3.3. Оперативная стадия

Не все задачи решаются на первой стадии творческого процесса. В этом случае приходится искать способы устранения условий и причин, вызывающих появление технических противоречий. Тогда начинается оперативная стадия творческого процесса – поисковая работа. Здесь изобретатель ищет возможности изменения конкретных условий, которые вызвали технические противоречия.
В нашем примере изобретатель уже знает, что ему нужно (проволоку нельзя нагревать выше 300 °С, хотя требуется нагреть её до 600 °С или «научить» проволоку переносить высокую температуру). Тогда он ищет только тот способ, который позволит удлинить проволоку, не нагревая ее выше 300 °С. Для этого изобретатель подбирает уже известные в технике, но неизвестные применительно к поставленной задаче (в данной области техники) приёмы. Как видим, после аналитической стадии общая расплывчатая задача превратилась в конкретную. При этом поиск уже можно вести не на ощупь, а целенаправленно.
Следующие шаги логических размышлений уже на оперативной стадии дают возможность определить способ изменения конкретных условий, вызвавших технические противоречия, в большинстве случаев общие приёмы для решения технических задач. Каждая техническая задача индивидуальна, поэтому после её анализа (разобрав задачу на аналитической стадии) появляется возможность изобретателю перейти к главному, увидеть основу задачи – техническое противоречие.
После выявления технических противоречий можно использовать типовые приёмы их устранения. В данном случае целесообразной является стадия, в которой приёмы расположены от наиболее часто применяемых простых, к редко употребляемым сложным.
Поэтому оперативная стадия разбита на этапы, на каждом из которых приводятся вероятные возможности решения задачи за счёт тех или иных изменений в объекте:
1. Изменения в самом объекте, касающиеся их конструктивного исполнения.
1.1. Узлов и деталей.
1.2. Взаимосвязи узлов и деталей и их расположение.
1.3. Материалов.
1.4. Условий работы.
1.5. Последовательности и режимов проведения операций.
2. Разделение объекта на независимые части.
2.1. Выделение «слабой» части.
2.2. Выделение необходимой и достаточной части.
2.3. Разделение объекта на одинаковые по функции части.
2.4. Разделение объекта на разные по функции части.
3. Изменения во внешней (для данного объекта) среде и в соседних (работающих во взаимосвязи) объектах.
3.1. Изменение параметров или замена среды.
3.2. Разделение среды на несколько частных сред.
3.3. Установление взаимосвязи между ранее независимыми объектами, участвующими в выполнении одной и той же работы.
3.4. Устранение одного объекта за счет передачи его функций другому объекту.
3.5. Увеличение числа одновременно действующих объектов.
4. Исследование прообразов из других отраслей техники и природы, а также того, как подобные противоречия там устраняются.
5. Возвращение (в случае непригодности всех рассмотренных приёмов) к исходной задаче и расширение её условий, то есть переход к другой, более общей задаче.
В каждом изобретении существуют две стороны, а именно: полученный эффект (что достигается изобретением) и затраты (какими затратами достигается эффект). Для осуществления изобретения практически всегда приходится изменить или дополнить машину, способ и прочие объекты так, чтобы получить техническое решение с новым техническим результатом, обладающим общественными потребностями и приносящим некий положительный эффект. Поскольку эти изменения и дополнения связаны с затратами на их реализацию, то лучшее изобретение определяется по соотношению: mах положительного эффекта, деленное на min затрат на реализацию изобретения.
Для пояснения данного тезиса приведём несколько примеров.
Пример 1. В свое время, для повышения экономичности и мощности электрических ламп накаливания необходимо было увеличить рабочую температуру нити накаливания. Здесь возникало противоречие – при повышении температуры нити увеличивалось испарение металла с её поверхности, что приводило к уменьшению живучести, срока службы лампы. Условие, при котором снимается противоречие, заключается в уменьшении поверхности нити, с которой происходит испарение металла. Если сократить нить, то уменьшится световая мощность, что недопустимо. Было найдено следующее решение: изменили форму, свернули нить в спираль. При этом свет шел со всей поверхности нити, а испарение металла пошло только с внешней стороны (пространство внутри спирали мгновенно насыщалось парами металла и испарение металла внутрь спирали прекращалось).
Пример 2. Пример касается истории паровоза, и в нём продемонстрирован приём разделения объекта на равные по функции части. В XVII веке паровой двигатель представлял собой цилиндр. Вода заливалась в цилиндр. Огонь обогревал цилиндр, вода закипала, и пар толкал поршень. После этого жаровню с огнем убирали и поливали цилиндр холодной водой. Пар конденсировался, и поршень под атмосферным давлением возвращался в исходное положение. Потом снова приходилось нагревать цилиндр, а затем охлаждать его и так повторять многократно.
В начале XVIII века изобретатели отделили паровой котел от цилиндра двигателя. Однако конденсация отработанного пара по-прежнему велась в самом цилиндре, что вызывало огромные тепловые потери.
Впоследствии Джеймс Уатт отделил конденсатор и предложил сформировать связь между цилиндром и резервуаром с разряженным воздухом. В этом случае пар (упругое тело) после отработки (передвинул поршень) устремлялся в резервуар, и цилиндр не надо было охлаждать.
Пример 3. Приведём пример изменения параметров внешней среды при изготовлении бетона в обычных бетономешалках. Даже при длительном перемешивании в бетоне оставались пузырьки, снижающие прочность бетона. В качестве решения было предложено создавать в бетономешалке вакуум. В данном случае количественные изменения во внешней среде дают качественно новый эффект – повышение прочности бетона.
Иногда требуется устранить технические противоречия за счёт увеличения числа объектов, действующих на ограниченной площади. Часто изобретатель использует только эту площадь, не думая о возможности использования пространства над ней или под ней. Для многих технических объектов расположение в один ряд, в один слой настолько традиционно, что изобретатель подсознательно ограничивает себя требованиями не нарушать эту традицию. Поэтому для устранения технического противоречия можно просто перейти от горизонтальной компоновки, например, к вертикальной, и вспомнить о возможности надстройки.
Существуют и другие приёмы устранения технических противоречий. Например, задачи, связанные с многостадийными технологическими процессами могут решаться изменением скорости той или иной стадии процесса, совмещением во времени отдельных стадий, устранением пауз между ними и т.д. Когда технические противоречия выявлены, иногда необходимо, не полагаясь на память, составить таблицу всех приёмов, даже заведомо непригодных на общий взгляд.
Для пояснения рассмотрим процесс развития решения задачи по напряженному бетону на оперативной стадии (табл. 3.2)

Таблица 3.2. Ход решения задачи по напряженному бетону на оперативной стадии

№ этапа Логическая операция Ход рассуждений при решении поставленной задачи
1. Изменение в самом объекте. Используем изменения в проволоке. Можно использовать жаропрочную сталь, но при этом повысится стоимость железобетона.
2. Разделение объекта. Пусть арматурная проволока будет холодной. А для натяжения будет использоваться другая проволока из жаропрочной стали. Она не будет расходоваться, поэтому не страшно, что она дорогая. Тяговая проволока, нагреваясь, удлиняется и удлиняет арматуру. После заливки бетона остужают тяговую проволоку, она укорачивается, укорачивается и арматура, создавая напряжение в бетоне.
3. Придание новой формы. Тяговую проволоку можно заменить стержнем.
4. Изменение в методе использования. Тяговый стержень целесообразно поместить в кожух и ввести обдув для быстрого охлаждения. Он будет постоянно находиться на одном месте. Процесс упрощается, так как раньше арматурную проволоку после нагрева приходилось перемещать на стол для заливки бетона. Теперь уже этого не надо делать.
5. Применимость найденного принципа к решению других задач. Принцип разделения системы широко известен. Если натяжение обеспечивать электрическим током, то можно проводить электромагнитное натяжение арматуры. Получился электромагнитный домкрат. Решающее его достоинство – простота, то есть для натяжения арматуры железобетонных панелей, перекрытий необходимо два натяжных стержня и два сварочных трансформатора.

Для получения более полного представления о применении приведённой методики на всех стадиях творческого процесса проследим его на примере создания холодильного костюма для горноспасателей.
В свое время Министерство угольной промышленности объявило конкурс на создание холодильного костюма для горноспасателя, занимающегося спасанием людей, которые оставались в шахтах при подземных пожарах. При пожарах температура воздуха поднимается до 100 °С и выше, и для защиты от неё горноспасателям нужен холодильный аппарат. Предельная «нагрузка» на горноспасателя не могла превышать более 28 кг, из них кислородный аппарат весил 12 кг, на долю инструмента приходилось 7 кг, а на холодильный аппарат оставалось 9 кг. При такой массе ни одно холодильное вещество (сухой лед, фреон, сжиженный газ и т.д.), даже если бы все 9 кг агента уходили на него, не смог бы обеспечить двух часов работы (срок был определен условиями конкурса).
Что касается кислородного аппарата и инструмента, то они постоянно совершенствовались и исчерпали в то время себя в части возможности уменьшения их массы.
Решение было получено автором методики «ТРИЗ» Г.Альтшуллером совместно с инженером Р.Шапиро. При этом было создано два изобретения, и оба проекта на конкурсе были отмечены первой и второй премией.
Далее приводим ход рассуждений по созданию изобретения холодильного костюма, сведённых в таблицу 3.3.

Таблица 3.3. Ход решения изобретательской задачи по созданию холодильного костюма

№ этапа Логическая операция Ход рассуждений при решении поставленной задачи
Аналитическая стадия
1. Подготовить задачу в общем виде. Создать холодильный аппарат.
2. Представить
идеальный
результат.
Максимально высокая холодильная мощность и продолжительность работы холодильного аппарата.
3. Что этому мешает? Необходима (для выполнения этапа 2) большая масса холодильного вещества.
4. Почему мешает? Потому что масса аппарата ограничена. Из 28 кг допустимой на горноспасателя нагрузки на долю холодильного аппарата остается 9 кг.
5. При каких условиях не будет мешать? Если на долю холодильного аппарата придется не 9 кг, а больше, к примеру, 15 или 20 кг.
Оперативная стадия
1. Проверить изменения в самом объекте, его разделение.
Имеется объект: кислородный аппарат и инструменты.
Уменьшить их массу чрезвычайно трудно, потому что они совершенствовались годами и исчерпали себя, поскольку борьба шла за экономию даже граммов.
2. Проверить изменения в среде. Шахтный воздух можно использовать после очистки вместо кислорода, но во время пожара он для этого не пригоден.
3. Проверить изменения в соседних объектах. Соседний для кислородного аппарата и инструментов объектом является третья нагрузка на горноспасателя. Это искомый холодильный аппарат. Попытаться заставить холодильный аппарат работать вместо инструмента. Это практически невозможно. Заставить его работать вместо кислородного аппарата. Для этого в качестве холодильного вещества взять не фреон, не сухой лед, а кислород. Намечается вместо кислородного и холодильного аппаратов, использовать один, с использованием жидкого кислорода. Испарение и нагревание кислорода обеспечивают холодильное действие, а нагретый до нормальной температуры кислород пойдет на дыхание. Зато теперь весь этот аппарат будет весить 12 + 9 = 21 кг.
4. Придание новой формы. Новой сущностью этого аппарата является работа на сжиженном кислороде. Раньше кислорода было мало и для экономии приходилось использовать круговой цикл, то есть выдыхаемый воздух для повторного использования его для дыхания пропускался через патрон с известью. Предлагаемый аппарат проще.
5. Изменения в методе использования. Кислород при работе расходуется, и вес аппарата к концу работы будет 21 – 15 = 6 кг, то есть с повышением утомляемости горноспасателя, уменьшается масса аппарата. Значит, его в начале можно и перегрузить
Общий итог Комплексный холодильный аппарат на жидком кислороде. Некруговая схема дыхания. Начальная перегрузка сжиженным кислородом для увеличения мощности.

 

Из приведённого примера можно сделать вывод, что изобретение, прежде всего, является идеей новой и прогрессивной (имеющей положительный технический результат). Следовательно, новая идея должна быть прогрессивнее и эффективнее уже известных.

Приведённая система анализа с её стадиями и этапами, рассмотренными в примерах, при всей её рациональности, даёт лишь общую схему творческого процесса. Поэтому кроме этой схемы необходимо также руководствоваться различными дополнительными правилами:
Первое правило. Обычно условие задачи содержит цель, которую необходимо достичь. Для решения поставленной задачи изобретатель обычно начинает рассматривать историю развития объекта. На этой стадии могут быть выявлены старые идеи, которые по тем или иным причинам не могли быть использованы на ранних этапах развития, когда они были предложены и казались в какой-то степени утопичными, а сегодня на новом техническом уровне развития уже могут быть использованы. Поэтому осознание логики развития объекта является первым шагом на пути к изобретению.
Второе правило. Необходимо учитывать варианты осуществления тех или иных действий. Например, тонкие и легкие листы стали несложно транспортировать над землей. Однако транспортировка толстых стальных листов осложняется из-за их большой массы. Массы толстых листов доходят до 70 тонн, они могут упасть и их трудно удержать на весу. Тогда пусть они лежат на земле, и их надо транспортировать непосредственно по земле.
Третье правило. Чем интенсивнее нарастают трудности при попытке решить задачу, тем ближе верное решение. В данном случае изобретатель блуждает, не зная верного решения. Как человек со связанными глазами, ищущий выход из комнаты, он натыкается на стену и уже знает, что в этом направлении ему уже не надо ходить.
В конце XIX века шведский изобретатель Карл Густав Патрик де Лаваль, работая над усовершенствованием паровой турбины, столкнулся почти с непреодолимым затруднением. Ротор турбины при больших оборотах (несколько тысяч оборотов в минуту) должен был быть хорошо уравновешен. Изобретатель увеличивал диаметр вала и делал его более жестким, но при испытании машина начинала дрожать, и вал деформировался. При дальнейшем увеличении жесткости вала все повторялось. В конце концов, Лаваль решил проверить прямо противоположное решение. Массивный диск был насажен на гибкий вал. И вдруг на больших оборотах гибкий вал сам собой уравновесился.
Часто бывает, что на данном этапе развития науки и техники задача не решается никакими возможными способами и приёмами. В этом случае необходимо подумать, а нельзя ли использовать этот отрицательный эффект для решения других задач. Так, например, неудавшийся в свое время способ нагрева металла током высокой частоты, при котором металл нагревался только снаружи, но не нагревался внутри, впоследствии был использован для высокочастотной закалки металла.
Четвертое правило. Иногда отрицательный эффект почти невозможно устранить. В таком случае полезно действовать по принципу «минус на минус дает плюс», то есть не стремиться к устранению отрицательного эффекта, а просто компенсировать его другим отрицательным эффектом, но противоположным первому.
Так, для ясности приведём известный пример использования компенсации в широкоэкранной киносъёмке. Идея широкого экрана выдвигалась ещё в 1920-е годы. Но для широкого экрана требовалась широкая пленка, при этом нужна была и новая съёмочная и проекционная аппаратура. Для решения задачи был использован эффект компенсации. Съёмка велась обычным аппаратом на обычной пленке, но через насадку, оптически сжимающую широкое изображение. Проецирование фильма производилось с помощью обычной аппаратуры с дополнительной насадкой, пройдя через которую изображение снова становилось широким.
Часто в основе значительных изобретений лежит открытие. Открытием раньше признавалось установление неизвестных ранее объективно существующих закономерностей, свойств и явлений материального мира.
Само по себе открытие не вызывает резкого ускорения технического прогресса. Открытие лишь расширяет горизонт изобретателей, вооружает их новыми сведениями о материалах, из которых созданы аппараты и приборы, о закономерностях, которым подчиняется работа машин. Развитие науки создает возможность для появления новых изобретений, а изобретения продвигают вперёд развитие технического прогресса. Иногда между открытием и изобретением проходит значительное время. К примеру, упругие свойства пара были известны еще в древнем мире, а паровая машина была изобретена лишь в XVIII веке.

Учимся изобретать – 3.3. Оперативная стадия
Оцените данную страницу

Расскажите в социальных сетях или обсудите в комментариях →