Законы развития технических систем. ТРИЗ

Продолжим пример. Выберем из списка первый принцип действия (варить в воде).

Выберем какой-то из вариантов структуры для его реализации:

ИЭ – химическая энергия природного газа; еще есть возможность использования электроэнергии (для электроплиты) и дров (для печи).

ДВ – двигателем (преобразователем энергии газа) может послужить газовая конфорка.

ТР – трансмиссией (средством для переноса энергии) выступит горячий газ и металлическая кастрюля.

РО – непосредственное рабочее воздействие на яйца окажет горячая вода.

Выбирая источник энергии, следует учесть его доступность, удобство, затраты времени и труда для его использования (дровяную печь понадобилось бы сначала разжечь).

Мы не хотим, чтобы вода активно кипела и быстро испарялась, но для этого необходимо управлять процессом. Система управления процессом тоже имеет варианты – можно регулировать тепловой поток меняя расход газа через горелку, и можно регулировать тепловой поток за счет приподнимания кастрюли – удаляя ее от огня. Первый вариант экономичнее, но требует развертывания структуры конфорки – понадобится орган для регулирования потока газа на входе в нее (он всегда имеется у газовой плиты), и потребуется развертывание структуры кастрюли – понадобится крышка.

Соединение элементов формируемой системы.

Виды свойств элементов системы:

1. Структурно-вещественные.

Это качества вещества, которые создает его структура.

Например, свойства вещества, определяемые его составом, видом компонентов, физическими особенностями (вода, воздух, сталь, бетон, газ метан).

Скорость звука в воде, составляет около 1500 м/сек, в воздухе 340 м/сек; а в водо-воздушной смеси (5 % объема – пузырьки воздуха) скорость падает до 30-100 м/сек.

В примере выше. Из стали изготовлена теплопроводная кастрюля, форма которой пригодна для установки на решетку газовой плиты и пригодна для организации процесса обтекания стенок кастрюли горячим газом. Сталь не разрушается и не теряет форму при температуре горения газа.

Вода в температурном интервале 0оС – 100оС представляет собой жидкость, которая при нагревании будет активно перемешиваться, снимая тепло со стенок кастрюли, и будет проводить его к объекту обработки.

2. Структурно-полевые.

Нас интересует использование полезных свойств определенным образом структурированного поля. Это свойства поля воздействия, которое создаст структурированное определенным образом вещество.

К примеру, вес – неотъемлемое свойство любого элемента. Это поле направлено к центру Земли, а сила Архимеда действует в противоположном направлении.

Горячий газ (из примера выше) в гравитационном поле поднимается вверх, стенки кастрюли структурируют его таким образом, что он со всех сторон омывает кастрюлю и движется вдоль ее поверхности.

Форма кастрюли, удерживает воду и яйца, на которые действуют силы гравитации, вода канализирует тепло от стенок кастрюли к обрабатываемому продукту, соединяя их поверхности.

3. Функциональные.

Это свойства, которые могут быть получены из разных вещественно-полевых сочетаний (если они обладают требуемой способностью действовать).

Например, из примера выше: соединение газа с кислородом имеет полезную функцию тепловыделения, теплопроводность горячих газов и металлической кастрюли имеет способность канализирования потока тепла к воде.

Низкая вязкость и теплопроводность воды (рабочего органа) обеспечивают выравнивание ее температуры в объеме кастрюли – устраняя температурные градиенты вода стремится устранить температурный градиент холодных яиц.

4. Системные.

Это совокупные (интегральные) свойства. В отличие от свойств 1-3 они не равны свойствам элементов, входящих в систему. Эти свойства возникают при образовании системы в виде выигрыша от объединения ее элементов.

В примере выше свойства элементов суммировались в полезную последовательность действий для того, чтобы сначала забрать из потока горячего газа больше тепла (высокая теплопроводность металла и форма кастрюли), затем передать тепло воде (ее высокая теплопроводность и низкая вязкость), с помощью воды создать нужный тепловой режим для обработки яиц, и обеспечить равномерность его воздействия.

Суммирование свойств привело к равномерному прогреву яиц тепловым потоком с температурой 100оС, что обеспечило определенные их вкусовые качества.

Разделив систему на части, и отделив одну или несколько из них, мы обнаружим, что какое-то качество исчезло. Исчезновение системного качества отличается в разных системах продолжительностью процесса деления.

К примеру, иголка перестает функционировать при делении на две части. Системное свойство сахара проявляется в его количестве – когда мы его употребляем, то можем отметить границу количества молекул сахара, достаточного для возникновения ощущения его системного свойства – его вкуса.

Уголь тоже проявит свое системное качество достаточной длительностью выделения тепла и результативностью его воздействия, иначе мы назовем его системную способность выделять тепло незначительной и не имеющей практической пользы.

Самолет теряет свойство летать при удалении какой-то одной существенной его функциональной части – крыла, двигателя или хвостового оперения, его системы управления. Без шасси он не сможет разогнаться и взлететь.

Потеря несущественной его части, например, небольшой части крыла при боевом столкновении, не повлияет на летные качества.

Пример (выше) с приготовлением еды. Если убрать кастрюлю и воду, то яйца опустятся на поверхность плиты, а горячий газ, поднимаясь вверх, не будет омывать и нагревать их.

Если убрать только воду, то округлые яйца на плоском дне кастрюли будут неравномерно нагреваться, и могут с одного бока подгореть, а с другого оставаться сырыми.

Любой элемент обладает многими свойствами. Одни из этих свойств при формировании полезных связей подавляются, другие, напротив, приобретают отчетливое выражение. Другими словами, одни свойства складываются, другие нейтрализуются. Те свойства, которые складываются могут быть достаточны для результативного действия, а могут и не создавать требуемого результата воздействия, и не иметь значения, а еще могут и приносить вред.

Появлением системного эффекта мы назовем существенное (значимое) возрастание полезности / вреда от использования элементов в определенном взаимосвязанном виде.

Три позитивных комбинации пользы и вреда от объединения элементов системы:

• Положительные свойства складываются, взаимоусиливаются, отрицательные остаются неизменными.

Объединение листов стекла в пакет суммирует их прочность, их связанность не должна исчезать при вибрации (для этого, например, понадобится тонкий слой масла между ними), а их количество должно быть достаточным для сохранения их целостности при транспортировке, что результативно проявит системный эффект (соединение, к примеру, двух тонких листов стекла даст несущественный эффект). А хрупкость стекол сохранилась.

Если удлинение киля у яхты создает смещение центра тяжести вниз, то создает рычаг, который усиливает полезное действие балластного груза. Увеличение массы балласта тоже добавит противодействующую опрокидыванию мощь. Отрицательные свойства остаются неизменными: удлинённый киль не даст двигаться на мелководье и создает дополнительное гидродинамическое сопротивление движению яхты, а увеличенный балласт снижает грузоподъемность судна, но оптимальные их параметры, все же, могут сократить проявление этих негативных свойств.

Закон перехода количественных изменений в качественные можно назвать еще законом проявления полезных системных свойств.

К примеру, щетка для перемещения частиц определенного размера станет эффективной при обеспечении соответствующей их размеру густоты щетины.

• Положительные свойства складываются, а отрицательные взаимно уничтожаются.

Примеры.

Два солдата, прижавшись спинами, образуют круговую оборону, с таким их взаимодействием исчезло вредное свойство – «опасность атаки со спины».

Допустим, понадобилось перегородить ручеек с помощью валяющихся рядом кирпичей. Если бесполезно лежащие кирпичи не взаимодействуют и совместно полезно не используются, то не образуют систему. Поставим один кирпич на длинную грань поперек ручья, он начнет обтекать его с двух сторон – эти короткие грани кирпича и есть те самые вредные (мешающие полезному функционированию) свойства – эти грани пропускают поток. Чтобы «уничтожить» эти свойства, приставим с двух сторон еще по кирпичу, и «вредные» грани исчезли – только что у трех кирпичей было шесть коротких граней, теперь осталось только две, а четыре остальных взаимно нейтрализовались, при этом полезное свойство (перегораживать поток) усилилось - нужные свойства сложились вместе.

Железобетон. Стальная арматура хорошо работает на растяжение, бетон – на сжатие, то есть положительные свойства составляющих железобетона дополняют друг друга: цемент защищает сталь от коррозии, пассивируя кислую среду, сталь не дает рассыпаться бетону от растягивающих нагрузок. А отрицательные взаимно компенсируются: невозможность бетона работать на растяжение, неустойчивость матрицы из металлических стержней при сжатии и коррозионная нестойкость железа, а еще конструкция только из железа – это дорого.

• Отрицательные свойства обращаются в положительные (вред обращен в пользу).

Тепловое расширение создает усилия, которые могут деформировать или разрушить сопротивляющиеся им материалы.

Способ запрессовки трубок в отверстия трубных досок теплообменников иногда производят с помощью льда. Замерзающая вода, расширяясь, могла бы разорвать трубки, но она находится внутри трубок только в зоне толщины трубной доски, и используется в определенном количестве – в котором величины расширения при замерзании достаточно для полезной пластической деформации концов трубок – в результате они запрессовываются в стенки отверстия доски.

В природе тоже можно найти случаи, когда отрицательные свойства обращаются в положительные.

К примеру, для выживания рыб зимой нужно, чтобы водоем не промерзал до дна. Теплая вода, в процессе охлаждения до температуры + 4оС, как и все материалы, сжимается, а начиная с температуры +4оС и до 0оС она расширяется, и затем превращается в лед.

Таким образом вода с температурой ниже +4оС легче, чем более теплая, и в водоеме она, как и лед, поднимается вверх, а теплая вода опускается ниже. Это снижает градиент температур между водоемом и холодным наружным воздухом (самая легкая вода имеет температуру около 0оС), поэтому глубокий пруд или река не успевают за зиму промерзать до дна.

Семена многих спелых плодов растений, которые потребляют люди и животные, имеют скользкую поверхность или твердую структуру, что значительно осложняет их пережевывание, но значительно повышает шансы семян в неповрежденном виде попасть в грунт.

Таким образом, будем различать три вида полезных системных прибавок от объединения элементов структуры, если эти прибавки существенны:

• Системный параметрический эффект – существенный эффект суммирования параметров свойств от объединения элементов.

• Эффект возникновения системного качества – существенное проявление нового свойства, которого не было ни у одного из элементов до включения их в систему, и которое можно полезно использовать, или исчезновение вредного.

• Эффект превращения вредного системного качества в полезное – опять же, если это существенный полезный эффект.

Аристотель утверждал, что целое всегда больше суммы входящих в него частей – от объединения частей всегда есть прирастание параметров или свойств, возможна какая-то экономия или возникновение полезного эффекта.

Например, объединение карандаша со стиральной резинкой экономит время и силы при редактировании чертежа или рисунка, но эта экономия времени и сил незначительна, и мы ее не замечаем, что связано с тем, что резинка на карандаше слишком мала и неудобна, и поэтому обычно мы пользуемся хорошей большой резинкой.

Функционирование ТС – это цепочка действий-событий, которые производят элементы структуры. Каждое событие с элементом технической системы имеет одну (или несколько) причин и само является причиной последующих событий.

Главный ориентир в процессе синтеза системы – получение будущего системного свойства (позитивного эффекта, качества). Выбор физического принципа действия и реализующей его структуры должны еще основываться на минимизации используемых ресурсов, например, массы, габаритов, энергоемкости, времени, точности, объемов участия человека, стоимости, и т.д. – на том, что обеспечит сокращение затрат и увеличение эффективности системы.

Например, измельчить твердый объект можно ударом, истиранием, резанием, и другими способами, при этом требуемое пространство, затраты времени, материалов, энергии, денег на приобретение устройств и трудоемкость обслуживания будут разными.

Выстраивать цепочки действий лучше от конечного события к начальному – от результата действия ТС. Принцип полноты частей этого закона может быть взят за основу при первом построении функциональной схемы.

Возможна следующая последовательность шагов:

1. Формулируется главная полезная функция.

2. Определяется физический принцип действия рабочего органа на изделие.

3. Отбирается или синтезируется рабочий орган.

4. К рабочему органу добавляется необходимая трансмиссия, двигатель, источник энергии, орган управления.

5. Строится в первом приближении функциональная схема.

6. Выявляются недостатки и возможные сбои в схеме.

7. Разрабатываются более подробные схемы, в которых подсистемы, которые недостаточно хорошо выполняют функции, достраиваются новыми элементами.

8. Или строится другая функциональная цепь вспомогательных элементов – с меньшим количеством недостатков.

Соединяемые элементы должны быть согласованы между собой по форме, свойствам и параметрам проявления этих свойств, чтобы иметь возможность соединения и нужный уровень их взаимодействия, а далее применение принципа дополнительности будет заключаться в добавлении к функциональной цепи структур, которые улучшат работу системы.

Улучшит взаимодействие элементов повышение управляемости, взаимное усиление полезных свойств, нейтрализация вредных, а динамизация связей между элементами системы увеличит ее функциональные возможности.

Примечания