В даний час відомо, за різними оцінками, від 2 до 4 тисяч фізичних ефектів (ФЕ). Цей масив інформації відкриває перед винахідником величезні можливості для створення нових систем. У тому випадку, якщо він має можливість доступу до будь-якого з цих ефектів в комп'ютерній базі даних. При сучасному рівні розвитку комп'ютерних технологій розміщення такого обсягу інформації не представляє складнощів. Проблема полягає в методі організації цієї бази даних (БД).
База даних повинна дозволяти асимілювати нові ФЕ з різних областей техніки, знаходити потрібні користувачеві ФЕ і пов'язувати їх в ланцюжки, які можуть бути покладені в основу фізичного принципу дії знову розробляється технічної системи. Однак, відомі фізичні ефекти дуже різні за вхідним і вихідним характеристикам і являють собою різні поєднання взаємодій речовин і полів.
Відомі реалізовані приклади побудови баз даних за схемою, наближеною до розуміння фізико-технічного ефекту (ФТЕ) людиною:
- - [3, 6].
Таким способом можна описати практично будь-який відомий ефект. Уніфікуючи вхідні та вихідні параметри, отримаємо можливість з'єднувати фізичні ефекти в ланцюжки, погоджуючи вихід одного опису з входом іншого.
Однак, можна підійти в проблемі створення моделі бази даних фізико-технічних ефектів з іншого боку - виявити загальні закономірності їх формування, до пошуку яких, до речі, закликав Г.С. Альтшуллер [5].
хвиль, це фізичні ефекти, а використання дзеркала у вигляді параболоїда обертання, яка щороку збирає або розсіює лінзи - це вже ФТЕ.
Матеріально-польовий аналіз Г.С. Альтшуллер запропонував як методичний прийом цілеспрямованого пошуку ресурсів і для вирішення протиріч в технічних завданнях.
У словнику російської мови поняття речовина визначається як якісна сутність матерії; то з чого складається фізичне тіло [4].
Альтшуллер Г.С. використовує цей термін в ширшому сенсі: "В вепольний аналізі (т. е. аналізі матеріально-польових структур при синтезі і перетворенні технічних систем) під" речовиною "розуміють не тільки речовина, але і технічні системи та їх частини, а іноді і зовнішню середу "[2, с. 77].
"Термін" поле "має різний зміст. У фізиці під полями розуміють такі фізичні явища, як гравітація, електромагнітні взаємодії, ядерні взаємодії. У математиці, сільському господарстві, геології, суспільного життя слово" поле "має інший зміст. Поняття поля в ТРИЗ ближче всього до фізичного, але має свої відмінні риси. Під полем в "технічному" розумінні ми будемо розуміти взаємодію між об'єктами (речовинами). ... "[1, с. 61]. Велика кількість властивостей і комбінацій взаємодії речовин і полів вимагає створення такої логічної структури БД, яка дозволяла б за рахунок комбінування відомих фізичних та геометричних ефектів синтезувати нові принципи дії технічних систем. В якості основи для опису фізичних ефектів була обрана модель, заснована на вепольний аналізі, запропонованому Г.С. Альтшуллером.
Ставилося завдання надати користувачеві інформацію, що дозволяє йому здійснити пошук матеріально-польових ресурсів для синтезу фізичного принципу дії (ФПД), за допомогою якого можна було б виконати необхідну фізичну операцію (ФО) (рис. 1).
Мал. 1. Структура формування технічного об'єкта.
Позначено: ∧ - знак кон'юнкції ( "і"); ∨ - знак диз'юнкції ( "або").
Фізична операція - це найменування виконуваних ТО або його компонентом операцій із взаємодії речовин і полів із зазначенням вхідних і вихідних величин, і дисциплинирующих умов. Фізична операція заснована на деякому фізичному принципі дії (ФПД).
ФПД - це сукупність ФТЕ, тобто законів, закономірностей і правил, що лежать в основі функціонування ТО або його компонента, що характеризується певною структурою. ФПД - використовується для формування фізичної операції (ФО).
ФЕ - це відомі з фундаментальних і прикладних наук явища, закони, закономірності. Наприклад, закони фізичного і хімічного взаємодії, принципи і закономірності, розроблені в таких науках як матеріалознавство, деталі машин, опір матеріалів, електротехніка та ін.
Під ФТЕ будемо розуміти спільна дія ФЕ, що реалізовується на певній формі тіла. Наприклад, закони відображення і заломлення
Г.С. Альтшуллер Незрозуміло яка чітких правил формування вепольний моделей, а дав лише деякі рекомендації [1, с. 91]. Тому для однієї ТС різні експерти можуть скласти різні вепольний моделі. Тоді виникає проблема, яка з них адекватно відображає модельований технічний об'єкт.
Модель повинна бути адекватна об'єкту, активізувати мислення при вирішенні задачі. Значить, вона повинна спрямовувати мислення на пошук речовин і полів, за допомогою яких можна було б виконати необхідну фізичну операцію, отримати потрібну властивість або усунути небажане явище, погана взаємодія.
Вепольний моделі, запропоновані Г.С. Альтшуллером, описують структуру взаємодії речовин і полів, не розкриваючи суті конкретного фізико-хімічного процесу, тому їх можна розглядати як вищу ступінь абстракції в порівнянні з описом фізичного принципу дії (ФПД). Високий ступінь абстрактності моделей вепольний аналізу, з одного боку, робить його універсальним, але, з іншого боку, не дозволяє описувати окремі випадки без введення додаткових уточнень.
При пошуку ресурсів Г. С. Альтшуллер запропонував використовувати наступні поля: механічне, акустичне, теплове, хімічне, електричне, магнітне, електромагнітне, а для кращого запам'ятовування цих полів ввів абревіатуру МАТХЕМ.
Але з тих пір практиками вепольний аналізу при вирішенні задач використовуються найрізноманітніші поля, аби вони описували існуюче взаємодія. Таке їх різноманітність дуже ускладнює комп'ютерну формалізацію. Для полегшення процедури необхідно класифікувати поля по будь-якою ознакою.
У загальному випадку поля можна розділити на дві групи.
Природні фізичні поля: гравітаційне, електричне, магнітне, електромагнітне. Фізичні поля можуть бути прив'язані до конкретної фізичної системі, наприклад, електромагнітне, температурне і т.д.
Абстрактні поля, що характеризують розподіл будь-яких параметрів в просторі, наприклад, швидкостей, тисків, температур та ін., Не прив'язані до фізичних систем. Абстрактні поля не прив'язані до фізичного носія і описують польові характеристики речовин і взаємодії між речовинами і полями. До них можуть бути віднесені геометричні характеристики: форма, напрямок; кінематичні характеристики: швидкість, прискорення, частотні і тимчасові параметри. Введення поняття абстрактного поля дозволяє описувати ефекти не прив'язані до конкретної фізичної системі в тих випадках, коли властивості речовини мають другорядне значення, наприклад, відображення хвиль, кінематичні ефекти (ефект Доплера, гіроскопічні ефекти і ін.).
Цей поділ певною мірою умовно. В його основу покладено властивість природних фізичних полів поширюватися без участі середовища. У той час як абстрактні поля є польовими характеристиками властивостей речовин і фізичних полів.
Багато абстрактні поля поширюються тільки в речовинах, наприклад, звукові хвилі, температура, тиск, механічні напруги. Ми мислимо цими категоріями, відволікаючись від речовин - носіїв цих властивостей.
Якщо розглядати вепольний модель як модель технічної системи, то фізичне поле, як компонент системи цілком вписується в вепольний модель, то як бути з абстрактними полями, з геометричними ефектами? Вона їх практично не відображає. А вони мають велике значення в формуванні ФПД, синергетичного ефекту.
Якщо визначити поле як простір, кожній точці якого можна поставити у відповідність деяку скалярну або векторну величину, то це поняття буде добре узгоджуватися з поняттям поля, прийнятим у фізиці і математиці.
Ми можемо впливати на системні властивості речовин, створюючи в них поля. Наприклад, для відділення твердих частинок з рідин створюють поле відцентрових сил, для підвищення ресурсу конструкцій, які перебувають під дією знакозмінних навантажень, в поверхневому шарі створюють внутрішні стискають напруги.
Поля можуть бути скалярні, наприклад, поле тисків у рідині, поле розподілу температур, концентрації одного з речовин в деякій суміші і т. Д., І векторні, наприклад, магнітне поле, поле швидкостей, прискорень і ін.
Багато властивостей речовин проявляються при взаємодії з фізичними полями, наприклад, теплопровідність, електропровідність, міцність, магнітні властивості і т. Д. Ми можемо виявити ці властивості, тільки якщо забезпечимо взаємодію речовини з відповідними полями.
Форму тіла можна, з одного боку, розглядати як деяку польову характеристику речовини і, з іншого боку - як взаємодія речовини і абстрактного поля, - форми тіла. В результаті цієї взаємодії проявляється синергетичний ефект.
Наприклад, якщо щільність речовини більше щільності води, то воно потоне, але якщо цього твердого речовини надати форму з порожниною, то воно буде плавати. Крім того, йому можна задати таку форму, яка додасть тілу остійність (рис. 2) і стійкість при русі в рідині.
Мал. 2. Форма судна надає йому остійність.
Стрижень у вигляді труби або швелера має відмінні властивості в порівнянні зі стрижнем у вигляді прутка. Труба гофрована і гладка, лист гофрований і гладкий, дріт у вигляді прямого шматка і згорнута в спіраль також відрізняються деякими властивостями, які можна використовувати для вирішення завдань.
Таким чином, форма тіла, геометричне поле - це один із засобів впливу на властивості речовин, отримання синергетичного ефекту. Форму тіла можна розглядати як накладення поля на речовину, як ресурс для вирішення завдань.
Наприклад, процеси токарної обробки, шліфування можна охарактеризувати такими польовими характеристиками як: поверхню контакту між інструментом і заготівлею; напруженнями, що виникають в поверхневому шарі, температурою, напругою і деформаціями, що виникають в тілі заготовки та інструменті.
При обробці тиском можна розглянути дві польові характеристики: інструмент створює усередині заготовки поле напруг; поверхню контакту інструмент - заготовка це теж польова характеристика.
Таким чином, взаємодія речовин може характеризуватися не одним, а кількома видами полів. Змінюючи ці поля, можна впливати на властивості досліджуваних процесів.
В роботі [1, с. 91] стверджується, що "... Веполь є мінімальною моделлю технічної системи ...", а трохи нижче зазначається, що вепольний запис - це "модель задачі".
У міркуваннях Г.С. Альтшуллера вепольний структурні моделі частіше трактуються як модель технічної системи. Опис зв'язків між речовинами і полями дається на рівні опису завдання - взаємодія: необхідне, недостатнє, небажане. Тобто дається оцінка - хороший зв'язок або погана.
Г.С. Альтшуллер розглядає тільки фізичні поля. Він стверджує що, вепольний модель відображає структуру матеріально-польових взаємодій. Але в цьому випадку матеріально-польове взаємодія відбивається тільки на рівні - є зв'язок між речовинами і полями або її немає, а характер зв'язків не розкривається.
Технічна система, як правило, складається з декількох компонентів, кожен з яких виконує певну фізичну операцію. Тому побудова вепольний моделі для всієї ТС призведе до отримання досить складної системи Веполь, яка втратить видимість.
Вепольний модель, з одного боку, можна розглядати як модель задачі, яка виділяє оперативну зону для пошуку рішень, дає певний зоровий образ, що активізує мислення, що дозволяє більш глибоко вникнути в проблему, яка розглядається і намітити шляхи пошуку матеріально-польових ресурсів.
З іншого боку, вепольний модель можна розглядати як деяку абстрактну модель фізичного принципу дії деякої фізичної операції.
У найзагальнішому випадку її доцільно представити в наступному вигляді:
Мал. 3. Узагальнена вепольний модель, де Пф - фізичне поле, Па - абстрактне поле - польова характеристика речовин В1, В2 або їх взаємодії.
Абстрактні поля часто використовуються для опису взаємодії між речовинами, наприклад, поле розподілу напружень або форма тіла. Абстрактне поле не є компонентом системи, воно тільки характеризує кількісну характеристику речовини або взаємодія між речовинами. Тому присутність абстрактного поля в моделі може орієнтувати на застосування прийому "Провести кількісні зміни у взаємодії компонентів", - змінити характер польового взаємодії, змінити форму тіла, характер його руху і т.д.
Таким чином, фізична поле можна розглядати як компонент безпосередньо бере участь у формуванні ФПД, - введення поля змінює системні властивості об'єкта. Наприклад, введення теплового, електричного, магнітного поля та ін.
Абстрактні поля характеризують взаємодії між речовинами, їх можна розглядати як зв'язок, зміна якої може призводити до зміни системних властивостей об'єкта. Модель повинна відображати суттєві сторони даного процесу (явища), а польова характеристика, - це дуже суттєва властивість, як самих речовин, так і їх взаємодій.
Вепольний модель орієнтує розробника на наступний ланцюжок міркувань: які речовини і поля можна використовувати для синтезу ФПД, якими властивостями вони повинні володіти для отримання потрібного ефекту - фізичної операції? Пошук речовин і полів починається не з перебору всіх можливих - це, практично реалізація методу проб і помилок, а з формулювання властивостей, якими вони повинні володіти.
Тому в описі фізико-технічних ефектів потрібно, перш за все, залежить властивості речовин і полів.
У фізичних ефектах використовуються властивості речовини, а речовина - це носій властивості. Тому речовина можна замінити списком властивостей, які беруть участь в описі ФЕ. Властивості, при цьому, проявляються у вигляді реакції речовини на той чи інший вплив.
Залежно від виду впливу і характеру відгуку властивості речовин можуть бути класифіковані.
У багатьох фізико-технічних ефектах можуть бути одночасно задіяні фізичні та абстрактні поля, наприклад, ефект заломлення хвиль. В цьому випадку для опису ефекту використовується як властивість речовини - показник заломлення, так і його форма - в разі лінзи. Тому в опис ФТЕ доцільно ввести поняття робочої речовини, що представляє собою поєднання властивості самої речовини і властивостей, обумовлених його геометричними характеристиками (формою, розмірами).
При розробці бази даних фізико-технічних ефектів можна виділити три прості форми взаємодії:
1. Фізичні закони - взаємодія або зв'язок між вхідним і вихідним полями, де речовина відіграє роль посередника або перетворювача:
ПФ1 → В → ПФ2
Наприклад, електричне поле (ПФ1) перетворюється в магнітне (ПФ2).
2. Фізичні залежності - зміни властивості речовини при впливі на нього фізичного поля. На виході ефекту - змінене властивість речовини В (СВ2).
Пф → В (СВ1) → В (СВ2)
де СВ1 - властивість речовини, що обумовлює його взаємодія з полем, СВ2 - зміна іншого властивості речовини.
Наприклад, при збільшенні температури терморезистора (Пф) змінюється його електричний опір - В (СВ1) → В (СВ2).
До цієї ж формі можна віднести фазові переходи, які, по суті, також є зміною властивостей речовини, тільки в різкій формі.
3. Кінематичні і геометричні ефекти, в яких істотну роль грають форма, розміри робочих тіл і їх зміни в часі. Причому, властивості речовин, що впливають на існування самого ефекту (наприклад, коефіцієнт відбивної здатності для ефекту віддзеркалення), маються на увазі за замовчуванням.
Пф → В (СВ1, Па1) → Па2,
де Па1 -полевая характеристика речовини, Па2 - зміна польової характеристики фізичного поля Пф.
Наприклад, параболічне дзеркало (В) за рахунок відбивної здатності (СВ1) і своєї форми (Па1) збирає (Па2) падаюче на нього випромінювання (Пф) незалежно від природи випромінювання.
При зміні температури тіла (Пф), змінюються його геометричні розміри і форма (Па); В (СВ1) в цьому процесі є коефіцієнтом.
У таких формах можна виразити основні ФТЕ. Більш складні відомі ефекти повинні отримуватися шляхом комбінування простих. Таким чином, з'являється можливість не тільки описувати ФТЕ, а й генерувати їх.
Висновки.
1. вепольний модель можна розглядати як абстрактну модель фізичного принципу дії (див. Рис. 3). Технічна система складається з безлічі Веполь, пов'язаних один з одним. При вирішенні приватної завдання актуалізується окремий Веполь.
2. Поля в вепольний аналізі можуть бути розділені на фізичні і абстрактні. Фізичні прив'язані до областей фізики, абстрактні описують розподіл параметрів, геометрію, тимчасові і кінематичні характеристики.
3. При пошуку речових ресурсів для вирішення завдання основним критерієм є властивість речовини реагувати певним чином на польове вплив. По властивості вибирається відповідне конкретне речовина.
4. База даних фізичних ефектів може бути створена на основі вепольний моделі. Необхідно зробити класифікацію властивостей речовин і полів, формалізувати правила побудови вепольний моделей.
Література.
1. Альтшуллер Г. С., Злотін Б. Л., Зусман А. В., Філатов В. І. Пошук нових ідей: від осяяння до технології (Теорія і практика розв'язання винахідницьких завдань). - Кишинів: Карта молдовеняске, 1989.
2. Альтшуллер Г.С. Знайти ідею. Введення в теорію рішення винахідницьких задач. - Новосибірськ: Наука, 1986.
3. Глазунов В.Н. Пошук принципів дії технічних систем. М., "Річковий транспорт", 1990..
4. Ожегов С.І. Словник російської мови. - М .: Изд-во "Російська мова", 1975.
5. Покажчик фізичних ефектів і явищ. Рукопис. Обнінськ, 1979.
6. Фоменков С.А., Колесніков С.Г. Подання фізичних знань в автоматизованому банку фізичних ефектів // Известия вузів. Машинобудування. 1998. №. 1-3.
повернення до Доповіді на конференції "MATRIZ Fest 2005"
Якщо розглядати вепольний модель як модель технічної системи, то фізичне поле, як компонент системи цілком вписується в вепольний модель, то як бути з абстрактними полями, з геометричними ефектами?
<
