Учебник по ТРИЗ

5. Вещественно-полевые ресурсы

Гасанов А.И.

Вспомним легенды древних греков о подвигах Геракла. В одной из них он пообещал царю Элиды Авгию очистить его огромные и сильно загрязненные конюшни, причем, сделать это собирался за один день. Выполнить эту работу вручную обычными способами было не по силам даже такому гиганту, как Геракл. Но он поступил по?изобретательски: нашел такие силы, которые помогли сдержать данное Авгию слово: разобрал стены конюшни и направил в них воды рек Алфея и Пенея, которые смыли все нечистоты, накопившиеся в конюшнях за долгие годы.

Как же охарактеризовать действия Геракла, a точнее тот прием, который он использовал для решения поставленной задачи? Сейчас мы сказали бы, что древнегреческий герой использовал мощный энергетический и вещественный ресурс, имевшийся в окружающей среде.

А вот пример отнюдь не из мифологии. Теплой водой в коровнике ополаскивают доильное оборудование. Водой горячее (40°С) проводят санитарную обработку животных перед дойкой, а шестидесятиградусной - моют оборудование. Теплая и горячая вода поступает в коровник из котельной, работающей на жидком, твердом или газообразном топливе. От этой же котельной работает и агрегат для охлаждения парного молока. На охлаждение каждой тонны молока и нагрев воды расходуется почти 5 кг условного топлива. Но ведь парное молоко само имеет температуру 35°С! Оказывается, теплоты парного молока вполне достаточно для приготовления не только теплой, но и горячей воды. Нужна лишь дополнительная специальная установка, которая и была разработана рядом институтов сельскохозяйственного машиностроения.

Если в примере с Гераклом использована энергия рек, т. е. ресурсы внешней среды, то в данном примере энергия для вспомогательных операций получена утилизацией теплоты самого главного продукта производства, который так или иначе все равно надо охлаждать. Теплота охлаждаемого молока как раз и есть ресурс для нагрева воды.

Мы уже не раз использовали термин "ресурс". Согласно толковому словарю, ресурс - это запас, накопление, возможности. Мы же далее будем понимать этот термин более широко: ресурс - это все, что без особых затрат может быть использовано во благо системы, для ее совершенствования.

Сам термин "вещественно-полевые ресурсы" впервые появился в тексте АРИЗ-85В. Однако очень скоро стало ясно, что понятие "вещественно-полевые ресурсы" (ВПР) - одно из фундаментальных понятий ТРИЗ, такое же, как уже знакомые нам противоречие, ИКР, веполь.

При решении задач по АРИЗ на этапе синтеза технического решения возникает необходимость в исходной модели задачи провести некоторые преобразования: ввести новые вещества и поля, либо изменить поля и вещества уже существующие в системе. Такие трансформации могут носить как физический характер (например, изменение агрегатного или фазового состояния веществ), так и быть изменениями характеристик пространственной структуры оперативной зоны объекта, в котором реализуется конфликт между его частями. Необходимые же преобразования в оперативной зоне по АРИЗ требуется совершить по отношению к некоторому икс-элементу, характер которого до поры, до времени неизвестен, а возможная его структура как раз и должна быть выявлена в процессе анализа задачи по шагам.

Анализ большого патентного материала, который, как и во всех других случаях, является основным исследовательским материалом в ТРИЗ, позволил разработать классификацию ВПР, существенно упрощающую работу с этим инструментом при решении изобретательских задач. Можно выделить следующие основные характеристики ресурсов: вид, количество, ценность, степень готовности к применению, источник.

По видам ресурсы можно разделить на энергетические, вещественные, пространственные, временные, функциональные, информационные, комбинированные.

К энергетическим ресурсам относятся все известные нам виды энергии и полей (электрические, электромагнитные, тепловые поля и т. д.), которые не подводятся к системе и не вырабатываются специально, а уже имеются в совершенствуемой системе или во внешней среде.

Приведем примеры:

Многие садоводы-любители для борьбы с вредителями пользуются опрыскивателем. Чаще всего в качестве энергетической установки при этом выступает сам человек, нагнетая давление в баллон с жидкостью. Точно так же поступает и автомобилист, накачивая шину колеса, хотя наверняка можно для этой цели приспособить и двигатель автомобиля.

Кстати, автомобиль, как источник разных, часто пока неиспользованных, видов энергии может быть объектом для поиска ВПР. Например, известно, что выхлопные газы выносят в атмосферу не только пары воды, диоксид углерода (углекислый газ) и некоторые вредные составляющие, но и неиспользованную тепловую и механическую энергию. Эту энергию можно заставить работать. Достаточно по специальным каналам направить выхлопные газы к турбинке и раскрутитъ ее до нескольких тысяч оборотов в минуту. Та, в свою очередь, приведет в действие небольшой воздушный компрессор, создающий дополнительное давление в воздухозаборнике, что и повысит мощность двигателя. Именно так и поступают при создании современных автомобилей с турбонаддувом.

Но выхлопные газы могут не только усиливать наддув двигателя, они способны подсушивать перевозимые грузы, перемешивать их. Могут они натянуть над автомобилем защитный тент, защитив и сам автомобиль и водителя от атмосферных осадков.

Под вещественными ресурсами будем понимать все материальные тела, которые есть в системе, надсистеме или внешней среде. Вот несколько примеров.

Для восстановления размеров деталей, например, изношенных венцов больших зубчатых колес экскаваторов, их помещают в специальную форму и с огромной силой сжимают нерабочие части венцов. Металл из этих частей выдавливается в зубцы, увеличивая их размеры. Затем лишний металл с контактных поверхностей зубчатых колес сошлифовывают. Практически также предложил поступать изобретатель Л.К. Нагорный при изготовлении составных прокатных валков: цилиндрическую гильзу надевают на ось с зазором, а затем ось сжимают с торцов, чтобы заполнить зазор. Вещественным ресурсом здесь является материал оси; изготовление валков значительно упрощается, поскольку не нужна точная обработка посадочных поверхностей (а.с. 833347).

Существенным для поиска вещественных ресурсов в системе является то, что вещества представляют собой многоуровневую иерархическую структуру, простирающуюся от элементарных частиц, через атомы, молекулы, их ассоциации, кристаллическую решетку к простейшим техновеществам (проволока, лист, шарик и т. д.), к объединению в ассоциации обработанных техновеществ, составляющих технические системы высокого уровня организации. Отсюда же ясно, что новое вещество в системе может быть получено как разрушением более крупной системы, например, разложением воды на молекулы водорода и кислорода, так и объединением уже существующих частиц более низкого уровня. При этом выгоднее разрушать "целые" частицы (молекулы, атомы), поскольку нецелые частицы (например, ионы) уже частично разрушены и сопротивляются дальнейшему разрушению. Достраивать же, наоборот, выгоднее нецелые частицы, стремящиеся к восстановлению

Под пространственными ресурсами будем понимать свободное пространство, "пустоту", которую можно использовать для изменения исходной системы или для повышения эффективности ее эксплуатации.

Во многих регионах мира, расположенных на берегах морей и океанов, возникают большие проблемы с питьевой водой. Воды рядом много, но использовать ее нельзя - она соленая! Необходимо не только создавать мощные опреснительные установки, но и строить большие хранилища для пресной воды. Швед К. Дункер предложил для хранения дождевой и питьевой воды использовать гигантские плавающие резервуары, представляющие собой не имеющие дна пластиковые контейнеры, нижний край которых с помощью грузил удерживается в вертикальном положении. Пресная вода (имеющая меньшую плотность) держится поверх соленой, не смешиваясь с ней. Чтобы избежать испарения пресной воды, предусматривается пластиковое же покрытие. Создание хранилищ такого объема на берегу было бы значительно сложнее и менее экономично.

Интересный пространственный ресурс нашли английские авиаторы. На взлетно-посадочной полосе, конструкцию которой запатентовали английские инженеры, готовят для взлета сразу несколько самолетов. Казалось бы, что это опасно. Однако разбегаться они будут по слегка искривленным (веерообразным) дорожкам длиной 600 - 900 м, а затем выходить на прямые участки и взлетать.

Ярким примером использования пространственного ресурса являются приемы перехода в другое измерение. В ряде стран уже широко практикуется не горизонтальное огородничество, а вертикальное, когда делянки с разными культурами в зависимости от степени развития растения размещают в вертикальной плоскости. При этом значительно облегчается уход за ними. Довольно близка к этому и идея использования крыш домов для устройства теплиц: и солнца, и воздуха - в достатке.

Мы часто говорим, что живем в пространстве и времени. Логично предположить, что помимо пространственных ресурсов, должны существовать и временные ресурсы. Что же можно к ним отнести? Это, во-первых, время до начала некоторого главного производственного процесса, и, во-вторых, промежутки между отдельными этапами производственного процесса. И те, и другие временные отрезки могут быть использованы для улучшения основного функционирования системы.

Пример на использование временного ресурса: если совместить процесс прокатки рельсов с их закалкой, то можно резко сократить расходы теплоты на повторный нагрев металла, необходимый для закалки.

Еще пример из другой отрасли.

Создан универсальный автомобильный разгрузчик. Он может многое: загружать семенами разные посевные агрегаты, смешивать удобрения, обслуживать картофелесажалки и, что особенно важно для сельского хозяйства, не имеет сезонных простоев. Летом разгрузчик используют на технологических операциях, а зимой - для вывоза сыпучих грузов.

Последний пример характеризует рациональный подход к проектированию техники, позволяющий ликвидировать ее простои за счет увеличения выполняемых ею функций.

Функциональные ресурсы. Это, по-видимому, возможность использовать известную функцию объекта по иному назначению, либо выявление новой функции в системе. Сюда же можно отнести и возможность системы выполнять по совместительству дополнительные функции после некоторых изменений. Приведем примеры таких ресурсов.

Для борьбы со сливной стружкой используют самые разнообразные способы - от стружколомающих канавок на резцах до механизмов мелкого трясения деталей станка. А вот изобретатели из Нижегородского технического университета предложили дробить стружку струей уже работающей в станке охлаждающей жидкости, создавая в ней импульсы давления с частотой в несколько десятков герц и давлением 5 - 15 МПа (а.с. 986600).

Но, как выясняется, этим не ограничиваются "изобретательские" возможности охлаждающей жидкости. Оказалось, что с легкой руки изобретателя Э. К. Асташенко она может сигнализировать и о поломке режущего инструмента (а. с. 776760). Струя, если инструмент сломался, стекает в небольшой резервуар на коромысле и, переполняя его, как чашу весов, другим концом коромысла выключает станок.

Перейдем к рассмотрению информационных ресурсов. Совершенно очевидно, что потребность в информационных ресурсах обычно возникает в задачах на разделение, обнаружение, измерение. Поэтому информационные ресурсы - это данные о параметрах вещества, полей, изменения свойств или параметров объекта. При этом, чем больше мы обнаружим отличий одного вещества от другого, тем эффективнее может оказаться их разделение. Вещества различают по разным параметрам: размерам, твердости, отражательной и преломляющей способности света, по магнитным, электрическим, химическим, биологическим и другим свойствам. Если различия в параметрах малы, то их усиливают, подвергая вещества воздействиям, при которых отличия увеличиваются.

Рассмотрим ряд решений, использующих информационные ресурсы.

Созрел ли арбуз? Эта задача имеет народнохозяйственное значение: не имея надежных приборов и методов, приходится "на авось" перевозить многие тонны ненужного покупателю груза. Однако, специалисты провели серию опытов и выявили, что имеется четкая связь: чем тверже корка, тем арбуз более зрелый. Дело за малым - сконструировать надежный и компактный прибор, удобный для работы на бахче. Для определения твердости металлов такие приборы давно существуют - в поверхность металла с определенной силой вдавливают шарик и затем измеряют диаметр отпечатка, характеризующий твердость. Вряд ли это будет удобно для нашей задачи. А нет ли у арбуза какого-либо другого свойства, позволяющего проще решить задачу? Оказывается есть! В. В. Чаленко и Н. Е. Руденко из научно-исследовательского института орошаемого овощеводства и бахчеводства предложили судить о степени зрелости арбуза по его электросопротивлению.

Также по различию свойств материалов, а точнее, по спектру издаваемых звуков, предложено определять правильность загрузки измельчаемых компонентов в мельницу (а. с. 400365). А вот новый способ диагностики ишемической болезни сердца использует разную степень поглощения ультразвука эритроцитами крови у больных и здоровых людей (а. с. 1126288).

Еще один интересный пример: по информации о параметрах стали, оцененных еще при выплавке с помощью математической обработки на ЭВМ, делают прогноз качества прокатанного из нее металлического листа.

До сих пор мы рассматривали только одиночные ресурсы. Однако, как и простые приемы решения изобретательских задач имеют тенденцию к объединению, так и ресурсы стремятся комбинироваться.

Идея выращивания корма непосредственно в животноводческих помещениях очень привлекательна и находит много поклонников. И. С. Крашаков предложил животноводческую ферму, связанную системой вентиляции с теплицей для выращивания зеленого корма, снабдить камерой для биологической обработки навоза. В этом случае навоз можно использовать и в качестве удобрения, и для дополнительного обогрева помещения теплотой, выделяющейся при его переработке. Биогаз, Вырабатывающийся при этом вырабатывающийся при этом, может быть использован как в двигательных установках, так и для освещения.

В Гипроцветмете разработана установка для комплексной очистки сточных вод от органических веществ, масел, шламов и различных взвесей. В этой установке стоки сначала превращают в газо-водяную пену, а затем сжигают. При этом теплоту отходящих газов используют при подготовке стоков и при очистке, что значительно снижает энергоемкость процессов.

Теперь рассмотрим основные характеристики ВПР. Как уже отмечалось выше, их различают:

по виду: вещественные, энергетические, информационные, пространственные, временные, функциональные, комбинированные;

количеству: неограниченные, достаточные, недостаточные;

ценности для системы-источника: вредные, нейтральные, полезные;

степени готовности к применению: готовые к применению, требующие модификации или разрушения (производные) путем использования различных физических, химических и геометрических эффектов;

источникам, откуда ресурс может быть получен: из самой системы и ее подсистем; из надсистемы и соседних систем; из внешней среды; из "чужих" систем.

Рассматривая ресурсы, целесообразно особо выделить такой из них, как пустота. Пустота в зависимости от условий задачи может приобретать свойства как пространства, так и вещества. Ценность этого ресурса заключается в том, что он часто имеется в неограниченном количестве, предельно дешев, легко "смешивается" с веществами, образуя полые, пористые, ячеистые структуры, изменяя при этом свойства смесей в очень широких пределах. Пустота позволяет легко менять физические, адгезионные и адсорбционные, электрические и магнитные свойства материалов и т. д.

Пустота - не обязательно вакуум. Если вещество твердое, пустота в нем может быть заполнена жидкостью, газом; в жидкостях она обычно находится в виде пузырей газа (пара).

В технике одним из первых ресурсосберегающих мероприятий явилось применение фасонных, трубчатых, коробчатых и подобных им конструкций. Использование в них пустоты позволило достичь большой экономии материала без существенных потерь прочности, разработать разнообразные легкие многослойные и ячеистые материалы.

Пустота внедряется даже в конструкциях, где нужна, казалось бы, особая прочность и массивность.

Изобретатель О.В. Соловьев предложил сделать полыми такие высоконагруженные детали, как шарики и ролики подшипников, их кольца и сепараторы, детали зубчатого зацепления, шестерни, колеса, червяки, элементы крепежных соединений - болты, гайки, винты и др. Свою статью в № 4 за 1989 г. "Изобретатель и рационализатор" он назвал: "Достоинства пустоты". В чем же эти достоинства?

Дело в том, что формы контактирующих поверхностей небезупречны и их не удается улучшить в результате обработки. Это сказывается на долговечности изделий: из-за повышенных нерасчетных контактных напряжений происходит разрушение металла в виде выкрашивания либо повышенного износа, что увеличивает первоначальный (монтажный) зазор в контакте. А поскольку все рассматриваемые детали обычно массивны, возникают дополнительные ударные или вибрационные нагрузки, которые усиливают разрушение, как самой зоны контакта, так и всей машины в целом.

Введение же пустоты (изготовление элементов детали полыми) не только уменьшает массивность детали, но и придает ей свойство податливости, упругости и динамичности. Меняются формы и размеры контактирующих поверхностей. Зубцы теперь контактируют не по отдельным точкам или линиям, что имеет место в монолитных конструкциях, а по отдельным или слитным площадкам. Резко снижаются удельные напряжения в металле, существенно повышается контактная выносливость, износостойкость. Динамизация системы приводит к реализации принципа перехода в другое измерение: после того, как все-таки "сработаются" поверхностные слои металла на рабочих поверхностях, они приобретают такой взаимный контакт, который невозможно получить сейчас никакими механическими способами обработки. Интенсивность износа падает до минимального значения.

До сих пор мы рассматривали макропустоту. Но пустота может быть ресурсом и на микроуровне. Например, для кристаллической решетки это пространство между узлами, в которых находятся атомы вещества. В этот промежуток могут быть внедрены атомы другого вещества. На этом основаны многие виды технологий, такие как легирование металлов и сплавов другими металлами или упрочнение отдельных, например, поверхностных слоев деталей и конструкций (борирование, нитрирование, науглероживание сталей и т. д.). Таким способом можно в широких пределах менять свойства материалов.

Комбинируясь с другими веществами, пустота может образовывать комплексные вещества, приобретающие при этом новые свойства и возможности применения. Остановимся поэтому на некоторых из них.

С пеной связано множество легенд. В мифах древних греков рассказывается, как из морской пены родилась богиня любви и красоты Афродита. Вряд ли такой способ рождения богини был случаен. Древние греки предвосхитили много современных научных гипотез, научных истин. Так, в наше время бытует точка зрения, что пена сыграла определенную роль в возникновении жизни на Земле (Джон Бернал, академик А.И. Опарин).

В соответствии с ней, на поверхности мирового океана, под действием солнечных лучей в пене возникли и накопились органические соединения, давшие начало простейшим формам живого вещества, живой материи.

И в современной жизни практически нет такой сферы человеческой деятельности, в которой не нашлось бы применение пены: от космической техники до очистки отходов производства и сточных вод; а есть целые отрасли промышленности, в основе которых имеют место различного рода процессы, связанные с пенообразованием. Этим и объясняется исключительный интерес к теории и практике создания и использования пены.

Рассмотрим примеры ее применения.

В декабре 1968 г. в гавани города Эль-Кувейта затопило судно с большим числом овец на борту. Для подъема судна, с учетом сложившихся условий, необходимо было полгода. За это время трупы овец вызвали бы заражение воды в гавани и в городе, могла возникнуть эпидемия.

Выход из положения предложил датчанин К. Кройер. По его совету изготовили срочно и закачали внутрь судна 200 т полистирольных крупинок, состоящих на 98 % из воздуха. Пена вытеснила воду, закупорила мелкие отверстия, судно благополучно всплыло на поверхность. Что интересно в этом решении?

Идеально, чтобы судно само всплыло. Для этого есть практически только один ресурс - его внутренний объем. Но он заполнен водой. Нужно вещество, которое создало бы подъемную силу, причем вещество легкое. Конечно, лучшими могут быть вакуум или воздух. Создание вакуума в земных условиях всегда требует затрат энергии, а воздух - это неограниченный ресурс. Тем не менее, воздух сам по себе невозможно применить: закачиваемый, он тут же будет уходить через отверстия. Таким образом, должен быть воздух, т. к. он по всему нам подходит лучшим образом, и должен быть не воздух, т. к. он не удерживается внутри корпуса судна. Нужен видоизмененный воздух, нужна пена.

С давних времен человеком замечено, что для теплоизоляции хороша пустота в виде прослойки воздуха. В наших квартирах, кстати, этот принцип реализован в виде двойного и даже тройного остекления окон. Но всегда ли воздушная прослойка является наилучшим решением? Если немного поразмыслить о природе теплопередачи, то окажется, что этот принцип можно улучшить. Дело же здесь в том, что часть тепла переносится за счет конвекции, то есть всплывания теплого воздуха как более легкого, отсюда вывод: надо это всплывание прервать. Вот пена как раз это и делает, оказываясь лучшим исполнителем роли теплоизолятора.

Похожая ситуация и в случае со звукоизоляцией. Каждая стеночка вещества, образующего оболочку пены, многократно отражает звуковую волну, поглощает и превращает в тепло ее энергию, не позволяя вырваться наружу звуку. До сих пор мы рассматривали комбинированное вещество в виде пены. Чем оно было характерно? А тем, что пустота в ней образует замкнутые полости. Рассмотрим твердые пены и зададимся вопросом: а что будет, если вместо замкнутых полостей возникнут сквозные каналы; не будет ли такое вещество обладать какими-либо интересными свойствами? И действительно, такое вещество не только возможно, но и окружает нас повсюду. Это так называемые капиллярно-пористые материалы (КПМ). Простейшими примерами такого вещества является промокательная бумага, резиновая губка.

Но чтобы КПМ выполняла свое назначение, а в данных примерах речь идет о способности интенсивно впитывать жидкости, она должна иметь как можно более тонкие каналы-капилляры, только в этом случае поверхностное натяжение жидкости позволит ей самопроизвольно втягиваться в эти каналы.

Способность КПМ "захватывать" вещества может быть использована для соединения объектов. Предположим, к слитку надо прикрепить пластину с маркировкой. Для этого пластину, одна сторона которой пористая, кладут на дно платформы. После затвердевания металла пластина надежно скрепится со слитком.

Возникает вопрос, где и в какой последовательности следует вести поиск, а затем и рассмотрение ресурсов? В ТРИЗ принят следующий порядок, позволяющий получить результат при минимальном расходе ВПР:

• ВПР инструмента;
• ВПР внешней среды;
• побочные ВПР;
• ВПР изделия, если нет запрета на его изменение.

В этом последнем случае надо иметь в виду, что, как правило, изделие - неизменяемый элемент. Исключения возникают тогда, когда изделие может:

• изменяться само;
• допускать расходование какой-то части, когда его в целом неограниченно много;
• допускать переход в надсистему;
• допускать использование микроуровневых структур;
• допускать соединение с "ничем", т.е. c пустотой;
• допускать изменение на время.

Внутри каждой из перечисленных выше групп источников ВПР наиболее целесообразно пользоваться и следующими достаточно очевидными рекомендациями: сначала надо рассмотреть возможность использования простых ресурсов, а если же это невозможно, то перейти к производным от простых ресурсов и, наконец, к комплексным.

С другой стороны эффективнее всего использовать ресурсы, имеющиеся в неограниченном количестве. Как правило, это ресурсы внешней среды. К ним можно отнести воздух, воду, их температуру, фоновые поля Земли (гравитационное, магнитное и т.д.). Если таковых ресурсов нет, то рассматриваются ресурсы, имеющиеся в достаточном, либо ограниченном количестве.

Важнейшим принципом ТРИЗ становится использование в качестве ВПР природных источников энергии и отходов производства других технических систем (энергетических и вещественных). В настоящее время среди проблем, порожденных научно-технической революцией, есть одна особо тревожная - это возможность существенного повреждения и даже гибели биосферы Земли в результате все возрастающих техногенных воздействий. И, во-вторых, не менее важная проблема - истощение не возобновляемых природных ресурсов. Обе проблемы между собой чрезвычайно тесно связаны. Использование топлива, изымаемого из глубин Земли, в силу законов термодинамики таково, что на каждый киловатт-час полезной энергии, полученной при его сжигании в любой стационарной и транспортной энергоустановке, в окружающей среде бесполезно рассеивается приблизительно 2,5 квт. ч. Сжигается энергия, накопленная Солнцем в недрах Земли за миллиарды лет биологической жизни. Суммируясь с солнечной радиацией она как раз и приводит к повышению температуры атмосферы, к чему природные структуры биосферы Земли не приспособлены. Опасность нарушения их стабильности становится все более реальной. В этих условиях основные надежды связываются с так называемыми безотходными и малоотходными технологиями. Однако, хотя успехи здесь, казалось бы, немалые (водооборотные системы, газоочистные устройства, утилизация отходов и пр.), полностью безотходные технологии - это лишь идеал, к которому следует стремиться. Но идеалы, как правило, недостижимы. По-видимому, создание такого идеала само потребует огромных энергетических затрат, и нет гарантии, что на пути к нему человечество не достигнет грани, за которой - пропасть.

Скажем, автомобили на водородном топливе не загрязняют атмосферу там, где они используются. Однако производство водорода требует расходов энергии в количествах, при которых общее отрицательное воздействие на среду может быть даже большим, чем при обычных двигателях.

Таким образом, малоотходные технологии нельзя считать панацеей от антропогенного загрязнения биосферы, т.к., к сожалению, далеко не все достижения научно-технической революции удовлетворяют требованиям экологии. Нужно что-то иное. Нужно сформировать новый, экологический образ жизни и мышления, когда общественные процессы, и в первую очередь, научно-технический прогресс должны осуществляться только с учетом экологического правила, согласно которому повреждение природной среды за счет техногенных воздействий недопустимо, какой бы высокой ни была техническая и экологическая эффективность объектов, породивших эти воздействия. Надо обеспечить рождение новых товаров и продуктов, менее ресурсоемких и более безвредных для окружающей среды, но в то же время удовлетворяющих возрастающие духовные потребности развивающегося человечества.

Наиболее рациональным в этой части является пример самой природы, кругооборот веществ, в котором миллионы лет обеспечивалась стабильность биосферы. Человек, либо должен вписаться с созданной им техносферой в этот круговорот, что вряд ли реально, либо создать свою собственную систему циркуляции веществ и энергии, не только хорошо притертую к природной, но и имеющую механизмы утилизации или сброса излишков энергии.

Поэтому, для начала нужна специальная система учета, мобилизации, переработки отходов производства. Уже на стадии проектирования технологических процессов необходимо проектировать не нейтрализацию отходов, на что требуются и дополнительные вещества, и энергия, а получение из них дополнительных потребительских продуктов. Именно такой подход делает использование отходов производства одним из важнейших ресурсов.

Приведем несколько примеров.

Можно улучшить качество бетона, если (а. с. 1047864) добавить в него отходы виноделия, или (а. с. 897744) несколько тысячных процента кормовой патоки. Вообще для улучшения качества бетона стали достаточно широко применяться отходы разных производств. Например, в НИИ бетона и железобетона предложено использовать отходы алюминиевого производства в качестве добавки к бетонной смеси из портландцемента. Повышается морозостойкость смеси (а.с. 1152944).

Эффективно применение отходов многих производств и для создания новых строительных материалов. Так, в ЦНИИ промышленных зданий и сооружений (Москва) сделали прочный и морозостойкий силикатный кирпич, на 94% состоящий из отходов производства, 84% - отходы обогащения фосфоритов, 10% - молотый топливный шлак и фосфогипс и лишь 6% известь.

На железнодорожном транспорте в последнее десятилетие образовались большие запасы железобетонных шпал старых типов, непригодных для повторной укладки в путь. Типичный отход производства. Так вот, предложено использовать их для создания ряжевых подпорных стенок для удержания откосов насыпей земляного полотна от обрушения. Такая конструкция имеет ряд существенных достоинств: хороший водоотвод, высокую производительность при монтаже, устойчивость к атмосферным воздействиям, низкую стоимость.

Найти применение для отслуживших свой срок автомобильных шин - серьезная проблема для стран с развитой автомобилизацией. Поистине огромное количество шин выходит из строя. В самом деле, где можно использовать износившиеся автомобильные покрышки? Предприятия, занимающиеся сбором вторичного сырья в нашей стране, берут их неохотно: регенерировать трудно или попросту нельзя, измельчать в крошку при наличии металлического корда не всегда умеем. И потому по всей нашей стране горят коптящие костры. Расточительно? Весьма.

Над проблемой их рационального использования думают многие инженеры, не умеющие равнодушно проходить мимо валяющегося добра. И находят интересные решения. Так, специалисты Волгоградгидростроя предложили использовать изношенные покрышки для защиты берегов Волги от размывания. Скрепленные между собой они образуют на береговом откосе гибкие ковры, гасящие набегающую волну и способствующие образованию песчаных наносов. Если же покрышки соединить между собой болтами и гайками, перейти к объемным конструкциям, то можно использовать их в качестве строительных блоков для стен гаражей, складов, мастерских. Так и поступили инженеры в Англии, Канаде и США. А вот в Болгарии научились перерабатывать покрышки в кровельный материал, напоминающий черепицу, но более легкий и прочный, более устойчивый к непогоде. Причем, новый материал может использоваться и для декоративной облицовки стен.

Такое многообразие определяется большим перечнем свойств, заложенных в геометрии и материале старой покрышки. Она упруга, кругла, пуста и потому весит меньше кирпича и железобетона. В то же время прочна и стойка к атмосферным воздействиям.

Дополнив этот перечень и включив воображение, каждый может попытаться найти еще много полезных и эффективных применений такого, казалось бы, малополезного отхода.

Не меньшей проблемой является утилизация и бой стеклянной тары, тех самых стекляшек, которые зачастую являются причиной прокола велосипедных, мотоциклетных и даже автомобильных (нет, не изношенных, а вполне годных) шин. Хорошо известно, что стекло может сохранять неизменными свои свойства тысячелетиями. Если его не утилизировать, то за относительно короткий срок битое стекло может стать кошмаром человечества. Правда, стекло легко расплавить и заново сформировать из него нужный продукт, будь это оконный лист или молочная бутылка. Надо его только собрать да потратить определенное количество энергии.

Но можно поступить опять же по-другому. Перед автодорожниками постоянно стоит задача повышения качества дорог, их долговечность. Вот какую несложную технологию переработки бытового стекла предложил сотрудник СоюздорНИИ А. Сурманян. Стекло перемалывается в порошок. Затем к нему добавляется некоторое количество песка и клея. Эту смесь наносят на подложку из бумаги и укладывают на свежий бетон, бумагой вверх, приглаживают и оставляют до полного затвердения. Когда по этому участку дороги пойдут машины, они быстро сотрут шинами бумажную подложку. Стеклянно-песочная крышка обладает большой твердостью, и дорога прослужит на несколько лет дольше обычного. Кроме того, шероховатая поверхность обеспечивает лучшее сцепление колес с дорогой, а значит, повышает безопасность движения и расходы топлива.

Отходы производства могут образовывать и комплексы с другими ресурсами: пространством, энергией, веществами. По-видимому, всякий комплекс сильнее одиночного ресурса, т.к. обладает большим разнообразием свойств. Это же относится и к комплексам с отходами.

Еще в 1968 г. изобретатель Н.И. Самарин начал первые опыты по созданию огородов... на воде. На небольших плотиках, свесив корешки прямо в воду, растут у него огурцы, помидоры, зеленый лук... Какие же преимущества имеет водный огород по сравнению с традиционным? Изобретатель подсчитал, что сегодня в пруды, где разводят рыбу, вносят до сотен центнеров органических и минеральных веществ на гектар поверхности водоема. Рыбы потребляют не более 60% этого "бульона", остальное лишь загрязняет воду. Если же на понтонах специальной конструкции разместить лотки, наполненные смесью перегноя с донным илом из тех же прудов (вещественный ресурс), то на том же пруду (пространственный и функциональный ресурсы) можно дополнительно выращивать хороший урожай овощей. Вода прудов служит одновременно и своеобразным аккумулятором тепла (энергетический ресурс), значит, овощи зреют, как в парнике, и даже в условиях средней полосы можно выращивать по два урожая в сезон! Лучше живется и самой рыбе. Как показывают замеры, рыбья молодь набирает в таких прудах на 10 - 12% больше веса - ведь корни растений эффективно очищают воду. И, наконец, для облегчения поиска ресурсов можно воспользоваться следующим алгоритмом.

Алгоритм поиска ресурсов.

Как же все-таки практически использовать ВПР при решении технических задач?

Наиболее простым представляется построение, например, двумерной таблицы, в которой по горизонтали и вертикали рассматривают одни и те же ресурсы, например: инструменты, побочные изделия, внешнюю среду.

В таблицу следует включить все ВПР и отдельной строкой - пустоту.

Такая таблица позволит просмотреть последовательно не только простые ВПР, но и их комбинации, по крайней мере, парные. Иногда на этом этапе могут возникнуть и более комплексные системы из ВПР: тройные и более высоких порядков.

Рассмотрим такую задачу.

Пленочное гидрозащитное покрытие котлована нужно защитить от воздействия солнечных лучей, иначе оно быстро разрушится. Для этого его можно покрыть слоем грунта, который выравнивают бульдозером. Бульдозер хорошо разравнивает грунт, но во время передвижения часто рвет гидрозащитную пленку. Как быть?

Вепольная модель этой задачи строится по типу полного веполя с вредным взаимодействием между веществами:

где В1 - пленка (изделие);

В2 - бульдозер (инструмент);

П - механическое поле.

По стандарту 1.2.1. между В1 и В2 следует ввести вещество В3, желательно даровое или достаточно дешевое:

Необходимо найти вещество B3, причем твердое, прочное, способное выдержать нагрузки от гусениц бульдозера.

Попробуем оценить имеющиеся ВПР:

• инструмент: бульдозер, его оборудование;
• изделие: сама пленка, ее толщина, другие размеры, прочность;
• побочные: отходы производства (пульпа, состоящая из воды и твердых частиц);
• внешняя среда: воздух, вода, грунт, магнитное поле Земли, гравитационное поле, температурное поле среды;

Проведем предварительный анализ этих ВПР, чтобы уменьшить размерность будущей двумерной таблицы.

По результатам анализа можно исключить из рассмотрения:

• бульдозер, так как вряд ли целесообразно изменять стандартную машину, имеющую универсальное назначение;
• магнитное поле Земли;
• саму пленку, так как она не обладает требуемой прочностью, а сделать ее многослойной, по-видимому, невозможно.

Теперь построим таблицу, в которой укажем все оставшиеся ресурсы.

Комбинации ВПР

Таблица симметрична, поэтому достаточно рассмотреть только верхний треугольник. Знаком "плюс" будем обозначать разумные сочетания ВПР, позволяющие получить вещество с требуемыми характеристиками.

Анализ ВПР четко приводит нас к мысли о необходимости создания твердого вещества из воды, либо из смеси воды с твердыми частицами (или из влажных твердых частиц - грунта) с помощью низких температур в зимний период.

И действительно, дождавшись зимы, можно залить котлован водой или даже пульпой, а по получившемуся поверх пленки льду разровнять бульдозером слой грунта. Весной лед растает, и грунт окажется на пленке.

Кроме того, с помощью таблицы можно получить и другой вариант:

грунт формируют в опалубке, увлажняют, замораживают и в таком виде укладывают поверх пленки.

Как видим, анализ ВПР позволяет находить неплохие, а главное - легко внедряемые решения технических задач.

Выше мы рассмотрели вещественно-полевые ресурсы, необходимые для образования технической системы, дали их классификацию и порядок выявления и применения. Однако для успешного решения задач изобретатель должен обладать рядом других, внутренних по отношению к своей личности ресурсов. Это, во-первых, человеческие качества, которые мы называем качествами творческой личности и о которых речь пойдет несколько позже. Важнейшим ресурсом также является и профессиональная подготовка инженера, тот багаж профессиональных и естественнонаучных знаний, приобретаемых в вузе и составляющих его инженерную эрудицию.

Мир "физичен". Техника изменяется не только в соответствии с законами своего развития (ЗРТС), но ее функционирование осуществляется в соответствии с законами физики, химии, биологии и т.д. Именно поэтому при анализе решаемой задачи важно максимально глубоко вскрыть причину конфликта в изучаемой системе. Как раз на этом пути и могут быть получены наиболее эффективные, говоря языком ТРИЗ, наиболее идеальные решения. Опыт преподавания в вузах и общения со студентами свидетельствует, что у студентов, а зачастую и у преподавателей естественнонаучного цикла отсутствуют достаточные представления о применимости соответствующих знаний в практике проектной деятельности инженера.

В действительности же эти знания не только вырабатывают научное мировоззрение специалиста, что, безусловно, важно, но и являются прямым инструментом преобразования техносферы. На практике эти инструменты реализуются в виде применения их при разработке новых технических систем физических, химических, геометрических и других эффектов и явлений. Изучению этих инструментов будет посвящена одна из рассматриваемых в дальнейшем тем.

В заключение этой темы рассмотрим остроумный пример решения проблемы только за счет внутренних (ближних) ресурсов.

Условия проблемы формулируются так. Для орошения земель в Австралии и Южной Америке нужна пресная вода. Предлагается для ее получения использовать айсберги Антарктиды, транспортируемые в нужное место. Есть много предложений по использованию для этой цели специальных судов-буксиров. Однако сформулируем задачу: айсберг сам перемещается в место его использования. Зададимся вопросом, откуда взять необходимую для перемещения айсберга энергию. Что есть в системе? Это - сам айсберг, окружающая его соленая вода, окружающий воздух. Известный английский популяризатор науки и техники Д. Джоунс, выступавший под псевдонимом "Дедал", предложил следующее изящное, хотя пока и не реализованное решение. Пресная талая вода айсберга легче, чем соленая вода океана. Поэтому она будет подниматься вверх, обтекая айсберг. Если кормовую подводную часть айсберга стесать под углом, то талая вода будет подниматься вдоль наклонной плоскости и выходить на поверхность позади айсберга, сообщая ему при этом некоторое количество движения. Как только айсберг начнет двигаться вперед, талая вода из-под всей нижней поверхности потечет к корме, усиливая этот эффект и удлиняя и углубляя выемку в кормовой части, создающую направленную тягу.

Как видим, для решения задачи необходимы знания физики и смелость в выдвижении "безумных" идей.