Процесс решения творческих задач называют техническим творчеством
А.В.Гордеев
Основы
технического творчества
Часть 1
Учебное пособие для студентов
машиностроительных специальностей
Тольятти, 2008
ББК 74.200.585.01
Г-68
УДК 658.512.2(075.8)
Рецензенты:
В.И. Столбов, акад. РАЕН, доктор техн. наук, Засл. деятель науки и техники РФ, профессор Тольяттинского государственного университета
З.Ф. Мазур, акад. МАЭП, доктор пед. наук, профессор, директор Тольяттинского института технического творчества и патентоведения
Гордеев, А.В.Основы технического творчества, часть 1 / А.В.Гордеев. – Тольятти : Тольяттинский государственный университет, 2008. – 283 с.
ISBN
В книге в доступной, увлекательной форме рассказано о методике изобретательства. Изложены наиболее эффективные методы решения изобретательских задач. Приведено большое число задач с решениями, полученными различными методами.
Книга представляет интерес для рабочих и инженерно-технических работников, учащихся и студентов машиностроительных специальностей.
© А.В. Гордеев, 2008
ISBN
Содержание
От автора 5
1. Поговорим о творчестве 10
Выводы 20
Вопросы для самоконтроля 21
Упражнения и примеры решений 22
2. В мире противоречий 28
2.1. Модификация метода проб и ошибок 29
2.2. Алгоритм выявления противоречий 31
2.3. Банк противоречий 39
Выводы 44
Вопросы для самоконтроля 45
Упражнения и примеры решений 46
3. Как разрешить противоречие? 55
3.1. Разделение противоречия во времени (РПВ) 56
3.2. Разделение противоречия в пространстве (РПП) 71
Выводы 80
Вопросы для самоконтроля 81
Упражнения и примеры решений 82
4. Что такое веполь? 96
4.1. Достройка веполя (ВАД) 97
4.2. Улучшение элементов (ВАУ) 111
4.3. Надстройка веполя (ВАН) 120
Выводы 131
Вопросы для самоконтроля 133
Упражнения и примеры решений 134
5. Вспомним физику 144
5.1. В мире физэффектов 145
5.2. Путеводитель в мире физэффектов 170
Вывод 182
Упражнения и примеры решений 182
6. Просто и эффективно 189
6.1. Объединение (ЭПО) 190
Приём ЭПО1 «Объединение объектов» 190
Приём ЭПО2 «Объединение функций» 195
Приём ЭПО3 «Матрёшка» 197
6.2. Упругость (ЭПУ) 198
Приём ЭПУ1 «Упругий элемент» 199
Приём ЭПУ2 «Надувной элемент» 202
6.3. Наоборот (ЭПН) 205
Приём ЭПН1 «Противоположное положение» 206
Приём ЭПН2 «Противоположное действие» 209
6.4. Криволинейность (ЭПК) 213
Приём ЭПК1 «Криволинейный элемент» 213
Приём ЭПК2 «Вращение» 215
Приём ЭПК3 «Качение» 216
6.5. Динамичность (ЭПД) 219
Приём ЭПД1 «Подвижность» 219
Приём ЭПД2 «Адаптивность» 221
6.6. Подобие (ЭПП) 224
Приём ЭПП1 «Копия объекта» 224
Приём ЭПП2 «Природный аналог» 226
6.7.Вред - в пользу (ЭПВ) 228
Приём ЭПВ1 «Использование» 228
Приём ЭПВ2 «Усиление» 231
Приём ЭПВ3 «Сложение» 232
Приём ЭПВ4 «Дешёвая недолговечность» 233
Приём ЭПВ5 «Отходы» 234
6.8. Состояние (ЭПС) 238
Приём ЭПС1 «Агрегатное состояние» 238
Приём ЭПС2 «Консистенция» 241
Приём ЭПС3 «Пористость» 243
Выводы 246
Вопросы для самоконтроля 249
Упражнения и примеры решений 251
7. Заглянем в ответ 257
7.1. Ответы к задачам разд.3. Разделение противоречий 258
7.2. Ответы к задачам разд.4. Вепольный анализ 266
7.3. Ответы к задачам разд.5. Использование физэф- 272
фектов
7.4. Ответы к задачам разд.6. Эмпирические правила 275
Заключение 280
Библиографический список 282
От автора
Будущее нашего народа зависит от состояния
в стране профессии изобретатель.
Безусловно, та страна окажется в будущем самой
сильной в борьбе за существование,
в которой будет наибольшее число
самостоятельно работающих изобретателей
Акад. П.И.Вальден
Для того чтобы человек стал мореплавателем
и открыл новые земли,
нужен не только учебник навигации,
но и «Робинзон Крузо»
И.Я.Маршак
Технический прогресс, определяющий уровень развития как страны, так и человеческой цивилизации в целом, обуславливается созданием новых, более прогрессивных, чем известные, изделий и технологий. Поэтому для молодого специалиста – рабочего, техника, инженера - мало научиться решать такие теоретические и практические задачи, для которых уже имеется готовая постановка (модель) задачи, даётся способ её решения в виде чёткого алгоритма, имеются примеры решения задач по этому способу. Важно научиться решать творческие задачи, то есть такие, для которых зачастую нет чёткой формулировки задачи, нет готового алгоритма её решения, неизвестна область поиска решения, нет примеров решения аналогичных или близких задач, ответ может быть многовариантным.
Ещё совсем недавно у нас бытовало мнение, что процесс творчества, в том числе и технического, непознаваем, что изобретения делаются в результате «внезапного озарения», что процессом творчества нельзя управлять. И лишь с 60-х годов прошлого столетия отношение специалистов к процессу творчества начинает меняться, разрабатывается технология технического творчества, которая, в конце концов, формируется в теорию решения изобретательских задач (ТРИЗ). Основоположником ТРИЗ по праву считается наш соотечественник, советский писатель-фантаст и инженер-изобретатель Генрих Саулович Альтшуллер. В основе ТРИЗ лежит знание основных законов развития техники. Для изучения этих законов, выработки осмысленного применения их при совершенствовании объектов техники, освоения основных методов решения изобретательских задач во многих вузах, колледжах, технических училищах введена учебная дисциплина «Основы технического творчества».
Цель данной книги – познакомить читателя с основными положениями ТРИЗ, помочь ему овладеть интенсивной технологией создания новых прогрессивных технических решений.
Конечно, в какой-то мере технологией создания новых технических решений можно овладеть интуитивно, в результате производственной деятельности. Нам известны имена выдающихся изобретателей, в том числе и отечественных, которые пришли к созданию принципиально новых изделий и технологий в результате многолетнего кропотливого, напряженного, самоотверженного труда. Изобретение в 1717 году Андреем Константиновичем Нартовым токарного станка с цепным приводом, а затем и токарно-винторезного станка более чем на полвека опередило изготовление аналогичного станка англичанином Генри Модсли (1797г.). Изобретение в 1763 году Иваном Ивановичем Ползуновым паровой машины для откачки воды из шахты проложило прямую дорогу к созданию англичанином Джеймсом Уаттом в 1774 году универсального парового двигателя. В 1779 году знаменитый русский изобретатель Иван Петрович Кулибин создал первый прожектор, свет от которого был виден на 30 км. В 1832 году Павел Львович Шиллинг изобрёл электромагнитный телеграф и проложил первую подземную телеграфную линию в Петербурге. Борис Семёнович Якоби в 1838 году испытал первое в мире судно с электрическим двигателем, кстати, им же изобретённым. Известный русский металлург Павел Петрович Аносов сумел в 1841 году раскрыть секрет получения знаменитой булатной стали. В 1864 году из Кронштадта в Ораниенбаум прошёл сквозь лёд первый ледокол «Пилот» («Пайлот») купца Бритнева, построенный им по идее безвестного капитана, положивший начало ледокольному флоту. Создание «электрической свечи» Павлом Николаевичем Яблочковым в 1875 году и лампы накаливания Александром Николаевичем Лодыгиным в 1873 году дало толчок разработкам выдающегося американского изобретателя Томаса Эдисона в этом направлении. В 1880 году Фёдор Абрамович Блинов создал первый гусеничный трактор, положив начало новому направлению в развитии наземного транспорта. В 1881 году приговорённый к смерти народоволец Николай Иванович Кибальчич составил описание изобретённого им реактивного летательного аппарата, усовершенствованного потом Константином Эдуардовичем Циолковским. В 1882 году русский инженер Николай Николаевич Бенардос, использовав явление электрической дуги, открытое Василием Владимировичем Петровым, изобрёл способ электрической сварки металлов с помощью угольного электрода. Этот способ в 1887 году. был усовершенствован Николаем Гавриловичем Славяновым, заменившим угольный электрод металлическим – так родилась электросварка, самый распространенный ныне способ неразъёмного соединения металлов. В 1888 году Михаил Осипович Доливо-Добровольский изобрёл и построил первый трёхфазный генератор и асинхронный электродвигатель трёхфазного тока, позднее не раз им же усовершенствованные. В 1891 году. Сергей Иванович Мосин изобрёл знаменитую трёхлинейную винтовку, в руках с которой три поколения российских воинов более полувека защищали Родину. В 1893 году Михаил Филиппович Фрейденберг создал первую в мире автоматическую телефонную станцию – АТС. В 1895 году Александр Степанович Попов изобрёл радио – одно из наиболее выдающихся достижений технической мысли, положившее начало новому виду связи. А в 1907 году русский инженер Борис Львович Розинг создаёт электроннолучевую трубку, позволившую ему осуществить в 1911 году первую в мире телевизионную передачу. Владимир Григорьевич Шухов в 1890 году, а затем Николай Дмитриевич Зелинский предложили новый способ переработки нефти, что позволило в четыре раза увеличить выход бензина и повысить его качество. Сергей Васильевич Лебедев в 1908 году впервые получил синтетический каучук. В 1911 году Глеб Евгеньевич Котельников разработал ранцевый спасательный парашют. В 1921 году Яков Модестович Гаккель спроектировал один из первых тепловозов, который был построен в 1924 году. В 1939 году авиаконструктор Сергей Владимирович Ильюшин создал бронированный самолёт – штурмовик ИЛ-2, положивший начало новому классу боевой авиации. В 1943 году Борис Романович и Нина Иосифовна Лазаренко изобрели принципиально новый способ обработки материалов – электроискровую обработку. В 1947 году Михаил Тимофеевич Калашников создал знаменитый автомат АК, который и сегодня является лучшей базовой моделью стрелкового оружия. В 1950 году Андрей Дмитриевич Сахаров и Игорь Евгеньевич Тамм разработали управляемый термоядерный реактор. В 1954 году в Советском Союзе была пущена первая в мире атомная электростанция. В 1959 году спущен на воду первый в мире атомный ледокол «Ленин». В 1960 году Николай Геннадиевич Басов и Александр Михайлович Прохоров создали первый оптический квантовый генератор (лазер). Известны достижения отечественных изобретателей последних лет – автоматическая роторная линия, искусственные алмазы, электрошлаковая сварка, крупнейший в мире синхрофазотрон, атомная подводная лодка, первый в мире завод-автомат, противоракетный комплекс «Тополь», координатно-измерительная машина, самый стойкий инструментальный материал минералокерамика, крупнейший в мире транспортный самолёт «Антей», самые мощные прокатные станы, первый искусственный спутник Земли, запуск человека в космос. Свыше 2,5 миллионов изобретений зарегистрировано только за советский и постсоветский периоды истории нашей страны.
Осмелимся предположить, что изобретений было бы ещё больше, если бы наши специалисты владели основами ТРИЗ. Будем надеяться, что овладение основами технического творчества даст новый толчок изобретательской активности нашей молодёжи. Ведь по мере технического прогресса число проблем, требующих решения, отнюдь не уменьшается. Вот, например, выдержка из сводного прогноза отечественных и зарубежных специалистов по поводу актуальных проблем техники, которые необходимо решить до 2000 года, опубликованного в 1973 году в журнале «Химия и жизнь»: создание автомобильного топлива, не загрязняющего атмосферу; создание твердотопливного ядерного двигателя; электронные источники света; газотурбинные автомобили из пластмасс; производство пластмасс прочнее металла; экономичное опреснение воды; голографическое трёхмерное телевидение; биохимические топливные элементы; атомные двигатели на железной дороге; наручные телевизоры; управляемый термоядерный синтез; постоянные автоматические станции на соседних планетах и многое другое. Мы видим, что далеко не все прогнозы учёных сбылись. И перед нынешним поколением стоит нисколько не меньше проблем, чем перед предыдущими поколениями.
Это интересно:
Слуховой аппарат изобрёл американец Миллер Риз Хатчинсон в 1901 году. Он же является изобретателем клаксона. Друг изобретателя Марк Твен сказал ему:
- Ты изобрёл клаксон, чтобы люди глохли, а оглохнув, пользовались твоим аппаратом, чтобы слышать.
Поговорим о творчестве
В наше время долгие поиски решения
свидетельствуют не только о настойчивости изобретателя,
но и о плохой организации творческой работы.
Г.С.Альтшуллер
Кто не знает, в какую гавань он плывёт,
для того нет попутного ветра
Сенека
В процессе продвижения человечества по пути прогресса оно вынуждено решать самые разнообразные задачи – политические, экономические, нравственные и др. Среди этих задач важное место принадлежит и техническим задачам.
Технической задачей будем называть задачу из любой области человеческой деятельности, решаемую техническими средствами.
А что такое технические средства? Техника – это совокупность средств и приёмов труда, которые являются объектами техники. Следовательно, технической можно считать задачу из любой области человеческой деятельности, решаемую с помощью объектов техники.
Объекты техники принято разделять на три типа: устройства (конструкции), способы (технологии) и вещества.
Устройство– это объект техники, характеризуемый конструктивнымисвойствами. К конструктивным свойствам относятся наличие определенных узлов, деталей, элементов, их форма, материал, взаимное расположение, взаимосвязь, соотношение размеров, взаимодействие при работе. Устройствами являются машины (автомобиль, металлорежущий станок, промышленный робот), их узлы (двигатель, коробка скоростей, узел захвата) и детали (коленчатый вал, шпиндель), механизмы (вариатор скоростей), приборы (вольтметр), инструменты (режущие, вспомогательные, мерительные).
Способ– это объект техники, характеризуемый действиями, их последовательностью, условиями выполнения, режимом, применяемыми вспомогательными средствами. К способам относятся технологические процессы (обработка давлением, сварка, обработка резанием, термообработка, шлифование), методы измерения (сил, температур), испытания, контроля.
Вещество – это объект техники, характеризуемый составом. К веществам относятся механические смеси (шлифовальная паста, смазывающе-охлаждающая жидкость, абразивная смесь), вещества, полученные физико-химическим превращением (сплавы металлов, минералокерамика, металлокерамические твёрдые сплавы), химические вещества (бензин, электрокорунд).
Совокупность однородных объектов, выполняющих одинаковые функции, называют видом техники. Например, токарный резец из быстрорежущей стали, токарный резец с припаянной пластиной, фасонный токарный резец и т.п. составляют вид техники «Токарные резцы». Токарный резец, строгальный резец, зубострогальный резец составляют вид техники «Резцы». Резец, фреза, сверло и т.п. составляют вид техники «Режущие инструменты».
Совокупность близких видов техники, предназначенных для решения близких задач, называют областью техники. Например, режущие инструменты, приспособления, металлорежущие станки, смазывающе-охлаждающие жидкости (СОЖ) относятся к области техники «Обработка резанием».
Сложные объекты техники могут содержать в своём составе более простые объекты. Например, станок содержит станину, коробку скоростей, суппорт и т.д. В свою очередь, коробка скоростей содержит валы, зубчатые колеса, муфты и др. Совокупность нескольких объектов, находящихся во взаимосвязи или взаимодействии называют технической системой.
Любой объект представляет совокупность технических решений. Каждое техническое решение, как и объект техники, представляет собой устройство, способ или вещество.
Техническое решение характеризуется совокупностью существенных признаков. Существенными будем считать такие признаки технического решения, отсутствие которых лишает объект возможности выполнять свои функции либо делает невозможным достижение цели, поставленной при его создании. Например, устройство можно характеризовать такими группами существенных признаков:
а) элементы (например, токарный резец содержит режущую часть и державку, режущая часть содержит главную и вспомогательную режущие кромки);
б) форма элементов (режущая часть имеет форму клина, главная режущая кромка прямолинейная);
в) материалы (режущая часть выполнена из твёрдого сплава);
г) взаимное расположение элементов (главная режущая кромка составляет с осью резца угол 900 – φ);
д) взаимосвязь элементов (режущая часть припаяна к державке);
е) соотношение размеров (высота державки в 1,2…2 раза больше ширины).
Рассмотрим пример. Требуется обработать за смену 10 заготовок валов. Рабочему следует выполнить все требования чертежа и технологической карты, и задача будет решена.
Техническую задачу, решение которой состоит в выполнении заранее заданных действий заданными средствами в заданных условиях, будем называть исполнительской задачей.
Исполнительская задача имеет единственное правильное решение.
Усложним задачу. Пусть требуется обработать за смену не 10, а 15 валов. На том же оборудовании, тем же режущим инструментом при тех же режимах обработки задачу не решить. Нужно повысить производительность обработки, то есть каждую деталь обрабатывать в 1,5 раза быстрее. Если пренебречь для простоты потерями вспомогательного времени, производительность обработки П можно представить выражением:
П=ASV, (1.1)
где A - постоянная,
S - подача (перемещение инструмента за 1 оборот заготовки), мм/об;
V- скорость резания, м/мин.
Из выражения (1.1) видно, что повысить производительность П в 1,5 раза можно тремя принципиально различными путями:
1) Повысить скорость резания V в 1,5 раза. Но при обработке металлов резанием действует так называемый закон Т-V, согласно которому с увеличением скорости резания V уменьшается стойкость инструмента Т:
T = C/Vx (1.2)
причём, как правило, х >1. Это означает, что при увеличении V режущий инструмент будет быстрее выходить из строя, его нужно будет чаще менять, расход инструмента резко возрастет, возрастут расходы на переточку инструмента и т.п.
2) Увеличить подачу S в 1,5 раза. Но известно, что при этом пропорционально возрастёт глубина рисок на обработанной поверхности, увеличится шероховатость поверхности Ra:
Ra = BSy (1.3)
Величина шероховатости может при этом превысить допустимое значение, и тогда потребуется дополнительная обработка.
3) Одновременно увеличить V и S. Ясно, что стойкость инструмента снизится, а шероховатость увеличится, хотя и в меньшей степени, чем в случаях 1 и 2.
Какое же решение принять?
Техническую задачу, в которой из множества возможных решений требуется выбрать оптимальное, будем называть инженернойзадачей.
Для решения инженерной задачи требуются определенные инженерные знания, то есть знание основных закономерностей, действующих при различных путях её решения.
Инженерная задача всегда содержит в себе противоречия. Эти противоречия состоят в том, что при попытке улучшить одно свойство технической системы (например, увеличить V или S) ухудшаются другие его свойства (снижается стойкость инструмента, возрастает шероховатость). Такие противоречия называют техническими противоречиями.
Техническое противоречие – это противоречие между свойствами системы при её изменении.
Техническое противоречие вытекает из анализа условия задачи, при попытке решить задачу напрямую.
Решение инженерной задачи состоит в разрешении выявленного технического противоречия.
Существует два принципиальных пути решения инженерной задачи.
1) Частично удовлетворяются оба требования технического противоречия, то есть, в какой-то мере усиливаются полезные свойства системы, но при этом в какой-то мере усиливаются и её вредные свойства.
Например, скорость резания V увеличивают не в 1,5 раза, а, скажем, в 1,3 раза. Это позволит обработать вместо 10 валов 13 (не 15!), но зато и падение стойкости инструмента будет незначительным. То есть, мы находим компромиссное решение.
Инженерную задачу, при решении которой оба условия технического противоречия реализуются частично, будем называть компромисснойзадачей
Для решения компромиссной задачи, как правило, достаточно инженерного опыта, содержащегося в технической литературе. Например, для получения оптимального решения поставленной выше задачи увеличения количества обработанных валов можно представить её в виде ряда технических ограничений и целевой функции:
T (S, V) > To
Ra (S, V) < Rao
П (S, V) ® max (1.4)
где Т0 и Ra0 – ограничивающие факторы, допустимые значения стойкости и шероховатости и решить относительно S и V с помощью ПК.
Но часто нас может не удовлетворить частичное разрешение технического противоречия. Тогда в результате анализа технического противоречия выявляют еще более глубокое противоречие – так называемое физическое противоречие.
Физическое противоречие – это противоречие между двумя противоположными физическими состояниями объекта, в которые он должен быть приведён для решения задачи.
Для того чтобы усилить полезное свойство технической системы, какой-то её элемент должен находиться в одном физическом состоянии. Для того чтобы ослабить вредное свойство системы, он должен находиться в противоположном физическом состоянии. Например, объект должен быть горячим и холодным, большим и малым, тяжёлым и лёгким, подвижным и неподвижным и т.п.
Вернёмся к задаче об обработке валов. Видим следующие физические противоречия:
для того чтобы производительность обработки была высокой, скорость резания должна быть высокой; для того, чтобы стойкость инструмента была высокой, скорость резания должна быть низкой;
для того чтобы производительность обработки была высокой, подача должна быть большой; для того, чтобы шероховатость поверхности была малой, подача должна быть малой.
Более чёткие, краткие формулировки физического противоречия:
скорость резания должна быть высокой и низкой;
подача должна быть большой и малой.
(В компромиссной задаче мы бы сказали: скорость и подача должны быть оптимальными)
Если ещё более обострить выявленные физические противоречия, то получим их так называемую жёсткую формулировку:
скорость резания должна быть и не должна быть;
подача должна быть и не должна быть.
Выявление физического противоречия позволяет получить более эффективное решение технической задачи путём полного разрешения противоречия, то есть удовлетворить оба противоречивых требования к объекту. Не компромисс требований, а именно разрешение противоречия.
Инженерную задачу, при решении которой удовлетворяются оба противоположных требования технического или физического противоречия, будем называть творческой задачей.
Физические противоречия на первый взгляд кажутся абсурдными, заведомо неразрешимыми. Но именно только на первый взгляд. Как мы увидим в дальнейшем, в большинстве технических задач только выявление физического противоречия может привести к их эффективному решению. В качестве примера рассмотрим задачу, взятую нами, как и многие другие в этой книге, из интересной книги Г.С.Альтшуллера «Творчество как точная наука»:
Задача 1.1. В цехе обрабатывают стёкла оптических приборов. В качестве инструмента используют полировальник из затвердевшей смеси синтетической смолы с абразивным порошком. Полировальнику сообщают вращение, вводят в контакт с обрабатываемым стеклом и, прикладывая небольшое усилие, производят обработку. Чем больше скорость вращения V полировальника и чем больше сила Р прижатия, тем выше производительность обработки.
Но увеличение V или Р ведет к интенсивному теплообразованию в контакте полировальника со стеклом и повышению температуры контакта. В результате смола размягчается, появляется брак.
Как быть?
Первое, что приходит в голову – применить смазывающе-охлаждающую жидкость (СОЖ). Зону обработки поливают струёй эмульсии на основе воды (вода, как известно, является одним из самых эффективных охлаждающих средств). СОЖ охлаждает и полировальник, и стекло, в результате чего часть образующегося тепла из зоны контакта отводится в эти тела. Но поскольку СОЖ не попадает непосредственно в контакт, эффективность охлаждения весьма мала.
Чтобы СОЖ попадала непосредственно в контакт, в полировальнике делают сквозные отверстия. Чем больше этих отверстий и чем больше их диаметр, тем больше СОЖ будет попадать в контакт, тем эффективнее будет охлаждение. Однако с увеличением числа отверстий и их диаметра соответственно уменьшается площадь рабочей поверхности полировальника, в работе участвует меньше абразивных зерен, ухудшается шероховатость обработанной поверхности.
Возникает техническое противоречие: увеличение диаметра и числа отверстий снижает температуру контакта, но одновременно уменьшает рабочую поверхность инструмента.
Анализируя данное техническое противоречие, выявляем физическое противоречие: для снижения температуры контакта отверстия должны быть большими (отверстий должно быть много); для увеличения рабочей поверхности инструмента отверстия должны быть малыми (отверстий должно быть мало).
Более кратко: отверстия должны быть большими и малыми (отверстий должно быть много и мало).
Жёсткая формулировка физического противоречия: отверстия должны быть и не должны быть.
То есть в пределе поверхность полировальника должна быть сплошной рабочей поверхностью и одновременно сплошным отверстием, чтобы пропускать СОЖ. Нелепость? Не спешите с выводами. Можно, например, изготовить полировальник изо льда с вмороженным в него абразивным порошком. При полировании лёд будет плавиться тем интенсивнее, чем интенсивнее обработка. Оба требования физического противоречия выполняются: вся поверхность является рабочей, и одновременно вся она выполняет функции отверстия для подвода СОЖ.
Целью решения творческих задач является совершенствование объектов техники (устройств, способов, веществ) путём применения прогрессивных технических решений. Прогрессивными будем называть такие технические решения, которые обеспечивают наибольшую эффективность при применении, по сравнению с известными аналогами.
Эти прогрессивные технические решения могут быть известными для мировой технической мысли.
Творческую задачу, решение которой состоит в использовании известных технических решений по традиционному назначению, будем называть рационализаторскойзадачей.
Прогрессивные технические решения могут быть созданы в процессе решения творческой задачи. Такие технические решения, содержащие хотя бы один новый существенный признак, называют изобретениями.
Изобретения – это вершина технического творчества. Ежегодно в мире делается свыше 350 тыс. изобретений. Изобретения в каждой стране охраняются законом, как и любая интеллектуальная собственность. Документом, удостоверяющим право собственности на изобретение, является патент. К каждому патенту обязательно прилагается подробное описание изобретения. Собрание всех описаний изобретений называют патентным фондом. Патентные фонды имеются в библиотеках. Самый полный патентный фонд – свыше 20 млн. описаний изобретений из всех стран мира – имеется в Центральной патентной библиотеке. Патентные фонды – это клад прогрессивных технических решений из любой отрасли. Почти все рассматриваемые в этой книге примеры задач и их решения взяты из патентного фонда. Ещё больше интересных технических решений вы сможете найти сами, если обратитесь к патентному фонду.
Техническую задачу, решение которой состоит в создании нового технического решения, будем называть изобретательскойзадачей.
Рационализаторская задача всегда является инженерной задачей, но не обязательно является творческой. Изобретательская задача всегда является творческой.
Процесс решения творческой технической задачи будем называть техническим творчеством.
Выводы
Техническая задача – это задача из любой области, решаемая техническими средствами. Объектами техники могут быть устройство, способ или вещество. Любой объект представляет совокупность технических решений. Совокупность взаимосвязанных объектов составляет техническую систему.
Решение технической задачи состоит в устранении противоречий: технического – между положительными и отрицательными свойствами объекта; физического – между противоположными состояниями изменённого объекта.
Техническая задача может быть: исполнительской, имеющей одно решение; инженерной, имеющей множество решений, из которых выбирают оптимальное; компромиссной, решение которой лишь частично удовлетворяет требования противоречий; творческой, решение которой устраняет техническое или физическое противоречие. Целью решения творческой задачи является совершенствование объекта путём применения прогрессивных технических решений, в том числе изобретений – неизвестных ранее технических решений.
Процесс решения творческих задач называют техническим творчеством.
Вопросы для самоконтроля
1. Какие задачи мы называем техническими?
2. Какие объекты техники относятся к устройствам? Приведите примеры.
3. Какие объекты техники относятся к способам? Приведите примеры.
4. Какие объекты техники относятся к веществам? Приведите примеры.
5. Какие признаки технического решения считаются существенными? Приведите пример.
6. Какие задачи мы называем исполнительскими? Приведите пример.
7. Какие задачи мы называем инженерными? Приведите пример.
8. Что такое техническое противоречие? Приведите пример.
9. Что такое физическое противоречие? Приведите пример.
10. Какие задачи мы называем компромиссными? Приведите пример.
11. Какие задачи мы называем творческими? Приведите пример.
12. Какие задачи мы называем рационализаторскими? Приведите пример.
13. Какие задачи мы называем изобретательскими? Приведите пример.
14. Что мы называем техническим творчеством?
Это интересно:
Когда Эдисон спросил редактора газеты «Нью-Йорк Геральд» Томаса Коннери о впечатлении, которое произвела на него электрическая лампочка, тот шутливо ответил:
-Всё прекрасно, исключая одно. О газовый рожок я могу зажигать сигару. Ваши новомодные лампочки для этого не годятся.
Через несколько дней Эдисон посетил редакцию и преподнёс Коннери электрическую зажигалку.
Упражнения и примеры решений
Упражнение 1.1. Из приведённого ниже (с. 26) «Перечня объектов для усовершенствования» выберите любой объект. К какому виду техники его можно отнести? Какие ещё объекты можно отнести к этому виду техники?
Пример:
Объект техники – молоток. Его можно отнести к виду техники «Молотки». К этому виду техники можно отнести объекты: молоток слесарный, молоток строительный, молоток альпинистский, молоток клепальный, молоток геологический, молоток мясоразделочный. Можно отнести молоток к виду техники «Слесарный инструмент». К этому виду техники можно отнести также зубило, отвёртку, гаечный ключ.
Упражнение 1.2. К какому типу объектов (устройство, способ, вещество) можно отнести данный объект и почему?
Молоток характеризуется конструктивными свойствами, а именно: состоит из определенных деталей (боёк, рукоятка), определённой формы (боёк в виде параллелепипеда, рукоятка в виде стержня), выполненных из определённых материалов (боёк стальной, рукоятка деревянная), расположенных определённым образом (рукоятка вставлена в отверстие бойка), связанных между собой (рукоятка вставлена с натягом и расклинена), с определенным соотношением размеров (рукоятка длиннее бойка, отверстие в бойке соответствует сечению рукоятки), взаимодействующих при работе (молоток берут за рукоятку и бойком наносят удар). Следовательно, молоток является устройством.
Упражнение 1.3.Какие технические решения входят в данный объект?
Молоток содержит следующие технические решения:
молоток, общая компоновка;
боёк;
рукоятка;
материал бойка;
соединение бойка с рукояткой;
способ изготовления молотка;
способ использования молотка и др.
Упражнение 1.4. Назовите существенные признаки одного из технических решений в выбранном объекте.
Существенные признаки технического решения «Боёк»:
боёк имеет форму прямоугольного параллелепипеда;
параллелепипед имеет скос;
боёк содержит сквозное отверстие;
ось отверстия перпендикулярна оси бойка;
отверстие имеет форму эллипса;
боёк выполнен из металла.
Упражнение 1.5. Постройте иерархическую схему технической системы с участием выбранного объекта.
Объект – молоток плотницкий.
Молоток входит в техническую систему «Молоток, доска, гвоздь».
Молоток содержит подсистемы: боёк, рукоятка.
Упражнение 1.6. Придумайте исполнительскую задачу с участием выбранного объекта. Почему эту задачу следует считать исполнительской?
Требуется забить гвоздь в доску.
Гвоздь приставляют заострённым концом к доске, молоток берут за рукоятку, поднимают и, резко опуская вниз, несколько раз наносят бойком удар по шляпке гвоздя. Задача решена.
Данная задача является исполнительской, так как её решение состоит в выполнении заданных действий заданными средствами в данных условиях. Задача имеет единственное решение.
Упражнение 1.7. Придумайте теперь инженерную задачу с участием выбранного объекта. Почему эту задачу следует считать инженерной?
Требуется забить гвоздь в доску, а через некоторое время вытащить его.
Забивают гвоздь молотком так же, как и в предыдущей задаче. Для выдёргивания гвоздя используют гвоздодёр – рычаг с изогнутым и расплющенным концом, на котором выполнен клиновидный паз. Расплющенным концом гвоздодера приподнимают шляпку гвоздя, затем заводят под неё клиновидный паз и, опираясь изогнутой частью гвоздодёра о доску, поворачивают рычаг. Гвоздь вынимается из доски.
Задача может иметь и другие решения. Вместо гвоздодёра, например, можно использовать отвёртку, действуя ею как рычагом, используя в качестве опоры рукоятку молотка. В любом случае мы имеем техническое противоречие: увеличение числа функций (полезное свойство) ведёт к увеличению числа применяемых инструментов (вредное свойство). Поэтому задача является инженерной, а её решение – компромиссным.
Упражнение 1.8. А как будет выглядеть творческая инженерная задача?
Требуется молотком забить гвоздь в доску, а через некоторое время вытащить его. Применение дополнительных инструментов недопустимо.
Имеем физическое противоречие: для того, чтобы выдернуть гвоздь, нужно иметь гвоздодёр; для уменьшения количества инструментов гвоздодёра быть не должно.
Гвоздодёр должен быть и не должен быть.
Забивают гвоздь молотком так же, как и в предыдущей задаче. Для выдёргивания гвоздя в конструкцию молотка внесены изменения. Один конец бойка выполнен изогнутым и заострённым, с клиновидным пазом, как у гвоздодёра. При необходимости выдернуть гвоздь его шляпку приподнимают заострённым концом бойка, заводят под неё клиновидный паз и, опираясь изогнутым концом бойка о доску, поворачивают молоток за рукоятку.
Упражнение 1.9. Приведите примеры технических противоречий с участием выбранного объекта.
С увеличением массы бойка увеличивается сила удара, но при этом работа молотком становится труднее.
С увеличением длины рукоятки сила удара возрастает, но поднимать молоток становится труднее.
С увеличением зазора между отверстием бойка и рукояткой сборка молотка облегчается, но снижается надёжность закрепления рукоятки.
Упражнение 1.10. Приведите примеры физических противоречий с участием выбранного объекта.
Для увеличения силы удара боёк молотка должен быть тяжёлым; для облегчения работы молотком боёк должен быть лёгким.
Для увеличения силы удара рукоятка должна быть длинной; для облегчения подъёма молотка рукоятка должна быть короткой.
Для облегчения сборки молотка между отверстием бойка и рукояткой должен быть зазор; для обеспечения надёжности закрепления бойка на рукоятке зазора не должно быть.
Перечень объектов техники
для усовершенствования
| Авторучка | Кисть | Обои | Скворечник |
| Альбом | Клещи | Отвёртка | Сковорода |
| Багор | Ключ | Очки | Скрепка |
| Банка | Книга | Пакет | Спички |
| Бидон | Кнопка | Палатка | Стакан |
| Бинокль | Ковёр | Папка | Стамеска |
| Блокнот | Ковш | Патронташ | Стеллаж |
| Болт | Коврик | Парта | Стол |
| Борона | Колесо | Паяльник | Стремянка |
| Ботинки | Кольцо | Пенал | Стул |
| Бра | Компас | Перчатки | Сумка |
| Браслет | Конверт | Петля | Тарелка |
| Брелок | Корзина | Печка | Тележка |
| Брюки | Коробка | Планшет | Термос |
| Блюдце | Корыто | Плащ | Тетрадь |
| Бутылка | Костыль | Плитка | Трость |
| Валенки | Кофейник | Плоскогубцы | Топор |
| Варежки | Кошелёк | Подушка | Торшер |
| Ведро | Кошки | Полка | Точилка |
| Веер | Кресло | Полотенце | Тумбочка |
| Верёвка | Кроссовки | Понтон | Удочка |
| Верстак | Кружка | Поплавок | Указка |
| Весло | Крышка | Портфель | Флакон |
| Весы | Крюк | Посох | Фломастер |
| Винт | Крючок | Пояс | Фляжка |
| Гайка | Кувалда | Прищепка | Фонарь |
| Галстук | Кувшин | Пробирка | Фуражка |
| Гамак | Кусачки | Пружина | Циркуль |
| Гвоздодёр | Ластик | Пряжка | Чайник |
| Гвоздь | Лестница | Пуговица | Чашка |
| Глобус | Линейка | Расчёска | Чемодан |
| Грабли | Лобзик | Ракетка | Чехол |
| Дверь | Лодка | Решётка | Шайба |
| Долото | Лом | Ролик | Шалаш |
| Зеркало | Лопата | Рубашка | Шампур |
| Зонт | Лупа | Рупор | Шапка |
| Зубило | Лыжи | Ручка | Шезлонг |
| Зубочистка | Мел | Рюкзак | Шило |
| Игла | Мензурка | Самокат | Шлагбаум |
| Каблук | Мешок | Сани | Шланг |
| Калитка | Молоток | Сапоги | Шлюпка |
| Канистра | Мотыга | Сачок | Шприц |
| Карабин | Мышеловка | Светильник | Штанга |
| Карандаш | Мяч | Свеча | Шуруп |
| Кастрюля | Напильник | Седло | Штопор |
| Катушка | Нож | Сейф | Щётка |
| Кеды | Ножницы | Сервант | Щипцы |
| Кейс | Носки | Свитер | Экран |
| Кирпич | Обложка | Сито | Ящик |
Это интересно:
Первый велосипед был сделан английским кузнецом Кирпатриком Макмилланом в 1839 году. В 1842 году он поехал на своём велосипеде в Глазго, где сбил на дороге ребёнка, за что был оштрафован на 5 шиллингов.
Это была первая в мире велосипедная авария.
В мире противоречий
Закон противоречий, присущий вещам, явлениям,
то есть закон единства противоположностей,
есть основной закон природы и общества и,
следовательно, основной закон мышления
В.И.Ленин
Наличие противоречия есть критерий истины,
отсутствие противоречия – критерий заблуждения.
Георг Гегель
Изобретательство прошло большой путь, прежде чем изобретатели поняли, что для направленного поиска решения технической задачи необходимо, прежде всего, выявить содержащиеся в задаче противоречия. Вплоть до конца 19 столетия изобретения рождались либо в результате длительного, кропотливого, изнурительного поиска, либо в результате случайного озарения. Единственным методом поиска решения был так называемый метод проб и ошибок. Сущность этого метода заключается в простом переборе вариантов: а что, если сделать так?
Т.А. Эдисону пришлось провести около 6 тысяч опытов, чтобы найти подходящей материал для нити накаливания электрической лампы. А при создании щелочного аккумулятора он проделал 50 тысяч опытов. Основоположник химиотерапии П. Эрлих лишь в результате 606-й попытки создал знаменитый сальварсан – иногда его так и называют: сальварсан-606. Уже тогда стало ясно, что необходимо как-то упорядочить методику поиска решений. Но как это сделать, если процесс творчества, в том числе и технического, считался (а зачастую и сейчас считается) непознаваемым, а следовательно, и неуправляемым?
2.1.Модификации метода проб и ошибок
Как зарождается идея? Возможно, иногда она
возникает подобно вспышке молнии, но обыкновенно
вырисовывается на фоне бесчисленных ошибок после
кропотливых изысканий. Всякий изобретатель работает
в окружении огромного числа отвергнутых идей, проектов
и экспериментов. Много надо их перепробовать,
чтобы достичь хоть чего-нибудь.
Очень немногие выдерживают до конца.
Рудольф Дизель
Конечно, специалисты видели неэффективность метода проб и ошибок и всячески старались его усовершенствовать. При этом задача усовершенствования была одна: увеличить число проб, то есть интенсифицировать процесс выдвижения идей, и уменьшить число ошибок, то есть увеличить долю полезных идей среди массы выдвигаемых предложений. Рассмотрим наиболее значимые, с нашей точки зрения, из этих усовершенствований.
В 1939 году Алекс Осборн (США) предложил метод коллективного творчества, который он назвал мозговым штурмом(мозговой атакой).В основе мозгового штурма лежит разделение процессов генерирования идей и их обсуждения. Делается это в условиях максимально благоприятной обстановки при полном отсутствии какой-либо критики. И лишь после окончания выдвижения идей начинается их обсуждение, причём участниками мозгового штурма на этой стадии могут быть уже совсем другие люди.
Метод оказался весьма плодотворным, за полчаса группа из 6–8 человек высказывала 50–100 идей. Но оказалось, что хорошие результаты мозговой штурм даёт главным образом при решении организационных задач. Из технических же задач решению этим методом поддаются лишь самые простые, а сами решения получаются тривиальными. Иначе и не могло быть: ведь каждый участник мозгового штурма выдвигал свои идеи, пользуясь всё тем же методом проб и ошибок.
Ещё один способ активизировать метод проб и ошибок – метод фокальных объектов, предложенный американским инженером Чарльзом Вайтингом. Сущность метода состоит в том, что на фокальный объект, то есть объект, находящийся в фокусе нашего внимания, переносят признаки случайно выбранных объектов. Так, если фокальным объектом является, например, токарный резец, а за случайный объект мы приняли колесо, то можно выйти на идеи круглого резца, вращающегося резца, резца с ободом и т.п.
В 1942 г. швейцарец Фриц Цвикки предложил метод, который он назвал морфологическим анализом. Сущность морфологического анализа заключается в том, что в совершенствуемом объекте выделяют основные элементы, а затем каждый элемент наделяют альтернативными признаками. Комбинируя варианты, получают множество различных исполнений объекта, среди которых могут оказаться и интересные решения. Так, в авиационной фирме в США, где работал Цвикки, с помощью морфологического анализа в конце второй мировой войны была разработана гамма ракет, среди которых, как потом стало известно, оказались и аналоги немецких ракет ФАУ-2, которыми немцы обстреливали Лондон.
Известно много других методов достаточно эффективного поиска технических решений. Но все они до недавнего времени являлись модификациями всё того же метода проб и ошибок. Нужен был принципиально новый подход.
Это интересно:
Один из биографов Марка Твена, демонстрируя чистый блокнот писателя, заметил, что это у него единственная книга, в которой нет оригинальных мыслей. Биограф ошибся. Оригинальная мысль была и здесь, только не художественная, а техническая. Именно Марк Твен предложил делать в блокноте перфорацию для облегчения отрыва листа.
2.2.Алгоритм выявления противоречий
Хромой, идущий по верному пути,
обгонит сбившегося с дороги скорохода
Френсис Бэкон
При постановке технической задачи технические, а тем более физические, противоречия не лежат на поверхности, их предстоит выявить в результате анализа задачи. Г.С. Альтшуллер в своё время предложил чёткий алгоритм действий по выявлению технического и физического противоречий. Автор назвал его алгоритмом решения изобретательских задач (АРИЗ). По мере развития методологии решения технических задач АРИЗ многократно совершенствовался и к настоящему времени превратился в достаточно эффективный инструмент решения сложных задач. Одновременно следует отметить, что в современном варианте АРИЗ труден для освоения и требует при использовании значительного времени из-за его громоздкости. Нам хотелось бы иметь такой алгоритм, который. не уступая существенно АРИЗу в эффективности, был бы значительно проще для усвоения. Назовём его алгоритмом выявления противоречий (АВП). АВП уступает АРИЗу по технологическим возможностям, но в то же время является более кратким и чётким, а, следовательно, и более легко усвояемым.
В предлагаемом варианте АВП состоит из трех этапов:
1) Выявление проблемы;
2) Выявление технического противоречия;
3) Выявление физического противоречия.
Каждый этап в свою очередь содержит несколько шагов.
Рассмотрим подробно каждый этап.