Учебник по ТРИЗ

Используем ИКР применительно к такой области техники, как передача тепла на расстояние. Общеизвестно, что лучшие из доступных нам природных проводников тепла — это металлы. Особенно выделяются в этом плане медь, серебро, золото. Но и металлы передают тепло не так хорошо, как иногда этого бы хотелось. Например, передать значительный поток тепла по металлическому пруту длиной несколько метров будет достаточно сложно. Нагретый конец такого прутка может уже начать плавиться, а с противоположной стороны его вполне можно будет держать руками. Здесь вырисовывается интересная задача: как обеспечить переток значительной мощности через ограниченное сечение в условиях малых перепадов температур.

Сформулируем идеальный конечный результат в следующем виде: «Тепловой поток большой мощности сам проходит через пространство без потерь и при минимальной разности температур».

Такие устройства были созданы. Они получили название «тепловые трубы». Рассмотрим простейшую конструкцию подобного устройства.

Возьмем трубу, выполненную из теплостойкого материала (например, из стали). Выкачаем из нее воздух и введем внутрь некоторое количество жидкости — теплоносителя (рис. 4.1).

Рис. 4.1

Расположим трубу таким образом, чтобы ее нижний конец оказался в зоне нагрева, а верхний в зоне отвода тепла. Нагрев жидкости превратит ее в пар. Пар мгновенно заполнит весь объем и начнет конденсироваться на холодном торце. При этом будет отдана теплота, равная теплоте парообразования. (Ведь известно, что теплота парообразования равна теплоте, отдаваемой при конденсации пара) Капли, сконденсировавшиеся на верхней поверхности теплоносителя, будут падать вниз и вновь нагреваться. Такой «круговорот воды в природе» может переносить действительно очень большие мощности.

Как видно из этого описания процесса теплопереноса, тепловой поток действительно сам распространяется по объему тепловой трубы.

Рассмотрим теперь новую ситуацию с придуманным нами устройством. В предыдущем случае мы имели зону нагрева внизу, а съема тепла — вверху. Зададимся вопросом: что произойдет, если зона нагрева окажется вверху, а съем тепла будет производиться снизу (рис. 4.2)? Очевидно, что устройство перестанет работать. Для того чтобы оно заработало, надо, чтобы жидкость перед нагревом поднялась вверх.

Задача 4.1.: как обеспечить подьем теплоносителя к верхнему торцу трубы?

Рис. 4.2

Первое побуждение — поднять жидкость вверх с помощью специального устройства — например, насоса. Но построим ИКР. Мы можем применить этот оператор к трубе, к жидкости, к тепловому полю, к охлаждающему агенту. Важно при этом, чтобы формулировки были действительно построены до конца и полностью произнесены или записаны. Например:

ИКР: труба сама поднимает жидкость вверх, в зону нагрева, не мешая свободному распространению пара;

(вариант реализации: в теле трубы могут быть выполнены специальные каналы, по которым будет подниматься жидкость);

ИКР: жидкость сама поднимается в зону нагрева, не мешая свободному распространению пара;

(вариант реализации: можно ли так рассчитать параметры каналов, чтобы жидкость поднималась сама? Конечно, если они будут капиллярами);

ИКР: тепловое поле само поднимает жидкость в зону нагрева, не прекращая нагрева;

(вариант реализации: тепловое поле, распространяемое сверху, может выполнять полезную работу по подъему жидкости в зону нагрева).

Еще раз подчеркнем, что выполнение ИКР, то есть работы дополнительной для элемента, не должно мешать выполнению его полезных функций, и конечно же не должно мешать выполнению главной полезной функции всей системы. Выбор этого вспомогательного требования зависит от того, какую функцию выполняет выбранный элемент.

Кроме того, можно говорить о зоне внутри трубы, из которой выкачан воздух. Для нее мы тоже можем сформулировать ИКР, звучащий очень похоже на уже построенные. «Зона внутри трубы сама…» Есть и еще один объект — это тот самый насос, без которого мы хотим обойтись. Для того, чтобы обеспечить выполнение системой основной функции, может оказаться полезным предварительно ввести в систему новый элемент, просто для того, чтобы тут же постараться от него избавиться, оставив себе все его достоинства. В данном случае мы можем попробовать представить себе систему с насосом и согласно ИКР оставить в системе только рабочий орган насоса — например, его крыльчатку. И уже после этого потребовать от крыльчатки, чтобы она сама, без помощи двигателя и иных элементов поднимала жидкость — теплоноситель в зону нагрева.

Конечно, если мы выберем насос, работающий на ином принципе, например перистальтический, то требование будет предъявлено уже к иному рабочему органу. «Трубка сама пульсирует и поднимает жидкость наверх».

Вся совокупность построенных вариантов ИКР может и не определяться в рамках реального решения задачи. Но из сделанных построений виден общий принцип — ИКР обеспечивает концентрацию интеллектуальных усилий на выбранном элементе, заставляет человека, решающего задачу, искать в нем скрытые возможности.

Эффективным решением задачи о самостоятельном подъеме теплоносителя в зону нагрева при малых длинах трубки является использование капилляров. Кстати, капилляры также являются наиболее эффективным средством доставки теплоносителя в зону нагрева при использовании тепловой трубы в невесомости. Боковая поверхность трубки при этом выстилается слоем капиллярно-пористого вещества. Для труб с высокой рабочей температурой в качестве капилляров используется насечка на внутренней поверхности трубы.

Известно, что на поверхности тепловой трубы в рабочем режиме устанавливается (САМА!) постоянная температура. Это очень удобно для термостатирования, ведь в технике часто требуется обеспечить постоянство температурного поля, например, при сушке, при испытании серии приборов… С помощью тепловой трубы это реализуется довольно просто. Можно иметь на входе нагреватель с любой температурой, превышающей температуру испарения теплоносителя, и тепловая труба будет «срезать» все лишнее. Температура поверхности трубы будет зависеть только от соотношения интенсивностей подвода и отвода тепла и площадей теплообмена. Если процессы подвода и отвода тепла устоялись и равны площади поверхностей испарителя и конденсатора, то температура трубы равна половине суммы температур нагрева и конденсации.

Задача 4.2.: Рассмотрим работающую тепловую трубу. Она внешне не отличается от трубы неработающей. На испытательном стенде возникла задача: как определить, что тепловая труба вышла в рабочий режим. Поставим и эту задачу через формулирование ИКР, через определение требуемого результата. Конечно, для этого требуется понимать, что же происходит с трубой, когда она выходит на рабочий режим. Об этом могут сообщать ее элементы, находящиеся в измененном состоянии: в состоянии, связанном именно с тем, что тепловая труба устойчиво работает.

Что же происходит с элементами, когда тепловая труба работает? Вся поверхность корпуса имеет постоянную температуру. Капилляры заполнены жидкостью, поднимающейся вверх. Существует перепад давления между концами трубы. В зоне нагрева давление паров теплоносителя максимально, в зоне конденсации оно практически отсутствует. Нагретый теплоноситель, ставший паром, переносится от горячего конца в зону конденсации.

Все эти явления, которые мы можем назвать особенностями конкретной ситуации, могут сообщать нам о появлении нужного нам режима. На каждом из них можно сформулировать ИКР и построить на основе этих ИКР варианты возможных решений.

Один из вариантов, реализованный в лаборатории с целью проверки работоспособности тепловой трубы, состоял в том, что внутрь трубы был помещен обычный свисток (или упругая пластинка, которая колебалась в потоке пара и заставляла трубу звучать). Конечно, это решение в чем-то «идеально», а в чем-то и нет. Ведь в реальной установке этот способ, скорее всего, неприменим из-за дополнительного звукового фона. Но это «быстро внедряемое» решение обеспечило получение нужного знания с помощью подручных средств. Оно же дало еще одну задачу: как заставить свисток звучать только в требуемый момент. И здесь тоже ответ может подсказать оператор ИКР. Его можно сформулировать следующим образом.

«Свисток сам звучит только в момент, когда это необходимо оператору».

Построим еще более точную формулировку требования:

«Язычок свистка сам колеблется только в момент, когда это необходимо оператору».

Такое избирательное поведение может быть реализовано с помощью внешней силы, например, ввинчиваемого в боковую поверхность трубы стопора, заживающего язычок свистка.

Рассмотрим ситуации, в которых для поиска путей решения будет использоваться идеальность и основанный на ней оператор ИКР.

Задача 4.3.: Из металла изготавливаются небольшие металлические пустотелые шарики. Требуется, чтобы стенки шариков были равной толщины. Для обеспечения такого отбора можно создать сложное устройство бесконтактного контроля, а можно попробовать построить ИКР и искать решение на основе его формулировки.

Но сначала желательно определить, к какому из шариков предъявляется требование. Например, к шарику, в котором внутренняя полость расположена не центрально. Если так, то после этого уточнения требование определить значительно проще.

«Плохой» шарик сам отделяется от хороших шариков.

Более точно, то есть после рассмотрения природы явления на физическом уровне:

«Смещенный центр тяжести» шарика сам отделяет его от «хороших».

Возможный принцип решения: шарики поочередно должны скатываться по узкой линейке, установленной наклонно. Те из них, у которых центр масс расположен не в центре, будут отклоняться от прямолинейной траектории и падать с узкой дорожки. Разделение качественно изготовленных и бракованных шариков происходит при этом «само собой».

Задача 4.4.: Рассмотрим реальную ситуацию, описанную в книге М. Вертгеймера «Продуктивное мышление».

«Два мальчика играли в саду в бадминтон. Я мог видеть и слушать их из окна, хотя они меня не видели. Одному мальчику было 12 лет, другому — 10. Они сыграли несколько сетов. Младший был значительно слабее; он проиграл все партии.

Я частично слышал их разговор. Проигрывающий, назовем его „В“, становился все более и более грустным. У него не было никаких шансов. „А“ часто подавал так умело, что „В“ даже не мог отбить волан. Ситуация все более ухудшалась. Наконец „В“ бросил ракетку, сел на поваленное дерево и сказал: „Не буду больше играть“. „А“ пытался убедить его продолжать игру. „В“ не ответил. „А“ сел рядом с ним. Оба выглядели огорченными.

Здесь я прерываю рассказ, чтобы задать читателю вопрос: „Что бы вы предложили? Что бы вы сделали на месте старшего мальчика? Можете ли вы предложить что-нибудь разумное?“»

Попробуем решить эту нетехническую задачу (как сделать так, чтобы обоим игрокам хотелось играть и было интересно играть) с помощью оператора ИКР. Здесь также требуется четко поставить цель. Что бы мы хотели в конечном счете? Очевидно, что обоим игрокам должно быть интересно играть, даже несмотря на разницу в классе.

ИКР может звучать здесь следующим образом:

«Игрок „А“ сам помогает игроку „В“ отбивать мяч, не ухудшая своих показателей и не делая игру более скучной для себя».

Это может быть достигнуто, если оба игрока будут играть на один и тот же результат.

Целью игры также могло бы стать:

•стремление как можно дольше удержать волан в воздухе;

•необходимость для сильного игрока попасть в мишень воланом, который отобьет ему слабый игрок.

Или… сильный игрок мог бы играть левой рукой и т. д.

Уже сама формулировка цели в данном случае открывает возможности для ее достижения.

Задача 4.5.: Зимой водосточные трубы заполняются льдом. Весной лед начинает оттаивать, и возможны ситуации, когда ледяная пробка, подтаяв с внешней стороны и потеряв сцепление с трубой, летит вниз. Удар такой пробки о выступающие части трубы часто приводит к ее разрыву. Если же ледяная пробка падает на тротуар, то она может стать причиной травм находящихся вблизи людей. Выколачивание льда — дорогое и малоэффективное мероприятие. Как добиться того, чтобы пробки не падали вниз?

ИКР может быть обращен ко всем элементам, приведенным в данной задаче. Мы можем считать, что их всего два: лед и труба. Важным вопросом является формирование требования к этим элементам.

«Лед сам удерживается в трубе до момента полного таяния».

«Труба сама удерживает лед до момента его полного таяния».

Как можно видеть, в реальной ситуации труба и лед не держатся друг за друга до момента полного таяния (ведь нам приходится их об этом «просить»).

«Лед сам держится за трубу той своей частью, которая растает в последнюю очередь».

Возможный итог решения описан в одном из российских изобретений:

«Водосточная труба, включающая водосборную воронку, прикрепленную около ската крыши, колена обхода карниза и слива, отличающаяся тем, что, с целью создания защиты от повреждения падающим внутри трубы льдом, труба снабжена отрезком произвольно изогнутой проволоки, расположенной со стороны воронки внутри трубы и прикрепленной верхним концом к скату крыши» (рис. 4.3).

Рис. 4.3

В этом решении видно, что выполненное изменение — пропущенная внутри трубы проволока позволяет приблизиться к реализации ИКР, определенного для льда: лед сам удерживается внутри трубы до момента полного таяния.

Объекты техники имеют огромное количество свойств и характеристик, из которых в конкретных обстоятельствах человек почти всегда использует крайне незначительную часть. Этот запас свойств позволяет нам требовать от элементов системы чего-то нового и находить новые возможности их использования.

Можно констатировать, что идеальность — универсальный инструмент мыслительной деятельности.

Отличие идеальной технической системы от используемых в науке идеализаций состоит в том, что в науке модель приближают к реальному миру, а в технике реальный мир создают на основе модели. И если в науке к абсолютной истине можно только стремиться, никогда ее не достигая, то в технике можно сразу понять эту абсолютную для себя истину, то есть конечный предел, итоговое состояние объекта, но тоже стремиться к этому состоянию, к этой истине бесконечно. Выражаясь фигурально, техника дает нам возможность жить в мире мечтаний, делая их реальностью. И механизм работы с идеальными моделями, с ИКР является практическим инструментом реализации этих возможностей.

5. Вещественно-полевые ресурсы

Гасанов А. И.

Вспомним легенды древних греков о подвигах Геракла. В одной из них он пообещал царю Элиды Авгию очистить его огромные и сильно загрязненные конюшни, причем, сделать это собирался за один день. Выполнить эту работу вручную обычными способами было не по силам даже такому гиганту, как Геракл. Но он поступил по-изобретательски: нашел такие силы, которые помогли сдержать данное Авгию слово: разобрал стены конюшни и направил в них воды рек Алфея и Пенея, которые смыли все нечистоты, накопившиеся в конюшнях за долгие годы.

Как же охарактеризовать действия Геракла, a точнее тот прием, который он использовал для решения поставленной задачи? Сейчас мы сказали бы, что древнегреческий герой использовал мощный энергетический и вещественный ресурс, имевшийся в окружающей среде.

А вот пример отнюдь не из мифологии. Теплой водой в коровнике ополаскивают доильное оборудование. Водой горячее (40 °C) проводят санитарную обработку животных перед дойкой, а шестидесятиградусной — моют оборудование. Теплая и горячая вода поступает в коровник из котельной, работающей на жидком, твердом или газообразном топливе. От этой же котельной работает и агрегат для охлаждения парного молока. На охлаждение каждой тонны молока и нагрев воды расходуется почти 5 кг условного топлива. Но ведь парное молоко само имеет температуру 35 °C! Оказывается, теплоты парного молока вполне достаточно для приготовления не только теплой, но и горячей воды. Нужна лишь дополнительная специальная установка, которая и была разработана рядом институтов сельскохозяйственного машиностроения.

Если в примере с Гераклом использована энергия рек, т. е. ресурсы внешней среды, то в данном примере энергия для вспомогательных операций получена утилизацией теплоты самого главного продукта производства, который так или иначе все равно надо охлаждать. Теплота охлаждаемого молока как раз и есть ресурс для нагрева воды.

Мы уже не раз использовали термин «ресурс». Согласно толковому словарю, ресурс — это запас, накопление, возможности. Мы же далее будем понимать этот термин более широко: ресурс — это все, что без особых затрат может быть использовано во благо системы, для ее совершенствования.

Сам термин «вещественно-полевые ресурсы» впервые появился в тексте АРИЗ-85В. Однако очень скоро стало ясно, что понятие «вещественно-полевые ресурсы» (ВПР) — одно из фундаментальных понятий ТРИЗ, такое же, как уже знакомые нам противоречие, ИКР, веполь.

При решении задач по АРИЗ на этапе синтеза технического решения возникает необходимость в исходной модели задачи провести некоторые преобразования: ввести новые вещества и поля, либо изменить поля и вещества уже существующие в системе. Такие трансформации могут носить как физический характер (например, изменение агрегатного или фазового состояния веществ), так и быть изменениями характеристик пространственной структуры оперативной зоны объекта, в котором реализуется конфликт между его частями. Необходимые же преобразования в оперативной зоне по АРИЗ требуется совершить по отношению к некоторому икс-элементу, характер которого до поры, до времени неизвестен, а возможная его структура как раз и должна быть выявлена в процессе анализа задачи по шагам.

Анализ большого патентного материала, который, как и во всех других случаях, является основным исследовательским материалом в ТРИЗ, позволил разработать классификацию ВПР, существенно упрощающую работу с этим инструментом при решении изобретательских задач. Можно выделить следующие основные характеристики ресурсов: вид, количество, ценность, степень готовности к применению, источник.

По видам ресурсы можно разделить на энергетические, вещественные, пространственные, временные, функциональные, информационные, комбинированные.

К энергетическим ресурсам относятся все известные нам виды энергии и полей (электрические, электромагнитные, тепловые поля и т. д.), которые не подводятся к системе и не вырабатываются специально, а уже имеются в совершенствуемой системе или во внешней среде.

Приведем примеры:

Многие садоводы-любители для борьбы с вредителями пользуются опрыскивателем. Чаще всего в качестве энергетической установки при этом выступает сам человек, нагнетая давление в баллон с жидкостью. Точно так же поступает и автомобилист, накачивая шину колеса, хотя наверняка можно для этой цели приспособить и двигатель автомобиля.

Кстати, автомобиль, как источник разных, часто пока неиспользованных, видов энергии может быть объектом для поиска ВПР. Например, известно, что выхлопные газы выносят в атмосферу не только пары воды, диоксид углерода (углекислый газ) и некоторые вредные составляющие, но и неиспользованную тепловую и механическую энергию. Эту энергию можно заставить работать. Достаточно по специальным каналам направить выхлопные газы к турбинке и раскрутитъ ее до нескольких тысяч оборотов в минуту. Та, в свою очередь, приведет в действие небольшой воздушный компрессор, создающий дополнительное давление в воздухозаборнике, что и повысит мощность двигателя. Именно так и поступают при создании современных автомобилей с турбонаддувом.

Но выхлопные газы могут не только усиливать наддув двигателя, они способны подсушивать перевозимые грузы, перемешивать их. Могут они натянуть над автомобилем защитный тент, защитив и сам автомобиль и водителя от атмосферных осадков.

Под вещественными ресурсами будем понимать все материальные тела, которые есть в системе, надсистеме или внешней среде. Вот несколько примеров.

Для восстановления размеров деталей, например, изношенных венцов больших зубчатых колес экскаваторов, их помещают в специальную форму и с огромной силой сжимают нерабочие части венцов. Металл из этих частей выдавливается в зубцы, увеличивая их размеры. Затем лишний металл с контактных поверхностей зубчатых колес сошлифовывают. Практически также предложил поступать изобретатель Л. К. Нагорный при изготовлении составных прокатных валков: цилиндрическую гильзу надевают на ось с зазором, а затем ось сжимают с торцов, чтобы заполнить зазор. Вещественным ресурсом здесь является материал оси; изготовление валков значительно упрощается, поскольку не нужна точная обработка посадочных поверхностей (а.с. 833347).

Существенным для поиска вещественных ресурсов в системе является то, что вещества представляют собой многоуровневую иерархическую структуру, простирающуюся от элементарных частиц, через атомы, молекулы, их ассоциации, кристаллическую решетку к простейшим техновеществам (проволока, лист, шарик и т. д.), к объединению в ассоциации обработанных техновеществ, составляющих технические системы высокого уровня организации. Отсюда же ясно, что новое вещество в системе может быть получено как разрушением более крупной системы, например, разложением воды на молекулы водорода и кислорода, так и объединением уже существующих частиц более низкого уровня. При этом выгоднее разрушать «целые» частицы (молекулы, атомы), поскольку нецелые частицы (например, ионы) уже частично разрушены и сопротивляются дальнейшему разрушению. Достраивать же, наоборот, выгоднее нецелые частицы, стремящиеся к восстановлению

Под пространственными ресурсами будем понимать свободное пространство, «пустоту», которую можно использовать для изменения исходной системы или для повышения эффективности ее эксплуатации.

Во многих регионах мира, расположенных на берегах морей и океанов, возникают большие проблемы с питьевой водой. Воды рядом много, но использовать ее нельзя — она соленая! Необходимо не только создавать мощные опреснительные установки, но и строить большие хранилища для пресной воды. Швед К. Дункер предложил для хранения дождевой и питьевой воды использовать гигантские плавающие резервуары, представляющие собой не имеющие дна пластиковые контейнеры, нижний край которых с помощью грузил удерживается в вертикальном положении. Пресная вода (имеющая меньшую плотность) держится поверх соленой, не смешиваясь с ней. Чтобы избежать испарения пресной воды, предусматривается пластиковое же покрытие. Создание хранилищ такого объема на берегу было бы значительно сложнее и менее экономично.

Интересный пространственный ресурс нашли английские авиаторы. На взлетно-посадочной полосе, конструкцию которой запатентовали английские инженеры, готовят для взлета сразу несколько самолетов. Казалось бы, что это опасно. Однако разбегаться они будут по слегка искривленным (веерообразным) дорожкам длиной 600–900 м, а затем выходить на прямые участки и взлетать.

Ярким примером использования пространственного ресурса являются приемы перехода в другое измерение. В ряде стран уже широко практикуется не горизонтальное огородничество, а вертикальное, когда делянки с разными культурами в зависимости от степени развития растения размещают в вертикальной плоскости. При этом значительно облегчается уход за ними. Довольно близка к этому и идея использования крыш домов для устройства теплиц: и солнца, и воздуха — в достатке.

Мы часто говорим, что живем в пространстве и времени. Логично предположить, что помимо пространственных ресурсов, должны существовать и временные ресурсы. Что же можно к ним отнести? Это, во-первых, время до начала некоторого главного производственного процесса, и, во-вторых, промежутки между отдельными этапами производственного процесса. И те, и другие временные отрезки могут быть использованы для улучшения основного функционирования системы.

Пример на использование временного ресурса: если совместить процесс прокатки рельсов с их закалкой, то можно резко сократить расходы теплоты на повторный нагрев металла, необходимый для закалки.

Еще пример из другой отрасли.

Создан универсальный автомобильный разгрузчик. Он может многое: загружать семенами разные посевные агрегаты, смешивать удобрения, обслуживать картофелесажалки и, что особенно важно для сельского хозяйства, не имеет сезонных простоев. Летом разгрузчик используют на технологических операциях, а зимой — для вывоза сыпучих грузов.

Последний пример характеризует рациональный подход к проектированию техники, позволяющий ликвидировать ее простои за счет увеличения выполняемых ею функций.

Функциональные ресурсы. Это, по-видимому, возможность использовать известную функцию объекта по иному назначению, либо выявление новой функции в системе. Сюда же можно отнести и возможность системы выполнять по совместительству дополнительные функции после некоторых изменений. Приведем примеры таких ресурсов.

Для борьбы со сливной стружкой используют самые разнообразные способы — от стружколомающих канавок на резцах до механизмов мелкого трясения деталей станка. А вот изобретатели из Нижегородского технического университета предложили дробить стружку струей уже работающей в станке охлаждающей жидкости, создавая в ней импульсы давления с частотой в несколько десятков герц и давлением 5–15 МПа (а.с. 986600).

Но, как выясняется, этим не ограничиваются «изобретательские» возможности охлаждающей жидкости. Оказалось, что с легкой руки изобретателя Э. К. Асташенко она может сигнализировать и о поломке режущего инструмента (а. с. 776760). Струя, если инструмент сломался, стекает в небольшой резервуар на коромысле и, переполняя его, как чашу весов, другим концом коромысла выключает станок.

Перейдем к рассмотрению информационных ресурсов. Совершенно очевидно, что потребность в информационных ресурсах обычно возникает в задачах на разделение, обнаружение, измерение. Поэтому информационные ресурсы — это данные о параметрах вещества, полей, изменения свойств или параметров объекта. При этом, чем больше мы обнаружим отличий одного вещества от другого, тем эффективнее может оказаться их разделение. Вещества различают по разным параметрам: размерам, твердости, отражательной и преломляющей способности света, по магнитным, электрическим, химическим, биологическим и другим свойствам. Если различия в параметрах малы, то их усиливают, подвергая вещества воздействиям, при которых отличия увеличиваются.

Рассмотрим ряд решений, использующих информационные ресурсы.