ДИАЛЕКТИКА ИЗОБРЕТЕНИЯ

ШАГ ЗА ШАГОМ

Используя понятия об идеальной машине,и технических противоречиях, можно существенно упорядочить процесс решения изобретательской задачи. Идеальная машина помогает определить направление поисков, а техническое противоречие, присущее данной задаче, указывает на препятствие, которое предстоит преодолеть. Однако противоречие подчас бывает довольно хитро спрятано в условиях задачи. К тому же обнаруженное противоречие не исчезает само по себе, приходится изыскивать способы его устранения. Далеко не всегда удается одним броском преодолеть путь от постановки задачи до ее решения. Нужна рациональная тактика, позволяющая шаг за шагом продвигаться к решению задачи. Такую тактику дает алгоритм решения изобретательских задач (АРИЗ).

В следующих главах, углубляя изучение, мы детально рассмотрим отдельные «узлы» алгоритма и на конкретных примерах покажем, как они работают, а пока дадим общий обзор АРИЗ.

Термин «алгоритм», вообще говоря, имеет довольно расплывчатые границы. В математике под алгоритмом подразумевается строго регламентированная совокупность и порядок операций, необходимых для решения той или иной задачи. Математическим алгоритмом являются, например, действия, которые надо последовательно совершить, чтобы извлечь квадратный корень из целого положительного числа. Такие алгоритмы характеризуются жесткостью: каждая операция определена совершенно точно и не зависит ни от изменения условий задачи, ни от личности человека, решающего задачу.

В широком смысле слова алгоритмом называют всякую программу планомерно направленных действий. Программа решения изобретательских задач названа алгоритмом именно в этом смысле.

АРИЗ обладает гибкостью: одна и та же задача может быть решена разными путями - в зависимости  от того, кто и как ее решает. АРИЗ не игнорирует личность человека, который им пользуется. Напротив, АРИЗ стимулирует максимальное использование особенно сильных качеств данного изобретателя. Поэтому путь от задачи до решения может быть пройден по-разному, изобретатель совершает действия в зависимости от знаний, опыта, способностей. Алгоритм лишь избавляет от заведомо неверных шагов.

Более того, используя АРИЗ, разные изобретатели могут прийти к разным решениям одной и той же задачи. АРИЗ построен так, чтобы выводить данного изобретателя на наиболее сильные для него решения данной задачи.

Как и всякий инструмент, АРИЗ дает результаты, во многом зависящие от умения пользоваться вм. Не следует думать, что, прочитав текст алгоритма, можно сразу решать любые задачи. Прочитав описание приемов самбо, не стоит сразу выходить на соревнования. Так и с АРИЗ: единоборство с задачей требует практических навыков. Мы будем вырабатывать эти навыки на учебных задачах.

* * *

Если схематически представить двадцатипятилетнюю работу по созданию и совершенствованию АРИЗ, полу-дится довольно длинная цепочка: первый вариант - проверка на практике - корректировка - второй вариант - проверка на практике - корректировка - третий вариант -…и т. д.

Уже АРИЗ-59 (т. е. алгоритм, опубликованный в 1959 году) успешно применялся рядом изобретателей. Затем появились АРИЗ-61, АРИЗ-64 и АРИЗ-65. В них был учтен опыт ряда семинаров, в ходе которых алгоритм использовался для решения самых разнообразных изобретательских задач. АРИЗ-64 и особенно АРИЗ-65 годились для решения многих задач, встречающихся в изобретательской практике. Тем временем совершенствование алгоритма продолжалось и в результате был разработан АРИЗ-68, изложенный в первом издании этой книги.

Мы рассмотрим два варианта алгоритма - АРИЗ-61 и АРИЗ-71. Это позволит читателю увидеть, в каком направлении идет развитие алгоритма и, следовательно, представить, каким примерно будет алгоритм через пять или десять лет.

АРИЗ-61 делит творческий процесс на три стадии:

аналитическая;

оперативная (устранение технического противоречия);

синтетическая (внесение дополнительных изменений).

Каждая стадия подразделяется на ряд последовательно осуществляемых шагов. Таким образом, одно сложное (и потому очень трудное) действие алгоритм разбивает на ряд частичных, более легких действий. Выглядит это так.

АРИЗ-61

1. Аналитическая стадия

Первый шаг. Поставить задачу.

Второй шаг. Представить себе идеальный конечный результат.

Третий шаг. Определить, что мешает достижению этого результата (т. е. найти противоречие).

Четвертый шаг. Определить, почему мешает (найти причину противоречия).

Пятый шаг. Определить, при каких условиях не мешало бы (т. е. найти условия, при которых противоречие снимается).

2. Оперативная стадия

Первый шаг. Проверка возможности изменений в самом объекте (т. е. в данной машине, данном технологическом процессе).

1. Изменение размеров.

2. Изменение формы.

3. Изменение материала.

* 4. Изменение температуры.

5. Изменение давления.

6. Изменение скорости.

7. Изменение окраски.

8. Изменение взаимного расположения частей.

9. Изменение режима работы частей с целью максимальной их нагрузки.

Второй шаг. Проверка возможности разделения объекта на независимые части.

1. Выделение «слабой» части.

2. Выделение «необходимой и достаточной» части.

3. Разделение объекта на одинаковые части. Третий шаг. Проверка возможности изменений в«]

внешней (для данного объекта) среде.

1. Изменение параметров среды.

2. Замена среды.

3. Разделение среды на несколько частичных сред.

4. Использование свойств внешней среды для выпол нения полезных функций.

Четвертый шаг. Проверка возможности изменений в соседних (т. е. работающих совместно с данным) объектах.

1. Установление взаимосвязи между независимыми объектами, участвующими в выполнении одной работы.

2. Устранение одного объекта за счет передачи его функций другому объекту.

3. Увеличение числа объектов, одновременно действующих на ограниченной площади, за счет использования свободной обратной стороны этой площади.

Питый ш аг. Исследование прообразов из других отраслей техники (поставить вопрос: как данное противоречие устраняется в других отраслях техники?).

Шестой шаг. Возвращение (в случае непригодности всех рассмотренных приемов) к исходной задаче и расширение ее условий, т. е. переход к другой, более об щей задаче.

3. Синтетическая стадия

Первый шаг. Внесение изменений в форму дан| ного объекта (новой сущности машины должна соотвец ствовать новая форма).

Второй шаг. Внесение изменений в другие обц екты, связанные с данным.

Третий шаг. Внесение изменений в методы использования объекта.

Четвертый шаг. Проверка применимости найденного принципа изобретения к решению других технических задач.

* * *

В 1949 году Министерство угольной промышленности объявило всесоюзный открытый конкурс на создание холодильного костюма для горноспасателей, занимающихся

спасением людей, оставшихся в шахтах при подземных пожарах. Задача была исключительно трудной, на первый взгляд вообще неразрешимой.

Проследим ход решения этой задачи с помощью АРИЗ-61.

Задача 4

Подземные пожары сопровождаются выделением ядовитого газа- окиси углерода, поэтому горноспасатели вынуждены применять кислородные аппараты. Работают эти аппараты по так называемой замкнутой схеме: кислород, хранящийся под давлением, постепенно подается в дыхательный мешок, а оттуда - в маску; выдыхаемые газы (они содержат много неиспользованного кислорода) очищаются в специальном патроне и снова идут в дыхательный мешок.

Такая система значительно экономичнее открытой (принятой, например, в аквалангах), при которой выдох производится наружу. И все же эта система далеко несовершенна. Кислородный аппарат довольно тяжел - он весит свыше 12 кг, а главное - он не защищает от высокой температуры. Между тем воздух в горящих горных выработках быстро нагревается до 100° С и выше.

При тяжелой физической работе организм человека выделяет тепла около 400 ккал в час. И отвести эти калории некуда - температура окружающей среды выше температуры тела. Не помогает и интенсивное выделение пота: при подземных пожарах влажность воздуха такова, что пот не испаряется, а стекает по телу. А тут еще извне идет мощный поток тепла - при температуре 100° С более 300 ккал в час. Таким образом, за два часа работы нужно отвести примерно 1400 ккал!

Главная трудность создания холодильного костюма заключается в том, что он должен мало весить - на горноспасателя можно нагрузить не более 28 кг, иначе он не сможет работать. Из этих 28 кг на долю кислородного аппарата приходится 12 кг, на долю инструментов- 7 кг. Остается всего 9 кг. Если бы даже весь аппарат состоял из холодильного вещества (а ведь и сама конструкция должна что-то весить!), то и в этом случае запас холодильной мощности был бы недостаточен для двухчасовой работы (этот срок указывался в условиях конкурса). Лед, сухой лед, фреон, сжиженные газы… Ни

одно холодильное вещество не укладывается в жесткие весовые рамки!

Возьмем, например, лед. Это очень мощное холодильное вещество. Чтобы расплавить 1 кг льда, нужно затратить 80 ккал. А для нагревания образовавшейся воды до 35°С - еще 35 ккал. Таким образом, один килограмм льда дает возможность отвести от человека 115 ккал. А у нас этих калорий 1400, значит, потребуется 12 кг льда. Если учесть вес костюма и холодильного устройства (ведь холод надо распределять и регулировать!), получится, что нужен запас веса никак не меньше 15-20 кг.

Решение задачи 4

Логические операции

Ход размышлений при решении задачи

Аналитическая стадия

Первый шаг

Поставить задачу в об- Создать холодильный

щем виде. аппарат.

Второй шаг

Представить себе иде- Максимальная холо-

альный конечный резуль- дильная мощность,

тат.

Третий шаг

Что этому мешает? Большой вес необходи-

мого (запасаемого) холодильного вещества.

Четвертый шаг

Почему? Потому что вес аппара-

та ограничен. Из 28 кг допустимой для горноспасателя нагрузки на долю холодильного аппарата приходится только 9 кг.

Пятый шаг

При каких условиях не будет мешать?

Если на долю холодильного аппарата будет приходиться не 9 кг, а больше- 15 или 20 кг.

Вывод; надо снизить вес кислородного аппарата и инструментов.

Проверить изменения в самом объекте, в частности возможность его разделения.

«Самим объектом» теперь являются кислородный аппарат и инструменты, вес которых надо уменьшить. Путь этот "чрезвычайно затруднителен, ибо инструменты и кислородный аппарат совершенствовались годами. Конструкторы боролись буквально за каждый грамм… Нет, здесь мы многого не добьемся…

Проверить возможность изменения в соседних объектах.

Внешняя среда - шахтный воздух. Конечно, если бы этот воздух был чист, можно было бы отказаться от кислородного аппарата. Но шахтный воздух во время пожара не очистишь.

Оперативная стадия

Первый шаг

Втор ой ш аг

Проверить возможность изменения в среде.

Соседним объектом для кислородного аппарата и инструментов является третья составная часть нагрузки на горноспасателя - искомый хол*»диль-

Третий шаг

Логические операции

Ход размышлений пои решении

задачи

ный аппарат. Заставить его одновременно давать кислород? Для этого нужно взять в качестве холодильного вещества не лед, не сухой лед, а жидкий кислород. Черт побери, кажется, это возможно. Правда, жидкий кислород менее мощное холодильное вещество, чем, например, жидкий аммиак, но зато мы сможем взять его много, чуть ли не 15 кг!

Итог Намечается идея: вместо двух аппаратов - кислородного и холодильного - иметь один. В этом аппарате будет использоваться жидкий кислород. Испарение и нагревание кислорода обеспечат охлаждающее действие; нагретый до нормальной температуры кислород пойдет на дыхание. Весить такой прибор может 12 +а-21 кг.

Синтетическая стадия

Первый шаг

Придание новой формы. Новой сущностью на-

шего аппарата является работа на сжиженном кислороде. Кислорода много. А раньше в кислородном аппарате его было мало и приходилось для экономии применять круговой цикл - выдыхаемый кислород шел на очистку в патрон с известью и снова на дыхание. Те-

Логические операции

Ход размышлений при решении

задачи

перь можно отказаться от сложного и громоздкого кругового цикла. Комплексный аппарат окажется проще и дешевле, чем каждый из соединяемых аппаратов!

Изменения в методе использования.

Изменения в других объектах.

Подумаем, чем будет отличаться наш аппарат в использовании. Кислород быстро испаряется… Значит, вес аппарата будет быстро уменьшаться: из 21 кг на кислород приходится 15 кг. К концу работы аппарат будет весить всего 6 кг. А утомляемость зависит от среднего веса. Значит, можно сначала основательно перегрузить аппарат, брать побольше кислорода.

Четвертый шаг

Применимость найденного принципа к решению других задач.

Где можно применить совмещение двух совместно работающих аппаратов? Помнится, аналогич* ная задача была в сварочной технике, где Приме-

Второй шаг

Единственный «другой объект» - инструменты. Дать и им дополнительную нагрузку? Вряд ли это возможно.

Третий шаг

Логические операции I 

няют переносные бензо-бачки и кислородные аппараты.

Общий итог: комплексный холодильный аппарат на жидком кислороде, некруговая схема питания кислородом, начальная перегрузка для увеличения мощности.

Были разработаны (мною совместно с инженером Р. Шапиро) два варианта комплексного холодильно-ды-хательного аппарата. Оба проекта получили на конкурсе высшие премии - первую и вторую. Основной принцип - объединение холодильного и дыхательного аппаратов - лег в основу современных газотеплозащитных костюмов, впервые в мире созданных в Советском Союзе.

«Аппарат для индивидуальной газотепловой защиты,- сказано в авторском свидетельстве № 111144,- состоящий из герметизированного комбинезона, шлема, соединительного кольца, дыхательного мешка, маски и размещенного в подкостюмном пространстве резервуара жидкого кислорода, отличающийся тем, что для устранения необходимости в специальных респираторах отработанный в холодильной системе газ используется для дыхания».

На рис. 6 видно, как устроен газотеплозащитный костюм. Жидкий кислород размещен в ранцевом резервуаре Л Испаряясь, кислород поступает в инжектор 2, расположенный по оси сквозного канала 3. Вытекая из инжектора, кислород смешивается с теплым воздухом под-костюмного пространства и охлаждает его.

В резервуар может быть залито 15-16 кг жидкого кислорода; это обеспечивает 2000-2200 ккал теплоотво-да. Начальный вес скафандра при этом составляет 20- 22 кг. Если же повысить начальный вес до 30-35 кг, запас кислорода можно увеличить в полтора раза. В таком скафандре не страшно войти и в раскаленную печь…

* * * Познакомимся теперь с новым вариантом алгоритма.


ris10.jpg

Рис. 6. Газотеплозащитный костюм для горноспасателей, впервые созданный в Советском Союзе,

АРИЗ-71