Задача 1.10. Винтовка

Изобретение винтовки преследовало цель - улучшить результаты стрельбы. Поэтому в гладкоствольных мушкетах была сделана нарезка, а плотно пригнанная пуля скользила по ним. При этом заряжать винтовку стало гораздо сложнее и дольше - пулю приходилось забивать шомполом (раньше оружие заряжалось с дульной части).

Возникло углубленное (техническое) противоречие между точностью стрельбы (преимущества нарезов винтовки) и скорострельностью или удобством заряжания (преимущества гладкоствольного оружия - мушкетов).

В глубине этого углубленного противоречия лежат несколько обостренных (физических). Вот некоторые из них:

1. Чтобы повысить точность стрельбы, необходимы нарезы на внутренней поверхности ствола, а чтобы облегчить заряжание (повысить скорострельность), нарезы не нужны (внутреннюю поверхность ствола необходимо иметь гладкой).
2. Или - для увеличения скорострельности пуля должна не плотно прилегать к внутренней поверхности ствола, а для улучшения точности стрельбы пуля должна плотно прилегать к внутренней поверхности ствола и даже врезаться в нарезы.

Обратите внимание, что, эти обостренные противоречия составлены для разных частей системы (винтовки): 1 – для ствола, 2 – для пули.

В то время пуля оборачивалась просаленной материей (пластырем) и без особых усилий забивалась шомполом в ствол.

Затем выяснилось, что для увеличения точности и дальности стрельбы пуле необходимо придавать вращательное движение, при этом она более точно выдерживает заданное ей направление, так как становится более устойчивой. На внутренней поверхности ствола стали делать винтовые нарезы. Прежнее противоречие еще более обострилось, в связи с тем, что заряжать винтовку стало еще труднее.

Винтовка "в значительной мере превосходила гладкоствольный мушкет в отношении меткости... Вместе с тем, заряжание винтовки являлось делом сравнительно трудным. Забивание пули представляло довольно утомительную операцию; порох и завернутая в пластырь пуля вкладывались в ствол отдельно, и за одну минуту можно было сделать не более одного выстрела". Энгельс Ф. История винтовки. Маркс К., Энгельс Ф. Соч., изд. 2-е, т.15.- М.: Политиздат, 1959, с. 202.

.

В данном случае обостренное противоречие будет.

Нарезы должны быть винтовые, для повышения точности стрельбы, и не должны быть винтовые (должны быть прямые) для повышения скорострельности.

Вот еще одно из характерных обостренных противоречий:

"Старая винтовка, для того чтобы облегчить забивание пули, должна была быть короткой, настолько короткой, что она уже не подходила в качестве рукоятки для штыка". Энгельс Ф. История винтовки. Маркс К., Энгельс Ф. Соч., изд. 2-е, т.15.- М.: Политиздат, 1959, с. 203.

Ствол винтовки должен быть коротким, чтобы было легче забивать пулю, и должен быть длинным, чтобы служить рукояткой для штыка.

Противоречие было разрешено, когда был придуман затвор. Винтовка заряжалась с казенной части.

Теперь, рассмотрев различные противоречия, следует еще раз отметить, что решить сложную техническую задачу – значит улучшить необходимые показатели системы, не ухудшая другие. Осуществить это возможно путем выявления углубленного (технического) противоречия, определения причин, породивших его, или даже причины причин (выявление обостренного противоречия), и устранения этих причин, то есть разрешения обостренного (физического) противоречия.

Этап выявления обостренного противоречия представляет собой точную постановку задачи. Выявление обостренного противоречия при решении технических задач требует определенной направленности поиска, что возможно только при знании ответа. В реальной технической задаче ответ, безусловно, не известен.

Направленность в решении может быть достигнута ориентировкой на законы развития технических систем и, прежде всего, на закон увеличения степени идеальности технической системы [10][11].

[править] Идеальный конечный результат

Решение математических задач и задач "на сообразительность" часто выполняют методом "от противного". Суть метода заключается в том, что решать задачу начинают с конца. Определяют конечный результат - ответ. Уяснив его, "прокладывают" дорогу к началу, то есть решают задачу.

Заманчиво было бы и решение технических задач осуществлять аналогичным образом. Но как же узнать ответ?

Действительно, при решении технических задач ответ не известен, но можно пойти дальше... Можно представить идеал разрабатываемого устройства – идеальное устройство – идеальный конечный результат (ИКР).

ИКР - маяк, к которому следует стремиться при решении задачи.

ИКР - решение, которое мы хотели бы видеть в своих мечтах, выполняемое фантастическими существами или средствами (волшебная палочка). Например, дорога существует только там, где с ней соприкасаются колеса транспорта.

[править] Идеальная техническая система

Идеальная техническая система - это система, которой нет, а ее функции выполняются, т.е. цели достигаются без средств.

Рис. 13. Самосвал

ИКР транспортного средства - когда его нет, а груз транспортируется (груз сам передвигается в нужном направлении с необходимой скоростью). Достаточно много технических систем, в названии которых есть слово САМ. Например, самосвал (оригнальный вид самосвала, позволяющий почти самостоятельно опрокидывать кузов, показан на рис.13).

САМ – значит без непосредственного участия человека. Раньше этому способствовала механизация, теперь автоматизация и кибернетизация, в частности, компьютеризация. Стиральная машина САМА (по программе) выполняет необходимую работу. Компьютер САМ переводит текст, делает мультфильмы или проектирует те или иные объекты.

Об идеальных аппаратах мечтают и исследователи океанских глубин:

"Безусловно, уже давно люди понимали, что идеальным (выделил автор) был бы такой аппарат, который создавал бы на глубине "земные" условия. (Диомидов М.Н., Дмитриев А.Н. Покорение глубин. - Л.: Судостроение, 1969, с. 93).

Пример 1.1. Идеал спасательных средств на воде - непотопляемая лодка при любых погодных условиях. "... судостроительные фирмы ряда стран разработали конструкцию "непотопляемой" спасательной лодки, полностью герметичной и вмещающей в кубрик 35 человек, которые прикрепляют себя к сидениям спасательными ремнями. Лодка выполнена из прочного легкого материала и может без какого-либо вреда для пассажиров катапультировать с высоты 25 м. Даже уйдя под воду, она снова выплывает на поверхность, принимая нормальное положение. ("Непотопляемая лодка". Панорама, Наука и Техника, 1979, № 6, с. 34).

Одна из основных особенностей "идеального устройства" ("идеальной системы") та, что оно должно появляться только в тот момент, когда необходимо выполнять полезную работу, причем в это время система несет 100% расчетную нагрузку. Во все остальное время этой системы не должно существовать или она должна выполнять другую полезную работу. Это свойство давно нам знакомо из сказок - "Скатерть-самобранка" и т.д.

Рис. 14. Складной стол

Рис. 15. Надувное кресло

Много примеров можно привести и из жизни; все убирающиеся, складные (рис. 14) и надувные (рис. 15) предметы. Например, складная и приставная мебель (стол, кресло, диван, кровать и т.д.), надувные предметы (лодки, спасательные жилеты, матрасы, кресса, понтоны и т.д.)

Пример 1.2. Для спасения людей в случае аварийной посадки самолета на воду английские инженеры разработали спасательное устройство, представляющее собой понтоны, которые автоматически надуваются сжатым воздухом. ("Непотопляемая лодка". Панорама, Наука и Техника, 1979, № 6, с. 34).

Вторая особенность идеальной машины или идеального устройства, что его вообще нет, а работа, которую они должны выполнять, производится как бы сама собой (с помощью волшебной палочки).

Идеальный грузовик - это кузов, перемещающий груз. Все остальные части грузовика лишние, они необходимы только для достижения этой цели.

ИКР транспортного средства - когда его нет, а груз транспортируется (груз "сам" передвигается в нужном направлении с необходимой скоростью).

Приведем примеры на свойство идеальности.

Пример 1.3. "Автомобильные ремни безопасности необходимо периодически менять. Вызвано это опасениями, не ослаблен ли материал. Изобрели ленту, которая сама своим видом покажет, когда ее менять". (Изобретатель и Рационализатор, 1977, № 8, МИ 0801).

Пример 1.4. "На рисунок протектора наносят слой цветной краски и фиксируют километраж, пройденный автомобилем до истирания нанесенного слоя. Такой метод оценки изнашиваемости шин прост, пригоден при исследованиях долговечности новых типов и конструкций". Этот метод можно применять при контроле шин для их замены. (Изобретатель и Рационализатор, 1974, № 9, МИ 0946).

Пример 1.5. Оконные стекла необходимо мыть. Осуществлять эту операцию в цехах с высокими и большой площади окнами довольно сложно и трудоемко. Если цехи "остеклить" лавсановой пленкой, то при дуновении легкого ветерка пленка сама сбрасывает с себя пыль. Эта пленка прозрачна, легка, не боится паров плавикой кислоты. Для "остекления" окон такой пленкой можно использовать облегченные рамы.

Пример 1.6. Соприкосновение трущихся поверхностей, выполненных из стали, приводит к их износу, поэтому участок взаимодействия смазывают.

Польские специалисты утверждают, что любая сталь станет самосмазывающейся (ИКР), не потеряв своих лучших механических свойств, если к ней добавить 0,3% свинца. Можно повысить скорость резания, продлить срок службы инструмента. (Изобретатель и Рационализатор, 1975, № 2, МИ 0203).

Пример 1.7. В болтовых соединениях, для того чтобы гайка сама не отворачивалась в процессе эксплуатации, на болт наворачивают вторую (контр) гайку.

Идеалом в данном случае было бы "гайка сама себя закрепляет (контрит)". Сейчас уже существует немало разных конструкций самоконтрящихся гаек. Одна из них.

Рис. 16. Самоконтрящийся болт

Гайку надежно удерживают на месте расположенные по торцу зубцы с острыми кромками, которые направлены по касательной к резьбовому отверстию и имеют наклон 7-10°. Такое решение позволяет применять самоконтрящиеся гайки многократно. При этом на 30% уменьшается сроки монтажа и демонтажа, повышается надежность соединений и сокращается номенклатура крепежа. Такая гайка особенно необходима для тех соединений, которые испытывают различные по характеру нагрузки. (Социалистическая Индустрия, № 170 (3062), 26.07.79. с.4 "Самоконтрящаяся гайка").

В случае болтовых соединений без гайки контрится должен САМ болт "...на торцевой поверхности головки (в данном случае болта, но может быть и гайка), обращенной к соединяемой детали, выполнены концентричные заостренные кольцевые выступы (рис. 16)". (А.с. № 297812, БИ, 1971, № 10. с.124).

Стремление к идеалу – общая тенденция развития технических систем.

Рис. 17. Танкер

В транспортных средствах эта тенденция проявляется, в частности, в неуклонном повышении доли использования ими полезного веса. Этим объясняется увеличение водоизмещения судов, особенно танкеров. (Логачев С.И. Морские танкеры. - Л.: Судостроение, 1970, с.28).

Пример 1.8. Танкер водоизмещением 3000 тонн полезно использует 57% своего водоизмещения, а танкер водоизмещением более 200000 тонн - 86% (рис. 17). (Логачев С.И. Морские танкеры. 1970, с.42-43), таким образом, приближаясь к идеалу.

Пример 1.9. "Обработка деталей абразивными кругами сопровождается повышением температуры в зоне контакта, которая отрицательно воздействует на поверхностный слой детали, повышает износ самого круга".

ИКР в данном случае – круг сам предохраняет деталь и себя от перегрева.

"В Запорожском машиностроительном институте разработаны шлифовальные круги, состоящие из традиционных компонентов, но в своем составе имеющие эндотермическую добавку. При высоких температурах шлифования она разлагается с поглощением тепла и уносит его из зоны обработки". (Против тепла. Социалистическая Индустрия, 27.03.75).

Интересно отметить, что стремление к идеалу присуще не только технической системе в целом, но я отдельным ее частям и процессам, происходящим в них.

[править] Идеальное вещество

Идеальное вещество - вещества нет, а функции его (прочность, непроницаемость и т.д.) остаются. Именно поэтому в современных судах тенденция использовать все более легкие и более прочные материалы, то есть материалы с все большей удельной прочностью и жесткостью.

Задача 1.9. Мощные транзисторы (продолжение).

Определим идеальный конечный результат в задаче об мощных транзисторах. ИКР радиатора (теплоотвода) – отсутствующий радиатор, обеспечивающий полный отвод тепла от транзистора.

Радиатора не должно быть, а тепло должно отводиться самим транзистором, либо радиатор должен появляться только при начинающемся перегреве транзистора, либо радиатор должен быть вынесен за пределы данной радиоэлектроаппаратуры (РЭА), либо роль радиатора должен выполнять какой-то другой элемент. Таким образом, задаются направления решения.

В первом направление, следует идти по пути создания транзистора без потерь энергии, чтобы не вставала задача отвода тепла. Это направление самое трудное и, как правило, для разработки РЭА не пригодное.

Вполне приемлемо второе направление, ибо можно создать теплопроводник с лепестками из никелида титана (нитинола) - материала, обладающего эффектом памяти формы. (А.с. № 958 837). При нормальной температуре лепестки прижаты к транзистору, а при повышении температуры за пределы допустимой, они отгибаются, увеличивая площадь теплоотвода.

Вынесение теплоотвода за пределы РЭА – третье направление - реализуется достаточно просто путем размещения радиатора вместе с транзистором на наружной стенке блока, как это сделано в измерительных приборах: цифровых вольтметрах и частотомерах. Или же можно использовать тепловую трубу, позволяющую отвести локально выделяемое тепло на значительное расстояние от его источника.

Использование имеющихся в блоке элементов для отвода тепла (четвертое направление) - решение аналогично радиоэлектронному модулю, содержащему кроме теплонагруженных полупроводниковых приборов, элементы с теплопроводными корпусами, например, электромагнитное реле, выполняющие свои функции. (А.с. № 847 537). Для сокращения габаритов модуля реле расположены в два ряда, а между рядами размещены теплонагруженные элементы с возможностью теплового контакта с теплопроводными корпусами реле.

Пример 1.10. Идеальный корпус подводного аппарата должен иметь минимальную относительную массу, что в первую очередь обеспечивается качествами материала: его малой плотностью, большими удельными прочностью и жесткостью, представляющими соответственно отношения предела текучести и модуля упругости к плотности материала. (Дмитриев А.Н. Проектирование подводных аппаратов. - Л: Судостроение, 1978, с.72).

Поэтому корпуса современных подводных аппаратов изготовляют из титана. Он обладает высокими механическими свойствами, коррозионной стойкостью в морской воде и немагнитностью. (Дмитриев А.Н. Проектирование подводных аппаратов. с. 75).

[править] Идеальная форма

В некоторых случаях можно говорить и об идеальной форме.

Идеальная форма - обеспечивает максимум полезного эффекта, например, прочность, при минимуме используемого материала.

Пример 1.11. Для подводного аппарата идеальная форма прочного корпуса - сфера. Она "обладает высокой устойчивостью и небольшой плотностью. У сферического корпуса минимальное отношение площади поверхности к объему...". (Дмитриев А.Н. Проектирование подводных аппаратов. с.69).

[править] Идеальный процесс

Идеальный процесс - получение результатов без процесса, то есть мгновенно. Сокращение процесса изготовления изделий - цель любой прогрессивной технологии.

Так, секционный способ сборки судов заменен более прогрессивным - блочным. При секционном способе сначала на стапеле из отдельных секций (палубных, бортовых, днищевых и т.д.) собирали корпус судна, а затем вели монтаж оборудования. Блочный способ сборки заключается в том, что на стапель подают блоки, представляющие собой крупные объемные части судна с вмонтированным оборудованием. Блоки собирают в сборочном цехе из отдельных секций. Тут же устанавливают необходимое оборудование. Таким образом, на стапеле остается только состыковать отдельные блоки.

Постоянная борьба за повышение скорости транспортировки груза также характеризует тенденцию стремления к идеальному процессу. Увеличение скорости транспортировки груза добиваются неуклонным ростом скорости транспортных средств и сокращением времени на погрузочно-разгрузочные операции.

Пример 1.12. Средняя скорость судов-контейнеровозов с 1960 г. по 1975 г. возросла с 15 до 25 узлов. (Логачев С.И. Транспортные суда будущего. Пути развития. - Л.: Судостроение, 1976, с.99). Снижение времени погрузочно-разгрузочных операций в морском флоте обеспечивается средствами, приближающимися к идеалу. Это суда с горизонтальным способом разгрузки типа "ро-ро" (трейлеровоз), на них груз "сам" въезжает на судно и выезжает с него на колесиках; на лихтеровозах (судах-баржах) груз "сам" плывет к судну и от него к месту назначения (своего рода "вагончики). (Логачев С.И. Транспортные суда будущего. с.42-67).

Более идеально, когда устраняется не только средство, но и сама работа (процесс), и даже функция становится ненужной.

Рассмотрим в качестве примера процесс мытья посуды.

Пример 1.13. Раньше посуду мыли вручную. Особо грязные места приходилось долго оттирать щеткой. При этом полированная посуда царапалась. Затем развитие этого процесса осуществлялось в нескольких направлениях. Например, появились различные моющие средства, убыстряющие и улучшающие процесс мытья. После нанесения таких средств нужно только смыть грязь. Появились посудомоечные машины. Появилась и одноразовая посуда. В последнем случае не нужен ни процесс мытья, ни сама функция – очистка посуды. Таким образом, процесс мытья стал идеальным – он перестал существовать.

Рассмотрим еще одно проявление идеальности характерное для технических систем из хайтека.

Пример 1.14. Осциллограф – прибор, показывающий сигнал и его изменение во времени. Идеального осциллографа быть не должно, а его функция (показ вида сигнала) должна быть. Т.е. показывать сигнал без прибора. Функцию осциллографа перенесли на компьютер. Программа должна выполнять все функции: аналого-цифровое преобразование, показ вида сигнала и его запись. В дальнейшем подобное решение использовали в модеме. Первоначально модем представлял собой сложное устройство, теперь это программа.

Это тенденция замены прибора программой или переход от вещественных объектов к виртуальным.

Идеальное решение, конечно, получить почти невозможно. ИКР - это эталон, к которому следует стремиться. Близость полученного решения к ИКРу и определяет качество решения.

Сравнивая реальное решение с ИКРом, определяем противоречие. Таким образом, ИКР - инструмент, необходимый для выявления противоречия и для оценки качества решения.

Следовательно, ИКР служит своего рода "путеводной звездой" при решении технических задач.

[править] Основная линия решения задач по АРИЗ

Рассмотрев основные понятия АРИЗ - ИКР, углубленное и обостренное противоречия - мы легко себе можем представить этапы точной формулировки технической задачи. Окончательно основную линию решения задач по АРИЗ можно представить в следующем виде:

С точки зрения АРИЗ задача точно сформулирована, когда выявлены ПП, УП, ИКР, ОП согласно приведенной цепочке.

Для формулировки всех ее звеньев, прежде всего, выявляют, чем не устраивает "задачедателя" данная система (поверхностное противоречие - ПП), и что в ней плохого (нежелательный эффект). Какие надо предъявить к системе требования.

Так определяется углубленное противоречие (УП). Затем систему представляют таким образом, что в ней отсутствует нежелательный эффект, но сохраняются имеющиеся положительные качества. Результатом такого представления системы является формулировка идеального конечного результата - ИКР. После сравнения существующей ситуации и ИКР выявляют помехи к достижению идеального результата, ищутся причины возникновения помех и определяют противоречивые свойства, предъявляемые к определенной части системы (оперативной зоны), не удовлетворяющие требованиям ИКР. Таким образом, формулируется обостренное противоречие (ОП), которое и представляет собой точную формулировку задачи.

Последовательность, описанная выше характерна для основных модификаций АРИЗ. Развитие АРИЗ идет в направлении формализации и детализации описанной последовательности, углубленного использования законов развития технических систем и информационного фонда. Модификация алгоритма решения изобретательских задач АРИЗ-85-В приведена в [4,5][12].

Не нашли, что искали? Воспользуйтесь поиском: