Общая схема развития ТС

СИСТЕМА ЗАКОНОВ РАЗВИТИЯ ТЕХНИКИ
(ОСНОВЫ ТЕОРИИ РАЗВИТИЯ ТЕХНИЧЕСКИХ СИСТЕМ)

4.3. Закон полноты частей системы

4.3.1. Формулировка и основные понятия.

Каждая ТС должна включать четыре части: двигатель, трансмиссию, рабочий орган и орган управления.

Для синтеза ТС необходимо наличие этих четырех частей и их минимальная пригодность к выполнению функций системы. Если хотя бы одна часть отсутствует, то это еще не ТС; если хотя бы одна не работоспособна, то ТС не "выживет".

Все первые ТС развились из орудий труда: требовалось увеличение полезной функции рабочих процессов, а человек не мог обеспечить нужную мощность. Тогда сила человека заменилась двигателем, появилась трансмиссия (связь, по которой передается энергия от двигателя на рабочий орган) и орудие труда превращалось в рабочий орган машины. А человек выполнял только роль органа управления.

Например, мотыга и человек это не ТС. Возникновение ТС связано с изобретением плуга в неолите: плуг (рабочий орган) бороздит землю, дышло (трансмиссия) припрягается к скоту (двигателю), а рукоятью плуга управляет человек (орган управления).Сначала плугом только рыхлили. Претензии внешней среды (например, параметры почвы: твердость, влажность, глубина) заставляли искать наилучшую форму плуга. Затем увеличилась потребность: для уничтожения сорняков пласт надо не только рыхлить, но и переворачивать. Изобрели отвал (косо поставленная доска, в которую упирается поднятый лемехом пласт и валится набок). Развиваясь отвал приобретает плавную выгнутую форму (полуцилиндрическую или винтовую). В 18 в. появился цельнометаллический плуг, в 20 в. - трактор и т.д.

А вот как плуг превратился в сеялку. Римские крестьяне (III в. до н.э.) уже пользовались сеялкой - прообразом многорядной сеялки Джеймса Кука, изобретенной им в 1783 г. Четыре деревянных лемеха соединялись прочной перекладиной. Глиняный воронкообразный горшок для посевного материала крепился вверху на четырех полых бамбуковых палках (трубках). Пахарь время от времени пополнял бункер зерном из наплечного мешка. Приходилось постукивать по бамбуку, чтобы внутри семена не "зависали".

Римская сеялка (III в. до н.э.), Калькутский музей техники и ремесел.

Если подробно рассмотреть процесс превращения орудий труда в рабочие органы машин, то можно выделить основные части машин: например, в водяной мельнице - двигатель (водяное колесо), передачу (зацепление) и рабочий орган (жернова). Кроме того, становится заметной одна из главных особенностей развития техники - вытеснение человека из сферы производства. Человек вытесняется из ТС в орган управления, затем ОУ также превращается из инструмента в техническую систему и человек вытесняется за ее пределы (на "второй этаж" органа управления) и т.д.

В первом издании "Детской энциклопедии" (том 5 "Техника". Издательство академии педагогических наук РСФСР, М., 1960г., с.30) приводится такая характеристика технической системы: "Машина состоит из следующих основных частей:

а) двигателя - источника механической энергии;

б) исполнительных (рабочих) органов, непосредственно выполняющих полезную работу;

в) передаточных механизмов (трансмиссий), преобразующих движение передаваемое от двигателя к рабочим органам;

г) системы управления;

д) остова (станины, корпуса, рамы), представляющих собой основание, на котором расположены все части машины".

4.3.2. Критерий определения технических систем среди других технических объектов.

Итак, ТС появляется, как только технический объект приобретает способность выполнять ГПФ без человека, т.е. когда к рабочему органу "пристраивается", вместо человека, трансмиссия и двигатель. Причем двигатель не следует путать с источником энергии (они совпадают, но не всегда) энергия может поступать извне (в том числе от человека), в двигателе она преобразуется в нужный для ТС вид.

Знание закона позволяет безошибочно определить является ли данная совокупность элементов технической системой. Например, лук - это ТС, т.к. здесь имеются в наличии РО (стрела), Тр (тетива), Дв (натянутая тетива и согнутая дуга). а человек - источник энергии и орган управления. Заметьте, что один из элементов (тетива) выполняет двойную функцию ( Тр и Дв) эта особенность ( совмещение функций) часто встречается на первом этапе развертывания ТС ( превращения в сложную систему) и на этапе свертывания ТС (далеко отстоящем от начала этапе "упрощения" системы путем замены подсистем и самой ТС "умным" веществом).

О свертывании ТС речь впереди. А пока приведем примеры частичного совмещения функций элементов ТС:
в задаче об измерении высоты пещеры шарик (Дв), нитка (Тр и РО - измеритель высоты), человек (ОУ);
в задаче о контроле целостности зуба бура бурового инструмента - сила ломающая ампулу (ОУ, "включающий" запаховое вещество), запаховое вещество (РО), поток восходящих газов (Тр и Дв), нос человека (изделие, которое "обрабатывается" рабочим органом).

Если в схему включить изделие, то получим полную принципиальную схему работающей ТС:

Пунктиром обведен состав минимальной работоспособной ТС, обеспечивающий ее жизнеспособность.

Быть управляемой - значит менять свои свойства (параметры) так, как это надо тому, кто управляет. Например, воздушный шар (аэростат) для вертикального подъема - это управляемая ТС, т.к. с помощью клапана, выпускающего газ из шара, и мешков с песком (балласта) мы можем, хотя и плохо, управлять подъемом и опусканием шара. Но стоит предъявить к шару повышенные требования - попытаться увеличить полезную функцию за счет движения по горизонтали, как шар превратится в неуправляемую ТС. Аэростат останется неуправляемым воздушным поплавком до тех пор, пока в ТС не будет введен дополнительный управляемый элемент, например, двигатель с винтом.

Рассматриваемое определение ТС шире, чем понятие веполя. Веполь - модель минимальной ТС, в которой отражается "борьба" и взаимодействие полей и веществ (этого достаточно лишь для нахождения идеи ответа). Реальные же ТС должны двигаться, обрабатывать изделия или информацию, преобразовывать энергию и т.д., поэтому при переходе от модели к "натуральной" системе требуется введение всех частей системы.

4.3.3. Примеры правильного определения частей системы.

При анализе технических систем не всегда возможно без затруднений и четко определить части системы.

Полезно при определении частей задаваться вопросами:

• что обрабатывается? - изделие,
• куда подводится энергия? - к РО,
• через что подводится энергия? - Тр,
• от чего подводится энергия? - Дв,
• источник энергии для двигателя? - ИЭ.

Пример: винтовка.

• Что обрабатывается? - пуля,
• куда подводится энергия? - пуля,
• через что подводится энергия? - ствол,
• от чего подводится? - пороховые газы,
• источник энергии? - химическая реакция (взрыв пороха).

Здесь две ошибки.

1. Неверно определено изделие. Здесь изделие вне технической системы, это мишень. Пуля - рабочий орган.
2. Неверно определена трансмиссия. Энергия на рабочий орган передается газами - это Тр и одновременно двигатель (газы преобразуют энергию взрыва в поступательное движение); ствол - часть двигателя, канализует поток газов.

Структурная схема ТС винтовка: основные части

Иерархическая структура ТС-винтовка:

Пример: шприц.

Уже при ответе на первый вопрос (что обрабатывается?) возникают затруднения:

• тело (организм) обрабатывается лекарством (жидкостью),
• жидкость выталкивается (обрабатывается) поршнем,
• игла прокалывает (обрабатывает) кожный покров.

Напомним, что каждая ТС имеет определенную ГПФ, которая отражает потребность в этой ТС. ГПФ шприца - введение лекарства (жидкости) под кожный покров.

Поэтому для более точного определения рабочего органа необходимо задавать два встречных вопроса:

Оба вопроса "замыкаются" на рабочем органе.

Что в шприце выполняет ГПФ, то есть вводит жидкость, выталкивает (обрабатывает) ее? - поршень.
К чему подводится энергия? - к поршню и далее, к жидкости.

Значит РО поршень, изделие жидкость.

Остальные части: Тр - шток, Дв - шток (выравнивает движение пальца, преобразует поступательное движение), ИЭ - рука человека, цилиндр - часть двигателя, канализует движение штока и поршня.

А как быть с иглой? - на первый взгляд это явный РО. Да, это РО, но из другой, вспомогательной системы это подсистема для прокалывания кожного покрова. Игла (РО), канюля и цилиндр (Тр) и рука человека (Дв + ИЭ) это инструмент для обработки кожного покрова (Изд). Игла, как вспомогательный элемент исчезает первой в процессе развития ТС - в инъекционном пистолете иглы нет.

Пример: настольная лампа.

Что здесь РО? Вначале определим ГПФ: освещать рабочую поверхность стола.
Что выполняет ГПФ? - свет, оптическое излучение нити накала;
Куда подводится энергия? - к нити накала и далее к свету (электромагнитному полю в видимой части спектра).
Значит РО - свет (ЭМ-поле).
Нить накала - это Тр и Дв (преобразует электрический ток в тепловую и далее в энергию излучения).
Изделие - поверхность стола. Абажур часть рабочего органа - канализует поток света.

Пример: калорифер.

Какова ГПФ этой системы? Нагрев воздуха? - Нет,
ГПФ: производство тепла (тепловое поле это РО).

Первый закон элементарен и очевиден. Любая ТС должна иметь четыре части, все части должны быть работоспособными и хотя бы одна из них хорошо управляемой. Однако при создании и совершенствовании ТС он часто нарушается.

Законы техники, к сожалению, можно нарушать, в отличие, например, от физических законов, нарушить которые невозможно при всем желании, или юридических, нарушение которых наказуемо.