ЛЕКЦИЯч.)
Философия техники
1. Природа техники. Философия техники. Этапы развития технического знания.
2. Специфика технического знания.
3. Закономерности развития технических систем.
I. Природа техники. Философия техники. Этапы развития технического знания.
Техника (греч. “технэ” - искусство, мастерство, умение). Понятие «техника» встречается уже у Платона, Аристотеля. В первом приближении, техника – есть совокупность средств человеческой деятельности, создаваемых для осуществления процессов производства и обслуживания непроизводственных потребностей общества. Но в это понятие входят не только технические устройства.
Техника понимается следующим образом:
устройств , артефактов - от отдельных простейших орудий до сложнейших технических систем;
Как совокупность различных видов технической деятельности по созданию этих устройств - от научно-технического исследования и проектирования до их изготовления на производстве и эксплуатации, от разработки отдельных элементов технических систем до системного исследования и проектирования;
Как совокупность технических знаний - от специализированных рецептурно-технических до теоретических научно-технических и системотехнических знаний.
В сфере техники важно не столько производство научно-технических знаний, сколько их применение и получение дальнейших знаний на основе нового опыта, для развития техники. Поскольку применение знаний в технике – есть высшая ступень познания, то здесь важнейшее значение приобретает умение исследовать и изобретать .
Впервые словосочетание «философия техники» возникло в XIX веке (немецкий философ Эрнст Капп. Книга "Основные направления философии техники. К истории возникновения культуры с новой точки зрения", вышла в свет в 1877 г.). Однако только в ХХ веке техника, ее развитие, ее место в обществе и значение для будущего человеческой цивилизации - становится предметом систематического изучения. Собственно технические дисциплины концентрируют свое внимание на отдельных видах техники или на отдельных сторонах техники. Технику в целом, как глобальное явление, они не исследуют.
Только философия техники , во-первых, исследует феномен техники в целом, во-вторых, не только ее внутреннее развитие, но и место в общественном развитии в целом, а также, в-третьих, принимает во внимание широкую историческую перспективу.
Этапы развития технических знаний:
- донаучный : последовательно формируются три типа технических знаний: практико-методические, технологические и конструктивно-технические, но научные знания в технической практике используются нерегулярно
- зарождение технических наук (со второй половины XVIII в. до 70-х гг. XIX в.): происходит, во-первых, формирование научно-технических знаний на основе использования в инженерной практике знаний естественных наук и, во-вторых, появление первых технических наук.
- классический (до середины XIX века): характеризуется построением ряда фундаментальных технических теорий.
- современный : характерно осуществление комплексных исследований, интеграция технических наук не только с естественными, но и с общественными науками, и вместе с тем происходит процесс дальнейшей дифференциации и "отпочкования" технических наук от естественных и общественных.
Технические науки прошли следующие этапы развития:
В качестве приложения различных областей естествознания к определенным классам инженерных задач
Как особый класс научных дисциплин, отличающихся от естественных наук как по объекту, так и по внутренней структуре, но также обладающих дисциплинарной организацией (к сер. ХХ в.).
В качестве системотехники как попытки комплексного теоретического обобщения всех отраслей современной техники и технических наук при ориентации не только на естественнонаучное, но и гуманитарное образование инженеров, т. е. при ориентации на системную картину мира (по наст. время).
Системотехника представляет собой особую деятельность по созданию сложных технических систем и в этом смысле является прежде всего современным видом инженерной, технической деятельности, но в то же время включает в себя особую научную деятельность , поскольку является не только сферой приложения научных знаний. В ней происходит также и выработка новых знаний. Таким образом, в системотехнике научное знание проходит полный цикл функционирования - от его получения до использования в инженерной практике.
Две основные системотехнические задачи:
Обеспечения интеграции частей сложной системы в единое целое
Управления процессом создания этой системы.
Инженер-системотехник должен сочетать в себе талант ученого, конструктора и менеджера, уметь объединять специалистов различного профиля для совместной работы.
Для грамотного инженера важно не только изучать свой объект, но знать историю техники. История техники, понимается не только как история отдельных технических средств, но и как история технических решений, проектов и технических теорий (как успешных, так и нереализованных, казавшихся в свое время тупиковыми). Понимание закономернотей развития техники может стать действительной основой для предвидения ее развития. Поэтому философия и история науки и техники должны занять одно из важных мест в современном инженерном образовании.
В современной инженерной деятельности можно выделить три основных направления , требующих различной подготовки соответствующих специалистов.
Во-первых, это - инженеры-производственники , которые призваны выполнять функции технолога, организатора производства и инженера по эксплуатации. Такого рода инженеров необходимо готовить с учетом их преимущественной практической ориентации.
Во-вторых, это - инженеры-исследователи-разработчики , которые должны сочетать в себе функции изобретателя и проектировщика, тесно связанные с научно-исследовательской работой в области технической науки. Они становятся основным звеном в процессе соединения науки с производством. Им требуется основательная научно -техническая подготовка.
Наконец, в-третьих, это - инженеры-системотехники или, как их часто называют, "системщики широкого профиля", задача которых - организация и управление сложной инженерной деятельностью, комплексное исследование и системное проектирование. Подготовка такого инженера-организатора и универсалиста требует самой широкой системной и методологической направленности и междисциплинарности. Для такого рода инженеров особенно важно междисциплинарное и общегуманитарное образование, в котором ведущую роль могла бы сыграть философия науки и техники.
2. Специфика технического знания.
Поскольку техническое знание ближе всего естественнонаучному, то его специфику легче всего усмотреть на основе их сравнения. Техника большую часть своей истории была мало связана с наукой, люди могли делать, и делали устройства не понимая, почему они так работают. В то же время естествознание до XIX века решало в основном свои собственные задачи, хотя часто отталкивались от техники. Инженеры, провозглашая ориентацию на науку, в своей практической деятельности руководствовались ею незначительно. После многих веков такой «автономии» наука и техника соединяются в XVIII веке в начале научной революции. Однако лишь к XIX в. это единство приносит первые плоды; в XX в. наука стала главным источником новых видов техники и технологий.
Выделяются следующие подходы к рассмотрению соотношения науки и техники:
(1) техника рассматривается как прикладная наука – линейная модель (до сер. ХХ в.);
(2) процессы развития науки и техники рассматриваются как автономные, но скоординированные процессы (эволюционная модель);
(3) наука развивалась, ориентируясь на развитие технических аппаратов и инструментов (техника «ведет» науку);
Наиболее взвешенный подход: до конца XIX в. регулярного применения научных знаний в технической практике не было, но оно характерно для современных технических наук. В настоящее время происходит "сциентизация техники" и "технизация науки".
Сегодня все большее число философов техники придерживаются точки зрения, что технические и естественные науки должны рассматриваться как равноправные научные дисциплины. Каждая техническая наука - это отдельная и относительно автономная дисциплина, обладающая рядом особенностей. Технические науки - часть науки и, хотя они не должны далеко отрываться от технической практики, но не совпадают с ней.
В целом складывается следующая классификация наук : гуманитарные, естественные, математические, технические.
Технические науки так или иначе связаны со всеми, но наиболее близки естественным, и в первую очередь, физическим. Технические и естественные науки имеют одну и ту же предметную область инструментально измеримых явлений. Хотя они могут исследовать одни и те же объекты, но проводят исследование этих объектов различным образом. Сравним разные точки зрения на соотношение технических и естественных наук:
1.Технические науки тесно связаны с естественными и могут рассматриваться в качестве прикладных по отношению к последним. Тогда выделяется следующая последовательность исследований: теоретические (фундаментальные) – прикладные – исследования-разработки (переводящие результаты прикладных наук в форму технологических процессов и конструкций). Технические знания могут тяготеть как в сторону теоретических знаний, так и в сторону разработок ().
2. Техническое знание существенно отличается от естественнонаучного, так как оно всегда связано с «целевой направленностью» технических объектов: технический объект является не естественным, а искусственным , созданным для определенной цели, его строение и функционирование служит этой цели (;) . Задача различных разделов естествознания (физика, химия, биология) – получить информацию о свойствах, причинных связей, структурных образований и законах движения материальных объектов. Структура же технических устройств и их функции должны быть известны до их реализации в виде материальных объектов. Рост технических знаний заключается в расширении конструктивных возможностей человека, техническое творчество в отличие от научного состоит не в открытии того, что существует, а в конструировании того, чего еще не было
3. В современных условиях технические явления в экспериментальном оборудовании естественных наук играют решающую роль, а большинство физических экспериментов является искусственно созданными ситуациями. Объекты технических наук представляют собой своеобразный синтез "естественного" и "искусственного". Искусственность объектов технических наук заключается в том, что они являются продуктами сознательной целенаправленной человеческой деятельности. Их естественность обнаруживается прежде всего в том, что все искусственные объекты в конечном итоге создаются из естественного (природного) материала. С этой точки зрения естественнонаучные эксперименты являются артефактами, а технические процессы - фактически видоизмененными природными процессами. Осуществление эксперимента - это деятельность по производству технических эффектов и может быть отчасти квалифицирована как инженерная, т. е. как конструирование машин, как попытка создать искусственные процессы и состояния, однако с целью получения новых научных знаний о природе или подтверждения научных законов, а не исследования закономерностей функционирования и создания самих технических устройств ().
В целом, соединяя разные точки зрения можно констатировать факт, что физический эксперимент часто имеет инженерный характер, а современная инженерная деятельность была в значительной степени видоизменена под влиянием развитого в науке Нового времени мысленного эксперимента. Физические науки открыты для применения в инженерии, а технические устройства могут быть использованы для экспериментов в физике. Характерной особенностью технических знаний является то, что они связаны с процессом интеллектуального конструирования, обслуживают нужды материальной конструктивной деятельности человека, выявляя методы решения конструктивных задач, приемы, процедуры создания технических объектов.
Технические науки к началу ХХ столетия составили сложную иерархическую систему знаний - от весьма систематических наук до собрания правил в инженерных руководствах. Некоторые из них строились непосредственно на естествознании (например, сопротивление материалов и гидравлика) и часто рассматривались в качестве особой отрасли физики, другие (как кинематика механизмов) развивались из непосредственной инженерной практики. И в одном, и в другом случае инженеры заимствовали как теоретические и экспериментальные методы науки, так и многие ценности и институты, связанными с их использованием. К началу ХХ столетия технические науки, выросшие из практики, приняли качество подлинной науки , признаками которой являются:
систематическая организация знаний ,
выделение классов фундаментальных и прикладных исследований .
опора на эксперимент
построение математизированных теорий
Таким образом, естественные и технические науки - равноправные партнеры. Они тесно связаны как в генетическом аспекте, так и в процессах своего функционирования. Именно из естественных наук в технические были транслированы первые исходные теоретические положения, способы представления объектов исследования и проектирования, основные понятия, а также был заимствован самый идеал научности, установка на теоретическую организацию научно-технических знаний, на построение идеальных моделей, математизацию. В то же время нельзя не видеть, что в технических науках все заимствованные из естествознания элементы претерпели существенную трансформацию, в результате чего и возник новый тип организации теоретического знания. Кроме того, технические науки со своей стороны в значительной степени стимулируют развитие естественных наук, оказывая на них обратное воздействие. В настоящее время технические науки тесно связаны не только с естественными, но и с гуманитарными общественными (например, экономикой, социологией, психологией и т. п.).
В технических науках выделяют два вида исследований: прикладные и фундаментальные. Прикладное исследование - это такое исследование, результаты которого адресованы производителям и заказчикам и которое направляется нуждами или желаниями этих клиентов, фундаментальное - адресовано другим членам научного сообщества. В современной технике велика роль как теоретической, так и прикладной компоненты, в союзе с творчеством. Для современной инженерной деятельности требуются не только краткосрочные исследования, направленные на решение специальных задач, но и широкая долговременная программа фундаментальных исследований в лабораториях и институтах, специально предназначенных для развития технических наук. Вполне правомерно сегодня говорить и о фундаментальном промышленном исследовании.
Поэтому наряду с естественнонаучными теориями ныне существует и техническая теория , которая не только объясняет реальность, но и способствует ее созданию, расширению бытия за счет нового технического мира. В сферу технической теории входит: прогнозирование развития техники и связанных с ней наук; научные законы, технические правила и нормы. Но техническая теория отличается от физической тем, что не может использовать идеализацию, в той степени, как это делается в физике. Таким образом, техническая теория имеет дело с более сложной реальностью, поскольку не может не учитывать сложное взаимодействие физических факторов, имеющих место в машине. Техническая теория является менее абстрактной и идеализированной, она более тесно связана с реальным миром инженерии.
Технические теории в свою очередь оказывают большое обратное влияние на физическую науку и даже в определенном смысле на всю физическую картину мира. Например, (по сути, - техническая) теория упругости была генетической основой модели эфира, а гидродинамика - вихревых теорий материи.
Специфика технической теории состоит в том, что она ориентирована на конструирование технических систем. Научные знания и законы, полученные естественнонаучной теорией, требуют еще длительной "доводки" для применения их к решению практических инженерных задач, в чем и состоит одна из функций технической теории.
Теоретические знания в технических науках должны быть обязательно доведены до уровня практических инженерных рекомендаций . Поэтому в технической теории важную роль играет разработка особых операций перенесения теоретических результатов в область инженерной практики, установление четкого соответствия между сферой абстрактных объектов технической теории и конструктивными элементами реальных технических систем, что соответствует фактически теоретическому и эмпирическому уровням знания.
В технической теории выделяют эмпирический и теоретический уровни:
Эмпирический уровень технической теории образуют конструктивно-технические и технологические знания , являющиеся результатом обобщения практического опыта при проектировании, изготовлении, отладке и т. д. технических систем. Это - эвристические методы и приемы, разработанные в самой инженерной практике, но рассмотренные в качестве эмпирического базиса технической теории.
Конструктивно-технические знания преимущественно ориентированы на описание строения (или конструкции) технических систем, представляющих собой совокупность элементов, имеющих определенную форму, свойства и способ соединения. Они включают также знания о технических процессах и параметрах функционирования этих систем. Технологические знания фиксируют методы создания технических систем и принципы их использования.
Теоретический уровень научно-технического знания включает в себя три основные уровня, или слоя, теоретических схем : функциональные, поточные и структурные.
Функциональная схема фиксирует общее представление о технической системе, независимо от способа ее реализации, и является результатом идеализации технической системы на основе принципов определенной технической теории. Функциональные схемы совпадают для целого класса технических систем. Блоки этой схемы фиксируют только те свойства элементов технической системы, ради которых они включены в нее для выполнения общей цели.
Поточная схема, или схема функционирования, описывает естественные процессы, протекающие в технической системе и связывающие ее элементы в единое целое. Блоки таких схем отражают различные действия, выполняемые над естественным процессом элементами технической системы в ходе ее функционирования. Такие схемы строятся исходя из естественнонаучных (например, физических) представлений.
Структурная схема технической системы фиксирует те узловые точки, на которые замыкаются потоки (процессы функционирования). Это могут быть единицы оборудования, детали или даже целые технические комплексы, представляющие собой конструктивные элементы различного уровня, входящие в данную техническую систему, которые могут отличаться по принципу действия, техническому исполнению и ряду других характеристик.
Таким образом современное техническое знание представляет собой сложную систему взаимодействующих элементов теоретического, эмпирического и прикладного уровней, тесно связанную с системами знаний других наук, а также с широкой сферой социального, гуманитарного, обыденного знания.
3. Закономерности развития технических систем.
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 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.
1. 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 .
3. Увеличение степени идеальности технических систем
Повышение идеальности технических систем проявляется в росте относительных параметров (характеристик), то есть отношение полезных характеристик (мощности, усиления, производительности, точности, надежности и других) к вредным (потери, помехи, количество брака и т. д.) или конструктивным (вес, размеры, трудоемкость изготовления и т. д.).
4. Развертывание – свертывание технических систем
Повышение идеальности технических систем осуществляется путем развертывания – увеличение количества и качества выполняемых функций за счет усложнения системы, и свертывания – упрощения системы при сохранении или росте полезных функций (ср. с диалектическим законом перехода количества в качество).
На всех этапах развития процессы развертывания и свертывания могут чередоваться, приходя на смену друг другу, частично или полностью перекрываться, действуя параллельно, то есть при общем развертывании системы отдельные ее подсистемы могут свертываться и наоборот.
Развитие вычислительной техники: от арифмометров – к гигантским ЭВМ (развертывание) – к современным компактным компьютерам (свертывание).
5. Повышение динамичности и управляемости технических систем.
В процессе развития технической системы происходит повышение ее динамичности и управляемости, то есть способности к целенаправленным изменениям, обеспечивающим улучшение адаптации, приспособление системы к меняющейся, взаимодействующей с ней среде.
В переводе с латыни "динамизм "– богатство движения, насыщенность действием. Повышение динамичности дает системе возможность сохранять высокую степень идеальности при значительных изменениях условий, требований и режимов работы.
Обрабатывающий центр, современная ЭВМ. Переход к системам с изменяющимися элементами.
6. Переход технической системы на микроуровень. Использование полей.
Развитие технических систем идет в направлении все большего использования глубинных уровней строения материи (вещества) - переход на микроуровень и использование различных полей.
Пример: От электронных ламп – к современным интегральным микросхемам
7. Согласование - рассогласование различных систем.
В процессе развития технической системы на первых этапах происходит последовательное согласование системы и ее подсистем между собой и надсистемой, заключающееся в приведении основных параметров к определенным значениям, обеспечивающим наилучшее функционирование. На последующих этапах происходит рассогласование - целенаправленное изменение отдельных параметров, обеспечивающее получение дополнительного полезного эффекта (сверхэффекта) . Конечным этапом в этом цикле развития является динамическое согласование – рассогласование , при котором параметры системы изменяются управляемо (а впоследствии и самоуправляемо) так, чтобы принимать оптимальные значения в зависимости от условий работы.
Согласование проявляется уже на этапе создания системы, когда идет подбор необходимых систем, образующих функциональную цепочку, системообразующих связей.
К подсистемам, помимо требования обеспечения минимальной работоспособности, предъявляется требование совместимости друг с другом, поэтому случается, что подсистема, наилучшим образом выполняющая свою функцию вне системы, оказывается не лучшей для создаваемой системы.
Процесс согласования – рассогласования сопровождается повышением идеальности системы как за счет уменьшения функций расплаты, так и за счет повышения качества полезных функций.
Пример: В согласованную систему электроснабжения вводится элемент рассогласования – «электрический предохранитель», позволяющий вывести подсистему с коротким замыканием из общей цепи.
ОСОБЕННОСТИ СОВМЕСТНОГО ДЕЙСТВИЯ ЗАКОНОВ РАЗВИТИЯ ТЕХНИЧЕСКИХ СИСТЕМ
Выделения отдельных, изолированных друг от друга законов развития технических систем является, вообще говоря. является грубым упрощением. На самом деле законы действуют в совокупности, обеспечивая эффективное, всестороннее развитие системы. Следствие одного закона, нередко тесно переплетаются со следствием другого, часто речь идет об одной и той же закономерности, рассмотренной с разных сторон.
ПРОГНОЗИРОВАНИЕ РАЗВИТИЯ ТЕХНИЧЕСКИХ СИСТЕМ
Важнейшим направлением работ по совершенствованию техники является прогнозирование ее развития, позволяющее сформулировать цели, рационально определить параметры будущих изделий, спланировать работу по их достижению. Имея достоверный прогноз, предприятие получает возможность обоснованно и эффективно оперировать капиталовложениями , формировать перспективные планы производства, подготовить задания на разработку необходимых материалов, оборудования и т. д., снизив тем самым время технологической подготовки производства и степень риска по освоению новой техники.
Поскольку развитие технических систем осуществляется по объективным законам развития техники, логично использовать выявленные законы для прогнозирования развития. При этом такой прогноз должен дать не только характеристику будущей технической системы, но и указать пути ее развития, за исключением случаев, когда существующий уровень науки и техники не позволяет это сделать из-за отсутствия материалов, технологий энергетических ресурсов, необходимых знаний.
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
| Функция ТО | ТФ | ТФ+ЭФ | ТФ+ЭФ+ФУ | ТФ+ЭФ+ФУ+ФП |
Размалывание зерна Получение осесеметричных круглых деталей из твердотельных заготовок Транспортирование груза по дороге |
Каменные жернова с ручным приводом Токарный станок с рунным или ножным приводом Тачка или тележка, приводимая в движение человеком |
Каменные жернова с приводом от водяного колеса или паровой машины Токарный станок с приводом от водяного колеса, паровой машины или электродвигателя Телега, приводимая в движение тягловым животным или автомобиль |
Мельница с системой автоматического управления (САУ) Токарный станок с числовым программным управлением (ЧПУ) Автомобиль с САУ |
Мельница с САУ, получающая задания от автоматизированной системы планирования работ (АСПР) Станок с ЧПУ, получающий задания от АСПР Автомобиль с САУ, получающий задания от бортовой АСПР, осуществляющей предварительный сбор информации |
| Примечание. ТФ – технологическая функция; ЭФ – энергетическая функция; ФУ – функция управления; ФП – функция планирования. | ||||
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.
Законы развития технических систем
Мы уже познакомились с некоторыми основными законами развития технических систем: закон стремления к идеальности, закон перехода в надсистему, закон развития через возникновение и преодоление противоречий.
| Законы развития технических систем (по Г.С Альтшуллеру) |
| 1. Закон полноты частей системы Необходимым условием принципиальной жизнеспособности технической системы является наличие и минимальная работоспособность основных частей системы. |
| 2. Закон «энергетической проводимости» системы Необходимым условием принципиальной жизнеспособности технической системы является сквозной проход энергии по всем частям системы. |
| 3. Закон согласования ритмики частей системы Необходимым условием принципиальной жизнеспособности технической системы является согласование (или сознательное рассогласование) частоты колебаний (периодичности работы) всех частей системы. |
| 4. Закон увеличения степени идеальности системы Развитие всех систем идет в направлении увеличения степени идеальности. |
| 5. Закон неравномерности развития частей системы Развитие частей системы идет неравномерно: чем, сложнее система, тем неравномернее развитие ее частей. |
| 6. Закон перехода в надсистему Развитие системы, достигшей своего предела, может быть продолжено на уровне надсистемы. |
| 7. Закон динамизации технических систем Жесткие системы, для повышения их эффективности должны становиться динамичными, то есть переходить к более гибкой, быстро меняющейся структуре и к режиму работы, подстраивающемуся под изменения внешней среды. |
| 8. Закон перехода с макроуровня на микроуровень Развитие рабочих органов идет сначала на макро-, а затем на микроуровне. |
| 9. Закон увеличения степени вепольности Развитие технических систем идет в направлении увеличения степени вепольности: невепольные системы стремятся стать вепольными, а в вепольных системах развитие идет путем увеличения числа связей между элементами, повышения отзывчивости (чувствительности) элементов, увеличения количества элементов. |
В 70-х годах прошлого века Г.С.Альтшуллер предпринял шаги по переходу от методики изобретательства к теории изобретательского творчества, а затем и к теории развития технических систем. Важная роль в этом переходе была отведена созданию системы законов развития технических систем, которые стали базой для тех инструментов решения задач, которые используются в ТРИЗ. В 1977 году Г.С.Альтшуллер опубликовал первый вариант системы законов развития технических систем (ЗРТС).
Последователи и ученики Г.С.Альтшуллера (Ю.Саламатов, С.Литвин, Б.Злотин) создавали и другие системы законов. Но базой для этих систем законов остается система законов, предложенная Г.С.Альтшуллером. Ниже приводится один из вариантов системы законов, которая вполне может быть перенесена с технических систем на информационные технологии.
|
О некоторых из этих законов мы уже говорили выше. О некоторых речь пойдет дальше, например, в разделе об элеполях.
Одной из предпосылок ТРИЗ является то, что существуют объективные законы развития и функционирования систем, опираясь на которые можно строить изобретательские решения. Другими словами, многие технические, производственные, экономические и социальные системы развиваются по одним и тем же правилам и принципам. Г. С. Альтшуллер обнаружил их, изучив патентный фонд и проанализировав пути развития и усовершенствования техники в течение долгого времени. Результаты, опубликованные в книгах ««Линии жизни» технических систем» и «О законах развития технических систем», позже объединенные в работе «Творчество как точная наука», стали базисом для Теории развития технических систем (ТРТС).
В данном уроке мы предлагаем вам познакомиться с этими законами, подкрепленными примерами. В программе обучения ТРИЗ они занимают главное место, поскольку раскрываются и детализируются в правилах их применения, в стандартах, принципах разрешения противоречий, вепольном анализе и АРИЗе.
Терминология и краткое введение
Закон развития технической системы (ЗРТС) - это существенное, устойчивое, повторяющееся отношение между элементами внутри системы и с внешней средой в процессе прогрессивного развития, перехода системы от одного состояния к другому с целью увеличения ее полезной функциональности.
Г. С. Альтшуллер открытые законы разделил на три раздела «Статику», «Кинематику», «Динамику». Названия эти условны и не имеют прямого отношения к физике. Но можно проследить связь этих групп с моделью «начала жизни-развития-смерти» в соответствии с законом S-образного развития технических систем, который автор предложил для полной картины эволюции процессов в технике. Она изображается логистической кривой, которая показывает меняющиеся со временем темпы развития. Этапов три:
1. «Детство». Конкретно в технике это длительный процесс проектирования системы, ее доработки, изготовления опытного образца, подготовки к серийному выпуску. В глобальном понимании этап связан с законами «Статики» - группой, объединенной критериями жизнеспособности возникающих технических систем (ТС). Говоря простым языком, благодаря этим законам можно дать ответы на два вопроса: Будет ли жить и функционировать создаваемая система? Что нужно сделать для того, чтобы она жила и функционировала?
2. «Расцвет». Этап бурного совершенствования системы, ее становления в качестве мощной и производительной единицы. Он связан со следующей группой законов - «Кинематикой», которая описывает направления развития технических систем вне зависимости от конкретных технических и физических механизмов. В буквальном понимании это означает те изменения, которые должны произойти в системе, чтобы она отвечала возрастающим к ней требованиям.
3. «Старость». С какого-то момента развитие системы замедляется, а позже прекращается вовсе. Это обусловлено законами «Динамики», характеризующими развитие ТС в условиях действия конкретных технических и физических факторов. «Динамика» противоположна «Кинематике» - законы этой группы определяют лишь возможные изменения, которые могут быть совершены в данных условиях. Когда возможности совершенствования исчерпаны, на смену старой системе приходит новая, и весь цикл повторяется.
Законы первых двух групп - «Статики» и «Кинематики» - универсальны по своему характеру. Они действуют в любую эпоху и применимы не только к техническим системам, но и к биологическим, социальным и т. д. «Динамика» же, по словам Альтшуллера, говорит об основных тенденциях функционирования систем именно в наше время.
Как пример действия комплекса этих законов в технике можно вспомнить развитие такой технической системы, как весельный флот. Она прошла становление от маленьких лодок с парой весел до крупных боевых кораблей, где сотни весел располагались в несколько рядов, уступив в результате место парусникам. В социальном и историческом плане примером S-образной системы может служить зарождение, процветание и упадок афинской демократии.
Статика
Законы «Статики» в ТРИЗ определяют начальную стадию функционирования технической системы, начало ее «жизни», определяя необходимые для этого условия. Сама категория «система» говорит нам о целом, составленном из частей. Техническая система, как и любая другая, начинает свою жизнь в результате синтеза отдельных компонентов. Но не всякое такое объединение дает жизнеспособную ТС. Законы группы «Статика» как раз и показывают, какие обязательные условия должны выполняться для успешной работоспособности системы.
Закон 1. Закон полноты частей системы. Необходимым условием принципиальной жизнеспособности технической системы является наличие и минимальная работоспособность основных частей системы.
Основных частей четыре: двигатель, трансмиссия, рабочий орган и орган управления. Для обеспечения жизнеспособности системы нужны не только эти части, но и их пригодность к выполнению функций ТС. Другими словами, эти составляющие должны быть работоспособными не только по отдельности, но и в системе. Классический пример - двигатель внутреннего сгорания, который работает сам по себе, функционирует в такой ТС как легковой автомобиль, но не пригоден для применения в подводной лодке.
Из закона полноты частей системы следует вывод: чтобы система была управляемой, необходимо, чтобы хотя бы одна ее часть была управляемой. Управляемость означает способность менять свойства в зависимости от предполагаемых заданий. Это следствие хорошо иллюстрирует пример из книги Ю. П. Саламатова «Система законов развития техники»: воздушный шар, управлять которым можно с помощью клапана и балласта.
Похожий закон был сформулирован в 1840 г. Ю. фон Либихом и для биологических систем.
Закон 2. Закон «энергетической проводимости» системы. 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. Если какая-то часть ТС не будет получать энергии, то и вся система не будет работать. Главным условием эффективности технической системы с точки зрения энергопроводимости является равенство способностей частей системы по принятию и передаче энергии.
Из закона «энергетической проводимости» следует вывод: чтобы часть технической системы была управляемой, необходимо обеспечить энергетическую проводимость между этой частью и органами управления. Этот закон статики также является основой определения 3 правил энергопроводимости системы:
- Если элементы при взаимодействии друг с другом образуют систему, проводящую энергию с полезной функцией, то для повышения ее работоспособности в местах контакта должны быть вещества с близкими или одинаковыми уровнями развития.
- Если элементы системы при взаимодействии образуют энергопроводящую систему с вредной функцией, то для ее разрушения в местах контактирования элементов должны быть вещества с различными или противоположными уровнями развития.
- Если элементы при взаимодействии друг с другом образуют энергопроводящую систему с вредной и полезной функцией, то в местах контактирования элементов должны быть вещества, уровень развития которых и физико-химические свойства изменяются под воздействием какого-либо управляемого вещества или поля.
Закон 3. Закон согласования ритмики частей системы. Необходимым условием принципиальной жизнеспособности технической системы является согласование ритмики (частоты колебаний, периодичности) всех частей системы.
Теоретик ТРИЗ А. В. Тригуб уверен, что для устранения вредных явлений или усиления полезных свойств технической системы, необходимо согласовать или рассогласовать частоты колебаний всех подсистем в технической системе и внешних системах. Попросту говоря, для жизнеспособности системы важно, чтобы отдельные части не только работали вместе, но и не мешали друг другу выполнять полезную функцию.
Этот закон прослеживается на примере истории создания установки для дробления камней в почках. Данный аппарат дробит камни целенаправленным лучом ультразвука, чтобы в дальнейшем они выводились натуральным путем. Но изначально для разрушения камня требовалась большая мощность ультразвука, что поражало не только их, но и окружающие ткани. Решение пришло после того, как была согласована частота ультразвука с частотой колебания камней. Это вызывало резонанс, который и разрушал камни, благодаря чему мощность луча удалось уменьшить.
Кинематика
Группа законов ТРИЗ «Кинематика» имеет дело с уже образованными системами, которые проходят этап своего становления. Условие, как было сказано выше, кроется в том, что эти законы определяют развитие ТС, независимо от конкретных технических и физических факторов, его обусловливающих.
Закон 4. Закон увеличения степени идеальности системы. Развитие всех систем идет в направлении увеличения степени идеальности.
В классическом понимании идеальная система - это система, вес, объем, площадь которой стремятся к нулю, хотя ее способность выполнять работу при этом не уменьшается. Иначе говоря - это когда системы нет, а функция ее сохраняется и выполняется. Все ТС стремятся к идеальности, но идеальных очень мало. Образцом может служить сплав леса плотами, когда корабль для транспортировки не требуется, а функция доставки выполняется.
На практике можно найти множество примеров подтверждения данного закона. Предельный случай идеализации техники заключается в ее уменьшении (вплоть до исчезновения) при одновременном увеличении количества выполняемых ею функций. Например, первые поезда были больше чем сейчас, а пассажиров и грузов перевозили меньше. В дальнейшем габариты уменьшились, усилилась мощность, благодаря чему стала возможной перевозка больших объемов грузов и увеличение пассажиропотока, что привело и к снижению стоимости самой транспортировки.
Закон 5. Закон неравномерности развития частей системы. 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. Следствием данного закона является то, что рано или поздно изменение одной составляющей ТС спровоцирует цепную реакцию технических решений, которые приведут к изменению и оставшихся частей. Закон находит свое подтверждение в термодинамике. Так, в соответствии с принципом Онсагера: движущая сила любого процесса - это появление неоднородности в системе. Значительно раньше, чем в ТРИЗ, этот закон был описан в биологии: «В ходе прогрессивной эволюции возрастает взаимное приспособление органов, происходит координация изменений частей организма и идет аккумуляция корреляций общего значения».
Отличной иллюстрацией справедливости закона служит развитие автомобильной техники. Первые двигатели обеспечивали относительно небольшую по сегодняшним меркам скорость в 15-20 км/час. Установка двигателей большей мощности увеличила скорость, что со временем стало причиной замены колес на более широкие, изготовления кузова из более прочных материалов и т.д.
Закон 6. Закон опережающего развития рабочего органа. Желательно, чтобы рабочий орган опережал в своем развитии остальные части системы, то есть обладал большей степенью динамизации по веществу, энергии или организации.
Некоторые исследователи выделяют этот закон как отдельный, но многие труды выводят его в комплексе с законом неравномерности развития частей системы. Такой подход нам кажется более органичным, и мы выносим индивидуальный блок для данного закона лишь для большей структурированности и понятности.
Значение этого закона в том, что он указывает на распространенную ошибку, когда с целью увеличения полезности изобретения развивается не рабочий орган, а любой другой, например, управленческий (трансмиссия). Конкретный случай - чтобы создать многофункциональный игровой смартфон, нужно не просто сделать его удобным для держания в руке и оснастить большим дисплеем, а, в первую очередь, позаботиться о мощном процессоре.
Закон 7. Закон динамизации. Жесткие системы для повышения эффективности должны становиться динамичными, то есть переходить к более гибкой, быстро меняющейся структуре и к режиму работы, подстраивающемуся под изменения внешней среды.
Данный закон является универсальным и находит свое отображение во многих сферах. Степенью динамизации - способностью системы приспосабливаться к внешней среде - обладают не только технические системы. Когда-то такую адаптацию прошли биологические виды, вышедшие из воды на сушу. Изменяются и социальные системы: все больше компаний практикуют вместо офисной работы удаленную, а многие работники отдают предпочтение фрилансу.
Примеров из техники, подтверждающих данный закон, также множество. Свой облик за пару десятилетий поменяли мобильные телефоны. Причем изменения были не только количественными (уменьшение в размерах), но и качественными (увеличение функиональности, вплоть до перехода в надсистему - планшетофоны). Первые бритвенные станки «Gilette» имели неподвижную головку, которая позже стала более удобной движущейся. Еще один пример: в 30-е гг. в СССР выпускались быстрые танки БТ-5, которые по бездорожью двигались на гусеницах, а выехав на дорогу, сбрасывали их и шли на колесах.
Закон 8. Закон перехода в надсистему. Развитие системы, достигшей своего предела, может быть продолжено на уровне надсистемы.
Когда динамизация системы невозможна, другими словами, когда ТС полностью исчерпала свои возможности и дальнейших путей ее развития нет, система переходит в надсистему (НС). В ней она работает в качестве одной из частей; при этом дальнейшее развитие идет уже на уровне надсистемы. Переход происходит не всегда и ТС может оказаться мертвой, как, например, произошло с каменными орудиями труда первых людей. Система может не переходить в НС, а оставаться в состоянии, когда не может быть существенно усовершенствована, но сохранять жизнеспособность в силу необходимости этого людям. Примером такой технической системы служит велосипед.
Вариантом перехода системы в надсистему может быть создание би- и полисистем. Его еще называют законом перехода «моно - би - поли». Такие системы более надежны и функциональны, благодаря приобретаемым в результате синтеза качествам. После прохождения этапов би- и поли- наступает свертывание - либо ликвидация системы (каменный топор), поскольку она свое уже отслужила, либо переход ее в надсистему. Классический пример проявления: карандаш (моносистема) - карандаш с ластиком на конце (бисистема) - разноцветные карандаши (полисистема) - карандаш с циркулем или ручка (свертывание). Или бритва: с одним лезвием - с двумя - с тремя и более - бритва с вибрацией.
Этот закон является не только общим законом развития систем, схемой, по которой развивается все, но и законом природы, ведь симбиоз живых организмов с целью выживания известен с незапамятных времен. Как подтверждение: лишайники (симбиоз гриба и водорослей), членистоногие (рак-отшельник и актинии), люди (бактерии в желудке).
Динамика
«Динамика» объединяет законы развития ТС характерные для нашего времени и определяет возможные изменения в них в научно-технических условиях современности.
Закон 9. Закон перехода с макроуровня на микроуровень. Развитие рабочих органов системы идет сначала на макро-, а затем на микроуровне.
Суть заключается в том, что любая ТС для развития своего полезного функционала стремится перейти с макроуровня на микроуровень. Другими словами, в системах соблюдается тенденция перехода функции рабочего органа от колес, шестерней, валов и т. д. к молекулам, атомам, ионам, которые легко управляются полями. Это одна из главных тенденций развития всех современных технических систем.
Понятия «макроуровень» и «микроуровень» являются в данном отношении скорее условными и призваны показать уровни мышления человека, где первый уровень - что-то физически соизмеримое, а второй - понимаемое. В жизни любой ТС наступает момент, когда дальнейшее экстенсивное (увеличение полезной функции за счет изменений на макроуровне) развитие невозможно. Дальше систему можно развивать только интенсивно, за счет повышения организованности все более низких системных уровней вещества.
В технике переход между макро- и микроуровнями хорошо демонстрирует эволюция строительного материала - кирпича. Сначала это была просто организация формы глины для удобства. Но однажды человек забыл кирпич на пару часов на солнце, а когда вспомнил о нем - тот затвердел, что сделало его более надежным и практичным. Но со временем было замечено, что такой материал плохо держит тепло. Было совершено новое изобретение - теперь в кирпиче оставляли большое количество воздушных капилляров - микропустот, что существенно понизило его теплопроводность.
Закон 10. Закон повышения степени вепольности. Развитие технических систем идет в направлении увеличения степени вепольности.
Г. С. Альтшуллер писал: «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».
Веполь - (вещество+поле) - модель взаимодействия в минимальной технической системе. Это понятие абстрактное, применяемое в ТРИЗ для описания некоторого вида отношений. Под вепольностью стоит понимать управляемость. Дословно закон описывает вепольность как последовательность изменения структуры и элементов веполей с целью получения более управляемых технических систем, т.е. систем более идеальных. При этом в процессе изменения необходимо осуществлять согласование веществ, полей и структуры. Примером может служить диффузионная сварка и лазер для резки различных материалов.
В заключение отметим, что здесь собраны лишь описанные в литературе законы, в то время как теоретики ТРИЗ говорят о существовании и других, открыть и сформулировать которые еще предстоит.
Проверьте свои знания
Если вы хотите проверить свои знания по теме данного урока, можете пройти небольшой тест, состоящий из нескольких вопросов. В каждом вопросе правильным может быть только 1 вариант. После выбора вами одного из вариантов, система автоматически переходит к следующему вопросу. На получаемые вами баллы влияет правильность ваших ответов и затраченное на прохождение время. Обратите внимание, что вопросы каждый раз разные, а варианты перемешиваются.
Закономерности развития технических систем характеризуют различные аспекты перестройки систем по мере их совершенствования и тенденции изменения свойств технических объектов во времени.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.
3.4.1Закономерность стадийного развития.
Эта закономерность характеризует функциональный аспект развития мировой техники в целом и технических объектов того или иного класса.
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.
|
Стадии развития |
Средства обработки абстрактной информации |
Средства обработки физических объектов |
|
1. Эпоха ручных орудий |
Счетные палочки, счеты, логарифмическая линейка. |
Токарный станок (ТС) с ручным, затем с ножным приводом. |
|
2. Эпоха механизации – возникновение и развитие машин. Характеризуется наличием трех основных звеньев: преобразователя энергии, передаточных устройств и рабочего органа. |
Электромеханический арифмометр, электрические калькуляторы, ЭВМ 1-го поколения. |
ТС с приводом от водяного колеса, паровой машины, электродвигателя с ручным управлением. |
|
3. Эпоха детерминированных автоматизированных производящих систем. Реализована функция контроля и коррекции регулярно протекающего процесса, имеется блок управления системой. |
ЭВМ 2-го и 3-го поколений, ПЭВМ, базы данных. |
ТС с числовым программным управлением с “жесткой” записью программы на магнитной ленте, перфоленте. |
|
4. Эпоха недетерминированных самоуправляющихся систем. Выполняется функция анализа ситуации и принятие решения. |
Базы знаний. |
Гибкие автоматизированные производственные системы. |
Из закономерности стадийного развития следует весьма важное следствие, что переход к каждой последующей стадии возможен после того, как предыдущая стадия получит достаточное научное и техническое развитие. При этом невозможно «перескакивать» через одну или несколько стадий развития. Например, бессмысленно оснащать ТО приводом, если нет РО. Невозможно оснащать ТО системой управления, если не исследованы закономерности его функционирования и не созданы соответствующие модели. Невозможно создать экспертную систему, базу знаний, не создав предварительно хорошо работающую базу данных в рассматриваемой предметной области.
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
Закономерность стадийного развития используется при прогнозировании потребностей и для определения направлений развития техники.
3.4.2Закономерность прогрессивной конструктивной эволюции.
Термин «прогрессивной конструктивной эволюции» использует А. И. Половинкин. В работах Г. С. Альтшуллера и его учеников эту закономерность просто называют этапами развития технических систем, законом S –образного развития технических систем.
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
Время
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.
3.4.3Динамизация технических систем.
В русском языке слово динамика имеет три значения: «1. Отдел механики, изучающий законы движения тел в зависимости от действующих на них сил. 2. Ход развития, изменения какого-нибудь явления... 3. Движение, действие, развитие...». Прилагательные: «динамический, динамичный – богатый движением, действием».
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
|
Этапы динамизации |
Пример |
|
1. Ограниченно динамичная система |
Вертикально фрезерный станок |
|
2. Система со сменными рабочими органами |
Фрезерный станок с набором инструментов |
|
3. система с программным принципом управления |
Фрезерный станок с программным управлением Увеличение количества одновременно управляемых координат |
|
4. Система с изменяемыми рабочими органами |
Фрезерный станок с магазином инструментов Фреза с изменяемой геометрией режущих кромок |
В развитии механических систем можно выделить два направления динамизации: динамизация веществ и полей.
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
СВЯЗИ
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
Познание человеком Природы начиналось с наиболее простых форм движения материи – механической.
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
ФПД2
Источники
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
Эта закономерность отражает тенденции развития технических систем в плане их структурной перестройки.
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.
Рис. 26. Универсальный ключ
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
3.4.6Закономерность взаимосвязанного и неравномерного развития
Суть этой закономерности заключается в том, что прогресс одной отрасли техники (или определенного класса ТО) способствует развитию других отраслей (или классов ТО), он является стимулом для внедрения полученных научных и технических достижений в других отраслях.
