Учебник по ТРИЗ

4. Практическое использование понятия идеальности

Идеальность — одно из ключевых понятий Теории решения изобретательских задач. Понятие идеальности составляет суть одного из законов (закон повышения идеальности), а также лежит в основе иных законов развития техники, наиболее отчетливо проявляясь в таких, как:

•закон вытеснения человека из технической системы;

•закон перехода от макросистем к микросистемам.

Г. С. Альтшуллер говорил, что идеальная система — это такая система, которой нет, а функция ее выполняется.

При построении образа идеальной технической системы необходимо выполнить два действия — представить себе, что реальной системы может и не быть, что можно обходиться без нее, а также сформулировать и точно определить функцию, ради которой система необходима. Выполнение обоих действий в реальных условиях может вызывать определенные трудности. Рассмотрим их более детально.

Формулирование системы как отсутствующей в учебном процессе обычно совершается достаточно просто. (Идеальный телефон — такой телефон, которого нет…, идеальный фонарик — такой фонарик, которого нет… и так далее). Однако в реальной деятельности, при работе с объектами, важными для решателя, у него могут возникнуть проблемы с самим объединением того, что дорого и необходимой по процедуре фигуры отрицания. Например, абстрактное понятие «идеального специалиста» строится легко. Идеальный специалист — это такой специалист, которого нет, а функции которого выполняются. Такое определение формируется достаточно просто. Но у многих людей вызывает затруднение формулировка идеальной модели именно для их специальности. Для многих конкретных специалистов возникают затруднения при формировании модели мира, в котором отсутствует потребность в их услугах. Врачу трудно определить, что такое идеальный врач, учителю, что такое идеальный учитель. Ранее ясная, модель в данном случае может деформироваться, сводиться к иной, например, к перечислению комплекса предъявляемых требований. Здесь проблема в построении новой модели мира, такого, в котором отсутствует важный и кажущийся незыблемым элемент.

Нелегко выполнить и вторую часть предписания — точно определить, что же такое «а функции ее выполняются». Но именно в этой работе и состоит наиболее важный аспект применения модели — понять, зачем вообще потребовалась совершенствуемая система.

В процессе решения задачи зачастую формулируются без предварительного определения и уточнения цели. Определение будущего результата работы подменяется описанием машины, предназначенной для достижения этого результата. Например, при необходимости фиксировать деталь, в задании на разработку может появиться формулировка «разработать устройство для фиксации детали». Такие исходные фомулировки должны, по возможности, корректироваться и уточняться.

В предыдущей лекции об идеальности отмечалось, что очень важно и полезно уметь увидеть цель, освобожденную от конкретных средств ее реализации. Видеть цель — это видеть результат действия еще до того, как станет понятно, с помощью чего можно подойти к этому результату. Такой подход необходим еще и потому, что оценка найденных средств может быть выполнена только при понимании желаемой цели. Глубина этого понимания определяет возможности и точность оценки, выбора оптимального для конкретной ситуации средства.

Например: «необходимо разработать устройство для опускания оборудования в колодец».

Эта формулировка может быть заменена на более общую — «необходимо опустить оборудование в колодец». Здесь уже появляется возможность воспользоваться существующими средствами. Эта формулировка также может быть изменена в очередной раз на еще более общую. Например, на такую: «Необходимо, чтобы оборудование находилось в колодце».

Можно ли продолжить ряд обобщений? Конечно, если мы обратимся к назначению оборудования. Если оно предназначено для подъема воды на поверхность, то цель может звучать так: «Необходимо, чтобы вода поднималась на поверхность». При этом появляется возможность рассмотреть варианты, в которых устройство, расположенное наверху, поднимает воду из колодца.

Самостоятельное, автономное применение принципа идеальности и определения идеальной технической системы, является одной из отличительных черт, формирующих стиль работы специалистов по ТРИЗ. Однако наиболее часто можно встретить в литературе использование этого принципа в операторе ИКР (формировании идеального конечного результата) — одного из наиболее интересных и эвристически ценных шагов АРИЗ.

Объем понятия Идеального конечного результата может отличаться от объема понятия и возможностей идеальной технической системы. ИКР — это постановка перед выбранным объектом требования самостоятельно реализовать комплекс функций, первоначально реализовавшихся другим объектом, (элементом той же системы, надсистемой, внешней средой). Возможны три варианта такой реализации, различающихся степенью идеальности (исчезновения) исходно заданной технической системы.

1. Объект сам (без обычных, специально предназначенных систем или устройств) обрабатывает себя, сохраняя при этом потребительские качества. Это означает, что изделие выполняет функцию системы, предназначенной для ее обработки (оставаясь полезной для потребителя). Данный ИКР фактически совпадает с пониманнием идеальной технической системы. Однако формулирование такого варианта не всегда бывает целесообразным, так как в некоторых задачах оно может вступать в противоречие с ранее заданным уровнем конкретизации зоны конфликта.

Система, предназначенная для обработки, как правило, состоит из ряда узлов. (Состав этих узлов в обобщенной форме рассматривался при изучении закона полноты частей системы). Идеальность такой системы повышается, если какой-либо из ее элементов берет на себя дополнительную функцию, замещает иные элементы. Наиболее целесообразно требовать это от инструмента, части системы, непосредственно обрабатывающей изделие. В этом случае ИКР имеет вид:

2. Инструмент сам выполняет функцию вспомогательных элементов системы (снабжает себя энергией, ориентирует себя в пространстве…), продолжая обрабатывать изделие (то есть выполнять свою функцию).

Естественно, что при этом инструмент может брать на себя не все вспомогательные функции, а их часть (например функции управления, либо снабжения энергией…). В различных случаях будут получаться системы, отличающиеся уровнем «свернутости» — системы без ярко выраженного источника энергии, либо без трансмиссии, либо без органа управления.

Если по каким либо причинам не удается избавиться от системы, реализующей важную функцию, то можно нагрузить эту систему дополнительными функциями и за счет этого избавиться от иных систем. ИКР в этом случае записывается в следующей форме:

3. Система сама выполняет дополнительную функцию, продолжая осуществлять свою.

Как видно, общая структура ИКР выглядит так:

Выбранный объект

САМ

выполняет дополнительную функцию,

продолжая выполнять свою функцию (здесь могут быть введены и иные дополнительные условия).

Отдельно следует рассмотреть ситуацию, когда в процессе работы над задачей принято решение ввести дополнительный элемент. Это может быть элемент, реально существующий в окружении системы, а может быть абстрактное представление — так называемый «Х-элемент». В таких ситуациях принято формулировать ИКР по следующей структуре:

Выбранный объект («Х-элемент»)

САМ

Устраняет ранее сформулированный нежелательный эффект

Абсолютно не усложняя систему (ведь требование сохранения собственных функций элемента здесь чаще всего избыточно, а риск усложнения системы дополнительными элементами вполне реален).

Работа с «Х-элементом» (в ранних версиях АРИЗов использовалось понятие «Внешняя среда») требует специальных навыков. Ведь строя ИКР и выполняя некоторые последующие действия, изобретатель формирует комплекс требований, свойств, характеристик, введение которых в систему позволит решить поставленную задачу. «Х-элемент» — это совокупность таких требуемых харатеристик, которые потом придется искать в самой системе как ее латентные, скрытые, непроявленные возможности. При невозможности такого внутреннего подбора, появляется необходимость использования элементов с требуемыми свойствами.

Попробуем выработать навык формулирования ИКР и его практического использования при решении изобретательских задач.

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

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

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

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

^{Рис. 4.1}

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

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

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

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

^{Рис. 4.2}

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

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

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

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

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

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

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

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

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

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

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

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

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

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

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

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

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

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

Построим еще более точную формулировку требования:

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

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

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

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

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

«Плохой» шарик сам отделяется от хороших шариков.

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

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

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

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

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

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

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

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

ИКР может звучать здесь следующим образом:

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

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

Целью игры также могло бы стать:

•стремление как можно дольше удержать волан в воздухе;

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

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

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

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

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

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

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

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

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

Возможный итог решения описан в одном из российских изобретений:

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

^{Рис. 4.3}

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

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

Можно констатировать, что идеальность — универсальный инструмент мыслительной деятельности.

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