Тема 5.1. Техническая реальность и научно-техническое познание

Техническая реальность: техника и деятельность

Техника представляет собой систему искусственных материальных средств и результатов деятельности человека, полученных в процессе преобразования реальности для удовлетворения его потребностей. Техника – это мир артефактов, искусственно созданных вещей (И.М. Орешников). В процессе создания этих вещей человек опредмечивает научное знание об объекте деятельности, превращая это знание предварительно в цель деятельности. Следовательно, техническое устройство включает в себя не только природный материал, но и знания, идеальную цель, процесс сознательной трудовой деятельности для удовлетворения той или иной человеческой потребности. С другой стороны, успешная реализация деятельности опредмечивания предшествует деятельности распредмечивания, которой Вы и занимаетесь в техническом вузе, получая естественные, социально-гуманитарные, научно-технические знания и технические умения.

Виды инженерной деятельности: изобретательство, конструирование и проектирование. Изобретатель решает локальные технические проблемы (см. тему «Техническое творчество»). Задача конструирования, - опираясь на изобретенное техническое устройство, так его рассчитать и усовершенствовать, чтобы организовать массовое производство этого технического устройства.

Проектирование – это деятельность, в процессе которой без обращения к опытным образцам, имитируются и задаются функции строения и способ изготовления необходимого технического устройства.

Конструирование и проектирование тесно связаны с технологией. Технология – это совокупность и последовательность операций, способов и методов по изготовлению массовой техники и ее использованию.

Научно-техническое познание и деятельность

До промышленной революции конца XVIII века, создавшей массовое производство, задачи технического развития решались изобретательством, «точечным» соединением естественно-научных знаний и человеческих потребностей для создания технических устройств. С формированием массового промышленного производства возникает необходимость в модификации и тиражировании изобретенных технических устройств. Резко возрастает объем расчетов и конструирования, т.к. нужно создавать не один технический объект, а целый класс технических объектов. Инженер имеет дело не с созданием качественно нового технического устройства, а с разработкой типового технического изделия с общими характеристиками: одинаковой мощностью, весом, габаритами и т.п. Поэтому по образцу естественных наук того времени к описаниям технических устройств были применены методы эмпирического познания: сравнение, аналогия, обобщение и классификация. Следующим важным шагом было построение математизированных и идеализированно-наглядных схем, моделей, для создания которых применялись теоретические естественно - научные и математические знания. В результате этих процессов получается сложный теоретический объект научно-технического знания, который включает в себя: 1) идеализированное представление параметров технического объекта; 2) адаптированно-идеализированные представления естественных наук о природном материале этого объекта; 3) адаптированные математические знания.

Различия естественно - научного и научно-технического знания. Естественная наука исследует и объясняет природную реальность. А техническая наука помогает создавать искусственную материальную реальность. Естественные науки выявляют общие законы реальностей. А технические науки создают правила и нормы, регулирующие ход преобразующей природу технической деятельности. Законы естествознания могут быть истинными или ложными, а технические правила, нормы – эффективными или неэффективными. Научное предвидение говорит о том, что случится или не случится при определенных обстоятельствах. Научно-техническое прогнозирование – о том, как изменить обстоятельства, чтобы создать полезное людям техническое устройство.

Самое же главное различие между ними – в характере идеализации. Физик-теоретик может исключить трение или сопротивление жидкости, а инженер-теоретик – нет, так как техническая теория теснее связана с материальной реальностью, чем физическая теория, потому что созданная с ее помощью технические устройства становятся элементами объективно технической реальности. Техническую теорию создает особая группа ученых-инженеров. Таким ученым-инженером был шотландец У.Рэнкин, который вслед за Клаузиусом, заложившим основы классической термодинамики, создал основание технической термодинамики. Именно ему удалось связать практику построения паровых двигателей высокого давления с законами термодинамики.

Для паровых двигателей закон Бойля-Мариотта в абстрактно-теоретическом виде не применим. Нужно создавать научно-теоретическое знание. Действия машины должны основываться на абстрактно-теоретических понятиях и законах, а свойства материала выбираются на основе твердо установленных экспериментальных данных. В паровом двигателе изучаемый материал – пар, а законы были законами создания исчезновения теплоты. Поэтому работа двигателя зависела и от свойств пара, устанавливаемых экспериментально, и от состояния теплоты в этом паре. У Рэнкин сконцентрировал свое внимание на том, как законы теплоты влияют на свойства пара и построил модель. Но в соответствии с его моделью получалось, что и свойства пара изменяют действия теплоты. Проведенный анализ действия расширения пара позволил У. Рэнкину открыть причины потери эффективности паровых двигателей и рекомендовать конкретные меры, их уменьшающие. Теоретическая модель У. Рэнкина обеспечила применение абстрактно–теоретических идей к практическим проблемам и обусловила такое соединение термодинамики и техники, которое привело к созданию технической термодинамики.

Структура научно-технического знания.

Эмпирический уровень научно-технического знания состоит из конструктивно-технических и технологических знаний. Конструктивно-технические знания ориентированы на описание строения и конструкции технических систем, которые представляют собой совокупность элементов, имеющих определенные свойства, форму и способ соединения. Технологические знания фиксируют методы создания технических систем и принципы их использования; а также эвристические приёмы, разработанные в инженерной практике.

Теоретический уровень научно-технического знания включает в себя три типа теоретических схем: функциональные, поточные и структурные.

Функциональная схема – это идеализированное представление технической системы. Блоки этой схемы фиксируют только те свойства элементов технической системы, ради которых они включены в нее для выполнения общей цели, предписанной данной системе. Каждый элемент в этой схеме выполняет определенную функцию. Совокупность таких свойств, отделенных от нежелательных свойств, и определяет такие блоки, функциональные элементы схемы. Каждому функциональному элементу соответствует определенное математическое соотношение. С помощью функциональной схемы строится алгоритм функционирования технической системы и формируется ее внутренняя структура, конфигурация.

Поточная схема описывает процессы, протекающие в технической системе и связывающие ее элементы в единое целое. Блоки таких схем связаны с различными действиями, выполняемыми над естественными процессами в ходе функционирования технических систем.

Структурная схема фиксирует те узловые элементы технической системы, на которой функционально замыкаются поточные процессы. Структурная схема представляет конструктивное расположение элементов и связей технической системы, предполагая определенный способ ее реализации. Это – теоретический «набросок» будущей технической системы, который помогает разрабатывать ее проект как исходный пункт последующей технической деятельности. Поэтому на структурных схемах указывается обобщенные конструктивно-технические и технологические параметры стандартизированных конструктивных элементов, необходимые для проведения дальнейших технических расчетов.

Формирование технической теории

Сначала формулируется задача создания определенной технической системы. Затем она представляется в идеализированной структурной схеме, которая преобразуется в поточную схему и, наконец, для математического моделирования строится функциональная схема. Другими словами, инженерная задача превращается в математическую задачу, которая решается с помощью дедукции.

Аппроксимация технической теории.

Аппроксимация представляет собой приближенное выражение одних величин через другие, эквивалентные им в определенном отношении. В технических науках – это процедура решения инженерных задач на теоретических схемах с помощью ряда замен и упрощений. Дело в том, что максимально точное решение инженерных задач приводит к слишком сложным и длительным математическим расчетам. Аппроксимация в этих условиях - необходимый компромисс между точностью и сложностью математических расчетов. Поэтому создатель теории корабля академик А.М. Крылов правомерно критиковал суеверный страх выпускников технических ВУЗов перед приближенными вычислениями. Аппроксимирующие выражения и схемы должны по возможности точно выражать характер аппроксимирующей функции или схемы и быть как можно проще, чтобы и математические решения были более простыми.

Проектирование

Принципиальное значение имеет разделение проектирования и изготовления. Проектировщик обязан разработать техническую систему полностью, решив все вопросы ее внешнего вида, строения, функционирования и изготовления, увязав при этом все разнообразные требования в технической системе. Работает проектировщик только на знаковых системах: макетах, графиках, фото, ватмане, тексте. Изготовитель же по проекту создает техническую систему в материале, не тратя времени и сил на решение вопросов, за которые отвечает проектировщик.

Отделение проектирования от изготовления создает возможности недостижимые в реальной производственной деятельности. Проектировщик может совмещать и примирять противоположные или несовпадающие требования к технической системе; разрабатывать отдельные планы и подсистемы технической системы, не обращаясь к другим ее подсистемам и планам; делать отдельные и независимые друг от друга описания вида, функции, строения и функционирования технических систем, а потом совмещать их; разрабатывать различные варианты технической системы и ее подсистем, а потом их сравнивать.

Цель проектирования – создание технической системы, удовлетворяющая определенным требованиям и обладающая определенным качеством структуры. Знание для проектировщика (научно-технического специалиста)– это не цель и результат, как для ученого, а средство, «строительный материал», с помощью которого проектировщик с одной стороны, создает на основе имеющихся описаний прототипов, функций, конструкций и норм предписания для изготовления технической системы в материале (проект как система предписаний). С другой стороны, он описывает строение, внешний и внутренний вид технического устройства, добиваясь, чтобы его структура удовлетворяла требованиям заказчика и принципам проектирования (проект как модель новой технической системы). Кроме того, проект имеет две функции: внутреннюю, обеспечивающую разработку и создание проектируемой технической системы; и внешнюю, коммуникативную, связывающую заказчика, проектировщика и потребителя.

Проектирование есть движение от требования к функциям, от функций к обеспечивающим их конструкциям. Или от конструкции к функциям. При этом проектировщик уверен, что всегда подыщет для функции соответствующую конструкцию; что требования, предъявляемые к проектируемой технической системе можно удовлетворить с помощью известных типов технического функционирования и конструирования. Эта уверенность опирается на научные знания технических систем, отношений, связывающих функции, и конструкции (функционирования и строения) технических систем.

Принципы проектирования

Принцип независимости – материальная реализация проекта не меняет его природную и техническую составляющие и их законы.

Принцип реализуемости – проект должен быть построен с учетом технических возможностей проектируемой технической системы.

Принцип соответствия – в проектируемой технической системе выделяются, описываются и разрабатываются соответствующие друг другу функции и конструкции, процессы функционирования и строения технической системы.

5.2.2. Техническое творчество: его приемы

В настоящее время, время становления инновационной экономики, ин­новационного производства существенно выросла значимость изобретатель­ской деятельности. Техническому специалисту уже мало обеспечивать эф­фективный технологический процесс, все более и более необходимо вносить усовершенствования в технику и технологию, двигать научно-технический прогресс. Важнейшей работой по техническому творчеству являются труды отечественного исследователя Г. С. Альтшуллера.

Системный подход к изобретательской деятельности

Техническая реальность представляет собой совокупность больших и малых систем. Техническая система является совокупностью технических устройств, предназначенных для выполнения полезных производственных функций. Проблема стандартного нетворческого мышления заключается в том, что она имеет дело с «зауженной» картиной реальности. Если в условиях технической задачи стоит слово «пальма», то мы видим пальму не только в своем воображении, но и знакомясь с различными справочными материалами. А ведь кроме нее есть группа пальм как надсистема, и подсистема – лист, соответственно – пальмовый лист и клетка листа. Кроме того, есть не только текущее состояние пальмы, но и ее прошлое, будущее. На этих воображаемых картинах может быть объект и его противоположность; могут меняться размеры их изображений.  

Пример: нужно сделать цилиндр из 1000 тонких стеклянных отверстий диаметром 10 см и высотой 2 м. Как сделать отверстие? Необходимо перейти от объекта к его противоположности: сделать стеклянные трубки с нужными параметрами и обвести их корпусом.

 

Законы функционирования технических систем:

1. Работоспособность ее основных частей

2. Сквозной проход энергии через техническую систему к рабочему органу.

3. Согласование периодичности действий всех частей технической системы.

 

Законы развития технических систем

1. Закон: увеличение степени эффективности.

2. Закон: повышение степени динамичности технической системы

3. Закон: разрешение технических и физических противоречий.

4. Закон: переход на уровень: над-, подсистемы и в соседнюю техническую систему.

Пример. Автоматическая космическая станция должна была произвести бурение на Луне и доставить лунный керн на Землю. Для осуществления бурения необходимо осветить место для бурения под посадочным модулем. Нужна лампочка. Но эта лампочка должна выдержать 8-10 кратные перегрузки при взлете ракеты с Земли. Все попытки создать такую лампочку неизменно кончались неудачей. Что делать? Нужно перейти сначала на уровень подсистемы, т.е. обратить внимание на вакуум в стеклянной колбе лампочки, а потом перейти в систему Луны, где нет атмосферы. И тут оказалось, что естественный вакуум на Луне даже лучше вакуума в созданных на Земле лампочках.

 

Приемы решения изобретательских задач

Теория решения изобретательских задач (ТРИЗ) Г.С. Альтшуллера

В первой, простой и максимально широкой формулировке этот метод состоит из четырех шагов:

1) Прежде всего нужно представить себе ИКР (идеальный конечный результат), то есть техническую систему, которая идеально соответ­ствует условиям задачи и требованиям, которые к ней предъявляют.

2) Определить, что мешает достижению результата.

3) Выяснить, почему мешает.

4) Определить, при каких условиях не будет мешать.

 

Техническую проблемную ситуацию образуют два момента:

- имеющаяся техническая система,

- требования, которым она не удовлетворяет.

ИКР не является целью, скорее- желаемым будущим. Он задает не ре- зультат, а направление движения к результату. А вотдальше начинается самое интересное: совмещение 1 и 2 пунктов проблемной ситуации образует то, что на языке философии называется противоречием. Г.С. Альтшуллер это пре­красно понимает, и не только понимает, но и детально разрабатывает этот момент, исходную форму противоречия изобретательского творчества обра­зует административное противоречие (АП). Вас вызывает начальник и гово­рит: надо сделать то-то и то-то, а как это сделать, неизвестно. Это - конста­тация проблемной ситуации, которая Вам не дает никакой подсказки.

Рассмотрим реальную изобретательскую задачу. При выплавке чугуна в домнах образуется расплавленный шлак температурой в 1000 градусов. Его сливают в ковши на рельсовом ходу и увозят на шлакоперерабатывающие установки. Но вот беда, залитый в ковши шлак быстро охлаждается и на его поверхности появляется твердая корка. Чтобы вылить шлак из ковша, в нем пробивают два отверстия. В итоге удается слить не более 60-70-ти процентов шлака. Ковши увозят на специальные эстакады, затвердевший шлак выбива­ют из ковшей и увозят в отвалы. В общем, сплошные потери труда, времени и полезного продукта. Как резко сократить потери?

Сначала нужно перейти от АП к техническому противоречию (ТП), представляющему конфликт между частями и свойствами технической си­стемы. Примеры ТП: вес - прочность, точность - производительность и т.п. Противоположности ТП связаны друг с другом обратно пропорциональной связью: увеличивая одну из них нельзя не уменьшить другую. В рассматри­ваемой задаче два технических противоречия. ТП-1: ковш имеет крышку, корка над шлаком не образуется, но обслуживание резко замедляется; ТП-2: крышки нет, обслуживание не замедляется, но образуется корка. Главная цель технической системы - перевозка шлака, значит, важнее ТП-2, где шлак перевозится быстро, но с потерями, так как образуется корка. Место крышки занимает слой воздуха над жидким шлаком.

Следующий шаг, переход от ТП к физическому противоречию (ФП), в котором ТП конкретизируется, локализуется до пары элементов: шлак -крышка.

Формулируем ИКР-1: икс-элемент предотвращает образование кор­ки, сохраняя способность отсутствующей крышки свободно пропускать шлак при заполнении и опорожнении ковша.

Макро-ФП. Слой воздуха должен быть заполнен нетеплопроводным веществом, чтобы уменьшить охлаждение шлака, и не должен быть заполнен веществом, чтобы не мешать заливу и сливу шлака. Микро-ФП. Слой воздуха должен быть заполнен связанными друг с другом частицами, чтобы не про­ходил холодный воздух. В то же время слой воздуха не должен быть запол­нен связанными частицами, чтобы свободно проходил наливаемый и сливае­мый шлак.

ИКР-2: слой воздуха при заливке шлака должен сам превращаться в нетеплопроводное вещество, которое должно само исчезать при заливании и сливании шлака. Но как выйти на вещество со столь «волшебными» свой­ствами?

Нужно соединить качества нетеплопроводных частиц и воздуха, со­единить «пробки» и «отверстия» в единое целое. Экономичнее всего сделать это соединение из имеющегося материала: воздуха и жидкого шлака, пре­вратив их в шлаковую пену. Пену же легко создать добавлением небольшого количества воды в ковш при заливке жидкого шлака. Пена и есть вещество с требуемыми «волшебными» свойствами.

Вепольный анализ и другие приемы решения изобретательских за­дач

Техническая система - это единство вещей с характерными свойствами и взаимодействиями. Изменение материальных вещей может быть произве­дено только с помощью поля: механического, звукового, теплового,магнитного, электрического, электромагнитного, оптического. Техническую систему образуют единство минимум двух вещей и поля между ними, т.е. веполь.

Задача: на спичечной фабрике поставили высокопроизводительное оборудование, и сразу обнаружилось узкое место: укладка спичек в коробок. Во-первых, нужно укладывать одно и то же количество спичек; во-вторых, серными го­ловками в одну сторону; в-третьих, исключить из укладки спички без головок. Как ликвидировать это узкое место?

Итак, неудовлетворительно работающий веполь образуют спички, руки работников и механическое поле между ними. Из этих элементов в новыйве­поль можно перенести только спички. Значит, необходимо достроить ве­поль, а именно, заменить поле и добавить вещь, управляемую этим полем. Таким полем может быть магнитное поле и ферромагнитный порошок, до­бавляемый в зажигательный состав спичек.

Другим типом задач вепольного анализа являются задачи на разруше­ние вредного веполя. В 1919 году студенты Московского авиатехникума, спасаясь от холода в нетопленной лекционной аудитории, поставили огром­ный бак с нагреваемой водой. Бак нещадно парил и не давал заниматься. Что надо сделать?

Вредный веполь образуют вещи: бак с горячей водой, аудитория и теп­ловое поле. В полезный веполь необходимо перенести и то, и другое, и тре­тье. Плохо функционирующее место вредноговеполя располагается между поверхностью горячей воды в баке и холодным воздухом аудитории. Необ­ходимо добавить теплопроводную третью вещь, предотвращающую испаре­ние горячей воды. Такой вещью может быть, например, небольшое количе­ство машинного масла, добавленного поверх воды. Оно, растекаясь по по­верхности горячей воды, образует тонкую пленку и прекращает ее испарение.

Приемы технического творчества

1. Для борьбы с понятийной инерцией используется прием замены кон­кретно термина, ограничивающего пространство возможных решений, на неопределенное слово, например, «штуковина».

2. Оператор РВС (размер, время, стоимость), в котором каждый из эле­ментов изменяется от нуля до бесконечности.

3. Сделать наоборот.

4. Использовать изменение агрегатного состояния вещества.

5. Сделать заранее.

6. Сделать чуть меньше требуемого.

7. Соединить объекты в единую техническую систему.

8. Разделить техническую систему на части.

9. Сделать техническую систему динамичной, меняющейся.

10.Добавить ферромагнитный порошок и действовать магнитным полем.

11. Применить пену для заполнения пространства веществом, если веще­ства в этом пространстве не должно быть.