Законы развития систем триз. Система законов развития техники (основы теории развития технических систем). Согласование-рассогласование ритмики работы

Приложение 5

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

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

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

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

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

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

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

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

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

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

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

Тоже именно мы увидим, если будем углубляться в надсистему.

Кратко проследим основные этапы возникновения и развития частей технической системы.

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

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

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

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

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

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

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

Остался последний вопрос: зачем все это необходимо знать?

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

Закон полноты частей системы был разработан автором ТРИЗ Г.С. Альтшуллером. Он выглядит так:

1) отдельные элементы машины, механизма, процесса всегда находятся в тесной взаимосвязи;

2) развитие происходит неравномерно: одни элементы обгоняют в своем развитии другие. отстающие;

3) планомерное развитие системы (машины, механизма, процесса0 оказывается возможных до тех пор, пока не возникнут и не обострятся противоречия между более совершенными элементами системы и отстающими ее частями;

4) это противоречие является тормозом общего развития всей системы. Устранение возникшего противоречия и есть изобретение;

5) Коренное изменение одной части системы вызывает необходимость для функционально обусловленных изменений в других ее частях.

Многим дизайнерам не совсем понятно, каким образом ТРИЗ (теория решения изобретательских задач) Генриха Альтшуллера можно применять в работе. Альтшуллер написал книгу ТРИЗ — Найти идею. Но книга сложная, техническая и для дизайнера не адаптированная.

Я постарался адаптировать приёмы, законы и саму теорию именно для дизайнеров. Вы увидите как на основе законов развития технических систем (не нужно боятся этого термина, он вовсе не такой технический, каким кажется) можно прогнозировать развитие интерфейсов. Почему интерфейсов? Всё просто, дизайнерская задача — это сути создание интерфейса, интерфейса системы.

Давайте вместе прочитаем статью, сделаем выводы, а может и приведём свои примеры. Так интересней!
Поехали:)

ТРИЗ для дизайнера
Давайте сегодня попытаемся разобраться, как работает теория изобретательских задач Генриха Альтшуллера (ТРИЗ).

Вся наша техническая цивилизация держится на изобретениях, сделанных методом проб и ошибок. Столетиями укоренялось представление, что других методов нет. Творчество воспринималось как решение задач путём перебора, в слепую. Как следствие, творчество ассоциировали с озарением, интуицией, счастливым случаем.

Альтшуллер проанализировал свыше 40 000 патентов и пришёл к выводу, что все технические системы (ТС) развиваются закономерно. Все ТС развиваются на основе законов, которые базируются все основные механизмы решения изобретательских задач.

Законы достаточно просты, несмотря на их кажущую сложность. Вот они:
Статика — критерии жизнеспособности новых ТС
1. Закон минимальной работоспособности основных частей ТС
2. Закон сквозного прохода энергии через систему к её рабочему органу
3. Закон согласования ритмики частей ТС

Кинематика — характеризует направление развития независимо от технических и физических механизмов этого развития
4. Закон увеличения степени идеальности ТС
5. Закон увеличения степени динамичности ТС
6. Закон неравномерности развития частей ТС
7. Закон перехода в надсистему

Динамика — отражает тенденции развития современных систем
8. Закон увеличения управляемости (вепольности)
9. Закон увеличения степени дробления (дисперсности) рабочих органов ТС

Вкратце опишем их и на примерах поглядим как это работает.

1. Закон минимальной работоспособности основных частей ТС
Необходимым условием жизнеспособности ТС является наличие и минимальная работоспособность основных частей система.

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

Двигатель — элемент ТС, являющийся преобразователем энергии, необходимой для выполнения требуемой функции. Источник энергии может находиться либо в системе (бензин в баке), либо в надсистеме (электроэнергия из внешней сети).

Трансмиссия — элемент, передающий энергию от двигателя к рабочему органу с преобразованием её качественных характеристик.

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

Средство управления — элемент, регулирующий поток энергии к частям ТС и согласующий их работу во времени и пространстве.

Пример основных частей ТС:
Фрезерный станок.
Рабочий орган — фреза.
Двигатель — электродвигатель станка.
Трансмиссия — всё, что находится между электродвигателем и фрезой.
Средство управления — человек-оператор, рукоятки и кнопки или программное управление.

Ещё пример:
CMS.
Рабочий орган — интерфейс
Двигатель — сервер
Трансмиссия — программный код
Средство управления — элементы интерфейса, предоставляющие инструменты для добавления, редактирования, удаления информации на сайте.

2. Закон сквозного прохода энергии через систему к её рабочему органу
Любая система для своего нормального функционирования, должна следовать закону сквозного прохода энергии. Это означает, что система должна не только получать энергию, но и видоизменяя пропускать ее через себя и отдавать в окружающую среду, для совершения полезного действия.

Если этого нет, система не работает, или, что более опасно, разрушается от перенапряжения, как разрушается паровой котел, когда приготовляемый в нем пар не используется.

Любая ТС является проводником и преобразователем энергии. Если энергия не будет проходить сквозь всю систему, то какая-то часть ТС не будет получать энергию, значит не будет и работать.

3. Закон согласования ритмики частей ТС
Согласование ритмики работы частей системы используют для того, чтобы добиться максимальных параметров ТС, наилучшей энергетической проводимости всех частей системы.

Части ТС должны согласовываться с функцией системы.

Пример:
Если главная функция — разрушить пласт, то вполне естественным будет использовать резонанс с целью сокращения расхода энергии. Согласование выражается в совпадении частот.

Из трёх этих законов можно вынести главное знание — это понимание того, что такое работоспособная система .

Дизайнеры думают, что их труд — самый важный в проекте. Ведь для пользователя системы продукт — это интерфейс системы, с ней он непосредственно работает. Именно от качественного интерфейса, от удобного и красивого интерфейса будет зависеть общий успех продукта.

Программисты думают — если ничего не будет работать, то никакой интерфейс не спасёт неработающую систему.

Успешность проекта не сильно зависит от качественного интерфейса, качества кода, красоты кнопок и вёрстки по сетке. В этом легко убедиться: в мире огромное количество страшных, неудобных, непродуманных вещей, которыми пользуются и которые имеют огромный коммерческий успех.

Происходит это, потому что успешность определяется лишь общей работоспособностью системы, а качественный интерфейс, эстетика и пр. могут лишь повысить КПД системы. Т. е. по сути являются довеском.

Работоспособность ТС удобно рассматривать в терминах веполей (см. 8. Закон увеличения управляемости). В основе работоспособной системы обязательно лежит полный веполь — веполь является схемой минимальной ТС.

Пример:
Почему одноклассники очень популярны среди взрослого населения, хотя там была платная регистрация, плохой интерфейс, дополнительные платные услуги? Дело в том, что веполь этой системы полный. Система выполняет главную задачу — позволяет найти друзей, одноклассников, коллег, с которыми не виделись много лет и общаться с ними, выложить фотки, проголосовать за них, поиграть в игры.

4. Закон увеличения степени идеальности ТС.
Все системы стремятся к идеальности, это универсальный закон. Система идеальна, если её нет, а функция осуществляется.

Казалось бы, все мы привыкли отвинчивать и завинчивать пробку бензобака — так вот, Ford постепенно внедряет на своих моделях горловину без отдельной крышки. Она закрывается самим лючком. Так что никаких хлопот с тем, куда ее девать, и нулевая вероятность потерять ее или забыть.
Идеальная крышка бензобака — это когда крышки нет, но функция крышки выполняется. В нашем примере эту функцию выполняет люк.

Пример из мира интерфейсов:
Идеальная система сохранения документов в текстовом редакторе — это её отсутствие, а функция должна выполняться. Что для этого нужно? Автоматическое сохранение и бесконечная отмена.

В жизни идеальная система редко достижима полностью, скорее она служит ориентиром.

5. Закон увеличения степени динамичности ТС
Динамизация — универсальный закон. Определяет направление развития всех ТС и позволяет решать некоторые изобретательские задачи. Зная закон увеличения степени динамичности, можно прогнозировать развитие ТС.

Пример из промышленного мира:
Рама первых велосипедов была жёсткой. Современные горные велосипеды оснащаются амортизационной вилкой и часто амортизационной задней подвеской.

Пример из веба:
В 90-х годах сайты были статичными. HTML-страницы хранились в виде html-файлов на сервере. Современные CMS-системы генерируют html-страницы динамично и хранятся в базе данных системы.

6. Закон неравномерности развития частей ТС
Развитие частей системы идёт неравномерно, чем сложнее система, тем неравномерное развитие её частей.

Пример из мира интерфейсов:
Разработчики многих программ или сайтов много времени уделяют быстроте выполнения операций, увеличению количества функций системы, но мало или почти не уделяют интерфейсу системы. Как следствие системой неудобно или сложно пользоваться.

7. Закон перехода в надсистему
Исчерпав ресурсы развития, система объединяется с другой системой, образуя новую, более сложную систему. Переход осуществляется по логике моносистема — бисистема — полисистема. Это неизбежный этап в истории всех ТС.

Переход моносистемы в би- или полисистему даёт новые свойста, хотя и усложняет систему. Но новые свойства окупают усложнения. Переход к полисистемам — эволюционный этап развития, при котором приобретение новых качеств происходит только за счёт количественных показателей.

Пример из мира промышленного дизайна:
Двухмоторный самолёт (бисистема) надёжней одномоторного (моносистема) и обладает большей маневренностью (новое качество).

Пример из мира интерфейсов:
Система 1С-Битрикс объединилась с другой родственной системой 1С-Предприятие, что позволило выгружать на сайт 1С-Битрикс каталог товаров и прайс-лист из 1С-Предприятие (новое качество).

На каком-то этапе развития в полисистеме начинают появляться сбои. Упряжка из более чем двенадцати лошадей становится неуправляемой, самолёт с двадцатью моторами требует многократного увеличения экипажа и трудноуправляем. Возможности полисистемы исчерпались.
Что дальше? Дальше — полисистема становится моносистемой, но на качественно новом уровне. При этом новый уровень возникает только при условии повышения динамизации частей системы, в первую очередь рабочего органа. Процесс будет повторяться неоднократно.

Пример:
Велосипедный ключ. Когда динамизировался его рабочий орган, т. е. губки стали подвижными, появился разводной ключ. Он стал моносистемой, но в тоже время способным работать со многими размерами болтов и гаек.

8. Закон увеличения управляемости (вепольности)
Отражает тенденции развития современных систем. Развитие ТС идёт в направление увеличения управляемости:
— увеличивается количество управляемых связей
— простые веполи переходят в сложные
— в веполи вводят вещества и поля, которые позволяют без существенного усложнения реализовать новые эффекты, расширить функциональные возможности и тем самым повысить
степень её идеальности.

Веполь — от вещество и поле.
Общий приём такой — имеется некоторое вещество, не поддающееся управлению (измерению, обработке). Чтобы управлять веществом вводят поле (электромагнитное, тепловое и т. д.).

Для построения минимальной технической системы нужны 2 вещества и поле.
Записывая задачи в вепольной форме, мы отбрасываем всё несущественное, выделяя причины возникновения задачи, т. е. болезни ТС, например недостроенность веполя.

Пример из промышленного дизайна:
Клиенты банков жалуются на списание средств с их картсчёта по несовершенными ими операциям. Банки терпят репутационные и финансовые издержки. Как быть?

Имеется плохо управляемое вещество — банкомат ().
Для защиты от скиммингового устройста введём магнитное поле, действующее на скимминг (второе вещество), которое мешает скиммингу считывать информацию с магнитной полосы банковской карты в картридере. Схематично это будет выглядеть так (вепольный треугольник).

Подобная технология имеется у Diebold:
Для борьбы со всеми известными способами скимминговых атак на банкоматы у нас уже есть портфель антискимминговых решений и сервис удаленного мониторинга Diebold ATM Security Protection Suite. В портфель входит специальное устройство, создающее электромагнитное поле вокруг банкомата и мешающее скиммеру считывать информацию с магнитной полосы банковской карты в картридерах, так что данные владельца карты надежно защищены.

Важно понимать, что поле может быть не только физическим, но и просто ментальным.

Пример из веба.
Есть товар — это первое вещество. Есть посетитель — это второе вещество. Товар должен действовать на посетителя в результате чего тот должен тратить деньги. Но товаров так много, что взаимодействие получается слабым.

В системе, только два вещества. Значит для полного веполя не хватает поля. Добавляем, например, персональные рекомендации.

9. Закон увеличения степени дробления (дисперсности) рабочих органов ТС
Развитие современных ТС идёт в направлении увеличения степени дробления (дисперсности) рабочих органов. В особенности типичен переход от рабочих органов на макроуровне к рабочих органам на микроуровне.

Пример из мира интерфейсов:
Рабочий орган в ТС сайта — интерфейс.
Твиттер в новой версии разбился на две колонки — слева одна, справа — другая.

Зная законы развития ТС, изобретатель или дизайнер уже может представлять, какой должна быть изменяемая им техническая система и что для этого нужно делать.

Большое спасибо за примеры Николаю Товеровскому и Артёму Горбунову.

Это самое полное изложение законов развития систем. Книга содержит методику получения перспективных идей, прогноза развития систем и обхода конкурирующих патентов.Материал иллюстрируется около 500 примерами и 500 рисунками.Книга предназначена для всех, кто занимается инновациями, преподавателей университетов, студентов, изучающих теорию решения изобретательских задач (ТРИЗ), инженерное творчество, системный подход и инновационный процесс, а также руководителей предприятий и бизнесменов.

* * *

Приведённый ознакомительный фрагмент книги Законы развития систем. ТРИЗ. Изд. 2-е, испр. и дополненное (Владимир Петров) предоставлен нашим книжным партнёром - компанией ЛитРес .

1. История законов развития технических систем

Данный раздел написан по материалам исследований, которые автор собирал для разработки законов развития технических систем.

Впервые эта работа была сделана в 1973 году. В дальнейшем автор периодически пополнял эти материалы5 . Они использовались автором для чтения лекций по законам развития технических систем.

1.1. Введение

1.2. Исследования по развитию техники

1.5. Разработка законов развития техники в ТРИЗ

1.6. Выводы

1.1. Введение

Преимущественно материал излагается в хронологическом порядке. В некоторых местах этот порядок нарушен для лучшего понимания отдельных направлений и логики изложения.

Эти материалы могут использоваться в курсах история развития ТРИЗ и законов развития систем. Они могут быть полезны и будущим исследователям развития систем.

1.2. Исследования по развитию техники

Разработка законов развития технических систем велась уже достаточно давно. Первую, известную автору, работу по законам развития техники написал Г. Гегель в параграфе «Средство» работы «Наука логики»6 . «Техника механическая и химическая потому и служит целям человека, что ее характер (суть) состоит в определении ее внешними условиями (законами природы)»

В 1843 г. В. Шульц описал прототип закона полноты частей системы . Он писал, что «можно провести границу между орудием и машиной: заступ, молот, долото и т. д., системы рычагов и винтов, для которых, как бы искусно они ни были сделаны, движущей силой служит человек… все это подходит под понятие орудия; между тем плуг с движущей его силой животных, ветряные мельницы следует причислить к машинам »7 .

Чуть позже некоторые законы развития техники были описаны

К. Марксом и Ф. Энгельсом.

К. Маркс описал эти законы в разделе «Развитие машин»8 : «… различие между орудием и машиной устанавливают в том, что при орудии движущей силой служит человек, а движущая сила машины – сила природы, отличная от человеческой силы, например, животное, вода, ветер и т. д. »9 . Далее К. Маркс пишет: «Всякое развитое машинное устройство состоит из трех существенно различных частей: машины-двигателя, передаточного механизма, наконец, машины-орудия, или рабочей машины. Машина-двигатель действует как движущая сила всего механизма. Она или сама передает свою двигательную силу или как паровая машина, калорическая машина, электромагнитная машина и т. д., или же получает импульс извне, от какой-либо готовой силы природы, как водяное колесо от падающей воды, крыло ветряка от ветра и т. д. Передаточный механизм, состоящий их маховых колес, подвижных валов, шестерен, эксцентриков, стержней, передаточных лент, ремней, промежуточных приспособлений и принадлежностей самого разного рода, регулируют движения, изменяет, если это необходимо, его форму, например, превращает из перпендикулярного в круговое, распределяет его и переносит на рабочие машины. Обе эти части механизма существуют только затем, чтобы сообщить движение машине-орудию, благодаря чему она захватывает предмет труда и целесообразно изменяет его. … Первоначально „машина-орудие“ (рабочая машина) представляла в очень измененной форме, все те же аппараты и орудия, которыми работают ремесленник или мануфактурный рабочий, но это уже орудия не человека, а орудия механизма, или механические орудия »10 .

Некоторые дополнительные материалы можно найти в работах

Ф. Энгельса по истории развития военной техники и ведения воин. Это работы 1860-1861 гг., в частности: «О нарезной пушке», «История винтовки», «Оборона Британии», «Французская легкая пехота» и др.11 . Некоторые зачатки законов развития техники и ее взаимодействия с человеком и обществом изложены в работах К. Маркса12 .

Определенным вкладом в понимание техники и ее законов было создание «философии техники»13 . Этот термин ввел немецкий ученый Эрнест Капп. В 1877 г. он выпустил книгу «Основные линии философии техники»14 . Основное развитие этого течения проходило в начале XX в. Развитием «философии техники» занимались немецкие ученые Ф. Дессауер15 , М. Эйт16 , М. Шнейдер17 и др. В России эту тематику разрабатывал П. К. Энгельмейер. В 1911 году он выпустил книгу «Философия техники»18 . Все эти работы обсуждали теоретические и социальные проблемы техники и технического прогресса.

П. К. Энгельмейер в первом выпуске «Философия техники» дает обзор идей о технике, во втором показывает связь техницизма с философией, а последние два выпуска посвящены человеческой деятельности и техническому творчеству.

Вопросами истории техники, классификации и определения понятий техники занимались многие ученые в различных странах К. Туссман19 и И. Мюллер20 (в Германии), В. И. Свидерский21 , А. А. Зворыкин22 , И. Я. Конфедератов23 , С. В. Шухардин24 (в России) и др. В 1962 г. был выпущен фундаментальный труд по истории техники25 . Вопросы философии науки и техники изложены в книге с аналогичным названием26 .

1.3. Понятия и определения

Приведем некоторые определения.

ЗАКОН – внутренняя существенная и устойчивая связь явлений, обусловливающая их упорядоченное изменение .27

Закон, необходимое, существенное, устойчивое, повторяющееся отношение между явлениями . Закон выражает связь между предметами, составными элементами данного предмета, между свойствами вещей, а также между свойствами внутри вещи. Но не всякая связь есть закон. Связь может быть необходимой и случайной. Закон – это необходимая связь . Он выражает существенную связь между сосуществующими в пространстве вещами. Это закон функционирования28 .

ЗАКОН , необходимое, существенное, устойчивое, повторяющееся отношение между явлениями в природе и обществе. Понятие закон родственно понятию сущности. Существуют три основные группы законов: специфические, или частные (напр., закон сложения скоростей в механике); общие для больших групп явлений (напр., закон сохранения и превращения энергии, закон естественного отбора); всеобщие, или универсальные, законы. Познание закона составляет задачу науки29 .

ЗАКОН, объективно существующая необходимая связь между явлениями, внутренняя существенная связь между причиной и следствием30 .

ЗАКОН, не зависящая ни от чьей воли, объективно наличествующая непреложность, заданность, сложившаяся в процессе существования данного явления, его связей и отношений с окружающим миром31 .

3акон это переход от эмпирических фактов к формулировке сущности изучаемых процессов.

3аконы существуют объективно , независимо от сознания людей.

ЗАКОНОМЕРНОСТЬ ОБЩЕСТВЕННАЯ, объективно существующая, повторяющаяся, существенная связь явлений общества, жизни или этапов исторического процесса, характеризующая поступательное развитие истории32 .

ЗАКОНОМЕРНОСТЬ ОБЩЕСТВЕННАЯ, повторяющаяся, существенная связь явлений общественной жизни или этапов исторического процесса. Закономерность общественная присуща деятельности людей, а не есть нечто внешнее по отношению к ней. Действие закономерности общественной проявляется в виде тенденций, определяющих основную линию развития общества33 .

ЗАКОНОМЕРНОСТЬ, обусловленность объективными законами; существование и развитие соответственно законам34 .

В. П. Тугаринов дает следующее определение закона: «Закон есть такая взаимосвязь между существенными свойствами или ступенями развития явлений объективного мира, которая имеет всеобщий и необходимый характер и проявляется в относительной устойчивости и повторяемости этой связи» 35 .

«Понятие «закон» служит для обозначения существенной и необходимой, общей или всеобщей связи между предметами, явлениями, системами их сторонами или другими составляющими в процессе существования и развития. Эти связи и отношения объективны. Законы науки являются их отражением в человеческом сознании.

Понятие «закономерность» отличается от закона по своему содержанию и принятому употреблению. Довольно часто, говоря о закономерности того или иного явления, подчеркивают тем самым только то обстоятельство, что данный процесс или данное явление не случайно, а подчинено действию определенного закона или совокупности законов. Последнее особенно характерно для закономерности, которая по своему содержанию шире закона и обозначает также совокупное действие ряда законов и его итоговый результат.

Различие между законами и закономерностями, не исключающие, а подразумевающие частичное совпадение содержания этих понятий »36 .

История возникновения и формирования понятия закона подробно описана Л. А. Друяновым37 . Кроме того, он выделяет две черты, присущие закону, а описывает четыре (иерархия этих черт и выделение текста выполнены автором статьи):

– Существенная связь. «Объективный закон… – это существенная связь явлений (или же сторон одного и того же явления). Объективный закон относится не к отдельному объекту, а к совокупности объектов, составляющих определенный класс, вид, множество, определяя характер их „поведения“ (функционирования и развития) … Поскольку… в природе действуют существенные связи (объективные законы), ее поведение не является случайным, хаотичным; она функционирует и развивается закономерным образом и наряду с изменчивостью, ей присущи относительная устойчивость и гармоничность »38 .

– Необходимость . «…всякий объективный закон (закон природы) носит необходимый характер; закон, закономерная связь всегда является в тоже время необходимой связью, которая, в отличие от случайной связи, при наличии определенных условий неизбежно должна иметь место (произойти, наступить) … Следовательно, существенная закономерная связь (закон) является в то же время и необходимой связью. Другими словами, необходимость – это важнейшая черта закона, закономерности. Всякий закон природы представляет собой, таким образом, выражение необходимого характера существенных связей в объективном мире »39 .

– Всеобщность. «Другая важнейшая черта всякого объективного закона – его всеобщность. Любой закон природы присущ всем без исключения явлениям или объектам определенного типа или рода… Всеобщность – это, следовательно, вторая важнейшая черта объективных законов, законов природы. Поскольку всякий закон носит необходимый и всеобщий характер, поскольку он осуществляется всегда и везде, когда и где для этого имеются схожие объекты и соответствующие условия, постольку, следовательно, закономерные связи будут устойчивыми, стабильными, повторяющимися… Закон инвариантен относительно явлений »40 .

– Повторяющийся характер. «Легко видеть, какое значение имеет существование стабильности, повторяемости, порядка в природе для человека, для науки и практической деятельности людей. Если бы в природе ничего не повторялось и происходило всякий раз по-новому, ни человек, ни животные не могли бы приспособиться к окружающим условиям, стала бы невозможна целесообразная деятельность, научное познание, да и сама жизнь… Поскольку повторяемость, упорядоченность… составляют важную характеристику объективных законов, научные поиски закономерных связей в природе начинаются обычно с констатации повторяемости определенной стороны или свойства изучаемых объектов… Следовательно, науку интересуют не любые повторяющиеся связи объектов, а лишь такие, которые носят в то же время существенный характер, т. е. ее интересуют существенные повторяющиеся связи »41 .

«…можем определить объективный закон (закон природы) как существенную связь, которая носит необходимый, всеобщий, повторяющийся (регулярный) характер »42 .

Б. С. Украинцев сформулировал общие особенности объективных законов техники43 :

– Целеосуществление – реализация потребностей. «Все технические сооружения или устройства, а также их части, создаются целесообразно цели, то есть таким образом, чтобы, функционируя, они выполняли роль средства достижения цели человека. Поэтому все технические законы по своей сущности являются законы целеосуществления ».

– Управляемость техники человеком. «Законы (техники) объединяются принципом сопряжения возможностей техники с возможностями человека или иначе говоря, принципом управляемости техники человеком».

– Принцип технологичности. «…новая конструкция должна быть такой, чтобы ее можно было изготовить при помощи существующих средств производства и на основе имеющихся навыков производства, как исходных моментов дальнейшего технического прогресса ».

– Эффективное функционирование техники. «Законы техники являются также законами эффективного функционирования технических средств достижения общественных и личных целей… Если общественная ценность трудовых, материальных и энергетических затрат на создание и функционирование техники превосходит общественную ценность результатов ее применения в качестве искусственного материального средства целеосуществления, то данная техники малоэффективна и общество нуждается в другой технике, удовлетворяющей требованиям и принципам эффективности техники ».

– Соответствие экономическим возможностям общества. «Законы техники имеют еще один общий момент, выражаемый принципом соответствия техники экономическим возможностям общества на данной ступени его развития ».

А. И. Половинкин сформулировал требования, которым должны удовлетворять законы техники44 :

– Формулировка закона техники должна быть по форме лаконичной, простой, изящной, а по содержанию отвечать данным выше определениям закона.

– Формулировка закона техники должна быть обобщенной и отражать очень большое число известных и возможных факторов. Иначе говоря, закон должен допускать эмпирическую проверку на существующих или специально полученных факторах, имеющих количественную или качественную форму. При этом формулировка закона должна быть настолько четкой, что два человека, независимо подбирающие и обрабатывающие фактический материал, должны получить одинаковые результаты проверки.

– Формулировка закона техники должна не только констатировать: «что?, где?, когда?» происходит (то есть упорядочить и сжато описать факты), но еще, по возможности, дать ответ на вопрос «почему?» так происходит. В связи с этим заметим, что в науке немало существовало и существует эмпирических законов, которые не отвечают на вопрос «почему?» или отвечают на него частично. И, по-видимому, почти нет научных законов (в виду локального характера их действия), которые отвечают на вопрос «почему?». На все вопросы обычно отвечает теория, опирающаяся на несколько законов.

– Формулировка закона техники должна быть автономно независимой, то есть к законам будем относить такие обобщенные высказывания, которые не могут быть логически выведены из других законов техники. Выводимые обобщения будем относить к закономерностям техники.

– Формулировка закона техники должна учитывать взаимосвязи: «техника – предмет труда», «человек – техника», «техника – природа», «техника – общество».

– Формулировка закона техники должна иметь предсказательную функцию, то есть предсказывать новые неизвестные факты, которые могут быть более или менее очевидными, а иногда необычными, парадоксальными.

– Формулировка всех законов техники должна иметь четко определенную единую понятийную основу.

В данной книге будем рассматривать законы развития систем. В связи с этим дадим определение системы и некоторых понятий связанных с ней.

Система 45 (от лат. systēma , от греч. σύστημα, «составленный», целое, составленное из частей; соединение) – множество элементов , взаимосвязанных и взаимодействующих между собой, которые образуют единое целое , обладающее свойствами , не присущими составляющим его элементам, взятым в отдельности.

Такое свойство называют системным эффектом или эмерджентностью .

Эмерджентность (от англ. Emergent - возникающий, неожиданно появляющийся) в теории систем - наличие у какой-либо системы особых свойств, не присущих ее подсистемам и блокам, а также сумме элементов, не связанных особыми системообразующими связями; несводимость свойств системы к сумме свойств ее компонентов; синоним - «системный эффект».46

Часто такое свойство так же называют синергетическим эффектом (от греч. συνεργός – вместе действующий) - возрастание эффективности деятельности в результате интеграции, слияния отдельных частей в единую систему за счет так называемого системного эффекта47 .

Например, обмен вещами не приводит к синергетическому эффекту, так как их остается тоже количество. Обмен идеями приводит к синергетическому эффекту, так как в результате у одного человека идей становится больше.

Синерги́я (греч. Συνεργία - сотрудничество, содействие, помощь, соучастие, сообщничество; от греч. Σύν - вместе, греч. ἔργον - дело, труд, работа, действие) - суммирующий эффект взаимодействия двух или более факторов, характеризующийся тем, что их действие существенно превосходит эффект каждого отдельного компонента в виде их простой суммы48

Целостность 49 – характеристика системы, выражающая автономность и единство системы, противостоящей окружению. Она связана с функционированием системы и присущими ей закономерностями развития.

Целостность не абсолютное, а относительное понятие, поскольку система имеет множество связей с окружающими объектами и внешней средой и существует лишь в единстве с ними.

Свойство 50 – сторона (атрибут) системы. Оно определяет различие или общность предмета с другими предметами.

Свойство обнаруживается в отношении подсистем в системе, поэтому всякое свойство относительно. Свойства существуют объективно, независимо от человеческого сознания.

Отношение 51 – взаимосвязь, взаимозависимость и соотношение элементов системы. Это мысленное сопоставление различных объектов и их сторон.

Пример 1.1. Предложение (в языке).

Предложение состоит из слов и способа построения предложения – грамматики.

Ни один из этих элементов не обладает свойством выразить мысль . Соединенные в единую систему – предложение, приобрел новое свойство – мысль – системный эффект .

Предложение – целостно . Оно автономно и имеет свои закономерности развития – развитие грамматики.

В предложении показана взаимосвязь отдельных слов, их свойства , обнаруживаемые в их отношении друг к другу.

Системам свойственно понятие иерархии.

Иерархия систем:

– собственно система ;

– ее подсистемы ;

– надсистема;

– внешняя среда .

Иерархия систем

Пример 1.2. Телефон.

Система – телефон.

Подсистемы : микрофон и наушник , клавиатура , дисплей, память и т. п.

Надсистема – АТС, телефонные сети и т. д.

Внешняя среда – чаще всего помещение, воздух .

Пример 1.3. Автомобиль.

Система – автомобиль.

Подсистемы : колеса , двигатель, бензобак, система управления и т. п.

Надсистема – дороги, автозаправочные станции, автостоянки, система управления движением и т. д.

Внешняя среда – открытое пространство и атмосферные явления.

Законы мы будем рассматривать:

– для анализа существующих искусственных (антропогенных ) систем ;

– создания (синтеза ) искусственных систем .

Антропогенная система 52 (от греч. anthropos – человек, genesis – происхождение, становление развивающегося явления) – система, созданная в результате сознательно направленной человеческой деятельности.

Пример 1.4. Антропогенные системы.

Это широкий класс систем, созданных человеком: язык, понятия, мысли, знания, наука, литература и искусство, социальные группы (племена, сообщества, государства и т. д.), сельскохозяйственные системы, искусственно созданные объекты фауны и флоры (генная инженерия, биотехнологии и т. п.), технические системы и т. д.

Основное внимание будет уделено рассмотрению одного класса антропогенных систем – технических систем .

Техническая система (ТС) – это система , создающаяся с конкретной целью для удовлетворения определенной потребности . Она выполняет функцию , осуществляя процесс, основанный на определенном принципе действия .

ТС имеет определенную структуру и потоки .

Примечание. Техническая система может включать, как искусственные , так и природные элементы .

В качестве примеров технических систем можно назвать: самолет, автомобиль, кондиционер, телефон, телевизор, компьютер, Интернет и т. д.

Пример 1.5. Самолет.

Самолет состоит из крыльев, фюзеляжа, двигателя, шасси и т. д.

Ни один из этих элементов не обладает свойством летать. Соединенные в единую систему – самолет приобрел новое свойство – летать – системный эффект .

Пример 1.6. Телефон.

Телефон состоит из микрофона, наушника , клавиатуры , дисплея, памяти и т. п.

Ни один из этих элементов не обладает свойством передавать звук на расстояние. Соединенные в единую систему – телефон приобрел новое свойство – передавать звук на расстояние – системный эффект .

Пример 1.7. Алгоритм.

Алгоритм – это определенный порядок выполнения различных операций, приводящий к конкретному результату.

Алгоритм состоит из отдельных операций, выполняемых в определенном порядке.

Каждая из операций и порядок их выполнения в отдельности не приведут к необходимому результату. Соединенные в единую систему – алгоритм приобрел новое свойство – конкретный результат – системный эффект .

Анализ и синтез технических систем должены использовать системный подход.

Синтез ТС должен осуществляться в следующей последовательности: выявление потребностей, функций, принципа действия и систем (рис. 1.1).

Рис. 1.1. Последовательность синтеза технической системы

Анализ ТС осуществляется в обратной последовательности: анализ существующей системы , ее составных частей и процессов, анализ принципа действия системы, выявление функций системы и потребности , которую удовлетворяет данная система (рис. 1.2).

Рис. 1.2. Последовательность системного анализа

В дальнейшем могут быть выбраны или разработаны альтернативные системы, использующие тот же принцип действия, или альтернативные системы, выполняющие ту же функцию или альтернативные системы, удовлетворяющие данную потребность.

Потребность – нужда в чем-либо, необходимом для поддержания жизнедеятельности индивида, социальной группы, общества, внутренний побудитель активности53 .

Функция (от лат. functio – совершение, исполнение) – процесс воздействия субъекта на объект, имеющий определенный результат.

Кроме того, функцию определяют и как «внешнее проявление свойств какого-либо объекта в данной системе отношений »54 .

В дальнейшем будем использовать более краткую формулировку функции.

Функция – это действие субъекта на объект , приводящее к определенному результату.

Рис. 1.3. Функция

Результатом действия может быть изменение параметра объекта или его сохранение .

Функция записывается в виде глагола .

Пример 1.8. Самолет.

Самолет перевозит (перемещает ) пассажиров. Самолет – субъект , перевозит – функция , пассажиры – объект . Перевозить – это значит изменять объект.

Пример 1.9. Кофе.

Чашка удерживает кофе. Чашка – субъект , удерживает – функция , кофе – объект . Удерживать – это значит сохранять объект.

Пример 1.10. Компьютер.

Компьютер обрабатывает информацию. Компьютер – субъект , обрабатывает – функция , информация – объект . Обрабатывать – это значит изменять объект (информацию).

Пример 1.11. Компьютерная память.

Память запоминает информацию. Память – субъект , запоминает – функция , информация – объект . Запоминать – это значит сохранять объект (информацию).

Процесс (от лат. processus – продвижение) – это состояние какого-либо явления во времени.

Процесс можно определить, как55 :

– последовательную смену состояний стадий развития.

– совокупность последовательных действий для достижения какого-либо результата (например, производственный потребности – последовательная смена трудовых операций).

Для технических систем мы в основном будем рассматривать второе определение. Первое определение характерно для развития систем.

Пример 1.12. Приготовление кофе.

Операция 1 – измельчение зерен кофе. Операция 2 – молотый кофе засыпается в турку. Операция 3 – турка заливается водой. Операция 4 – турку ставят на огонь или помещают в разогретый песок. Операция 5 – ждут пока поднимется пенка. Операция 6 – турку снимают с огня. Операция 7 – ждут, пока пенка опустится. Операции 5-7 повторяются несколько раз.

Пример 1.13. Компьютерная программа.

Любая компьютерная программа работает по определенному алгоритму – порядку действий. Таким образом, компьютерная программа осуществляет процесс.

Пример 1.14. Алгоритм Евклида.

В качестве процесса представим алгоритм Евклида – метод вычисления наибольшего общего делителя (НОД). Это один из древнейших алгоритмов, который используется до сих пор.

Наибольший общий делитель (НОД) – это число, которое делит без остатка два числа и делится само без остатка на любой другой делитель данных двух чисел. Проще говоря, это самое большое число, на которое можно без остатка разделить два числа, для которых ищется НОД.

Описание алгоритма нахождения НОД делением.

– Большое число делим на меньшее.

– Если длится без остатка, то меньшее число и есть НОД (следует выйти из цикла).

– Если есть остаток, то большее число заменяем на остаток от деления.

– Переходим к пункту 1.

Например, необходимо найти НОД для 30 и 18.

30/18 = 1 (остаток 12)

18/12 = 1 (остаток 6)

12/6 = 2 (остаток 0). Конец: НОД – это делитель. НОД (30, 18) = 6

Пример 1.15. Компилятор.

Большинство компиляторов переводит программу с некоторого высокоуровневого языка программирования в машинный код, который может быть непосредственно выполнен процессором.

Компилятор состоит из следующих этапов.

– Лексический анализ. На этом этапе последовательность символов исходного файла преобразуется в последовательность лексем. Цель лексического анализа – подготовить входную последовательность к грамматическому анализу.

– Синтаксический (грамматический) анализ. Последовательность лексем преобразуется в дерево разбора.

– Семантический анализ. Дерево разбора обрабатывается с целью установления его семантики (смысла) – например, привязка идентификаторов к их декларациям, типам, проверка совместимости, определение типов выражений и т. д. Результат обычно называется «промежуточным представлением/кодом», и может быть дополненным деревом разбора, новым деревом, абстрактным набором команд или чем-то еще, удобным для дальнейшей обработки.

– Оптимизация. Выполняется удаление излишних конструкций и упрощение кода с сохранением его смысла. Оптимизация может быть на разных уровнях и этапах – например, над промежуточным кодом или над конечным машинным кодом.

– Генерация кода. Из промежуточного представления порождается код на целевом языке. В конкретных реализациях компиляторов эти этапы могут быть разделены или, наоборот, совмещены в том или ином виде.

Каждый из этих этапов имеет свою программу, работающую по определенному алгоритму -процессу.

Продолжим рассматривать понятие функции .

Функции можно классифицировать:

– по полезности;

– степени их выполнения.

Опишем классификацию функций:

– по полезности :

– полезные;

– бесполезные;

– вредные.

– по степени выполнения полезных функций :

– достаточные;

– избыточные;

– недостаточные.

Полезная функция – функция, обеспечивающая работоспособность системы .

Бесполезная функция – функция, не обеспечивающая работоспособность системы. Иногда такие функции называют лишними .

Вредная функция – функция, создающая нежелательный эффект .

Достаточная функция – функция, создающая необходимое (достаточное) действие .

Избыточная функция – функция, создающая избыточное действие .

Недостаточная функция – функция, создающая недостаточное действие .

Следует отметить, что избыток и недостаток полезной функции следует рассматривать как вредную функцию .

Пример 1.16. Холодильник.

Функция холодильника – это охлаждать продукт, например, мясо.

Бесполезная функция для потребителя – нагрев задней части холодильника, но она необходима для принципа действия холодильника. Потребителю этот нагрев не нужен.

Вредная функция холодильника – шум компрессора.

Достаточная функция холодильника – нормальное охлаждение до заданной температуры.

Избыточная функция холодильника – избыточное охлаждение (переохлаждение) – ниже требуемой температуры.

Недостаточная функция холодильника – недостаточное охлаждение – выше требуемой температуры.

Пример 1.17. Газовая плита.

Функция газовой плиты – греть объект, например, воду или мясо.

Бесполезная функция газовой плиты – нагрев окружающей среды (лишний расход тепла).

Вредная функция газовой плиты – утечка газа.

Достаточная функция газовой плиты – нормальный нагрев объекта до заданной температуры.

Избыточная функция газовой плиты – избыточный нагрев объекта, например, вода выкипела, мясо сгорело.

Недостаточная функция газовой плиты – слабый огонь, например, недостаточный для закипания воды.

Пример 1.18. Компьютер.

Функция компьютера – это обрабатывать информацию.

Бесполезная функция – это затраты энергии, когда на компьютере на работают, а он включен. Компьютер должен работать только тогда, когда вводится, перерабатывается и выводится информация. Во все остальное время компьютер зря расходует энергию.

Вредные функции компьютера – это электромагнитное излучение от компьютера и Wi-Fi, шум от вентилятора.

Достаточная функция компьютера – это, его нормальная работа.

Недостаточная функция компьютера – это, когда происходит долгая обработка информации, например, при скачивании информации из Интернета.

Пример 1.19. Телефон.

Функция телефона – передавать звуковой сигнал, например, речь.

Бесполезная функция – телефон включен, но по нему не говорят. Телефон должен работать только тогда, когда передается сигнал. Во все остальное время телефон зря расходует энергию. В любые перерывы сигнала телефон должен отключаться и включаться с появлением сигнала.

Вредная функция – электромагнитное излучение, возникающее при разговоре по мобильному телефону. Оно вредно воздействует на окружающую аппаратуру, поэтому в самолетах и в больницах не разрешается разговаривать по мобильному телефону. Антенны ретрансляторов мобильной связи вредно воздействуют на окружающих.

Достаточная функция телефона – телефон работает нормально.

Избыточная функция телефона – звук передается слишком сильно, он искажается.

Недостаточная функция телефона – звук плохо слышен.

Пример 1.20. Автомобиль.

Функция автомобиля – перевозить людей.

Бесполезная функция автомобиля – затраты энергии, когда автомобиль стоит, а двигатель работает, например, на светофоре.

Вредные функции автомобиля – выбрасывание в атмосферу выхлопных газов, загрязняющих окружающую среду.

Достаточная функция – нормальная работа автомобиля.

Избыточная функция – автомобиль рассчитан на скорость движения значительно превышающую допустимую скорость.

Недостаточная функция – автомобиль не можем выбраться из заноса снега, грязи или преодолеть очень крутой подъем.

Иерархия функций:

– главная функция – функция высшего ранга (условно назовем этот ранг «0»);

– основная функция – функция следующего ранга (1-го ранга), обеспечивающая выполнение главной функции;

– вспомогательная функция – функция 2-го ранга, обеспечивающая выполнение основной функции.

Главная функция

Пример 1.21. Телефон.

Главная функция телефона – передавать звук , в частности голос. Это полезная функция.

Пример 1.22. Автомобиль.

Главная функция транспортных систем – перемещать объект на определенное расстояние. Это полезная функция. В зависимости от среды перемещения меняется его структура. Автомобиль движется по дороге.

Основная функция

Пример 1.23. Телефон.

Основная функция телефона – преобразовать звук в электрический сигнал , и обратная функция – преобразовать электрический сигнал в звук. Это полезная функция.

Пример 1.24. Автомобиль.

Основная функция автомобиля – вращение колес . Это полезная функция.

Вспомогательная функция

Пример 1.25. Телефон.

Вспомогательная функция телефона – обеспечить электроэнергией микрофон (наушник). Это полезная функция.

Пример 1.26. Автомобиль.

Вспомогательная функция автомобиля – обеспечить двигатель энергией . Это полезная функция.

Вредная, недостаточная, избыточная функции

Пример 1.27. Телефон.

Генерирование шумов – вредная функция.

Плохая слышимость – недостаточная функция.

Слишком громкий звук – избыточная функция.

Пример 1.28. Автомобиль.

Выделение углекислого газа – вредная функция.

Невозможность проехать по пересеченной местности – недостаточная функция.

Возможность ехать с очень большой скоростью – избыточная функция, часто превращающаяся во вредную функцию – столкновение (аварии на дорогах).

Принцип действия – это способ выполнения главной функции системы .

Структура (от лат. Structūra – «строение») – это внутреннее устройство системы. Она создается элементами и связями между ними.

Связи могут быть внутренние и внешние .

Внутренние связи – связи между элементами системы (подсистемами).

Внешние связи – связи системы с надсистемой и окружающей средой и обратное воздействие окружающей среды и надсистемы на систему. Одна из надсистем – это объект, для которого предназначена система. Эта связь обеспечивает главную функцию системы .

Элементы и связи могут быть:

– вещественные;

– энергетические;

– информационные .

Внутренние связи

Пример 1.29. Телефон.

Корпус телефона обеспечивает внутренние связи. Он обеспечивает вещественные (механические) связи отдельных элементов телефона. Проводами обеспечиваются энергетические и информационные связи.

Пример 1.30. Автомобиль.

Корпус автомобиля обеспечивает внутренние вещественные связи. Трубопроводы и провода обеспечивают энергетические связи. Информационные связи обеспечиваются проводами от системы управления и к ней или бесконтактно, например, открывание дверей.

Внешние связи

Пример 1.31. Телефон.

Внешние связи у телефона осуществляются по проводам или бесконтактно у радиотелефона и у мобильных телефонов.

Пример 1.32. Автомобиль.

Внешняя связь у автомобиля – например, трение шин автопокрышек о дорогу.

Работа системы осуществляется вследствие прохождения потоков:

– вещества.

– энергии.

– информации.

Потоки вещества могут быть:

– твердые;

– жидкие;

– газообразные;

– смешанные.

В свою очередь твердые потоки могут быть:

– монолитными;

– ы виде отдельных частиц (порошока).

Потоки вещества

Пример 1.33. Поток автомобилей.

Поток твердого монолитного вещества.

Пример 1.34. Поток масла.

Поток жидкого вещества.

Пример 1.35. Поток сжатого газа , например, для автоматической подкачки шин.

Поток газа.

Потоки энергии

Пример 1.36. Телефон.

Пример 1.37. Автомобиль.

Поток жидкого топлива. Это же и поток вещества в жидком состоянии.

Поток электроэнергии по проводам.

Потоки информации

Пример 1.38. Телефон.

Поток электрических и звуковых сигналов.

Пример 1.39. Автомобиль.

Поток сигналов управления и сигналов от датчиков.

1.4. Работы по законам развития техники

На основе изучения истории техники К. Маркс сформулировал некоторые законы развития техники56 :

– Закон возникновения и возрастания потребностей.

– Закон ускоренного развития средств производства.

– Закон непрерывного развития новых видов промышленности.

Различные ученые описывали требования к разработке техники и технических наук. Делались попытки классификации законов и закономерностей техники. К ним относятся работы Дж. Бернала57 , Д. Киллефера58 , Я. Клаучо и Е. Дуды, Л. Тондла59 , И. Мюллера, Д. Тейхмана60 , К. Тессмана61 , Л. Штирибинга62 , Б. М. Кедрова63 , О. Д. Симоненко64 , В. М. Розина65 .

Рассмотрим более детально некоторые из них.

Философ В. П. Рожин выделял два вида законов развития любых систем 66 :

– Законы структуры и функционирования систем.

– Законы развития систем.

А. С. Мамзин и В. П. Рожин отмечали: «Различие законов функционирования и законов развития объектов материальной действительности связано с тем, что в первом случае мы имеем дело с такого рода законами, которые характеризуют внутреннюю связь элементов системы и выступают как важное условие сохранения целостности и ненарушимости материальной структуры объекта в процессе непрерывных изменений. Во втором случае мы имеем дело с законами, характеризующими определенную последовательность, ритм, темп и т. п. в переработке самих материальных структур, связь между различными состояниями системных объектов» 67 .

Таким образом, можно сказать, что первая группа законов нужна для построения системы и ее системного функционирования, а вторая – определяет, как будет развиваться система. На наш взгляд, это наиболее правильное представление.

Рассмотрим и другие классификации.

В работе Я. Клаучо и Е. Дуды «Феномен техники» выделены четыре группы законов: классификационные, отношения, причинные и диалектические 68 . Они рассматривают технику как единую систему.

И. Мюллер выделяет три группы законов69 :

– Структуры и развития техники, как определенного целого.

– Структуры развивающих процессов, составляющих основу инженерной деятельности (конструкторской, технологической и т. д.).

– Специфические законы (отличающиеся от группы 1), образующие основу технических систем.

М. Корах70 сформулировал, по его мнению, четыре фундаментальных закона:

– Закон стоимостной переменной.

– Закон большого числа переменных.

– Закон шкального эффекта.

– Закон автоматизации.

Наиболее детально характеристику технического объекта дал В. В. Чешев71 . Он пишет «…технический объект представляют в виде определенной совокупности элементов, в виде определенной вещественной структуры. …он представляет собой особую „целесообразную форму“ проявления некоторого закона природы и должен описываться со стороны технических свойств, проявляемых им при практическом использовании в производственной (или какой-либо другой) сфере деятельности, а также должен быть описан со стороны своего внутреннего содержания как процесс, определяемый законом природы. Описывая техническое устройство совокупностью технических и естественных свойств, мы получаем обобщенное представление о техническом объекте».

В. В. Чешев выделяет две основные группы понятий:

– отражающие структуру технического объекта;

– описывающие функционирование технического объекта в качестве средства целесообразной деятельности.

В первой группе выделены понятия. Наиболее общее среди них «принцип действия », к которому В. В. Чешев относит:

– «Обобщенная характеристика формы проявления закона природы, так как указываются основные факторы, обусловливающие протекание процесса.

– В «принципе действия» содержится указание на закон природы, определяющий ход процесса и его особенности…

– «Принцип действия» обобщенно характеризует структуру технического объекта, так как если указаны основные факторы процесса, их роль, то тем самым дается указание на основные структурные единицы объекта, к которым в дальнейшем можно поставить конкретные требования».

Имеются работы, описывающие отдельные принципы построения техники, например:

– Системность 72 частично описана В. И. Свидерским: «Говоря об элементах, мы должны подразумевать под ними не просто дробные части данного целого, а лишь такие из них, которые, вступая в определенную систему отношений, непосредственно создают данное целое». Под элементами он понимает: «в самом общем значении под элементами следует понимать любые явления, процессы, образующие в своей совокупности данное явление, данный процесс» 73 .

– Принцип агрегатирования и унификации описали Х. Габель и С. А. Майоров. Х. Габель74 описывает принцип агрегатирования и унификации применительно к станкам и автоматическим линиям. Станки собираются из унифицированных блоков, а линии из агрегатных станков. С. А. Майоров рассматривает этот принцип применительно к цифровым управляющим машинам (сегодня более привычен термин компьютер). Он пишет: «В связи с непрерывно увеличивающейся потребностью в цифровых управляющих машинах назрела необходимость в более эффективной разработке прогрессивных принципов проектирования ЦУМ на основе простейших унифицированных функциональных узлов и блоков, позволяющих механизировать и автоматизировать основные производственные процессы производства этих узлов, повысить надежность и сократить сроки разработки и освоения новых, более совершенных управляющих машин» 75 .

– Закон растущей дифференциации техники предложен немецким ученым О. Киенцле76 .

Систематизацией техники достаточно много занимались немецкие ученые. В 30-х годах этим занимался В. Бишоф. Затем эти работы продолжил Ф. Ханзен. Он назвал их «систематика конструирования ». Он выявил закономерности, связанные со структурно-функциональным представлением техники77 .

Ю. С. Мелещенко глубоко и обстоятельно исследовал развитие техники, технических и естественных наук. В своей работе он дал глубокий анализ: концепций, понятий, определений и классификации техники; системы связи техники с другими общественными явлениями; развития техники, и научно-технических революций. Это наиболее фундаментальный труд того времени по закономерностям развития техники78 .

В результате этого анализа Ю. С. Мелещенко вывел некоторые закономерности развития техники. Так же, как и В. В. Чешев он выделил две основные и наиболее крупные группы законов и закономерностей:

– Законы структуры и функционирования техники.

– Законы развития техники.

Кроме того, Ю. С. Мелещенко выделяет две крупные групп закономерностей развития техники79 :

– Внутренние

– Внешние закономерности развития техники. Закономерности развития техники, складывающиеся в результате ее взаимодействия с другими общественными явлениями (система общества в целом).

Изложение закономерностей развития техники, разработанных Ю. С. Мелещенко дается в кратком, несколько упрощенном, но более структурированном, иерархическом и более наглядном, по мнению автора, виде. Формулировки законов оставлены в оригинальном виде. Выделение текста сделано автором.

Внутренние закономерности имеют две подгруппы:

а) закономерности, характеризующие сдвиги в субстанциональной стороне техники;

б) закономерности, связанные с изменением ее элементов, структуры и функций.

Рассмотрим подробнее структуру закономерностей развития техники по Ю. С. Мелещенко.

– Внутренние закономерности развития техники (система самой техники).

– Закономерности, характеризующие сдвиги в субстанциональной стороне техники 80 ;

– Изменения в применении материалов.

– Расширение ассортимента природных материалов, применяемых в технике81 .

– Вовлечение материалов природы в сферу технического использования82 .

– «Поиск и создание новых материалов сочетается с постоянным совершенствованием имеющихся материалов, выявлением и использованием их новых свойств. Этот процесс, имеющий закономерный характер, пронизывает всю историю техники»83 .

– Растущая целенаправленность в применении материалов, из которых создана техника84 .

– Подбор материалов, которые по своим свойствам наиболее соответствуют структуре и функциям технических устройств.

– Рациональное использование материалов в количественном отношении. Изменение показателей (обычно в сторону уменьшения) по мере совершенствования техники. Например, уменьшение удельного веса, коэффициента компоновки, показателя относительного веса конструкции и др.

– Закономерности, связанные с изменениями в использовании процессов природы . Большую часть этой группы образуют закономерности, которые выражают сдвиги в энергетических и других процессах , используемых в технике85 .

– Последовательное овладение все более сложными формами движения материи , их техническое использование, расширение спектра процессов, применяемых в технике (использование физических, химических и биологических процессов)86 .

– Использование все более глубоких и мощных источников энергии . От использования мускульной энергии человека и животных, к использованию энергии движения воды и воздуха, тепловой энергии (паровой двигатель, двигатель внутреннего сгорания), электроэнергии, атомной энергии87 .

– Растущая интенсивность применяемых процессов . Например, давления, температуры, скорости, напряжения, скорости и интенсивности применяемых процессов, увеличение скорости и количества принимаемой и перерабатываемой информации и т. д.88

– Постоянное возрастание степени целенаправленности используемых энергетических и других процессов . «Смысл и назначение техники и состоит в том, чтобы не просто осуществить какой-то процесс, а максимально направить его в нужную сторону, сделать его наиболее полезным и рациональным» 89 . Это осуществляется двумя путями:

– Усовершенствование выбранного принципа действия

– Переход к принципиально новой технике.

– Закономерности, связанные с изменением ее элементов, структуры и функций.

– Процесс дифференциации и специализации технических систем, их элементов. «Объективные предпосылки к этому коренятся в росте и развитии общественных потребностей, которые вызывают к жизни все новые и новые формы деятельности, а вместе с ними и соответствующие средства труда. Эти процессы обусловлены также внутренней логикой развития техники».90

– Функциональная специализация. Средства труда или сложные технические системы предназначены для обслуживания определенной функции или достаточно общей операции.

– Предметная специализация. Технические устройства или их элементы предназначаются для выполнения узкой операции, имеют ограниченную и жестко закрепленную программу действий.

Интересно отметить также, что понимает Ю. С. Мелещенко под дифференциацией и специализацией. Он пишет: «Характерно также усиление дифференциации и специализации элементов технических устройств и систем. Примером тому служит классическая система машин трехзвенного состава, включающая в себя рабочую машину , передаточный механизм и двигатель . На ступени автоматизации она дополняется таким специализированным элементом, как управляющее устройство »91 .

– Процесс усложнения и интеграции техники.

– Движение к автоматизации. «Можно выделить три основных этапа исторически развивающегося взаимодействия, людей и техники в процессе трудовой, целесообразной деятельности: 1) этап использования орудий техники; 2) этап машинной техники; 3) этап автоматизации»92 . «Таким образом, закономерным для развития машинной техники является последовательное и все более полное замещение человека в выполнении материальных функций»93 . «Автоматизация проходит рад ступеней в своем развитии. Различают частичную, комплексную и полную автоматизацию»94 .

«Мы рассмотрели некоторые внутренние закономерности развития техники. Исследование их существенно не только для изображения общей картины исторического прогресса движения техники, оно дает определенные ориентиры для будущего, для прогнозирования технического прогресса»95

– Внешние закономерности развития техники. Эти законы достаточно туманно изложены. Передаю своими словами.

Вначале излагается закон возрастания потребностей. Затем идет сравнение капиталистического и социалистического способа ведения хозяйства.

Следует обратить внимание на сформулированные Ю. С. Мелещенко группы критериев технического прогресса96 .

Группы критериев технического прогресса

«Эти принципы вытекают из самой сущности техники, из единства ее природно-социальных моментов »97 .

– Критерии субстанционального порядка. Любая техника создается из материалов и основывается на использовании необходимых процессов «…судить о прогрессивности техники можно, учитывая, какие материалы и процессы в ней применяются и на сколько эффективно это осуществляется».

– Критерии структурного порядка. «Технический прогресс – антиэнтропийный процесс, связанный с повышением организации и упорядоченности системы , надежности ее функционирования . Это реализуется за счет дифференциации и специализации, повышения интегративных свойств и рациональности конструкции».

– Функциональные критерии. Максимально возможное соответствие функциям, назначению техники, эффективности выполнения программы, заложенной в технической системе. Это реализуется через показатели, например, производительность, точность, скорость выполняемых операций. Информационный критерий характеризует степень саморегуляции, совершенство процессов управления.98

– Технологические и эксплуатационные критерии. Технологические критерии характеризуют процесс изготовления техники (трудоемкость , которая должна быть наименьшей; выход годной продукции , которая должна быть наибольшей, сложность сборки , которая должна быть наименьшими и т. д.). Эксплуатационные показатели связаны с надежностью и долговечностью работы техники, ее ремонтоспособностью , дешевизной и простотой обслуживания и т. д.

– Экономические критерии. Стоимость техники , стоимость единицы продукции , окупаемость , обеспечиваемый рост производительности труда и т. д.

– Социальные критерии. Эстетические, нравственные, влияние технической среды на человека и общество99 .

Ю. С. Мелещенко указал и «…генеральную линию поступательного, восходящего развития всей техники , линию, которая прослеживается на протяжении всей истории этого развития. Ею является последовательная материализация трудовых функций человека в технических устройствах, что связано с движением от орудий техники к машинам и затем к автоматической технике , замещающей не только материальные, но также интеллектуальные трудовые функции человека . Знание этой генеральной линии технического прогресса дает общую перспективу, на основе которой, прежде всего, строится прогнозирование и планирование технического прогресса, научная техническая политика… курс на автоматизацию нельзя рассматривать в отрыве от принципиальных изменений всей системы техники, всех отраслей. Автоматизация является синтезирующим, обобщенным показателем технического развития в современных условиях, общим ориентиром технического прогресса»100 .

Опишем систему законов техники, разработанную А. И. Половинкиным101 . Он их разделяет на две группы: законы строения технических объектов и законы развития техники .

– Законы строения технических объектов

– Законы симметрии технических объектов.

– Закон двухсторонней симметрии.

– Закон осевой симметрии.

– Закон центральной симметрии.

– Законы корреляции параметров технических объектов.

– Закон гармонического соотношения параметров технического объекта.

– Закон корреляции параметров одного ряда технических объектов.

– Закон гомологических рядов технических объектов.

– Законы соответствия между функцией и структурой технического объекта.

– Законы развития техники

– Законы расширения множества потребностей-функций.

– Закономерности возникновения и сохранения потребностей-функций.

– Систематика потребностей и их иерархия.

– Расширение множества потребностей-функций.

– Закон стадийного развития технических объектов.

– Закон прогрессивной конструктивной эволюции технических объектов. – Закон возрастания разнообразия технических объектов

– Закон возрастания сложности технических объектов.

Закономерности эволюции антропогенных (искусственных) систем описал в своей монографии Е. М. Балашов102 . Главное внимание он уделил техническим системам. Приведем основные из рассмотренных закономерностей:

– Сохранение основных функций развивающихся систем.

– Относительное и временное разрешение противоречий в антропогенных системах.

– Повышение функциональной и структурной целостности систем.

– Преемственность функционально-структурной организации многоуровневых систем.

– Адекватность функционально-структурной организации назначению системы.

– Сжатие этапов развития систем. Постепенное сжатие по временной оси диалектической спирали развития является общей закономерностью эволюции систем103 .

Кроме того, Е. М. Балашов рассматривает:

– 104 .

– Методологию эволюционного синтеза систем 105 .

– Структурный синтез систем 106 .

Эволюционный синтез систем базируется на закономерностях развития антропогенных систем, используя функционально-структурный подход и создает проблемно-ориентированные системы. При этом используются принцип многофункциональности и структурный синтез систем. «Эволюционный синтез систем позволяет прогнозировать развитие проектируемых систем с позиций эволюции функций и эволюции технологий »107 . «Процесс проектирования системы на основе концепции эволюционного синтеза является по существу процессом последовательного формирования и преобразования (трансформации) моделей функционально-структурной организации систем »108 .

Принцип многофункциональности 109 устанавливающий взаимосвязь изменений функций и структуры многоуровневых систем в процессе развития и определяющий основные тенденции и этапы развития антропогенных систем.

1.5. Работы по законам развития техники в ТРИЗ

1.5.1. Законы развития технических систем, сформулированные Г. С. Альтшуллером

Первая система законов развития техники в ТРИЗ была разработана ее автором Г. С. Альтшуллером в 1956 году. Первоначально она выглядела так110 .

– Отдельные элементы машины, механизма, процесса всегда находятся в тесной взаимосвязи.

– Развитие происходит неравномерно: одни элементы обгоняют в своем развитии другие, отстающие.

– Планомерное развитие системы (машины, механизма, процесса) оказывается возможным до тех пор, пока не возникнут и не обострятся противоречия между более совершенными элементами системы и отстающими ее частями.

– Это противоречие является тормозом общего развития всей системы. Устранение возникшего противоречия и есть изобретение.

– Коренное изменение одной части системы вызывает необходимость для функционально обусловленных изменений в других ее частях.

Кроме того, в этой работе, практически был сформулирован закон полноты частей системы . «Между главными составными частями машины – рабочим органом, передаточным механизмом (трансмиссией) и двигателем – имеется определенное соотношение, ибо все эти части находятся в тесной взаимосвязи и взаимообусловленности. Наличие взаимосвязи между главными составными частями машины приводит к тому, что развитие той или иной части оказывается возможным только до определенного предела – пока не возникнут противоречия между измененной частью машины и оставшимися без изменений другими ее частями ». И далее: «Противоречия, возникающие между отдельными частями машины, являются тормозом общего развития, ибо дальнейшее усовершенствование машины невозможно без внесения изменений в соответствующие ее части, без коренного улучшения их свойств ».

В следующих работах Г. Альтшуллер описывает отдельные законы. Например, дан в виде понятия идеального конечного результата и следующей формулировки: «Максимум нового эффекта при минимуме затрат на реализацию »111 .

В 1963 г. Г. Альтшуллер сформулировал следующие тенденции развития техники112 :

– Увеличение параметров каждого единичного агрегата. Например, увеличение скорости самолета или грузоподъемности автомобиля.

– Увеличение удельных характеристик машин и процессов.

– Интенсификация производственных процессов (например, совмещение во времени нескольких этапов)

– «Динамизация» машин: машины с фиксированными характеристиками (вес, объем, форма и т. д.) вытесняются меняющимися в процессе работы машинами; «жесткие» конструкции вытесняются «гибкими». Это заметная тенденция в развитии современной техники – разделение машины на несколько гибко сочлененных секций.

В этой же работе описывается понятие «идеальная машина»113 :

«Идеальная машина » - абстрактный эталон, в реальных условиях недостигаемый и отличающийся следующими обстоятельствами:

– Все части идеальной машины все время несут полезную расчетную нагрузку.

– Материал «идеальной машины» работает так, что его свойства используются наилучшим образом, например, металлические части работают только на растяжение, деревянные части – только на сжатие и т. д.

– Для каждой части «идеальной машины» созданы наиболее благоприятные внешние условия (температура, давление, характер движения внешней среды и т. д.).

– Если «идеальная машина» передвигается, то вес, объем и площадь полезного груза совпадают или почти совпадают с весом, объемом и площадью самой машины.

– «Идеальная машина» способна менять назначение (в пределах своей основной функции).

– Межремонтный период частей равен сроку службы всей «идеальной машины».

Сравнивая «идеальную машину» с идеей изобретения, можно судить об уровне, вообще достигнутом в данной отрасли техники, и о качестве найденной идеи.

В середине 70-х годов Г. Альтшуллер разработал другую систему законов, которая была описана в двух работах «Линии жизни» технических систем и

«О законах развития технических систем», которые были распространены в школах ТРИЗ114 . В дальнейшем они были опубликована в книге «Творчество как точная наука»115 и сборнике Дерзкие формулы творчества116 . Законы были разбиты на три группы: статика , кинематика и динамика . Приведем эти законы.

Статика

1. Закон полноты частей системы

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

Каждая техническая система должна включать четыре основные части: двигатель, трансмиссию, рабочий орган и орган управления117 .

Следствие из закона 1 :

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

2. Закон «энергетической проводимости» системы

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

Следствие из закона 2 :

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

3. Закон согласования ритмики частей системы

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

Кинематика

4. Закон увеличения степени идеальности системы

Развитие всех систем идет в направлении увеличения степени идеальности.

5. Закон неравномерности развития частей системы

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

6. Закон перехода в надсистему

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

Динамика

7. Закон перехода с макроуровня на микроуровень

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

8. Закон

Развитие технических систем идет в направлении увеличения степени вепольности. 118

Позже Г. Альтшуллер ввел закон увеличения степени динамичности, уточнил понятия законов перехода в надсистему и увеличения степени вепольности 119 , разработал линию увеличения пустотности 120 .

Закон увеличения степени динамичности Альтшуллер описал так:

«… для каждой системы неизбежен этап „динамизации“ – переход от жесткой, не меняющейся структуры к структуре гибкой, поддающейся управляемому изменению. … „Зрелые“ и „пожилые“ системы тоже динамизируются, что компенсирует увеличение их размеров». … «Вводят шарниры и упругие элементы, применяют пневмо- и гидроконструкции, используют вибрацию, фазовые переходы… Выбор способа динамизации зависит от конкретных обстоятельств, но сама динамизация – универсальный закон , определяющий направление развития всех технических систем, даже таких, которые по самой своей природе, казалось бы, должны оставаться жесткими»121 . Практически это развитие тенденции, высказанной Г. Альтшуллером в 1963 г. (см. с. 44).

Механизмы закона перехода в надсистему 122 Генрих Альтшуллер представил в виде перехода МОНО-БИ-ПОЛИ-СВЕРТЫВАНИЕ.

1. Эффективность синтезированных би-систем и поли-систем может быть повышена прежде всего развитием связей элементов в этих системах.

2. Эффективность би- и поли-систем может быть повышена увеличением различия между элементами системы : от однородных элементов к элементам со сдвинутыми характеристиками, а затем – к разнородным элементам и инверсным сочетаниям типа «элемент и анти-элемент».

Закон увеличения степени вепольности был представлен в виде «линия развития вепольных систем: от невеполей к простым веполям, затем к сложным веполям и далее к веполям, форсированным и комплексно форсированным»123 .

Линия увеличения пустотности будут описана ниже (см. п. 7.5).

Линия перехода к капиллярно-пористому веществу была изложена в стандарте 2.2.3. Этот переход этот осуществляется по линии: «сплошное вещество – сплошное вещество с одной полостью – сплошное вещество со многими полостями (перфорированное вещество) – капиллярно-пористое вещество – капиллярно-пористое вещество с определенной структурой (и размерами) пор». По мере развития этой линии увеличивается возможность размещения в полостях-порах жидкого вещества и использования физических эффектов.

1.5.2. Законы развития технических систем, сформулированные другими авторами

Законы формулировались и усовершенствовались и другими авторами. Отметим некоторые из работ.

– Закон увеличения степени идеальности : В. Петров124 , Ю. Саламатов и И. Кондраков125 , Э. Каган126 , В. Фей127 , В. Митрофанов128 , Г. Иванов129 , А. Любомирский130 .

– Закон увеличения степени динамичности – И. Кондраков131 .

Подзаконы динамичности:

а) увеличения пустотности - Г. Альтшуллер и И. Верткин132 ;

б) увеличение степени дробления – В. Петров133 ;

в) цепочка развития капиллярно-пористых материалов (КПМ)

Г. Альтшуллер134 , И. Рябкин135 , Ю. Саламатов136 , В. Петров137 .

– Закон сквозного прохода энергии – Г. Иванов138 .

– Закон согласования технических систем разрабатывали: С. Литвин139 , Б. Злотин и А. Зусман140 , В. Петров и Э. Злотина141 .

– Модификацию закона перехода в надсистему осуществили:

С. Литвин и В. Герасимов142 , Г. Френклах и Г. Езерский143 , А. Пиняев144 .

– Закон увеличения степени вепольности – В. Петров145 .

– Закон идеальности механизмов свертывания: С. Литвин и

В. Герасимов146 , В. Дубров147 .

– Закономерность точка – линия – объем В. Петров148 , А. Любомирский149 .

– Системный анализ, системные исследования, теория систем – В. Петров150 , А. А. Быстрицкий151 .

– Использование законов при проведении ФСА – С. Литвин и

В. Герасимов152 .

С 1965 г. автор изучал и использовал на практике теорию автоматического управления и кибернетику, а с 1968 г. – теорию систем, системные исследования, системный анализ и системный подход. Исследования в основном проводились с целью создания новых систем автоматического управления и контроля для различных объектов153 .

Указанные и другие работы послужили фундаментом для разработки законов развития технических систем. Эти исследования автор ведет с 1973 года. Первоначально была сделана попытка перенести законы диалектики (единство и борьбы противоположностей, перехода количественных изменений в качественные и отрицания отрицания)155 на развитие техники.

В 1973 году по аналогии с приемами разрешения технических противоречий, разработанных Г. С. Альтшуллером156 , автор решил разработать несколько тенденций: дробление (прием 1. Принцип дробление), управление весом (прием 8. Принцип антивеса) и переход от точки к линии, плоскости и объему (прием 17. Принцип перехода в другое измерение и прием 7. Принцип «Матрешки»). Эти работы обсуждались с Г. Альтшуллером.

Первоначально тенденцию дробления автор описал как переход от монолитного твердого объекта к гибкому , затем к раздробленному объекту вплоть до порошка , далее к гелю , жидкости , газу и к полю 157 .

Цепочку управления весом (позже автор назвал ее «гравиполи») первоначально автор представил в виде: использование силы Архимеда в газе и жидкости , крыло и набегающий поток , магнитное и электрическое поля158 .

Переход от точки к линии, плоскости и объему первоначально автор описал так: переход от точки к линии в плоскости , линии в пространстве , плоскости , использование обратной стороны плоскости , лента Мебиуса , переход к объему , использование внутреннего объема (принцип матрешки)159 .

В этот период наиболее сильные теоретические работы по законам развития технических систем, кроме Г. Альтшуллера, были сделаны Б. Голдовским160 , который рассмотрел понятия и механизмы по узловому компоненту, противоречиям и оператору отрицания и ввел понятие главной полезной функции системы (ГПФ).

Одной из первых разработок автора в ТРИЗ была цепочка дробления 161 , которая описывала постепенный переход (замену) исполнительного органа (теперь он называется рабочим органом) от монолитного твердого вещества к гибкому (эластичному) объекту, к разделению объекта на отдельные части , связанные между собой связями, которые меняются от жестких к гибким и исчезают совсем, не связанные части или связанные с помощью какого-либо поля, например, магнитного, части постепенно измельчаются, превращаясь в мелкодисперсный порошок – порошкообразный объект , постепенно переходя к гелю – пастообразному веществу, затем изменяется степень вязкости вещества до получения жидкости, далее изменяется степень связанности жидкости, используя более легкие и летучие жидкости и аэрозоли, содержание газа в аэрозоле увеличивается, и таким образом происходит переход к газу, постепенно используя все более легкий газ и изменяя степень разряжения вплоть до образования вакуума, вакуум делают все более глубоким, последний переход к полю , в частности используется плазма. Эта цепочка совершенствовалась и к середине 70-х она имела вид, используемый автором и сегодня162 . В начале 80-х к этой цепочке автор присоединил цепочку капиллярно-пористых материалов.

В 1979 г. Б. Злотин написал работу «анализ процессов»163 , где он описал закономерности развития процессов и механизмы его исполнения.

Детальнее опишем историю формулировки закона согласования .

Впервые закон согласования был сформулирован Г. Альтшуллером в начале 70-х годов в виде закона согласования ритмики частей системы 164 . Этот закон является частным случаем закона согласования, который был сформулирован позже.

Наибольший вклад в развитие этого закона (насколько это известно автору) внесли представители Ленинградской школы ТРИЗ. Основные идеи этого закона были предложены Б. Злотиным, Э. Злотиной, С. Литвиным и В. Петровым в 1975-1980 гг. Этот закон и многие другие направления ТРИЗ неоднократно обсуждались в этом коллективе. Были выработаны общие подходы, например, что понятие этого закона должно быть значительно расширено, но, тем не менее, каждый имел и свой взгляд на этот закон.

Например, понятие «согласование-рассогласование» предложила Э. Злотина. Первоначально эта закономерность разрабатывалась совместно Б. Злотиным и Э. Злотиной, а в дальнейшем Б. Злотиным и А. Зусман.

С. Литвин рассматривал четыре вида согласования165 .

1. Компонентное согласование материалов, веществ.

2. Структурное – согласование размеров, форм, структуры.

3. Параметрическое – согласование основных параметров технических систем: температур, весов, давлений, плотностей, электрических сопротивлений и т. д.

4. Функциональное – согласование основных функций.

Кроме того, С. Литвин рассматривает:

1. Согласование подсистем одной ТС.

2. Согласование ТС и внешней среды.

3. Согласование изделия и инструмента.

4. Согласование инструментов между собой.

5. Согласование изделий между собой.

Б. Злотин рассматривает различные виды согласования-рассогласования166 (разбивка по пунктам и группировка осуществлена В. Петровым).

1. Согласование-рассогласование параметров.

1.1. Прямое и обратное.

1.2. Однородное и неоднородное.

1.3. Внутреннее и внешнее.

2. Согласование-рассогласование систем:

2.1. Непосредственное.

2.2. Условное.

3. Согласование-рассогласование материалов.

4. Согласование-рассогласование форм и размеров.

5. Согласование-рассогласование ритмики работы.

6. Согласование-рассогласование структуры.

7. Согласование-рассогласование потоков в системах.

8. Согласование-рассогласование живучести системы.

Кроме того, Б. Злотин рассматривает линии развития ТС по согласованию-рассогласованию:

1. Несогласованная система → Согласованная система → Рассогласованная система → Система с динамическим согласованием-рассогласованием.

2. Виды согласования:

Несогласованная система → Система с принудительным согласованием → Система с буферным согласованием → Система со свернутым согласованием.

3. Согласование ритмики рабочих движений при обработке:

→ Совместимость транспортного и технологического движений с согласованием скоростей → Совместимость транспортного и технологического движений с рассогласованием скоростей → Независимость технологии от транспортного движения.

Закон согласования, сформулированный В. Петровым в 1975-1978167 , имеет следующую структуру:

1. Согласование может быть:

1.1. Статическое.

1.2. Динамическое.

– Согласование проводится по уровням :

2.1. Потребностей.

2.2. Функций.

2.3. Систем.

– Виды согласования:

3.1. Во времени.

3.2. В пространстве.

3.3. В структуре.

3.4. По условиям.

3.5. Параметров.

К согласованию во времени, в частности относится согласование процессов и потоков.

Согласование потребностей может проводиться:

– по самим потребностям (согласование потребностей между собой);

– по параметрам;

– по структуре;

– по условиям;

– в пространстве;

– во времени.

В частности, может быть динамическое согласование .

Под согласованием потребностей понимается и их специальное рассогласование (максимальное увеличение разницы между потребностями).

Согласование функций может осуществляться:

– во времени;

– в пространстве;

– по условиям.

В частности, может быть динамическое согласование .

На уровне систем согласование проводится между:

– системами;

– подсистемами;

– надсистемами;

– подсистемами с системой и надсистемой;

– системы с надсистемой и внешней средой;

– обратное согласование или рассогласование надсистемы и окружающей среды с системой и подсистемами.

При согласовании систем, прежде всего, необходимо согласовать ее структуру . К структуре, в частности, относятся форма, расположение отдельных элементов и их взаимодействие.

Структура системы определяется элементами и связями. Они могут быть:

– вещественные;

– энергетические;

– информационные.

Системные понятия структуры, ее элементов и связей, и их видов (вещество, энергия, информация ) относятся так же к подсистемам, надсистеме и внешней среде.

Параметры могут быть:

– технические;

– эргономические;

– экономические;

– экологические;

– эстетические;

– социальные;

– политические и т. д.

К техническим параметрам относятся не только сугубо технические, но и физические, химические, математические, параметры надежности, т. е. все параметры, относящиеся к работоспособности системы. В частности, в качестве технических параметров могут рассматриваться частоты и ритмика. Таким образом, согласование ритмики частей системы относится к одному из видов параметрического согласования.

В общем случае согласование проводится по всем указанным выше структурным направлениям. Оно представляет собой комбинацию этих структурных направлений и поднаправлений закона согласования.

Согласование должно осуществляться по сложной морфологической структуре, в виде морфологической матрицы с подматрицами. Своего рода сочетание древовидного графа структуры и перебора всех вариантов на каждом из уровней графа в виде морфологической матрицы.

Разработкой системы законов, по нашим данным, занимались

Б. Злотин и А. Зусман168 , Ю. Саламатов169 , В. Петров и Э. Злотина170 , С. Литвин и А. Любомирский, Г. Иванов171 , А. Захаров172 , И. Девойно173 и М. Рубин174 .

Опишем наиболее полные и существенные, на наш взгляд, системы.

Система законов Б. Злотина и А. Зусман 175 содержала новые законы, например, «развертывание-свертывание », «согласование-рассогласование », «увеличение использования ресурсов », и механизмы выполнения каждого из законов (линии развития технических систем – всего 22 линии)176 .

1. Эволюция ТС .

Создание системы → 1 этап развития → 2 этап развития → 3 этап развития → создание новой системы.

2. Вытеснение человека из ТС .

Исходная система → вытеснение человека как индивида, при сохранении принципа действия → вытеснение человеческого принципа действия, замена его машинным.

Вытеснение на одном уровне

Исходная система → вытеснение из исполнительных органов → вытеснение из преобразователя → вытеснение из источника.

Вытеснение между уровнями

Исходная система → вытеснение с исполнительного уровня → вытеснение с уровня управления → вытеснение с информационного уровня.

3. Увеличение степени идеальности ТС .

Исходная система → совершенствование в рамках существующей концепции → переход к принципиально новой системе.

4. Развертывание-свертывание ТС .

Развертывание:

Создание функционального центра → включение дополнительных подсистем: повышение уровня иерархии путем дробления или повышение уровня иерархии путем перехода к надсистеме → переход к ретикулярной системе.

Свертывание

Минимальное свертывание → частичное свертывание → полное свертывание.

5. Повышение динамичности и управляемости ТС .

Переход к мультифункциональности:

Нединамическая система → система со сменными рабочими органами → система с программным принципом осуществления функций → система с изменяемыми рабочими органами.

Увеличение числа степеней свободы

Нединамическая система → система, изменяющаяся механически: шарниры, механизмы, гибкие материалы и т. п. → система, изменяющаяся на микроуровне: фазовые переходы, хим. превращения и т. п. → система с изменяющимися полями.

Повышение управляемости

Неуправляемая система → система с принудительным управлением → система с самоуправлением.

Изменение степени управляемости

Статическая система → система с несколькими устойчивыми состояниями (мультиустойчивая) → динамически устойчивая система → неустойчивая система.

6. Переход на микроуровень и к использованию полей .

Переход на микроуровень:

Макроуровень → → → → → система на атомном уровне →

Переход к высокоэффективным полям:

Механические поля (М) → термомеханические (ТМ) → тепловое поле (Т) → термохимические (ТХ) → химические взаимодействия (Х) → электрохимические (ХЭ) → электрические поля (Э) → электромагнитные (ЭМ) → магнитные поля (М).

Повышение эффективности действия полям:

Поле постоянное → поле обратного знака, сочетание противоположно направленных полей (±) → переменное поле (резонанс, стоячие волны и т. п.) → импульсное градиентное поле → суммарное действие разных полей.

7. Согласование – рассогласование ТС .

Несогласованная система → согласованная система → рассогласованная система → система с динамическим согласованием-рассогласованием.

Виды согласования

Несогласованная система → система с принудительным согласованием → система с буферным согласованием → система со свернутым согласованием.

Согласование взаимодействия инструмента с изделием

Действие по точкам → действие по линиям → действие по поверхности → действие по объему.

Согласование ритмики рабочих движений при обработке

Несовместимость транспортного и технологического движений → совместимость транспортного и технологического движений с согласованием скоростей → совместимость транспортного и технологического движений с рассогласованием скоростей → независимость и технологии от транспортного движения.

8. Дробление ТС .

Сплошной объект → объект с частичными внутренними перегородками → объект с полыми перегородками → объект с частичным отделением отсеков → объект с конструкцией типа штанги → объект с частичным, связанными полями → объект со структурной связью → объект с программной связью частей → система с нулевой связью частей.

9. Переход на микроуровень и к использованию полей .

Топливо:

Макроуровень → подсистема из деталей обобщенной формы → полисистема из высокодисперсных элементов → система на надмолекулярном уровне → система на молекулярном уровне (химия) → система на атомном уровне → система с использованием полей.

Топливо

Природное топливо → «облагороженное» природное топливо (кокс, бензин и т. п.) → синтетическое топливо (порох, водород и т. п.).

Окислитель

Воздух → воздушное дутье → кислород → озон → другие окислители → ионизированные окислители.

Управление сгоранием

Неуправляемое горение → управление подачей горючего, окислителя → непосредственное управление процессом горения (катализаторы, поля).

Позже Б. Злотиным и А. Зусман была разработана методика «Directed Evolution »177 , предназначенная для разработки прогноза развития систем. Она состоит из 5 этапов: сбор исторических данных, диагностики путей развития, синтеза идей, принятия решения и поддержки процесса развития . В работе детально описывается технология проведения каждого из этапов. В ней имеются обширные приложения, где, в частности излагаются и законы развития систем. В 2006 г. они разработали концепцию и методы управления развитием искусственных систем 178 , включающие банк эволюционных альтернатив (Bank of Evolutionary Alternatives) . Банк состоит из 5 групп: универсальное развитие, биологическое развитие, развитие человеческой цивилизации, развитие искусственных систем, микроразвитие (изобретения и инновации) .

Первую систему законов В. Петров предложил в 1976 г. по результатам анализа законов развития биологии и переноса их в технику179 . Структура законов включала три группы: жизнеспособность (законы организации), эффективность и эволюция построения новых систем. В этой работе были введены и определены законы избыточности и толерантности . В 1978 г. эта система была усовершенствована180 : Среди законов эволюции был указан главный закон развития систем – закон увеличения степени идеальности , которому подчиняется общее развитие систем. Более детальная система была создана в 1979 г.181 В основу этих исследований положены законы развития технических систем, разработанные Г. Альтшуллером.

Полностью сформированная система законов была разработана к 1982 г., а опубликована в 1984 г.182 . Механизмы закона увеличения степени идеальности были разработаны в 1982 г.183 , а опубликованы в 1983 г.184

Данная классификация просуществовала до 1983 г.185 Менялось только содержание групп, количество законов, их формулировки и механизмы их исполнения.

Автор неоднократно обсуждал результаты исследований в Ленинградской школе ТРИЗ со своими коллегами и друзьями Волюславом Митрофановым, Борисом Злотиным, Эсфирь Злотиной, Семеном Литвиным, Игорем Викентьевым, Владимиром Герасимовым, Вадимом Канером и многими другими. Большую работу по анализу этих работ провел мой друг автора Борис Голдовский. Советы этих людей и их теоретические работы существенно повлияли на формирование взглядов автора на законы развития технических систем.

В 1984 г. автор изменил систему законов, разбив их на две группы: организации систем и их эволюции 186 . В этой работе излагалась также методика прогнозирования на основе законов развития технических систем и системного анализа. Она излагалась на примере развития судостроения и, в частности, подводных аппаратов. Методика рассматривала полный и экспресс-прогнозы. Экспресс прогноз проводился с помощью системы стандартов и законов развития технических систем. Полный прогноз предусматривал глубокие патентные исследования рассматриваемой области, смежных и ведущих областей и функциональное исследование патентов и технической литературы. Кроме того, определялись закономерности развития реально существовавших систем. В дальнейшем эта методика была уточнена и использована для прогнозирования развития сварки. Прогноз опирался на исследование 80 000 патентов187 .

В 1986 г. автор начал разработку законов развития потребностей 188 и функций 189 , что привело к качественно новому этапу в развитии системы законов, которая состояла из трех уровней: потребностей , функций и систем. Система прогнозирования так же включала эти три уровня. Разработка этой системы законов была завершена к 1987 г. и опубликована в 1989 г.190 . Уточненная система законов развития технических систем была изложена в подготовленном учебнике191 . Сегодняшнее представление В. Петрова заключается в том, что на только система законов должна иметь не только три указанные уровня законов, но и каждый закон должен содержать механизмы его применения и иметь тенденцию и антитенденцию их развития192 . При прогнозировании развития системы необходимо учитывать экономические законы и тенденции развития маркетинга, а при продвижении системы на рынок необходимо дополнительно учитывать тенденции развития компании и рынка193 .

К 1983 г. Б. Голдовским была разработана система закономерностей построения и развития ТС, включающая около 60 элементов, фрагменты которой были опубликованы в 1990 году.

В 1984 г. Ю. Саламатов совместно с И. Кондраковым опубликовали работу «Идеализация технических систем»194 . Они предложили пространственно-временную модель эволюции технических систем (модель бегущая волна идеализации) на примере развития тепловой трубы. Модель показывала этапы развертывания и свертывания технических систем, используя конкретные законы. В дальнейшем система законов была усовершенствована195 .

В работе С. Литвина и А. Любомирского была предложена иерархическая система законов, во главе которой был поставлен закон развития по S-образной кривой196 .

Этому закону подчиняется закон повышения идеальности, а этому закону подчиняются законы:

– закон перехода в надсистему;

– закон повышения свернутости;

– закон повышения эффективности использования потоков;

– закон повышения согласованности;

– закон неравномерного развития частей технической системы;

– закон повышения полноты технической системы.

Закон повышения согласованности имеет подзакон – закон повышения управляемости, а этот закон имеет подзакон – закон повышения динамичности технических систем.

Закон повышения полноты технической системы имеет подзакон – закон вытеснения человека из технической системы.

В этой системе законы рассматриваются в зависимости от этапа развития технической системы в соответствии с S-образной кривой.

М. Рубин предложил систематизацию законов развития, состоящую из законов синтеза систем, законов развития систем и специальных законов развития, отражающих особенности данного типа систем: для технического вещества (техновещество), для функционирующих систем и для саморазвивающихся социально-технических систем197 .

В 2011 г. М. Рубин предложил систему, содержащую следующие законы: закон повышения идеальности, закон перехода в надсистему, закон повышения полноты частей системы, закон неравномерного развития частей системы (противоречия), закон оптимизации потоков, закон повышения свернутости, закон вытеснения человека, закон повышения согласованности, закон повышения управляемости, закон повышения динамичности, развитие технических систем по S-образной кривой 198 .

Кроме того, Рубин приводит восемь линий развития:

1. Переход в надсистему и ее подсистемы (на микроуровень);

2. Линии коллективно-индивидуального использования систем;

3. Линия введения элементов (веществ);

4. Линия введения и развития полей взаимодействия;

5. Линия дробления и динамизации;

6. Линия согласования-рассогласования;

7. Линия развития систем в соответствии с S-образными кривыми;

8. Линии и тенденции развития программного обеспечения.

В 2015 г. М. Рубин предложил новую систему законов199 .

1. Закон развития систем в направлении повышения уровня и эффективности захвата ресурсов.

2. Закон повышения системных связей и разнообразия полей взаимодействия и механизмов захвата в процессе эволюции систем.

3. Закон зависимости развития систем от доступных ресурсов.

4. Закон перехода от ресурсных к самоорганизующимся и к функциональным системам.

5. Закон перехода к формированию надсистемам (объединениям) и образованию или развитию подсистем.

6. Закон изменения внешней и внутренней среды системы при ее развитии;

7. Закон стремления к идеальным функциональным системам.

8. Закон сохранения структурной целостности и функциональной полноты систем.

9. Закон стремления систем к повышению степени их независимости от внешней среды.

10. Закон развития механизмов захвата от жестких к гибким, от постоянных к управляемым.

11. Закон развития через возникновение и разрешение противоречий требований.

12. Закон принципов разрешения противоречий при развитии систем в пространстве, во времени, системными переходами и в отношениях.

Велись работы по выявлению закономерностей развития нетехнических систем разными авторами:

– развитие научных систем – Г. Альтшуллер200 , В. Митрофанов201 , И. Кондраков202 , В. Цуриков203 , Г. Головченко204 , Г. Иванов205 , Б. Злотин и – А. Зусман206 ;

– развитие биологических систем описали – В. Петров207 ,

И. Захаров208 , – В. Тимохов209 ;

– развитие окружающей среды (создание бесприродного технического мира – БТМ) – Г. Альтшуллер, М. Рубин210 ;

– развитие художественных систем – Ю. Мурашковский и

И. Мурашковска211 , Р. Флореску212 ;

– развитие литературы (сказки) – А. Нестеренко213 , (пословицы) С. Перницкий214 , (анатомия сюжета) А. Молдавер215 ;

– развитие музыкальных форм – Э. Злотина216 ;

– развитие творческой личности – Г. Альтшуллер и И. Верткин217 ;

– развитие творческого коллектива – Б. Злотин, А. Зусман, Л. Каплан218 ;

– многоуровневневое непрерывное креативное образование – М. Зиновкана219 ;

– развитие педагогики – А. Нестеренко, В. Бухвалов220 , А. Гин221 ;

– развитие фокусов – В. Л. Уральская и С. Литвин222 ;

– развитие журналистики 223 и рекламы – И. Викентьев224 ;

– закономерности развития менеджмента и предвыборной борьбы – С. Фаер225 ;

– диалектика – В. Петров226 , А. Лимаренко227 .

Проблемами прогнозирования с использованием ТРИЗ занимались Г. Альтшуллер228 , Б. Злотин и А. Зусман229 , С. Литвин и

В. Герасимов, М. Рубин230 , В. Петров и Э. Злотина231 , И. Захаров232 ,

Н. Шпаковский233 .

До настоящего времени, на наш взгляд, еще не сложилось единого представления о законах развития технических систем. Все эти работы описывают общие и различные моменты. Имеется несколько систем, описывающих законы развития технических систем. Наиболее удачные из них, на наш взгляд – это системы Г. Альтшуллера,

Б. Злотина и А. Зусман, С. Литвина и А. Любомирского, Ю. Саламатова, В. Петрова.

Новым шагом в развитии ТРИЗ как науки стал Саммит разработчиков ТРИЗ. В 2006 году он проводился по теме «Законы развития технических систем»234 .

Определенный вклад в развитие законов внесли следующие авторы: В. Герасимов и Л. Кожевникова235 Б. Злотин и А. Зусман236 , А. Кудрявцев237 , С. Литвин и М. Гершман238 , А. Любомирский239 , Ю. Мурашковский240 , В. Петров241 , А. Пиняев242 , М. Рубин243 , Б. Чернов244 , П. Чуксин245 , Н. Шпаковский246 .

В этом разделе не ставилась задача провести глубокий аналитический обзор работ по законам развития технических систем. Наверняка упущены какие-то работы и отдельные авторы, поэтому приносим им свои извинения.

1.6. Выводы

Постулат о том, что любая система, в том числе и техническая, развивается по законам, был описан еще в работах Гегеля.

Первые законы развития техники были сформулированы еще в XIX веке, а первые классы законов развития систем в конце 40-х – начале 60-х гг. XX века.

Первую систему законов развития технических систем разработал

Г. С. Альтшуллер.

В настоящее время еще не сложилась единая система законов развития техники и любых других систем.

Данный материал предназначен в первую очередь для людей, занимающихся исследованиями в области законов развития систем, и разработчиков новой техники, для прогнозирования развития технических систем. Этот материал может быть полезен, слушателем, изучающим теорию решения изобретательских задач (ТРИЗ).

Будущим исследователям законов развития систем предстоит серьезно проанализировать все имеющиеся материалы. Данная работа поможет им увидеть некоторые источники. Кроме того, необходимы исследования по развитию различных систем, прежде всего, самых древних. К ним в первую очередь относятся биологические системы. Может быть, следует даже исследовать еще более древние системы образования звезд, планет, галактик и космической системы в целом. Должны быть исследованы различные виды культур, языки, религии, музыка, литература, искусства и т. д. Не менее интересно исследовать стремительно развивающиеся сегодня системы высоких технологий. Здесь тоже имеются свои закономерности. Особенно это касается микроэлектроники, компьютеров, информационных технологий и программирования, где наверняка имеются закономерности, которые еще не выявлены.

Закон полноты частей системы

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

рабочий орган ,

энергия для обеспечения его работы,

система управления рабочим органом.

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

минимальный набор элементов в средствах транспорта, например, это:

движитель – рабочий орган ,

двигатель с источником энергии ,

корпус ,

система управления .

В качестве примера рассмотрим некоторые виды указанных частей судна.

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

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

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

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

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

Пример 1.

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

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

Пример 2.

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

Пример 3.

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

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

Пример 4.

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

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

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

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

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

Пример 5 .

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

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

Пример 6.

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

Пример 7 .

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

двигатель

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

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

Корпус

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

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

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

южноамериканская тростниковая лодка

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

плот	водоизмещающий корпус	с подводными крыльями	экраноплан

Система управления

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

Пример 8.

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

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

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

Каждая техническая система должна включать четыре основные части: двигатель, трансмиссию, рабочий орган и орган управления.

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

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

Из закона 1 вытекает очень важное для практики следствие. Чтобы техническая система была управляемой, необходимо, чтобы хотя бы одна её часть была управляемой.

«Быть управляемой» - значит менять свойства так, как это надо тому, кто управляет. Знание этого следствия позволяет лучше понимать суть многих задач и правильнее оценивать полученные решения».

Альтшуллер Г.С., Творчество как точная наука, М., «Советское радио», 1979 г., с. 123.