12. АРИЗ Ранние алгоритмы
(разбор примеров)
Кудрявцев А. В.
АРИЗ — один из основных инструментов теории решения изобретательских задач. С 1961 г. он прошел большой путь развития, превратился из простого и короткого списка инструкций в развернутый, детализированный метод (АРИЗ-85В), включающий в себя многие десятки подробно регламентированных «ступенек» — шагов. Однако, несмотря на постоянно вводимые автором и разработчиком метода Г. С. Альтшуллером изменения, все варианты АРИЗов сохранили общую структуру, работают на основе общих принципов.
Практическое освоение АРИЗа нами также будет вестись с использованием вариантов алгоритма все возрастающей сложности. Начальная цель — ознакомление с общими принципами организации АРИЗ, его устройством. Ранее уже была продемонстрирована работа с АРИЗ-61 и АРИЗ-71. Настало время углубленно отработать практическое использование второй и третьей стадий (основных «решающих» модулей) АРИЗ-71.
Задача 12-1.Известно, что летящий к земле предмет находится в состоянии невесомости. Это так называемая «невесомость падения». Ее можно определить как отсутствие реакции опоры. Чем дольше длится свободное падение, тем дольше предмет находится в состоянии невесомости. Этим воспользовались инженеры и в середине прошлого века создали стенды для проведения научных экспериментов и отработки некоторых перспективных космических технологий. Такие стенды существовали еще в семидесятые годы в США, в Центре космических исследований имени Д. Маршалла (сброс с башни) и в центре Льюиса (шахта глубиной 170 м). Приборы помещались в специальные контейнеры, снабженные амортизирующими системами, предназначенными для защиты от удара при приземлении.
При проведении экспериментов оказалось, что существенное влияние на контейнер с приборами оказывается воздухом. При сбрасывании с башни на контейнер действует еще и ветер. В шахте ветра нет, но торможение за счет трения о воздух приводит к появлению внутри контейнера небольшой весомости, достигающей сотых долей нормального ускорения свободного падения. Это недопустимо для целого ряда экспериментов. Как быть?
В связи с отсутствием возможности проводить патентные исследования коротко рассмотрим историю решения этой задачи.
Наиболее массовыми являются варианты решений, связанные с компенсацией возникающего воздушного сопротивления. Это предлагалось делать с помощью ракетных двигателей, пропеллерных систем, тянущих систем (например, приводимых в движение электромоторами канатов, протянутых по всей длине шахты с закрепленным на них контейнером). Предлагаемые средства должны компенсировать сопротивление воздуха (ракетные или пропеллерные системы) или самостоятельно обеспечивать движение падающего контейнера с требуемым ускорением (канаты). Но все эти варианты значительно усложняют систему. Например, применение ракетных двигателей потребует обеспечения высокой точности регулирования тяги.
Сложности возникнут и при эксплуатации шахты, в которой перед сбросом контейнера предлагается откачивать воздух. В такой шахте придется создавать герметичную оболочку по всей боковой поверхности (для предотвращения подсоса воздуха из земных пород), использовать вакуумные насосы большой мощности, шлюзовые камеры. Персонал должен работать в скафандрах.
Все эти решения возможны, но неудобны для практического применения. Итак, в процессе падения приборы должны двигаться с ускорением, точно соответствующим величине g.
Как уже отмечалось, АРИЗ-71 содержит развернутую первую часть, в рамках которой проводится предварительное исследование проблемной ситуации. Выполнение этого этапа требует длительного времени. Первые шаги второй части также требуют значительных затрат времени, необходимого для использования патентных фондов. Поэтому решение будет проводиться с шага 2–3, на котором формулируется уже поставленная, предварительно обработанная задача. (Кстати, большинство учебных задач разбиралось именно с этого шага).
Решение задачи
Шаг 2–3
Дана система, состоящая из вертикальной шахты, контейнера, приборов. Даны воздух, заполняющий шахту, а также сила притяжения Земли. Свободному падению контейнера с приборами мешает сопротивление воздуха.
Шаг 2–4
Разделим элементы на изменяемые и неизменяемые.
Контейнер — это искусственный элемент, его можно менять. Шахта — это технический, искусственный элемент и формально менять его можно.
Воздух — это природный элемент, менять его сложно.
Приборы — элемент технический, но мы занесем его в список неизменяемых.
Выбор изменяемого элемента является важнейшим этапом алгоритма. Именно к изменяемому элементу будут предъявлены требования идеального конечного результата, на его основе возникнет комплекс противоречивых требований, которые впоследствии придется устранять.
Иными словами, выбирая изменяемый элемент, выбирается путь дальнейшей работы, будущее решение. В АРИЗ-71 была процедура, согласно которой в качестве изменяемого надо было выбирать элемент, максимально далеко отстоящий от сути конфликта. В этом была своя логика, ведь чем дальше от уже существующего конфликта, тем меньшее количество дополнительных требований и ограничений наложено на объект.
Но очень скоро Г. С. Альтшуллер увидел, что понятие «элемента, далеко отстоящего от зоны конфликта» очень неопределенно и ввел в алгоритм принципиальное изменение. Теперь предлагалось выбирать в качестве изменяемого элемента такой, который стоит максимально близко к конфликту. Это, конечно, резко повышало алгоритмизацию процесса, ведь чем ближе к зоне конфликта, тем меньше объектов. (Пределом стремления к зоне конфликта стало в последующих версиях алгоритма введение понятия изделия и инструмента и работа только с ними. В дальнейшем мы увидим, что в АРИЗ-85В вновь происходит отказ от такого сильного сужения зоны поиска и требования ИКР начинают предъявляться неопределенно широкому кругу элементов, обобщенно характеризуемых как ресурсы, имеющиеся в системе и окружающей среде). В рамках нашей работы с данной задачей будет использоваться АРИЗ-71, но с дополнением, связанным с выбором изменяемого элемента: на шаге 2–5 мы будем стремиться брать элемент, приближенный к зоне конфликта.
В данном случае в качестве изменяемого элемента нами предварительно был выбран контейнер. Рассмотрим внимательно все перечисленные элементы и оценим возможность их изменения. Такую работу целесообразно совершать в отношении каждого из анализируемых элементов.
Шахта. Шахту можно менять. Сама шахта — это искусственное сооружение и, конечно же, параметры этого сооружения можно менять. Можно менять длину ствола, насыщать шахту специальными механизмами и устройствами. При этом стоит оценить масштабы изменений. Шахта — объект изменяемый, но приступать к изменению шахты стоит в последнюю очередь.
Воздух. Природный объект. Воздух в принципе можно менять, например, удалять, или заменять на специально подобранные газы (гелий, как более «скользкий», создающий меньше трения при обтекании). Но эти изменения обязательно потребуют изменения шахты. Воздух менять также нежелательно, как и шахту.
Контейнер. Довольно простая техническая система, имеющая незначительные размеры. В конкретной ситуации контейнеры меняют довольно часто, после нескольких циклов испытаний. Значит процесс замены контейнера не будет болезненным. Контейнер считаем легко изменяемым объектом.
Приборы. Их можно менять, например, потребовать от ученых, чтобы приборы имели малое сечение для уменьшения трения о воздух. Но приборы в рамках задачи являются обрабатываемым изделием. Будем считать, что «покупатель всегда прав», и оставим приборы без изменений.
Рассмотрим теперь, как связаны перечисленные элементы с сутью конфликта. Конфликт состоит в том, что воздух тормозит контейнер с приборами. Шахта в конфликте не фигурирует. Конфликт останется, даже если шахты не будет. В зоне конфликта воздух и контейнер.
На основании произведенной экспертной оценки выбираем в качестве наиболее легко изменяемого элемента контейнер.
Шаг 2–5
Контейнер.
Шаг 3–1
Сформулируем идеальный конечный результат.
ИКР: контейнер сам предотвращает замедление приборов во время их падения, продолжая защищать от удара.
Шаг 3–2
Графическое изображение исходной ситуации («было») и ИКР («стало»)
На рисунке «Было» контейнер тормозится о воздух и передает это торможение приборам.
На рисунке «Стало» приборы перестают контактировать с воздухом. Контейнер продолжает тормозиться о воздух, но не передает это торможение приборам.
