот не может нанести вред человечеству или своим бездействием допустить, чтобы человечеству был причинён вред (A robot may not harm humanity, or, by inaction, allow humanity to come to harm)

Согласно статистической информации, собранной учёными проекта PHRIENDS (Physical Human-Robot Interation: DepENDability and Safety, то есть, Физическое взаимодействие людей и роботов: Надёжность и Безопасность), сегодняшние «гражданские» роботы в большинстве случаев безопасны лишь когда изолированы от доступа человека или когда передвигаются достаточно медленно. То есть, ни о каком соблюдении требований Первого (и Нулевого) Законов Робототехники пока и речи быть не может.

Сейчас ведутся активные разработки по обеспечению безопасности. В частности, сейчас учёные занимаются работой над прототипом исполнительного механизма под названием Variable Stiffness Actuator (VSA) с мехатронным (электронно-мехиническим) дизайном, позволяющим создавать лёгкие и менее «жёсткие» конечности роботов. Возможно, чем-то подобным будут оснащаться эти самые «робоняньки для престарелых», но на первое время подобные манипуляторы будут очень даже к месту на обычном производстве, где роботы и люди по-прежнему вынуждены трудиться «плечом к плечу». Уж если кто и сможет сказать что-то дельное при разработке будущих мировых стандартов безопасности роботостроения, то без мнения этих учёных точно не обойтись.

Также в роботостроении существует закономерность согласно которой, роботы с каждым поколением приобретают все больше человеческих черт и признаков . Это связано с тем что человеку психологический проще находиться рядом с объектом, который обладает сходством с человеком, кроме того не за горами когда роботы начнут выполнять роль нянек для младенцев и пожилых людей, такие разработки уже активно ведутся.

Однако препятствием к очеловечиванию роботов препятствует феномен так называемой «долины жути». В 1970 году пионер японской робототехники Масахиро Мори описал явление, названное им «Букими но тани» – «Долина жути» (сейчас распространен англоязычный термин, Uncanny Valley). Доктор Мори предположил, что человекообразные роботы будут симпатичны нам до лишь определенного предела. Когда внешний вид и поведение таких механизмов достигнут почти полной реалистичности, человек станет испытывать к ним резкую неприязнь. Но как только будет достигнут полный реализм, наше восприятие снова сменится на положительное или нейтральное. Объясняется это тем, что мы склонны испытывать симпатию к неодушевленным предметам, обнаруживающим сходство с человеком; обратная же ситуация, когда объект выглядит почти как человек, но демонстрирует явные признаки неодушевленного предмета, вызывает негативную реакцию, замешательство и страх. В 1978 году Мори объявил о подтверждении своей гипотезы, проведя ряд экспериментов при поддержке Токийского института технологий. Испытуемые добровольцы действительно охотнее проникались расположением к негуманоидным роботам, в то время как человекообразные автоматы чаще вызывали у них неприязнь.

Рисунок 3 Восприятие человека человекоподобных объектов

Таким образом, перед разработчиками роботов стоит еще очень большое количество проблем, поскольку многие законы и закономерности еще в роботостроение не установлены человеком еще или имеют не подтвержденный характер.

5. Прогнозирование развития технических систем

Если говорить, в общем, то прогнозирование развития техники в целом является очень сложной задачей, поскольку существующие законы техники не могут сказать каким будет уровень научно-технического развития через несколько лет. Так же тот же закон прогрессивной эволюции техники может установить как близко подошел тот или иной ТО к переходу на новый уровень. Прогнозирование с помощью S функции позволяет установить, насколько недоиспользованы возможности применяемого принципа действия Если эти возможности имеют значительные резервы, то на основе прогнозирования можно сформулировать задание на улучшение интересующих главный показателей. Если же прогноз покажет, что возможности принципа действия практически исчерпаны, то будет сделан обоснованный вывод о необходимости перехода на новый принцип действия. Но закон прогрессивной эволюции не может ответить каким будет новый принцип действия и когда именно произойдет переход.

Сейчас активно ведутся разработки по использованию законов развития биологии и переносе «патентов» природы для решения изобретательских задач.

Первым в 1964 г. высказал эту идею Г. Альтшуллер: «Как известно, бионика изучает животных с целью примене ния найденных принципов и приемов работы их органов к решению инженерно-технических задач. Однако современные животные – слишком сложные прообразы для современной техники. Это нередко затрудняет изучение «живых моделей», тормозит (а порой делает невозможным) создание технических аналогов. Между тем часто целесообразно брать в качестве прообразов вымерших ныне животных, изучаемых палеонтологией, так как они проще устроены. Другое преимущество такого подхода состоит в том, что во много раз расширяется круг прообразов, ибо современные животные – лишь незначительная часть фауны, существовавшей в течение всей истории Земли».

Многие природные механизмы и «конструкции» сейчас применяются в авиа- и машиностроении, в робототехники, медицине.

Применительно к конкретному ТО можно проводить анализ на основе закона соответствия между функцией и структурой.

Этот анализ сводиться к следующему.

1. Оценка функциональной ценности каждого элемента (узла или детали в машине, машины или станка в технологическом комплексе) с точки зрения его исключения и передачи его функций другому элементу.

2. Выделение комплекса функций в целях их реализации одним автономным техническим средством

3. Оценка целесообразности изменения потоковой функциональной системы и выбора более рациональной последовательности функциональных элементов.

4. Оценка целесообразности разделения функций элементов, выполняющих две и более функции.

5. Проверка полноты функциональной системы в соответствии с закономерностью функционального строения данного класса ТО. Оценка целесообразности введения новых функциональных элементов.

6. Выделение функций, выполняемых человеком, и оценка возможности и целесообразности их выполнениями техническими средствами

7. Оценка возможности использования функциональной системы ТО, выполняющих близкие и аналогичные функции и имеющих опережающие темпы развития по сравнению с разрабатываемым классом ТО.

Практическое использование закона стадийного развития связано с проведением исследований по его привязки к интересующему классу ТО, а также к функционально близкому классу ТО, имеющих опережающие темпы развития. При выполнении этих исследований даются ответы на следующие вопросы:

На какой стадии развития находиться рассматриваемый ТО или технологический комплекс?

Ограничивает ли возможности человека существенное улучшение основных показателей ТО?

Имеются ли необходимые научно-технические и технологические возможности для перехода на следующую стадию?

Имеется ли социально-экономическая целесообразность перехода на следующую стадию?

На основе такого анализа делается вывод о целесообразности перехода на следующую стадию и формируется соответствующее задание на научно-исследовательские и опытно-конструкторские разработки.

И так на основе имеющихся законов можно анализировать существующие конкретные технические объекты, устанавливать их уровень развития и прогнозировать их дальнейшее развитие. Но прогнозировать развитие техники в целом очень затруднительно и такой прогноз будет условным и неточным. В настоящее время еще не сложилась единая система законов развития техники и любых других систем. Будущим исследователям законов развития систем предстоит серьезно исследовать все имеющиеся материалы. Прежде всего, нужно исследовать самые древние системы. К ним в первую очередь относятся биологические системы. Может быть, следует даже исследовать еще более древние системы образования звезд, планет и космической системы и галактики. Должны быть исследованы различные виды культур, языки, религии, музыка, литература, искусства и т.д. Не менее интересно исследовать стремительно развивающиеся сегодня системы высоких технологий. Здесь тоже имеются свои закономерности. Особенно это касается микроэлектроники, компьютеров и программирования. В них наверняка имеются те закономерности, которые еще не выявлены.

Литература

1. Половкин А.И. Законы строения и развития техники. 3-е издание, переработанное и дополненное. Волгоград 1985 г.

2. Половкин А.И. Основы инженерного творчества. 2-е издание, переработанное и дополненное – М. Машиностроение, 1988. -368 с., ил.

3. Чешев В.В. О предмете и основных понятиях технических наук (гносеологический анализ). Автореферат диссертации на соискание ученой степени кандидата философских наук. Томск, 1968. с. 8 и 12.

4. Мелещенко Ю.С. Техника и закономерности ее развития. – Л.: Лениздат, 1970, 248 с

5. Альтшуллер Г.С. Как научиться изобретать. – Тамбов: Кн. изд., 1961,

6. Альтшуллер Г.С. О законах развития технических систем. – Баку, 20.01.1977.

7. Золотин. Б.Л., Зусман А.В. Законы развития и прогнозирования технических систем. Кишенев, Прогресс, 1989 г.

8. Петров В.М. Закономерности развития технических систем. – Методология и методы технического творчества. – Тезисы докладов и сообщений к научно-практической конференции 30 июня – 2 июля 1984 г. – Новосибирск, 1984 г.

9. Свидерский В.И. Некоторые особенности развития в объективном мире. – Л.: Изд-во ЛГУ, 1965.

Из книги "Творчество как точная наука", Г.С. Альтшуллер, М. "Советское радио", 1977 г, стр. 122-127.

Законы развития технических систем можно разделить на группы: "статику", "кинематику" и "динамику".

"Статика" — законы, которые определяют начало жизни технических систем. Любая техническая система, возникающая в результате синтеза в единое целое отдельных частей, дает жизнеспособную систему. Существуют, по крайней мере, три закона, выполнение которых необходимо для того, чтобы система оказалась жизнеспособной.

Каждая техническая система должна включать четыре основные части: двигатель, трансмиссию, рабочий орган и орган управления. Смысл закона 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 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 19-ого века ("закон минимума").

Из закона вытекает очень важное следствие.

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.

Важное значение имеет следствие из закона.

Хорошо работают, а значит, и жизнеспособны только системы, в которых вид колебаний подобран так, что части системы не мешают друг другу и наилучшим способом выполняют полезную функцию.

К "кинематике" относятся законы, определяющие развитие технических систем независимо от конкретных технических и физических факторов, обусловливающих это развитие.

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 15-20 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 КПД 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.

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 затормозить, 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…

Один из путей такого перехода: технические системы объединяются с образованием би- полисистемы. Объединение систем в надсистему (НС) "выгодно" для технической системы:

• часть функций передается в надсистему (например, ремонт телевизоров в одной мастерской);
• часть подсистем выводятся из технической системы, объединившись в одну становятся частью надсистемы (коллективная антенна вместо десятков индивидуальных);
• у объединенных в надсистеме технических систем появляются новые функции и свойства…

"Динамика".

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.

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.

Переход с макро- на микроуровень — одна из главных (если не самая главная) тенденций развития современных технических систем.

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; увеличение степени дисперсности веществ, числа связей между элементами и отзывчивости системы.

Это типичная задача на синтез измерительной системы. Измерение, как и изменение, всегда связано с преобразованием энергии. Но в задачах на изменение необходимость преобразования энергии видна намного отчетливее, чем при решении задач на измерение. Поэтому при решении задачи 12 методом перебора вариантов даже не вспоминают о законе обеспечения сквозного прохода энергии. В эксперименте задача была предложена четырем заочникам (живущим в разных городах), только приступающим к изучению ТРИЗ. Результат: выдвинуто 11 идей, контрольного решения нет. Предложения характеризуются неопределенностью: «Может быть, острые и тупые «кнопки» отличаются по весу? Тогда надо проверить возможность сортировки по весу...». Четыре заочника второго года обучения дали контрольные ответы, причем двое из них отметили тривиальность задачи.
В самом деле, если применить закон о сквозном проходе энергии, ясно, что энергия должна проходить сквозь основание «кнопки» и стерженек, а затем поступать на измерительный прибор. При этом между острием стерженька и входом измерительного прибора желательно иметь свободное пространство (воздушный промежуток), чтобы не затруднять движения «кнопок». Цепь «кнопка - острие стерженька - воздух - вход прибора» может быть легко реализована, если энергия электрическая, значительно труднее она реализуется при использовании других видов энергии. Следовательно, надо рассмотреть процесс в потоке электрической энергии, а также то, в каких случаях ток зависит от степени заостренности стерженька, контактирующего с воздухом. Такая постановка вопроса в сущности содержит и ответ на задачу: надо использовать коронный разряд, сила тока в котором прямо зависит (при прочих равных условиях) от радиуса кривизны (т. е. от степени заостренности) электрода.
Существуют и некоторые другие закономерности статики, которые пока еще не сформулированы достаточно четко. Таков, например, «принцип соответствия», по которому оптимальные размеры рабочего органа системы должны быть того же порядка (или на один-два порядка меньше), что и размеры обрабатываемой области изделия. Здесь ясно видна некоторая неопределенность: в каких случаях размеры должны быть равны, а в каких на два порядка меньше? Пока удалось только подметить, что в измерительных задачах почти всегда размеры инструмента (точнее, рабочих частей, рабочих частиц) примерно на два порядка ниже размеров измеряемого объекта.
Вторая группа законов развития технических систем (законы кинематики) характеризует направление развития независимо
от конкретных технических и физических механизмов этого развития.
Развитие всех технических систем, во-первых, идет в направлении увеличения степени идеальности, во-вторых, происходит неравномерно - через возникновение и преодоление технических противоречий, причем чем сложнее система, тем неравномернее и противоречивее развитие ее частей. И в-третьих, развитие возможно до определенного предела, за которым система включается в надсистему в качестве одной из ее частей, при этом развитие на уровне системы резко замедляется или совсем прекращается, заменяясь развитием на уровне надсистемы.
Существование технической системы - не самоцель. Система нужна только для выполнения какой-то функции (или нескольких функций). Система идеальна, если ее нет, а функция осуществляется. Конструктор подходит к задаче так: «Нужно осуществить то-то и то-то, следовательно, понадобятся такие-то механизмы и устройства». Правильный изобретательский подход выглядит совершенно иначе: «Нужно осуществить то-то и то-то и сделать это необходимо, не вводя в систему новые механизмы и устройства». Примером может служить решение задачи 1 о шлаке: жидкий шлак сам себя защищает от теплопотерь с помощью «крышки» из шлаковой пены. Крышка есть (т. е. пена шлака играет роль крышки) и крышки нет (как специального объекта, который надо опускать и поднимать).
При решении задач перебором вариантов сознательное стремление к идеальному объекту встречается крайне редко. Но повышение степени идеальности систем - закон. К ответу, повышающему степень идеальности, приходят на ощупь после того, как отброшено множество «пустых» проб.
Как возникают новые виды животных? В результате действия различных мутагенных факторов появляются новые признаки. В огромном большинстве случаев эти признаки бесполезны или вредны. И лишь изредка появляется признак, полезный для организма. Естественный отбор «бракует» особи с неудачными новыми признаками и способствует сохранению и распространению особей с полезными признаками. Итак, беспорядочные «пробы» и естественный отбор.
Таков и механизм работы при совершенствовании технических систем перебором вариантов. Изобретатели, не зная законов технических систем, генерируют множество различных вариантов решения. Жизнеспособными оказываются только те «мутации», которые действуют в направлении, совпадающем с объективно существующими законами развития. В хороших изобретениях
нетрудно заметить эффект повышения идеальности, хотя достигнут этот эффект чаще всего неосознанно, случайно, после многих попыток, связанных с уменьшением степени идеальности.
У природы нет сознания, разума: результаты мутаций не изучаются, борьба за повышение «процента удачных мутаций» не ведется. Если круто меняются внешние условия, организмы с большим циклом смены поколений (т. е. с небольшим числом мутаций в единицу времени) просто погибают. В технике есть возможность накопить опыт «мутаций» (таким накопителем, в частности, является патентный фонд), исследовать его, выявить «правила удачного мутирования», объективно совпадающие с законами развития технических систем. Это позволит вести «мутации» сознательно: первый же выдвинутый вариант должен быть наилучшим.
В начале книги мы уже говорили о технических противоречиях, теперь кое-что уточним.
Существуют противоречия административные (АП): нужно что-то сделать, а как сделать - неизвестно. Такие противоречия отражают лишь сам факт возникновения изобретательской задачи, точнее, изобретательской ситуации. Они автоматически даются вместе с ситуацией, но ни в коей мере не способствуют продвижению к ответу. Технические противоречия (ТП) отражают конфликт между частями или свойствами системы (или «межранговый» конфликт системы с надсистемой, системы с подсистемой). Изобретательской ситуации присуща группа ТП, поэтому выбор одного противоречия из этой группы равносилен переходу от ситуации к задаче. Существуют типовые ТП, например, в самых различных отраслях техники часто встречаются ТП типа «вес-прочность», «точность-производительность» и т. д. Типовые технические противоречия преодолеваются типовыми приемами. Путем анализа многих тысяч изобретений (преимущественно третьего-четвертого уровней) удалось составить списки таких приемов. Более того, были составлены таблицы применения этих приемов в зависимости от типа противоречий. Поэтому ТП обладают определенной эвристической ценностью: зная ТП, можно по таблице выйти на нужную группу приемов. Однако при решении сложных задач такой путь не всегда оказывается эффективным, поскольку многое остается неопределенным: неизвестно, какой именно прием из группы надо использовать, к какой части конфликтующей пары его отнести, как именно применить (например, дробление) в обстоятельствах данной задачи. Положение осложняется еще и тем, что решения многих сложных задач связаны с использованием определенных сочетаний нескольких приемов (или сочетаний приемов и физэффек-

тов). Поэтому анализ задач необходимо вести глубже, выявляя физическую суть ТП.