Аналогии. аналог и прототип

Под аналогией понимают сходство предметов, процессов или явлений в каких-то свойствах или иных отношениях (по используемому физическому эффекту, принципу действия, функциональному предназначению и т. д.). Аналогия как один из эвристических приемов широко используется в различных методах поиска новых технических решений: методе кон­трольных вопросов, синектике, эмпатии и других. При этом применяют четыре вида аналогии: прямую, личную, символическую и фантастическую.

При прямой аналогии совершенствуемый объект сравнивается с более или менее аналогичным объектом из другой области техники или из живой природы и делается попытка применения готовых решений.

Личная аналогия – отожествление личности, ищущей решение, с разрабатываемым объектом. Вживаясь в образ объекта, решающий задачу пытается выяснить через свои ощущения качество выполнения объектом функций, его трудности.

Символическая аналогия – некоторая обобщенная, абстрактная аналогия, отражающая в парадоксальной форме (буквально в двух словах) сущность объекта. Например, для мрамора символическая аналогия может быть сформулирована как «радужное постоянство», для храпового механизма – «надежная прерывистость».

При фантастической аналогии вводится какие-нибудь фантастические средства или персонажи, выполняющие то, что требуется по условиям задачи. Приему фантастической аналогии весьма большое внимание уделяется в теории решения изобретательских задач (ТРИЗ).

В изобретательской деятельности для доказательства новизны и изобретательского уровня разработанных объектов сравнивают их с известными в мировой практике на данный момент времени аналогами и прототипами.

Аналог – это объект, который по некоторой совокупно­сти своих признаков соответствует другому объекту.

Прототип – это такой единственный аналог из множе­ства аналогов, который имеет наибольшее число признаков, общих с рассматриваемым объектом.

Лекция 2

Инвариантные понятия техники

Техническая система– определенная совокупность упорядоченно связанных между собой элементов, предназначенных для удовлетворения определенных потребностей, для выполнения определенных полезных функций.

Надсистема– более крупная система, частью которой является рассматриваемая техническая система.

Подсистема– система, являющаяся частью другой системы и способная выполнять относительно независимые функции, имеющая подцели, направленные на достижение общей цели системы.

Технический объект– созданное человеком или автоматом реально существующее или существовавшее устройство, предназначенное для удовлетворения определенной потребности.

Технология –способ, метод или программа преобразования вещества, энергии или информационных сигналов из заданного начального состояния в заданное конечное состояние с помощью определенных технических объектов.

Техническое решение– это предельно сжатое и формализованное описание технического объекта, т.е. оно выражает свойства и особенности создаваемого технического объекта, обеспечивающие его функционирование в соответствии с поставленными целями. Техническое решение изобретатель получает в результате успешного решения творческой инженерной задачи. Любой технический объект находится в определенном взаимодействии с окружающей средой. К окружающей средетехнического объектаотносятся его надсистема, объекты живой и неживой природы и другие технические объекты, которые находятся в функциональном или вынужденном взаимодействии и оказывают влияние на него.

Взаимодействие ТО с окружающей средой может происходить по разным каналам связи, которые целесообразно подразделить на две группы (рисунок 1). Первая группа включает потоки вещества, энергии и информационных сигналов, от окружающей среды к техническому объекту.

К ним относятся: А_т – функционально обусловленные входные воздейст входные воздействия и А_в – вынужденные входные воздействия (тем воздействия (температура, влажность, пыль, деятельность насекомых и т.д.).

Вторая группа потоков связи – это потоки,

Рисунок 1. которые передаются от рассматриваемого

Взаимодействие технического объекта в окружающую среду.

технического объекта с К ним относятся: С_т – функционально

окружающей средой обусловленные выходные воздействия и

С_в – вынужденные выходные воздействия (в виде электромагнитных полей, загрязнения воды, земли, воздуха, токи и т.д.).

Здесь следует обратить внимание на то, что потоки бывают только трех видов – потоки вещества, энергии или информационных сигналов.

Каждый технический объект может быть представлен описаниями, имеющими иерархическую соподчиненность. Описания каждого уровня характеризуются двумя свойствами:

- каждое последующее описание является более детальным и более полно характеризует технический объект по сравнению с предыдущим;

- каждое последующее описание включает в себя предыдущее.

Такие свойства имеют следующие описания: потребность или функция технического объекта, техническая функция (ТФ), функциональная структура (ФС), физический принцип действия (ФПД), техническое решение (ТР), проект (ТП) (рисунок 4). Рассмотрим подробнее эти описания.

Описание технического объекта начинается с описания его назначения, цели его создания. Следовательно, потребность – это краткое описаниеназначения технического объекта или цели его создания. Оно включает следующую информацию: необходимое действие (наименование действие); объект (предмет обработки), на которое направлено это действие; особые условия и ограничения.

Техническая функция(ТФ) – это описание действий по реализации техническим объектом определенной физической операциис целью удовлетворения желаемой потребности. Следовательно,

Рисунок 4. Уровни описания описание технической функции

технического объекта содержит: потребность, которую

может удовлетворить технический объект и физическую операцию(преобразование), с помощью которой реализуется потребность.

Описание физической операции состоит из указания входного и выходного потоковвещества, энергии или сигналов и действия(операции Коллера)по преобразованию (превращению) входныхпотоков в выходные. Основные физические операции, составленные Коллером, представлены в таблице 2.

После описания физической операции формулируется техническая функция технического объекта.

Большинство технических объектов состоят из ряда элементов (агрегатов, блоков, узлов, деталей), поэтому их можно разделить на составляющие элементы. Каждый элемент как самостоятельный технический объект выполняет определенную функцию и реализует определенную физическую операцию, т. е. между элементами имеют место два вида связей и соответственно два вида структурной организации. В связи с этим различают конструктивную функциональную структуруи потоковую функциональную структуру, объединяя их в одно целое, представляют в виде описания функциональной структуры (ФС) технического объекта.

Таблица 2 – Физические операции Коллера

Наименование операции	Описание операции
Излучение- поглощение	Излучение относится к источникам энергии, вещества или информации, поглощение – к стокам (местам впадения) энергии, вещества или информации (сигналов). Эти две основные операции, противоположные друг другу, представляют собой необходимое условие для создания или ликвидации потока (вещества, энергии или информации). Источники и стоки могут быть природные и искусственные.
Проводимость – изолирование	Для возникновения потока, кроме наличия источника и стока, требуется, чтобы между ними было проводящее пространство, обеспечивающее движение или распространение потока от источника к стоку (здесь не имеется в виду специальная организация потока, например, с помощью трубопровода).
Сбор - рассеяние	Основная операция «сбор» служит для того, чтобы поток (ресурсы) энергии, вещества и сигналов, распространяющийся по всем направлениям (рассредоточенный в пространстве или движущийся широким фронтом) заставить протекать в одном направлении или сосредоточиться (сфокусироваться) в одной точке. Операция «рассеяние» служит для того, чтобы имеющийся сконцентрированный или упорядоченный поток рассеять, распространить по всем направлениям или направить более широким фронтом.
Проведение – непроведение	Операция «проведение» обеспечивает движение сконцентрированного потока по определенному заданному пути (траектории) с помощью технических средств, например, трубопровода, электропровода, шарнира. Непроведение означает, что на естественное направление движения и распространения потока технического объекта не оказывает никакого влияния (свободно падающая струя воды, летящая пуля, световой луч). Проведение – это движение, ограниченное связями; непроведение – свободное движение.
Преобразование – обратное преобразование	Это наиболее распространенные основные операции, противоположные друг другу, обеспечивают изменение свойств энергии, вещества и сигналов. Под преобразованием энергии понимается превращение одного вида энергии в другой. Под преобразованием вещества понимается качественное изменение вещества, добавление или исчезновение определенных свойств вещества. Под преобразованием сигналов следует понимать операции, при которых одна физическая входная величина превращается в другую выходную физическую величину.
Увеличение – уменьшение	Эти основные операции изменяют состояние потока, т.е. значения какой-либо скалярной или векторной физической величины. При этом на входе и выходе имеем одну и ту же физическую величину.
Изменение направления – изменение направления	Эти основные операции обеспечивают изменение направления векторной физической величины, значение которой остается неизменным. Заметим, что для реализации операций «изменение направления» и «проведение» в отдельных случаях могут быть использованы одинаковые физические эффекты и соответственно одинаковые конструктивные элементы.
Выравнивание – колебание	Основная операция «выравнивание» преобразует колеблющийся (пульсирующий или нестационарный) поток в стационарный. Операция «колебание» производит обратное преобразование.
Связь – прерывание	Основная операция «прерывание» аналогично выключателю прерывает (останавливает) поток энергии, вещества или информации и соответственно прекращает их передачу от одного пункта к другому. Операция «связь», напротив, восстанавливает (возобновляет) движение или передачу энергии, вещества и сигналов в потенциально существующем потоке.
Соединение – разъединение	Основные операции «соединение – разъединение» имеют отношение к неоднородным потокам (энергий, веществ и сигналов), имеющим различные значения физических величин.
Объединение – разделение	Основные операции «объединение – разделение» обеспечивают соответственно объединение нескольких однородных потоков энергии, вещества или сигналов в один поток или, напротив, разделение одного потока на несколько однородных потоков.
Накопление – выдача	Потоки энергии, веществ и информации могут накапливаться и при необходимости востребоваться из накопителя. Для этого существуют две основные операции «накопление – выдача».
Отображение – обратное отображение	Операция «отображение» применяется в том случае, когда реальный поток энергии, вещества или физических сигналов на входе в процессе преобразования получает информационное отображение на выходе в графическом, числовом и другом виде, удобном для визуальной оценки, наблюдения или расчета. «Обратное отображение» связано со случаями, когда на входе задается числовое значение или графическое изображение, а на выходе получается поток реального вещества или энергии.
Фиксирование – расфиксирование	Операция «фиксирование» связана с уменьшением числа свободы движения технического объекта, включая закрепление его в определенной точке пространства и уменьшение числа степеней свободы движения до нуля. Операция «расфиксирование» связана с увеличением числа степеней свободы перемещения или с уменьшением определенности положения в пространстве.

Конструктивная функциональная структураотображает функциональные взаимосвязи между отдельными элементами технического объекта и объектами окружающей среды. Таким образом, технический объект делят на несколько элементов, каждый из которых должен иметь хотя бы одну функцию. Результаты деления технического объекта на элементы и описание их функций оформляют в одной таблицеанализа функций. Одновременно с этим выделяют объекты окружающей среды, с которыми технический объект находится в функциональном или вынужденном взаимодействии и которые существенно влияют на конструкцию технического объекта. Элементы технического объекта в процессе реализации определенных физических операций образуют потоки преобразуемых (или превращаемых) ими веществ, энергии или информационных сигналов. Эти потоковые связи между входами и выходами отдельных элементов технического объекта отображаются в словесном или графическом оформленном описании – в потоковой функциональной структуре технического объекта.

В потоковой функциональной структуре каждый элемент реализует определенную физическую операцию. Такая реализация происходит на основе одного или нескольких физико-технических эффектов.

Под физико-техническими эффектамипонимают различные приложения физических законов, закономерностей и следствий из них, физические эффекты и явления, которые могут быть использованы в технических устройствах. Как правило, в физико-технических эффектах имеет место определенная причинно-следственная связь между «входом» и «выходом». Физико-технический эффект должен иметь стандартное формализованное (имеющее определенную структуру) описание, удобное для технических приложений и машинной обработки.

В настоящее время науке известно и в литературе описано более 3000 физико-технических эффектов. Их число непрерывно увеличивается в связи с возрастающими темпами развития мировой науки и техники.

Физический принцип действия(ФПД) – это описание взаимосвязей между элементами технического объекта на уровне реализуемых ими физических процессов и явлений, обеспечивающих выполнение соответствующих функций этих элементов и технического объекта в целом.

Как правило, описание физического принципа действия сопровождается принципиальной схемой технического объекта, в которой в упрощенной форме показаны основные конструктивные элементы технического элемента, указаны направления потоков и основные физические величины, характеризующие используемые физико-технические эффекты.

Техническое решение(ТР) представляет собой конструктивное оформление физического принципа действия или функциональной структуры. Техническое решение конкретного технического объекта может быть описано с любой степенью детализации в виде двухуровневой иерархической структуры через характерные признаки технического объекта сначала в целом, а затем его элементов (блоков, узлов и т. д.). Описание технического решения дополняется графическими изображениями.

В описании технического решения даются:

- указания (перечень) основных элементов;

- взаимное расположение элементов в пространстве;

- способы и средства соединения и связи элементов между собой;

- последовательность взаимодействия элементов во времени;

- особенности конструктивного исполнения элементов (материал, геометрическая форма и т. п.);

- принципиально важные соотношения параметров для технического объекта в целом или отдельных элементов.

Значения параметров технического объекта и всех его элементов (узлов, блоков, агрегатов и даже деталей) обычно даются в описании, которое называется техническим проектом. Следует отметить, что здесь под проектом подразумеваются рабочие чертежи и конструкторская документация. Проект содержит всю необходимую информацию для изготовления и эксплуатации технического объекта.

При разработке любого технического объекта, когда ставится цель получить изделие выше уровня лучших мировых образцов, конструктору необходимо решить иерархическую последовательность задач выбора проектно-конструкторских решений. Эта последовательность имеет полное соответствие с иерархией описания технического объекта.

Лекция 3