б) эти силы не нужны или даже вредны. Почему? Видимо, чтобы они не тянули вслед за избыточным слоем полезный слой;

для рис. 11,б

а) для удаления лишних человечков нужны какие-то силы;

б) но эти силы вредны, ибо могут утащить и тех человечков, которые примыкают к поверхности цилиндра. На рисунке сразу видна важная особенность: частицы краски соединены между собой связями, притом разными. «Полезные» человечки держатся за поверхность, а «лишние» - друг за друга. Разная сила связи обозначает, что есть признак, по которому можно отличать «лишних» человечков от «полезных».

Если учесть, что даны два вещества (краска и цилиндр) и, следовательно, придется ввести поле, мы вплотную подойдем к решению задачи. Неэлектрическое (таковы условия задачи) поле должно отрывать «лишних» (удаленных от цилиндра) человечков и не должно отрывать «полезных» (ближайших к цилиндру).

Не используем ММЧ, так как задача несложная и метод способен «перемолоть» ее на полдороги.

3.5. ФП: а) выделенная зона внешней среды должна действовать на избыток краски, чтобы его удалять, и не должна действовать на избыток, чтобы он не потянул за собой полезный слой;

б) выделенная зона внешней среды должна быть и не должна быть.

4.1. Здесь явно требуется разделить противоречивые свойства в пространстве. Но как?

4.2. Задача класса 8: взаимодействуют два вещества, причем оба они плохо поддаются управлению (поэтому и плохо взаимодействуют). Решение: нужно ввести поле, которое по-разному действует на эти вещества

Какое именно поле? Электрическое поле отпадает по условиям задачи, магнитное поле - тоже (краска и цилиндр немагнитны, а вводить добавки запрещено. Гравитационное поле уже есть, но оно не дает нужного взаимодействия. Остаются два поля - тепловое и механическое. Тепловое поле может испортить краску, в механическом поле краску надо привести в движение, чтобы при этом удалился лишний слой. Механическое поле должно быть слабым у поверхности цилиндра и сильным в более далеких слоях краски. Рассмотрим приложение 3. Для данной задачи подходят п.п. 6, 7 и 12. Если рассматривать только механические эффекты, ответ очевиден: действуют центробежные силы. Цилиндр окунают в краску и вращают: центробежная сила сбрасывает лишнюю краску. Сбросом управляют, регулируя число оборотов. Одновременно можно обрабатывать много цилиндров (а с. № 242714).

Задача 34 может показаться легкой: цилиндры (банки!), краска - уровень XIX века... Удастся ли с той же легкостью управлять процессом решения современной сложной задачи? Что ж, возьмем современную задачу.

Задача 35

Для исследовательских целей нужно знать так называемую подвижность ионов в газах (скорость их направленного перемещения). Напряженность заданна, расстояние между электродами известно, нужно измерить время дрейфа ионов от электрода к электроду. Так и поступают. В фиксируемый момент времени вводят (у поверхности одного из электродов) ионы, а затем измеряют время их дрейфа под действием поля до другой точки (у другого электрода). Для определения подвижности ионов другого знака полярности меняются на противоположные.

Однажды потребовалось решить эту задачу при условии, что состав газа быстро (30 млс) меняется. Было и дополнительное требование: простота оборудования. Между тем с увеличением быстродействия появилась необходимость создать высоковольтные схемы синхронизации и запуска, на разработку которых нужно было затратить немало времени и сил.

Итак, за 30 млс нужно измерить продолжительность дрейфа ионов обоих знаков. Если проводить измерения последовательно, каждое из них придется выполнять максимум за 10-12 млс. Явно выгоднее проводить измерения одновременно. Задача так и была поставлена. Но проработка по оператору РВС, проведенная до анализа, заставила вернуться к принципу последовательных измерений. Мысленно увеличим размеры ионов: навстречу друг другу движутся противоположно заряженные теннисные шары. Еще увеличим размеры: на встречных курсах движутся противоположно заряженные планеты. Огромные заряды неизбежно вызовут взаимодействие планет. Но ведь подобное взаимодействие должно возникнуть и при сближении противоположно заряженных ионов! Оператор РВС заставил обратить внимание на обстоятельство, которое не было замечено при постановке задачи. Пришлось отказаться от принципа одновременного измерения подвижности ионов двух знаков. Пусть один ион пробежит дистанцию и мгновенно, без потерь времени сменится ионом другого знака. Мы избавляемся от помех, но, увы, проигрываем в дополнительном усложнении оборудования: нужно с величайшей точностью определить момент прибытия на «финиш» иона одного знака, чтобы тут же дать «старт» иону другого знака.

В задаче упомянуто шесть элементов: два электрода, два вида ионов, газ, электрическое поле. Что же взять в качестве конфликтующей пары? «Изделие» - ионы, инструмент - поле. Электроды остаются «вне игры» (как краскораспылитель в задаче 33 и камера в задаче 29).

Однако здесь мы впервые сталкиваемся с «электрической» спецификой задачи. Какой ион включить в конфликтующую пару - положительный или отрицательный? С отрицательного иона, когда он прибудет на «финиш», нужно будет «сдирать» лишние электроны, к положительному иону на финише придется «добавлять» недостающие электроны. В сущности та же ситуация, что и в задаче о краске: идти от «много», убирая избыток, или от «мало», добавляя то, чего недостает?

Когда задача 34 решалась впервые, взяли положительные ионы... и ни к чему не пришли. Потом взяли отрицательные ионы и получили новую идею. Сломать что-то (будь то дом, статуя, молекула или атом) легче, чем достроить - увы, таково правило. Хотя бы просто потому, что для постройки нужно привнести материал извне (его может не оказаться), а для разрушения дополнительного материала не нужно. «Увеличивать энтропию проще, чем уменьшать», - можно пользоваться и такой формулировкой.

Итак, конфликтующая пара «отрицательный ион - электрическое поле». Суть конфликта в том, что поле умеет гнать ион от электрода к электроду, но на «финише» поле без посторонней помощи не может заменить отрицательный ион положительным. На шаге 3.1 в качестве объекта возьмем поле (инструмент), тогда ИКР будет звучать так: «Поле само меняет знак отрицательного иона. сохраняя способность перемещать этот ион». Отчетливо видно ФП: «Поле должно ломать отрицательный ион, чтобы его нейтрализовать или превратить в положительный, и не должно ломать ион, чтобы он пробежал дистанцию». Столь же ясно просматривается и путь устранения ФП (шаг 4.1): разделение противоречивых свойств в пространстве.

На дистанции поле не должно ломать ионы, а у финиша поле должно быть иным - пусть ломает отрицательные ионы, пусть отбирает у них электроны (тогда из отрицательных ионов будут возникать положительные). Как это сделать? У нас уже была такая задача: в столбе воздуха не появлялись ионы (никто не изымал электроны у нейтральных молекул) при слабых полях (радиоволны) и происходила ионизация (шло изъятие электронов у нейтральных молекул) при появлении сильного поля (молния).

Итак, нужно неоднородное поле: у поверхности «финишного» электрода оно должно иметь местное усиление, своего рода «прибрежный риф», о который разобьется «ионный корабль», или гвоздь, на который натолкнется поднимающийся вверх воздушный шарик: натолкнется, лопнет... и пойдет вниз (уже в другом состоянии).

С точки зрения вепольного анализа модель задачи относится к классу 9: взаимодействуют поле и вещество, заменять эти элементы по условиям задачи нельзя (мы измеряем подвижность именно ионов и именно в электрическом поле); нужно обеспечить хорошее управление одним из элементов. Типовое вепольное преобразование: введение второго вещества, хорошо поддающегося управлению или превращающего поле П1 и П1. На «финишном» электроде должно быть вещество, которое превращает относительно слабое поле, общее для всей «дистанции», в местное сильное поле.

Итак, положительный электрод должен иметь «иглу» (или вообще только из иглы и состоять). Положительный потенциал надо подобрать так, чтобы напряженность у «иглы» была меньше начальной напряженности самостоятельного коронного разряда (такой разряд создал бы помехи), но больше критической напряженности, при которой распадаются отрицательные ионы. Вот, собственно, и все. В момент времени Т1, регистрируемый, например, с помощью электронного осциллографа, у внутренней поверхности отрицательного электрода создают сгусток отрицательных ионов, которые под действием поля начинают дрейфовать к положительному электроду. При подходе к нему ионы попадают в область сильного поля и там распадаются на электроды и нейтральные молекулы. Электроны ионизируют нейтральные молекулы газа, вызывая вспышку несамостоятельной положительной короны, в которой возникают положительные ионы.

Регистрируют момент времени Т2 образования этой вспышки, которая одновременно служит и индикатором поступления отрицательных ионов, и генератором положительных ионов, стартующих в момент времени Т2 в обратном направлении. Далее регистрируют момент времени Т3 прихода положительных ионов на отрицательный электрод и получают, таким образом, на одной осциллограмме три отметки времени, по которым определяют времена дрейфа отрицательных и положительных ионов.

Впрочем, это уже технические детали. Важно другое: решение такой задачи по АРИЗ не отличается от решения простых задач с банками, калькой или шлифовальным кругом. Лишь на самом последнем этапе - при переходе от физического решения к техническому - требуются специальные знания. Надо, например, знать, что распад отрицательных ионов может сопровождаться вспышкой. Пока это не отражено в таблице физических эффектов и явлений...

ЗАДАЧИ

Пять приведенных ниже задач надо решить по АРИЗ с шага 2.2 по 4.2. Основное внимание по-прежнему должно быть уделено ходу решения, точному выполнению шагов.

Задача 36

По трубопроводу перекачивают железорудную пульпу (взвесь железной руды в воде). Регулируют поток пульпы с помощью вентиля (задвижки). Но частицы руды, обладающие абразивными свойствами, быстро «съедают» задвижку. Как быть?

Задача 37

Существует способ групповой запайки ампул. 25 ампул, заполненных лекарством, устанавливают вертикально в гнездах металлического держателя (пять рядов по пять ампул). Сверху подводят групповую горелку (пять рядов по пять горелок). Над каждой ампулой оказывается горелка. Огонь запаивает капилляры ампул. К сожалению, способ имеет недостаток: пламя плохо регулируется. Оно то слишком большое, то слишком маленькое. Некоторые ампулы перегреваются, некоторые не запаиваются. Можно, конечно, пустить огонь на полную мощность. Тогда все ампулы запаяются, но в большинстве ампул от перегрева испортится лекарство. Можно, наоборот, пустить очень слабый огонь. Тогда ни в одной ампуле не испортится лекарство, но мнение ампулы не запаяются. Пробовали использовать перегородку - пластинку с дырками, прикрывающую ампулы. Однако если капилляры свободно проходят в дырки, то проходит и огонь. А если капилляры проходят в дырки без зазоров, сложно и долго вставлять ампулы в такую пластинку. К тому же она тоже нагревается и передаст тепло ампулам. Как быть?

Задача 38

Чтобы продемонстрировать равноускоренное движение под действием силы тяжести, используют наглядное пособие, состоящее из наклонной плоскости и скатывающейся по ней тележки. На тележке установлена капельница - сосуд с окрашенной жидкостью, вытекающей в виде отдельных капель через равные промежутки времени. Вдоль пути тележки укладывают бумажную ленту. Если тележка движется равномерно, расстояние между упавшими каплями на ленте одинаковое, если тележка движется ускоренно, расстояние между точками - каплями возрастает.

Чтобы продемонстрировать равноускоренное движение возможно нагляднее, нужно, чтобы на ленте было много капель - отметок, т. е. нужна очень длинная наклонная плоскость. Но длинная плоскость (даже складная, раздвижная и т. п.) неудобна.

Нужно сохранить схему прибора, но сделать так, чтобы при небольших размерах наклонной плоскости на ленте получилось побольше отметок. Увеличивать частоту падения капель нельзя - будем считать, что они и так падают одна за другой.

Задача 39

Известно и широко применяется нанесение покрытий на металлические поверхности (без тока) химическим способом. Его сущность состоит в том, что металлическое изделие помещают в ванну, заполненную горячим раствором соли металла (никеля, кобальта, палладия, золота, меди). Начинается реакция восстановления, и на поверхность изделия оседает металл из раствора.

Процесс проходит тем быстрее, чем выше температура. Но при высокой температуре раствор разлагается, металл выпадает в осадок на дно и на стенки ванны, раствор быстро теряет рабочие свойства, через два-три часа его приходится менять. До 75 % химикатов идут в отходы, это удорожает процесс. Применение стабилизирующих добавок не решает задачу. Как быть?

Задача 40

Информация из журнала «Изобретатель и рационализатор» (1976, № 6, с. 5): «Хорошее мясо тонет " - этот принцип положили в основу своего изобретения (а. с. № 485 380) Е. Г. Савран, Н. Ф. Панков и В. П. Стоянов из ВНИИ птицеперерабатывающей промышленности, предложившие таким образом студить о качестве мяса. Продукт последовательно погружают в раствор поваренной соли различной концентрации». Взяв это изобретение за прототип, сделайте следующее, более совершенное изобретение.

40 ОСНОВНЫХ ПРИЕМОВ

ЕСЛИ БЫ ДЕТЕКТИВЫ ЗНАЛИ...

Наверное, читателя уже трудно удивить парадоксальностью, присущей изобретательству. Но вот еще один парадокс: задача может быть трудна только потому, что она... проста.

Задача 41

Иностранная фирма выпускала химические продукты, в частности спирт, который отвозили на разные химические предприятия, в том числе на лакокрасочный завод, расположенный в пяти километрах от завода-изготовителя. Три-четыре раза в неделю приезжал грузовик, к нему прицепляли заполненную и опломбированную цистерну емкостью 10 м3, и грузовичок отвозил ее на лакокрасочный завод. Там спирт сливали, тщательно измеряя его количество, а цистерну возвращали заводу-изготовителю. С некоторого времени спирт стал исчезать: каждый раз обнаруживали недостачу в 15-20 л, а под рождество исчезло даже 30 л... Проверили дозирующую аппаратуру на заводе-изготовителе и заводе-получателе - все в порядке. Проверили цистерну - ни малейшей щелочки. Проверили пломбы у очередной цистерны, прибывшей на лакокрасочный завод, - все пломбы абсолютно целы... И снова недостает 20 л! Не так уж много, но ведь обид- но, да и опасно: не обнаружишь причину, исчезнут сотни литров...

Хозяин фирмы распорядился, чтобы цистерну везли в сопровождении охраны, - не помогло. Рассвирепевший хозяин нанял частных детективов, и те заняли наблюдательные посты на всем пути следования - не помогло...

Но однажды задачу удалось решить. Каков же, по вашему мнению, был ответ?

Решая эту задачу перебором вариантов, обычно начинают с «ревизии» условий: «А может быть, измерительная аппаратура была все-таки неточной?.. Или спирт испарялся из неплотно закрытой цистерны?.. Или шофер грузовика сговорился с охраной?..» Потом переходят к физике и химии: «Не мог ли спирт вступить в химическую реакцию с веществом, из которого сделаны стенки цистерны?.. Может быть, объем спирта менялся в связи с изменением атмосферного давления и внешней температуры?..» Между тем ответ очень прост, и, если бы приглашенные детективы знали типовые приемы устранения противоречий, они решили бы задачу, не устраивая слежки. Прием 10: действие, которое трудно совершить в данный момент, должно быть осуществлено до этого момента. Трудно похитить спирт из запечатанной и охраняемой цистерны, но никакого труда не представляет совершить это накануне, когда цистерна пуста и никем не охраняется: иди с ведром к пустой цистерне - никто не остановит... Злоумышленник так и делал: накануне он подвешивал ведро внутри пустой цистерны. На следующий день цистерну заполняли спиртом... и ведро тоже заполнялось. Потом цистерну везли на завод-получатель и сливали спирт. А заполненное ведро оставалось внутри цистерны. Когда пустая цистерна возвращалась на завод-изготовитель, охрана, естественно, снималась, и злоумышленник мог спокойно извлечь свою добычу.

Попытки составить списки приемов предпринимались давно. В некоторых списках было по 20-30 приемов. Но отбор производился субъективно, в списки попадали приемы, которые тому или иному автору почему-то казались важными. Да и само понятие «прием» не имело четкого определения: в списках могли соседствовать «дробление» и «аналогия», хотя первое относится к технической системе, а второе - к мышлению изобретателя.

Приемы, используемые в АРИЗ, - это операторы преобразования исходной технической системы (устройства) или исходного технического процесса (способа). Причем не любых преобразований, а только таких, которые достаточно сильны, чтобы устранить технические противоречия при решении современных изобретательских задач. Такие приемы можно выявить только путем анализа больших массивов патентной информации, относящейся (это очень важно!) не ко всем изобретательским решениям, а только к решениям высших уровней (с третьего и выше).

Работа по составлению списка таких приемов была начата еще на ранних этапах становления теории решения изобретательских задач. Число исследованных авторских свидетельств и патентов постоянно увеличивалось. Список, входящий в АРИЗ-71, включал уже 40 приемов. Для их выявления пришлось просмотреть массив патентной информации в сотни тысяч единиц и отобрать свыше 40 тыс. сильных решений, которые подвергались затем тщательному анализу.

Знакомясь с этими приемами, обратите внимание: многие из них включают подприемы, которые нередко образуют цепь, где каждый следующий подприем развивает предыдущий.

Пусть вас не смущают «несерьезные» названия некоторых приемов. Конечно, вместо «принцип матрешки» можно сказать «принцип концентрирующей интеграции». Суть одна, но «матрешка» запоминается с первого знакомства и навсегда. И еще одно соображение: приемы для наглядности и компактности пояснены простыми примерами, это не значит, что приемы годятся только для простых изобретений.

ИНСТРУМЕНТЫ ТВОРЧЕСТВА

Рассмотрим 40 основных приемов устранения технических противоречий.

1. Принцип дробления

а. Разделить объект на независимые части.

б. Выполнить объект разборным.

в. Увеличить степень дробления объекта.

П р и м е р. Грузовое судно разделено на однотипные секции. При необходимости корабль можно делать длиннее или короче.

2. Принцип вынесения

Отделить от объекта «мешающую» часть («мешающее» свойство) или, наоборот, выделить единственно нужную часть или нужное свойство.

В отличие от предыдущего приема, в котором речь шла о делении объекта на одинаковые части, здесь предлагается делить объект на разные части.

П р и м е р. Обычно на малых прогулочных судах и катерах электроэнергия для освещения и других нужд вырабатывается генератором, работающим от гребного двигателя. Для получения электроэнергии на стоянке приходится устанавливать вспомогательный электрогенератор с приводом от двигателя внутреннего сгорания. Двигатель, естественно, создает шум и вибрацию. Предложено разместить двигатель и генератор в отдельной капсуле, расположенной на некотором расстоянии от катера и соединенной с ним кабелем.

3. Принцип местного качества

а. Перейти от однородной структуры объекта или внешней среды (внешнего воздействия) к неоднородной.

б. Разные части объекта должны выполнять различные функции.

в. Каждая часть объекта должна находиться в условиях, наиболее благоприятных для ее работы.

П р и м е р. Для борьбы с пылью в горных выработках на инструменты (рабочие органы буровых и погрузочных машин) подают воду в виде конуса мелких капель. Чем мельче капли, тем лучше идет борьба с пылью, но мелкие капли легко образуют туман, это затрудняет работу. Решение: вокруг конуса мелких капель создают слой из крупных капель.

4. Принцип асимметрии

а. Перейти от симметричной формы объекта к асимметричной.

б. Если объект уже асимметричен, увеличить степень асимметрии.

П р и м е р. Противоударная автомобильная шина имеет одну боковину повышенной прочности - для лучшего сопротивления ударам о бордюрный камень тротуара.

5. Принцип объединения

а. Соединить однородные или предназначенные для смежных операций объекты.

б. Объединить во времени однородные или смежные операции. Пример. Сдвоенный микроскоп-тандем. Работу с манипулятором ведет один человек, а наблюдением и записью целиком занят второй.

6. Принцип универсальности

Объект выполняет несколько разных функций, благодаря чему отпадает необходимость в других объектах.

П р и м е р. Ручка для портфеля одновременно служит эспандером (а. с. № 187964).

7. Принцип «матрешки»

а. Один объект размещен внутри другого, 'который, в свою очередь, находится внутри третьего и т. д.

б. Один объект проходит сквозь полость в другом объекте.

П р и м е р. «Ультразвуковой концентратор упругих колебаний, состоящий из скрепленных между собой полуволновых отрезков, о т л и ч а ю щ и й с я тем, что с целью уменьшения длины концентратора и увеличения его устойчивости полуволновые отрезки выполнены в виде полых конусов, вставленных один в другой» (а.с. № 186 781). В а. с. № 462 315 абсолютно такое же решение использовано для уменьшения габаритов выходной секции трансформаторного пьезоэлемента. В устройстве для волочения металла по а. с. № 304 027 «матрешка» составлена из конусных волок.

8. Принцип антивеса

а. Компенсировать вес объекта соединением с другим объектом обладающим подъемной силой.

б. Компенсировать вес объекта взаимодействием со средой (преимущественно за счет аэро- и гидродинамических сил).

П р и м е р. «Центробежный тормозного типа регулятор числа оборотов роторного ветродвигателя, установленный на вертикальной оси ротора, отличающийся тем, что с целью поддержания скорости вращения ротора в малом интервале числа оборотов при сильном увеличении мощности грузы регулятора выполнены в виде лопастей, обеспечивающих аэродинамическое торможение» (а. с. № 167 784).

Интересно отметить, что в формуле изобретения четко отражено противоречие, преодолеваемое изобретением. При заданной силе ветра и заданной массе грузов получается определенное число оборотов. Чтобы его уменьшить (при возрастании силы ветра) нужно увеличить массу грузов. Но грузы вращаются, к ним трудно подобраться. И вот противоречие устранено тем, что грузам придана форма. создающая аэродинамическое торможение, т. е. грузы выполнены в виде крыла с отрицательным углом атаки.

Общая идея очевидна: если нужно менять массу движущегося тела, а массу менять нельзя по определенным соображениям, то телу надо придать форму крыла и, меняя наклон крыла к направлению движения, получать дополнительную силу, направленную в нужную сторону.

9. Принцип предварительного антидействия

Если по условиям задачи необходимо совершить какое-то действие, надо заранее совершить антидействие.

П р и м е р. «Способ резания чашечным резцом, вращающимся вокруг своей геометрической оси в процессе резания, отличающийся тем, что с целью предотвращения возникновения вибрации чашечный резец предварительно нагружают усилиями, близкими по величине и направленными противоположно усилиям, возникающим в процессе резания» (а. с. № 536866).

10. Принцип предварительного действия

а. Заранее выполнить требуемое действие (полностью или хотя бы частично).

б. Заранее расставить объекты так, чтобы они могли вступить в действие без затрат времени на доставку и с наиболее удобного места.

Примером может служить приведенное выше решение задачи 41.