Всегда ли изобретение состоит в устранении технического противоречия?
Надо сказать, что существуют два понятия «изобретение» — правовое (патентное) и техническое. Правовое понятие различно в разных странах, к тому же оно часто меняется.
Правовое понятие стремится возможно точнее отразить границы, в которых в данный момент экономически целесообразна юридическая защита новых инженерных конструкций. Для технического же понятия важны не столько эти границы, сколько сердцевина изобретения, его исторически устойчивая сущность.
С точки зрения инженера, создание нового изобретения всегда сводится к преодолению (полному или частичному) технического противоречия.
Возникновение и преодоление противоречия — одна из главных особенностей технического прогресса. Анализируя развитие мельниц, Маркс писал в «Капитале»: «Увеличение размеров рабочей машины и количества ее одновременно действующих орудий требует более крупного двигательного механизма... Уже в XVIII веке была сделана попытка приводить в движение два бегуна и два же постава посредством одного водяного колеса. Но увеличение размеров передаточного механизма вступило в конфликт с недостаточной силой воды...»
Это яркий пример технического противоречия: попытка улучшить какое-либо свойство машины вступает в конфликт с другим ее свойством.
Многочисленные примеры технических противоречий приводит Фридрих Энгельс в статье «История винтовки» В сущности, вся эта статья представляет собой анализ внутренних противоречий, определяющих историческое развитие винтовки. Энгельс показывает, например, что с момента появления винтовки и до изобретения винтовок, заряжающихся с казенной части, главное противоречие состояло в том, что для усиления огневых свойств требовалось укорачивание ствола (заряжение производилось со ствола и при коротком стволе облегчалось), а для усиления «штыковых» свойств винтовки нужно было, наоборот, удлинять ствол. Эти противоречивые качества были соединены в винтовке, заряжающейся с казенной части[26].
Вот несколько задач из разных отраслей техники, содержащих технические противоречия. Задачи эти не придуманы автором, а взяты из газет, журналов, книг.
Горное дело
С давних пор для изоляции района подземного пожара шахтеры возводят перемычки — специальные стенки из кирпича, бетона или брусчатки. Сооружение перемычек сильно осложняется, если в шахте выделяются газы. В таком случае перемычку нужно делать герметичной, тщательно заделывать каждую щелку, и все это под постоянной угрозой взрыва. Чтобы уберечься, горняки стали сооружать по две перемычки. Первую — временную — кладут наспех. Она пропускает воздух и служит лишь баррикадой, под прикрытием которой можно, уже не торопясь, сооружать вторую, постоянную. Таким образом, горняки выиграли в безопасности, но проиграли в трудоемкости.
Химическая технология
При повышении давления скорость синтеза увеличивается и, следовательно, растет производительность колонны синтеза. Но одновременно увеличивается расход энергии на сжатие данного количества газа: по конструктивным соображениям приходится ограничивать размеры аппаратов и, следовательно, их мощность. Увеличиваются растворимость азотоводородной смеси в жидком аммиаке и ее потери.
Электроника
Современная электроника столкнулась с серьезной дилеммой: с одной стороны, непрерывно повышаются требования к рабочим характеристикам и, соответственно, усложняются электронные системы; с другой стороны, все более ужесточаются ограничения габаритов, веса и потребляемой мощности... Такое же, а может быть, и большее значение имеют проблемы надежности, вызванные возросшей сложностью аппаратуры.
Радиотехника
У антенны радиотелескопа есть две основные характеристики — чувствительность и разрешающая способность. Чем больше площадь антенны, тем выше чувствительность телескопа и тем дальше он может заглянуть в глубины Вселенной. Разрешающая способность — это «острота зрения» телескопа. Она показывает, насколько хорошо аппарат различает два разных источника излучения, находящихся на небольшом угловом расстоянии друг от друга. Кроме того, большой «радиоглаз» должен охватывать своим взглядом возможно большую часть неба. Для этого антенна должна быть подвижной. Но перемещать громоздкую антенну, сохраняя ее форму неизменной с точностью до миллиметров, очень трудно.
Пока не разрешено это противоречие, конструирование телескопов идет по двум направлениям: либо строятся очень большие, но неподвижные антенны, либо подвижные и относительно небольшие.
Моторостроение
Механизм клапанного газораспределения состоит в основном из деталей, движущихся возвратно-поступательно. Увеличить число оборотов двигателя — значит увеличить инерционные нагрузки. Чтобы этого избежать, стараются уменьшить массу возвратно-движущихся деталей, для чего клапанный механизм помещают непосредственно в блоке цилиндров. Но камера сгорания при этом становится сплющенной, щелевидной, с большой поверхностью теплоотдачи. В этом одно из противоречий: увеличение числа оборотов при нижнем расположении клапанов приводит к увеличению мощности и экономичности, щелевидная же камера сводит весь выигрыш на нет.
Сельскохозяйственное машиностроение
Есть такое понятие — мощность на крюке». Это та часть мощности тракторного двигателя, которая может фактически выполнять полезную работу. Показатель этой мощности для данного трактора зависит в первую очередь от сцепных свойств его движителей (колес или гусениц) и от сцепного веса машины. Мощная, но легкая машина при больших нагрузках буксует, поэтому для выполнения полезной работы может быть использована лишь небольшая часть мощности тракторного двигателя. Тяжелые тракторы лучше сцепляются с почвой, но значительная часть энергии их двигателя тратится на перемещение собственного веса по полю... Конструкторы облегчают машину и повышают ее мощность. А в процессе эксплуатации начинается движение в обратную сторону, так как снижение веса означает ухудшение сцепных свойств, то есть уменьшение эффективной мощности на крюке. Вот и приходится на месте утяжелять машину — ставить на колеса чугунные диски, делать уширители на гусеницах и колесах, сводя на нет достижения конструкторов.
Автомобилестроение
Стоит увеличить мощность двигателя, не применив каких-то новых конструктивных решений, увеличатся его вес и расход топлива. Значит, и несущая система (рама, кузов) автомобиля должна быть более мощной, тяжелой, а места для пассажиров остается меньше.
Мягкие шины обеспечивают спокойствие хода, автомобиль плывет по неровной дороге, как челн. Но чем меньше давление в шинах, тем больше сопротивление дороги, тем меньше скорость. Можно сделать автомобиль, который будет низким и устойчивым, но он не пройдет по плохой дороге. Конструктор находит золотую середину, взвешивает, каким из качеств автомобиля можно пренебречь, а какое — выдвинуть на первый план[27].
Судостроение
При проектировании корпуса яхты необходимо учитывать три основных требования: 1) минимальное сопротивление формы корпуса, 2) минимальное сопротивление трения, 3) максимальная остойчивость.
Эти требования взаимно противоречивы. Узкая, длинная яхта имеет малое сопротивление формы, но она малоостойчивая, не может нести достаточно большой парусности. Повышение остойчивости путем увеличения веса балласта сопровождается одновременным увеличением осадки и, следовательно, увеличением сопротивления трения. Увеличение остойчивости путем увеличения ширины корпуса вызывает увеличение сопротивления формы корпуса. Задача конструктора состоит в отыскании «золотой середины», в примирении противоречивых условий конструирования[28].
Самолетостроение
У главного конструктора рождается идея. Ну, скажем, нужен самолет для перевозки крупногабаритных и тяжелых грузов; необходимо обеспечить удобство и быстроту погрузки. Для этой цели требуется, чтобы фюзеляж, вместительный и обтекаемый, на стоянке был как можно ближе к земле, значит, необходимо низкое шасси, его легче убрать в фюзеляж.
Вес полезной нагрузки определяет вес конструкции, и все вместе — мощность и число двигателей. Если двигатели турбовинтовые, их устанавливают на крыле, и крыло должно быть поднято так, чтобы пропеллеры не задевали за бетон. Еще деталь ясна: крыло нужно положить сверху фюзеляжа.
Это только первый шаг проекта. Множество различных требований постепенно уточняют «лицо» будущего самолета. Необходимость хороших взлетных и посадочных свойств на грунтовых аэродромах ведет к применению объемных пневматиков с низким давлением, прямого крыла с мощной аэродинамической механизацией.
