Основные механизмы устранения противоречий

Задачи

Попробуйте решить несколько учебных задач. Это несложные задачи, для их решения достаточно знать изложенные выше простейшие правила вепольного анализа.

Решить учебную задачу означает: указать правило, на основе которого решается данная задача; дать конкретный ответ, основанный на этом правиле. Распространенная ошибка состоит в том, что пытаются угадать ответ, используя привычный метод проб и ошибок. Это все равно, что подойти к спортивному снаряду... и обойти его, став на то место, куда надо спрыгнуть со снаряда. Нетрудно обойти, скажем, турник, но и пользы от этого не будет. Весь смысл решения учебных задач в том, чтобы выработать навыки анализа, приобрести опыт, который потом пригодится при решении более трудных задач.

Задача 16

В формуле изобретения по а. с. № 527 280 сказано: «Манипулятор для сварочных работ, содержащий поворотный стол и узел поворота стола, выполненный в виде поплавкового механизма, шарнирно соединенного) через кронштейн со столом и помещенного в емкость с жидкостью, отличающийся тем, что с целью увеличения скорости перемещения стола в жидкость введена ферромагнитная взвесь, а емкость с жидкостью помещена в электромагнитную обмотку.» В чем суть этого изобретения с позиций вепольного анализа?

Задача 17

По трубопроводу, имеющему сложную форму (повороты), транспортируют пневмопотоком мелкие стальные шарики. В местах «поворота трубопровод сильно изнашивается изнутри из-за ударов транспортируемых шариков о стенки трубы. Пытались вводить защитные прокладки, но они быстро изнашивались.

Какое правило вепольного анализа следует применить при решении этой задачи? Каков ответ, основанный на этом правиле? Как быть, если по трубопроводу транспортируются не стальные, а, например, медные шарики?

Задача 18

Притирку одной поверхности к другой проверяют, нанося на одну поверхность тонкий слой краски и проверяя равномерность отпечатка на другой поверхности. Для поверхностей высших классов частоты необходимо применять очень тонкий слой краски (десятые доли микрона). Такой слой дает отпечатки, которые трудно различать. Ваше предложение? На каком правиле оно основано?

Задача 19

В а. с. № 253 753 описано следующее изобретение: «Электромагнитное перемешивающее устройство, включающее цилиндрический сосуд, статор, создающий электромагнитное поле, и ротор, о т л и ч а ю щ е е с я тем, что с целью интенсификации перемешивания ротор выполнен в виде эластичного перфорированного кольца. свободно размещенного в сосуде.» Итак, вместо жесткой лопастной мешалки использована эластичная «дырчатая» лента, приводимая во вращение электромагнитным полем. Спрогнозируйте следующее изобретение, развивающее то, что описано в а. с. 253 753. На каком правиле вепольного анализа основан ваш прогноз?

Задача 20

При изготовлении шлифовального инструмента мало уложить маленькие алмазные зерна, имеющие форму пирамидок, не как попало, а в определенном положении - острым углом вверх. Как это сделать?

Задача 21

На скоростных судах подводные крылья быстро разрушаются из-за кавитационного воздействия потока воды.

Каково ваше решение? На каком правиле вепольного анализа оно основано?

Задача 22

После изготовления некоторых железобетонных изделий с предварительно напряженной (растянутой) арматурой (стальными стержнями) возникает необходимость измерять напряжение (или фактическую величину удлинения) арматуры в готовом изделии. Трудность заключается в том, что арматура находится внутри готового и установленного изделия. Делать дырки или выводить концы арматуры наружу нельзя. Применить просвечивание с помощью ультразвука или рентгеновских лучей слишком сложно. Как быть?

ТАКТИКА ИЗОБРЕТАТЕЛЬСТВА: УПРАВЛЕНИЕ ПРОЦЕССОМ РЕШЕНИЯ ЗАДАЧ

СИТУАЦИЯ - ЗАДАЧА - МОДЕЛЬ ЗАДАЧИ

Процесс изобретательского творчества начинается с выявления и анализа изобретательской ситуации. Изобретательская ситуация - это любая технологическая ситуация, в которой отчетливо выделена какая-то неудовлетворяющая нас особенность. Слово «технологическая» использовано здесь в самом широком смысле: техническая, производственная, исследовательская, бытовая, военная и т. д.

Рассмотрим, например, такую ситуацию. Для изготовления предварительно напряженного железобетона нужно растянуть арматуру (стальные стержни). В растянутом состоянии арматуру закрепляют в форме и подают бетон. После затвердевания бетона концы арматуры освобождают, арматура укорачивается и сжимает бетон, повышая его прочность. Для растяжения арматуры использовали гидравлические домкраты, но они оказались слишком сложными и ненадежными. Был предложен электротермический способ растяжения: арматуру нагревают, пропуская ток, она удлиняется, и в таком состоянии ее закрепляют. Если в качестве арматуры используют стержни из обычной стали, все в порядке - стержни достаточно нагреть до 400°, чтобы получить требуемое удлинение. Но выгодно использовать не стержни, а проволоку, выдерживающую большие усилия. Для удлинения проволоки на расчетную величину необходима температура 700°, но проволока теряет свои высокие механические качества при нагревании (хотя бы и кратковременном) выше 400°. Расходовать на изготовление железобетона дорогостоящую жаропрочную проволоку недопустимо.

Такова ситуация. С изготовлением железобетона связано множество различных проблем. В ситуации выделена только одна - растяжение проволочной арматуры. Подразумевается, что для решения этой проблемы надо что-то предпринять. Однако в ситуации нет указаний, что при этом допустимо менять в исходной технической системе. Можно ли, например, вернуться к использованию гидродомкратов, попытавшись как-то их улучшить? Может быть, следует усовершенствовать технологию изготовления жаропрочной проволоки, чтобы снизить ее стоимость? А может быть, вообще поискать принципиально новый способ растяжения арматуры?

Ситуация не содержит ответов на подобные вопросы. Поэтому одна и та же ситуация порождает разные изобретательские задачи.

Для изобретателя особенно важно умение переводить ситуацию в задачи минимальные и максимальные.

Минимальная задача может быть получена из ситуации по формуле: то, что есть, минус недостаток, или то, что есть, плюс требуемое достоинство (новое качество). Таким образом, минимальная задача получается из ситуации введением предельных ограничений на изменение исходной технической системы. Максимальная задача, наоборот, получается предельным снятием ограничений: исходную систему разрешается заменить принципиально иной системой. Когда мы ставим задачу улучшить парусное оснащение судна - это минимальная задача. Если же задача ставится так: «Вместо парусника нужно найти принципиально другое транспортное средство, имеющее такие-то показатели»,- это задача максимальная.

Не следует считать, что переход к минимальной задаче обязательно ведет к решениям задач низших уровней. Минимальная задача может быть решена и на четвертом уровне. С другой стороны, переход к максимальной задаче не обязательно означает установку на получение решения задачи пятого уровня. Отказавшись от усовершенствования электротермического способа растяжения арматуры и взявшись за усовершенствование гидродомкратов, вполне можно выйти на изобретения первого, второго уровней.

В какую именно задачу, минимальную или максимальную, переводить данную ситуацию, - это проблема стратегии изобретательства, и мы еще к этому вернемся. Во всяком случае, очевидно, что при всех обстоятельствах целесообразно начинать с минимальной задачи: ее решение, обеспечивая положительный результат, в то же время не требует сколько-нибудь существенного изменения самой системы и потому гарантирует легкость внедрения и экономический эффект. Решение и внедрение максимальной задачи может потребовать всей жизни, а иногда такая задача оказывается вообще нерешимой при данном уровне научных знаний. Поэтому, даже отдавая предпочтение максимальной задаче, целесообразно сначала рассмотреть задачу минимальную.

Как и всякая задача, изобретательская задача должна содержать указания на то, что дано, и на то, что требуется получить. Типичная изобретательская задача выглядит так:

Задача 23

При изготовлении предварительно напряженного железобетона проволочную арматуру растягивают электротермическим способном. Но при нагревании на расчетную величину (700°) арматура теряет своя механические качества. Как устранить этот недостаток?

К «дано» здесь относится описание исходной технической системы. К «требуется» - указания на необходимость все сохранить (задача минимальная!), устранив только имеющийся недостаток.

«Дано» и «требуется» могут быть изложены в произвольной форме. «Дано» может содержать избыточные сведения и не содержать сведений, совершенно необходимых. «Требуется» обычно бывает сформулировано в виде административного или технического противоречия, но нечеткого, неполного, иногда вообще неверного. Поэтому решение должно начинаться с построения модели задачи, предельно упрощенно, но вместе с тем точно отражающей суть задачи: техническое противоречие и элементы (части исходной технической системы), конфликт между которыми создает техническое противоречие.

Модель задачи 23

Даны тепловое поле и металлическая проволока. Если нагревать проволоку до 700°, она получит необходимое удлинение, но утратит прочность.

Прежде всего при переходе от задачи к модели устранена специальная терминология («электротермический способ», «арматура»). Убраны все лишние элементы системы. Нет, например, упоминания об изготовлении железобетона: суть задачи в том, как растянуть проволоку, а для чего именно растягивать - безразлично. Ничего не изменится, если растянутая проволока будет использована, скажем, для армирования стеклянных балок. Убрано упоминание о том, что проволоку нагревают электрическим током. Задача сохранится в том случае, если мы просто поместим проволоку в печь или будем нагревать ее инфракрасным излучением. Оставлены только те элементы, которые необходимы и достаточны, чтобы сформулировать техническое противоречие.

Каждое техническое противоречие может быть изложено двояко: «Если улучшить А, то ухудшится Б» и «Если улучшить Б, ухудшится А». При построении модели задачи следует брать ту формулировку, в которой речь идет об улучшении (сохранении, усилении и т. д.) основного производственного действия (свойства). Из двух формулировок «Если нагревать проволоку до 700°, она получит необходимое удлинение, но потеряет прочность» и «Если не нагревать проволоку до 700°, она сохранит прочность, но не получит необходимого удлинения» следует взять первую: она обеспечивает основное действие (удлинение проволоки) - то, во имя чего и существует взятая система «тепловое поле - проволока».

При переходе от ситуации к задаче и далее к модели задачи резко уменьшается свобода выбора (т. е. свобода перебора пустых проб) и нарастает «дикость» в постановке задачи.

Пока мы имели дело с ситуацией, было множество возможностей: а если пойти по пути усовершенствования гидродомкратов? А если построить пневматический домкрат? А если сделать гравитационный домкрат, в котором проволока будет растягиваться тяжелым грузом? А если допустить потерю прочности при нагревании, но потом как-то восстановить эту прочность?... Переход к задаче отсекает множество подобных возможностей. Должен быть сохранен электротермический способ, имеющий множество преимуществ; нужно лишь убрать единственный недостаток.

Следующий шаг еще более сужает выбор: мы заведомо будем использовать температуру в 700°, все компромиссы исключены, будет такая температура! Но вопреки природным свойствам взятого вещества эта высокая температура не испортит проволоки... Задача не только резко сузилась, она стала «дикой», «очевидно нелепой», «противоестественной». Однако это всего лишь означает, что мы отбросили огромное число тривиальных вариантов и вышли в парадоксальную область сильных решений.

При построении модели задачи используются термины вепольного анализа: «вещество», «поле», «действие» (с конкретизацией - какое именно). Это позволяет сразу, еще до решения, представить себе ответ в вепольной форме. В самом деле, даны тепловое поле и вещество, т. е. в модели задачи - неполный веполь. Ясно, что в ответе будет: «Необходимо ввести второе вещество».

Существуют правила, позволяющие точно строить модель задачи. Так, в пару конфликтующих элементов обязательно должно входить изделие. Вторым элементом чаще всего бывает инструмент, но в некоторых задачах оба элемента - изделия (например, в задаче 3 - щепа древесины и куски коры). Если не включать изделие в конфликтующую пару, модель задачи разрушается, мы возвращаемся к исходной ситуации. Уберите из модели задачи 21 изделие (проволоку), и снова зазвучат знакомые мотивы исходной ситуации: «А если чем-нибудь заменить арматуру железобетона? А нельзя ли вообще обойтись без ее растяжения?»

В некоторых задачах речь идет об однотипных парах изделий и инструментов. В таких случаях для построения модели достаточно взять одну пару.

Модель задачи включает только конфликтующие элементы, а не всю техническую систему. Поэтому модель порой кажется странной. Например, если в задаче дана техническая система, состоящая из сосуда, металлической пластинки и жидкости, действующей на пластинку, то в модели остаются лишь два элемента - пластинка (изделие) и жидкость (изделие). В пространстве висит «кусок» жидкости, а в нем - пластинка... Реально этого «не может быть». Но модель и не должна быть отражением всей реальной технической системы, она лишь схема «больного места» системы.

Классифицировать задачи (не говоря уже о ситуациях) чрезвычайно трудно: суть задач скрыта за произвольным «словесным оформлением». Модели задач поддаются простой и четкой классификации. В основу этой классификации положена вепольная структура, исходной технической системы. Такой подход позволяет сразу разделить задачи на три типа: дан один элемент, даны два элемента, даны три (или более) элемента. Каждый тип делится на классы - в зависимости от того, какие именно элементы даны (вещества, поля), как они между собой связаны и можно ли их менять.

В приложении 2 приведена таблица основных классов моделей задач. Возьмем, например, задачу 23. В ее условии даны два элемента (тепловое поле и вещество), следовательно, задача относится ко второму типу. Поле и вещество связаны в задаче 23 двумя сопряженными действиями. если проволоку нагревать, она удлиняется. Одно действие полезно, другое вредно. Это задача класса 11.

Мы еще не раз обратимся к классификации моделей задач. Пока отметим только одно очень важное обстоятельство. Задачи первого типа (дан один элемент) почти всегда решаются достройкой веполя. Тут можно провести аналогию с химией. Галогены обладают разными свойствами, но есть некоторое общее свойство, довлеющее над всеми другими и обусловленное структурой внешней электронной оболочки атомов этих элементов: галогены стремятся получить недостающий электрон, достроить оболочку, сделать ее полной. Так обстоит дело и с моделями задач первого типа. Главное их свойство - стремление к достройке полного веполя. Задача 9 внешне мало похожа на задачу 6. Даже с вепольных позиций есть некоторая разница: в задаче 9 надо обнаруживать маленькие капельки жидкости, а в задаче 6 - менять свойства почвы (притом большого количества). Но обе задачи относятся к первому типу моделей (дан один элемент) и имеют сходные вепольные решения: для решения обеих задач надо ввести второе вещество и поле, управляющее первым веществом через второе.

Задачи третьего типа без особых затруднений переводятся в задачи первого и второго типа. Если, например, по условиям задачи дан веполь (т. е. три элемента), этот веполь можно рассматривать как один элемент (вещество) и соединять его по обычным правилам с другими веществами и полями.

Поэтому «классические» изобретательские задачи - это задачи второго типа. Для конфликта нужно столкновение двух противоборствующих тенденций, стремлений, свойств, требований. В сущности, такое столкновение есть и в задачах первого типа: второго элемента нет в условиях задачи, но он подразумевается. Скажем, в задаче 20 указан один элемент - крупинка алмаза. Второй элемент, который мог бы быть указан в условиях задачи - инструмент, обычно применяющийся в подобных случаях, например пинцет. Крупинки алмаза в данном случае слишком малы, нет смысла даже пытаться укладывать их пинцетом, поэтому второй элемент вынесен за пределы задачи.

В АРИЗ используются четыре механизма устранения технических противоречий:

1) переход от данной в модели задачи технической системы к идеальной системе путем формулирования идеального конечного результата (ИКР);

2) переход от ТП к ФП;

3) использование вепольных преобразований для устранения ФП;

4) применение системы операторов, в сконцентрированном виде отражающей информацию о наиболее эффективных способах преодоления ТП и ФП (списки типовых приемов, таблицы использования типовых приемов, таблицы и указатель применения физических эффектов).

В модели задачи описана техническая система (точнее, ее «больной» фрагмент) и присущее ей противоречие. Заранее неизвестно, как реально устранить это противоречие, но всегда есть возможность сформулировать идеальное решение, воображаемый конечный результат (ИКР). Смысл этой операции заключается в том, чтобы получить ориентир для перехода к сильным решениям. Идеальное решение, по самому определению, наиболее сильное из всех мыслимых и немыслимых решений (для данной модели задачи). Это как бы решение несуществующего шестого уровня. Тактика решения задачи с помощью ИКР состоит в том, чтобы «уцепиться» за этот единственный сверхсильный вариант и по возможности меньше от него отступать.

ИКР формулируют по простой схеме: один из элементов конфликтующей пары сам устраняет вредное (ненужное, лишнее) действие, сохраняя способность осуществлять основное действие. Идеальность решения обеспечивается тем, что нужный эффект достигается «даром», без использования каких бы то ни было средств. Например, для задачи 23 ИКР можно записать так: «Тепловое поле само предотвращает порчу проволоки, обеспечивая тем не менее требуемое тепловое удлинение». Что может быть идеальнее? Ничего не ввели, ничего не усложнили, но вредное действие теплового поля словно по волшебству исчезло, а полезное действие сохранилось... «Дикость», парадоксальность, возникшая уже при переходе к модели задачи, резко усиливается. Тепловое поле должно не только осуществлять несовместимые действия, но и делать это само - без всяких машин, механизмов и прочих устройств.

При обучении теории решения изобретательских задач особое внимание уделяется освоению понятий об идеальной машине (машины нет, но требуемое действие выполняется), идеальном способе (расхода энергии и времени нет, но требуемое действие выполняется, причем саморегулированно), идеальном веществе (вещества нет, но его функция выполняется).

Для обычного инженерного мышления характерна готовность «платить» за требуемое действие - машинами, расходом времени, энергии, вещества. Необходимость «платы» кажется очевидной, инженер озабочен лишь тем, чтобы «плата» не была чрезмерной и «расчет» был произведен «грамотно»: «Нужно бороться с теплопритоком. Что ж, придется рассчитать систему теплозащиты. Используем хорошую теплоизоляцию, например экранно-вакуумную. А если этого будет недостаточно, можно отвести избыток тепла, применив тепловые насосы...» Изобретательское мышление при работе по АРИЗ должно быть четко ориентировано на идеальное решение: «Есть вредный фактор, с которым надо бороться. Идеально, чтобы этот фактор исчез сам по себе. Пусть сам себя устраняет. Впрочем, его можно устранить, сложив с другим вредным фактором. Нет, пожалуй, самое идеальное - пусть вредный фактор начнет приносить пользу...»

Направленность на идеал отнюдь не означает отход от реальности решения. Во многих случаях идеальное решение полностью осуществляется. Скажем, идеальность машины обеспечивается тем, что ее функцию по совместительству начинает выполнять другая машина. Идеальность способа нередко достигается выполнением требуемого действия заранее, благодаря чему в нужный момент на это действие не приходится тратить ни времени, ни энергии.

Четкая нацеленность на идеал нужна не только при формулировке ИКР, но буквально на всех этапах решения задачи, при всех операциях по АРИЗ. Если, например, вепольный анализ подсказывает: надо ввести вещество,- следует не упускать из виду, что наилучшее вещество - это когда вещества нет, а его функция выполняется. Есть много эффективных способов вводить вещество, не вводя его (одно вещество поочередно выступает в двух видах, вещество вводится на время и т. д.).

Переход к ИКР отсекает все решения низших уровней, отсекает без перебора. сразу. Остаются ИКР и те варианты, которые близки к ИКР и потому могут оказаться сильными. Дальнейший отсев вариантов происходит при формулировании физического противоречия. Например: «Тепловое поле должно нагревать проволоку, чтобы она удлинялась, и не должно нагревать проволоку, чтобы она не портилась».

В физическом противоречии «дикость» требований достигает предела. Отпадают все варианты, кроме одного или нескольких, максимально близких к ИКР. Число оставшихся вариантов не превышает числа комбинационных приемов и физических эффектов, пригодных для устранения данного ФП. Обычно это число не выше десяти, причем с увеличением трудности задачи число оставшихся вариантов уменьшается.

Переход от ФП к решению существенно облегчается вепольным анализом. Уже при построении модели задачи вепольный анализ позволяет в общем виде представить пути решения. Например, в модели задачи 23 говорится о поле и веществе: ясно, что придется вводить второе вещество. Сопоставляя это соображение с формулировкой ИКР, можно выявить вепольное противоречие (ВП): второе вещество должно быть, чтобы веполь был достроен, и второго вещества не должно быть, чтобы не отступать от ИКР. Такое противоречие (а оно часто встречается при вепольном анализе) можно преодолеть, используя «раздвоение» вещества: в качестве второго вещества берут часть первого или вводят второе вещество, являющееся видоизменением первого.

Возьмем две проволоки, пусть тепловое поле нагревает одну и не нагревает другую, причем удлинение первой проволоки (но не тепло!) будет передано второй проволоке. Таково решение задачи 23. Жаропрочный стержень (он не расходуется) нагревают до высокой температуры. Стержень удлиняется. В таком состоянии его прикрепляют к проволоке. При охлаждении стержень укорачивается и растягивает проволоку, оставшуюся холодной. В качестве тягового стержня можно взять и обычную проволоку, нужно только, чтобы она была вдвое длиннее арматуры, тогда и температура ее (для получения заданного удлинения) может быть вдвое меньше. Важен принцип изобретения - идея электротермического домкрата [11].

Интересно отметить, что ФП устранено с буквальной точностью: тепловое поле нагревает и не нагревает проволоку. Правда, раньше имелась в виду одна и та же проволока, а в решении речь идет о разных проволоках. Такой «терминологический фокус» совершается при решении многих задач. Например, в задаче 3 речь идет о разделении смеси двух одинаковых веществ. А в решении предлагается предварительно наносить метки на одно вещество, поскольку раньше эти вещества были расположены раздельно. Познакомившись с этим решением, часто говорят: «Если бы я знал, что можно раньше пометить вещества...» Задача не содержала запретов на предварительную маркировку - кто же мешал знать это заранее?...

Простоту ответа иногда принимают за простоту процесса решения. Между тем чем проще ответ (если речь идет о задачах высших уровней), тем труднее его получить.

Нередко ни построение модели задачи, ни формулирование ИКР и ФП, ни вепольный анализ не дают готового, достаточно очевидного ответа. Решение задачи должно быть продолжено - необходимо перейти к операторам преобразования технической системы. Об этом говорится ниже. Пока, подытоживая сказанное, отметим, что вслед за переходом от изобретательской ситуации к задаче, затем к модели задачи возникает цепочка решений: идеальное решение (сформулирован ИКР), вепольное решение (найден ответ в вепольной форме), физическое решение (сформулировано ФП и найден физический принцип его устранения). Вслед за этим должно идти техническое решение: разработка идеи примерно на уровне требований, предъявляемых к заявке на изобретение. Завершается процесс расчетным решением, включающим обоснование основных характеристик новой технической системы. Эти этапы - получение технического и расчетного решения - представляют собой переход от решения изобретательской задачи к конструкторской разработке изобретения. Здесь главную роль играют специальные знания и опыт. В реальном творческом процессе «изобретательские» и «конструкторские» этапы порой причудливо переплетаются: от конструирования часто приходится возвращаться к изобретательству и подправлять найденную идею, а в процессе конструирования нередко возникает необходимость решать частные изобретательские задачи, сопутствующие основной задаче.

Дата добавления: 2015-05-26