© Альтшуллер Г.С., Журнал "Техника и наука", 1979, № 4
ВЕПОЛЬНЫЙ АНАЛИЗ

НАВИГАЦИЯ В ОКЕАНЕ ЗАДАЧ

СЛОВО, КОТОРОГО ЕЩЕ НЕТ В СЛОВАРЯХ

Напомним основной вывод первого очерка: для творческого решения технических задач нужна программа, позволяющая планомерно выявлять и устранять технические и физические противоречия. Вполне закономерен вопрос: "Разве нет задач, не связанных с преодолением этих противоречий?"

Задача 7. Имеется термопластический материал (пластмасса). Из него надо изготовить листы - метр на метр- с ворсинками, т. е. с выступами из того же материала в виде иголочек. Количество ворсинок - десятки на квадратный сантиметр, высота- 10 мм. Нужно предложить способ изготовления - простой, высокопроизводительный, дешевый. Литье и штамповка дают слишком много брака.

Противоречия не видно, но задача есть, можно приступать к ее решению. В первом очерке мы рассмотрели ряд схем и устройств, в которых состоянием вещества управляют, действуя магнитным полем на ферромагнитные частицы, введенные в вещество или соприкасающиеся с ним. Попробуем использовать этот принцип. Предположим, в пластмассу добавлен ферромагнитный порошок. Если теперь к разогретой пластмассе приблизить магнит с иглами, а потом начать поднимать его, каждая игла потянет за собой тонкую струйку пластмассы: вот и готов ворс...

Запишем это решение примерно так, как записывают формулы химических реакций. По условию задачи есть вещество, обозначим его буквой В. Пунктирной стрелкой покажем, что по условиям задачи вещество плохо поддается управлению и надо научиться им управлять:

 В

Теперь запишем ответ. Мы ввели магнитное поле П_м, действующее на ферромагнитный порошок В_ф, который в свою очередь действует на В:

		Пм
Вф			В

Соединим "дано" и "получено" двойной стрелкой, она заменит нам слова "для решения задачи надо перейти к":

					Пм
	В		Вф			В

Запись отчетливо показывает суть решения. Было вещество (В), которое плохо поддавалось непосредственному воздействию. Мы пошли в обход: взяли хорошо взаимодействующую пару "магнитное поле - ферромагнитный порошок" (П_м-В_ф) и объединили с имеющимся веществом в единую систему, хорошо поддающуюся управлению. Видно и противоречие, оно было спрятано в глубине задачи, но нам удалось его преодолеть: поле не действует на вещество (нет полей, которые сами по себе могли бы формировать ворс на листах) и поле действует на вещество (через второе вещество - ферромагнитный порошок).

Следующую задачу, надо полагать, вы решите раньше, чем дочитаете условия. А задача трудная: она несколько лет использовалась на занятиях в школах технического творчества и ни разу ее не решили до обучения.

Задача 8. На заводе сельхозмашин был небольшой полигон (30 х 20 м) для испытания машин на трогание с места, развороты и т. д. Завод получил новый заказ - продукцию надо поставлять во многие страны. Подсчитали: необходимы испытания на 150 видах почв. Строить 150 полигонов?..

Да, разумеется, надо просто добавлять в почву ферромагнитные частицы и, действуя магнитным полем, менять свойства почвы на одном полигоне.

Магнитное поле отлично работает "в паре с ферромагнитным порошком. Поэтому так много технических решений укладывается в формулу (1). Треугольник из магнитного поля, ферромагнитных частиц и вещества (изделия) получил название феполь. Термин новый, его еще нет ни в одном словаре...

ВЕПОЛЬ - МИНИМАЛЬНАЯ ТЕХНИЧЕСКАЯ СИСТЕМА

Существуют другие поля и другие вещества, охотно отзывающиеся на действие этих полей. Поэтому феполь является частным случаем веполя (термин образован от слов "вещество" и "поле")- треугольника из двух веществ и поля.

Задача 9. После сборки и заправки холодильных агрегатов нужно проверить, нет ли неплотностей, через которые просачивается рабочая жидкость. Ваше предложение?

Запишем решение в вепольной форме:

				П
В1			В1			В2

Есть вещество В₁ (капелька просочившейся жидкости); нужно, чтобы это вещество давало сигнал о своем присутствии (пунктирная стрелка, направленная от В₁). Для решения задачи надо перейти к веполю, объединив В₁ с таким веществом В₂, которое даст "сигнальное" поле П. В качестве В2 можно использовать, например, люминофор. Тогда полученную "реакцию" удобнее записать в таком виде:

				П
В1			В1			В2
				П`

Вещество В₂, связанное с В₁ преобразует оптическое (электромагнитное) поле П, давая на выходе легко обнаруживаемый сигнал (поле П’).

В патентном фонде можно обнаружить множество технических решений, в том числе сильных, остроумных, неожиданных, основанных на "реакциях" 1 и 2. Задача часто оказывается трудной только потому, что дан "обломок" веполя. Надо не мучиться с этим "обломком", а достроить треугольник.

Почему именно треугольник?

На этот вопрос можно ответить вопросом: а почему в математике такое значение придают треугольнику? Почему ради него создали специальную область математики- тригонометрию? Ответ очевиден: треугольник- минимальная по количеству элементов геометрическая фигура; любую другую фигуру можно разбить на треугольники. Веполь- минимальная техническая система. Любую техническую систему можно представить в виде суммы веполей. Например, в правой части формулы (2)- ромб, т. е. два треугольника. Поэтому так важно знать правила построения и преобразования веполей. Самое простое правило вы уже знаете: для построения минимальной технической системы нужны два вещества и поле.

Задача 10. Дана смесь одинаковых по размерам и имеющим одну и ту же плотность кусочков коры и древесины. Как их разделить?

Что может быть проще этой задачи... теперь, когда известно общее правило? Даны два вещества; нужно добавить поле. Известны четыре поля: электромагнитное, гравитационное, сильные и слабые взаимодействия. Оставим два последних поля - к чему атомные силы для решения такой задачи?.. Гравитационное поле не подходит, об этом говорится в условиях задачи (плотность веществ одинаковая). Остается электромагнитное воздействие. Кора и древесина не обладают магнитными свойствами. Следовательно, для построения веполя нужно электрическое поле. Идея решения выведена с математической точностью, можно ставить решающий эксперимент: если данные вещества по-разному электризуются, задача решена.

А если они (допустим такое) электризуются одинаково? В одно из веществ придется - до того, как вещества были смешаны,- ввести В3, хотя бы тот же ферромагнитный порошок. Получится комплексный веполь:

		Пм
(В2В3)			В1

Возможность строить комплексные веполи существенно расширяет сферу действия правила с достройкой веполя.

Кстати, о словах "вещество" и "поле".

В вепольном анализе (т. е. анализе вещественно-полевых структур при синтезе и преобразовании технических систем) под "веществом" понимают не только вещество, но и технические системы или их части, а иногда и внешнюю среду. Например, если в задаче идет речь о повышении скорости движения ледокола во льдах, то вещества - ледокол и лед.

Кроме четырех "законных" физических полей, в вепольном анализе используют "поля" тепловые, акустические, механические. Чтобы покончить с азами вепольного анализа, добавим, что вещества принято записывать в строчку, поля на входе - над строчкой, поля на выходе - под строчкой. Веполь вообще (без конкретизации) обозначают треугольником, действие вообще - черточкой, неудовлетворительное действие- волнистой стрелкой или черточкой.

Задача 11. Представьте себе, что нужно сжать пружину (длина 100мм, диаметр 10 мм), положить ее (плашмя) между страницами книги, а затем закрыть книгу, не допуская при этом, чтобы пружина разжалась. Сжать пружину можно двумя пальцами. Но ведь потом придется отпустить пальцы, иначе не закроешь книгу... Аналогичная ситуация возникает при монтаже некоторых приборов. Нужно сжать пружину, уложить и закрыть крышкой. Но как это сделать, чтобы пружина не разжалась? Связывать пружину нельзя, внутри прибора она должна будет работать.

Составьте вепольную схему решения. Что дано? Что надо ввести для достройки веполя? Как конкретно выглядит предлагаемый вами веполь: какие взяты вещества, какое взято поле, как работает веполь?

ХОД ТРОЯНСКИМ КОНЕМ

Троя, как известно, выдержала десятилетнюю осаду. Тогда по совету хитроумного Одиссея греки построили громадного деревянного коня. Внутри коня спрятался отряд вооруженных воинов. Оставив коня, греки покинули лагерь, сделав вид, что снимают осаду и уходят в море. Троянцы бросились в покинутый лагерь и обнаружили там деревянного коня. Добычу доставили в город. Ночью воины вышли из коня, перебили стражу и открыли ворота вернувшимся греческим войскам. Троя пала...

Было бы излишним утверждать, что Гомер предвидел появление вепольного анализа, но в истории с троянским конем очень точно отражена одна из важнейших идей вепольного анализа. Суть задачи обычно состоит в том, что какое-то вещество не поддается управлению- не изменяется так, как нам надо, не дает информации о своем местонахождении или состоянии. Безуспешная осада упрямого вещества может длиться годами. Ничего не получится до тех пор, пока не будет использован троянский конь- добавка вещества, охотно выполняющего то, что нам нужно.

Ход троянским конем виден уже в формуле (1), в самой идее построения веполя. Роль троянского коня откровенно играет и В3 в формуле комплексного веполя. Но нередко условия задачи прямо налагают запрет на введение "посторонних" веществ. Вепольный анализ располагает на этот случай целым табуном троянских коней - набором хитрых обходных приемов. Вот некоторые из них:

• используют не добавку, а изображение добавки;
• добавляют не вещество, а поле (электризуют, намагничивают);
• добавку вводят в сверхмалых дозах;
• вместо внутренней добавки используют наружную;
• добавку вводят на время;
• в качестве добавки используют часть имеющегося вещества, переведенную в особое состояние;
• добавку вводят в виде химического соединения, из которого она потом выделяется.

Задача 12. В станке движется текстильная нить. Она проходит довольно долгий путь и при этом вытягивается, удлиняется. Как контролировать степень вытяжки нити? Останавливать нить нельзя. Наносить на нить посторонние вещества- даже в сверхмалых дозах и временно - нельзя. Как быть?

С обычной точки зрения перечисленные в условиях запреты утяжеляют задачу. Нам же эти запреты лишь облегчают решение: двух коней из троянской семерки можно оставить в покое...

ОЧЕНЬ ПРОСТО: ВЕЩЕСТВО ЕСТЬ И ВЕЩЕСТВА НЕТ…

Исследователей технического творчества издавна смущало бесконечное многообразие изобретательских задач. Ну какие могут быть общие методы, если задачи неповторимы?! Пытались классифицировать задачи по отраслевым и функциональным признакам- это только увеличивало путаницу: вдруг обнаруживалось, что какая-то металлургическая задача почему-то похожа на электротехническую, а две, казалось бы, абсолютно одинаковые задачи на контроль параметров вещества решаются совершенно по-разному...

Вепольный анализ дал свои принципы классификации задач. Сколько элементов (веществ, полей) в модели задачи? Какие это элементы (поля или вещества)? Можно ли вводить добавочные элементы? Относится ли задача к измерению (нужно поле на выходе) или к изменению объекта (нужно поле на входе)? Странные на первый взгляд принципы. Но ведь не кажется нам странной классификация химических элементов в зависимости от числа электронов на внешней электронной оболочке атомов...

Вепольный анализ, отбрасывая все внешнее, случайное, позволил построить классификацию, указывающую пути решения каждого класса задач.

Все задачи разделены на три типа - в зависимости от числа элементов в модели задачи (один, два или три элемента; более сложные модели сводятся к этим трем). Задачи первого типа решаются "напрямую" - достройкой веполя. Как в химии: все галогены стремятся получить электрон для достройки внешней электронной оболочки. Различия между разными галогенами отступают на второй план перед этим общим и основным свойством.

"Напрямую" - без анализа - решаются и некоторые задачи второго и третьего типов. Важнее, однако, другое: для каждого класса (в нынешней классификации их 18) вепольный анализ предлагает общую формулу, указывающую направление решения. Иногда эта формула прямо дает ответ. Чаще приходится "дотягивать" решение анализом. Но насколько легче продвигаться к цели, зная направление!

Задача 13. На тепловых электростанциях уголь из бункера через шнековый питатель поступает в шаровую мельницу. После помола угольный порошок по пылевоздухопроводу идет в сепаратор. Крупные частицы угля возвращают на вторичный помол, а угольную пыль направляют к топка,м. Все хорошо, если уголь не слишком влажен. Но нередко в бункер поступает очень влажный уголь. Он залепляет питатель, липнет к стенкам труб, ведущим к мельнице. Как быть?

Задача относится к третьему типу (даны три элемента), содержащему шесть классов задач. Найти нужный класс очень легко: у нас задача на разрушение веполя. Для решения задач этого класса вепольный анализ рекомендует ввести между двумя имеющимися веществами третье вещество, являющееся видоизменением одного из имеющихся (или видоизменением смеси обоих веществ):

	П					П
B1			В2		В1				В2
В3 (В`1 или В`2)

Перед нами опять-таки формула преодоления противоречия: третье вещество есть (следовательно, веполь разрушен) и третьего вещества как бы нет (следовательно, нет и расходов на это вещество, нет неприятностей, которые могут быть с ним связаны). Американцы, например, предложили облицевать питатель и трубы фторопластом. Веполь был разрушен (введено третье вещество). Но уголь очень быстро содрал покрытие- идея оказалась неудачной.

По формуле (4) в качестве третьего вещества следует взять видоизмененный металл или видоизмененный уголь. Трудная задача свелась к простым вопросам. Как видоизменить металл, чтобы он не прилипал к мокрому углю? Как видоизменить мокрый уголь, чтобы он не прилипал к металлу? Ответ очевиден: в качестве тонкой прослойки между металлом и мокрым углем надо использовать сухой уголь. Пусть угольный порошок, идущий на вторичный помол, поступает в питатель, обволакивая мокрые куски угля. Третье вещество есть и третьего вещества нет: прослойка сухого угля не требует расхода материалов, не ломается. А сколько было перепробовано "пустых" вариантов, когда задачу решали методом проб и ошибок!

МОСТ МЕЖДУ ФИЗИКОЙ И ТЕХНИКОЙ

Есть у вепольного анализа еще одна важная сторона. Ключами к решению трудных задач часто оказываются физические эффекты. Поэтому очень важно найти метод перехода от задачи к соответствующему физэффекту. Вепольный анализ и оказывается таким методом, ибо физические эффекты могут быть выражены в вепольной форме .

В простейшем случае название искомого физического эффекта можно получить, соединив названия полей на входе и на выходе построенного веполя.

Задача 14. Измерение сверхвысоких напряжений (порядка 2 000-2 500 кВ) и токов в проводниках, находящихся под этим напряжением, представляет собой сложную техническую задачу. Приходится воздвигать огромную конструкцию, имеющую изоляцию на полное напряжение,- "этажерку" высотой в 10--12 м. Нужен простой и точный способ измерения.

Запишем то, что дано по условию задачи:

П

Похоже на левую часть формулы (2). Правда, там было дано вещество, а здесь поле. Но других формул мы пока не знаем, остается действовать по аналогии с формулой (2):

				П2
П1			П1			В
				П`2

Теперь у нас есть ответ в вепольной форме: нужно ввести в поле П1 такое вещество В, которое в зависимости от параметров поля П1 будет менять параметры поля П2, проходящего через это вещество. Если, например, мы хотим иметь на выходе- как в задаче 9 - оптическое поле, надо использовать электрооптический эффект (эффект Керра).

Как знать, возможно, в ближайшем будущем настольной книгой каждого новатора станет справочник "Физические эффекты и явления в вепольной форме"...

И СНОВА РАЗМИНКА

Формулы - это прекрасно, но надо развивать и воображение. Иначе трудно будет увидеть и принять те неожиданные идеи, к которым выводят формулы.

Упражнение на преодоление психологического барьера.

Упражнение 2. Придумайте фантастическое животное, обитающее в твердой среде. Как устроено это животное? Как передвигается? Чем питается? Попробуйте создать многогранный "образ" животного... Барьер, который вам предстоит преодолеть, - привычные представления о животном мире.

(Продолжение следует)