Изобретательские задачи
олимпиадные задания по физике (9, 10, 11 класс)

Алгоритм решения изобретательных задач (АРИЗ)

•   Выбрать из элементов, входящих в модель задачи, тот, который можно легко изменить, и т. д.

•   Записать стандартную формулировку ИКР. Элемент сам устраняет вредное взаимодействие, сохраняя способность выполнять полезное взаимодействие.

•   Выделить ту зону элемента, которая не справляется с требуемым по ИКР комплексом двух взаимодействий.

•    Сформулировать противоречивые физические требования, предъявляемые к состоянию выделенной зоны элемента конфликтующими взаимодействиями.

•    Записать стандартные формулировки  противоречия.

• Устранение  противоречия с помощью таблицы разрешения противоречий

ПРОЦЕСС РЕШЕНИЯ ИЗОБРЕТАТЕЛЬСКОЙ ЗАДАЧИ: ОСНОВНЫЕ ЭТАПЫ И МЕХАНИЗМЫ

На занятиях по методике изобретательства, особенно при проведении занятий по короткой программе (30-60 часов), основное внимание бывает сосредоточено на непосредственной технике решения задачи (анализ, применение приемов). Полезно однако рассмотреть и некоторые общие вопросы, например: сколько ИКР может быть у одной задачи? Почему вепольный анализ не связан с выявлением физического противоречия? и т.п.

1. ИЗОБРЕТАТЕЛЬСКАЯ СИТУАЦИЯ

Процесс изобретательского творчества начинается с уяснения изобретательской ситуации. Изобретательская ситуация - это любая технологическая ситуация, в которой отчетливо выделена какая-то плохая особенность. Слова "технологическая" и "плохая" имеют при этом очень широкий смысл. Технологическая: производственная, исследовательская, бытовая, спортивная, военная и т.д.

", "снимок", "факт".

2. ОТ СИТУАЦИИ К ЗАДАЧЕ

Одна и та же ситуация может породить множество различных изобретательских задач. Так, ситуацию о парниках можно перевести в задачу о механизации (электрификации) открывания-закрывания рам. Такая задача легко решается установкой электропривода с температурным датчиком. Можно перевести эту же ситуацию в другую задачу: как регулировать вентиляцию, не поднимая рам? Или: нельзя ли вывести растения, которые не нуждаются в парниках? Или: а зачем вообще растения, если удастся синтезировать пищу? Или: а зачем пища, если удастся как-то без нее обеспечить энергией и "стройматериалами" организм человека?..

Чтобы применить АРИЗ, надо перевести ситуацию в конкретную задачу.

Изобретатели, работающие методом проб и ошибок, зачастую не переводят ситуацию в задачу. В результате им приходится работать с комплексом задач. Поисковое поле расширяется. Простая задача растворяется в толпе других задач, трудности решения увеличиваются.

Часто так бывает, например, при решении простенькой задачи: "На поверхность большого постоянного магнита попал тонкий ферромагнитный порошок. Как быть?" Вместо задачи дана ситуация, и слушатели начинают стихийно переводить ситуацию в задачу, получается несколько разных задач, начинается перебор вариантов по каждой задаче. Путаница особенно увеличивается при оценке решений: один слушатель оценивает решение другого слушателя с позиций своей задачи, хотя тот решал иную задачу.

Как известно, в синектике различают "проблему как она дана" (ПКД) и "проблему как она понята" (ПКП). В какой-то мере это отражает разницу между ситуацией и задачей. Но синектики не знают механизмов перехода от ПКД к ПКП. Проблема обсуждается, что-то проясняется (или, наоборот, запутывается: как знать, если нет критериев, правил и т.д.), руководитель объявляет: "Итак, вот это будем считать ПКП..."

Между тем есть механизмы перехода от ситуации к задаче. Любая ситуация может быть переведена в задачу путем введения (или наоборот - снятия) ограничивающих условий.

Так, в ситуации с парниками можно, например, ввести такие ограничения: "Электропривод не годится - он слишком сложен в данных условиях. Тепловое расширение нельзя использовать из-за малого перепада температур (10-20 градусов). Тем не менее надо автоматизировать поднимание-опускание рам".

Теперь мы имеем конкретную задачу: "Как автоматизировать - без электропривода и применения теплового расширения - поднимание и опускание рам?"

Есть общий прием перехода от ситуации к задаче: пусть все останется, как было, но исчезнет (если она отрицательная) или появится (если она положительная) указанная в ситуации особенность. В результате мы переводим ситуацию в мини-задачу и в дальнейшем выходим на наиболее легковнедряемое решение. Можно, наоборот, опять - побольше ограничений: тогда мы получим макси-задачу, очень труднорешаемую (возможно, вообще нерешаемую на данном этапе развития наших научных знаний), но зато имеющую наибольшее (общечеловечное) значение.

Один путь ведет к изобретениям (какого уровня - пока неизвестно), другой - к поиску новых открытий. Нельзя сказать, какой путь лучше. Выбор должен осуществлять сам изобретатель в зависимости от своего мировоззрения. Вероятно, неплохой тактикой является перевод ситуаций в мини-задачи и решение мини-задач, если одновременно на каждой ситуации просматривается макси-задача с целью выбора той единственной макси-задачи, за которую когда-то надо взяться.

Макси-задача - по меньшей мере, задача пятого уровня, а чаще задача на открытие плюс изобретение пятого уровня. Макси-задача требует всей жизни (а иногда и нескольких жизней). Выбор здесь надо делать осторожно.

Итак, ситуация - по сравнению с задачей - содержит много лишнего, и мы отсекаем это лишнее, вводя ограничительные требования. С другой стороны, в условиях задачи иногда бывают пробелы. Например, в задаче о парниках нет точных данных о температурном перепаде, о размере рамы и о том, как быть, если температура высока, но идет сильный дождь, град. Такого рода проблемы иногда создают сильный психологический барьер: человек начинает собирать дополнительные сведения о ситуации, а это можно продолжать до бесконечности, поэтому это нельзя заранее знать, какие дополнительные сведения важны, а какие - нет.

Тут надо подчеркнуть, что АРИЗ не предназначен для того, чтобы давать обязательно самое наилучшее решение задачи. Назначение АРИЗ - дать одно из лучших решений. Именно это лежит в основе тех операций, которые используются в АРИЗ.

Переходя от ситуации к задаче, надо - при необходимости - самому вводить недостающие сведения, беря такие данные, которые утяжеляют задачу. Такой подход вообще типичен для АРИЗ. Например, определяя ИКР, мы в очень значительной степени утяжеляем задачу. Теоретически при этом есть опасность изменить задачу и получить решение другой задачи (получить ключ, но от другой двери). Ничего страшного в этом нет. При необходимости можно снова (на этот раз с большей информацией) вернуться к ситуации и снова выделить из нее задачу.

3. ОТ ЗАДАЧИ К ИДЕАЛЬНОМУ РЕШЕНИЮ

В АРИЗ - на современном этапе развития - есть три основных механизма решения: формулировка ИКР, выделение противоречия и применение специально отобранной информации (приемы, физэффекты, опыт решения аналогичных - по противоречиям - задач). Эти три механизма основаны на объективных закономерностях. ИКР отражает сам факт развития техники ("Каждая следующая машина совершеннее предыдущей"). Возникновение противоречий есть фундаментальная особенность любого развития, в том числе - развития технических объектов. Наконец, использование организованной информации есть использование научного знания - основного инструмента познания и преобразования мира.

Любая программа решения задач в любой области должна быть в принципе отвергнута, если в ней нет этих трех основных механизмов. Хотя тут же надо подчеркнуть, что могут и должны быть и другие механизмы.

В чем суть применения ИКР?

ИКР позволяет отделить решения низших уровней от решений высших уровней. А поскольку первых намного больше, чем вторых, ИКР резко сокращает площадь поискового поля. "Рама сама поднимается при повышении температуры и сама опускается при ее понижении" - эта формулировка сразу отсекает огромное число решений низшего уровня: электропривод, гидравлический привод, пневматический привод и т.д., каждый из которых может иметь множество конкретных воплощений. Раз "рама сама", значит энергия может быть взята только тепловая: меняется температура, возникает тепловой поток, на который реагирует рама.

4. ОТ ИДЕАЛЬНОГО РЕШЕНИЯ К РЕШЕНИЮ ФИЗИЧЕСКОМУ

Ситуация содержит в себе множество задач и, следовательно, много возможных ИКР. Задача может иметь только один ИКР.

С помощью ИКР мы отбрасываем решения низших уровней. Складывается очень интересное положение: число решений (вариантов) резко уменьшается, но оставшиеся решения оказываются более неизвестными, более "спрятанными". Отброшенный вариант: "Поставим электропривод" был очевиден. А теперь какой-то физический эффект или даже сочетание физических эффектов. Вдруг это редкий эффект? Или хитроумная композиция из нескольких эффектов и приемов?

ИКР позволяет не сказать глупость. Но в изобретательстве молчание - только серебро. Золото - это когда говорится нечто умное...

Допустим, для примера, что вначале было 1000 возможных вариантов. Мы отбросили 950. Теперь осталось 50 - это тоже немало! - и самое главное: они не лежат открыто, они спрятаны. Вот здесь вступают в действие два других основных инструмента: выявление противоречия и применение организованной информации. Сформулировав противоречие, мы переходим от 50 вариантов к 10, причем варианты эти становятся виднее, а использование организованной информации позволяет выделить 2-3 варианта, из которых нетрудно выбрать один (даже если надо перебрать 2-3 варианта).

Например, "поднимающаяся часть рамы должна терять вес при повышении температуры, чтобы самой идти вверх, и должна приобретать вес при понижении температуры, чтобы самой идти вниз".

Очевидно, что это противоречие можно разделить во времени: поднимающаяся часть рамы должна быть то легкой, то тяжелой. Должна уменьшаться-увеличиваться масса рамы: вещество рамы должно то уходить куда-то (например, к оси вращения), то возвращаться, причем происходить это должно под действием теплового поля. Двигаться вещество может в твердом, жидком, газообразном состоянии. Нам осталось рассмотреть эти три варианта.

Примечание для преподавателей. Контрольный ответ по задаче - а.с. 463423:

"1. Рама для теплиц и парников, включающая каркас и светопроницаемое покрытие, отличающаяся тем, что с целью автоматического проветривания и поддержания заданной температуры в теплице или парнике, каркас рамы выполнен из труб, установлен на ось вращения и имеет противовес с ограничителем поворота рамы, причем внутренняя полость труб каркаса находится под вакуумом и частично заполнена легко испаряющейся жидкостью, например, эфиром.

2. Рама по п. 1, отличающаяся тем, что противовес выполнен регулируемым.

3. Рама по п. 1, отличающаяся тем, что с целью автоматического ее закрывания в случае дождя или града, рама снабжена водосборным желобом.

4. Рама по п. 1, отличающаяся тем, что с целью предотвращения подъема рамы от порывов ветра, рама имеет защелку, например магнитную".

Анализ задачи приводит к физическому решению. Это - решение в самом общем виде: принцип решения, идея решения. "Надо чтобы при нагревании жидкость испарялась и пары куда-то уходили. А при охлаждении пусть пары конденсируются и возвращаются назад". Какая эта жидкость, куда она уходит и т.д. - это вне физического решения.

5. ОТ ФИЗИЧЕСКОГО РЕШЕНИЯ К ТЕХНИЧЕСКОМУ (СХЕМНОМУ) И ДАЛЕЕ - К РАСЧЕТНОМУ

За физическим решением должно идти техническое: разработка схемы примерно на уровне требований к заявочному описанию. А затем решение расчетное: вычисление основных характеристик системы.

Надо отчетливо представлять себе эту цепь: ситуация - задача - идеальное решение - физическое решение - техническое решение - расчетное решение.

Только после формулировки идеального решения можно сказать: "Я буду решать эту задачу на высоком уровне". Только после физического решения можно сказать: "Найдена новая идея". Только после технического решения можно сказать: "Есть принцип изобретения". Только после расчетного решения можно сказать: "Сажусь писать заявку на изобретение".

6. ДРУГИЕ МЕХАНИЗМЫ РЕШЕНИЯ

В АРИЗ-71 есть операторы, играющие вспомогательную роль. Их назначение - облегчить применение основных операторов. Так, шаги 2.3, 2.4 и 2.5 позволяют точнее сформулировать ИКР. А шаги 3.2, 3.3 - точнее сформулировать физическое противоречие.

В последние годы ведется разработка новых основных операторов. Общая база этих операторов - системный подход к техническим объектам. Системность тоже фундаментальная особенность развития техники. Системный подход может дать очень сильные операторы - не менее сильные, чем ИКР и противоречия. Но пока системный подход реализован в АРИЗ в виде вспомогательных операций (например, переход от системы к объекту и далее к части объекта). "Общая схема развития технических систем" еще не вошла в АРИЗ в виде рабочего инструмента.

Системный подход наиболее сильно развит в рамках вепольного анализа. Синтез вепольного анализа с АРИЗ только намечается. Между тем сила вепольного анализа может проявиться только в синтезе с АРИЗ, когда - через этот синтез - в вепольный анализ войдут ИКР, физпротиворечия, отобранная информация.

Рассмотрим это на примере.

Возьмем задачу Ю. Поповой: как бороться с прилипанием угля мокрого к стенкам трубы? В вепольном анализе есть простое правило: ненужный веполь легко разрушить введением третьего вещества. Хорошо, облицуем трубу фторопластом (как сделали американцы). Задача решена, но - на первом уровне. И это закономерно: мы не использовали ИКР и не выявили противоречия. Нет "сама" - и появилась дорогая и быстро изнашивающаяся облицовка.

Введем теперь оператор, создающий противоречие: ко всякому "надо" будем добавлять "не надо". Итак, надо ввести третье вещество, чтобы разрушить ненужный веполь, не надо вводить третьего вещества, чтобы было "само". Выход из этого противоречия состоит в том, что в качестве третьего вещества берется одно из имеющихся двух веществ, но в измененном виде. Его нет и оно есть, т.к. оно чем-то отличается от имеющихся двух веществ. Введем сухой уголь, который облепит мокрый, - и не надо другого третьего вещества. Введем чистую кальку в задаче Б-1 - и не надо другого третьего вещества.

Такой подход позволяет от вепольного анализа переходить к физпротиворечию, причем такому, в котором отражена и требуемая по ИКР идеальность ("не надо вводить третьего вещества" = "само").

По-видимому, можно синтезировать с АРИЗ и другие - пока оторванные от него - подходы, приемы, операторы.

7. ВЫВОДЫ

Выводы для преподавателей и слушателей:

1. Надо видеть цепь от ситуации до расчетного решения.
2. Надо управлять переходом от ситуации к задаче.
3. Надо переводить рекомендации, полученные вепольным анализом, в форму противоречия.

Выводы для исследователей и разработчиков:

1. Уточнены некоторые "белые пятна" - проблемы, над которыми можно работать. Это: как правильно описывать ситуацию? Как алгоритмизировать переход от ситуации к задачам? Как алгоритмизировать получение технического и расчетного решений? Как "замкнуть" на основную линию АРИЗ различные системные подходы, приемы и операторы?

2. Любая работа по программированию процесса решения задач может быть успешной лишь при условии синтеза с основной линией АРИЗ (ИКР, противоречия, организованная информация). В частности, работа Т. Кенгерли по переносу оказалась незавершенной именно потому, что Т. Кенгерли, стремясь к "новизне", сознательно игнорировал ИКР и противоречия.

ПРИЕМ 1
ПРИНЦИП ДРОБЛЕНИЯ
а) Разделить объект на независимые части.
б) Выполнить объект разборным.
в) Увеличить степень дробления объекта.

ПРИЕМ 2 
ПРИНЦИП ВЫНЕСЕНИЯ
Отделить от объекта "мешающую" часть ("мешающее" свойство) или, наоборот, выделить единственно нужную часть (нужное свойство).

ПРИЕМ 3 
ПРИНЦИП МЕСТНОГО КАЧЕСТВА
а) Перейти от одной структуры объекта (или внешней среды, внешнего воздействия) к неоднородной.
б) Разные части объекта должны иметь (выполнять) различные функции.
в) Каждая часть объекта должна находиться в условиях, наиболее благоприятных для ее работы.

 [вверх]

ПРИЕМ 4
ПРИНЦИП АССИМЕТРИИ
Перейти от симметричной формы объекта к асимметричной.

(Этот прием в формулировке по книге "Творчество как точная наука", 1979, с.85 :
а) Перейти от симметричной формы объекта к асимметричной.
б) Если объект асимметричен, увеличить степень асимметрии.)

Машины рождаются симметричными. Это их традиционная форма. Поэтому многие задачи, трудные по отношению к симметричным объектам, легко решаются нарушением симметрии.

ПРИЕМ 5 
ПРИНЦИП ОБЪЕДИНЕНИЯ
а) Соединить однородные или предназначенные для смежных операций объекты.
б) Объединить во времени однородные или смежные операции.

ПРИЕМ 6 
ПРИНЦИП УНИВЕРСАЛЬНОСТИ
Объект выполняет несколько разных функций, благодаря чему отпадает необходимость в других объектах.

ПРИЕМ 7 
ПРИНЦИП "МАТРЕШКИ"
а) Один объект размещен внутри другого объекта, который, в свою очередь, находится внутри третьего и т. д.;
б) Один объект проходит сквозь полость в другом объекте.

ПРИЕМ 8 
ПРИНЦИП АНТИВЕСА
а) Компенсировать вес объекта соединением с другими объектами, обладающими подъемной силой.
б) Компенсировать вес объекта взаимодействием со средой (за счет аэро-, гидродинамических и других сил).

ПРИЕМ 9
ПРИНЦИП ПРЕДВАРИТЕЛЬНОГО НАПРЯЖЕНИЯ
Заранее придать объекту напряжения, противоположные недопустимым или нежелательным рабочим напряжениям.

(Этот прием в формулировке по книге "Творчество как точная наука", 1979, с.86:
ПРИНЦИП ПРЕДВАРИТЕЛЬНОГО АНТИДЕЙСТВИЯ
а) Заранее придать объекту напряжения, противоположные недопустимым или нежелательным рабочим напряжениям.
б) Если по условиям задачи необходимо совершить какое-то действие, надо заранее совершить антидействие.)

ПРИЕМ 10 
ПРИНЦИП ПРЕДВАРИТЕЛЬНОГО ИСПОЛНЕНИЯ
а) Заранее выполнить требуемое изменение объекта (полностью или хотя бы частично).
б) Заранее расставить объекты так, чтобы они могли вступить в действие с наиболее удобного места и без затрат времени на доставку.

(Название приема в формулировке по книге "Творчество как точная наука", 1979, с.86:
ПРИНЦИП ПРЕДВАРИТЕЛЬНОГО ДЕЙСТВИЯ)

ПРИЕМ 11 
ПРИНЦИП "ЗАРАНЕЕ ПОДЛОЖЕННОЙ ПОДУШКИ"
Компенсировать относительно невысокую надежность объекта заранее подготовленными аварийными средствами.

ПРИЕМ 12 
ПРИНЦИП ЭКВИПОТЕНЦИАЛЬНОСТИ
Изменить условия работы так, чтобы не приходилось поднимать или опускать объект.

ПРИЕМ 13 
ПРИНЦИП "НАОБОРОТ"
а) Вместо действия, диктуемого условиями задачи, осуществить обратное действие (например, не охлаждать объект, а нагревать).
б) Сделать движущуюся часть объекта (или внешней среды) неподвижной, а неподвижную - движущейся.
в) Перевернуть объект "вверх ногами".

ПРИЕМ 14 
ПРИНЦИП СФЕРОИДАЛЬНОСТИ
а) Перейти от прямолинейных частей объекта к криволинейным, от плоских поверхностей к сферическим, от частей, выполненных в виде куба или параллелепипеда, к шаровым конструкциям.
б) Использовать ролики, шарики, спирали.
в) Перейти к вращательному движению, использовать центробежную силу.

ПРИЕМ 15 
ПРИНЦИП ДИНАМИЧНОСТИ
а) Характеристики объекта (или внешней среды) должны меняться так, чтобы быть оптимальными на каждом этапе работы.
б) Разделить объект на части, способные перемещаться относительно друг друга.

(Этот прием в формулировке по книге "Творчество как точная наука", 1979, с.87 имеет подпункт: в) Если объект в целом неподвижен, сделать его подвижным, перемещающимся.)

ПРИЕМ 16
ПРИНЦИП ЧАСТИЧНОГО ИЛИ ИЗБЫТОЧНОГО РЕШЕНИЯ
Если трудно получить 100% требуемого эффекта, надо получить "чуть меньше" или "чуть больше". Задача при этом может существенно упроститься.

ПРИЕМ 17 
ПРИНЦИП ПЕРЕХОДА В ДРУГОЕ ИЗМЕРЕНИЕ
а) Трудности, связанные с движением (или размещением) объекта по линии, устраняются, если объект приобретает возможность перемещаться в двух измерениях (то есть на плоскости). Соответственно, задачи, связанные с движением (или размещением) объектов в одной плоскости, устраняются при переходе к пространству трех измерений.
б) Многоэтажная компоновка объектов вместо одноэтажной.
в) Наклонить объект или положить его "набок".
г) Использовать обратную сторону данной площади.
д) Использовать оптические потоки, падающие на соседнюю площадь или на обратную сторону имеющейся площади.

ПРИЕМ 18 
ИСПОЛЬЗОВАНИЕ МЕХАНИЧЕСКИХ КОЛЕБАНИЙ
а) Привести объект в колебательное движение.
б) Если такое движение уже совершается, увеличить его частоту (вплоть до ультразвуковой).
в) Использовать резонансную частоту.
г) Применить вместо механических вибраторов пьезовибраторы.
д) Использовать ультразвуковые колебания в сочетании с электромагнитными полями.

ПРИЕМ 19 
ПРИНЦИП ПЕРИОДИЧЕСКОГО ДЕЙСТВИЯ
а) Перейти от непрерывного действия к периодическому (импульсному).
б) Если действие уже осуществляется периодически - изменить периодичность.
в) Использовать паузы между импульсами для другого действия.

ПРИЕМ 20 
ПРИНЦИП НЕПРЕРЫВНОСТИ ПОЛЕЗНОГО ДЕЙСТВИЯ
а) Вести работу непрерывно (все части объекта должны все время работать с полной нагрузкой).
б) Устранить холостые и промежуточные ходы.

ПРИЕМ 21
ПРИНЦИП ПРОСКОКА
Вести процесс или отдельные его этапы (например, вредные или опасные) на большой скорости.

ПРИЕМ 22 
ПРИНЦИП "ОБРАТИТЬ ВРЕД В ПОЛЬЗУ"
а) Использовать вредные факторы (в частности, вредное воздействие среды) для получения положительного эффекта.
б) Устранить вредный фактор за счет сложения с другим вредным фактором.
в) Усилить вредный фактор до такой степени, чтобы он перестал быть вредным.

ПРИЕМ 23
ПРИНЦИП ОБРАТНОЙ СВЯЗИ
а) Ввести обратную связь.
б) Если обратная часть есть - изменить ее.

ПРИЕM 24 
ПРИНЦИП "ПОСРЕДНИКА"
Использовать промежуточный объект-переносчик.

(Этот прием в формулировке по книге "Творчество как точная наука", 1979, с.89:
а) Использовать промежуточный объект, переносящий или передающий действие.
б) На время присоединить к объекту другой (легко удаляемый) объект.)

ПРИЕМ 25 
ПРИНЦИП САМООБСЛУЖИВАНИЯ
а) Объект должен сам себя обслуживать, выполняя вспомогательные и ремонтные операции.
б) Использовать отходы (энергии, вещества).

ПРИЕМ 26 
ПРИНЦИП КОПИРОВАНИЯ
а) Вместо недоступного, сложного, дорогостоящего, неудобного или хрупкого объекта использовать его упрощенные и дешевые копии.
б) Заменить объект или систему объектов их оптическими копиями (изображениями). Использовать при этом изменение масштаба (увеличить или уменьшить копии).
в) Если используются видимые оптические копии, перейти к копиям инфракрасным или ультрафиолетовым.

ПРИЕМ 27
ДЕШЕВАЯ НЕДОЛГОВЕЧНОСТЬ ВЗАМЕН ДОРОГОЙ ДОЛГОВЕЧНОСТИ
Заменить дорогой объект набором дешевых объектов, поступившись при этом некоторыми качествами (например, долговечностью).

ПРИЕМ 28 
ЗАМЕНА МЕХАНИЧЕСКОЙ СХЕМЫ
а) Заменить механическую систему оптической, акустической или "запаховой".
б) Использовать электрические, магнитные и электромагнитные поля для взаимодействия с объектом.
в) Перейти от неподвижных полей к движущимся, от фиксированных - к меняющимся по времени, от неструктурных - к имеющим определенную структуру.
г) Использовать поля в сочетании с ферромагнитными частицами.

ПРИЕМ 29 
ИСПОЛЬЗОВАНИЕ ПНЕВМО- И ГИДРОКОНСТРУКЦИЙ
Вместо твердых частей объекта использовать газообразные и жидкие: надувные и гидронаполняемые, воздушную подушку, гидростатические и гидрореактивные.

ПРИЕМ 30 
ИСПОЛЬЗОВАНИЕ ГИБКИХ ОБОЛОЧЕК И ТОНКИХ ПЛЕНОК
а) Вместо обычных конструкций использовать гибкие оболочки и тонкие пленки.
б) Изолировать объект от внешней среды с помощью гибких оболочек и тонких пленок.

ПРИЕМ 31
ПРИМЕНЕНИЕ ПОРИСТЫХ МАТЕРИАЛОВ
а) Выполнить объект пористым или использовать дополнительные пористые элементы (вставки, покрытия и т. п.)
б) Если объект уже выполнен пористым, предварительно заполнить поры каким-то веществом.

Машины всегда строились из плотных (непроницаемых) материалов. Инерция мышления приводит к тому, что задачи, легко решаемые при использовании пористых материалов, зачастую пытаются решить введением специальных устройств и систем, сохраняя все элементы конструкции непроницаемыми. Между тем высокоорганизованной машине присуща проницаемость - примером может служить любой живой организм, начиная с клетки и кончая человеком.

Внутреннее перемещение вещества - одна из важных функций многих машин. "Грубая" машина осуществляет эту функцию с помощью труб, насосов и т.п., "тонкая" машина - с помощью пористых материалов и молекулярных сил.

ПРИЕМ 32 
ПРИНЦИП ИЗМЕНЕНИЯ ОКРАСКИ
а) Изменить окраску объекта или внешней среды.
б) Изменить степень прозрачности объекта или внешней среды.
в) Для наблюдения за плохо видимыми объектами или процессами использовать красящие добавки.
г) Если такие добавки уже применяются, использовать меченые атомы.

ПРИЕМ 33 
ПРИНЦИП ОДНОРОДНОСТИ
Объекты, взаимодействующие с данным объектом, должны быть сделаны из того же материала (или близкого ему по свойствам).

ПРИЕМ 34 
ПРИНЦИП ОТБРОСА И РЕГЕНЕРАЦИИ ЧАСТЕЙ
а) Выполнившая свое назначение или ставшая ненужной часть объекта должна быть отброшена (растворена, испарена и т. д.) или видоизменена непосредственно в ходе работы.
б) Расходуемые части объекта должны быть восстановлены непосредственно в ходе работы.

ПРИЕМ 35 
ИЗМЕНЕНИЕ ФИЗИКО-ХИМИЧЕСКИХ ПАРАМЕТРОВ ОБЪЕКТА
а) Изменить агрегатное состояние объекта.
б) Изменить концентрацию или консистенцию.
в) Изменить степень гибкости.
г) Изменить температуру.

ПРИЕМ 36
ПРИМЕНЕНИЕ ФАЗОВЫХ ПЕРЕХОДОВ
Использовать явления, возникающие при фазовых переходах, например изменение объема, выделение или поглощение тепла и т. д.

ПРИЕМ 37 
ПРИМЕНЕНИЕ ТЕРМИЧЕСКОГО РАСШИРЕНИЯ
а) Использовать термическое расширение (или сжатие) материалов.
б) Если термическое расширение уже используется, применить несколько материалов с разными коэффициентами термического расширения.

ПРИEM 38 
ПРИМЕНЕНИЕ СИЛЬНЫХ ОКИСЛИТЕЛЕЙ
а) Заменить обычный воздух обогащенным.
б) Заменить обогащенный воздух кислородом.
в) Воздействовать на воздух или кислород ионизирующими излучениями.
г) Использовать озонированный кислород.
д) Заменить озонированный (или ионизированный) кислород озоном.

Основная цель этой цепи приемов - повысить интенсивность процессов. В качестве примеров можно назвать способ спекания и обжига дисперсного материала с применением интенсификации процесса горения путем продувки воздухом, обогащенным кислородом; плазменно-дуговую резку нержавеющих сталей, при которой в качестве режущего газа берут чистый кислород; интенсификацию процесса агломерации руд путем ионизации окислителя и газообразного топлива перед подачей в слой шихты и т.д.

[вверх] 

ПРИЕМ 39 
ПРИМЕНЕНИЕ ИНЕРТНОЙ СРЕДЫ
а) Заменить обычную среду инертной.
б) Вести процесс в вакууме.

Этот прием можно считать антиподом предыдущего.

[вверх] 

ПРИЕМ 40 
ПРИМЕНЕНИЕ КОМПОЗИЦИОННЫХ МАТЕРИАЛОВ
Перейти от однородных материалов к композиционным.

ТАБЛИЦА ПРИМЕНЕНИЯ ПРИЕМОВ РАЗРЕШЕНИЯ ТЕХНИЧЕСКИХ ПРОТИВОРЕЧИЙ

КАК РЕШАТЬ ЗАДАЧИ

СИТУАЦИЯ, ЗАДАЧА, МОДЕЛЬ ЗАДАЧИ...

Итак, технические системы развиваются по определенным законам. Эти законы можно познать и использовать для решения изобретательских задач "по формулам", т. е. на основе научной теории, а не бессистемным перебором вариантов. С некоторыми "формулами" мы познакомились, рассматривая принципы одного из разделов теории - вепольного анализа. Задача содержит техническое противоречие (а в глубине его спрятано противоречие физическое), поэтому суть "формул" в том, что они дают правила преодоления противоречий.

Казалось бы, достаточно иметь набор таких правил - и можно решать задачи. Но дело обстоит сложнее. Правила говорят: "Надо делать так", а здравый смысл (т.е. психологическая инерция) нашептывает: "Глупости, так делать нельзя..." Скажем, есть ванна, заполненная расплавленным металлом, нужно подольше сохранить металл в жидком состоянии. И вот правила подсказывают: "Расплав не должен застыть? Прекрасно! Бросим туда лед..." Для здравого смысла такая идея просто неприемлема. В единоборстве постороннего правила и собственного здравого смысла победа обычно остается за здравым смыслом: дикая идея отвергается...

Ни отдельные правила, ни набор правил еще не гарантируют успешного решения задачи. Необходимо объединить правила в жесткую систему и снабдить эту систему "правилами против нарушения правил". Нужна программа, заставляющая последовательно применять правила и делать это без отклонений и ошибок.

Такая программа, разработанная в нашей стране, получила название алгоритма решения изобретательских задач (АРИЗ).
АРИЗ делит процесс решения задачи на семь этапов (частей). Каждый этап осуществляется постепенно - по шагам. "Лестница" АРИЗ имеет и "перила" - правила выполнения шагов. Если нарушено то или иное правило, через 2-3 шага ошибка становится явной: формулировки "не стыкуются". АРИЗ снабжен обширным фондом сжатой, спрессованной информации, полученной путем анализа десятков тысяч патентных описаний.

мы рассмотрим только один его фрагмент. Но сначала несколько предварительных пояснений. Известно, что правильно поставить задачу - значит наполовину ее решить. Обычно же приходится иметь дело с задачей "сырой", нечетко или вовсе неверно сформулированной. Поэтому, в сущности, процесс нахождения решения в значительной мере состоит в том, чтобы переосмыслить и изменить ее условия, ясно представить себе конечную цель. "Сырая" задача (ее называют ситуацией) содержит лишь указание на ту или иную техническую систему (или часть системы) и присущий этой системе недостаток. Одна и та же ситуация может быть превращена в множество различных задач. Возьмем, например, такую ситуацию: "Парусные суда передвигаются с малой скоростью. Как быть?" Эту ситуацию можно перевести в ряд задач: как улучшить парусное оснащение, как уменьшить сопротивление воды, как вообще обойтись без парусов и т. д. При работе методом проб и ошибок мысль стихийно перескакивает от одной задачи к другой. А бывает и хуже: выбрав одну задачу, человек упорно перебирает вариант за вариантом, не замечая, что взята не та задача. В АРИЗ есть надежные правила перехода от ситуации к задаче. В частности, каждая ситуация сначала должна быть переведена в мини-задачу по принципу: все остается без изменений, но исчезает тот отрицательный фактор, который указан в ситуации (или появляется требуемый положительный фактор). Если даже ситуация относится к безнадежно устаревшей технической системе, все равно сначала целесообразно рассмотреть мини-задачу. На замену технической системы неизбежно уйдут многие годы, поэтому полезно иметь пусть частичное, временное, но легко внедряемое решение. А решение мини-задачи всегда легко внедрить: это предопределено самой сутью мини-задачи (ничего нельзя менять).

В условиях задачи (даже мини-задачи) обычно указывается техническая система, к которой относится задача: в поле зрения попадают лишние элементы системы, а иногда, наоборот, не хватает нужных элементов. Поэтому от задачи надо перейти к ее модели - выделить пару элементов, конфликт между которыми порождает задачу. Затем следует определить тот элемент пары, который должен быть изменен, и ту зону элемента, в которой "прячется" физическое противоречие. Все операции должны быть проделаны по определенным правилам.

Очень важный шаг на этом пути - определение ИКР (идеального конечного результата), т. е. идеального решения. Любая задача в принципе имеет множество ответов. Но наилучший ответ всегда один: это такой ответ, в котором требуемый результат достигается сам собой, "без ничего", без перестройки системы, без затраты материалов, энергии, средств, словно по мановению волшебной палочки. Разумеется, реально достичь такого идеала невозможно. ИКР служит маяком, позволяющим ориентироваться на самое лучшее из решений. Реальное решение должно быть максимально близким к идеалу, а чтобы этого добиться, нужно стремиться к ИКР.

Теперь мы поясним на учебной задаче.

СТАЛЬНЫЕ ЖЕРНОВА АНАЛИЗА

Вот эта задача:

Задача 15. Шлак, образующийся в домнах, сливают в большие ковши, установленные на железнодорожных платформах, и отвозят на шлакоперерабатывающую установку. Первоначальная температура шлака - около 1 000 С, но в пути шлак охлаждается, на его поверхности образуется твердая корка. Чтобы слить жидкий шлак, приходится с помощью специального копрового устройства пробивать отверстия в этой корке. По ряду причин (ковш имеет форму конуса, в разных ковшах разный уровень шлака, толщина корки тоже разная) отверстия пробивают не у самой стенки ковша, поэтому жидкий шлак сливается неполностью. Потери шлака (из-за образования твердой корки и неполного слива) очень велики - примерно 1/3 всего количества. Приходится отвозить ковши на специальную эстакаду, где выбивают корку и застывший шлак, сливают остатки жидкого шлака. Все это связано с потерями сырья (жидкого шлака), большими затратами труда на очистку ковшей, возникновением отвалов шлака и т. д...

Основные теплопотери - с поверхности расплава. Но от применения теплоизолирующих крышек пришлось отказаться: чтобы установить и снять крышку, требуются крановые устройства, это усложняет оборудование, снижает темпы работы. Как быть?

Перед нами типичная "сырая" задача - ситуация, которую можно перевести в различные конкретные задачи. Скажем, так: "Нужно найти способ выплавки чугуна без образования шлака". Или: "Придумайте бесковшовый способ транспортировки шлака". Или: "Усовершенствуйте копровое устройство так, чтобы можно было пробивать шлаковую корку у самых стенок ковша..." Но мы теперь знаем, как надо действовать: переведем задачу в мини-форму. Ничего не меняется - ни оборудование доменного цеха, ни средства для перевозки шлака, - а шлак прибывает на перерабатывающую установку в жидком виде, без потерь. Будем считать это записью шага 2.1 и начнем построение модели

2.2. Конфликтующая пара: шлак - воздух.

(Изделие - шлак. "Инструмент", непосредственно взаимодействующий со шлаком, - столб холодного воздуха над ковшом. Конфликт в том, что горячий шлак "хочет" нагреть воздух, а холодный воздух "хочет" охладить шлак. Модель задачи условна: в пространстве висит расплавленный шлак, а над ним находится холодный воздух. Все остальные элементы системы сразу отброшены, тем самым без перебора отброшены многие пустые варианты).

2.3. а. Воздух легко пропускает шлак (при наполнении и опорожнении ковша);

б. Воздух охлаждает шлак.

2.4. Даны жидкий шлак и воздух над шлаком. Воздух свободно пропускает шлак (это хорошо) и не задерживает тепло (это плохо).

3.1. Шлак - изделие. Воздух - природный элемент. По правилу 7 выбираем внешнюю среду.

Итак, необходимо ввести третий элемент.

3.2. ИКР: внешняя среда сама устраняет охлаждение шлака, сохраняя способность свободно пропускать жидкий шлак.

3.3. Зона, которая не справляется с комплексом указанных в ИКР двух требований, - от поверхности шлака до краев ковша (или чуть выше, но так, чтобы не выйти за пределы железнодорожных габаритов), т. е. то место, которое должна была бы занимать теплоизолирующая крышка. В этой зоне - воздух. А должна находиться внешняя среда - какое-то иное вещество.

3.4. а. Для защиты шлака от охлаждения в этой зоне должно быть вещество-теплоизолятор (даже вакуумная изоляция требует наличия вещества для удержания вакуума).

б. Для свободного прохождения шлака в этой зоне не должно быть вещества.

3.5. Физическое противоречие: выделенная зона внешней среды должна быть заполнена веществом, чтобы обеспечить теплоизоляцию, и не должна быть заполнена веществом, чтобы свободно пропускать шлак.

4.1. б. Искомое вещество должно само появляться при заполнении ковша шлаком и само исчезать при сливе шлака.

К ЦЕЛИ - С МАТЕМАТИЧЕСКОЙ ТОЧНОСТЬЮ

Присмотритесь к логике анализа. Дана система из многих элементов: доменной печи, ковша, платформы и т. д. На 2.2 выбраны два конфликтующих элемента: шлак и воздух. На 2.3 сформулирована суть конфликта. Шаг 2.4 соединяет записи 2.2  и 2.3: если они правильно сделаны, соединение получается логичным. 3.1 - выделяем один элемент. 3.2 - составляет формулировку ИКР для этого элемента. 3.3 - выделяем часть одного элемента. 3.4 - переходим от противоречивых технических требований к противоречивым физическим требованиям. Если 3.3 и 3.4 выполнены правильно, они легко соединяются в формулировку физического противоречия на шаге 3.5. На 4.1 сделан первый шаг к устранению противоречия: отмечено, что противоречивые требования допускают разделение во времени.

Итак, физическое противоречие сформулировано и привязано к определенной зоне. Мы знаем также, что это противоречие должно быть устранено с помощью вещества, способного легко появляться и столь же легко исчезать. Правила вепольного анализа позволяют уточнить: вещество, вводимое для разрушения веполя, должно быть видоизменением имеющихся веществ (в этом случае преодолевается противоречие "вещество есть и вещества нет"). Остается рассмотреть три варианта. В выделенной зоне могут быть:

видоизмененный воздух (единственная возможность - горячий воздух, но это нарушает требование ИКР, так как придется ставить систему подогрева);

видоизмененный шлак (единственная возможность - твердые гранулы шлака, они задержат тепло, но пропустят жидкий шлак; ближе к ИКР, но все же придется специально изготавливать гранулы, засыпать их и каким-то образом удерживать при сливе жидкого шлака; интересно отметить, что этот ответ совпадает с 4,1 г);

видоизмененная смесь воздуха и шлака - шлаковая пена (отличный теплоизолятор, легко изготовляется прямо в ковше, никаких помех при сливе шлака).

Ответ очевиден - вспенить шлак. Для образования пены нужен газ (или пар). Вот мы и пришли к "дикой", но очень близкой к ИКР идее: для сохранения тепла в расплав следует бросить кусок льда (сухого или обыкновенного) или просто налить немного воды... Остается добавить: задача впервые решена именно по АРИЗ, решение запатентовано и внедрено.

А теперь задача для тренировки.

Упражнение 3. Объект - нефтепровод. Надо мысленно уменьшить его размеры (диаметр, толщину стенок) до минимально возможной величины (например, толщина стенок - атом). Возникает новая техническая система: нефтепровод на микроуровне. Как он устроен? Как работает? Какие новые особенности появились в результате перехода на микроуровень? Нельзя ли некоторые из этих особенностей перенести на обычный нефтепровод?

ЧАСТЬ 2. ПОСТРОЕНИЕ МОДЕЛИ ЗАДАЧИ

2.1. Записать условия задачи, не используя специальные термины.

2.2. Выделить и записать конфликтующую пару элементов. Если по условиям
задачи дан только один элемент, перейти к шагу 4.2.

Правило 1. В конфликтующую пару элементов обязательно должно входить изделие.

Правило 2. Вторым элементом пары должен быть элемент, с которым непосредственно взаимодействует изделие (инструмент, второе изделие, внешняя среда).

Правило 3. Если один из элементов (инструмент) по условиям задачи может иметь два состояния, надо взять то состояние, которое обеспечивает наилучшее осуществление главного производственного процесса (основной функции этой технической системы, указанной в задаче).

Правило 4. Если в задаче есть пары однородных взаимодействующих элементов, достаточно взять одну пару.

2.3. Записать два взаимодействия (действия, свойства) инструмента и изделия: имеющееся и то, которое надо ввести (или: полезное и вредное).

2.4. Записать стандартную формулировку модели задачи, указав конфликтующую пару и техническое противоречие.

ЧАСТЬ 3. АНАЛИЗ МОДЕЛИ ЗАДАЧИ

3.1. Выбрать из элементов, входящих в модель задачи, тот, который можно легко изменять, заменять и т. д.

Правило 5. Технические объекты легче менять, чем природные.

Правило 6. Инструменты легче менять, чем изделия.

Правило 7. Если в системе нет легко изменяемых элементов, следует указать "внешнюю среду".

3.2. Записать стандартную формулировку ИКР (идеального конечного результата).

Элемент (указать элемент, выбранный на 3.1) сам (сама, само) устраняет (указать вредное воздействие), сохраняя способность выполнять (указать полезное воздействие).

Правило 8. В формулировке ИКР всегда должно быть слово "сам" ("сама", "само").

3.3. Выделить ту зону элемента (указанного в 3.2), которая непосредственно не справляется с требуемым по ИКР комплексом двух взаимодействий. Что в этой зоне - вещество, поле?

3.4. Сформулировать противоречивые физические требования, предъявляемые к состоянию выделенной зоны элемента конфликтующими взаимодействиями (действиями, свойствами).

а. Для действия 1 (указать полезное взаимодействие или то взаимодействие, которое надо сохранить) необходимо (указать физическое состояние: быть нагретой, подвижной, заряженной и т. д.).

б. Для действия 2 (указать вредное взаимодействие или взаимодействие, которое надо ввести) необходимо (указать физическое состояние: быть холодной, неподвижной, незаряженной и т. д.).

Правило 9. Физические состояния, указанные в пунктах "а" и "б", должны быть взаимопротивоположными.

3.5. Записать стандартную формулировку физического противоречия:

(Указать выделенную зону элемента) должна (указать состояние на 3.4а), чтобы выполнять (указать полезное взаимодействие), и должна (указать состояние, означенное на 3.46), чтобы предотвращать (указать вредное воздействие).

ЧАСТЬ 4. УСТРАНЕНИЕ ФИЗИЧЕСКОГО ПРОТИВОРЕЧИЯ

4.1. Рассмотреть простейшие преобразования выделенной зоны:

а. Разделение противоречивых свойств в пространстве.

б. Разделение противоречивых свойств во времени.

в. Разделение противоречивых свойств путем использования переходных состояний, при которых сосуществуют или попеременно появляются противоположные свойства.

г. Разделение противоречивых свойств перестройкой структуры: частицы выделенной зоны наделяются имеющимся свойством, а вся выделенная зона в целом наделяется требуемым (конфликтующим) свойством.

Правило 10. Рассматривать только те преобразования, которые соответствуют ИКР (т.е. осуществляются сами по себе).