1.Закон повышения степени идеальности ТС

Развитие всех систем идет по пути увеличения степени идеальности.

Идеальная техническая система — это система, вес, объем и площадь которой стремятся к нулю, хотя ее способность выполнять работу при этом не уменьшается. Однако реальные системы становятся все крупнее и тяжелее. Это объясняется тем, что высвобожденные при совершенствовании системы резервы направляются на увеличение ее размеров и повышение рабочих параметров. Например, первые автомобили имели скорость 15–20 км/ч. Каждое усовершенствование направлялось на увеличение скорости автомобиля и того, что ее «обслуживает» (мощная тормозная система, прочный кузов, усиленная амортизация). Так происходит потому, что идеальность реальных ТС определяется комплексным параметром, отражающим эффективность этих систем для общества, их достоинства и недостатки. Если конструкция позволяет, то идеальность по функции повышается за счет роста систем.

Основные пути повышения идеальности ТС:

- специализация ТС, ведущая к повышению удельных параметров;

- универсализация ТС;

- использование новых свойств, параметров или частей ТС;

- совмещение универсализации со специализацией;

- повышение степени согласования частей ТС друг с другом и с внешней средой;

- повышение полноты частей ТС и вытеснение из нее человека как элемента этой системы.

2.Закон неравномерности развития частей ТС

Развитие частей ТС идет неравномерно, причем чем сложнее система, тем неравномернее развитие ее частей.

Неравномерность развития частей системы является причиной возникновения технических и физических противоречий и, следовательно, изобретательских задач. Например, когда начался быстрый рост тоннажа грузовых судов, мощность двигателей быстро увеличилась, а средства торможения остались без изменения. В результате возникла задача: как тормозить, скажем, танкер водоизмещением 200 тыс. тонн. Задача эта до сих пор не имеет эффективного решения: от начала торможения до полной остановки крупные корабли успевают пройти несколько миль.

3.Закон перехода в надсистему

Развитие системы возможно до определенного предела, после чего она включается в надсистему в качестве одной из ее частей, и дальнейшее развитие идет на уровне надсистемы.

Механизм такого перехода состоит в объединении двух исходных систем в бисистему или нескольких систем в полисистему. Этот переход неизбежен. После объединения сокращается число вспомогательных элементов, и устанавливается более тесная связь между отдельными системами. Дальнейшее развитие приводит к полностью свернутым ТС, в которых один объект выполняет несколько функций, - новым моносистемам. Создание би- и полисистемы может происходить нескольким путями:

1) Из однородных элементов. Например, объединение электростанции в энергетическую систему, вагонов – в железнодорожный состав и т.д.

2) Из однородных элементов с неодинаковыми параметрами, свойствами, характеристиками. Например, объединение металлов с различными коэффициентами температурного расширения в биметаллической пластине и т.д.

3) Из конкурирующих систем. Например, паровая машина на парусных кораблях использовалась при штиле, но имела низкую экономичность, поэтому появились парусно-паровые корабли.

4) Из разнородных элементов. Примером такого объединения являются полисистема «мотоцикл», объединившая велосипед, двигатель, баки и т.д.

5) Из антагонистических элементов. Примеры: карандаш с резинкой; кондиционер, объединивший нагреватель и холодильник.

Эффективность новых систем может быть повышена увеличением различия между элементами системы, развитием связей между элементами или упрощением, как в случае с холодильным костюмом для горноспасателей, в котором одно холодильное вещество (жидкий кислород) выполняет две функции: охлаждает, а потом идет на дыхание.

4.Закон свертывания/развертывания ТС

ТС, возникнув и начав захватывать ресурсы, увеличивает свои массогабаритные и энергетические показатели и, достигнув предела, уменьшается (свертывается).

Развертывание ТС начинается с момента появления ее функционального центра, идет в рамках первоначальной концепции, а затем перерастает ее и приводит к изменениям. Это увеличивает число компонентов и, следовательно, усложняет ТС. ГПФ выполняется эффективнее.

Затем, когда потребление неявных или производных ресурсов становится выгоднее, чем потребление прежних, начинается свертывание – уменьшение массогабаритных характеристик и энергопотребления при одновременном улучшении выполнения ГПФ. Свертывание может происходить несколькими путями:

· вытеснением части подсистем в надсистему;

· свертыванием, подсистем в составе ТС;

· свертыванием системы в одну из подсистему;

· свертыванием в идеальное вещество.

Редко бывает, что свертывание начинается сразу после развертывания. Обычно эти процессы идут одновременно.

5.Закон вытеснения человека из ТС

В процессе развития ТС сокращается количество функций, выполняемых в ней человеком.

Этот закон имеет отношение к ТС, в которых можно выделить рабочий орган, трансмиссию, источник энергии и систему управления.

До возникновения системы для удовлетворения определенной потребности человек сам выполняет функции на всех уровнях, т.е. система отсутствует. Затем с появлением системы – рабочего органа – он вытесняется с исполнительного уровня. Человек служит источником энергии, трансмиссией и системой управления. Например, первый велосипед представлял собой деревянную раму на двух колесах. Это устройство почти полностью состояло из рабочего органа – колес. Человек сидел на нем и передвигался, отталкиваясь ногами от земли. Далее происходит вытеснение человека с уровня трансмиссии. За ним остаются функции источника энергии и системы управления. Так в 1865 году у велосипеда появилась трансмиссия – педали, прикрепленные к колесу. Далее система обзаводится собственным источником энергии или получает энергию из надсистемы. Человек только управляет ею, как в случае с мопедом, появившимся в 1910 году. И наконец, происходит вытеснение человека из системы управления. Система переходит к самоуправлению или ею начинает управлять надсистема. Человеку оставляется только принятие решений. Примером служат современные электро-скутеры. Возможно и развитие в направление вытеснения человека и с уровня принятия решений. Система или ее надсистема начинают принимать решения самостоятельно. Человек переходит к управлению надсистемой. Пример – система автоматического пожаротушения.

Законы динамики развития технических систем: формулировка, характеристика, особенности применения на практике: Закон повышения динамичности и адаптивности; Закон повышения функциональности ТС; Закон перехода с макроуровня на микроуровень; Закон увеличения степени вепольности (Адельгейм А.И.)

1.            Закон повышения динамичности и адаптивности

Формулировка: Жесткие системы для повышения их эффективности должны становиться динамичными, то есть переходить к более гибкой, быстро меняющейся структуре и к режиму работы, подстраивающемуся под изменения внешней среды.

Характеристика: Для механических систем динамизация начинается с перехода от неподвижных частей к движущимся, жесткая связь "ломается" и в этом месте вводится шарнир, жесткие элементы заменяются на гибкие, на гидро- и пневмоконструкции, используется вибрация и др. Для последующих этапов динамизации характерно использование физических и химических эффектов и явлений, введение обратной связи, замена систем и подсистем идеальными веществами, "интеллектуализация" техники.

В основе динамизации лежат фундаментальные принципы организации природных процессов, вспомним принцип Ле Шателье: если на систему, находящуюся в равновесии, воздействовать извне, изменяя какое-нибудь из условий (температура, давление, концентрация), то равновесие смещается таким образом, чтобы уменьшить изменение. Система перестраивается, "уходит" от вредного воздействия внешнего фактора, повышает свою "живучесть", приспосабливается к существующим условиям, к постоянно возрастающим потребностям человека и общества, в этом и есть главный смысл динамизации.

Область применения:

· Если такую гайку с отделяющейся резьбой освободить от корпуса, резьбовая часть свободно снимается с болта без свинчивания;

· Сопло реактивного двигателя в виде телескопической раздвижной трубы при запуске раздвигается, при транспортировке - складывается;

· Во Франции выпускается строительный кран с передвигающейся вверх-вниз кабиной для облегчения работы крановщика (расширяется поле зрения во время погрузки-разгрузки);

· В Финляндии создана машина для очистки от кустарника и мелколесья лесных дорог, просек и откосов, в которой часто ломающиеся о камни ножи заменены цепями (цепь вращается со скоростью сотни оборотов в минуту и, как бритва, срезает поросль, обтекая камни);

· Вырабатывая концепцию автомобиля "Фиат" модели 2000 года, конструкторы пришли к идее, что машина должна состоять из двух компонентов - шасси и разборного кузова; владелец автомобиля сможет варьировать передними крыльями машины, ее дверцами, капотом, стеклами.

2.   Закон повышения функциональности ТС

Формулировка: Для развития ТС с целью повышения ГПФ необходимо повышать динамичность и управляемость системы и ее отдельных частей.

Характеристика: Каждая подсистема взаимодействует как с соседними подсистемами, так и с самой системой и окружающей ее средой. Оптимальной для каждой подсистемы является ситуация, когда приспосабливается к окружающим условиям для минимизации затрат энергии. В соответствии с этим законом можно применять два простых направления поиска решения:

· вещество системы развивается по линии: один шарнир – много шарниров – гибкое вещество – жидкость – газ.

· поля системы развивается переходом от постоянного действия к импульсному действию, затем к переменным и нелинейным полям.

ТС развиваются в зависимости от сохранения (вложения) отдельных функций развивающихся систем. Это значит, что каждое новое поколение системы данного класса воспроизводит совокупность основных функций предшествующих систем. Поэтому важно изучение прототипов.

Область применения:

· Компенсировать влияние окружающего освещения можно с использованием второго фоточувствительного элемента, который будет улавливать только свет окружающей среды и вычитать его из общего освещения.

· Компенсировать влияние окружающего освещения можно с использованием мигающего источника света. Источник должен выдавать световой поток с определённой частотой - в промежутках между излучениями фотоприёмник будет замерять окружающее освещение и потом устройство управления будет вычитать его из измеренного светового потока при включенном источнике освещения.

3.   Закон перехода с макроуровня на микроуровень

Формулировка: Развитие рабочих органов системы идет сначала на макро-, а затем на микроуровне.

Характеристика: Суть - любая ТС для развития своего полезного функционала стремится перейти с макроуровня на микроуровень. Т.е. в системах соблюдается тенденция перехода функции рабочего органа от колес, шестерней, валов и т. д. к молекулам, атомам, ионам, которые легко управляются полями.

Возможны три направления перехода с макро- на микро-уровень:

· увеличение степени дробления вещества и объединение дробных частей в новую систему;

· увеличение степени дробления "смеси" вещества с пустотой (переход к капиллярно-пористым материалам);

· замена вещественной части системы на полевую (переход к действию "поле плюс вещество" или только к полю).

Область применения:      

· Имеющийся поток мелкодисперсных частиц можно разделить на части и зарядить их разноименными зарядами, управлять электростатическим полем;

· Удаление микроорганизмов и других трудноотделимых веществ из жидких сред в центробежном поле, по которому для более полного удаления в жидкость дополнительно вводят вещества-адсорбенты, не растворяющиеся в жидкости и имеющие больший удельный вес.

4.   Закон увеличения степени вепольности

Формулировка: Развитие технических систем идет в направлении увеличения степени вепольности: невепольные системы стремятся стать вепольными, а в вепольных системах развитие идет путем увеличения числа связей между элементами, повышения отзывчивости (чувствительности) элементов, увеличения количества элементов.

Характеристика: Общий смысл закона - развертывается (усложняется) та часть (элемент) веполя, которая испытывает наибольшее затруднение при выполнении главной полезной функции системы. Дословно закон описывает вепольность как последовательность изменения структуры и элементов веполей с целью получения более управляемых технических систем, т.е. систем более идеальных. При этом в процессе изменения необходимо осуществлять согласование веществ, полей и структуры.

Область применения:

· Диффузионная сварка и лазер для резки различных материалов.

· Для повышения сцепления шины с дорогой используется не только вес автомобиля, но и специальный узор протектора, из углублений которого вытесняется воздух и с помощью создаваемого вакуума шина как бы прилипает к дороге.

21 Физические эффекты, характеристика, виды, примеры применения (Ольгина В.А.)

Физические эффекты и явления, законы и научные открытия лежат в глубине, в основе всех конкретных технических решений, формируя их ядро — принцип действия или идею решения.

Один и тот же физический эффект может порождать огромное количество конкретных, существенно отличающихся друг от друга технических решений.

Составление фонда, справочника, указателя физических эффектов и явлений — чрезвычайно трудоемкий процесс, так как их приходится брать не только из специальной литературы, но также из конкретных технических решений, где они находятся в скрытом, завуалированном виде, иногда в сочетании с другими эффектами и эвристическими приемами. Но и после этого фонд постоянно нуждается в дополнении и совершенствовании, потому что нет пределов развития науки.

Результаты воздействия физических эффектов, имеющихся в фонде, позволяют сформулировать и составить список функций, которые могут быть реализованы с их помощью (функции представлены в обобщенном виде: нагревание, расширение, колебание, электризация, перемещение и т. д.).

Фонд физических эффектов подразделяется на несколько видов:

1) Механические эффекты и деформация (инерция, гравитация, трение и т.д.)

2) Молекулярные явления (явление взрыва, тепловое расширение, капиллярность, сорбция, смачивание, поверхностное натягивание жидкости, диффузия и т.д.)

3) Гидростатика и гидродинамика (закон Архимеда, закон Паскаля, гидравлический удар и т.д.)

4) Колебания и волны (свободные механические и вынужденные колебания, резонанс, ультразвук, дифракция, поляризация и т.д.)

5) Электромагнитные явления (Закон Кулона, проводимость, электромагнитное поле, ионизация и т.д.)

6) Электромагнитные свойства вещества. Диэлектрики (электризация, диэлектрик в магнитном поле и т.д.)

7) Магнитные свойства вещества (намагничивание, жидкости твердеющие в магнитном поле и т.д.)

8) контактные термоэлектрические и эмиссионные явления (Контактная разность потенциалов (закон Вольты), трибоэлектричество и т.д.)

9)Гальвано и термомагнитные явления (электрические разряды в газах, эффект Томсона и др.)

10) Электрокинетические явления (электрофорез и др.)

11) Свет и вещество (дисперсия света, голография, отражение и преломление, поглощение и рассеивание света и др.)

12) Люминесценция (люминесценция, поляризация люминесценции и др)

13) Анизотропия (двойное лучепреломление, эффект Фарадея и др.)

Примеры применения: