Закони розвитку технічних систем

Причина виникнення і розвитку техніки, згідно закону єдності і боротьби протиріч, полягає в наявності та розв’язанні суперечностей між цілями (потребами) і засобами для втілення цих цілей (можливостями) в діяльності людини. Людина ніколи не задовольнялася досягнутим, тому при розв’язанні суперечності та одержані нового технічного об’єкту, відразу ж виникає інша суперечність, але на іншому ступені розвитку. Технічні об’єкти створює людина, з цієї причини вони є суб’єктивно визначеними (заданими) людиною. З іншого боку, розвиток технічних систем – об’єктивний історичний процес, який реалізує об’єктивно існуючі закономірності. Аналіз історії розвитку технічних об’єктів в навчанні дозволить виділити загальні прийоми, закони, закономірності одержання нових (квазінових) об’єктів.

Технічна система розвивається в різних технічних напрямках (за різним принципом дії) (рис.2). Відстань по вертикалі між двома сусідніми кривими розвитку (росту їх основного показника) технічних систем за старими і новими принципами дії Фостер називає технологічним проривом [8]. Тобто, вичерпавши можливість старого принципу дії, технічна система повинна перейти на новий, більш ефективний принцип дії. Це є одним із головних законів розвитку технічних систем. Знання його спонукає до постійного пошуку нових принципів дії технічних систем: фізичних, геометричних, біологічних тощо для підвищення працездатності техніки.

Майбутній інженер в навчанні при моделюванні історичного шляху розвитку технічної системи в різних технічних напрямках (за різним принципом дії) навчиться визначати наступні етапи розвитку ТС (нові принципи дії). Результати навчання студента будуть використовуватися в його майбутній професійній діяльності, яке визначається об’єктивними законами розвитку ТС.

Якщо інтерпретувати S-подібні криві розвитку технічної системи, то одержимо підсумкову S-криву розвитку технічної системи Р_∑ по якій можливо спрогнозувати наступний етап розвитку ТС.

Використання об’єктивних законів еволюції технічних систем у методиках навчання технічних дисциплін дозволить студентам у значно менших масштабах часу змоделювати і пізнати природній шлях еволюції технічних систем і тим самим визначити програму розвитку цих систем на майбутнє.

Рис. 2 S-подібні криві розвитку технічної системи

Розглянемо більш детально філософські засади розвитку технічних систем, які вперше сформулював Г.С. Альтшулер [6]. Для розвитку технічних систем необхідна ціль, яка задається людиною і яка потрібна для виконання корисної функції. Поява цілі виникає в результаті появи потреби. Ціль – це те, що необхідно зробити, а корисна функція ТС – реалізація цієї цілі. При одержанні технічних систем слід враховувати, що взагалі необхідна функція системи, а не сама технічна система. Кожна ТС може виконувати декілька функцій, із яких тільки одна є головною, для якої вона існує, а інші – допоміжними, які полегшують виконання головної функції. Єдиним якісним критерієм прогресивності змін в розвитку будь-якої технічної системи є ідеальність (мінімум маси (М), габаритів (Г), енергоємності (Е) тощо). Тому збільшення ступені ідеальності технічної системи є головним законом її розвитку. Саме цей критерій визначає найбільш загальні тенденції розвитку технічних систем.

Ідеальна технічна система – це система в якій М,Г,Е - характеристики прагнуть до нуля, її здатність виконувати роботу при цьому не зменшується, а кількість корисних функцій збільшується. Зникнення системи і збільшення корисних функцій – дві сторони загального процесу ідеалізації, відповідають закону єдності і боротьби протиріч.

Функціонування всіх технічних систем починається з одного елементу (моносистеми), який повинен виконувати одну елементарну функцію. Збільшення головної корисної функції (ГКФ) можливе тільки тоді коли виникає в цьому потреба, тобто коли з’являється проблема. Задоволення цієї потреби, згідно закону єдності і боротьби протиріч, вступає в суперечність з можливостями існуючого об’єкту. Розв’язати цю суперечність можливо шляхом збільшення (підсилення) визначених властивостей об’єкту. Згідно закону взаємного переходу кількісних та якісних змін, виникає необхідність в диференціації (збільшення кількості) елементів об’єкту, тобто розподілу елементу на зони з різними властивостями. Із первинної моносистеми починають виділятися елементи з іншими властивостями. Система розростається за рахунок ускладнення своїх елементів. Система стає спеціалізованою, згідно закону заперечення заперечень вона починає виконувати функції більш високого рангу за ієрархією, не збільшуючи кількості своїх елементів. Система становиться все більш універсальною зі незмінною, а потім і зі зменшеною кількістю елементів. Тобто, перша половина процесу розвитку ТС – це розгортання ТС, яке пов’язане зі збільшенням кількості елементів системи, друга – згортання, при цьому зменшується кількість елементів системи до одного і з’являється нова моносистема:

Розглянемо більш детально процес розгортання та згортання технічної системи в просторі та часі. Наприклад, первинна моносистема (початкове технічне рішення) - перемішуючий пристрій з однією лопаттю має малу ефективність перемішування рідин. Згідно закону єдності і боротьби протиріч, виникає проблема між ціллю і можливостями. Виникає потреба в збільшенні ефективності перемішування. Цю потребу можливо реалізувати за допомогою декількох функцій: збільшення осьового потоку, збільшення турбулентності в об’ємі апарату, збільшення тангенціального потоку, збільшенні напруги здвигу рідини тощо. На цьому етапі необхідно обрати одну головну корисну функцію, наприклад, збільшення турбулентності в об’ємі апарату. Реалізувати цю функцію можливо шляхом збільшення кількості лопатей перемішуючого пристрою - шляхом диференціації ТС (рис.3).

Рис. 3 Просторово-часова модель розвитку ТС

Для збільшення ефективності перемішування у верхніх шарах апарату, збільшення кількості лопатей відбувається по вертикалі. При цьому збільшується також і тангенціальний потік, система стає більш спеціалізованою. Тобто, система розгортається за рахунок збільшення кількості елементів. При цьому М,Г,Е - характеристики теж збільшуються, що є не бажаним (рис. 3). Згідно закону взаємного переходу кількісних та якісних змін настає етап змін.

Об’єднання лопатей в одну листову лопать дозволить збільшити тангенціальний потік і система стане більш універсальною. Кількість елементів при цьому зменшиться, М,Г,Е - характеристики теж зменшаться, а корисна функція тільки збільшиться. Можливий і варіант об’єднання лопатей в один диск. При цьому додатково з’являється ще одна корисна функція – збільшується напруга здвигу рідини, а технічна система стане знову моносистемою, але більш ідеальною. Таким чином, відбулося згортання система за рахунок зменшення кількості елементів до одного. Згідно закону заперечення заперечень, відбувається відмова від попередньої моносистеми і і настає перехід до покращення корисної функції одержаної моносистеми.

Розглянемо можливі варіанти розгортання і згортання ТС на основі законів розвитку технічних систем, що сформулював Г. С. Альшулер. Ці закони є конкретним втілення головного закону - збільшення ступені ідеальності технічної системи на різних стадіях розвитку технічної системи [3]:

1. Закон повноти частин системи;

2. Закон «енергетичної провідності» системи;

3. Закон погодження ритміки частин системи;

4. Закон нерівномірності розвитку частин системи;

5. Закон збільшення ступені репольності;

6. Закон збільшення ступені динамічності системи;

7. Закон переходу із макрорівня на мікрорівень;

8. Закон переходу в надсистему (лінія розвитку «моно-бі-полі»).

Розглянемо більш детально механізм одержання технічних систем за Альшулером. Для виконання функцій необхідний тільки матеріальний об’єкт. Необхідною умовою принципіальної життєздатності технічної системи є наявність та працездатність основних частин системи - закон повноти частин системи, прохід енергії по всім частинам системи - закон «енергетичної провідності» системи та погодження частоти коливань (періодичності роботи) всіх частин системи - закон погодження ритміки частин системи [3].

Для синтезу ТС необхідна наявність чотирьох частин: двигун, робочий орган, трансмісія (зв’язок, через який передається енергія від двигуна до робочого органу), орган управління та її мінімальна пригодність для виконання функцій системи. Наприклад, початкова моносистема – перемішуючий пристрій складається з апарату для перемішування, лопаті, валу, приводу і двигуна. Якщо хоча б одна частина відсутня, то це ще не ТС, а якщо хоча б одна не працездатна, то ТС в цілому теж буде не працездатна.

Для того щоб частиною системи можливо було управляти, необхідно забезпечити енергетичну провідність між цією частиною і органом управління. Будь-яка ТС є провідником і перетворювачем енергії. Якщо енергія не буде проходити через всю систему, то якась частина ТС не буде одержувати енергію і не буде працювати. Напрямок руху енергії завжди від джерела енергії (двигуна) через трансмісію (привод і вал) до робочого органу (лопаті) і далі до виробу чи середовища (рідини). Передача енергії від однієї частини ТС до іншої може бути речовинною (вал, шестерня, удар тощо) польовою (магнітне поле, електричний струм тощо) і речовинно-польовою (поток заряджений частинок).

Життєздатними є тільки ті системи, в яких вид коливань підібрано так, щоб частини системи не заважали один одному і найкращим чином виконували корисну функцію. Існують два види коливань – власні і вимушені. Частота власних коливань – невід’ємна властивість будь-якої частини системи і залежить тільки від характеристик самого об’єкту (від розмірів, маси, пружності тощо). Найцікавіше настає тоді, коли частота зовнішнього силового (польового) впливу співпадає з власною частотою коливань – настає режим резонансу. Резонанс може бути і корисним, і шкідливим. Для того щоб покращити роботу системи необхідно погодити коливання частин, або, навпаки, їх розпогодження. Використання резонансу (або попередження його появи) досягається простою зміною параметрів елементів (розмірів, маси, частоти), при цьому в систему нічого нового не вводять.

Перші три закони є статичними, початковими для життєздатності технічного рішення. На S–подібній кривій вони відповідають періоду виникнення і формування технічної системи (ділянка 1 рис.1).

Наступні три закони: закон нерівномірності розвитку систем, закон збільшення ступені динамічності системи і закон збільшення ступені репольності відповідають розгортанню ТС. Розглянемо як відбувається етап розгортання ТС на основі цих законів.

Розвиток частин системи йде нерівномірно: чим складніша система, тим нерівномірніший розвиток її частин - закон нерівномірності розвитку частин системи [3]. Нерівномірність розвитку частин системи є причиною виникнення технічних і фізичних суперечностей і, таким чином різних технічних напрямків розвитку технічних систем. При збільшенні ступені організованості в одному місці тут же збільшується ступінь дезорганізованості в другому місці. Будь-яка прогресивна зміна може викликати десь і регресивну. Для збільшення головної корисної функції необхідно виділити деяку окрему властивість елементу системи – це початок спеціалізації елемента, диференціації властивостей в системі. Найпростішим рішенням є збільшення М,Г,Е – характеристики цієї системи (товщини, затрат енергії, ваги, габаритів). При покращенні однієї властивості елемента технічної системи виникає суперечність - погіршуються інші властивості системи або частини системи. Суперечність вирішується появою нових технічних систем. В результаті досягається новий рівень погодження між елементами системи. Так з’являються багато інших варіантів одного і того ж технічного об’єкту в різних технічних напрямках. Таким чином, рухомою силою процесу є поява неоднорідності розвитку в ТС.

Для підвищення ефективності жорстких систем, необхідно зробити їх динамічними, тобто перевести до більш гнучких структур і режиму роботи, що швидко змінюються, підстроюються під зміни зовнішнього середовища - закон збільшення ступені динамічності системи [3]. З моменту синтезу і на перших етапах розвитку ТС мають звичайно жорсткі внутрішні зв’язки, в них відсутні підсистеми для зміни режиму роботи в залежності від зміни зовнішніх умов. Тому системи недовговічні і наступає етап динамізації (адаптації). Для механічних систем він починається з переходу від нерухомих систем до рухомих, жорсткі системи заміняються на гнучкі, на гідро-, пневмоконструкції, використовується вібрація, періодична зміна форми тощо. Для наступних етапів динамізації характерно застосування фізичних і хімічних ефектів і явищ, введення зворотного зв’язку.

Закон збільшення ступені репольності [3] - розвиток ТС йде в напрямку збільшення ступені репольності: нерепольні системи бажають стати репольними, а в репольних системах розвиток йде шляхом збільшення кількості зв’язків між елементами, збільшення кількості елементів. Закон належить до періоду розгортання ТС: розгортається (ускладнюється) та частина чи елемент реполю, який найважче виконує ГКФ (чи при збільшенні ГКФ).

Ці три закони є законами кінематики і на S–подібній кривій відповідають періоду початку росту і розквіту розвитку ТС (ділянка 2 рис.1).

Закон переходу із макрорівня на мікрорівень [3] визначає розвиток ТС спочатку на макрорівні, а потім на мікрорівні. Тобто, замість колес, валу, шестерні поступово перейти на роботу молекул, атомів, іонів, електронів тощо, якими легко можна управляти за допомогою фізико-хімічних ефектів. Закон діє як на етапі розгортання ТС, так і на етапі згортання ТС. Основний задум полягає в збільшенні головної корисної функції. На макрорівні (етап розгортання) цей ефект досягається збільшенням розмірів і потужності дії елементів системи. Ці можливості швидко вичерпуються, а М,Г,Е – характеристики досягають фізичної межі. Тому залишається тільки перехід на мікрорівень: необхідно задіяти більш глибинні структури речовин, звільнити допоміжні резерви енергії, виявити і використати нові властивості матерії тощо (етап згортання). Для збільшення ГКФ необхідно, щоб одна часина (зона) була гострою, друга – тупою, твердою – м’якою тощо. В деяких зонах необхідно підсилити необхідні властивості, виконати перехід однорідної структури до неоднорідної. При цьому диференціюються функції – різні частини (зони) об’єкту виконують різні функції. Диференціація властивостей і функцій приводить до розподілу (розшарування) об’єкту, однорідний елемент заміняється на багатошаровий – волокнистий – дисперсійний. При цьому деякі частини (шари, волокна, частинки) для загальної роботи в складі робочого органу об’єднуються так, щоб підсилити корисні функції і послабити шкідливі.

Розвиток системи, яка досягла своєї межі, може бути продовжений на рівні надсистеми - закон переходу в надсистему [3]. Один із шляхів такого переходу може бути об’єднання технічних систем і виникнення бі- і полісистем. Бі- і полісистеми можуть розвиватися як «вверх» (виникнення ще більших надсистем), так і «вниз» (згортання декількох систем в одну систему) (рис. 4).

На будь-якому етапі розвитку (розгортання) система може бути згорнута в нову моносистему, яка може стати початком нової хвилі розвитку. При одержанні бі- і полі систем виникають якісні зміни технічної системи за трьома параметрами: властивостям, зв’язкам, внутрішнім середовищем. Таким чином, головний сенс застосування переходу моно-бі-полі – кількісні зміни (об’єднання систем) виправдовується тільки у випадку появи нової якості.

Рис. 4 Модель розвитку технічної системи згідно закону переходу в над систему

На S–подібній кривій останні два закони відповідають як етапу розвитку, так і переходу до нової системи. Вони є законами динаміки, що відображають тенденції розвитку сучасних систем.

Розглянуті закони розвитку технічних систем мають бути об’єктивною філософською основою розробки методик креативного навчання технічних дисциплін.

Поиск по сайту: