<< Пред.           стр. 5 (из 9)           След. >>

Список литературы по разделу

  Сравнение имеет смысл только применительно к совокупности однородных предметов, образующих определенный класс, группу. Сравнимость предметов в заданном классе осуществляется по признакам, существенным для данного рассмотрения; при этом предметы, сравниваемые по одному признаку, могут быть несравнимы между собой по другому.
  Измерение - это операция, посредством которой определяется отношение одной (измеряемой) величины к другой однородной ей величине (к эталону), обычно принимаемой за единицу. Число, выражающее такое отношение, называется числовым значением измеряемой величины. По сути дела, любое измерение двух или более величин сводится к их сравнению по выбранному признаку (по массе, длине, мощности, скорости и т.д.). Для точных наук характерна органическая связь наблюдений и экспериментов с нахождением числовых значений характеристик исследуемых объектов. Выдающийся ученый - химик Дмитрий Иванович Менделеев - по этому поводу говорил: "Наука начинается с тех пор, как начинают измерять".
  Различают прямое и косвенное измерение. При прямом измерении результат получают непосредственно в процессе измерения (например, при измерении диаметра валика с помощью линейки или штангенциркуля; массы изобретенной мясорубки с помощью гирь на рычажных весах). Косвенные измерения базируются на использовании известных зависимостей между искомым значением величины и значениями непосредственно измеряемых величин. Так, например, усилия, действующие на конструктивные узлы машин и механизмов, измеряют по величине их упругих деформаций, поскольку согласно закону Гука, эта деформация (прогиб, отжим) пропорциональна приложенной силе. Итак, первичная стадия измерения - это преобразование силы в линейное перемещение. Последнее можно измерить с помощью пневматических, электромагнитных и многих других датчиков. Предположим, что мы использовали для вторичного преобразования индуктивный датчик, на выходе которого образуется электрическое напряжение, пропорциональное перемещению якоря магнитной системы этого датчика, жестко соединенного штоком с измерительным наконечником, соприкасающимся с каким-то конструктивным узлом машины. Если теперь к выходу датчика подключить электрический прибор (гальванометр), то его стрелка будет отклоняться пропорционально усилию, приложенному к узлу машины. Заранее градуируют (иногда эту операцию называют юстировкой) шкалу гальванометра в ньютонах (килограммах), последовательно нагружая машину и фиксируя (при соответствующих усилиях) положение стрелки гальванометра по шкале прибора.
  После этого процесс косвенного измерения сводится лишь к фиксации положения стрелки. Если вместо гальванометра подключить электрический самопишущий прибор, то можно автоматически фиксировать измерение усилия на больших отрезках времени. Аналогичным образом, с помощью так называемых "черных ящиков", автоматически фиксируются режимы работы двигателей и других агрегатов авиационных лайнеров.
  Следует учесть, что при измерении предполагается однозначное соответствие между значением измеряемой величины и ее количественным выражением в определенных единицах. Если этого нет, например, при визуальном нахождении значения величины, то имеет место не измерение, а оценка события или наблюдаемой величины.
  Индукция и дедукция. Индукция - вид обобщения, связанный с предвосхищением результатов наблюдений и экспериментов на основе данных прошлого опыта. Это процесс перехода от знаний отдельных фактов и событий к более общим знаниям; это принцип "от частного - к общему", от фактов - к гипотезе, от опыта - к теории.
  Процесс индукции обычно начинается с накапливания результатов наблюдений и экспериментов, с их сравнения и анализа. По мере расширения множества таких данных может выявиться регулярная повторяемость какого-либо свойства исследуемого объекта или какие-то соотношения между его параметрами.
  Наблюдаемая в опытах многократность повторения при отсутствии исключений внушает уверенность в закономерности явления, приводит к индуктивному обобщению - именно так будет во всех сходных случаях. Например, ученые-астрономы, наблюдая в течение нескольких десятилетий за Луной, извлекли правило, по которому Луна регулярно обращается вокруг Земли, совершая в год около 13 оборотов, и, пользуясь методом индукции, пришли к уверенному выводу, что так будет продолжаться и впредь. Из обширных наблюдений лунных затмений они индуктивным путем вывели правило, согласно которому затмение Луны происходит несколькими регулярными сериями, причем в каждой из них затмения следуют одно за другим через постоянный промежуток времени, близкий к 18 годам.
  Дедукция - это операция мышления, посредством которой новые знания выводятся на основании знаний более общего характера, полученных ранее путем обобщения наблюдений, опытов, практической деятельности, т.е. индукции. Принцип дедукции: "от общего - к частному", т.е. когда из общих положений и аксиом выводятся частные положения. При использовании дедуктивного метода мы исходим из общих правил или представлений, а путем логических рассуждений выводим из них частные следствия или предсказания. Индукция и дедукция тесно связаны между собой, дополняя одна другую.
  Анализ и синтез. Анализ - процедура реального или мысленного расчленения объекта или явления на отдельные части, элементы в целях его исследования и изучения. При этом одновременно выявляется структура целого объекта, его отдельные части, соотношения и взаимосвязи между ними. В результате анализа устанавливаются наиболее значимые свойства объекта, наиболее существенные связи между его элементами, возможность пренебрежения второстепенными факторами; находятся более общие понятия и простые закономерности.
  Очень интересное и эмоциональное описание процесса анализа предмета мы находим в драматической поэме А. С. Пушкина "Моцарт и Сальери". Один из самых загадочных и трагических героев этой поэмы - Сальери. По одной из исторических версий (кстати, не доказанной до сего времени), он, якобы из зависти, отравил гения музыки Моцарта, подбросив ему яд в стакан с вином. В начале повествования Сальери, рассказывая о своем нелегком опыте постижения искусства музыки, о пути к собственной славе и успехам, говорит:
  "Труден первый шаг
  И скучен первый путь. Преодолел
  Я ранее невзгоды. Ремесло
  Поставил я подножием искусству;
  Я сделался ремесленник; перстам
  Придал послушную, сухую беглость
  И верность уху. Звуки умертвив,
  Музыку я разъял, как труп. Поверил
  Я алгеброй гармонию. Тогда
  Уже дерзнул, в науке искушенный,
  Предаться неге творческой мечты ".
 
  В строках этого монолога в иносказательной форме содержится вся "технология" процесса анализа: в словах "музыку я разъял, как труп" усматривается операция расчленения предмета исследования на отдельные составные части, в словах "музыку умертвив" - прием абстрагирования и формализации знаний о реальном предмете, а в словах "поверил я алгеброй гармонию" - точные, научные оценки отдельных компонентов изучаемого предмета.
  Синтез - это мысленное соединение различных элементов объекта в единое целое, в систему, которая осуществляется с помощью и посредством другой.
  Наглядным примером методов анализа и синтеза может служить разработка системы автоматического регулирования температуры воздуха в жилом помещении. При создании такой системы надо иметь представление о составляющих ее элементах - объекте управления (объеме помещения), исполнительных органах (холодильном и нагревательном агрегатах), управляющем устройстве (приводной электродвигатель), чувствительном и преобразующем устройствах для контроля температуры в помещении (дилатометре и электромеханическом реле), т.е. нужно произвести анализ. На этом этапе выявляются отдельные функциональные и конструктивные элементы системы и их технические характеристики. Однако сиетема управления температурой воздуха (кондиционером) не является простой совокупностью ее элементов, она имеет собственную характеристику и свойства, отличающиеся от свойств и характеристик каждого отдельного элемента. Для того чтобы функционирование системы отвечало поставленным целям (диапазон и точность измерения температуры в помещении), необходимо определенным образом соединить ее отдельные элементы и выбрать конкретные численные значения их параметров (тип и мощность электродвигателя, типоразмеры электромеханических реле, дилатометр и т.д.), т.е. решить задачу синтеза. При этом получают ответы на вопросы о том, как взаимодействуют, согласуются и в каких отношениях между собой находятся элементы системы.
  Научные идеи и гипотезы. Идея - форма отражения в мысли явлений объективной реальности. Научная идея обобщает опыт предшествующего развития знаний и практики, объясняет новые, ранее не известные явления и закономерности. Большинство научных идей рождается из эксперимента или связано с экспериментом. Другие области научного мышления - чисто умозрительные.
  Гипотеза - научно обоснованное предположение о непосредственно наблюдаемом факте или о закономерном порядке, объясняющем известную совокупность явлений. В отличие от теории, которая отражает достоверные научные знания, гипотеза является формой предположительного научного знания. Гипотезы - это предположения или догадки, к которым прибегают при построении теории или постановке эксперимента, имеющего целью непосредственную проверку какой-либо теории. Одним из основных источников генерирования научных гипотез является использование аналогий. Умозаключение по аналогии - это процесс, когда знания, полученные из рассмотрения какого-либо известного объекта, переносятся на менее изученный объект, сходный с ним по каким-то свойствам и признакам. Гипотезы, как и идеи, носят вероятностный характер. На их основе осуществляются поиски новых научных результатов - в этом суть и назначение гипотезы как формы развития науки. Гипотеза выдвигается в надежде на то, что она, если не в полном объеме, то хотя бы частично, преобразуется в достоверное знание. Так, например, высказанные в свое время гипотезы о возможности превращения тепловой и электромагнитной энергии в механическую, построенные на базе закона сохранения и превращения энергии, стали достоверными знаниями после того, как были изобретены паровые машины и электрические двигатели.
  Научные идеи, в зависимости от полноты охвата новых знаний и обобщений, могут приобретать форму и наименование правил, принципов, законов, теорий, концепций, парадигм.
  Если для собранных в отдельные группы фактов определены характеризующие их общие свойства (например, все металлы хорошо проводят электрический ток, натяжение пружины меняется при изменении растягивающего ее груза), то полученные при этом соотношения или утверждения называют правилами, принципами или законами. Например, второй закон Ньютона утверждает, что "действующая на тело внешняя (результирующая) сила равна произведению массы тела на его ускорение". Научный закон - это отражение явлений природы, а не приказ, который она получает от человека. Причем, любой закон отражает лишь определенную (обычно одну) особенность рассматриваемого явления. В физике, например, большинство законов устанавливают соотношения между измерениями двух величин (усилием и деформацией, силой тока и сопротивлением, давлением и объемом и т.д.).
  Концепция - это научная идея более общего характера, обобщающая ряд научных мыслей и понятий.
  Под парадигмой понимают определенную совокупность научных идей, чаще всего исходную модель постановки проблемы, пути ее решения или исследования. Академик Б.М. Кедров [10] это понятие сформулировал так: "Парадигма - это господствующая в определенный период времени устойчивая система согласующихся между собой взаимосвязанных научных теорий, понятий, принципов и концепций".
  Важно знать, что научные законы и теории отражают объективную реальность; являются методологической базой и инструментом открытия новых знаний, разработки новых технических объектов и очередных изобретений, но не являются абсолютной истиной. Они лишь отражают современный уровень науки и практический опыт, достигнутый человечеством, нынешнее представление научной картины мира.
  Абстракция и обобщение. Абстракция - это метод научного исследования, основанный на том, что при изучении или анализе некоторого объекта человек мысленно выделяет наиболее существенные свойства и признаки этого объекта, отвлекаясь от менее значимых (в данной ситуации) признаков и связей. Предполагается, что протекающие в объекте явления и его свойства не зависят друг от друга. Такой подход позволяет упростить картину исследуемых явлений, отделить наиболее существенные и общие признаки от остальных, менее существенных и частных. Следовательно, часто применяемое в обиходе слово "абстрагироваться" - означает мысленное отвлечение от ряда свойств предметов и отношений между ними с целью выделения их существенных признаков.
  Абстракции, в зависимости от целей их использования, могут быть трех типов: изолирующие, обобщающие и идеализирующие.
  Изолирующая абстракция используется для вычленения исследуемого явления из некоторой целостности объекта с целью выявления и фиксации его качественных и количественных закономерностей. Предположим, что Вы решили разработать (изобрести) электрическую мясорубку новой конструкции, которая заменит обычную с ручным приводом. Очевидно, что для этого придется использовать высокоскоростной приводной электродвигатель, поскольку при заданной номинальной мощности двигателя его габариты обратно пропорциональны угловой скорости вращения. Для согласования весьма большого числа оборотов двигателя с числом оборотов вала шнека мясорубки между ними обязательно придется поставить редуктор с большим коэффициентом передачи. На этом этапе разработки Вы абстрагируетесь, не принимая во внимание то, что редуктор - это некая конструктивная совокупность насаженных на валы зубчатых шестерен; подшипников, в которых они вращаются; системы смазки трущихся частей; уплотнительных колец, исключающих попадание смазки в пищу; металлического корпуса, Вы акцентируете свое внимание лишь на одном его свойстве - редуцировании скорости вращения. И неважно, что затем при доведении этой идеи до реальной конструкции редуктора в металле придется определять тип зубчатых шестерен, число зубчатых шестерен, число и форму зубьев, подбирать конструкционные материалы для каждой из его деталей и технологию их изготовления. Такой прием изолирующей абстракции позволяет на данном этапе разработки объекта выявить его главную функцию - редукцию и рассчитать коэффициент его передачи.
  Обобщающая абстракция используется для получения общей картины изучаемого явления. На основе одинаковости некоторого множества предметов, сходных по своим признакам, производится построение абстрактного предмета. Например, такое абстрактное понятие как усилитель, обобщает в одну функциональную группу великое множество усилительных устройств, аппаратов и механизмов, различных по своей физической природе, по энергоносителям, по областям техники и другим признакам. В то же время все они характеризуются одинаковыми свойствами - коэффициентом усиления, полосой пропускаемых частот, инерционностью, запаздыванием и т.п., которые являются первоочередными, наиболее значимыми при синтезе и конструировании новых технических устройств.
  Идеализация - это представление реальных предметов или явлений упрощенными схемами для более эффективного использования методов и средств их исследования. Процесс идеализации сводится к мысленному конструированию понятий либо о несуществующих, либо о практически неосуществимых объектах, но имеющих прообразы в реальном мире. Например, в геометрии используется понятие "точка", под которым подразумевается пространственный объект, не имеющий размерности. Очевидно, что такое представление о точке является "чистейшей" идеализацией, поскольку в реальном мире не существует пространственных объектов, которые бы не были измерены. Даже диаметр ядра атома имеет размерность (он численно равен одному ангстрему).
  Современный исследователь с самого начала ставит задачу упрощения изучаемого явления и построения его абстрактной, идеализированной модели. Идеализация при этом служит исходным пунктом в построении теории. Критерием же правомерности любой идеализации и принятых при этом допущений, отвлечений и упрощений служит эксперимент, практический опыт, степень сходимости теоретических и эмпирических результатов.
  Обобщение - это переход на более высокую ступень абстракции через выявление общих признаков (свойств, отношений, тенденций развития и т.п.) и предметов рассматриваемой области. Это одно из важнейших средств научного познания, которое позволяет извлекать из огромного множества хаотических явлений общие принципы и закономерности, отождествлять и унифицировать в единой формуле множество предметов и событий. В результате обобщений в одних случаях появляются новые понятия, принципы, законы и теории, а в других - даются их новые версии, варианты, модификации.
  Абстрактное и физическое моделирование. Моделирование - это исследование объектов познания на их моделях; процесс построения и изучения моделей реально существующих предметов, явлений и конструируемых объектов. Модель (в широком понимании) - это образ какого-либо объекта, являющегося оригиналом. Она воспроизводит наиболее характерные признаки изучаемого объекта, выбор которых определяется конкретной целью исследования и ограничен рамками поставленной задачи. Разумеется, модель должна быть адекватной (изоморфной, аналогичной, сходственной) оригиналу.
  В процессе познания человек всегда (более или менее явно и сознательно) строит модели ситуаций окружающего мира и управляет своим поведением в соответствии с выводами, полученными им при изучении модели. Моделирование в конкретных науках производится с целью выяснения свойств какого-то объекта, процесса или явления - оригинала, с помощью другого (аналогичного, изоморфного, адекватного) объекта - модели, между которыми существуют и достоверно установлены определенные количественные соотношения. Различают три вида моделирования: абстрактное, физическое, моделирование на электронных моделях и ЭВМ.
  Абстрактное моделирование основывается на аналитическом описании изучаемого процесса или явления, на языке некоторой научной теории, чаще всего - на математическом.
  На первом этапе этого вида моделирования дается четкое словесное описание информационной модели: что происходит, почему так происходит и при каких условиях возможен изучаемый процесс. На втором, не менее важном, этапе словесное описание (чаще всего размытое, расплывчатое) переводится на соответствующий математических язык. На этом этапе информационная модель процесса преобразуется в логико-математическую модель, которая представляется в виде соответствующих правил и математических формул. Третий этап моделирования - это исследование функционирования модели - ее структуры, свойств и параметров, их сходимости со свойствами процесса - оригинала. Этот этап намного проще двух предыдущих (творческих) этапов, особенно при наличии у исследователя электронных вычислительных средств.
  Физическое моделирование состоит в замене изучения конкретного объекта или явления экспериментальным исследованием его модели, имеющей ту же физическую природу. Особенно широко этот вид моделирования используется в технике, когда трудно провести натурный эксперимент. Например, при конструировании новых морских судов сначала изготавливают их модели (макеты с габаритами, уменьшенными в десятки и сотни раз по сравнению с проектируемыми), а затем испытывают поведение этих моделей в специальных испытательных бассейнах, воспроизводя в них ситуации, приближенные к действительности (приливы, штормы, тайфуны и т.д.)- При создании крупных и уникальных электрических машин их параметры, свойства и конструктивные особенности обычно отрабатываются на малогабаритных моделях. В основу физического моделирования положены теория подобия и анализ размерностей. При этом необходимым условием является геометрическое и физическое подобие модели и оригинала: в какие-то моменты времени и в каких-то точках пространства значения переменных величин, характеризующих явления, для оригинала должны быть строго пропорциональны тем же значениям для модели. Однако физическое моделирование, несмотря на его наглядность и высокую степень достоверности результатов, используется крайне редко из-за большой себестоимости.
  В последние годы в практике инженерного проектирования, бизнеса, маркетинга, научных исследований и изобретательства широкое применение получило моделирование с помощью электронно-вычислительных машин и специализированных электронных моделирующих установок. Этот вид моделирования основан на изоморфизме явлений, имеющих совершенно различную физическую природу, но описываемых одинаковыми математическими уравнениями. Предположим, что мы моделируем на персональном компьютере процессы нагрева каких-то стальных деталей в газовой печи. Очевидно, что процессы, протекающие в этой печи, по своей физической природе совершенно не схожи с природой тех процессов, которые имеют место в электронных блоках компьютера. Однако оба эти явления описываются одинаковыми дифференциальными уравнениями в частных производных, что позволяет с той или иной степенью достоверности исследовать на запрограммированной компьютером модели свойства процесса-оригинала.
  Аналогии. Аналоги и прототипы. В практике творческой деятельности сравнение новых разработок (технических устройств, способов реализации новых технологий, новых применений известных устройств) производится с известными в мировой практике аналогами и прототипами. Слова "аналог" и "аналогичный" заимствованы из греческого языка и означают: сходный, соответствующий, соразмерный. Слово "прототип" - означает прообраз. Под прототипом понимается один из известного множества аналогов, который наиболее близок по своей сути и свойствам рассматриваемому объекту. Под аналогией понимают сходство предметов, процессов, явлений в каких-то свойствах или в каких-то других отношениях. Например, крылья самолета (один из его конструктивных элементов), крылья птиц и летучих мышей (видоизмененные передние конечности), а также крылья насекомых (складки хитинового покрова) совершенно различны по своему строению и происхождению, но аналогичны по своему функциональному предназначению - с их помощью создается подъемная сила и осуществляется управление полетом.
  Не составит труда назвать ряд технических устройств, различных по своему функциональному назначению, но аналогичных по принципу действия - традиционный ртутный термометр (пустотелая стеклянная трубочка, наполненная жидкой ртутью) - для измерения температуры человеческого тела; дилатометр (конструктивная комбинация двух стержней из различных металлов) - для отключения или включения мотора в домашнем холодильнике при заданных температурах в его холодильной камере; тепловой движитель (конструктивное сочетание металлического стержня с нагревательным электрическим элементом) - для осуществления малых поступательных перемещений рабочих органов некоторых машин. Столь разные по своему применению и конструктивному оформлению, они аналогичны по физической природе своих первичных преобразователей: столб ртути, биметаллическая трубка, металлический стержень изменяют свою длину пропорционально температуре окружающей их среды.
  Аналогии не являются истинными, поэтому они могут подвести исследователя при попытке применить их к новым условиям. Будучи полезными для одного человека, они могут служить помехой для другого. Но, несмотря на это, творческий человек - профессиональный предприниматель, инженер-конструктор или любитель-изобретатель -должен постоянно упражняться в аналогиях. Аналогия - важнейшее средство познания через комбинирование, соотнесение имеющихся ранее знаний с объяснением вновь открываемых явлений, свойств, признаков и их количественных соотношений.
  Используя совершенно разные аналогии, можно получать различающиеся результаты, каждый из которых представляет собой определенный вклад в соответствующие области науки, в создание новых технических устройств, технологий, организационно-экономических структур.
  Однако аналогичность - это еще не доказательство, а аналогия никогда не рассматривается как доказанное научное знание. Например, в истории науки было много случаев, когда принятые аналогии не способствовали ее развитию. Нередко на основе ложных аналогий строились физические теории, которые длительное время тормозили развитие научного знания. Из многочисленных примеров таких "аналогий" следует назвать теорию так называемого "теплорода". В середине XVIII века Д. Блейк нашел строгое соотношение между количеством тепла и температурой и построил теорию теплоты как некой жидкости (теплорода или флогистона), которая перетекает из горячих тел в холодные. Почти полвека многие ученые и исследователи искали и разгадывали физическую суть флогистона. И только благодаря трудам Б. Румфорда, Дж. Джоуля и других ученых, открывших общий закон термодинамики и доказавших, что теплота - это всего лишь одна из форм энергии, аналог "теплорода" был признан ошибочным, а потому был отвергнут. Работа исследователя, разработчика и изобретателя заключается в том, чтобы наиболее удачно осуществить выбор аналогий (интуитивно или с привлечением банка знаний) из большого числа возможных комбинаций [24].
  В технической литературе, в средствах массовой информации (особенно в рекламе) иногда используется выражение "не имеет аналогов в мировой практике". Хотя такие утверждения следует подвергать сомнениям, тем не менее, в конструкторской и изобретательской деятельности встречаются пионерские изобретения, открытия и разработки, которые не имеют аналогов в мире. Это технические объекты и технологии нового происхождения, позволяющие удовлетворять такие потребности или качество потребностей человека, которые ранее не удовлетворялись.
  Система и системный анализ. Слово "система" происходит от греческого systema - целое, составленное из частей, соединение. Система - это целостный комплекс взаимосвязанных элементов, имеющий определенную структуру и взаимодействующий с некоторой средой для реализации своего предназначения (выполнения какой-либо цели). Системы бывают абстрактные и материальные. Абстрактные системы - это понятия, гипотезы, теории, о которых уже шла речь в предыдущих разделах.
  Не менее богат и безграничен класс материальных систем, к которому относятся системы неорганической природы (физические, химические, технические, геологические и другие), живой природы (начиная с простейших биологических систем, организмов и кончая биологическими популяциями), экосистемы, глобальные социальные системы.
  Важнейшими характеристиками любой системы являются ее функции, цели и структура. Под функцией системы подразумевают действия системы, которые проявляются в изменении ее возможных состояний при выполнении поставленной цели. Процесс выполнения системой своих функций принято называть функционированием системы. Во время функционирования системы совершается ее переход из одного состояния в другие возможные состояния. Многообразие всех возможных состояний системы определяется числом ее элементов, их свойствами и разнообразием связей между ними. Поэтому функция системы характеризует ее как единое целое, как результат взаимодействия ее элементов между собой и с внешней средой.
  Целью системы называется заданное извне или устанавливаемое самой системой состояние ее выходных переменных, то есть, некоторое подмножество значений функции системы.
  Структура системы определяется составом входящих в нее элементов, их расположением и взаимными связями.
  Большим и сложным системам присущи свойства целостности и эмерджентности (возникновения, появления нового). Целостность означает, что все элементы системы служат общей цели и способствуют достижению лучших (оптимальных) результатов в соответствии с принятым критерием эффективности. Эмерджентность же означает, что большая и сложная система может обладать свойствами, которые не присущи ни одному из ее элементов.
  В практике творческой, предпринимательской и изобретательской деятельности, при изучении и исследовании различных объектов, процессов и явлений, очень часто и эффективно используются принципы системного подхода и системного анализа.
  Принцип системного подхода - комплексное и всестороннее исследование больших и сложных объектов, их изучение как единого целого при непрерывном согласовании функционирования всех его подсистем и элементов. Исходя из этого принципа, нужно изучать каждый элемент системы в его связи и взаимодействии с другими элементами, выявлять влияние свойств его отдельных частей на поведение объекта в целом, устанавливать оптимальный режим его функционирования.
  Системный анализ - это совокупность методов, позволяющих реализовать системный подход при изучении и исследовании любых, в том числе технических объектов. К таким методам, прежде всего, относятся рассмотренные выше методы сравнения и измерения, индукции и дедукции, анализа и синтеза, моделирования. Их использование позволяет максимально учесть взаимосвязи всех элементов системы. С усложнением задач и объектов исследования возникает необходимость деления (декомпозиции) системы на подсистемы более низкого уровня, которые могут исследоваться автономно, но с последующим согласованием целей каждой из подсистем с общей целью системы. По существу, декомпозиция - это операция анализа системы. Использование приема декомпозиции обусловлено не только невозможностью объять необъятное, но и разнородностью элементов сложной системы и, следовательно, необходимостью привлечения для решения задачи знаний из разных научных областей, а иногда и специалистов различного профиля. Естественно, что исследование менее сложных подсистем низшего уровня намного упрощает и облегчает работу исследователя. Однако следует иметь в виду, что последующее согласование функционирования подсистем (а это, по сути дела, будут уже операции синтеза) представляет собой более трудоемкую задачу, нежели исследование отдельных подсистем, выделенных в процессе декомпозиции сложной системы.
  Формы мышления и законы логики. Логика - это не просто древнейшая и самостоятельная наука, а совокупность целого ряда наук (математическая логика, комбинаторная логика, диалектическая логика и др.) о законах и формах мышления [13]. Все составляющие ее науки исследуют человеческое мышление, имеющее своей целью истинное отображение объективной действительности, и различаются лишь тем, какие именно законы мышления составляют их предмет. Так, например, математическая (формальная) логика использует математические методы для изучения мышления. Правильное применение законов математической логики является необходимым, но не всегда достаточным условием достижения истины. Диалектическая логика содержит в себе всеобщие методы движения мышления к новым результатам, логические принципы перехода от известных знаний к новым знания
  Ограничимся некоторым минимальным набором сведений о формах мышления и законах логики, которые необходимы предпринимателям и изобретателям, рассматривая такие первоначальные категории, как понятие, суждение, умозаключение и рассуждение.
  Понятие - это результат отражения в сознании человека общих свойств (или признаков) какой-то группы предметов или явлений, существенных и необходимых для выделения этой группы. Так, например, понятие "электродвигатель" получено путем обобщения в единую группу великого множества машин, аппаратов и технических устройств, различающихся по своему функциональному назначению, принципам действия, виду электрического тока источника энергии, конструктивным исполнением, но имеющих общий существенный признак - способность преобразования электромагнитной энергии в механическое движение. Каждое понятие обладает содержанием и объемом. Множество признаков, отличающих одно понятие от других, - это содержание понятия, а совокупность отраженных в нем явлений или предметов составляет объем понятия.
  Для их определения применяют соответствующие научные термины, словосочетания, которые строго фиксируют в общегосударственных стандартах и в нормативных документах данное научное понятие. Например, широко распространенный термин "автомат" отражает научное понятие группы самостоятельно действующих технических устройств, выполняющих по заданной программе (без непосредственного участия человека) процессы получения, преобразования, передачи и использования энергии, материала и информации.
  Суждение - это имеющее смысл языковое выражение или форма мысли, в которой посредством связи понятий что-либо утверждается об определенном объекте. Суждение может быть либо истинным, либо ложным. Примером истинного суждения является утверждение: "рели по металлическому проводнику протекает электрический ток, то он нагревается". Некорректно высказанное суждение может оказаться ложным. Например, кто-то говорит: "Металлический стержень, внесенный в магнитное поле, удлиняется". Да, существует эффект магнитострикции - изменения габаритов металлических предметов под воздействием магнитного поля. Да, большинство металлов (алферовые и пермалловые сплавы) обладают положительной линейной магнитострикцией, т.е. при увеличении напряженности магнитного поля, в котором находится металлический стержень, увеличивают свои габариты. И в этих случаях высказанное выше утверждение будет истинным. Но существуют металлы, которые обладают отрицательной магнитострикцией, т.е. с увеличением напряженности магнитного поля они сжимаются. В таком случае данное суждение окажется ложным. Если бы нам сказали, что "алферовый стержень, внесенный в магнитное поле, удлиняется", а "никелевый стержень, помещенный в магнитное поле, укорачивается", то оба суждения были бы истинными. При оценке суждений обычно отвлекаются от их внутреннего содержания и оперируют такими формальными понятиями, как истинное или ложное значение [12,13].
  Существует целая наука - алгебра логики, предметом изучения которой являются логические операции над суждением.
 
 4.3. ТЕХНИЧЕСКИЕ ОБЪЕКТЫ, ЗАКОНОМЕРНОСТИ ИХ ПОСТРОЕНИЯ И РАЗВИТИЯ
  "Расчлените каждую изучаемую Вами задачу на столько частей,
  на сколько сможете и на сколько это потребуется Вам, чтобы их было легко решить"
  Рене Декарт
 
 4.3.1. Понятия технических объектов, технических систем и технологий
  Творческая, изобретательская и предпринимательская деятельность человека чаще всего проявляется при разработке новых, более совершенных по конструкции и наиболее эффективных в эксплуатации, технических объектов (ТО) и технологий их изготовления.
  В официальной патентной литературе термины "технический объект" и "технология" получили, соответственно, наименования "устройство" и "способ". Какое же понятие несет в себе термин "технический объект"?
  Слово "объект" (от латинского objectum - предмет) обозначает то, с чем взаимодействует человек (субъект) в своей познавательной или предметно-практической деятельности (компьютером, термометром, пилой, кофемолкой, автомобилем и т.д.).
  Прилагательное, как известно, означает признак предмета. В данном случае слово технический означает, что речь идет не о каких-то условных или абстрактных объектах, а именно о "технических объектах". Техника - это совокупность средств человеческой деятельности, создаваемых как для осуществления процессов производства, так и для обслуживания непроизводственных потребностей общества [25].
  Основное назначение техники - облегчение и повышение эффективности условий труда человека, расширение его возможностей в процессе трудовой деятельности; частичное или полное освобождение человека от работы в условиях, опасных или вредных для здоровья.
  Средства техники (технические объекты) применяются для воздействия на предметы труда (металл, древесину, хлопок, нефть и т.п.) при создании материальных или культурных ценностей, для получения, передачи и преобразования энергии; исследования законов развития природы и общества; сбора, хранения, обработки и передачи информации; управления технологическими процессами; создания материалов с заранее заданными свойствами; передвижения и связи; бытового и культурного обслуживания; обеспечения обороноспособности страны и т.д.
  В своей жизнедеятельности человек взаимодействует с самыми разнообразными техническими объектами, число которых теоретически приближается к бесконечности. Технический объект - широчайшее понятие, поэтому не будет парадоксом отнесение к числу технических объектов космического корабля и утюга, компьютера и ботинок, телевизионной башни и садовой лопаты, завода и выпускаемых на этом заводе болтов и гаек. Более того, к техническим объектам можно отнести любой из элементов (агрегат, блок, узел, деталь), из которых состоят машины, аппараты, приборы.
  В художественной литературе принято подразделять людей в зависимости от их интересов и личностных наклонностей на "физиков" (или "технарей") и "лириков" ("гуманитариев"). Тем не менее, человек при любых наклонностях, любой профессии, любого возраста и в любых условиях может совершенствовать, творить и изобретать технические объекты в любой сфере жизнедеятельности. Создают и изобретают технические объекты не только "технари", но и писатели, журналисты, врачи, музыканты, актеры, менеджеры, библиотекари, художники - представители всех без исключения гуманитарных профессий.
  Хорошо известно, что великий композитор Иоганн-Себастьян Бах (1685-1750 гг.) в музыкальном творчестве и исполнительской практике проявлял бесконечную фантазию. Но мало кто знает, что он весьма успешно занимался изобретательской деятельностью. В частности, он создал ряд новых музыкальных инструментов, таких как клавесин-лютня и виола-помпозу - нечто среднее между альтом и виолончелью [14].
  Врач-хирург из Севастополя А.И. Блискунов изобрел металлический аппарат для удлинения бедренных костей (потребность в котором возникает при ранениях, переломах). Аппарат располагается внутри самого бедра в отличие от аппарата всемирно известного российского хирурга Г.А. Илизарова, который располагается вокруг бедра [5].
  Итак, творчество и изобретательство присущи всем людям независимо от их профессиональной принадлежности, что подтверждают слова великого русского писателя И.С. Тургенева: "Без этих смешных чудаков - изобретателей не подвигалось бы вперед человечество - не над чем было бы размышлять Гамлетам. Да, повторяем: Дон-Кихоты находят, Гамлеты разрабатывают".
  Следует отметить, что слово "техника" иногда употребляется в литературном языке для совокупной характеристики навыков и приемов, используемых в какой-либо сфере деятельности. Например, можно встретить высказывание, что великий русский писатель Н. В. Гоголь "великолепно владел техникой рисования на картоне пастельными карандашами".
  Наряду с термином "технический объект", широко используется термин "техническая система". По сути, это синонимы, поскольку они выражают одно и то же понятие, но с разными оттенками при использовании. Понятие ТО - это более широкое понятие, поскольку технические системы являются лишь их разновидностью. В самом деле, существуют элементарные ТО, состоящие всего лишь из одного материального (конструктивного) элемента. Например, столовая ложка, литая чугунная гантель, пластмассовая или металлическая шайба. Ни один из них никак нельзя отнести к понятию "техническая система", поскольку техническая система - это определенная совокупность упорядочение связанных между собой элементов, предназначенных для удовлетворения определенных потребностей, для выполнения определенных полезных функций. Важно отметить, что техническая система обладает совокупными свойствами, не только суммирующими свойства входящих в ее структуру элементов, но и другими качественно новыми свойствами, не присущими системообразующим элементам. Например, автомобиль обладает свойством передвижения по твердым дорожным покрытиям, в то время как ни один из его отдельно взятых элементов (кузов, шасси, мотор и т.д.) таким свойством не обладает.
  Конечно, не только такой сложный ТО как автомобиль, можно назвать технической системой. Например, штанга для спортсменов-тяжеловесов, несомненно, является технической системой, поскольку в ее конструкции содержатся взаимосвязанные стальная ось, сменные весовые диски, замки для их крепления на оси.
  Технический объект предпочтительно называть ТО тогда, когда речь о нем ведется вообще, без всякой структурной, функциональной и конструктивной конкретизации, в то время как термин "техническая система" используется при обсуждении его внутреннего содержания, изучении, анализе, синтезе и конструировании.
  Важно иметь в виду, что любая техническая система состоит из ряда конструктивных элементов (звеньев, блоков, узлов, агрегатов), называемых подсистемами, число которых в общем случае может быть равным "N". В то же время у большинства технических систем существуют и надсистемы - технические объекты более высокого конструктивного уровня, в которые они включены как функциональные элементы. В надсистему могут входить от двух до "М" технических систем. Например, если в качестве технической системы рассматривается электрический мотор для стиральной машины, то саму машину можно рассматривать как надсистему, а входящие в состав электромотора конструктивные узлы (вал, подшипники, обмотки полюсов) - подсистемами (рис. 4.3).
  Технические объекты выполняют определенные функции (операции) по преобразованию вещества (объектов живой и неживой природы), энергии или информационных сигналов. Обработка вещества, энергии или сигналов с помощью технических объектов производится путем выполнения ряда технологических операций, следующих друг за другом в определенной последовательности. Под технологией понимается способ, метод или программа преобразования вещества, энергии или информационных сигналов из заданного начального состояния в заданное конечное состояние с помощью соответствующих технических систем (объектов). По Д. Гел-брету, технология - это систематизированное применение научного знания для решения практических задач. По С.С. Гусеву, технология - это определенный способ человеческого отношения к окружающей действительности, порожденный практической ориентацией познания Применительно к промышленному производству технология определяется как "совокупность методов обработки, изготовления, изменения состава, свойств, формы сырья, материала или полуфабриката, осуществляемых в процессе производства продукции" Задача технологии как науки - выявление физических, химических, механических и других закономерностей с целью определения и использования на практике эффективных и экономичных производственных процессов [25]
 
 
 Рис 4 3 Иерархия соподчиненности звеньев в технических системах
 
  Разнообразие существующих и возможных технологий также велико, как разнообразие известных и, возможно, изобретенных в будущем технических объектов
  Любой технический объект находится в определенном взаимодействии с окружающей средой Для конкретного объекта в качестве окружающей среды могут выступать другие технические объекты (находятся в функциональном или вынужденном взаимодействии с рассматриваемым объектом и оказывают на него заметное влияние), а также различные объекты живой и неживой природы
  Взаимодействие технического объекта с окружающей живой и неживой средой может происходить по разным каналам связи, которые целесообразно подразделить на две группы (рис. 44.). Первая группа включает потоки вещества, энергии и информационных сигналов, передаваемых от окружающей среды к техническому объекту К ним относятся Ат - функционально обусловленные (или управляющие) входные воздействия, входные потоки в реализуемые физические операции, Ав - вынужденные (или возмущающие) входные воздействия (температура, влажность, пыль, влияние насекомых и т.п. )
  Вторая группа потоков связи - это потоки, которые передаются от рассматриваемого технического объекта в окружающую среду К ним относятся Ст - функционально обусловленные (или регулируемые, контролируемые) выходные воздействия, выходные потоки реализованных в объекте физических операций, Св - вынужденные (возмущающие) выходные воздействия в виде электромагнитных полей, загрязнения воды, атмосферы, земли и т.д.
 
 Рис 4.4. Взаимодействие технического объекта с окружающей средой
 
 4.3.2. Потребности и потребительские функции
  Под потребностью понимается желание человека получить определенный результат в процессе преобразования, транспортировки или хранения вещества, энергии, информации.
  Потребности человека безграничны, поэтому остановимся лишь на тех, которые удовлетворяются с помощью технических объектов (систем) Описание потребности - это описание назначения ТО или цели его создания
  Описания потребностей (Р) должны содержать в себе информацию
  Д - о действии, которое приводит к удовлетворению интересующей потребности,
  G - об объекте или предмете технологической обработки, на который направлено действие Д;
  Н - о наличии условий или ограничений, при которых реализуется это действие, так что
  Р = (Д, G, H).
  Примеры трехкомпонентного описания потребностей:
  - потребность в легковом автомобиле - перевозка (Д) людей (G) по дорогам (Н);
  - потребность в нагревании или кипячении (Д) воды (G) с использованием электрической энергии (Н) удовлетворяется электрочайником.
  Как в обиходе, так и в предпринимательской практике, наряду с понятием "потребности" используется тождественное ему понятие "потребительская функция ТО" - Фп. Потребительская функция легкового автомобиля - перевозить людей по дорогам; электрочайника - нагревать или кипятить воду с использованием электроэнергии; барометра - измерять давление атмосферы. Итак, разница между потребностью и потребительской функцией ТО состоит лишь в том, что понятие "потребность" отражает заинтересованность человека в ее реализации (перевозка, нагревание, измерение), а понятие "потребительская функция" отражает действие технического объекта, реализующего эту потребность (перевозит, нагревает, измеряет). Эту разницу в понятиях мы обнаруживаем благодаря грамматике их описаний на русском языке: потребности всегда выступают как отглагольные существительные, а функции - как глаголы.
  Далее рассмотрим способы возникновения ТО. Исторический опыт свидетельствует о том, что все достижения в мире техники направлены на удовлетворение потребностей человека и общества в целом. Если потребности в техническом объекте нет, то он и не будет создан, а если потребность в нем появилась, то он непременно будет создан, причем, тем быстрее, чем острее и общественно значимее эта потребность.
  Возможность создания винтокрылых летательных аппаратов впервые была предсказана итальянским ученым, инженером, архитектором, скульптором и живописцем Леонардо да Винчи (1452-1519 гг.). Его идея подъема аппарата в воздух с использованием мускульной силы пассажиров за счет "ввинчивания винта в воздух на многие столетия опередила идеи создания вертолетов [3]. Однако даже гениальный ученый Л. да Винчи в те времена еще не знал о существовании реактивного момента от вращения винта. Он не подозревал, что по этой причине такой аппарат не смог бы подняться в воздух, поскольку (даже при достаточной мощности мускулов пассажиров) вокруг винта вращалась бы пассажирская гондола, а не винт, имеющий большое сопротивление воздуха.
  Россияне могут гордиться тем, что наш великий ученый Михаил Васильевич Ломоносов в 1754 году нашел способ разрешить это техническое противоречие, создав модель "аэродинамической машины". Он предложил разместить на одной вертикальной оси два горизонтально расположенных винта, вращаемых в разные стороны. Созданная им лабораторная модель такой машины поднималась в воздух, хотя пружинный двигатель создавал осевую тягу всего лишь 10 граммов. Вскоре, в 1768 году, англичанин Пенктон выпустил книгу "Теория винта Архимеда" (винт был изобретен Архимедом за два века до нашей эры), в которой он дал описание винтокрылого аппарата - птерофора, у которого один из винтов служил для вертикального подъема аппарата, а другой - для его поступательного движения.
  Забавный казус с созданием летательных аппаратов имел место во Франции. В 1782 году Парижская академия наук дала заключение о невозможности подъема в воздух любых аппаратов, вес которых превышал вес воздуха. Однако уже через два года граждане этой страны Лонуа и Бьенвеню создали действующую модель геликоптера и продемонстрировали своим незадачливым академикам ее полеты. Правда, лопасти винтов этого геликоптера были выполнены из птичьих перьев, а два винта вращались соосно, один над другим. В этой конструкции была повторена (или позаимствована) идея "аэродинамической машины" М. В. Ломоносова.
  В 1783 году братья Жозеф и Этьен Монгольфье построили и подняли в воздух воздушный шар с людьми, наполненный горячим дымом. После этого воздушные шары на многие десятилетия привлекли внимание ученых и изобретателей. Среди многочисленных изобретателей - пионеров освоения летательных аппаратов - следует упомянуть имя англичанина Филлипса, построившего в 1842 году действующую модель парового геликоптера, винт которого представлял собой сегнетово колесо. Француз А. Пено создал в 1871 году ряд легких и весьма остроумных моделей летательных аппаратов. Через несколько лет одна из таких моделей оказалась в руках двух американцев - братьев Орвилла и Уилбера Райтов, которые впоследствии стали знаменитыми авиаконструкторами и летчиками - пионерами авиации. На построенном ими самолете с двигателем внутреннего сгорания они совершили в 1903 году первый в мире полет длительностью в 59 секунд, доказав тем самым возможность полета. Полет первого космонавта Ю. А. Гагарина тоже был очень краток - всего 1 час 48 минут.
  Активно работали над проблемами авиации и русские ученые-изобретатели. Александр Николаевич Лодыгин в 1870 году разработал "Электролет" и предложил оказать помощь французам, воевавшим в то время с Пруссией. Проект созданного им геликоптера по тем временам производил потрясающее впечатление: его вес составлял около 8 тонн, а мощность электродвигателя - 300 лошадиных сил. Александр Федорович Можайский, крупный русский изобретатель в области воздухоплавания, контр-адмирал российского флота, в 1881 году получил патент на изобретенный им самолет, названный "воздухоплавательным снарядом". Он был построен в натуральную величину уже в 1883 году. Мы не будем продолжать дальнейший экскурс в историю развития авиации, так как она насыщена огромным количеством дат, событий и фамилий.
  Таким образом, вначале потребность в создании и разработке тех или иных технических объектов, как правило, осознают отдельные творческие личности, а потом, со временем, она становится социальной и массовой потребностью.
  Постоянно растущие потребности общества в технических объектах формируют повышенные требования к ним, выявляют технические противоречия, что приводит к очередному шагу в развитии ТО рассматриваемого класса. И тогда из одного ТО появляется целая серия технических объектов. Так, из одного-единственного самолета братьев Райт возникла сложнейшая иерархическая система, называемая современной авиацией.
  Большая часть ТО своими высокими качествами, параметрами и потребительскими свойствами обязана тысячам изобретений предыдущих творцов-разработчиков. Патентоведы подсчитали, что за последние сто лет по автомобилям было сделано более одного миллиона изобретений, по велосипеду - более 100 тысяч, а по такому техническому объекту, как карандаш, более 20 тысяч.
 4.3.3. Критерии развития технических объектов
  Среди множества параметров и показателей, характеризующих технический объект, имеются такие, которые на протяжении длительного времени, а иногда и всей истории существования рассматриваемого класса технических объектов имеют тенденцию монотонного повышения или поддержания на определенном уровне при достижении своего предела. Такие показатели осознаются научно-технической общественностью и компетентными специалистами, осуществляющими инжиниринг, как мера совершенства и прогрессивности технических объектов. Более того, такие показатели и параметры оказывают существенное влияние на развитие отдельных классов технических объектов и техники в целом, поэтому их принято называть критериями развития технических объектов [20]. Например, к таким критериям можно отнести удельную материалоемкость изделий, их энергопотребление, дизайн, уровень механизации технологического процесса и т.д.
  Критерии развития одновременно являются и важнейшими критериями (показателями) качества и поэтому используются при оценке качества технических объектов.
  Особенно велика роль критериев развития при разработке новых изделий, когда конструкторы и изобретатели в своих поисках стремятся превзойти уровень лучших мировых достижений или когда предприятия хотят приобрести готовые изделия такого уровня. Для решения таких задач критерии развития играют роль компаса, указывающего направление магистрального прогрессивного развития изделий и технологий.
  Любой технический объект имеет, как правило, не один, а несколько критериев развития, поэтому при разработке технических объектов каждого нового поколения стремятся максимально улучшить одни критерии и при этом не ухудшить другие.
  Всю совокупность критериев развития техники (единой для различных классов технических объектов) обычно подразделяют на четыре группы:
  - функциональные, характеризующие показатели реализации функции объекта;
  - технологические, отражающие возможность и сложность изготовления технического объекта;
  - экономические, определяющие экономическую целесообразность реализации функций с помощью рассматриваемого технического объекта;
  - антропологические, связанные с оценкой воздействия на человека отрицательных и положительных факторов со стороны созданного им технического объекта.
  Единичный критерий, сколь важным он бы не был, не может полностью характеризовать ни эффективность разрабатываемого технического объекта, ни, тем более, эффективность процесса его создания. Исходя из этого, приступая к созданию нового ТО, разработчики (заказчики или при совместных усилиях обеих сторон) формируют набор критериев (показателей качества) и к техническому объекту, и к процессу его создания, совокупно характеризующих эффективность решения поставленной задачи. Причем, в этот набор могут входить критерии различной значимости: наиболее важные, ординарные и даже несущественные. Процедуру отбора критериев и признания степени их важности иногда называют политикой или стратегией выбора.
  Вместе с тем, набор критериев регламентируется государственным стандартом. В соответствии с ГОСТ 15467-79 показатели качества подразделены на 10 групп: назначения; надежности; экономического использования материалов и энергии; эргономические и эстетические показатели; показатели технологичности, стандартизации; унификации и безопасности; патентно-правовые показатели; экономические показатели.
  Стратегия (политика) выбора показателей качества для сложных, дорогостоящих, трудоемких технических объектов (например, легковой автомобиль) под силу лишь большому творческому коллективу, который специализируется по этой проблеме и обладает банками информации не только технического и экономического, но и конъюнктурного характера.
 4.3.4. Физические операции и физико-технические эффекты
  В последующих описаниях технических объектов будут часто использоваться понятия и термины: "физическая операция" (ФО) и "физико-технический эффект" (ФТЭ). Поэтому, прежде чем продолжить изложение иерархии описания ТО, целесообразно познакомиться с сутью и смыслом применения этих понятий.
  Физическая операция - это определенное действие по преобразованию (превращению) заданных входных потоков вещества, энергии, информации или каких-то иных факторов в выходные потоки вещества, энергии, информации. При этом число входных и выходных потоков может быть разным и произвольным.
  В технике и в технологиях используется огромное число различных действий - физических операций. Немецкий ученый Р. Коллер предпринял попытку обобщения и систематизации встречающихся в природе операций. Он предложил 12 пар основных и 2 пары вспомогательных операций (прямых и обратных), которые позволяют описывать физические операции любого ТО или его элементов независимо от их физического принципа действия [20].
  Назовем некоторые из них: излучение - поглощение, проводимость - изолирование, увеличение - уменьшение, соединение - разъединение и другие.
  Описание физической операции обычно состоит из трех компонентов:
  Q = (А,, Е, Ст),
  где Ат - входной поток вещества, энергии, информации или иного фактора;
  Е - наименование операции по превращению Ат в Ст;
  Ст - выходной поток вещества, энергии, информации или какого-то другого фактора.
  Например, физическая операция, реализуемая медицинским ртутным термометром, - это преобразование температуры тела человека в соответствующее перемещение ртутного столба, а ТО - светильником, преобразование электрического тока в световой поток.
  Под физико-техническими эффектами (ФТЭ) понимаются различные приложения физических законов, закономерностей или вытекающих из них следствий; физические явления и эффекты, которые могут быть использованы в технических устройствах. Качественное описание ФТЭ в общем виде состоит из трех компонентов:
  ФТЭ = (А, В, С),
  где А и С - входные и, соответственно, выходные потоки вещества, энергии или информации;
  В - физический объект, обеспечивающий преобразование потоков А в С.
  Здесь, как и при описании физических операций, входные (Ат) и выходные (Ст) потоки представляются в виде конкретных носителей (теплота, электрический ток, линейная деформация и т.д.) и их характеристик.
  Важно отметить, что в этой книге (не физико-технической) слово "физический" в понятии ФТЭ носит расширенное значение. Определение ФТЭ охватывает все известные науке эффекты не только из области "чистой" физики, но и из химии, биологии, информатики и других.
  Физико-технический эффект можно рассматривать и как результат воздействия одних физических объектов на другие, который проявляется в изменении значений определенных физических величин. При таком определении и качественном описании ФТЭ = (А,В,С) за компоненты принимаются: А - физическое воздействие, В - физический объект, на который это действие направлено, С - результат (эффект) физического воздействия.
  ФТЭ называют сопряженным, если при наличии одного входного физического воздействия (А) имеет место несколько независимых результатов (Cj C2 Ск). Если на входе ТО имеет место несколько входных воздействий (А1, А2, Ам) , а на выходе всего один результат, то такой ФТЭ называют сложным.
  Следует отметить, что физические операции иногда реализуются с помощью одного ФТЭ (и тогда они называются элементарными ФО) или с помощью нескольких взаимосвязанных физико-технических эффектов (в этом случае их называют сложными ФО).
  В настоящее время науке известны и в литературе описаны более 3000 физико-технических эффектов. Их число непрерывно увеличивается в связи с возрастающими темпами развития мировой науки и техники.
  Обычно инженер знает до 200 ФТЭ, но достаточно свободно использует не более ста из них. Все возрастающий дефицит информации о наличии разнообразных ФТЭ и их содержании компенсируется созданием банков (картотек описаний, компьютерных автоматизированных программ и т.д.). Например, в Волгоградском государственном техническом университете создан структурированный фонд ФТЭ, насчитывающий свыше 1100 описаний физических эффектов и явлений [9]. На основании аналогичных фондов информации созданы автоматизированные компьютерные системы поиска физико-технических эффектов и синтеза физических принципов действия вновь создаваемых технических объектов. Поиск физических принципов действия (ФПД) технических объектов и технологий - один из самых высоких уровней научно-технического и инженерного творчества, позволяющий получать принципиально новые решения, включая пионерские.
 4.3.5. Уровни описания технических объектов
  При разработке, проектировании и изготовлении технических объектов любой природы и сложности приходиться решать целый ряд творческих, изобретательских и проектно-конструкторских задач. Как правило, задачи эти решаются в строго определенной, логически обоснованной последовательности или, как принято говорить, в иерархической соподчиненности. Иерархия - это расположение частей или элементов какой-либо целой системы в порядке от высшего к низшему. В аналогичной иерархической соподчиненности на каждом из уровней даются описания технических объектов.
  На первом, высшем уровне дается описание потребности, которую реализует ТО. Второй уровень - описание технической функции (ТФ), посредством которой эта потребность реализуется. На третьем уровне дается описание функциональной структуры ТО, отражающее взаимодействие между отдельными элементами объекта на уровне выполняемых функций (ФС). На 4-ом уровне дается описание принципов действия ТО, отражающих взаимосвязи между его элементами, но уже на уровне реализуемых ими физических процессов и явлений (ПД). Описание ТО в виде перечня его элементов, их взаимосвязей и взаимного расположения, особенностей конструктивного исполнения элементов по форме, материалу и т.п. составляет содержание пятого уровня описания, называемого техническим решением (ТР). И, наконец, шестой уровень описания отражает параметры технического объекта (П), т.е. количественные характеристики структуры ТО, необходимые для его изготовления и эксплуатации. Параметрическое описание структуры вновь создаваемого или модернизируемого ТО будем в дальнейшем называть проектом технического объекта.
  Любое описание нового или усовершенствованного технического объекта всегда начинается с описания его назначения, цели его создания или модернизации. В предназначении технического объекта и содержится суть его потребительской функции. Этот исходный и, вместе с тем, наиболее ответственный уровень описания технического объекта требует глубокого анализа проблемы создания нового, более совершенного (конкурентоспособного, патентоспособного, более эффективного) ТО, знания предыстории и эволюции его развития и состояния, обоснованного прогноза показателей его качества и масштабов потребления.
  Техническая функция (ТФ) - это описание действий по реализации техническим объектом определенной физической операции с целью удовлетворения желаемой потребности. Следовательно, описание технической функции (Ф) должно содержать наименование физической операции (Q) и потребности или потребительские функции (Фп) технического объекта:
  Ф = (Q, Фп).
  С позиций удовлетворения интересов потребителя технические функции подразделяются на полезные Фплз, вредные Фвр и функции существования Фсу, а по степени их важности - на основные (главные) и вспомогательные. Поясним это на примере речного пассажирского катера. Его основная полезная техническая функция - перевозка по реке пассажиров. Однако, в случае необходимости, этот же катер может выполнять и вспомогательные полезные функции - транспортирование на канате бревен, буксирование водного лыжника или водного парашютиста. В процессе реализации своих полезных функций моторный катер порождает ряд побочных нежелательных явлений, т.е. является источником и носителем вредных функций. В частности, при его движении по воде, в особенности по мелководной реке, образуются волны, которые разрушают берега, распугивают рыбу и водоплавающую птицу, выбрасывают на берег рыбью икру и молодь. Другая вредная функция этого технического объекта - загрязнение воздуха и воды выхлопными газами. В процессе эксплуатации катера проявляются функции его существования: причаливание к берегу, удержание на месте с помощью якорей при быстром течении реки, устойчивость на волне и при шторме.
  Возвращаясь к рассмотрению вредных технических функций, в качестве примера можно взять осветительную аппаратуру, применяемую при фото-, кино- и телевизионных съемках. Эти технические объекты, наряду с основной полезной функцией освещения соответствующих объектов, выполняют дискомфортную вредную функцию нагрева окружающего воздуха, затрудняя работу операторов, артистов, респондентов.
  В подавляющем большинстве ТО состоят из ряда элементов (деталей, узлов, блоков, агрегатов и т.п.) и могут быть естественным путем разделены на части (подсистемы, элементы). Каждый из таких элементов, рассматриваемый при этом как самостоятельный ТО, выполняет вполне определенные функции и конкретные физические операции.
  Важно отметить, что между элементами ТО существуют две разновидности связей и, соответственно, два вида структурной организации технических устройств и систем. В этой связи различают конструктивную функциональную структуру (КФС) и потоковую функциональную структуру (ПФС).
  КФС отображает функциональные взаимосвязи между отдельными элементами ТО и объектами окружающей среды. При ее графическом построении вначале (обычно прямоугольниками) изображают основные элементы ТО и объекты окружающей среды, а затем соединяют их между собой линиями (как их иногда называют, ребрами), которые соответствуют реализуемым этими элементами функциям.
  Элементы ТО в процессе реализации определенных физических операций образуют потоки преобразуемых (или превращаемых) ими веществ, энергии или сигналов. Эти потоковые связи между входами и выходами отдельных элементов ТО отображаются в словесном или графически оформленном описании - в потоковой функциональной структуре.
  Поэтому под потоковой функциональной структурой понимается совокупность взаимосвязей между элементами технического объекта и реализуемыми ими физическими операциями через потоки вещества, энергии или символов.
  Понятия конструктивной и потоковой функциональной структуры могут быть использованы только для конкретного (реально существующего, модернизируемого или впервые разрабатываемого) ТО. При обсуждении исторических, философских, социальных и иных проблем эволюции техники, прогнозировании направлений и темпов ее развития, как правило, рассматриваются не отдельные конкретные ТО, а характерные классы (группы, виды) технических объектов. В этом случае говорят лишь о некоторых обобщенных структурах машин (классов ТО), которые содержат четыре укрупненных звена (подсистемы), реализующих, соответственно, четыре фундаментальных функции труда: технологическую, энергетическую, управления и планирования. Очевидно, что в наименованиях и предназначении указанных фундаментальных функций мы не увидим никаких неожиданностей (поскольку они отражают потоковые связи подсистем), за исключением фундаментальной функции планирования. По сути, функцию планирования следовало бы отнести к фундаментальной функции управления. Однако из-за того, что она реализуется в сфере внешнего управления и проектирования, в сфере маркетинга, методологически ее считают самостоятельной.
 4.3.6. Закономерности прогрессивной конструктивной эволюции технических объектов
  Технические объекты (системы), как и биологические объекты (деревья, цветы, птицы, люди и т.д.), имеют аналогичные жизненные циклы и этапы своего развития. Они возникают (рождаются), переживают этапы своего становления, бурного роста и расцвета, стабилизации и упадка, старения и, наконец, сменяются другими объектами нового поколения. Жизненный цикл любого технического объекта представляется в виде так называемой S-функции (рис. 4.5).
  На этом рисунке по оси абсцисс отображается уровень одного из наиболее значимых критериев развития (параметр, показатель) объектов рассматриваемого класса - Кр. К ним могут быть отнесены производительность, надежность работы, энергоемкость, типоразмеры и т.п. По оси ординат отображаются время t и этапы N3 "жизненного цикла" технического объекта. Первый этап "жизненного цикла" ТО - это этап его зарождения и становления (отрезок кривой а - б), на котором идет медленное возрастание критерия развития Кр. Обычно после своего возникновения новая техническая система проходит процесс адаптации: ее совершенствуют конструктивно и расширяют масштабы применения. На втором этапе происходит быстрое (прогрессивное) возрастание критерия Кр. Здесь (отрезок кривой б - в) технический объект, сохраняя неизменным общий принцип своего функционирования, претерпевает множество частных технических усовершенствований. С какого-то момента времени (точка в) эволюция возрастания Кр прекращается, и наступает третий, последний этап "жизненного цикла" ТО. В одних случаях наступает процесс стагнации, удержания на каком-то предельно достижимом уровне коэффициента Кр (отрезок в - TJ); в других случаях процесс принимает регрессивный характер (отрезок в - г2), при котором значение Кр резко снижается. Обычно это вызывается и объясняется возникновением и обострением определенных противоречий между данным ТО и внешней средой, между данным объектом и другими, сопряженными с ним объектами единой надсистемы.
  Одним из существенных противоречий между потребительскими свойствами ТО (изделия) и внешней средой является конъюнктура спроса (объем сбыта) на это изделие на рынке товаров. По сути, объем сбыта изделий (NH, шт.) и обусловленная им прибыль предприятия (Пр, руб.), производящего эти изделия, определяют длительность времени "жизненного цикла" изделия одного поколения.
 
 
 Рис.4.5. Главная магистраль развития технических объектов
 
  На рис.4.6 представлен типичный "цикл жизни" изделия одного поколения в виде диаграмм изменения объема сбыта Ми и прибыли для предприятия от их выпуска и продажи Пр на различных временных этапах этого цикла [31].
  На 1-ом и 2-ом этапах после начала выпуска изделий объемы их сбыта и, соответственно, прибыль увеличиваются. На 3-ем этапе сбыт изделий носит устойчивый характер, а на 4-ом достигает своего максимума (точка Б). Затем (этап 4) рынок перенасыщается данной продукцией и объем сбыта уменьшается. Диаграмма изменения прибыли Пр качественно близка к диаграмме объема сбыта, но максимум прибыли наступает значительно раньше (точка А). Временное запаздывание t3 между максимумами А и Б обусловлено, с одной стороны, превышением объемов производства над объемами сбыта в стремлении предприятия получать все большую прибыль, а с другой стороны - инерционностью производства в контроле конъюнктуры сбыта изделий.
  Естественно, что по мере снижения объемов сбыта на этапах 4 и 5, снижается прибыль предприятия. Когда уровень прибыли достигнет предельного экономически целесообразного значения Пр mm, выпуск изделий данного поколения обычно прекращается и начинается выпуск изделий того же функционального назначения, но нового поколения.
  Когда на смену ТО первого поколения приходит ТО второго поколения, начальные значения абсцисс Кр для ТО 2-го поколения могут оказаться различными. Обычно точки г" и д2 - совпадают, создавая процесс непрерывности в развитии ТО. Лучшим из вариантов разработки ТО второго поколения будет такой, когда начальное значение абсциссы Кр окажется значительно больше конечного для ТО первого поколения (точка д3 лежит значительно выше точки TJ по оси Кр). Такой скачок в развитии ТО возможен только при использовании новых, прогрессивных (как принято иногда говорить - пионерских) физических принципов его создания. В отдельных случаях ТО второго поколения может иметь начальное значение Кр меньше, чем в точке т{ (точка д^), если конструкторы будут уверены, что на первом и втором этапах "жизненного цикла" ТО второго поколения значение Кр существенно превысит абсциссу гг Эволюция ТО второго и всех последующих поколений повторяет те же этапы развития 1, 2 и 3, что и рассмотренные для ТО первого поколения.
 
  Рис. 4.6. Типичный "жизненный цикл" изделия одного поколения
 
 
  Суть закономерности прогрессивного развития техники, в соответствии с основами инжиниринга, состоит в том, что в ТО с одинаковой функцией каждый переход от поколения к поколению обусловлен устранением возникшего главного дефекта (или совокупности дефектов) с целью улучшения какого-либо критерия развития при наличии определенных социально-экономических потребностей и научно-технических условий.
  Рассматривая эволюцию ТО определенного класса техники от одного поколения к другому, можно увидеть следующие закономерности иерархического исчерпывания возможностей конструкторско-технологических решений на трех уровнях.
  Предположим, что мы имеем дело с ТО 1-го поколения, который был разработан и изготовлен на базе физических принципов действия ПДр на основе технического решения TPj и имеющего обобщенные параметры Пг Если ставится задача улучшения критерия развития ТО, то вначале улучшают его параметры, изменяя их в пределах от П1 до ITk. Когда же изменение параметров малоэффективно для возрастания Кр, то осуществляют переход к новому, более эффективному техническому решению (второй уровень исчерпания возможностей) без изменения физического принципа действия. На этом уровне возможны поиск и использование разных, наиболее прогрессивных ТР от TPj до ТРп и параметров технического объекта от П, до IIk при каждом техническом решении. Циклы на первом и втором уровнях повторяются до тех пор, пока (в рамках используемого физического принципа действия) не исчерпываются возможности улучшения интересующих показателей.
  После этого, наконец, прибегают к использованию нового физического принципа действия ТО, обеспечивающего существенное, как правило, скачкообразное возрастание показателей (Кр), осуществляя тем самым переход к новому поколению ТО. Это и есть третий - наивысший уровень исчерпания возможностей развития техники, на котором возможен поиск принципов действия от ПД, до ПДт.
  Как рекомендует А. И. Половинкин [20], 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 следует решительно осуществить скачок к новому техническому решению или принципу действия (без исчерпания возможностей предыдущего технического решения или принципа действия). Это положение следует учитывать в связи с использованием электронно-вычислительных машин и персональных компьютеров для поиска наилучших технических решений. С помощью компьютерных технологий технического творчества можно проводить глобальную, многокритериальную оптимизацию технических решений, охватывая одновременно три этапа развития ТО.
  Каждая заново изобретенная или усовершенствованная техническая система (разумеется, выполняющая одну и ту же функцию) имеет, по сравнению со своей предшественницей, повышенный уровень потребительских свойств, т.е. уровень Угаф. Однако при этом возрастает конструктивная сложность технической системы (возрастает число ее подсистем, увеличиваются габариты, повышается стоимость комплектующих элементов и изготовления, понижается надежность функционирования и т.п.).
  Таким образом, возникает техническое противоречие, которое и является движущей силой развития техники, первопричиной усовершенствований и зарождения новых изобретений.
  В этой связи процесс развития технической системы целесообразно рассматривать с позиции объективно существующих взаимосвязей уровня У . и некоторого обобщенного показателя сложности технической системы Пстс. При увеличении Угпф за счет улучшения параметров технической системы и использования новых, более эффективных технических решений идет возрастание показателя конструктивной сложности технической системы, причем по нелинейной зависимости:
  П стс = а* Ув гпф,
  где а и в - эмпирические коэффициенты.
  Иногда этот негативно проявляющийся эффект удается в той или иной мере ослабить (или даже исключить) за счет передачи каких-то полезных функций подсистеме или надсистеме технического объекта. Когда же резервы дальнейшего повышения уровня У оказываются исчерпанными и вступают в существенное противоречие с показателями Пстс, то следует переходить к использованию новых физических принципов создания технической системы, которые обеспечат резкое понижение показателя Пстс при дальнейшем улучшении уровня главной полезной функции. В некоторых случаях состояние развития технической системы (объекта) оценивается не по критерию развития Кр, а по уровню его главной полезной функции Угпф. Однако разница в таком подходе не столько содержательная, сколько терминологическая [27].
  Внимательно изучая историю развития какой-то конкретной технической системы, можно установить цепочку событий - появление все новых и новых изобретений и усовершенствований этой системы, непрерывно совершаемых в целях увеличения уровня ее главной полезной функции. Например, если за главную полезную функцию преобразователей химической энергии углеродистого топлива в механическое движение принять коэффициент полезного действия, то можно увидеть следующую эволюцию их развития: первые паровые машины Сэвери-Ньюкоме-на имели кпд 1-2%, машины Уатта 2-4%, усовершенствованные паровые машины 5-15 %, паровые машины с тройным расширением пара 13-19%, первые паровые турбины 26-41%, двигатели внутреннего сгорания 30-50%.
  Рассмотренная закономерность прогрессивного развития техники подтверждается богатым опытом мировой инженерной практики и изобретательства. Так, за последние 50 лет удалось уменьшить удельный вес дизельных двигателей (кг/лошадиная сила) в 250 раз, паросиловых установок на тепловых электростанциях - в 25 раз; в сотни раз снизить габариты электронно-вычислительных машин, в тысячи раз уменьшить размеры электронных усилителей и т.д. Знание закономерностей прогрессивного развития ТО позволяет анализировать и осмысливать историю техники, прогнозировать ее развитие, находить рациональные и эффективные пути разработки и проектирования ТО новых поколений.
 4.3.7. Закономерности стадийного развития техники
  Анализируя процессы развития технических объектов одного и того же функционального назначения и техники в целом, ученые установили объективно существующую закономерность: техника во времени развивается стадиями, передавая фундаментальные функции труда от человека к ТО (к машине).
  Весь цикл развития ТО (техника, машины) имеет 4 стадии, соответствующие четырем фундаментальным функциям труда и машин по обработке и производству материальных продуктов.
  Первая стадия. Техника выполняет только технологическую функцию, обеспечивающую изменение материального продукта труда, остальные функции (энергетическую, управления и планирования) выполняет человек.
  Вторая стадия. Технологическая и энергетическая функции, связанные с обеспечением энергией процесса обработки предмета труда, реализуются ТО, а человек выполняет только функции управления и планирования.
  Третья стадия. На ТО (машину) возложены функции технологические, энергетические и управления процессом обработки предмета труда и потоками энергии, а человек лишь планирует количество и качество производимого материального продукта.
  Четвертая стадия. Все четыре фундаментальных функции труда реализуются ТО (машиной), а человек полностью выводится из технологического процесса. Его участие в производстве материального продукта эпизодически требуется на более высоких уровнях планирования производственного процесса, а также на внештатных операциях наладки и ремонта технических устройств, оборудования.
  Очевидно, что в процессе развития ТО переход от одной (предыдущей) стадии к другой (последующей) происходит тогда, когда физические или интеллектуальные возможности человека по дальнейшему повышению какого-либо актуального критерия развития Кр (по точности, производительности, надежности, экологичности и т.п.) оказываются исчерпанными, и его можно повысить лишь при реализации другой (последующей) фундаментальной функции.
  Однако процесс развития может войти в новую стадию лишь при наличии необходимых и достаточных условий и факторов, таких как состояние научно-технических разработок в рассматриваемом классе технических объектов; технологические возможности перехода на следующую стадию; острота потребности и социально-экономической целесообразности разработки ТО с новыми фундаментальными функциями.
  Что касается динамики - темпов развития ТО (машин) во времени, - то она определяется, главным образом, классом самого технического объекта и остротой потребности общества (рынка) в его изготовлении и использовании.
  Для ТО, с помощью которых с незапамятных времен производятся (обрабатываются) самые необходимые для человека продукты (орудия) труда, весь цикл развития с его четырьмя стадиями занимает целую историческую эпоху. Для подтверждения сказанного рассмотрим эволюцию процесса обработки круглых деталей из металла.
  Первая стадия процесса обработки деталей цилиндрической формы из природного куска металла вручную (за счет биологической энергии мышц человека) с помощью камня (абразивного инструмента) имела место еще в железном веке, т.е. три тысячелетия тому назад. Вторая стадия технологии обработки металлических изделий цилиндрической формы наступила лишь в XVIII веке, когда появились токарные станки с приводом сначала от паровых машин, а затем от электрических двигателей. Вместе с тем, на этой стадии развития управление процессом токарной обработки производилось вручную.
  Только в середине XX века на токарных станках появились системы автоматического управления (т.е. управления без участия человека) процессами металлообработки. Полное же высвобождение человека из процесса механической обработки деталей на токарных станках произошло уже в 80-е годы нашего столетия в связи с разработкой и функционированием гибких производственных систем (автоматических цехов, производств и заводов с так называемой "безлюдной" технологией).
  Естественно, что ТО, впервые появившиеся в XIX - XX вв., имеют более короткие временные интервалы переходов с одних стадий развития на другие, что обусловлено стремительно нарастающими темпами развития науки и техники.
  Для современного периода развития техники характерна еще одна существенная закономерность: в процессе разработки и изготовления ТО реализуются одновременно две - три, а иногда и все четыре фундаментальные функции.
  При поиске конкретного примера таких ТО не надо обращаться к космической и оборонной технике, где они встречаются наиболее часто, достаточно совершить небольшой экскурс в область современного растениеводства.
  В последние десятилетия во многих странах мира широкое распространение получила гидропоника (от греческих слов hydor - вода и pones - работа) - технология и техника выращивания растений (цветов, огурцов, клюквы и т.д.) не в естественном грунте, а в питательном растворе. В специальных оранжереях или теплицах устанавливаются емкости с питательными растворами, в которые помещают корни растений, закрепляемых в гравии, песке или на металлических сетках.
  Автоматизированные технологические агрегаты приготавливают питательные смеси, которые затем с помощью электронасосов по трубопроводам подаются в соответствующие емкости. Состав и консистенция питательных смесей, их объем и температура рассчитываются, прогнозируются и задаются с помощью электронно-вычислительных машин в зависимости от состояния и параметров роста растений. Таким образом, рассматриваемый ТО - автоматизированная гидропонная оранжерея - реализует все четыре фундаментальные функции - технологическую, энергетическую, управленческую и планирующую.
 4.3.8. Идеальное техническое решение - азимут главной магистрали развития технических объектов
  Любой класс технических объектов имеет вполне определенное (исторически сложившееся в прошлом и прогнозируемое в будущем) направление своего развития, называемое главной магистралью. По А. И. Половинкину [20], границы главной магистрали развития проходят по стыкам прогрессивных (высокоэффективных, долго живущих и конкурентоспособных) и тупиковых (малоэффективных, не жизнеспособных и неконкурентоспособных) технических решений. На рис.4.7 границы этой магистрали в пространстве возможных вариантов очерчены штрихпунктирными линиями. Представим себе, что рассматриваемый нами технический объект на историческом пути своего развития уже прошел целый ряд этапов, четыре из которых (А, Б, В, Е) были (в свое время) прогрессивными, а два (Г, Д) - оказались тупиковыми, выходящими из границ главной магистрали. В данный момент мы находимся на этапе Е и рассматриваем прототип технического объекта, который нас не устраивает по каким-то параметрам и показателям; в процессе эксплуатации он вошел в определенное противоречие с новыми возникшими потребностями.
 
 
  Очевидно, что при поиске путей нового, улучшенного технического решения абсолютно нецелесообразно рассматривать все возможные варианты в секторе с углом а. Искать их следует в более узком секторе с углом Р, лежащем внутри границы главной магистрали развития объектов рассматриваемого класса.
  И здесь азимутом, помогающим выбору нового технического решения и конструированию улучшенного технического объекта на главной магистрали (этап Д), может служить прием идеального технического решения (ИТР). Заметим, что под словом "азимут" (от арабского слова ас-сумут) понимается месторасположение земного объекта или небесного светила (звезда, луна), численно определяемое углом между плоскостью меридиана точки наблюдения и вертикальной плоскостью, проходящей через эту точку и наблюдаемый объект.
  Ученые, конструкторы и изобретатели по-разному называют прием ИТР - идеальный конечный результат, идеальная машина, идеальная техническая система, увеличение степени идеальности. Одним из первых ввел в инженерную практику понятие идеального технического устройства ("идеального радиоприемника") академик В. А. Котельников. Но даже он показал, что самый лучший приемник не может полностью избавиться от помех, а лишь максимально снижает их. Тем не менее, идея и теория "идеального приемника" позволили конструкторам и изобретателям искать новые технические решения на более узком и прогрессивном направлении, на главной магистрали развития того или иного технического объекта.
  Техническое решение считается идеальным, если оно обеспечивает техническому объекту одно (или несколько) следующих свойств.
  1. Если габариты (размеры) технического объекта приближаются или совпадают с габаритами (размерами) обрабатываемого или транспортируемого объекта (материала, изделия), а собственная масса технического объекта намного меньше массы обрабатываемого или транспортируемого им объекта.
  2. Если габариты и масса технического объекта или его главных функциональных элементов приближаются к ничтожно малым величинам, а в идеальном случае становятся равным нулю. Это соответствует ситуации, когда необходимость в применении устройства или какого-то его элемента отпадает, но необходимые функции (с равным успехом или даже лучше) выполняются.
  3. Если технический объект и все его элементы выполняют полезную работу в полную меру своих расчетных возможностей.
  4. Если коэффициент полезного действия технического объекта приближается к единице, а в идеальном случае равен единице. Другими словами, потери энергии в таком объекте отсутствуют или приближаются к нулю.
  5. Если технический объект обеспечивает обработку или транспортировку другого объекта (материала или изделия) за время, близкое к нулю или равное нулю.
  6. Если технический объект функционирует бесконечно дли тельное время без отказов и дополнительных наладок, без ремонтов и остановок.
  7. Если технический объект функционирует в полностью автоматическом режиме, т.е. без участия человека-оператора или при его минимальном участии.
  8. Если технический объект не оказывает никакого отрицательного влияния на человека и окружающую его природную среду.
  Изобретательский опыт выработал ряд рекомендаций по поискy идеальных технических решений. Главная из них - надо на какое-то время стать фантастом (может быть, даже футурологом), попытаться представить и подробно описать техническое решение будущего технического объекта заданного класса. Это решение должно обеспечить реализацию той или иной рассматриваемой функции, придать техническому объекту несколько, или хотя бы одно из восьми перечисленных выше идеальных свойств. При этом, как рекомендует автор АРИЗа Г. С. Альтшуллер [2], не следует заранее думать о реальности осуществления такого идеального технического решения и путях его реализации.
  В процессе этой деятельности не следует ограничивать свою фантазию, но, в то же время, надо обращать особое внимание на конкретный физический принцип действия технического устройства и на основные показатели эффективности этого объекта.
  Важность использования формулировок идеального технического решения заключается в том, что они позволяют в многомерном пространстве поиска выделить достаточно малый угол поиска Р (см. рис. 4.7), который обеспечивает более целенаправленную творческую деятельность и концентрирует интуицию разработчика в наиболее перспективном направлении. Суженный угол р предотвращает возможность выбора тупиковых технических решений, как это, например, уже случалось на этапах Г и Д развития технического объекта. Искомое решение Ж, как правило, оказывается в секторе этого угла между ИТР и исходным прототипом Е.
  Целесообразность и эффективность приема поиска идеальных технических решений подтверждают объективно существующую закономерность развития техники: развитие всех технических объектов и технических систем идет в направлении увеличения степени их идеальности.
  Один из разработчиков ТРИЗ Ю. П. Соломатов [27] резонно предлагает различать два крайних вида идеализации технических систем (решений):
  1 вид - решения, при которых габариты, масса и энергопотребление устремляются к нулю, а главная функция технического объекта или количество выполняемых им полезных функций остаются неизменными;
  2 вид - технические решения, при которых главная полезная функция или количество полезных функций увеличиваются, а масса, габариты и энергоемкость технического объекта остаются неизменными.
  Предельный случай идеализации технического объекта заключается в его существенном уменьшении (и, в конечном итоге, в исчезновении) при одновременном увеличении количества выполняемых им функций. Как ни парадоксально звучит, но в идеале технический объект вырождается, исчезает, а полезные функции, нужные человеку и обществу, должны сохраняться и выполняться. При этом надо иметь в виду, что для выполнения этих функций требуется только материальный, а не эфемерный, призрачный, нереальный объект. А это значит, что за исчезнувший (идеализированный) объект его функции будут выполнять другие (соседние) технические объекты, или надсистема, в состав которой он входил как элемент. Если при этом принятая надсистемой "чужая" функция аналогична собственной, то происходит просто увеличение главной полезной функции, а если эти функции не совпадают, то происходит увеличение числа функций надсистемы.
  В практике часто используют и третий, более общий вид идеализации технических решений, при котором добиваются снижения веса, габаритов и энергоемкости технических объектов при одновременном увеличении главной полезной функции (или количества функций).
  При поиске новых технических решений для сложных систем, в структуру которых входят свои подсистемы (элементы) и которые сами как элементы входят в состав надсистем, (т.е. систем более высокого иерархического уровня), чаще всего используются смешанные виды идеализации. В частности, на уровне подсистем обычно используется процесс идеализации первого вида, а на уровне технического объекта - идеализации второго вида, что обеспечивает высокую ценность полученного этим способом нового технического решения.
  Рассмотрим теперь некоторые примеры и практические приемы приближения к идеальным техническим решениям. Одновременно эти примеры будут иллюстрировать важнейшую закономерность эволюционного развития технических систем (объектов, устройств) - непрерывное увеличение степени их идеальности. Рассматриваемые примеры пронумеруем в соответствии с номерами в перечне свойств, характеризующих идеальное техническое решение (свойства 1-8, см. с. 176-177).
  Пример 2. При конструировании машин, строительных сооружений, любых других технических изделий стараются минимизировать их габариты и массу. Это позволяет сократить расход исходных материалов, уменьшить площади и объемы помещений или конструктивных модулей, в которых они размещаются, и, наконец, снизить их стоимость. Ярким примером миниатюризации технических объектов могут служить кремниевые микропроцессоры. Они изготавливаются из кристаллов чистого кремния обычно в виде прямоугольных пластинок габаритами от 0,5x0,5 до 1,0x1,0 см и толщиной в несколько долей миллиметра. В теле одной такой пластинки (с помощью тонких и весьма сложных лазерных технологий) размещают огромное количество транзисторов - электронных приборов, способных усиливать и преобразовывать электрические сигналы. Величайшим преимуществом кремниевых микропроцессоров (иногда их называют чипами) является их быстродействие, определяемое числом переключений (операций) за одну секунду. Именно эти свойства чипов обусловили их широкое применение для создания современных компьютеров.
  Известно, что первый кремниевый микропроцессор был выпущен в 1960 году, то есть, чуть более 35 лет тому назад. Но даже он содержал в одном кристалле 2300 транзисторов и выполнял 60000 операций в секунду, что по тем временам считалось гигантским достижением.
  По утверждению специалистов, с той поры через каждые 1,5 года плотность транзисторов на кристалле кремния удваивается. В связи с этим, микропроцессоры 5-го поколения содержат уже 3 миллиона 300 тысяч транзисторов и способны выполнять 166 миллионов операций в секунду.
  На основе этих микропроцессоров открылись большие возможности для использования трехмерной компьютерной графики, позволяющей снимать фильмы и телерекламу. Кстати, только с появлением чипов удалось составить очень сильную шахматную компьютерную программу, сумевшую победить чемпиона мира Гарри Каспарова.
  Из появившихся в печати данных о микропроцессорах 6-го поколения следует, что новейший микрочип содержит уже 6 миллионов транзисторов и может выполнять 250-300 миллионов команд в секунду.
  Нетрудно подсчитать, что один элементарный транзистор в составе одной пластинки кремния занимает объем всего лишь в несколько стотысячных долей кубического миллиметра, примерно такой же порядок (в граммах) имеет и его масса. Вот почему чипы являют собой примеры идеального технического решения по конструированию элементов электроники.
  Пример 3. Количественная оценка уровня сходимости характеристик конкретного (даже самого совершенного) технического объекта с характеристиками ИТР потребовала бы решения многокритериальной оптимизационной задачи, поэтому нецелесообразно иллюстрировать это свойство ИТР на многочисленных примерах, тем более, что оно вполне очевидно и без всяких доказательств. Ограничимся лишь рассмотрением общих подходов к обеспечению этого свойства ИТР на этапах разработки, изготовления и эксплуатации технических объектов.
  Эффективность использования ТО во времени оценивается через коэффициент Кв:
 
  где Т - время производительного функционирования ТО;
  Тц - суммарное время цикла работы ТО;
  То - время простоев ТО, затрачиваемое на его подготовку к работе, устранение аварий, профилактику, плановые ремонты и т.п.
  Представим себе, что фирма купила дорогостоящий технический объект (металлообрабатывающий станок, электронную типографию, мусороуборочную машину). Ясно, что этот ТО должен как можно больше времени находиться в работе (Тр -> max; Кв -> 1), чтобы, соответственно, произвести больше продукции или выполнить больший объем услуг, поскольку сроки окупаемости капитальных затрат на его приобретение и размер прибыли от его эксплуатации определяются фактической величиной коэффициента использования Кв.
  Еще и сейчас выпускаются так называемые сезонные машины и агрегаты (например, сенокосилки, зерноуборочные комбайны, агрегаты для сбора чая), которые работают не более 1-2 месяцев в году в светлое время суток (Кв = 0,05 - 0,1). Не случайно, что в сельскохозяйственном машиностроении наблюдается тенденция отказа от большого набора автономных машин и перехода к созданию универсальных агрегатов с навесным и прицепным оборудованием.
  Коэффициент использования Кв учитывают не только на стадиях эксплуатации технических объектов, но и на стадиях их разработки и конструирования. При заранее известной продолжительности включения машин и механизмов можно повысить их кратковременные перегрузки, а за счет этого снизить их габариты, массу и стоимость.
  Эффективность использования ТО по загрузке оценивается по величине коэффициента Кз:
 
  где Рп - полезно используемая энергия (масса, информация);
  Ро - часть энергии (массы, информации), теряемой при ее транспортировке и расходуемой на собственные нужды технического объекта.
  Стремление к загрузке ТО до расчетной величины (Кз=1) обусловлено, прежде всего, экономическими соображениями. Например, если пассажирские лайнеры ТУ-134, в которых 84 посадочных места, будут курсировать рейсом "Самара - Санкт-Петербург" и обратно, имея на борту всего лишь 20-30 человек, то компания "Самарские авиалинии" понесет существенный финансовый ущерб, поскольку прибыль от продажи авиабилетов не окупит суммарных затрат на топливо, зарплату членов экипажей, услуги наземных служб аэропортов и прочие издержки.
  Что касается машин и промышленных установок (металлообрабатывающих станков, насосов, подъемников и т.п.), то они при малых величинах Кз имеют небольшие значения коэффициентов полезного действия и плохие эксплуатационные характеристики. В частности, недогруженные асинхронные электрические приводы кроме низких к.п.д. имеют малые коэффициенты мощности, большие реактивные токи и значительные потери энергии в статорных обмотках электродвигателей и питающих электрических сетях.
  Пример 4. При перемещении одного тела по поверхности другого возникает сила трения (F), препятствующая движению. Трение является следствием ряда причин, среди которых можно назвать две главные. Поверхности любых тел всегда имеют неровности, шероховатость. Во-первых, при движении одного тела по поверхности другого неровности обоих тел цепляются друг за друга. И, во-вторых, трущиеся тела так близко соприкасаются, что на их движение оказывает влияние молекулярное сцепление - взаимодействие молекул материала этих тел.
  Еще Кулон установил, что сила трения при взаимном движении двух тел, выполненных из конкретных материалов, пропорциональна нормальному (перпендикулярному к трущимся поверхностям) давлению N:
 
  где f - коэффициент трения, определяемый свойствами материала трущихся поверхностей, наличием и свойствами их смазки.
  Очевидно, что чем меньше значение f, тем меньше сила трения, тем меньше потерь энергии будет при перемещении одного тела по поверхности другого. А это очень важно для практики. Ведь сила трения вызывает энергию потерь, которая в основном затрачивается на нагрев трущихся поверхностей, а также (в меньшей мере) на механическую энергию срезания и смятия неровностей, что вызывает износ трущихся поверхностей. Отвод тепла из зоны соприкосновения (трения) трущихся поверхностей, равно как и их износ во время работы механизма - вечные и сложные технические проблемы. Поэтому конструкторы, технологи, изобретатели стремятся сделать коэффициент трения как можно меньшим (f-> min -> 0).
  Процесс эволюционного развития опор движущихся (вращающихся) стальных валов является убедительной иллюстрацией стремления многих поколений изобретателей и инженеров к идеальному техническому решению (f -> 0).
  Самый древний из радиальных подшипников - это "подшипник", в котором ось машины (телеги) вращалась в отверстии из дерева (вяза, дуба и т.п.). Коэффициент трения скольжения для пары "сталь-дерево" составляет порядка f = 0,2-0,25. Следующий тип - это подшипник, стальной вал которого вращается в бронзовой втулке. Здесь значение f намного меньше предыдущего и составляет порядка 0,02 - 0,08. Такие подшипники используются и по сей день: их можно встретить на колесах железнодорожных вагонов, на валах тяжелых поршневых компрессов. Правда, все они смазываются специальными маслами, за счет чего значение f у них значительно снижается по сравнению с сухим трением. Следующие два типа подшипников являются более экономичными, имеют меньшие потери на трение, поскольку у них другой вид трения - трение качения. Роликовые подшипники имеют коэффициент трения качения 0, 0025 - 0,01, шариковые подшипники - f = 0,001 - 0,004.
  Во второй половине нашего века были изобретены опоры для валов, имеющих большое число оборотов (50-100 тысяч в минуту), на так называемой воздушной подвеске. Ее смысл состоит в том, что в зону (в зазор) возможного соприкосновения вала машины и неподвижной опоры под большим давлением из ряда отверстий, расположенных по периметру опоры, подается сжатый воздух. Это вызывает зависание вращающегося вала в струе воздуха и колоссальное снижение потерь на трение (f < 0,0001).
  В последние десятилетия стали применять "подшипники", использующие эффект магнитной подвески. С этой целью вокруг вала машины располагают симметричный ряд электромагнитов, магнитное поле которых и удерживает вал машины в воздушном зазоре такого "подшипника". Эта конструкция имеет еще меньшее значение f, чем предыдущая, поскольку воздух в воздушном зазоре имеет нормальное давление.
  Пример 6. Ярким примером идеального технического решения может служить космический аппарат "Вояджер-2", запущенный в США в 1977 году с целью изучения планет Солнечной системы. Благодаря надежной работе всех систем (ракетных двигателей, источников энергопитания, систем навигации и управления, бортовых компьютеров, фотооптической аппаратуры), он за время своего еще продолжающегося полета проделал работу, поражающую воображение. Первоначально он предназначался для исследования только Юпитера и Сатурна, однако, позже, уже в полете, был перепрограммирован на исследование Урана, а затем и Нептуна - самой удаленной от Солнца планеты. Редчайшая возможность исследования за один, хотя и длительный, полет одним аппаратом четырех планет удалась потому, что они в это время находились в благоприятном взаимном расположении, которое бывает всего лишь раз в 176 лет. Это позволило космическому аппарату "катапультироваться" от одной планеты к другой за счет гравитации.
  Во время облетов аппаратом этих планет были сделаны многие тысячи снимков телескопическими фотоаппаратами с большой разрешающей способностью.
  Скорректировав программы бортового компьютера, осторожно задавая режим работы ракетных двигателей, группа управления полетом "Вояджера" с большой точностью привела "дряхлеющий" корабль к Нептуну через 12 лет после начала полета. Из сигналов мощностью менее десяти квадриллионных ватта, достигших Земли, ученым удалось получить захватывающее дух изображение [11]. Его расшифровка позволила обнаружить у Нептуна 6 новых спутников, определить строение и химический состав двух ранее известных спутников - Тритона и Нереиды; на целый час уточнить время одного оборота Нептуна вокруг своей оси.
  В настоящее время "Вояджер-2" продолжает свой полет на юг от Солнечной системы. Специалисты предполагают, что плутониевые источники энергии позволят сохранить его работоспособность примерно до 2015 года.
  Пример 7. В машиностроительных отраслях промышленности многих развитых стран мира, в том числе в России, широко используются гибкие производственные системы (ГПС). Их основу составляют так называемые обрабатывающие центры - совокупность металлообрабатывающих станков с программным управлением и программируемых роботов-манипуляторов. Каждый такой центр позволяет производить большое число технологических операций - точение, фрезерование, сверление, шлифование и т.д. С этой целью он снабжен "магазином" сменных режущих инструментов, заранее закрепленных на круговом транспортере. Станки обрабатывают детали с большой скоростью, с высокой точностью и надежностью. Роботы-манипуляторы переносят заготовки и готовые детали, вставляют их в автоматические зажимные патроны и укладывают в ящики-бункеры. Новые заготовки и заполненные ящики-бункеры доставляются тележками с дистанционным управлением. Все это связано единой системой электронного управления, которая задает программу каждому участку, показывает состояние дел на любом из них, контролирует и корректирует течение всего производственного процесса.
  В систему управления ГПС кроме центральной электронно-вычислительной машины встроены и локальные специализированные компьютеры. На базе ГПС комплектуются полностью автоматизированные участки, цеха и заводы.
  В заключение можно процитировать слова видного ученого в области системной методологии Рассела Акоффа, которые ярко и полно определяют цель и смысл поиска ИТР: "Человек вправе формулировать цели, достигнуть которых невозможно, но к которым можно приблизиться. Человек стремится к целям, позволяющим ему превращать решение любой задачи в средство для решения новой, еще более интересной задачи. Конечная цель в такой последовательности должна быть недосягаемой, чтобы этот процесс продолжался бесконечно. Цель, удовлетворяющая перечисленным требованиям, является идеалом" [4].
  Приведенные выше примеры подтверждают, что при целеустремленных и настойчивых поисках идеальных технических решений творческий человек всегда находит свежие и оригинальные идеи, новые технические решения, делает не только скромные, но и весьма значимые, пионерские изобретения и открытия. И, что не менее важно, это помогает человеку сделать свою жизнь и свой творческий труд более осмысленными и значимыми.
 4.3.9. Методология поиска и выбора наилучшего проектно-конструкторского решения
  При разработке любого технического объекта разработчику (предпринимателю-конструктору, изобретателю-энтузиасту, студенту или специалисту) приходиться решать целый ряд взаимосвязанных задач по поиску и выбору наилучшего проектно-конструкторского решения. С наименьшими трудозатратами и в более короткие сроки с такой работой можно справиться, если освоить и использовать методологию поиска и выбора, которая определяет методически целесообразные этапы разработки, их содержание и рациональную последовательность выполнения. Эта методология предусматривает разбивку всего процесса поиска и принятия решения на 6 следующих друг за другом этапов. На каждом из них решаются свои, логически и содержательно самостоятельные, многовариантные оптимизационные задачи.
  Этап 1. Обоснование потребностей и требований к качеству изделия. На этом этапе выявляются потребности в разработке и изготовлении нового изделия, которые оно может удовлетворить с наибольшей пользой для общества в целом, для фирмы и самого разработчика. Это может быть новая модель или новое поколение изделий, уже выпускаемых конкретной фирмой. Может быть выявлена потребность в разработке и выпуске усовершенствованных конструкций уже известных изделий, но которые фирма до сих пор не производила. И наконец, может быть удовлетворена принципиально новая потребность. Здесь же обосновываются и потребительские качества разрабатываемого изделия по производительности, надежности, экономичности, энергопотреблению и другим параметрам.
  Отметим, что задачи первого этапа относятся к области маркетинга и маркетинговых исследований. В литературе эти задачи еще называют задачами внешнего проектирования в отличие от задач внутреннего проектирования, которые решаются на последующих пяти этапах.
  Этап 2. Выбор физических операций и соответствующих технических функций. Одна и та же потребность может быть реализована с помощью множества (будем обозначать его символом О) альтернативных физических операций ФОО (1,п), из числа (п) которых разработчик выбирает наиболее перспективную.
  На этом этапе рассматриваются потоки вещества, энергии и сигналов на входе и выходе технического объекта, учитывается соблюдение условий и ограничений на эти потоки в процессе их преобразования как внутри ТО, так и при его взаимодействии с надсистемой и окружающей средой. Для каждого из n-рассматриваемых вариантов формулируется техническая функция, отражающая взаимосвязь потребительской функции ТО с реализуемой им физической операцией.
  Этап 3. Выбор функциональной структуры технического объекта. Для реализации одной и той же технической функции можно использовать множество альтернативных функциональных структур ФСО (1;т). Выбор функциональной (конструктивной и потоковой) структуры производится с позиций наилучшего удовлетворения принятой ранее потребительской функции, с учетом анализа известных либо из технической и патентной литературы, либо из описания аналогов и прототипов технических объектов рассматриваемого класса. Естественно, что из всех т-вариантов выбирается наиболее рациональная функциональная структура, определяющая функции основных элементов ТО и их взаимосвязи.
  Этап 4. Выбор физического принципа действия. На этом этапе разработка ТО ведется на физическом уровне: выбирают наиболее рациональные принципы действия отдельных элементов изделия с учетом всех, представляющих интерес, физических, химических, биологических и других эффектов. В конкретной потоковой функциональной структуре одни и те же элементы могут быть реализованы на основе различных физико-технических эффектов. Для каждого ФПД составляются свои списки требований, включающие условия и ограничения на выбор материалов, используемых при реализации физико-технических эффектов; ограничения по энергопотреблению, по информации и т.д. При этом в множестве ФПДО (1;р) синтезируется некоторое р-число физических принципов действия, из которых предстоит выбрать наиболее эффективный.
  Этап 5. Выбор технического решения. Один и тот же ФПД можно реализовать множеством практически реализуемых технических решений ТРО (I, к), из числа которых разработчику предстоит выбрать наилучшее. На этом этапе анализируется список дополнительных требований, предъявляемых к разрабатываемому изделию по габаритам, массе, форме, компоновке; по составу комплектующих изделий и применяемых материалов; по способам и средствам их соединения; по диагностике неисправностей, безопасности эксплуатации, себестоимости, патентоспособности.
  Этап 6. Выбор параметров технического объекта. На этом последнем этапе анализируются и выбираются оптимальные значения параметров ТО и параметров его отдельных элементов. Список параметров в множестве ПО (1;1) может быть большим и включать в себя надежность работы (минимальное число включений-отключений, минимальное число часов на наработку), предельные запасы прочности (для тиристоров - по току и обратным напряжениям), устойчивость функционирования, взаимозаменяемость, стандартизация и унификация конструктивных элементов, условия эксплуатации ТО при колебаниях температуры, влажности, давления атмосферы и т.п.
  Представленные на рис.4.8 этапы поиска и выбора наилучших технических решений, равно как и их иерархическая последовательность, имеют определенную идеализацию и условность.
  Во-первых, в реальной проектно-конструкторской и изобретательской деятельности решения двух-трех смежных задач (этапов) часто совмещаются.
  Во-вторых, в процессе проектирования и конструирования ТО на каком-то из этапов разработки может возникнуть тупиковая ситуация - несмотря на перебор соответствующих вариантов т, р, k, 1, не находится приемлемого решения. В таком случае разработчику приходится возвращаться к пересмотру ранее принятых .решений на предыдущих этапах ФО, ФС, ФПД или ТР (возможные итерации на рисунке показаны нижними стрелками).
  Существует следующая нелинейная закономерность: с повышением уровня задачи (от 6-го этапа к 1-му) успешность ее решения дает все более весомый технико-экономический эффект. Так, за счет научно обоснованного выбора оптимальных параметров ТО можно улучшить показатели его качества на 10-30% по сравнению с интуитивным методом принятия решений. За счет удачного выбора наилучшего технического решения вклад 5-го этапа в повышение качества и конкурентоспособности изделий можно довести до 30-50%. На третьем-пятом уровнях (выбор ФО, ФС, ФПД) показатели качества ТО могут быть улучшены в несколько раз. Elite больший эффект (по экономическим показателям) обеспечивает удачный выбор потребности ТО на 1-ом этапе маркетинговых исследований [И].
  Все шесть (перечисленных выше) типов задач поиска и выбора наилучших технических решений можно считать творческими, однако, наиболее ярко выраженную творческую направленность инжиниринга имеют задачи 3,4 и 5-го уровней.
 4.3.10. Эвристические методы и приемы решения творческих задач

<< Пред.           стр. 5 (из 9)           След. >>

Список литературы по разделу