Основные законы развития технических систем. Таким образом, системность учитываться использованием законов полноты и избыточности системы и минимального согласования и обеспечение желательных взаимосвязей и взаимовлияний. Дальнейшее повышения скорости пер

— законов, которые определяют начало жизни технических систем.

Любая техническая система возникает в результате синтеза в единое целое отдельных частей. Не всякое объединение частей дает жизнеспособную систему. Существуют по крайней мере три закона, выполнение которых необходимо для того, чтобы система оказалась жизнеспособной.

Необходимым условием принципиальной жизнеспособности технической системы является наличие и минимальная работоспособность основных частей системы.

Каждая техническая система должна включать четыре основные части: двигатель, трансмиссию, рабочий орган и орган управления. Смысл закона 1 заключается в том, что для синтеза технической системы необходимо наличие этих четырех частей и их минимальная пригодность к выполнению функций системы, ибо сама по себе работоспособная часть системы может оказаться неработоспособной в составе той или иной технической системы. Например, двигатель внутреннего сгорания, сам по себе работоспособный, оказывается неработоспособным, если его использовать в качестве подводного двигателя подводной лодки.

Закон 1 можно пояснить так: техническая система жизнеспособна в том случае, если все ее части не имеют «двоек», причем «оценки» ставятся по качеству работы данной части в составе системы. Если хотя бы одна из частей оценена «двойкой», система нежизнеспособна даже при наличии «пятерок» у других частей. Аналогичный закон применительно к биологическим системам был сформулирован Либихом еще в середине прошлого века («закон минимума»).

Из закона 1 вытекает очень важное для практики следствие.

Чтобы техническая система была управляемой, необходимо, чтобы хотя бы одна ее часть была управляемой.

«Быть управляемой» — значит менять свойства так, как это надо тому, кто управляет.

Знание этого следствия позволяет лучше понимать суть многих задач и правильнее оценивать полученные решения. Возьмем, например, задачу 37 (запайка ампул). Дана система из двух неуправляемых частей: ампулы вообще неуправляемы — их характеристики нельзя (невыгодно) менять, а горелки плохо управляемы по условиям задачи. Ясно, что решение задачи будет состоять во введении в систему еще одной части (вепольный анализ сразу подсказывает: это вещество, а не поле, как, например, в задаче 34 об окраске цилиндров). Какое вещество (газ, жидкость, твердое тело) не пустит огонь туда, куда он не должен пройти, и при этом не будет мешать установке ампул? Газ и твердое тело отпадают, остается жидкость, вода. Поставим ампулы в воду так, чтобы над водой поднимались только кончики капилляров (а.с. № 264 619). Система приобретает управляемость: можно менять уровень воды — это обеспечит изменение границы между горячей и холодной зонами. Можно менять температуру воды — это гарантирует устойчивость системы в процессе работы.

Необходимым условием принципиальной жизнеспособности технической системы является сквозной проход энергии по всем частям системы.

Любая техническая система является преобразователем энергии. Отсюда очевидная необходимость передачи энергии от двигателя через трансмиссию к рабочему органу.

Передача энергии от одной части системы к другой может быть вещественной (например, вал, шестерни, рычаги и т.д.), полевой (например, магнитное поле) и вещественно-полевой (например, передача энергии потоком заряженных частиц). Многие изобретательские задачи сводятся к подбору того или иного вида передачи, наиболее эффективного в заданных условиях. Такова задача 53 о нагреве вещества внутри вращающейся центрифуги. Вне центрифуги энергия есть. Имеется и «потребитель», он находится внутри центрифуги. Суть задачи — в создании «энергетического моста». Такого рода «мосты» могут быть однородными и неоднородными. Если вид энергии меняется при переходе от одной части системы к другой — это неоднородный «мост». В изобретательских задачах чаще всего приходится иметь дело именно с такими мостами. Так, в задаче 53 о нагреве вещества в центрифуге выгодно иметь электромагнитную энергию (ее передача не мешает вращению центрифуги), а внутри центрифуги нужна энергия тепловая. Особое значение имеют эффекты и явления, позволяющие управлять энергией на выходе из одной части системы или на входе в другую ее часть. В задаче 53 нагрев может быть обеспечен, если центрифуга находится в магнитном поле, а внутри центрифуги размещен, например, диск из ферромагнетика. Однако по условиям задачи требуется не просто нагревать вещество внутри центрифуги, а поддерживать постоянную температуру около 2500 С. Как бы ни менялся отбор энергии, температура диска должна быть постоянной. Это обеспечивается подачей «избыточного» поля, из которого диск отбирает энергию, достаточную для нагрева до 2500 С, после чего вещество диска «самоотключается» (переход через точку Кюри). При понижении температуры происходит «самовключение» диска.

Важное значение имеет следствие из закона 2..

Чтобы часть технической системы была управляемой, необходимо обеспечить энергетическую проводимость между этой частью и органами управления.

В задачах на измерение и обнаружение можно говорить об информационной проводимости, но она часто сводится к энергетической, только слабой. Примером может служить решение задачи 8 об измерении диаметра шлифовального круга, работающего внутри цилиндра. Решение задачи облегчается, если рассматривать не информационную, а энергетическую проводимость. Тогда для решения задачи нужно прежде всего ответить на два вопроса: в каком виде проще всего подвести энергию к кругу и в каком виде проще всего вывести энергию сквозь стенки круга (или по валу)? Ответ очевиден: в виде электрического тока. Это еще не окончательное решение, но уже сделан шаг к правильному ответу.

Необходимым условием принципиальной жизнеспособности технической системы является согласование ритмики (частоты колебаний, периодичности) всех частей системы.

Примеры к этому закону приведены в гл.1..

Развитие всех систем идет в направлении увеличения степени идеальности.

Идеальная техническая система — это система, вес, объем и площадь которой стремятся к нулю, хотя ее способность выполнять работу при этом не уменьшается. Иначе говоря, идеальная система — это когда системы нет, а функция ее сохраняется и выполняется.

Несмотря на очевидность понятия «идеальная техническая система», существует определенный парадокс: реальные системы становятся все более крупноразмерными и тяжелыми. Увеличиваются размеры и вес самолетов, танкеров, автомобилей и т.д. Парадокс этот объясняется тем, что высвобожденные при совершенствовании системы резервы направляются на увеличение ее размеров и, главное, повышение рабочих параметров. Первые автомобили имели скорость 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 к.п.д. двигателя и т.д.) направлялось на увеличение скорости автомобиля и того, что «обслуживает» эту скорость (мощная тормозная система, прочный кузов, усиленная амортизация). Чтобы наглядно увидеть возрастание степени идеальности автомобиля, надо сравнить современный автомобиль со старым рекордным автомобилем, имевшим ту же скорость (на той же дистанции).

Видимый вторичный процесс (рост скорости, мощностей, тоннажа и т.д.) маскирует первичный процесс увеличения степени идеальности технической системы. Но при решении изобретательских задач необходимо ориентироваться именно на увеличение степени идеальности — это надежный критерий для корректировки задачи и оценки полученного ответа.

Развитие частей системы идет неравномерно; чем сложнее система, тем неравномернее развитие ее частей.

Неравномерность развития частей системы является причиной возникновения технических и физических противоречий и, следовательно, изобретательских задач. Например, когда начался быстрый рост тоннажа грузовых судов, мощность двигателей быстро увеличилась, а средства торможения остались без изменения. В результате возникла задача: как тормозить, скажем, танкер водоизмещением 200 тыс. тонн. Задача эта до сих пор не имеет эффективного решения: от начала торможения до полной остановки крупные корабли успевают пройти несколько миль…

Исчерпав возможности развития, система включается в надсистему в качестве одной из частей; при этом дальнейшее развитие идет на уровне надсистемы.
Об этом законе мы уже говорили.

Она включает законы, отражающие развитие современных технических систем под действием конкретных технических и физических факторов. Законы «статики» и «кинематики» универсальны — они справедливы во все времена и не только применительно к техническим системам, но и к любым системам вообще (биологическим и т.д.). «Динамика» отражает главные тенденции развития технических систем именно в наше время.

Развитие рабочих органов системы идет сначала на макро-, а затем на микроуровне.

В большинстве современных технических систем рабочими органами являются «железки», например винты самолета, колеса автомобиля, резцы токарного станка, ковш экскаватора и т.д. Возможно развитие таких рабочих органов в пределах макроуровня: «железки» остаются «железками», но становятся более совершенными. Однако неизбежно наступает момент, когда дальнейшее развитие на макроуровне оказывается невозможным. Система, сохраняя свою функцию, принципиально перестраивается: ее рабочий орган начинает действовать на микроуровне. Вместо «железок» работа осуществляется молекулами, атомами, ионами, электронами и т.д.

Переход с макро- на микроуровень — одна из главных (если не самая главная) тенденций развития современных технических систем. Поэтому при обучении решению изобретательских задач особое внимание приходится обращать на рассмотрение перехода «макро-микро» и физических эффектов, реализующих этот переход.

Развитие технических систем идет в направлении увеличения степени вепольности.

Смысл этого закона заключается в том, что невепольные системы стремятся стать вепольными, а в вепольных системах развитие идет в направлении перехода от механических полей к электромагнитным; увеличения степени дисперсности веществ, числа связей между элементами и отзывчивости системы.

Многочисленные примеры, иллюстрирующие этот закон, уже встречались при решении задач.

Открыл законы развития технических систем, знание которых помогаeт инженерам предсказывать пути возможных дальнейших улучшений продуктов:

Закон увеличения степени идеальности системы.
Закон S-образного развития технических систем.
Закон динамизации.
Закон полноты частей системы.
Закон сквозного прохода энергии.
Закон опережающего развития рабочего органа.
Закон перехода «моно - би - поли».
Закон перехода с макро- на микроуровень.

Самый важный закон рассматривает идеальность - одно из базовых понятий в ТРИЗ.

Описание законов

Закон увеличения степени идеальности системы

Техническая система в своём развитии приближается к . Достигнув идеала, система должна исчезнуть, а её функция продолжать выполняться.

Основные пути приближения к идеалу:

повышение количества выполняемых функций,
«свертывание» в рабочий орган,
переход в надсистему.

При приближении к идеалу техническая система вначале борется с силами природы, затем приспосабливается к ним и, наконец, использует их для своих целей.

Закон увеличения идеальности наиболее эффективно применяется к тому элементу, который непосредственно расположен в зоне возникновения конфликта или сам порождает нежелательные явления. При этом повышение степени идеальности, как правило, осуществляется применением незадействованных ранее ресурсов (веществ, полей), имеющихся в зоне возникновения задачи. Чем дальше от зоны возникновения конфликта будут взяты ресурсы, тем в меньшей степени удастся продвинуться к идеалу.

Закон S-образного развития технических систем

Эволюцию множества систем можно изобразить логистической кривой, показывающей, как меняются во времени темпы её развития. Выделяются три характерных этапа:

«детство» . Идёт, как правило, достаточно долго. В этот момент идёт проектирование системы, её доработка, изготовление опытного образца, подготовка к серийному выпуску.
«расцвет» . Она бурно совершенствуется, становится всё более мощной и производительной. Машина выпускается серийно, её качество улучшается и спрос на неё растёт.
«старость» . С какого-то момента улучшать систему становится всё труднее. Мало помогают даже крупные увеличения ассигнований. Несмотря на усилия конструкторов, развитие системы не поспевает за всё возрастающими потребностями человека. Она пробуксовывает, топчется на месте, меняет свои внешние очертания, но остаётся такой, какая есть, со всеми своими недостатками. Все ресурсы окончательно выбраны. Если попытаться в этот момент искусственно увеличивать количественные показатели системы или развивать её габариты, оставляя прежний принцип, то сама система вступает в конфликт с окружающей средой и человеком. Она начинает больше приносить вреда, чем пользы.

В качестве примера рассмотрим . Вначале был достаточно долгий экспериментальный этап с единичными несовершенными экземплярами, внедрение которых вдобавок сопровождалось сопротивлением общества. Затем последовало бурное развитие термодинамики, совершенствование паровых машин, железных дорог, сервиса - и паровоз получает публичное признание и инвестиции в дальнейшее развитие. Затем, несмотря на активное финансирование, произошёл выход на природные ограничения: предельный тепловой , конфликт с окружающей средой, неспособность увеличивать мощность без увеличения массы - и, как следствие, в области начался технологический застой. И, наконец, произошло вытеснение паровозов более экономичными и мощными , и . достиг своего идеала - и исчез. Его функции взяли на себя и - тоже вначале несовершенные, затем бурно развивающиеся и, наконец, упирающиеся в развитии в свои природные пределы. Затем появится другая новая система - и так бесконечно.

Закон динамизации

Надёжность, стабильность и постоянство системы в динамичном окружении зависят от её способности изменяться. Развитие, а значит и жизнеспособность системы, определяется главным показателем: степенью динамизации , то есть способностью быть подвижной, гибкой, приспосабливаемой к внешней среде, меняющей не только свою геометрическую форму, но и форму движения своих частей, в первую очередь рабочего органа. Чем выше степень динамизации, тем, в общем случае, шире диапазон условий, при которых система сохраняет свою функцию. Например, чтобы заставить крыло самолёта эффективно работать в существенно разных режимах полёта (взлёт, крейсерский полёт, полёт на предельной скорости, посадка), его динамизируют путём добавления , системы изменения и проч.

Однако, для подсистем закон динамизации может нарушаться - иногда выгоднее искусственно уменьшить степень динамизации подсистемы, тем самым упростив её, а меньшую стойкость/приспособляемость компенсировать созданием стабильной искусственной среды вокруг неё, защищённой от внешних факторов. Но в итоге совокупная система (над-система) всё же получает б́ольшую степень динамизации. Например, вместо того, чтобы приспосабливать трансмиссию к загрязнению путём её динамизации (самоочистка, самосмазка, перебалансировка), можно поместить её в герметичный кожух, внутри которого создана среда, наиболее благоприятная для движущихся частей (прецизионные подшипники, масляный туман, подогрев и проч.)

Другие примеры:

В 10-20 раз снижается сопротивление движению , если его лемех вибрирует с определенной частотой в зависимости от свойств грунта.
Ковш экскаватора, превратившись в роторное колесо, породил новую высокоэффективную систему добычи полезных ископаемых.
Автомобильное из жёсткого деревянного диска с металлическим ободом стало подвижным, мягким и эластичным.

Закон полноты частей системы

Любая техническая система, самостоятельно выполняющая какую-либо функцию, имеет четыре основные части - двигатель, трансмиссию, рабочий орган и средство управления. Если в системе отсутствует какая-либо из этих частей, то её функцию выполняет человек или окружающая среда.

Двигатель - элемент технической системы, являющийся преобразователем энергии, необходимой для выполнения требуемой функции. Источник энергии может находиться либо в системе (например, бензин в баке для двигателя внутреннего сгорания автомобиля), либо в надсистеме (электроэнергия из внешней сети для электродвигателя станка).

Трансмиссия - элемент, передающий энергию от двигателя к рабочему органу с преобразованием её качественных характеристик (параметров).

Рабочий орган - элемент, передающий энергию на обрабатываемый объект, и завершающий выполнение требуемой функции.

Средство управления - элемент, регулирующий поток энергии к частям технической системы и согласующий их работу во времени и пространстве.

Анализируя любую автономно работающую систему, будь то холодильник, часы, телевизор или авторучка, везде можно видеть эти четыре элемента.

Фрезерный станок. Рабочий орган: фреза. Двигатель: электродвигатель станка. Всё что находится между электродвигателем и фрезой можно считать трансмиссией. Средство управления - человек-оператор, рукоятки и кнопки, или программное управление (станок с программным управлением). В последнем случае программное управление «вытеснило» человека-оператора из системы.

Закон сквозного прохода энергии

Итак, любая работающая система состоит из четырёх основных частей и любая из этих частей является потребителем и преобразователем энергии. Но мало преобразовать, надо ещё без потерь передать эту энергию от двигателя к рабочему органу, а от него - на обрабатываемый объект. Это закон сквозного прохода энергии. Нарушение этого закона ведёт к возникновению противоречий внутри технической системы, что в свою очередь порождает изобретательские задачи.

Главным условием эффективности технической системы с точки зрения энергопроводимости является равенство способностей частей частей системы по принятию и передаче энергии.

Первое правило энергопроводимости системы

полезной функцией , то для повышения её работоспособности в местах контактирования должны быть вещества с близкими или одинаковыми уровнями развития.

Второе правило энергопроводимости системы

Если элементы системы при взаимодействии образуют энергопроводящую систему с вредной функцией , то для её разрушения в местах контактирования элементов должны быть вещества с различными или противоположными уровнями развития.

При застывании бетон сцепляется с опалубкой, и её трудно потом отделить. Две части хорошо согласовались между собой по уровням развития вещества - оба твёрдые, шероховатые, неподвижные и т. д. Образовалась нормальная энергопроводящая система. Чтобы не допустить её образования, нужно максимальное рассогласование веществ, например: твёрдое - жидкое, шероховатое - скользкое, неподвижное - подвижное. Здесь может быть несколько конструктивных решений - образвание прослойки воды, нанесение специальных скользких покрытий, вибрация опалубки и др.

Третье правило энергопроводимости системы

Если элементы при взаимодействии друг с другом образуют энергопроводящую систему с вредной и полезной функцией , то в местах контактирования элементов должны быть вещества, уровень развития которых и физико-химические свойства изменяются под воздействием какого-либо управляемого вещества или поля.

Согласно этому правилу выполнено большинство устройств в технике, где требуется соединять и разъединять энергопотоки в системе. Это различные муфты включения в механике, вентили в гидравлике, диоды в электронике и многое другое.

Закон опережающего развития рабочего органа

В технической системе основной элемент - рабочий орган. И чтобы его функция была выполнена нормально, его способности по усвоению и пропусканию энергии должны быть не меньше, чем двигатель и трансмиссия. Иначе он или сломается, или станет неэфффективным, переводя значительную часть энергии в бесполезное тепло. Поэтому желательно, чтобы рабочий орган опережал в своём развитии остальные части системы, то есть обладал большей степенью динамизации по веществу, энергии или организации.

Часто изобретатели совершают ошибку, упорно развивая трансмиссию, управление, но не рабочий орган. Такая техника, как правило, не даёт значительного прироста экономического эффекта и существенного повышения КПД.

Производительность токарного станка и его техническая характеристика оставались почти неизменными на протяжении многих лет, хотя интенсивно развивались привод, трансмиссия и средства управления, потому что сам резец как рабочий орган оставался прежним, то есть неподвижной моносистемой на макроуровне. С появлением вращающихся чашечных резцов производительность станка резко поднялась. Ещё больше она возросла, когда была задействована микроструктура вещества резца: под действием электрического тока режущая кромка резца стала колебаться до нескольких раз в секунду. Наконец, благодаря газовым и лазерным резцам, полностью изменившим облик станка, достигнута невиданная ранее скорость обработки металла.

Закон перехода «моно - би - поли»

Первый шаг - переход к би системам. Это повышает надежность системы. Кроме того, в бисистеме появляется новое качество, которое не было присуще моно системе.

Переход к поли системам знаменует собой эволюционный этап развития, при котором приобретение новых качеств происходит только за счет количественных показателей. Расширенные организационные возможности расположения однотипных элементов в пространстве и времени позволяют полнее задействовать их возможности и ресурсы окружающей среды.

Двухмоторный самолет (бисистема ) надёжней своего одномоторного собрата и обладает большей маневренностью (новое качество).
Конструкция комбинированного велосипедного ключа (полисистема ) привела к заметному снижению расхода металла и уменьшению габаритов в сравнении с группой отдельных ключей.
Лучший изобретатель - природа - продублировала особо важные части организма человека: у человека два легких, две почки, два глаза и т. д.
Многослойная фанера намного прочнее доски тех же размеров.

Возможности системы исчерпались. Что дальше? А дальше полисистема снова становится моносистемой… Но на качественно новом уровне. При этом новый уровень возникает только при условии повышения динамизации частей системы, в первую очередь рабочего органа.

Вспомним тот же велосипедный ключ. Когда динамизировался его рабочий орган, то есть губки стали подвижными, появился разводной ключ. Он стал моносистемой, но в то же время способным работать с многими типоразмерами болтов и гаек.
Многочисленные колёса вездеходов превратились в одну подвижную гусеницу.

Закон перехода «моно - би - поли» тесно связан с законом перехода с макро- на микроуровень.

Закон перехода с макро- на микроуровень

Переход с макро- на микроуровень - главная тенденция развития всех современных технических систем.

Для достижения высоких результатов задействуются возможности структуры вещества. Вначале используется кристаллическая решетка, затем ассоциации молекул, единичная молекула, часть молекулы, атом и, наконец, части атома.

В погоне за грузоподъёмностью на закате поршневой эры самолёты снабжались шестью, двенадцатью и более моторами. Затем рабочий орган - винт - всё же перешел на микроуровень, став газовой струёй.

Владимир Петров. Серия статей «Законы развития систем» © Владимир Петров

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.

Сформулировал законы развития технических систем, знание которых помогает инженерам предсказывать пути возможных дальнейших улучшений продуктов:

Закон увеличения степени идеальности системы.
Закон S-образного развития технических систем.
Закон динамизации.
Закон полноты частей системы.
Закон сквозного прохода энергии.
Закон опережающего развития рабочего органа.
Закон перехода «моно - би - поли».
Закон перехода с макро- на микроуровень.

Самый важный закон рассматривает идеальность системы - одно из базовых понятий в ТРИЗ.

Описание законов

Закон увеличения степени идеальности системы

Техническая система в своём развитии приближается к идеальности . Достигнув идеала, система должна исчезнуть, а её функция продолжать выполняться.

Основные пути приближения к идеалу:

повышение количества выполняемых функций,
«свертывание» в рабочий орган,
переход в надсистему.

Закон S-образного развития технических систем

Эволюцию множества систем можно изобразить S-образной кривой, показывающей, как меняются во времени темпы её развития. Выделяются три характерных этапа:

«детство» . Идёт, как правило, достаточно долго. В этот момент идёт проектирование системы, её доработка, изготовление опытного образца, подготовка к серийному выпуску.
«расцвет» . Она бурно совершенствуется, становится всё более мощной и производительной. Машина выпускается серийно, её качество улучшается и спрос на неё растёт.
«старость» . С какого-то момента улучшать систему становится всё труднее. Мало помогают даже крупные увеличения ассигнований. Несмотря на усилия конструкторов, развитие системы не поспевает за всё возрастающими потребностями человека. Она пробуксовывает, топчется на месте, меняет свои внешние очертания, но остаётся такой, какая есть, со всеми своими недостатками. Все ресурсы окончательно выбраны. Если попытаться в этот момент искусственно увеличивать количественные показатели системы или развивать её габариты, оставляя прежний принцип, то сама система вступает в конфликт с окружающей средой и человеком. Она начинает больше приносить вреда, чем пользы.

В качестве примера рассмотрим паровоз . Вначале был достаточно долгий экспериментальный этап с единичными несовершенными экземплярами, внедрение которых вдобавок сопровождалось сопротивлением общества. Затем последовало бурное развитие термодинамики, совершенствование паровых машин, железных дорог, сервиса - и паровоз получает публичное признание и инвестиции в дальнейшее развитие. Затем, несмотря на активное финансирование, произошёл выход на природные ограничения: предельный тепловой КПД , конфликт с окружающей средой, неспособность увеличивать мощность без увеличения массы - и, как следствие, в области начался технологический застой. И, наконец, произошло вытеснение паровозов более экономичными и мощными тепловозами , и электровозами . Паровой двигатель достиг своего идеала - и исчез. Его функции взяли на себя ДВС и электромоторы - тоже вначале несовершенные, затем бурно развивающиеся и, наконец, упирающиеся в развитии в свои природные пределы. Затем появится другая новая система - и так бесконечно.

Закон динамизации

Однако, для подсистем закон динамизации может нарушаться - иногда выгоднее искусственно уменьшить степень динамизации подсистемы, тем самым упростив её, а меньшую стойкость/приспособляемость компенсировать созданием стабильной искусственной среды вокруг неё, защищённой от внешних факторов. Но в итоге совокупная система (над-система) всё же получает большую степень динамизации. Например, вместо того, чтобы приспосабливать трансмиссию к загрязнению путём её динамизации (самоочистка, самосмазка, перебалансировка), можно поместить её в герметичный кожух, внутри которого создана среда, наиболее благоприятная для движущихся частей (прецизионные подшипники, масляный туман, подогрев и проч.)

Другие примеры:

В 10-20 раз снижается сопротивление движению плуга , если его лемех вибрирует с определенной частотой в зависимости от свойств грунта.
Ковш экскаватора, превратившись в роторное колесо, породил новую высокоэффективную систему добычи полезных ископаемых.
Автомобильное колесо из жёсткого деревянного диска с металлическим ободом стало подвижным, мягким и эластичным.

Закон полноты частей системы

Фрезерный станок. Рабочий орган: фреза. Двигатель: электродвигатель станка. Всё что находится между электродвигателем и фрезой можно считать трансмиссией. Средство управления - человек-оператор, рукоятки и кнопки, или программное управление (станок с программным управлением). В последнем случае программное управление «вытеснило» человека-оператора из системы.

Закон сквозного прохода энергии

Главным условием эффективности технической системы с точки зрения энергопроводимости является равенство способностей частей системы по принятию и передаче энергии.

Импедансы передатчика , фидера и антенны должны быть согласованы - в этом случае в системе устанавливается режим бегущей волны , наиболее эффективный для передачи энергии. Рассогласование ведёт к появлению стоячих волн и диссипации энергии.

Первое правило энергопроводимости системы

Второе правило энергопроводимости системы

При застывании бетон сцепляется с опалубкой, и её трудно потом отделить. Две части хорошо согласовались между собой по уровням развития вещества - оба твёрдые, шероховатые, неподвижные и т. д. Образовалась нормальная энергопроводящая система. Чтобы не допустить её образования, нужно максимальное рассогласование веществ, например: твёрдое - жидкое, шероховатое - скользкое, неподвижное - подвижное. Здесь может быть несколько конструктивных решений - образование прослойки воды, нанесение специальных скользких покрытий, вибрация опалубки и др.

Третье правило энергопроводимости системы

Согласно этому правилу выполнено большинство устройств в технике, где требуется соединять и разъединять энергопотоки в системе. Это различные муфты включения в механике, вентили в гидравлике, диоды в электронике и многое другое.

Закон опережающего развития рабочего органа

В технической системе основной элемент - рабочий орган. И чтобы его функция была выполнена нормально, его способности по усвоению и пропусканию энергии должны быть не меньше, чем двигатель и трансмиссия. Иначе он или сломается, или станет неэффективным, переводя значительную часть энергии в бесполезное тепло. Поэтому желательно, чтобы рабочий орган опережал в своём развитии остальные части системы, то есть обладал большей степенью динамизации по веществу, энергии или организации.

Производительность токарного станка и его техническая характеристика оставались почти неизменными на протяжении многих лет, хотя интенсивно развивались привод, трансмиссия и средства управления, потому что сам резец как рабочий орган оставался прежним, то есть неподвижной моносистемой на макроуровне. С появлением вращающихся чашечных резцов производительность станка резко поднялась. Ещё больше она возросла, когда была задействована микроструктура вещества резца: под действием электрического тока режущая кромка резца стала колебаться до нескольких раз в секунду. Наконец, благодаря газовым и лазерным резцам, полностью изменившим облик станка, достигнута невиданная ранее скорость обработки металла.

Закон перехода «моно - би - поли»

Первый шаг - переход к бисистемам. Это повышает надежность системы. Кроме того, в бисистеме появляется новое качество, которое не было присуще моносистеме. Переход к полисистемам знаменует собой эволюционный этап развития, при котором приобретение новых качеств происходит только за счет количественных показателей. Расширенные организационные возможности расположения однотипных элементов в пространстве и времени позволяют полнее задействовать их возможности и ресурсы окружающей среды.

Двухмоторный самолет (бисистема) надёжней своего одномоторного собрата и обладает большей маневренностью (новое качество).
Конструкция комбинированного велосипедного ключа (полисистема) привела к заметному снижению расхода металла и уменьшению габаритов в сравнении с группой отдельных ключей.
Лучший изобретатель - природа - продублировала особо важные части организма человека: у человека два легких, две почки, два глаза и т. д.
Многослойная фанера намного прочнее доски тех же размеров.

Но на каком-то этапе развития в полисистеме начинают появляться сбои. Упряжка из более чем двенадцати лошадей становится неуправляемой, самолет с двадцатью моторами требует многогократного увеличения экипажа и трудноуправляем. Возможности системы исчерпались. Что дальше? А дальше полисистема снова становится моносистемой… Но на качественно новом уровне. При этом новый уровень возникает только при условии повышения динамизации частей системы, в первую очередь рабочего органа.

Вспомним тот же велосипедный ключ. Когда динамизировался его рабочий орган, т. е. губки стали подвижными, появился разводной ключ. Он стал моносистемой, но в то же время способным работать с многими типоразмерами болтов и гаек.
Многочисленные колёса вездеходов превратились в одну подвижную гусеницу.

Закон перехода с макро- на микроуровень

Переход с макро- на микроуровень - главная тенденция развития всех современных технических систем.

В погоне за грузоподъёмностью на закате поршневой эры самолёты снабжались шестью, двенадцатью и более моторами. Затем рабочий орган - винт - всё же перешел на микроуровень, став газовой струёй.

См. также

Вепольный анализ

Источники

Законы развития систем Альтшуллер Г. С. Творчество как точная наука. - М.: «Советское радио», 1979. - С. 122-127.
«Линии жизни» технических систем © Альтшуллер Г. С., 1979 (Творчество как точная наука. - М.: Сов. радио, 1979. С. 113-119.)
Система законов развития техники (основы теории развития технических систем) Издание 2-е исправленное и дополненное © Юрий Петрович Саламатов, 1991-1996 г.

Wikimedia Foundation . 2010 .

Смотреть что такое "Законы развития технических систем" в других словарях:

ЗАКОНЫ РАЗВИТИЯ ТЕХНИЧЕСКИХ СИСТЕМ (по ТРИЗ) - – объективные законы, отражающие существенные и повторяющиеся особенности развития технических систем. Каждый из законов описывает какую либо конкретную тенденцию развития и показывает, как её использовать при прогнозировании развития,… …

ЗАКОНЫ И ЗАКОНОМЕРНОСТИ РАЗВИТИЯ ТЕХНИКИ - – законы и закономерности, которые в зависимости от исторического времени смены моделей и поколений технических систем отражают и определяют для отдельных сходных технических систем объективно существующие, устойчивые, повторяющиеся связи и… … Философия науки и техники: тематический словарь

ТРИЗ теория решения изобретательских задач, основанная Генрихом Сауловичем Альтшуллером и его коллегами в 1946 году, и впервые опубликованная в 1956 году это технология творчества, основанная на идее о том, что «изобретательское творчество… … Википедия

Мы уже не раз обращались к закономерностям развития тех или иных систем. Технические системы не являются исключением и в их развитии также можно усмотреть определенные устойчивые, повторяющиеся отношения, которые можно рассматривать в качестве закономерных. Развитие технических систем обычно рассматривается с разных точек зрения. Мы выбираем подход, основанный на учете законов диалектики и на обобщении эмпирических данных развития техники.

Cформулируем ряд требований к законам развития технических систем, которые позволяют выявить среди бесчисленного множества разных отношений - действительно существенные, устойчивые, повторяющиеся.

1.Законы развития технических систем должны выражать действительное развитие техники и, следовательно, должны выявляться и подтверждаться на базе достаточно представительного объема патентной и технической информации, глубокого исследования истории развития различных технических систем.

2. Закон развития – отношение, существенное для развития, и, следовательно, он должен быть выявлен и подтвержден на базе изобретений достаточно высокого уровня (не ниже третьего), так как изобретение низших уровней практически не меняют (или мало меняют) исходную систему и не могут служить инструментом развития.

3. Закон развития технических систем образуют систему, для которых надсистема - законы диалектики, поэтому они не должны противоречить последним. "Внутренние" противоречия между выявленными в соответствии с предыдущими требованиями законами (закономерностями) - должны указывать на наличие еще каких-то, пока не ясных закономерностей, "регулирующих" отношение выявленных законов.

4. Законы развития технических систем должны быть инструментальны, то есть помогать находить новые конкретные инструменты решения задач, прогнозирования развития т.п. и обеспечивать получение на их основе конкретных выводов и рекомендаций.

5. Каждый выявленный закон должен допускать возможность его проверки на практике по материалам патентного фонда и при решении практических задач и проблем.

6. Выявленные законы и закономерности должны иметь "открытый" вид, то есть допускать дальнейшее совершенствование по мере развития техники и накопления новых патентных материалов.

Первая система законов развития технических систем, удовлетворяющая приведенным выше требованиям, была разработана Г.С. Альтшуллером в начале семидесятых годов. В настоящее время продолжается работа по выявлению, изучению и уточнению законов развития технических систем, отработка их применения. Сегодня ясно, что знание законов развития технических систем позволяет не только решать имеющиеся задачи, но и прогнозировать появление новых задач, прогнозировать развитие техники гораздо точнее, чем традиционные методы прогнозирования.

Этапы развития технических систем.

В XIX веке были установлены некоторые общие закономерности развития различных биологических систем: рост колоний бактерий, популяции насекомых, вес развивающегося плода и т.п. в зависимости от времени. В двадцатых годах XX столетия было показано, что аналогичные этапы проходят в своем развитии и различные технические системы. Кривые, построенные в осях координат, где по вертикали откладывали численные значения одной из главных эксплуатационных характеристик системы (например, скорость для самолета, мощность для электрогенератора и т.п.), а по горизонтали- "возраст" технической системы или затраты на ее развитие, получили название S-образных (по внешнему виду кривой)

Однако необходимо учитывать, что такая кривая – определенная идеализация.

S - образные кривые являются скорее иллюстрацией качественного развития технических систем.

1 этап - "рождение" и "детство" технической системы.

Новая техническая система появляется на определенном уровне развития науки и техники, когда выполнены два главных условия: есть потребность в системе и имеется возможности ее реализации. Условия эти выполняются, как правило, не одновременно и обычно одно стимулирует появление другого: осознанная обществом потребность направляет усилия ученых и инженеров на ее реализацию, либо уже созданная система открывает новые возможности исполнения.

Обстоятельство рождения новой технической системы определяются уровнем ее новизны .

Наибольшей новизной обладает пионерная система, не имеющая аналогов, созданию которой предшествуют многолетние мечты и чаяния человечества, отраженные в сказках (самолет, телевизор, радио и т.д.), неоднократные научные попытки, связанные с тем, что развитие науки и техники еще не достигло требуемого для ее создания уровня.

2 этап – период интенсивного развития технической системы. Основным содержанием этого этапа является быстрое, лавинообразное, напоминающее цепную реакцию, развитие системы.

Характерной чертой данного этапа развития становится активная экспансия новой системы - она" вытесняет" другие, устаревшие системы из экологических ниш, порождает множество модификаций и разновидностей, приспособленных для разных условий.

Главной движущей силой развития на втором этапе становится общественная потребность, которая проявляется в виде определенного рода претензий к системе.

3 – 4 этапы - "старость" и "смерть" технической системы.

Основным содержанием этапа является стабилизация параметров системы. Небольшой прирост их еще наблюдается в начале этапа, но в дальнейшем сходит на "нет" несмотря на то, что вложения сил и средств растут. Резко увеличивается сложность, наукоемкость системы, даже небольшие увеличения параметров требует, как правило, очень серьезных исследований. Вместе с тем экономичность системы остается еще высокой, потому что даже небольшое усовершенствование, помноженное на массовый выпуск, оказывается эффективным.

Попытки совершенствования системы, не считаясь с затратами, приводят к падению ее эффективности из-за непропорционального достигаемому эффекту роста стоимости и сложности. В конце концов, старая, отжившая система "умирает", заменяется принципиально новой, более прогрессивной, обладающей новыми возможности для дальнейшего развития.

В целом для технических систем выделены 7 закономерностей их развития.

Особенности развития сложных систем.

Каждая из подсистем, входящих в систему, рассматриваемых по отдельности, в своем развитии проходит все три этапа, иллюстрируемых S – образной кривой.

В целом для сложной системы S – образная кривая является интегральной, состоящей из пучка отдельных кривых для каждой из подсистем. Развитие системы обычно лимитирует самая "слабая" ее подсистема, ресурсы которой исчерпываются первыми (так, скорость эскадры равна скорости самого тихоходного ее корабля). Исчерпавшая свои ресурсы подсистема становится тормозом для всей системы, и дальнейшее развитие возможно только после замены "загнувшейся" подсистемы.

Пример:

В развитии самолета было несколько таких "загибов". Первый – в двадцатых годах, когда исчерпала возможности развития аэродинамическая концепция самолета – стоечного или подкосного биплана с неубирающимися шасси, открытой кабиной летчика. Новая концепция (моноплан с убирающимся шасси, с закрытой кабиной и винтом регулируемого шага) позволила резко повысить скорость полета, но в сороковых годах достигла нового предела – неэффективности воздушного винта при скорости 700 километров в час. Этот предел был связан с несовершенством конструкции крыла и был преодолен в конце сороковых годов переходом к стреловидному крылу.

2. Вытеснение человека из технической среды.

В процессе развития технической системы происходит поэтапное вытеснение из нее человека, то есть техника постепенно берет на себя функции, ранее выполняющиеся человеком, тем самым приближаясь к полной (без участия человека) системе.

Функция ориентирования деталей при штамповке, которую легко выполнит необученный работник, сложна для робота. С другой стороны, машина может использовать "машинные" преимущества - высокую скорость и точность движения, развивать большие усилия, работать в средах, недоступных для человека. Поэтому вытеснение человека из технической системы очень часто связано с переходом к новым принципам действия, новым технологиям.