TRIZ-CHANCE ТРИЗ-ШАНС Знаем ли мы геометрию?

Итак, мы установили, что есть множество геометрических эффектов (ГЭ), которые или малоизвестны техническому работнику, особенно молодому, или фактически воспроизводят решения, уже известные в других областях техники. Поэтому для повышения КПД "геометрического знания" инженера, изобретателя, рационализатора нужно составить Указатель ГЭ. Но как его сделать?

Опыт такой работы есть. Это создание Г. С. Альтшуллером теории решения изобретательских задач (ТРИЗ). Здесь нужно руководствоваться тремя простыми, но, как показывает практика, не всегда учитываемыми разработчиками и преподавателями методов технического творчества требованиями:

исследование должно быть основано на большом массиве технической и патентной информации;
необходимо учитывать существование качественно различных уровней решения технических задач;
рекомендации должны быть опробованы на значительном количестве задач высших уровней (поскольку подражать стоит лучшим, а не средненьким образцам).

     Рассмотрим эти требования подробнее. Дело в том, что начиная с 1960 г. в отечественном патентном фонде на каждые сто тысяч изобретений приходится 15-20 не самых тривиальных решений, в которых упоминается спираль или винтовая линия. А для каждой из форм типа эллипсоида, гиперболоида, параболоида эта цифра не превышает 2-3. Значит, создавать Указатель ГЭ на основе сплошного просмотра даже нескольких десятков тысяч изобретений - бессмысленно. Нужны на порядок большие объемы. Эта работа была проведена (и продолжает проводиться) автором.

     Всего при подготовке рукописи было просмотрено более 1 200 000 формул изобретений и патентов как отечественных, так и зарубежных (отдельный и интересный вопрос - техника этого просмотра).

     Практическое опробование рекомендаций Указателя ГЭ производится в школах изобретательства, в ряде институтов повышения квалификации, при проведении работ по функционально-стоимостному анализу (ФСА).

     Теперь следующий вопрос: как лучше организовать Указатель ГЭ? Ознакомимся с этим на примере формирования одного пункта Указателя.

     Есть старинный способ, с помощью которого довольно просто снять с пальца туго сидящее кольцо. Со стороны кисти под кольцо просовывается нитка и наматывается на палец плотно виток за витком, начиная от кольца, через сустав, до кончика пальца. Затем, взявшись за конец, просунутый под кольцо, нитку начинают сматывать. Кольцо благодаря перемещающемуся вместе с ним местному сжатию пальца легко сходит...

     А вот а. с. 899277: ''Устройство для прессования пористых изделий с отверстием''. Раньше для получения отверстия в гранулы, подготовленные для штамповки, вставляли стержень требуемого диаметра. После штамповки и спекания гранул его вынимали, точнее - пытались вынуть. В действительности пористые изделия коробились и ломались, так как при вытаскивании к стержню, а соответственно и к ним прикладывались значительные усилия... Упомянутым авторским свидетельством защищена идея: на стержень наматывается спираль, а после прессования сматывается виток за витком. При этом не происходит порчи самих изделий. Как и в примере со снятием кольца усилие прикладывается не ко всей конструкции, а лишь к ее части, на которую приходится гораздо меньше связей с веществом изделия. Заметим, что этим способом можно изготавливать и криволинейные отверстия.

     Обратимся к другой области техники: изготовлению асбоцементных деталей. Их укатывают специальным катком, наподобие асфальтового. Но в отличие от асфальта асбоцемент налипает на каток, а следовательно, укатываемая поверхность получается с выбоинами и вмятинами. Решение задачи изложено в описании а. с. 188874: на катке одним концом закреплена спираль, а другой ее конец свободен и несколько раз огибает каток. При перекатывании катка спираль локально деформируется, резко изменяет свою кривизну и сбрасывает налипший материал... Отметим, что решения, аналогичные приведенным, зафиксированы также в а. с. 174974, 334006, 558736, 1040066, 1068291, 1082504 и т.д.

     О чем это говорит? О том, что, проанализировав ряд изобретений, можно выявить некоторый общий принцип; как говорят специалисты по методам технического творчества - прием. В данном случае такой: "Если необходимо устранить вредное взаимодействие макроповерхностей, на одну из них наматывают гибкое тело, после чего к каждой его точке последовательно прикладывают усилие".

     В настоящем Указателе ГЭ разделы выполнены по принципу: "Геометрическая форма - ее технические функции".

     Сводная таблица, помещенная в конце указателя, выполнена по обратному принципу: "Техническая функция - реализующие ее геомформы". (Этот материал опубликован только в книге и на сайте его нет - Прим. И.Л. Викентьеа).

     Покажем на примере, как пользоваться этой таблицей. Допустим, нам требуется найти форму, позволяющую изменять ограничиваемый ею объем в несколько раз. Открываем "Сводную таблицу возможных применений ГЭ", находим функцию - регулирование объема, рядом отсылка-5.12, 10.7. Читаем эти пункты Указателя ГЭ и узнаем, что нам может помочь телескопирование спирали из рулона и (или) скручивание однополостного гиперболоида вращения. Если же захотим ознакомиться с техническими подробностями этих решений, то необходимо обратиться к литературе, список которой приводится в каждом разделе.

     Нужно подчеркнуть, что с помощью Указателя ГЭ можно найти основной принцип, идею решения, а не саму требуемую конструкцию со всеми подробностями. Важно понимать место ГЭ в информационном фонде ТРИЗ.

     В отличие от химических эффектов, позволяющих получать одни вещества из других с поглощением или выделением энергии, или физических эффектов, позволяющих преобразовывать один вид энергии в другой, ГЭ обычно перераспределяют уже имеющиеся потоки вещества и энергии.

     Создание Указателя ГЭ - важный, но промежуточный этап работы. Уже сейчас ясно, что дальнейшая работа по его развитию пойдет по следующим направлениям:

     Остановимся на каждом из этих направлений.

     Анализ патентного фонда показал, что, как ни странно, геометрия в технических системах развивается не в сторону "еще большей" геометрии, а в направлении синтеза с энергетикой, системой управления технических систем. Например, казалось бы, для увеличения массо-теплообмена нужно увеличивать и увеличивать омываемую поверхность, в частности, перейти от спиральных стенок аппаратов к спирально-гофрированным. Но это чисто "геометрическое" решение нежизнеспособно, ибо сделано без учета энергетических соображений: в указанном случае резко возрастут потери на трение... Авторам открытия № 242 "Закономерность изменения теплопередачи на стенках каналов с дискретной турбулизацией потока при вынужденной конвекции" удалось найти профиль гофр и их взаимное расположение, которые не вызывают значительных энергетических потерь и одновременно в несколько раз увеличивают теплопередачу.

     Разработанный И.Л. Викентьевым "Геометрический пространственный оператор" как раз отражает преобразования традиционных форм в соответствии с физическими процессами в технической системе и внешней среде, позволяя полнее использовать ресурсы систем (подробнее см.: Викентьев И. Л. Геометрический пространственный оператор // Теория и практика обучения техническому творчеству, Челябинск, 1988, с. 51-53).

     Следующее направление - вещественно-полевые ресурсы и ГЭ.
     Дело в том, что форма - изобретательский ресурс, который есть практически всегда и который чрезвычайно редко используется эффективно. Обычно с помощью формы удается более оптимально перераспределить потоки вещества и энергии, уже имеющиеся в технической системе или внешней среде.

     Подтвердим это примерами. Первый - исторический. Дорога, идущая по склону к воротам средневековой крепости в Таллинне, выполнена так, что поднимающийся к ним путник вынужденно повернут к крепости правым боком. Это сделано с целью "выключить" правую руку нападающих, которой они вынуждены держать щит... Другой пример. При спуске корабля со стапеля последний может переуглубиться и удариться о дно акватории. Один из распространенных способов решения этой задачи заключается в прикреплении к корпусу корабля громоздких и дорогостоящих понтонов, обеспечивающих дополнительную плавучесть... Возможно более красивое решение: по а. с. 441195 к носовой оконечности корабля крепят крылья. Последние создают гидродинамическую подъемную силу уже с момента соприкосновения с поверхностью воды. С увеличением скорости спуска увеличивается подъемная сила крыльев, автоматически исключая неприятности.

     Синтез неклассических геометрических форм.
     Можно указать три основных механизма, через которые идет "размножение" форм:

     а) геомформа-1 ± геомформа-2, причем одна из форм может быть полостью

     На Рис. 2.1 изображена конструкция "клин + клин", которая в отличие от ординарного клина позволяет осуществлять перемещение сразу по трем направлениям (а. с. 312974).

Рис. 2.1 Рис. 2.2

Задача: как контролировать гиперболический или параболический профиль? Нужно изготовить соответствующий шаблон... Прибегнуть к помощи станка с ЧПУ, дать заказ слесарю-лекальщику... По а. c. 491462 предложено поступить гораздо проще: выполнить конус и вырезать из него пластинки. Если поверхность реза параллельна образующей - получаем параболу, если она перпендикулярна основанию - получаем гиперболу (Рис. 2.2);

б) геомформа + вращательное и/или поступательное движение

Рис. 2.3

Оказывается, если круги или эллипсы установлены на оси наклонно и зеркально относительно друг друга, то зигзагообразность следа при их качении создаст дополнительный упор при перемещении транспортного средства - Рис. 2.3 (а. с. 414144, 573382);

     в) геомформа + физический (или химический) эффект

     Примеров на сочетание геометрической формы с физическими эффектами приведено достаточно в самом Указателе, поэтому ограничимся показом здесь лишь одного решения.

     По а. с. 1116218 предложено рабочее колесо насоса где лопаткой служит граница раздела между смачиваемыми и несмачиваемыми участками поверхности диска (на Рис. 2.4 - заштрихована).

Рис. 2.4

Гидравлическое сопротивление в направлении, перпендикулярном разделу, больше, чем вдоль него, следовательно, жидкость будет распространяться вдоль границы раздела, т. е. граница выполняет роль лопаток с бесконечно малыми размерами. Конечно, производительность такого насоса невелика, но авторам хотелось привести запоминающийся пример сочетания геометрии и физики.

     И последнее направление - проблема классификации геометрических эффектов.

     В настоящее время она выполнена по функциональному признаку. Более оптимальный принцип классификации пока не найден. Впрочем, вопросы упорядочения классификации - извечная проблема для любой информационной системы, поскольку скорость "свертывания" информации обычно отстает от скорости ее накопления. Разработка Указателя ГЭ далеко не закончена, и мы приглашаем всех желающих принять в ней участие.

     В заключение отметим, что наиболее полно математические свойства различных геометрических фигур изложены в [1] и [3]. В книгах [2] и [4] заинтересованный Читатель найдет сведения по истории геометрии и узнает о ее связи с другими науками.