Лекция 6 общие понятия об открытиях. Анализ технических задач

 Высшая, с точки зрения познания, ступень творчества – это открытие. По мере развития науки и техники человечество все глубже познает законы окружающего материального мира. Каждая вскрытая закономерность делает человека более сведущим, позволяет создавать новые устройства, производственные процессы, создавать более эффективные средства изучения материального мира и контроля производственных процессов.

Поскольку открытия российским законодательством никак не отмечены, то сведения о них будут изложены в соответствии с советским законодательством.

Открытием признается установление неизвестных ранее объективно существующих закономерностей, свойств и явлений материального мира, вносящих коренные изменения в уровень познания.

В определении использован ряд понятий диалектики:

- явление – это форма проявления сущности объекта материального мира (природы);

- свойство – это качественная сторона объекта материального мира;

- закономерность – существенная, устойчивая связь между явлениями или свойствами материального мира.

Открытием признается не всякое решение научной задачи, а такое, которое вносит коренные изменения в уровень познания, имеет большое значение для дальнейшего развития науки, техники и производства. Из определения вытекает, что открытие представляет собой совершенно новое научное достижение мирового масштаба.

Многие открытия содержат теоретическое обоснование закономерности или явления. Однако к обязательному признаку открытия их теоретические обоснования не относятся. Они должны быть признаны открытиями, хотя и не могут быть в данный момент теоретически объяснены. Считается достижением, если обнаруженная закономерность, явление или свойство экспериментально подтверждены. Установление закономерностей между ранее обнаруженными явлениями, свойствами, и их научное объяснение могут составить новое открытие.

Если расположить перечисленные основные формы научно-технического творчества в порядке их значимости и первоосновы для других форм творчества, то применительно к современному уровню стремительного развития науки и техники в подавляющем большинстве случаев получим такую последовательность: открытия, изобретения, рационализаторские предложения. Хотя, в принципе, не так уж и редки отступления от этой схемы, когда изобретение может натолкнуть на открытие, а рационализаторские предложения могут повлечь за собой изобретение. Тем не менее, в современном мире первоосновой научно-технического творчества все же являются открытия.

Открытия имеют огромное значение для развития науки и техники, так как всегда являются толчком для создания новых изобретений и генерирования новых технических систем.

Открытия появляются значительно реже, чем изобретения. Это вполне естественно, так как изобретения делаются по большей мере ради материального производства и других потребностей человечества, и лишь малая часть – для научных целей. У нас в стране с 1959 г. к настоящему времени зарегистрировано около 400 открытий, т.е. неизмеримо меньше, чем изобретений (свыше 2 миллионов). Всего к настоящему времени в науке известно около 5-6 тысяч научных эффектов, на которых базируются знания о природе.

 

Анализ технических задач

 Уровни изобретательских задач

В теории решения изобретательских задач принято все изобретения по их сложности делить на пять уровней.

Первый уровень составляют мелкие усовершенствования уже известных технических систем не связанные с устранением технических противоречий и лежат в пределах одной одной профессии, поэтому под силу каждому специалисту. Объект указан точно, а вариантов изменений мало. Например, по а.с.№ 854714 сплавляемые по воде бревна надо покрыть с торцов пенопластом, чтобы они не впитывали воду. Идею изобретения первого уровня можно найти, рассмотрев лишь несколько вариантов. Действительно, чем можно удалить металлическую пыль с абразивных кругов? Механическим путем металлические частицы не возьмешь, но может помочь магнит. Так и поступил автор свидетельства №662331, предложивший чистить круги сильным магнитным полем. Другой пример: дуга мешает электросварщику наблюдать за процессами, происходящими в зоне сварки. Свет дуги забивает менее яркие детали. Как быть? При такой формулировке задача без труда решается на первом уровне: надо осветить зону сварки лучом, более ярким, чем дуга.

Задачи первого уровня составляют примерно 30% от всех изобретательских задач.

Второй уровень - это изобретения, в которых простое техническое противоречие устраняется известным в данной отрасли техники способом. При этом часто меняется один из элементов системы, или даже меняется частично. В результате возникает мелкое изобретение. Задача второго уровня требует перебора нескольких десятков вариантов, что по силам любому грамотному специалисту.

Усложним задачу, введя дополнительные требования. Дуга мешает электросварщику наблюдать за процессами, происходящими в зоне сварки. Надо улучшить условия наблюдения без существенного усложнения аппаратуры и снижения производительности. В такой редакции задача сложнее. Придется перебрать несколько десятков вариантов. Отпадут, например, все предложения с введением дополнительных светильников - они усложняют оборудование. Не подойдут и предложения с периодическим отключением дуги, так как они снизят производительность. Наиболее простое решение выглядит так: устройство для защиты глаз и лица электросварщика, содержащее корпус и раму со вставленным в нее светофильтром, отличающейся тем, что с целью улучшения наблюдения за процессом сварки оно снабжено рефлектором, выполненным в виде прямоугольного сектора сферы по габаритам корпуса и фиксирующим свет от дуги на свариваемые материалы в зону расплавления (а. с. № 252549).

Изобретение первых двух уровней самые многочисленные и составляют в отечественном фонде примерно 77% патентного фонда.

Третий уровень составляют изобретения, в которых противоречие преодолевается путем полного изменения одного из элементов системы способами, известными в пределах одной науки, т.е. механическая задача решается методами механики, химическая - химии и т.д. Полностью меняется один элемент системы, другие меняются частично. Такие задачи решаются с привлечением новых веществ или полей, например, теплового, магнитного и других. Цена такого изобретения - сотни вариантов решений и сотни пустых проб.

Пример. Замена чернил в авторучках на густую пасту устранила опасность клякс. Шариковая ручка - типичное изобретение третьего уровня.

Второй пример. Винтовая пара состоящая из винта и гайки, отличающаяся тем, что с целью предупреждения износа их поверхности путем устранения между ними во время работы, винт и гайка расположены с зазором, сохраняемым во время работы, в их резьбе уложены обмотки для создания электромагнитного поля, обеспечивающие поступательное движение гайки относительно винта (а.с. №154459). Винтовая пара осталась, но она сильно изменена по сравнению с прототипом.

Третий пример. При фотографировании применяется шторка с использованием взрывного затвора. С помощью электроразряда уничтожают шторку, перекрывающую путь световому потоку. Как использовать такое устройство для киносъёмки? Ведь в данном случае требуется непрерывность, нужно снимать кадр за кадром? Каким образом быстро менять уничтоженную шторку? В данном случае можно использовать магнитное или электромагнитное поле, а шторку делать из мелкого магнитного порошка.

Четвёртый пример. При сборке тяжелых многоопорных шарошечных долот на беговые дорожки опор с помощью консистентных смазок «наклеивают» ролики и шарики и одевают шарошки. В образовавшееся заранее предусмотренное тороидообразное пространство замкового подшипника, образованное наполовину опорой, наполовину шарошкой, засыпают шарики необходимого размера, в отверстие вставляют заглушку, а её снаружи заваривают. В настоящее время клеющую функцию консистентной смазки выполняет магнитное поле.

Пятый пример. По трубе движется газ или жидкость. Как, не вскрывая трубу определить направление потока? Решение нашли в том, что, нагревая трубу в одной точке, замеряют температуру поверхности трубы в других точках слева и справа от места нагрева. Направление потока будет в сторону точки замера, где температура выше.

Четвертый уровень изобретений - это крупные идеи, на основе которых создаются новые технические системы. В задачах четвёртого уровня возникающие противоречия устраняются средствами, подчас далеко выходящими за пределы науки, к которой относится задача (задача механики решается химически или с применением гидравлики и аэродинамики). В итоге рождается крупное изобретение.

Например, в К. Шиловский 1914 г. предложил идею гидролокатора. Появилась совершенно новая техническая система. Аналогично обстоит дело с радиолокацией воздушных объектов, ультразвуковым измерением пространственного положения скважин и т. д. Примером изобретения четвёртого уровня может служить новый способ контроля износа двигателя. Раньше контроль вели периодически по пробам масла путём определения в них металлических частиц. По а.с. № 260249 в масло предложено добавлять люминофоры и изменению свечения (мелкие частицы металла гасят свечение) непрерывно контролировать концентрацию частиц металла. Исходный способ изменён полностью. К этому же классу относится судно на подводных крыльях. Здесь использованы известные законы аэродинамики, что привело к появлению новых разделов гидродинамики и новых транспортных средств; Подобный пример связан с появлением судна на воздушной подушке или турбопоезд института Лайнга (ФРГ).

► Турбопоезд Лайнга использует в качестве средства движения воду. Тоннель турбопоезда заполнен разреженными водяными парами. Водяные пары, имея большую плотность, чем разреженный воздух, отдаляют звуковой барьер на 30 %. В результате на максимальной скорости (около 800 км/час) сопротивление движению уменьшается. Опорой поезду служит полый рельс и направляющие башмаки на водяной смазке. Трение настолько мало, что 300-тонный поезд с выключенными на скорости 100 км/час двигателем проходит по инерции 1200 км. Двигателем служит турбина, лопатки которой расположены на поезде, а направляющие сопла, подающие воду, - на донной стенке тоннеля. Коэффициент полезного действия турбины около 95%. Торможение и разгон производятся возле станций, с рекуперацией энергии. За 12 км до станции на дне тоннеля начинается тормозной желоб с водой. Трубка, спущенная с поезда в желоб, тормозит поезд, забирает воду и подаёт её в бак, сжимая находящийся в нём газ. Газ нагревается и передаёт тепло в тепловой аккумулятор. При разгоне энергия передаётся в обратном порядке воде, создавая тягу. Энергетически такой поезд очень выгоден: затраты энергии на 1000 км меньше, чем у самолёта в 24,6 раз, чем у поезда на магнитной подушке в 14,8 раз, чем у обычного поезда - в 1,7 раза. (см. Патурн Ф.Р. Зодчие XXI века. М.: Прогресс, 1979 г.).

В этих случаях синтезируется новая техническая система. Поскольку эта система не содержит технических противоречий, то создаётся впечатление, что изобретение сделано без преодоления противоречия. На самом деле ТП имеется всегда, но оно относится к прототипу - к старой технической системе. В задачах четвёртого уровня противоречия устраняются средствами, подчас далеко выходящими за пределы науки, к которой относится задача (например, механическая задача решается химическим путём).

Цена решения задачи четвёртого уровня - тысячи и десятки тысяч вариантов.

Пятый уровень - это изобретения, следующие непосредственно за новыми открытиями. Поэтому они, как правило, пионерские В результате их возникновения создаются новые отрасли в науке и технике.

К этому уровню технических задач можно отнести создание самолёта, радио и радиотехники, телевидения, атомного реактора, автомобиля, киносъемки, полупроводниковых приборов (транзистора, диода и т.д.), ЭВЦ лазера и квантовой электроники, голографии, теории сверхпроводимости и т.д.

Или такой пример. «Применение монокристаллов сплавов медь алюминий-никель и медь-алюминий-марганец в качестве твердого рабочего тела для преобразования тепловой энергии в механическую путем изменения его упругих свойств при колебании температуры» (а. с. № 412397). В принципе известно что твердые тела меняют свои свойства при изменении температуры Но веществ, которые сильно меняют свойства при небольших перепадах температуры известно мало. Обнаружение или получение таких веществ — это уже нечто граничащее с открытием. Новые вещества — преобразователи можно использовать при решении самых различных изобретательских задач (создание тепловых двигателей, различных измерительных приборов и т. д.).

> Квантовая электроника - область физики, изучающая проблемы генерации, усиления и преобразования частоты электромагнитных волн радио - и оптических диапазонов на основе использования явления индуцированного излучения.

Условия задачи пятого уровня обычно не содержат прямых указаний на противоречие. Поскольку системы-прототипа нет, то нет присущих этой системе противоречий. Противоречия возникают в процессе синтеза I принципиально новой системы. Так, при создании самолёта пришлось преодолевать множество противоречий: большая площадь крыльев — больший вес самолёта, меньшая жесткость конструкции и т.д. Потребовалось создание принципиально новых материалов.

Совершенно аналогичное явление можно наблюдать на современном примере. Нужно предложить подземоход, способный передвигаться в земной коре со скоростью 10 км/час при запасе хода в несколько десятков км. Здесь средства решения лежат за пределами современной науки. Решение задачи, возможно, создаст новую техническую систему' - глубинный транспорт. Условия задачи пятого уровня обычно не содержат указаний на какие-то противоречия, поскольку системы - прототипа нет. Противоречия возникнуть в процессе создания новой системы. Предположим, решено обеспечить продвижение подземохода путём расплавлением пород. Сразу образуется клубок проблем и противоречий, связанных с получением и расходом энергии, удалением породы, защитой самой техники и т.д.

Прошедшее столетие демонстрирует резко возросший темп освоения новых технических новинок и технологий. На рис. 1.6 приведены графики из книги Б. Гейтса и журнала «Forbes» [6], где показано насколько стремительно входят в жизнь персональные компьютеры и Internet в сравнении с технологиями начала и середины XX века.

 

Из приведенных графиков следует, что внедрение компьютеров и компьютерных технологий идет быстрее, чем распространялись по миру электричество, автомобили, телевидение и радио. Очевидно, в приведенных графиках отразилась определенная закономерность, которая, прежде всего, указывает на ускорение темпа индустриального и технологического развития современного общества.

На рис. 1.7 дано изменение эффективности изобретений по уровням. Внедрение изобретений требует затрат и поэтому, как правило, в начальный период изобретение убыточно. Особенно больших затрат требуют изобретения самого высокого уровня. Мелкие изобретения дают прибыль практически сразу. При этом общий уровень прибыли, при условии внедрения изобретений, сопоставим с масштабом изобретения. В ряде случаев нужно учитывать возможный тираж изделий (продукции), выполненных с использованием изобретения.

Пример. Крупные изобретения - лазер, телевизор, компьютер. Это пример рождения новых технических систем, потребность в которых максимальна, а соответственно прибыль, - колоссальна.

Мелкое изобретение также способно дать существенную прибыль, но только за счет тиража. Например, сотрудники института сварки им. Е.О.Патона заменили пайку одного конца лампы сваркой. Экономия - мг припоя на одну лампу, но поскольку лампы имеют огромный тираж, экономия составила около 1 млн. долларов. Затрат на его внедрение было сделано значительно меньше.

В соответствии с графиками на рис.1.7 можно предложит универсальный

критерий оценки эффектив­ности изобретений различного уровня [20]

- удельную эффективность изобретения

U _и = э/т,

где Э — эффект от

использования изобретения за определенный промежуток времени Т, начиная от даты регистрации изобретения.

Приведенная формула не учитывает аспекты, связанные с проблемами организации и внедрения изобретений, а потому имеет, сугубо теоретический характер.

Итак, в задачах первого уровня объект (устройство или способ)не меняется. На втором уровне объект меняется, но не сильно. На третьем уровне — меняется сильно, на четвертом меняется полностью, а на пятом меняется вся техническая система, в которую входит объект.

Решение задачи первого уровня требует перебора нескольких очевидных вариантов. Это доступно каждому инженеру, и подобные задачи повсеместно решаются без затруднений, хотя и не всегда оформляются в виде заявок на изобретения. На втором уровне число вариантов измеряется уже десятками. Перебрать 50...70 вариантов в принципе способен каждый инженер, но требуется настойчивость и терпение, уверенность в решаемости задачи. Правильное решение задач третьего уровня прячется среди сотен неправильных. На четвертом уровне нужно сделать тысячи и десятки тысяч проб и ошибок, чтобы отыскать решение. Наконец, на пятом уровне число проб и ошибок возрастает до сотен тысяч и миллионов.

Между задачами низших и высших уровней существует и качественная разница. Задачи первого уровня и средства их решения находятся в пределах одной узкой специальности. Задачи второго уровня и средства их решения относятся к одной отрасли техники. Решение задач третьего уровня приходится искать в других отраслях, а 4-го уровня - не в технике, а в науке, обычно среди мало применяемых физических и химических эффектов и явлений. На высших подуровнях задач 5-го уровня средства решения могут вообще оказаться за пределами современной науки; поэтому нужно сначала сделать открытие, а потом, опираясь на новые научные данные, решать изобретательскую задачу.

Научно-техническая революция требует, чтобы задачи высших уровней решались во все более короткие сроки. Увеличением числа работников задача не всегда решается, да и люди отвлекаются от других дел. Поэтому нужен способ перевода изобретательских задач с высших уровней на низшие. Вся проблема в том, чтобы уметь быстро сужать поисковое поле, превращая «трудную» задачу в «легкую», задачу пятого или четвертого уровня в задачу второго или первого уровня.