— законов, которые определяют начало жизни технических систем.

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

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

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

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

Из закона 1 вытекает очень важное для практики следствие.

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

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

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

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

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

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

Важное значение имеет следствие из закона 2..

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

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

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

Примеры к этому закону приведены в гл.1..

Развитие всех систем идет в направлении увеличения степени идеальности.

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

Несмотря на очевидность понятия «идеальная техническая система», существует определенный парадокс: реальные системы становятся все более крупноразмерными и тяжелыми. Увеличиваются размеры и вес самолетов, танкеров, автомобилей и т.д. Парадокс этот объясняется тем, что высвобожденные при совершенствовании системы резервы направляются на увеличение ее размеров и, главное, повышение рабочих параметров. Первые автомобили имели скорость 15–20 км/ч. Если бы эта скорость не увеличивалась, постепенно появились бы автомобили, намного более легкие и компактные с той же прочностью и комфортабельностью. Однако каждое усовершенствование в автомобиле (использование более прочных материалов, повышение к.п.д. двигателя и т.д.) направлялось на увеличение скорости автомобиля и того, что «обслуживает» эту скорость (мощная тормозная система, прочный кузов, усиленная амортизация). Чтобы наглядно увидеть возрастание степени идеальности автомобиля, надо сравнить современный автомобиль со старым рекордным автомобилем, имевшим ту же скорость (на той же дистанции).

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

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

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

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

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

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

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

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

Развитие технических систем идет в направлении увеличения степени вепольности.

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

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

Закон полноты частей системы

Закон полноты частей системы описывает минимально необходимый набор частей, обеспечивающий минимальную работоспособность системы. В общем случае, необходимо наличие следующих частей системы:

рабочий орган ,

энергия для обеспечения его работы,

система управления рабочим органом.

Идеальном случае рабочий орган – энергия . например, инструмент для плазменной обработки. этот частный случай представляет собой одну из тенденций развития техники.

минимальный набор элементов в средствах транспорта, например, это:

движитель – рабочий орган ,

двигатель с источником энергии ,

корпус ,

система управления .

В качестве примера рассмотрим некоторые виды указанных частей судна.

движитель для судов могут быть следующих видов: весло , гребное колесо и гребной винт , водомет , реактивная струя , парус , крыло , воЗдушный Змей , парашют , пропеллер , вращающиеся роторы .

судовые ветродвижители, где: а - мягкие паруса, б - полужесткие паруса, в - жесткие паруса-крылья, г - авторотирующий пропеллер, д - вращающийся ротор, работа этого ротора основана на эффекте магнуса.

движители для передачи большой мощности или для быстрых судов . 1 - трехвальная установка; 2 - гребной винт в насадке; 3 - соосные гребные винты противоположного вращения: 4 - водометный движитель

многие этот эффект наблюдали при исполнении так называемого "крученого мяча" в настольном теннисе или футболе. Суть его в следующем. Цилиндр (или шар) вращается в определенную сторону. Стрелкой показано направление вращения (? - скорость вращения). Цилиндр находится в потоке ветра, показанного стрелкой w . Когда скорости ветра w и вращения цилиндра ? складываются, общая скорость v 2 увеличивается . при увеличении скорости, согласно закону бернулли, давление P 2 в потоке воздуха падает

с другой стороны (сверху) скорости вычитаются, общая скорость v 1 уменьшается (v 1 lt; v 2 ), и давление P 1 увеличивается. так образуется сила F , направленная перпендикулярно к потоку, которую можно использовать для движения судна.

Пример 1.

Как известно эффективность паруса и крыла, прежде всего, определяется их общей площадью, поэтому их делают как можно выше. Однако удлинение парусов и крыльев приводит к уменьшению остойчивости судна. Оригинальное решение этого противоречия - кольцевые и полукольцевые паруса-крылья.

Аналогичное решение предложено использовать и в авиации. По замыслу авторов, такое крыло в два раза меньше обычного, но из-за особенностей движение воздуха в "трубе" обеспечивают необходимую подъемную силу.

Пример 2.

В1924 г. французский инженер константен, воскрешая идею xvIII в., предложил применить ветродвигатели для движения судов. Вращение вала ветродвигателя передается с помощью трансмиссии, содержащей двойную угловую зубчатую передачу и вал, на обычный гребной винт, движущий судно.

Пример 3.

Французский корабел м.мар предложил в качестве движителя использовать ветряк (пропеллер).

Трехлопастной ротор приводит в движение генератор, полученная электроэнергия питает электродвигатель, который вращает гребной винт. Управление ротором проводится с помощью бортового компьютера, который устанавливает ротор против ветра и меняет шаг лопастей.

Пример 4.

Возможна комбинация ветродвижителей, например, крыла и пропеллера. На рисунке показано судно с комбинированной ветроэнергетической установкой. Установка состоит жесткого полукольцевого паруса-крыла с высоким аэродинамическим качеством, которое обеспечивается большим удлинением крыла и шайбами на нижних кромках крыльев. Система крыльев имеет механизм установки необходимого угла атаки. внутри контура, охватываемого полукольцевым крылом, по оси симметрии крыла размещен самоориентирующийся по ветру крыльчатый ветродвижитель с горизонтальной осью, для которого жесткий парус служит габаритным ограждением для ветродвигателя во время его вращения.

При движении боковыми ветрами силу тяги создает жесткое полукрыло, а ветродвигатель застопорен, лопости его установлены горизонтально и развернуты во флюгерное положение. В таком положении ветродвигатель практически не влияет на работу крыла. в случае движения острыми курсовыми углами или прямо против ветра, когда парус не тянет, работает ветродвигатель самоориентируясь по каждому ветру, а полукольцевой жесткий парус устанавливается в плоскости вращения колеса и служит для него аэродинамической насадкой. Мощность от ветродвигателя через трансмиссию передается на гребной винт, вызывая движение судна.

При попутных ветрах полукольцевой жесткий парус в силу конструктивных условий (угол установки его ограничен) создает малую тягу, поэтому движение судна осуществляется также с помощью ветродвигателя. Реверс производится гребным винтом регулируемого шага (врш).

Такое судно может успешно двигаться всеми курсами относительно ветра, минуя "мертвые зоны", и более эффективно использовать энергию ветра.

Судно с комбинированной ветроэнергетической установкой . а - при движении боковым ветром (работает крыло); б - при движении встречным и попутным ветрами (работает ветродвигатель). 1 - полукольцевой жесткий парус; 2 - ветродвигатель; 3 - трансмиссия к гребному винту.

Пример 5 .

В англии в качестве движителя использовали воздушный змей. Крупная прямоугольная конструкция обтягивается прочной синтетической пленкой и заполняется гелием. На змее установлена метеорологическая аппаратура, которая передает информацию на судно. Змеем можно управлять с помощью перетекания газа во внутренних отсеках.

Подобное решение, но более простое в осуществлении предлагает английский изобретатель К.Стюарт. Он разработал надувной пластиковый "воздушный змей", который наполняется гелием и запускается с палубы судна. По сути, это тот же парус, но без мачты. преимущество его в том, что этот "парус" может использовать потоки на высоте даже тогда, когда над морской гладью царит безветрие. Изобретатель приспособил свой движитель к небольшой яхте и несколько раз переплыл на ней ла-манш. Автор утверждает, что без принципиальных изменений его парус можно применить на судах водоизмещением до 150 тонн.

Пример 6.

Роторные суда, изобретены немецким авиационным инженером и изобретателем антоном флетнером. работа движителя а.Флетнераоснована на эффекте магнуса.Роторные суда имеют от одного до трех вертикальных цилиндров-роторов, вращаемых вспомогательным двигателем.

Пример 7 .

Из всех районов земли наиболее полно энергию ветра можно использовать в южном океане, ограниченном австралией, африкой, южной америкой и антарктидой.Проекте "аврора" парус - это парашют длиной 450 м и диаметром чуть меньше 1 км, связанный с забалластированным поплавком и движущийся на высоте 170-300 м над уровнем воды.Высота над уровнем океана, даже при отсутствии ветра, поддерживается гелием или водородом, заполняющим специальные камеры парусов.

двигатель

В качестве двигателей в судах используют: дизель, турбина, атомный реактор и значительно реже - ветер и электродвигатель. Раньше использовали паровой двигатель. Наиболее часто встречающиеся в настоящее время двигатели показаны на рисунке .

судовые энергетические установки. 1 - низкооборотный дизель, непосредственно работающий на гребной винт; 2 - дизль-редукторная установка 3 - паротурбинная установка; 4 - газвая турбина; 5 - атомная установка; 6 - газтурбинная установка с электрической передачей на винт.

Корпус

корпуса могут отличаться по их количеству , виду и материалу , изкоторого они сделаны.

количество корпусов 1 корпус, 2 корпуса – катамаран, 3 корпуса – тримаран , 4 и более корпусов – полимаран .

материал корпуса : папирус , тростник, дерево , металл , пластмасса , стеклоткань и т.д.

южноамериканская тростниковая лодка

вид корпуса : плот, водоизмещающий корпус , полупогруженный корпус , с подводными крыльями, на воздушной подушке , экраноплан, подводное судно .

плот	водоизмещающий корпус	с подводными крыльями	экраноплан

Система управления

Системы управления могут быть: непосредственные, дистанционные; ручные, механические, полуавтоматические, автоматические.

Пример 8.

В втомобиле человек непосредственно управляет машиной– это непосредственная система управления. Луноходом управляли с Земли– это дистанционное управление.

Когда-то автомобилем управляли в ручную, далее стали использвать усилитель руля – это механическое управление. На следующем этапе на отдельных не сложных этапах дороги можно было поручить управление полуавтомату. Сегодня существует автомобиль который полностью управляется автоматически.

Приложение 5

Каждая техническая система, самостоятельно исполняющая любую функцию, состоит из четырых частей - двигатель, трансмиссия, работающий орган и средство управления. Если в системе отсутствует некоторая из этих частей, то ее функции выполняет человек или окружающая среда.

Двигатель – элемент технической системы, который является источником или накопителем энергии для выполнения требующих функций.

Трансмиссия - элемент технической системы, транспортирующий энергию от двигателя до работающего органа с преобразованием ее качественных характеристик.

Работающий орган - элемент технической системы, который передает энергию элемента окружающей среде и, который завершает выполнение необходимой функции.

Средство управления - элемент технической системы, который регулирует поток энергии по ее составляющим и согласовывает ее работу во времени и в пространстве.

Проводя анализ некоторой автономно работающей системы, будь то часы, холодильник, автоматическая ручка или телевизор, всюду можно отделить - двигатель, трансмиссию, работающий орган и средство управления. Если чего-то недосчитаемся, то, как мы говорили раньше, функцию этой части выполняет сам человек или окружающая среда.

Для того чтобы верно определить части системы, необходимо сначала определить ее функцию и согласно нее определить работающий орган, а со временем и другие части. Например, фрезерный станок. Что у него является работающим органом? Формируем основную функцию станка, то ради чего он создан. Основная функция - снимать лишний материал с заготовки путем резания. Какая часть станка завершает выполнение этой функции и отдает заготовке всю свою энергию? Конечно, это фреза, она и является работающим органом данной системы. Двигателем станка является электродвигатель. А все что находится между ним и фрезой, можно считать трансмиссией. Средство управления - всякие рукоятки, кнопки, а также программное обеспечение, если такое присущее станку.

В автомобиле: главная функция – это перевозки груза, работающий орган – колесо; трансмиссия – карданная передача, коробка переключения скоростей, рама; двигатель; средство управления рулевое колесо, тормоза, специальные приборы.

Учитывая, что средство управления непосредственно не задействовано в выполнении общей функции системы, его можно рассматривать как самостоятельную систему с собственной функцией и собственным набором частей. Например, система регулирования количества оборотов в дизельных двигателях имеет собственную функцию – регулирование проходного сечения топливопроводу и целый набор частей для ее осуществления. Кроме того каждую отдельную часть системы можно рассматривать как самостоятельную. Например, отдельно взятый у того же автомобиля двигатель внутреннего сгорания, имеет свою отделенную функцию - превратить давление газа в механическую энергию, точнее – во вращающий момент и передает энергию потребителю маховику. Он является работающим органом двигателя.

А что же в двигателе внутреннего сгорания является самым двигателем? Им будет горячая газовая смесь – она является источником энергии. Она является более высокодинамичной частью рассматриваемой технической системы, работающая на макроуровне вещества. Роль трансмиссии в двигателе выполняет поршень, шатун, кривошипный вал. Средством управления являются клапаны, разные регуляторы и т.д.

Если снова взять часть двигателя – карбюратор, насос или что-то другое, то в каждой из них можно отделить полный набор частей для выполнения своей определенной функции. Углубляясь в подсистему мы будем всегда находить все ту же славную четверку - двигатель, трансмиссия, работающий орган, средство управления. И так до тех пор, пока не достигнем структуры вещества, где функции этой части свернуты и выполняются молекулами и атомами, то есть проходит нормальный физико-химический процесс. Мы дошли до природы. Искусственная техническая система исчезла …

Тоже именно мы увидим, если будем углубляться в надсистему.

Кратко проследим основные этапы возникновения и развития частей технической системы.

Вспомним первую «самодвижущуюся » коляску – прообраз современного велосипеду. Сначала это была просто деревянная перекладина с двумя колесами. В народившейся системе присутствовал только один работающий орган – колеса. Роль двигателя, трансмиссии и средство управления выполнял сам всадник, тщательно отпихиваясь ногами от полотна дороги и наклоняя свой корпус для поворота в нужную сторону. Недаром слово «велосипед» в переводе на украинский язык означает «быстрые ноги».

Но согласитесь, отпихивать от дороги и тормозить по ней ногами опасно, да и возрастают затраты на подметки. Очевидно, лучше толкать ногами само колесо. Но здесь необходимо быть большим виртуозом, чтобы не попасть в спицы колес и своевременно убрать от них ногу. Работа ногами стала более легкой и безопасной, когда к оси колеса додумались прицепить педали в виде коловорота. Так появились зачатки трансмиссии, отошедшей от работающего органа. У сапожников мгновенно уменьшилось работы, а людей, соревнующихся в скорости, диаметр переднего колеса стал еще большим. Велосипед стал более скорым, но количество ударов об препятствия возросла. Было понятно, что переднее колесо каким-то образом должны поворачиваться, даже на телеге это есть. Произошло перенесение опыта с одной области техники на другую. На велосипеде появилось повторный элемент - руль – дышло. Сейчас уже можно не пугаться оград – появился орган управления, и снова стали увеличивать скорость путем увеличения диаметра переднего колеса с педалями. Все было чудесно, пока не определили, что при очередном увеличении диаметру колеса ноги всадника уже не достают педали. Прогресс остановился, необходимо было менять или всадника или трансмиссию велосипеда. Избрали второе. Зафиксировали педали на раме и связали их с колесом гибкой шарнирной связью. Трансмиссия поделилась на составные части, и это обеспечило развитие всей системе. С помощью цепи было достигнуто искусственное «удлинение» ноги. А когда цепь была перенесена на заднее колесо, то появились надежные тормоза и руль, сформировалась классическая форма велосипеда. Итак, появился работающий орган, трансмиссия, средство управления, но человек еще так и оставался «двигателем».

Отметим интересную деталь: перед появлением «существенного» двигателя техническая система старается компенсировать его отсутствие преобразованием из трансмиссии участка, возможного накапливать энергию. Так было с самодвижущейся тележкой Кулибина, водитель которого усиленно раскручивал маховик, накапливая в нем энергию, чтобы преодолеть восхождение в гору.

Прошло много времени прежде чем появились истинные «самодвижущиеся» коляски - мотоциклы и автомобили с собственным двигателем. Формирование основных частей техническая система прекратилась.

Хочется отметить одну общую для всех двигателей и систем особенность. Все они сначала использовали твердые сорта топлива – дерево и угли. Даже первые двигатели внутреннего сгорание сначала работали на раздробленном угле. Потом стали использовать жидкое топливо – керосин, бензин и т.п. Современный автомобильный парк интересно переходит на газовое топливо. А потом? В роле топлива будут постепенно использовать разные виды полей – инерционное (механическое поле), электрическое, электромагнитное, магнитное, ядерное, солнечное (мировое), гравитационное. Все эти двигатели уже разрабатываются.

Указанный путь есть типичным для двигателей всех систем – корабельных железнодорожных, авиационных, ракетных и т.д.

Совершенствуясь, техническая система постепенно вытесняет человеческую. Вспомните луноход или управляемый с помощью радио бульдозер. Человеку остается только избирать программу, за которой и будет выполняться система.

Остался последний вопрос: зачем все это необходимо знать?

Найдя основные составляющие - элементы системы и проанализировав их работу, изобретатель имеет возможность определить «чувствительное» место системы, возникающие в ней противоречие и принять правильное решение.

Закон полноты частей системы был разработан автором ТРИЗ Г.С. Альтшуллером. Он выглядит 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, процесса0 оказывается возможных 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.

Закон увеличения степени идеальности системы

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

Основные пути приближения к идеалу:

· повышение количества выполняемых функций,

· «свертывание» в рабочий орган,

· переход в надсистему.

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

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

Закон S-образного развития технических систем

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

1. «детство» . Идёт, как правило, достаточно долго. В этот момент идёт проектирование системы, её доработка, изготовление опытного образца, подготовка к серийному выпуску.

2. «расцвет» . Она бурно совершенствуется, становится всё более мощной и производительной. Машина выпускается серийно, её качество улучшается и спрос на неё растёт.

3. «старость» . С какого-то момента улучшать систему становится всё труднее. Мало помогают даже крупные увеличения ассигнований. Несмотря на усилия конструкторов, развитие системы не поспевает за всё возрастающими потребностями человека. Она пробуксовывает, топчется на месте, меняет свои внешние очертания, но остаётся такой, какая есть, со всеми своими недостатками. Все ресурсы окончательно выбраны. Если попытаться в этот момент искусственно увеличивать количественные показатели системы или развивать её габариты, оставляя прежний принцип, то сама система вступает в конфликт с окружающей средой и человеком. Она начинает больше приносить вреда, чем пользы.

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

Закон динамизации

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

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

Другие примеры:

· В 10-20 раз снижается сопротивление движению плуга, если его лемех вибрирует с определенной частотой в зависимости от свойств грунта.

· Ковш экскаватора, превратившись в роторное колесо, породил новую высокоэффективную систему добычи полезных ископаемых.

· Автомобильное колесо из жёсткого деревянного диска с металлическим ободом стало подвижным, мягким и эластичным.

Закон полноты частей системы

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

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

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

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

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

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

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

Вопрос 3. Законы развития технических систем. Закон сквозного прохода энергию. Закон опережающего развития рабочего органа. Закон перехода «моно - би - поли». Закон перехода с макро- на микроуровень

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

Каждая ТС должна включать четыре части: двигатель, трансмиссию, рабочий орган и орган управления.

Для синтеза ТС необходимо наличие этих четырех частей и их минимальная пригодность к выполнению функций системы. Если хотя бы одна часть отсутствует, то это еще не ТС; если хотя бы одна не работоспособна, то ТС не "выживет".

Все первые ТС развились из орудий труда: требовалось увеличение полезной функции рабочих процессов, а человек не мог обеспечить нужную мощность. Тогда сила человека заменилась двигателем, появилась трансмиссия (связь, по которой передается энергия от двигателя на рабочий орган) и орудие труда превращалось в рабочий орган машины. А человек выполнял только роль органа управления.

Например, мотыга и человек это не ТС. Возникновение ТС связано с изобретением плуга в неолите: плуг (рабочий орган) бороздит землю, дышло (трансмиссия) припрягается к скоту (двигателю), а рукоятью плуга управляет человек (орган управления).Сначала плугом только рыхлили. Претензии внешней среды (например, параметры почвы: твердость, влажность, глубина) заставляли искать наилучшую форму плуга. Затем увеличилась потребность: для уничтожения сорняков пласт надо не только рыхлить, но и переворачивать. Изобрели отвал (косо поставленная доска, в которую упирается поднятый лемехом пласт и валится набок). Развиваясь отвал приобретает плавную выгнутую форму (полуцилиндрическую или винтовую). В 18 в. появился цельнометаллический плуг, в 20 в. - трактор и т.д.

А вот как плуг превратился в сеялку. Римские крестьяне (III в. до н.э.) уже пользовались сеялкой - прообразом многорядной сеялки Джеймса Кука, изобретенной им в 1783 г. Четыре деревянных лемеха соединялись прочной перекладиной. Глиняный воронкообразный горшок для посевного материала крепился вверху на четырех полых бамбуковых палках (трубках). Пахарь время от времени пополнял бункер зерном из наплечного мешка. Приходилось постукивать по бамбуку, чтобы внутри семена не "зависали".

Римская сеялка (III в. до н.э.), Калькутский музей техники и ремесел.

Если подробно рассмотреть процесс превращения орудий труда в рабочие органы машин, то можно выделить основные части машин: например, в водяной мельнице - двигатель (водяное колесо), передачу (зацепление) и рабочий орган (жернова). Кроме того, становится заметной одна из главных особенностей развития техники - вытеснение человека из сферы производства. Человек вытесняется из ТС в орган управления, затем ОУ также превращается из инструмента в техническую систему и человек вытесняется за ее пределы (на "второй этаж" органа управления) и т.д.

В первом издании "Детской энциклопедии" (том 5 "Техника". Издательство академии педагогических наук РСФСР, М., 1960г., с.30) приводится такая характеристика технической системы: "Машина состоит из следующих основных частей:

а) двигателя - источника механической энергии;

б) исполнительных (рабочих) органов, непосредственно выполняющих полезную работу;

в) передаточных механизмов (трансмиссий), преобразующих движение передаваемое от двигателя к рабочим органам;

г) системы управления;

д) остова (станины, корпуса, рамы), представляющих собой основание, на котором расположены все части машины".