ИДЕАЛЬНАЯ МАШИНА - САМОВАР

До сих пор мы различными способами обрабатывали задачу. Нам надо было правильно ее сформулировать. Если задача поставлена правильно, как мы об этом уже говорили, она наполовину решена. Но ведь нас устраивает далеко не всякое решение.

Следующая стадия алгоритма решения изобретательских задач - аналитическая. Здесь мы вплотную подошли к фундаментальному понятию методики изобретательства - идеальному конечному результату (ИКР). Итак...

Часть 3. Аналитическая стадия.

3-1. Первый шаг. Составить формулировку ИКР по следующей форме:
а) объект (взять элемент, выбранный в результате выполнения шага 2-5),
б) что делает,
в) как делает: сам (сама, само),
г) когда делает,
д) при каких обязательных условиях (обстоятельствах, ограничениях, требованиях). В чем смысл этого шага?

Обрабатывая задачу на предыдущих стадиях алгоритма, мы уточняли ее условия и, следовательно, сужали поле поиска идеи, ведущих к решению. Где-то в "поле поиска" лежат решения высших уровней (четвертого и пятого). Где же?

Решение должно приближать исходный объект к идеальной машине (какой изобретатель не мечтает об этом?) Определив, какой должна быть в каждом конкретном случае идеальная машина, изобретатель находит наиболее перспективное направление поиска. В самом деле, сразу найти решение высшего уровня невозможно. А вот указать идеальное решение можно до решения задачи. Впрочем, "идеальная машина" - довольно узкий термин. Ведь нам приходится иметь дело и с технологическими процессами, и со способами, и с рациональной организацией производства. Будем поэтому оперировать понятием "идеальный конечный результат" (ИКР). Итак, ИКР лежит в районе сильных решений.

Формулируя ИКР, не нужно знать, как этот результат достигается. Само определение "идеальный" говорит о том, что результат практически недостижим. Следует помнить, что определение ИКР имеет чисто вспомогательное значение - с его помощью мы входим в "район" сильных решений, а уж там-то, наверное, есть и наше, которое мы можем реализовать практически. Непривычно, не правда ли? В школе, институте и уж, конечно, на производстве из нас старательно выколачивали все, что связано с "идеалистическим" мышлением, да так успешно, что само слово "идеалист" в наших глазах олицетворяет некоего интеллектуального хулигана. Впрочем, для некоторых "практичных" производственников слово "изобретатель" тоже. Как тут не вспомнить полные сарказма слова известного английского ученого Дж. Гордона, назвавшего таких производственников удивительно непрактичным племенем людей, которые сами себя зовут почему-то "практиками".

Так все-таки - идеалисты ли мы? Пожалуй, если речь идет о формулировке идеального конечного результата (идеальной машины). И - нет, коль скоро мы признаем решением только тот результат, который легче внедряется в производство.

В правильной формулировке ИКР всегда есть кажущаяся невозможность, парадоксальность (крыша сама очищается от снега, трубопровод сам регулирует свое сечение, затонувший корабль сам вылезает на поверхность океана.,.) пли даже сказочность (вспомните скатерть-самобранку).

Впрочем, мы не одиноки. С нами безусловно согласится изобретатель самовара. Он рассуждал примерно так же, глядя на костер, - "пусть чайник сам себя кипятит". Отсюда недолго додуматься до идеи спрятать угли внутрь самовара - термодинамический кпд такого устройства куда как выше, особенно в условиях тогдашнего "энергетического кризиса". Что же такое - идеальная машина?

Машины развиваются не "как попало", а в определений; логической последовательности. При этом каждая машина стремится к определенному идеалу. "Идеальная машина" - это условный эталон, обладающий следующими особенностями: вес, объем и площадь объекта, с которым машина работает (т. е. транспортирует, обрабатывает и т. и.), совпадают или почти совпадают с весом, объемом и площадью самой машины. Почти - это значит, что отклонения возможны, но только в одну сторону. Например, небольшой по весу "инструмент" - заряд взрывчатого вещества, "обрабатывая изделие" - гору, направленным взрывом строит плотину. Это - хорошее исключение. К сожалению, таких примеров немного.

И еще одна особенность идеальной машины: все ее части все время выполняют полезную работу в полную меру расчетных возможностей.

Машина существует для того, чтобы работать. Между тем многие машины работают лишь периодически. Больше того, мы привыкли считать машину работающей даже в тех случаях, когда (фактически работает одна ее часть, а остальные части простаивают. Машина, перевозящая стеновые панели, простаивает при каждом рейсе сорок-пятьдесят минут. При погрузке (или разгрузке) работает только кузов машины, а двигатель и ходовая часть бездействуют. Та же автомашина в комплексе с несколькими съемными кузовами почти не теряет времени на погрузку и разгрузку: пока нагружают одни кузов, машина везет другой, а третий кузов ужо разгружается, поджидая машину на стройке.

Прогрессивными и действующими в течение долгого времени оказываются только те тенденции, которые приближают реальную машину к идеальной. Взять хотя бы такую тенденцию, как увеличение размеров единичного агрегата. На первый взгляд неясно, почему увеличение размеров приближает машину к идеальной. Но все очень просто: чем больше машина, тем обычно меньше отношение ее собственного веса (объема, площади) к тому весу (объему, площади), с которым она работает. Грузовик, перевозящий три тонны груза, весит полторы тонны. Треть мощности двигателя тратится на то, чтобы "катать" саму конструкцию. Грузовик же, рассчитанный на пятнадцатитонный груз, весит всего пять тонн. Доля "мертвого" груза значительно снижается, а именно это и приближает машину к идеальной, 140-тонный самосвал разгружается за пятнадцать секунд - это намного меньше времени, необходимого для разгрузки двадцати восьми пятитонных машин.

Вот что напечатала газета "Известия" 11 апреля 1975 года. "В Канаде разработан проект автомашины необычайно большой грузоподъемности. Новый грузовик условно назван "Титаном". Он будет настолько широким и тяжелым, что эксплуатировать его на обычных дорогах будет практически невозможно.

Расчетная длина грузовика 20,5 метра, ширина - 7,75 метра, кабина поднята над землей на 4,5 метра. Вес автомашины 250 тонн. Считается, что она сможет перевозить за один прием 600 тонн груза.

Дизельный мотор мощностью 3300 лошадиных сил будет вращать мощный генератор, ток которого поступит на четыре электромотора, приводящих в движение колеса диаметром 3,5 метра. Этот грузовик предназначается для перевозок руды на предприятиях горнодобывающей промышленности".

А в самолетостроении? Вот пример из уже упоминавшейся книги Б.Блинова "Загадочный импульс".

"У летчиков и авиационных инженеров прекрасная эмблема: крылышки и пропеллер. Это заявка на идеальный самолет. Действительно, что еще нужно надежному летательному аппарату, предназначенному для рейсов в воздушном океане?.. (Да и само слово "самолет" отдает чем-то идеальным. В свое время твердолобые "практики" упорно отказывались от него - "аэроплан" да и только. - А.С. и Г.С.).

"Стальные руки - крылья", чтобы опереться по законам аэродинамики о воздух. "Пламенный мотор", чтобы создать силу, перемещающую крылья относительно воздуха. А телу самолета - фюзеляжу - можно дать отставку.

Вопрос "Зачем самолету фюзеляж?" - не праздный... Самолеты-гиганты вовсе не прихоть инженеров, а необходимость. Мы их строим потому, что нуждаемся в транспортировке больших грузов на большие расстояния и с большими скоростями. Однако создавать сверхгрузоподъемные самолеты очень трудно. Пойдемте по, казалось бы, самому естественному пути: начнем увеличивать размеры машины. Будем делать это сначала на бумаге, с помощью цифр и соответствующих вычислении. И тут выясняется, что если самолет увеличить в два раза, то это значит, что площадь его крыла возрастет в четыре раза, а вес машины увеличится в восемь раз. Следовательно, груз, приходящийся на единицу площади крыла, увеличится вдвое. Чтобы обеспечить нужную подъемную силу, придется увеличить скорость. Это можно сделать только за счет увеличения мощности двигателя. Будем повышать мощность двигателей, но тогда возрастет их вес, а кроме того, вес необходимого для них горючего.

Значит, если решать задачу в лоб - то есть увеличивать самолет в размерах, - его полезная нагрузка будет расти все медленнее, а затем начнет падать. Такой большой самолет становится бесполезным.

Природа подтверждает это по-своему: самые большие птицы не летают - разучились! При их весе и размерах удобнее ходить и бегать по земле, а не летать".

Сказанное - яркий пример комплекса технических противоречий, о которых мы рассказывали в главе "Откуда берутся гении".

Как же Б. Блинов пытается решить задачу, ликвидируя эти технические противоречия? По его мнению, задача решается созданием самолета схемы "летающее крыло". Примерно такая схема у сверхзвуковых пассажирских лайнеров: советского ТУ-144 и англо-французского "Конкорд". Так ли уж "идеально" это решение?

А если нас устраивает скорость порядка 200 км в час? Теперь вы можете предложить подходящее решение?

Ну, конечно, дирижабль. Ему не нужно создавать подъемную силу, вся мощность двигателей пойдет лишь на создание крейсерской скорости. Нам же часто не нужна большая скорость, нам нужна грузоподъемность. Нужно ли говорить, что горючего в этом случае потребуется гораздо меньше. Не нужны и аэродромы с их гигантскими (до двух километров) взлетными полосами, достаточно лишь ангаров. Не случаен поэтому всевозрастающий интерес к дирижаблестроению в Англии, ФРГ, Франции. У нас также вынашиваются проекты использования дирижаблей в районах Сибири и Дальнего Востока, где самая острая проблема - транспортировка (грузов хватает).

В частности, газета "Лесная промышленность" напечатала сообщение, что предполагается использовать дирижабль на лесозаготовках в условиях бездорожья и в горных районах, где нецелесообразно (неэкономично) строить временные дороги для транспортировки древесины.

Да, нетрудно понять, отчего специалисты так н не смирились с "вымиранием" летательных аппаратов "легче воздуха". Ведь они обладают свойствами, которых нет у других видов воздушного, морского и наземного транспорта. Пассажира реактивного лайнера мало интересует, какую скорость развивает самолет. Счет часам ведется по времени путешествия "от двери до двери". Дорога от дома до аэропорта порой сводит на нет стремительность перелета. Современный дирижабль быстроходнее своих предшественников. Он будет разгоняться до 300 километров в час, поднявшись чуть ли не из центра города. 14-15 часов понадобится пассажиру, чтобы перенестись из Москвы в Душанбе. Сравните эти цифры с 9-11 часами, которые мы тратим на то, чтобы доехать автобусом из центра Москвы до аэропорта, пересесть на ИЛ-18, долететь до аэропорта столицы Таджикистана и вновь автобусом добраться до центра города. Потеря времени при полете на дирижабле не так уже велика, а хлопот куда меньше.

Дирижабль имеет все шансы стать идеальным пассажирским транспортом. Вот цифры. На одного пассажира воздушного корабля приходится всего 5-7 лошадиных сил вместо 210-230 у турбореактивного самолета. Вероятно, многие предпочли бы лететь на дирижабле, пусть даже в три раза медленнее, заплатив в несколько раз меньше за билет. Вспомните трансатлантические лайнеры. Скорость, с которой они пересекают океан, ничтожна по сравнению со стремительностью реактивного ИЛ-62. Тем не менее желающих совершить морское путешествие предостаточно. Еще бы - комфорт и безопасность!

Рассмотрим в качестве еще одного примера задачу о гоночном автомобиле - ее мы давали в главе "Откуда берутся гении". Речь шла о том, что гонщику очень важно видеть колеса своего автомобиля для прикидки возможности наклона на виражах. Для этого колеса вынесены за капот. Но это делает автомобиль менее обтекаемым и снижает скорость. Закрыв же колеса обтекателями, мы делаем их невидимыми для гонщика.

Итак, шаг 2-3. Дана система из колеса и обтекателя. Сквозь обтекатель не видно положение колеса.

Шаг 2-4.
а) обтекатель (элемент, который можно менять);
б) колесо (элемент, который трудно видоизменить).

К колесу автомашины предъявляется много требований, любое изменение может вступить в конфликт с этими требованиями. К обтекателю предъявляется только одно требование - сохранение определенной формы. Значит, обтекатель - в условиях данной задачи - менять легче. Шаг 2-5. Обтекатель.

Шаг 3-1. Обтекатель сам позволяет видеть колесо, когда нужно гонщику, - без ухудшения аэродинамических качеств машины.

Решение напрашивается уже на шаге 2-3. А шаг 3-1 с предельной точностью выводит на решение. Обтекатель сам пропускает лучи - следовательно, исключены все варианты с зеркалами, светопроводами и т. п. Без ухудшения аэродинамических качеств - следовательно, форму и положение обтекателя менять нельзя, дырки в обтекателе тоже нельзя делать. Остается одно - сделать обтекатель прозрачным.

Несколько практических советов по составлению формулировки ИКР. В качестве объекта нужно обязательно брать элемент, выбранный в результате выполнения шага 2-3,. иначе ход решения теряет свою последовательность. Менять объект можно лишь в случае, если решение нас не удовлетворило и мы повторяем анализ вновь с последовательным "проигрыванием" всех шагов алгоритма.

В пункте "в" шага 3-1 ужо дан ответ - "сам" ("сама", "само"). Этим обеспечивается "идеальность" формулировки. В сущности, "хорошая" формулировка ИКР или "идеальность машины" - когда машины нет, а действие совершается.

В самом деле, конструктор, получив задачу, ищет машину (устройство, механизм, приспособление), способную выполнить то, что требуется по условиям задачи. Изобретатель должен стремиться к тому, чтобы требуемое действие совершалось без машины, само собой. Вот как иллюстрирует это Б. Блинов:

"Человек, чтобы плавать быстрее, изобрел ласты. Они увеличивают скорость пловца в полтора раза. Тот же человек куда быстрее плывет в лодке. Спрашивается, почему? Ведь сила лобового сопротивления лодки в три, а то и в четыре раза больше, чем у пловца, и, кроме того, человек приводит в движение тяжелую лодку. Дело в том, что коэффициент полезного действия при гребке веслом выше, чем при гребке рукой, да и мощность, развиваемая человеком в лодке, куда больше: не менее четырех десятых лошадиной силы.

В лодке отличные условия для гребца. Тут вам и упор для ног, и сиденье для опоры туловища, и уравновешивания веса весел на уключинах! Кроме того, в работу интенсивно включаются самые мощные мышцы человека - спинные. Увы, наши руки утратили первобытную мощь! В лучшем случае они способны длительно развивать десятую долю лошадиной силы. А вот в ногах еще заключена могучая сила, превышающая силу рук раз этак в пять.

В воде тело находится во взвешенном состоянии, туловище можно ни на что не опирать, силу на это не затрачивать. Так почему же не постараться ради создания плавательного аппарата, которому ноги отдавали бы всю свою работу? Наверное, можно будет плавать быстрее лодки!..

Лодка для пловца, с точки зрения конструктора-природы, вещь излишняя, необязательная деталь, роскошь. Работать будут ноги, грести - весла, плыть - человек. Это главные элементы. Но их нужно соединить в одно. Весла-то нужно на что-то опереть, где-то укрепить уключины.

Следующее испытание показало, что человек плавать на веслах может, может легко поворачивать, согнув корпус в бок, соревноваться в скорости с лодками".

Перед заводами, выпускающими бумагоделательные машины. возникает задача: как транспортировать полый лощильный цилиндр бумагоделательной машины весом 150 тонн, диаметром 6 метров и длиной около 8 метров? При транспортировке по железной дороге груз не проходит под мостами и в туннели. Вертолету и самолету такой груз не под силу. Конечно, можно транспортировать его на барже. Но решим эту задачу по АРИЗу.

Составим формулировку ИКР: "цилиндр сам себя транспортирует".

Решение напрашивается само собой. Цилиндр - полый. Закроем его с торцов герметичными шайбами, придадим одной из них конусообразную обтекаемую форму и пустим его по реке - пусть сам себя транспортирует.

Аналогичная задача возникла при строительстве завода в Бомбее - нужно было опустить в колодец цоколь плавильной печи весом сто пять тонн.

Собственно, задача была решена без применения APИЗ. Ну, а если с применением? Мы думаем, что задача была бы решена сразу же после формулировки ИКР: "цоколь сам плавно (иначе разобьется!) укладывается в колодец".

И решение - набьем колодец доверху льдом, закатим на лед печь (это нетрудно) и оставим. Лед растает и цоколь сам спокойно встанет на свое место.

...В США изобретена гайка (патент N3789726): она изменением своей формы сама сигнализирует о достижении заданного усилия затяжки.

...Шагающая виброплита, созданная польскими инженерами, сама ходит по территории строительства и даже забирается в кузов автомобиля, если ее нужно перевезти на другой объект, - сообщает журнал "Изобретатель н рационализатор" N8 за 1975 год.

...Предложено заделывать течи в трубопроводах (патент США N3709712) путем нанесения на наружную поверхность трубы водного раствора соли металла н закачивания в полость трубы сжатого аммиака. Газ просачивается через любой дефект в трубопроводе и вступает в реакцию с солью металла. Образовавшийся твердый продукт реакции заделывает течь. Иными словами, течь сама себя заделывает.

И еще о самоваре. Те из вас, кто принял наши рассуждения о самоваре за шутку, глубоко заблуждаются. Идея, заложенная в самоваре, оказалась настолько сильной, что вошла почти без изменений в конструкцию всех современных паровых котлов. И конечно, как и любая другая. конструкция котла развивается не как попало, а в определенном направлении - к идеальной.

Дело в том, что к конструкции котла предъявляются противоречивые требования: для обеспечения прочности при повышении давления котел должен иметь шаровую или цилиндрическую форму, а эта форма дает минимальную поверхность нагрева и, следовательно, низкий термодинамический кпд. Чтобы удовлетворить этим противоречивым требованиям, пришлось сохранить цилиндрическую форму и одновременно увеличить длину цилиндра. Котел-сосуд постепенно превратился в систему труб с большой суммарной поверхностью нагрева.

Итак, по нашему мнению, стремление к идеалу - это стремление к простоте. К этому ведет нас вся история человеческого мышления.