техника полопежь творчество
ЕИЯ ШАНС НА ПРИКЛЮЧЕНИЕ
техника молодежь творчество
ПРИКЛЮЧЕНИЕ
Петрозаводск «КАРЕЛИЯ» 1991
Scan AAW
ЗОу
Ш21
Составитель А. Б. Селюцкий
Ш21 Шанс на приключение / Сост. А. Б. Селюцкий,— Петрозаводск: Карелия. 1991.— 304 с.: ил.— (Техника — молодежь — творчество).
ISBN 5-7545-0337-7
В пятой книге серии «Техника — молодежь — творчество» рассматриваются законы развития технических систем и развития творческого воображения. В первом разделе книги показана не только история развития технических систем, а дана их взаимосвязь. Во втором разделе книги проанализировано изобретательское использование воды. В третьем — поднята тема приспособления к жизни в бесприродной среде. Завершает книгу обязательный начальный курс обучения творческому воображению.
Книга адресована всем, кто стремится познать новое, внести свой вклад в развитие техники.
... 2002000000—071
Ш М127(03)—91	1Ь"
ISBN 5-7545-0337-7
© Селюцкий А. Б., состав, 1991
Дорогой читатель!
Перед тобой пятая книга серии «Техника — молодежь — творчество». В какой-то мере она отражает состояние теории решения изобретательских задач (ТРИЗ). Я уже писал об этом, но повторюсь: ТРИЗ — аббревиатура науки, которая сегодня включает в себя гораздо больше, чем только теория решения изобретательских задач. В нее входят и законы развития технических систем (ЗРТС), и стандарты на решение изобретательских задач, и алгоритм решения изобретательских задач (АРИЗ), и колоссальный информационный фонд, состоящий из указателей физических, химических, геометрических и других эффектов, и курс развития творческого воображения (РТВ), и функционально-стоимостной анализ (ФСА).
В последнее время превалирующим направлением преподавателей и разработчиков является гуманитарная составляющая ТРИЗ — теория развития творческой личности (ТРТЛ). Как и во всей ТРИЗ тон здесь задает Генрих Саулович Альтшуллер (см. сборник «Как стать еретиком»).
В то же время продолжается работа по углублению всех инструментальных разделов ТРИЗ: исследуются механизмы развития технических систем, углубляется понимание законов развития, совершенствуется АРИЗ, постоянно пополняется информационный фонд. Широкому распространению ТРИЗ особенно способствуют разработки Минской научно-исследовательской лаборатории изобретающих машин (НИЛИМ). С помощью программы для ЭВМ «Изобретающая машина» («ИМ») можно не только облегчать процесс решения изобретательских задач, но и значительно упростить процесс обучения ТРИЗ. Характерная деталь: программа «ИМ» за границей пользуется гораздо большим спросом, чем дома, в Союзе. Ее охотно покупают фирмы Англии, Германии, Финляндии, Франции, Соединенных Штатов Америки.
В сборнике «Шанс на приключение» рассматриваются законы развития технических систем и развития творческого воображения.
Тема ЗРТС нуждается в особом пояснении. ТРИЗ начиналась с того, что есть законы, которые нужно познать и применять для развития технических систем. К сожалению, подавляющее большинство инженеров до сих пор не знают, а, следовательно, и не исполь
3
зуют в своей практике (разработке конструкций, технологий) этих законов. В результате мы имеем весьма несовершенную, металлоемкую, энергоемкую и трудоемкую технику, которая в большинстве своем не может конкурировать иногда с такой же несовершенной, но зато качественно изготовленной зарубежной техникой.
В первом разделе книги — «Системе законов развития техники» — ее автор, Ю. П. Саламатов, на интересных примерах показывает не только историю развития ТС, описывает не только отдельные законы, а дает их взаимосвязь, то есть систему законов, а это уже солидный инструмент, которым может пользоваться любой инженер. Читая этот раздел, имеет смысл сравнить его с разделом «Маленькие необъятные миры» (Стандарты на решение изобретательских задач) в сборнике «Нить в лабиринте»: ведь стандарты тоже образуют систему, основанную на законах развития ТС.
Для практики рекомендую проанализировать на соответствие ЗРТС те объекты, которые вы создаете или на которых работаете. А для тех, кто еще только учится, советую рассмотреть такие ТС, как парта, настольная лампа, утюг, станок для бритья. Испытайте свой шанс на приключение мысли.
А. Селюцкий
Cl	ИС ЗА	ТЕ/ КС	IC КА •НС	). Сс 1 Р >В	зла/ АЗ ТЕ	лот IBM КН	об 1ТИ им	Я и
© Саламатов Ю., 1991.
1.	ВВЕДЕНИЕ
Основной постулат ТРИЗ — об относительной независимости процессов создания новых технических систем от желания человека — сегодня уже не вызывает столь горячих возражений, как это было еще совсем недавно. Но до сих пор в научной и инженерной среде очень широко распространено мнение о сугубо личностном (индивидуальном) влиянии на характер прогрессивных изменений в технике: «Я изобретаю (проектирую, делаю) эту техническую систему, поэтому все зависит от моего желания: хочу — сделаю так, хочу — придумаю иначе,— талант все может!..»
Из трех миров человеческого творчества — науки, техники, искусства — наука первой лишилась ореола личностной исключительности. Частью элементарной культуры современного исследователя является аксиома о том, что наука изучает объективные закономерности, исходя из чего правильно установленные закономерности (независимо от того, кто их открывает) всегда идентичны, хотя и могут быть по-разному выражены (одно и то же содержание в разной форме). Следовательно, путь развития науки предопределен, и ни один человек не может его изменить. В отличие от исследователей, многие изобретатели даже не подозревают о существовании каких-либо закономерностей в развитии техники.
Между тем, смысл творчества в науке и технике очень близок: цель науки — добыча знаний о свойствах материи, цель техники — использование этих свойств на удовлетворение потребностей человека и общества. Таким образом, техника — это овеществление знаний, поставляемых наукой. Свою единственную и главную задачу современная цивилизация видит (и даже планирует ее на перспективу—приходится констатировать это!) в преобразовании среды обитания, в подстраивании ее под себя, в создании «буферной», безопасной, искусственной прослойки (второй природы) — на основе объективных научных данных. Без техники этого не достичь. В развитии техники, как составной части поступательного развития цивилизации, есть естественноисторический (объективный) процесс, которым управляют законы, не только не находящиеся в зависимости от воли, сознания и намерения человека, но и сами определяющие его волю, сознание и намерения.
7
В объективной реальности идут два противоположных процесса, две эволюции:
— эволюция рассеивания, деградации, распада — то есть от сложного к простому, энтропийная эволюция (открыта Клаузиусом и Больцманом и сформулирована во втором начале термодинамики);
— эволюция жизни, развитие и самоорганизация живого вещества планеты — то есть от простого к сложному, негэнтропийная эволюция (открыта и сформулирована Дарвином).
Техноэволюция — составная и неотъемлемая часть второго типа эволюционного развития.
Познание хотя бы части законов техноэволюции многократно облегчит человечеству достижение поставленных целей. Закономерности естественной эволюции материи, устанавливаемые наукой, всегда приносили обильные плоды: теория Дж.К. Максвелла, периодическая система Д. И. Менделеева, структурная теория А. М. Бутлерова и множество других приводили к скачкообразному развитию в своей области знания. Законы развития искусственной среды (техноэволюции) нащупать сложнее, поскольку они не имеют аналогов в естественных науках, так как представляют собой качественно иной системный уровень. Этот уровень выше, по крайней мере, законов неживой природы, но полностью опирается на них, а точнее сказать, законы техники являются как бы равнодействующей законов природы, или второй производной от них.
В противоположность сугубо личностной оценке изобретательства существует иная, но такая же крайняя точка зрения: техника развивается сама, без участия людей, если люди и играют какую-то роль в ее развитии, то не большую, чем в природе пчелы, переносящие пыльцу с цветка на цветок. Но так ли однозначно предопределен ход техноэволюции, движущейся по своим слепым, загадочным и таинственным законам?
И да, и нет. Человек может обрубить какую-то ветку в развитии техники (например, в вооружении), может переориентироваться для каких-то целей развития с одних машин на другие, может какое-то время идти в технике вспять или намного опережать науку, но человеку не под силу изменить естественные законы. Например, открытая еще в восемнадцатом веке способность света выбирать себе путь через различные среды так, что время прохождения оказывалось минимальным (принцип Ферма), заставит соответствующим образом конструировать, например, оптические приборы. И самое главное: если просмотреть всю историю развития той же оптической техники, то можно заметить некоторую упорядоченность, или закономерность, в ее развитии. Но наиболее удивительные результаты вы получите, сделав следующий шаг: сравнивая линии развития нескольких (желательно различных, не похожих друг на друга)
8
технических систем — вы увидите некоторые общие закономерности развития техники. Можно пойти дальше — попытаться проанализировать развитие всей техники и выдвинуть концепцию всеобщей модели техноэволюции. В сущности, это и есть основные идеи методологии исследования закономерностей технического развития. Идеи эти просты и понятны. Очень близкое суждение высказывал еще А. П. Чехов: «Можно собрать в кучу все лучшее, созданное художниками во все века и, пользуясь научным методом, уловить то общее, что делает их похожими друг на друга и что обуславливает их ценность. Это общее и будет законом. У произведений, которые зовутся бессмертными, общего очень много...» (из письма А. С. Суворину от 3 ноября 1888 года). Поясним только, что «бессмертными произведениями» в технике будут эвристически сильные изобретения, обеспечившие качественный скачок в развитии своей технической системы.
Итак, технику создает человек, тем самым она субъективно определена (задана) человеком. Но все развитие общества — объективный исторический процесс, а так как субъективные действия людей не всегда согласуются с объективными законами развития, то жизнеспособными и полезными оказываются только те результаты человеческих действий, которые выражают объективно существующие закономерности.
Ясно, что знание законов развития технических систем позволит сэкономить большое количество сил, энергии и времени. Главное же заключается в том, что появятся предпосылки хотя бы частичного осуществления извечной мечты человечества: управлять природными и общественными процессами на основе реального долгосрочного прогноза. Как говорил один из героев Булгакова: «Виноват,— мягко отозвался неизвестный,— для того, чтобы управлять, нужно, как-никак, иметь точный план на некоторый, хоть сколько-нибудь приличный срок. Позвольте же вас спросить, как же может управлять человек, если он не только лишен возможности составить какой-нибудь план хотя бы на смехотворно короткий срок, ну, лет, скажем, в тысячу, но не может ручаться даже за свой собственный завтрашний день?..»
Существуют ли принципиальные естественнонаучные запреты на долгосрочные прогнозы? Напротив, есть блестящие примеры. Так, К. Э. Циолковский создал систему прогнозов выхода человечества в космос — всего 16 пунктов, и первые 11 уже осуществились. Предвосхитив потребности человечества, с учетом довольно простых физических и астрофизических закономерностей он выбрал единственно возможную поэтапную космическую дорогу нашей цивилизации — иного пути не могло быть.
9
2.	ВОЗНИКНОВЕНИЕ И РАЗВИТИЕ ТЕХНИКИ
2.1.	НЕИЗБЕЖНОСТЬ ВОЗНИКНОВЕНИЯ ТЕХНИКИ
Возникла техника одновременно с образованием человеческого общества, она порождена человеком и служит ему средством освобождения от рабской зависимости от природы и средством удовлетворения биологических и социальных потребностей. Но одновременно техника и формирует нового человека, создавая предпосылки для новых потребностей. При этом, .в отличие от животных, потребности человека имеют тенденцию к постоянному возрастанию (смысл этой неограниченной экспансии человека, эгоизм цивилизации пока еще никто не объяснил...). Потребности чрезвычайно активны. Пока они не удовлетворены, человек недоволен самим собой. Мир не удовлетворяет человека, и человек решает изменить его. Для этого в какой-то момент истории становится недостаточно только человеческих сил, нужны иные, дополнительные средства, умножающие производительные силы человека.
На ранних этапах развития культуры производительные силы ничтожны. Но таковы же и потребности, развивающиеся вместе со средствами их удовлетворения. Потребности ограничены главным образом добыванием пищи. Растительная пища добывалась руками, иногда с помощью камней и палок, удлиняющих руку. С ростом населения стал ощущаться недостаток этого вида пищи, и человек был вынужден начать охотиться и разделывать туши убитых животных, но для этого ему не хватало естественной силы органов. Появилась потребность в орудиях, увеличивающих возможности человека. Так были найдены в окружающей среде предметы, у которых раскрылись нужные для человека функции: заостренные палки, осколки камней с острыми краями. Но эти предметы ломались, тупились, терялись. Необходимо было искать, запасать, подправлять естественные орудия — возник процесс изготовления средств труда. Это и есть первый момент возникновения техники. Образующаяся социальная система сама, собственными потребностями создавала недостающие ей органы из элементов окружающей природы. Человек раскрывал свойства предметов, постепенно накапливал знания и начал целенаправленно их использовать. Так, для изготовления орудий годились камни только группы кварца — они были твердыми (почти как алмаз) и легко раскалывались на пластины с острыми краями. Вместе с орудиями труда развивалась рука, особенно кисть.
К началу ледникового периода (100 тысяч лет назад) появились первые оседлые поселения у воды, на опушках леса, в пещерах и гротах. Климат становился все холоднее, с севера спускался
10
ледник — надо было защищаться от сильнейшего удара природы. Человек начал использовать огонь, перенесенный на стоянку с лесных пожаров, научился поддерживать его. Костер обеспечивал защиту от холода и сырости, от ночных нападений хищников. Варка и поджаривание мяса и овощей сократили процесс жевания и пищеварения. Уменьшились челюсти, быстрее стал развиваться мозг. Высвободилось больше времени и энергии для активного проявления жизни. Человек впервые использовал для своих нужд даровую энергию из окружающей среды. Использование огня, как способа превращения химической энергии в тепловую, было следующим крупнейшим шагом в развитии общества. А изобретение способа добывания огня (высечением, высверливанием) окончательно отделило человека от животного царства. Это было выдающееся изобретение, оно ознаменовало собой момент окончательного формирования человека разумного (40—30 тысяч лет назад). К этому времени технология изготовления каменных орудий достигла совершенства. Ее развитие шло в направлении увеличения полезной функции орудий труда: придания удобной для работы формы и заострения режущей кромки. Были изобретены первые составные орудия: дротик (палка с каменным наконечником) и топор. Попутно был изобретен способ крепления топора к рукояти с помощью узла (петли) из кожаных ремней. Топор стал одним из основных орудий первобытного человека.
Археологов издавна удивляла особенность исторических находок: они находили одни и те же орудия на всей заселенной территории земного шара. И это не случайность. У разных групп первобытных людей возникали одни и те же потребности, а их реализация основывалась на одних и тех же предметах из природной среды. Точно так же изменения Земли как космического тела принуждали человека приспосабливаться, искать выход в изобретательности. Одинаковые противоречия между человеком и природой разрешались (путем проб и ошибок) одними и теми же способами.
Итак, причина возникновения и развития техники заключена в противоречиях между целями (потребностями) и средствами для воплощения этих целей в деятельности человека. Если такого противоречия нет, если общество удовлетворяется ранее созданными средствами для достижения поставленных целей, то ничто не заставит людей взяться за создание новой техники в любой области деятельности. Однако такая ситуация еще ни разу не возникала в истории цивилизации (человек никогда не удовлетворялся достигнутым). Противоречия всегда были, и нет причин сомневаться в том, что их не будет в будущем,— этот тип противоречий следует отнести к «вечным»: при его разрешении оно тут же воспроизводится на другой ступени развития. Противоречия нарастают,
11
обостряются и разрешаются. Любое разрешение противоречия требует каких-либо изменений: приспособление и развитие самого человека (прямохождение, развитие кисти, мозга), преобразование окружающей природной среды (сельскохозяйственное использование, животноводство, строительство сооружений), изменение общества (социальных структур, связей, функций и ориентиров) или «достраивание» (расширение функциональных возможностей) человека и общества путем создания искусственных технических «органов».
2. 2. СХЕМА РАЗВИТИЯ ОРУДИЙ ПРОИЗВОДСТВА
Что есть техника, технические системы? Топор, лук, телега — технические системы? Ветка, палка, дубина? Прежде чем ответить на эти вопросы, изложим кратко историю появления и развития орудий производства в человеческом обществе. Если суммировать известные на сегодня сведения и представления о возникновении и эволюции техники на всем протяжении истории человечества и изложить ее в ТРИЗовской интерпретации, то получится схема, изображенная на рис. 1.
1.	Первыми средствами воздействия на предметы труда были органы тела человека при добывании и разделывании пищи, рытье ям, кладке стен из камней. Сооружения — самая простая форма орудий производства с пассивной функцией, они возникли в результате естественной жизни людей (тропинки, дороги), затем возводились целесообразно (строения, курганы, пирамиды). Сооружения есть и у животных: плотины и каналы у бобров, гнезда птиц, логова животных.
Затем человек «удлинил», «усилил» свои органы тела с помощью различных естественных объектов.
2.	Использование первых попавшихся под руку природных предметов. При строительстве своих жилищ (шалаши, землянки, пол в землянке) человек использует ветки, шкуры, кости, камни.
3.	Специально подобранные вещества и предметы для выполнения широкого класса функций (острая кость, палка, отщеп от камня). Это важный период: происходило уяснение меры соответствия свойств природных веществ целям труда.
4.	Обработанные природные материалы с выделенной (усиленной) функцией. Начался подбор материалов к конкретным процессам труда. Рубило, скребло, кожаные ремни, костяные плошки, кожаные мешки, корзины из лыка, веток, камыша. Смысл этого периода — познание свойств материала и их использование для выполнения нужных функций (пункты 2, 3, 4 схемы):
(ветка) (палка) (дубина, копье, шест...)
2	3	4
12
Рис. 1. Схема развития орудий производства
5.	Простейшие орудия труда, специально изготовленные технические элементы, утварь, инвентарь. Эти орудия труда еще не были специализированными и применялись для любых целей: рычаг, ступка, каменные скребки, ножи, сверла, бойки. Способы обработки: рубка, сверление, пиление, шлифование. Главная особенность орудий труда—четко выделенная рабочая часть (зона), которая впоследствии превратится в рабочий орган (РО). Технические элементы: рычаг, каток, ось, колесо. Утварь, инвентарь: посуда, плот, долбленая лодка, лыжи, сани.
Началось ускорение специализации орудий труда — за счет выделения и усиления какой-то одной полезной функции. Это привело к обособлению первого элемента технических систем — рабочего органа. С этого момента можно отсчитывать время существования техники, как феномена человеческого общества. Пункты /—3 схемы полностью присущи и животному миру. Пункт 4 — уникальный период в истории земной жизни, он свойствен только человеку разумному: человек научился использовать и добывать огонь, однако орудия труда находятся в зачаточном состоянии; и только период, соответствующий пункту 5, можно уверенно отнести к началу техники.
6—7. Инструменты — специализированные, а значит и более разнообразные орудия труда — возникли приблизительно 10 тысяч лет назад из моновещества с зонированными (четко выделенными) частями: зона рабочего органа (острие), зона трансмиссии (рукоятка). Цель появления инструментов—целенаправленное эффективное преобразование предметов труда (превращение природного материала или предмета в изделие). Кремниевые ножи, резцы, сверла, проколки, шилья, костяная игла.
Первые сочлененные инструменты (каменный боек плюс костяная или деревянная оправа) держались плохо, были непрочны, разваливались. Сочлененные инструменты: резцы и ножи в оправе, стрела и копье с наконечником, серп — большой составной нож с каменными вкладными лезвиями. Первый настоящий составной инструмент — топор. Появление составных инструментов (дробление вещества на отдельные части и их стыковка иным способом) явилось важным шагом к началу структуризации объектов, появлению связей между элементами. Главная особенность этого процесса — расщепление (дробление) функции с последующим подыскиванием и изобретением более эффективных способов выполнения этих частичных полезных функций, с получением дополнительного выигрыша в основной функции при соединении элементов в единое целое.
Например, тяжелый топор (увеличение функции) невозможно было закрепить защеплением в деревянной оправе, поэтому появился третий элемент — кожаные ремни. Но ремни плохо
14
держались, распускались. Сильное изобретение того времени — узел — способ затягивания кожаной петли.
Наиболее удачными сочетаниями элементов были такие, где их свойства взаимно дополнялись. Например, первая посуда — плетеные корзины и кувшины — плохо держали воду и их нельзя было ставить на огонь. Случайно обнаружилось, что обмазанные глиной корзины намного прочнее, водонепроницаемы и огнестойки. Здесь деревянная сетка (каркас) играла роль арматуры, скрепляющей глину, а та в свою очередь предохраняла дерево от разрушения. И только потом обнаружилось, что от огня глина становилась еще прочнее, даже при сгораемом внешнем каркасе, поэтому постепенно перешли на бескаркасное изготовление глиняных изделий.
8—11. Технические системы — инструменты с двигателем. Это технические объекты, состоящие минимум из трех частей: рабочего органа (РО), трансмиссии (Тр), двигателя (Дв). Четвертый элемент — орган управления (ОУ) чаще всего включает человека. Пятый элемент — источник энергии (ИЭ). Им может быть человек, животное, природные силы, а также естественные и искусственные физ-, хим-, биопроцессы.
Первые ТС — мельница, лук, телега, часы, весы.
2.3.	ПРИМЕРЫ ИЗ ИСТОРИИ ТЕХНИКИ
2.3.1.	Мельница
Любая ТС имеет длительную предшествующую историю. Например, мельница:
—	потребление сырого зерна;
—	размоченное зерно;
—	разваренное;
—	пробивное (камнем, в ступе);
—	размолотое растиранием вручную (ручной жернов);
—	то же, с помощью силы животных, природных сил.
2.3.2.	Изготовление волокнистых веществ
Многие из современных ТС прошли все этапы развития техники.
Например, процесс изготовления волокнистых веществ:
—	использование стебельных растений, конского волоса, жил животных, лыка деревьев в качестве средства крепления;
—	скручивание руками (вить веревки) без инструментов (кнуты из конопли и т. п.);
—	ссучивание ниток из волокон вручную без приспособлений;
15
—	ссучивание ниток с помощью палочки;
—	прядение с помощью веретен руками;
—	самопрялка, которую крутили рукой с XII—XIII веков;
—	самопрялка с рукояткой;
—	ножная прялка Юргенса, 1530 г.;
—	современные развитые формы самопрялки;
—	станок Джени;
—	прядильные машины;
—	автоматические прядильные машины.
2.3.3.	Карандаш (и другие средства для рисования, письма)
Историю развития карандаша можно представить так:
—	далекий предок — головешка от костра;
—	в древности: свинцовый стерженек — штифт — оставлял мягкий бледно-серый след на листах пергамента, для текста бледноват, им только размечали строки, более темную черту оставлял штифт из двух частей свинца и одной части прокованного молотком олова; со временем под действием кислорода (из воздуха) линия темнела, при желании — легко удалялась мякишем хлеба или пемзой (ластик изобрели в XVIII веке);
—	аристократы использовали серебряный штифт; темно-серая черта коричневела при окислении, стереть мякишем или пемзой невозможно, поэтому рисовали только безошибочно (великие мастера, например, Леонардо да Винчи);
—	минеральные штифты: древесный уголь. Один из рецептов: возьми ивовые палочки, обстрогай и очини с обоих концов, положи в горшок, замажь крышку глиной для герметичности, поставь в печь с вечера до утра... Уголь плохо держится на бумаге. Как только ни пытались бороться с этим недостатком! Предварительно покрывали бумагу водным раствором клея и высушивали, после того как листы были исписаны или разрисованы, их держали над паром. В результате клеевой слой увлажнялся и впитывал уголь, а после высыхания текст или рисунок был уже хорошо закреплен;
—	XV век, в Пьемонте был найден «черный камень», «черный мел» (тюркские корни: «кара» — черный, «даш» — камень), внедрение было молниеносным, и... месторождение быстро иссякло. За ним «исписали» месторождения в Тюрингии и Андалузии...;
—	в Париже залежей не было, поэтому изобрели смесь: белая глина -I- черная сажа. Получили так называемый парижский карандаш («соус»), он был чернее итальянского, меньше царапал бумагу;
—	Леонардо да Винчи нашел сантину — «красный мел» — природный каолин, окрашенный окислами железа;
16
—	если есть черный и красный мел, почему не сделать цветной? Франция, XV век—изобрели пастель—мел с добавками пигментов: мел + пигмент + жиры или гуммиарабик (или сок смоковницы) выкатывали на мраморной плите, сушили — один мягче, другой тверже;
—	то в одной, то в другой стране находили залежи графита. В XVI веке — случайное открытие в Англии, в яме от вывороченного бурей дерева. Крестьяне стали метить графитом овец, корзины. Некто наладил продажу в Лондоне графитовых палочек, обмотанных бечевой. Король издает указ: добычу производить только шесть недель в году, дабы месторождение не истощилось, за вывоз из Англии — смертная казнь. Месторождения хватило на 200 лет;
— изобрел карандаш чех Й. Гартмут, владелец фабрики по изготовлению лабораторной посуды. Рассматривая одну из чашек-тиглей, он уронил ее, и отлетевший осколок оставил на бумаге четкий черный след. Гартмут выяснил, что в глину добавляли графит. Проведя эксперименты, он установил лучшие соотношения,— так появились знаменитые пишущие стержни «кох-и-нор».
Независимо от него в 1790 году карандаш изобрел француз Н. Конте. Он и предложил помещать стержень в деревянную оболочку.
Сейчас существует 21 степень твердости карандаша. В СССР принята градация от 6Т (68 процентов каолина) до 6М (80 процентов графита, 20 процентов каолина, пектиновый клей).
Для упрощения технологии и повышения прочности каолин необходимо заменить технической смолой — возрастет пластичность, кроме того, стержни можно делать тоненькими, не требующими заточки: 0,5 мм — в Японии, 1,2 мм — в СССР.
По пат. СССР 671 712, выданному японской фирме, пишущий стержень непрерывно экструдируют и непрерывно сверху экструдируют оболочку из пластмассы, затем нарезают на отдельные карандаши; стержень состоит из эпоксидной смолы, графита, стеарата кальция, оболочка — вспененный полистирол.
Когда-то в СССР выпускался «химический» карандаш (правильное название — копировальный) для заполнения документов под копировку. Перьевая ручка не дает требуемого усилия для продавливания, но оставляет нестираемый след, карандаш же дает возможность продавить все слои, при этом легко стирается. «Химический» карандаш — с добавлением красителей (эозин, родамин, аурамин), которые начинают растворяться при малейшей влажности, проникая вглубь волокон бумаги.
А. с. 11 575 (1928 г.): приспособление для смачивания стержня «химического» карандаша (рис. 2а). На карандаше крепится резиновый резервуар с водой, которая самотеком или при надавлива-
17
резиновый резервуар
/
кпм
а) а.с. 11 575
кольцо
д) а.с. 86 509
г) а.с. 79 542
ж) а.с. 1 250 478 з) а.с. 1 234 228
и) а.с. 147 105
Рис. 2. Развитие средств для письма
нии пальцем смачивает через накладку из КПМ1 стержень карандаша. Прообраз пишущего инструмента, который еще не изобретен: писать должна «палочка», смачиваемая водой, например, из окружающего воздуха...
И все же по четкости, тонкости и долговечности следа карандаш несравним с устройствами для письма чернилами.
Прообразом пера были стержни — клинышки для письма по сырой глине, которыми пользовались писцы древней Ассирии, и стилосы (заостренные палочки), которые использовались в Древней Греции и в Древнем Риме для письма на восковых дощечках.
Самый древний рецепт чернил принадлежит египтянам —
1
КПМ — капиллярно-пористый материал.
18
смесь сажи и масла для письма на папирусе. Такой же состав использовался в Китае две с половиной тысячи лет назад.
Египтянам же принадлежит и первое устройство для письма (весьма напоминающее современный фломастер), найденное в гробнице Тутанхамона: медная ручка со вставленной в нее свинцовой заостренной трубочкой, внутри трубочки находилась тростинка, заполнявшаяся чернилами, которые просачивались по волокнам стебля, накапливались на заостренном конце и при письме оставляли четкий след на папирусе.
Уже в III веке до н. э. древние греки и римляне применяли несколько типов чернил. Из пурпура и киновари делали красные «придворные» чернила, которыми писали только государственные документы (чернила строго охранялись специальной стражей). Черные чернила делали из черной краски для живописи, сажи, плодовых косточек, виноградной лозы, древесного и костяного угля. Столетием позже чернила изготовляли из отвара коры дубильных растений. Впоследствии эти два типа черных чернил на Руси называли «чернилами копчеными» и «чернилами вареными».
В XVI веке изобрели железные чернила (известны до сих пор). Для их изготовления использовали ольховые корни, кору, ореховую или дубовую кору, чернильные орешки (патологические наросты на листьях различных растений). Из них варили «чернильное сусло» и опускали в него куски железа, ненужные железные вещи и пр. Для упрочнения чернил (чтобы они не «брели сквозь бумагу») добавляли камедь (вишневый клей), а для снижения вязкости — квасцы, имбирь, гвоздику. На приготовление чернил уходило две недели.
В XVIII веке стали применять железный купорос — это резко повысило скорость приготовления чернил.
Секрет получения чернил был понят после открытия дубильных кислот и окончательно расшифрован химиком К.-Б. Шееле в 1876 году. Он установил, что при варке из ольховой коры в воду поступают дубильные кислоты, с которыми железо вступает в реакцию, в результате чего получаются железистые соли. Раствор слабо окрашен, но при высыхании железо окисляется и темнеет. Образуется окись железа, нерастворимая в воде и устойчивая к свету. С тех пор было изобретено множество рецептов чернил, включая «вечные» (ванадиевые, Берцелиус) и невидимые. Однако принципиально новые составы появились лишь при изобретении шариковых ручек, автоматических самописцев, принтеров ЭВМ.
После египетского «фломастера», который был прочно забыт, веками по пергаменту и бумаге скрипело упругое гусиное перо. При подготовке к письму перо очищали в раскаленном песке, обрезали и затачивали. Количество пишущих быстро увеличивалось, перьев требовалось все больше, а из гусиного крыла годилось для
19
письма всего два-три пера. Появились способы экономии перьев: их разрезали на несколько частей и каждую затачивали. Перо нужно было часто макать в чернила, что отнимало время и отвлекало. Придумали нечто, напоминающее авторучку: металлическая трубка, заполненная чернилами, у которой с одной стороны заглушка, а с другой — гусиное перо.
Создателем металлического пера (конец XVIII в.) был слуга аахенского бургомистра Янсена. Заботясь о своем хозяине, он изготовил перо из стали. Перо не имело прорези, поэтому брызгало и писало без нажима. С изобретением стального пера с прорезью качество письма резко улучшилось и популярность металлических (сталь, серебро, золото) перьев оказалась вне конкуренции.
Существует большой класс изобретений по улучшению перьевых ручек. Приведем наиболее характерные технические решения из советского фонда изобретений (МКИ, кл. В43К).
А. с. 96 (заявлено 7.12.1917 г., выдано 28.02.1925 г.): перо для письма, в котором с целью увеличения на нем запаса чернил и уменьшения скорости их высыхания (рис. 26) с помощью эластичного кольца закреплена пластинка, которая образует с желобом пера конусообразную трубку (чернила удерживаются в большем количестве) .
А. с. 3 157 (1925 г.): ручка для двух поочередно употребляемых перьев представляет собой трубку, из которой появляется то одно, то другое перо.
А. с. 3 837 (1925 г.): наконечник к ручкам для письма, в котором для увеличения количества набираемых чернил, а значит, и для сокращения времени на отвлечение внимания пишущего, наконечник выполнен в виде пластинки с желобками, сеть желобков за счет капиллярного эффекта захватывает значительно больше чернил.
А. с. 78 018 (1949 г.): перо для письма — для удержания большего количества чернил имеет загнутые внутрь лапки в виде лепестков с мелкими отверстиями (рис. 2в).
А. с. 79 542 (1947 г.): насадка к перьям для удержания чернил (рис. 2г) прикрепляется к перу со стороны вогнутой части, снабжена поперечными гофрами и отогнутыми крючками.
А. с. 86 509: перо с запасом чернил — снизу укреплена трубка, в которой фитиль из губчатого материала со скошенным концом (рис. 2д).
В приведенных изобретениях заметно явное стремление увеличить полезную функцию — удобство и продолжительность непрерывного письма. Кроме рабочего органа (пера) и трансмиссии (ручки), начали появляться новые подсистемы.
А. с. 4 955 (1926 г.): ручка для пера с резервуаром для чернил. А. с. 5 974 (1927 г.): то же, резервуар заполнен пористым материалом (губкой). А. с. 8 176 (1927 г.): трубчатое перо с резервуаром
20
для чернил, закрывается^ колпачком. А. с. 8 223 (1928 г.): перо с резервуаром для чернил, который образуется из двух половинок — самого пера и нижней откидывающейся части.
Обнаруживаются недостатки пера — в частности, истираемость кончика, поэтому для увеличения полезной функции нужна дифференциация свойств материала.
А. с. 12 642 (1927 г.): способ получения на золотом пере наконечника из осмистого иридия (для автоматических ручек).
Все идет к появлению, а затем и развитию автоматической ручки.
А. с. 24 268 (1929 г.): автоматическая ручка для пера с резервуаром для чернил. При нажатии кнопки шприц выталкивает каплю на перо и, возвращаясь под действием пружины, всасывает новую порцию чернил из резервуара.
Автоматическая ручка, превратившаяся в довольно сложную техническую систему, развивается за счет увеличения полезной функции своих подсистем. Совершенствуется, например, резервуар:
а. с. 66 214 резервуар для авторучки, в котором в целях автоматического засасывания воздуха и для равномерного питания пера чернилами верхний конец резервуара снабжен пробкой из КПМ;
а. с. 74 633: автоматическая ручка, в которой резервуар (гофрированный) — растягивающийся цилиндр для набора чернил;
а. с. 198 956: то же, продольные гофры;
а. с. 906 354: перьевая авторучка со сменным баллоном.
Кроме резервуара, развиваются и другие подсистемы:
а. с. 91 953: наконечник к авторучкам для жидких чернил, который имеет один канал, разделенный на две части, из них одна — для подвода воздуха внутрь резервуара, а другая — для стока чернил к концу пишущего острия;
а. с. 94 422: то же, но с целью увеличения емкости канала и подачи чернил к пишущему концу воздушный канал совмещен с крепежной резьбой наконечника.
Предпринимаются попытки увеличения числа функций за счет совмещения нескольких ТС в одной:
а. с. 75 821: авторучка для письма чернилами разных цветов, у которой внутри несколько отдельных пишущих наконечников, выдвигаемых из корпуса.
По новому кругу идет развитие рабочего органа — пера, превратившегося в целую подсистему— пишущий узел:
а. с. 825 357: перо для письма, в котором вместо фигурной пластины с пишущим острием и капиллярным чернилоподводящим каналом, образованным продольным разрезом (недостаточно надежная и сложная подача чернил, трудно получить необходимую жесткость пера), предложена пластина, имеющая продольную
21
у-образную складку, внутренняя полость которой образует капиллярный канал (рис. 2е);
а. с. 867 687: перьевая ручка с регулируемой шириной расщепа, содержит втулку с резьбой, которую вращают (это сокращает расход чернил при письме);
а. с. 941 225: пишущий узел перьевой авторучки, в которой для исключения неравномерной подачи чернил к кончику пера, подте-каемости, выброса чернил — предложен вкладыш из КПМ;
а. с. 1 076 321: то же, но втулка имеет переменное сечение.
Современный период характеризуется двумя тенденциями: 1. «Интеллектуализация» авторучки, резкое усложнение конструкции за счет введения электронных блоков, попытка увеличить полезную функцию путем тонкой и точной саморегулировки.
А. с. 1 214 495: авторучка, содержащая корпус, резервуар, пишущий наконечник с капиллярным каналом, электронный блок управления каплеобразования на выходе из наконечника, ОТЧСЦ1 повышения надежности содержит электрический датчик силы, преобразователь напряжения в частоту с усилителем, трансформаторный выход, который соединен с пьезоэлектрическим преобразователем (трубчатый, поляризованный в радиальном направлении), в котором расположен капиллярный канал. Нажим пальцем внизу ручки на пластину датчика, срабатывает преобразователь (трубчатый), объем капилляра уменьшается, выталкивается капля из выпускного отверстия. При увеличении силы надавливания увеличивается частота выталкивания капель: от 0 до 2 килогерц и более.
2. Появились первые признаки сворачивания этой ТС.
А. с. 1 250 478: инструмент Котова для письма (рис. 2 ж); письмо с использованием движения пальца руки (прототип — пат. Франции 1 264 621).
Однако еще в самый разгар усовершенствования авторучки Появилась новая техническая система. Один из главных недостатков авторучки — кляксы. И в 1938 году венгерский журналист и издатель Ласло Виро изобрел шариковую авторучку, взяв за основу быстросохнущую типографскую краску. Получив патент, перед началом войны он уехал в Аргентину и начал там серийное производство ручек. Находившийся в то время в Южной Америке англичанин Генри Мартин быстро оценил значение шариковой ручки. Шла вторая мировая война, и штурманы бомбардировочной авиации испытывали немалые сложности, делая навигационные расчеты в воздухе: традиционные перьевые ручки для этого не годились, так как при перепадах давления из них вытекали чернила, а работать карандашами было неудобно. За немалую сумму Мартин приобрел у братьев Виро право на выпуск шариковых ручек
1 ОТЧСЦ — отличающийся (-аяся, -ееся) тем, что с целью...
22
в Англии. Переоборудовав заброшенный ангар, он начал их изготовление специально для королевских военно-воздушных сил. Скоро производство было налажено и в США. За один только год американские и британские штурманы получили 30 тысяч шариковых ручек.
21 октября 1945 года один из нью-йоркских универмагов предложил шариковые ручки обычным покупателям. Успех был огромен. За день удалось продать 10 тысяч ручек, хотя стоила новинка недешево — столько, сколько американский промышленный рабочий получал за восемь часов работы. В 1948 году производством шариковых ручек занялась известная фирма «Паркер».
Подлинно массовое производство, которое привело к быстрому падению цен на новинку, первой освоила французская фирма «БИК». Сегодня она ежедневно выпускает более 10 миллионов шариковых ручек. Массовый выпуск подтолкнул к совершенствованию всех подсистем шариковой авторучки. Прежде всего рабочего органа (шарика):
а. с. 77 080: пишущее устройство к автоматическим ручкам, в которой удерживающая шарик поверхность имеет пазы для лучшего его смачивания;
а. с. 1 234 228: инструмент для письма, содержащий шарик, трубчатый корпус, резервуар для красителя (рис. 2з), в котором для повышения надежности в работе и качества наносимых линий, шарик выполнен с углублениями в виде радиальных каналов, часть из них имеет конусообразное сужение к центру шарика, с диаметром входного отверстия больше, чем у остальных каналов. При вращении через освободившиеся от краски каналы поступает порция замещающего атмосферного воздуха. В зависимости от количества каналов с конусообразным сужением и их расположением получают орнаментированную несплошную линию. Шарики могут быть различного диаметра в съемных наконечниках.
Применение пасты вместо чернил со временем выявило недостатки, присущие только пасте. В патентном фонде есть множество технических решений по предотвращению образования в пасте воздушных пузырей, пробок. Первые шариковые ручки имели поршень в резервуаре, он осуществлял давление (пружиной или винтом) на пасту—подача к шарику была равномерной. Однако, при прекращении письма происходило излишнее протекание пасты, необходимо было освобождать поршень от действия пружины — это усложняло конструкцию.
А. с. 85 680: для упрощения поршень работал лишь под атмосферным давлением, так называемый плавающий поршень.
Были попытки заменить пасту чернилами:
а. с. 80 986: шариковая ручка для обыкновенных жидких чернил (не нужны специальные чернильные пасты), но это изобре-
23
тение — от бедности, поскольку не было отечественной пасты. Хотя решение, в целом, прогрессивно — при использовании чернил требуется меньшее усилие при писании.
Начали появляться новые подсистемы:
а. с. 1 164 072: авторучка, содержащая трубчатый резервуар с электрическим нагревательным элементом, контактирующий с поверхностью письма элемент. В целях увеличения надежности в работе трубчатый резервуар выполнен из трех слоев (средний слой электропроводящий), содержит источник тока.
Прототип этого изобретения — пат. США 3 725 284, в котором электронагрев происходит снаружи стержня; стержень плохо прогревается при низких температурах, конструкция ненадежна, включение осуществляется поворотом колпачка.
Разработано множество составов паст. Главные требования к пасте противоречивы:
—	паста в шариковой ручке не должна застывать минимум год, а попав на бумагу (20—30 сек.) — высохнуть;
—	паста должна быть жидкой, чтобы хорошо смачивать шарик и оставлять четкий непрерывный след на бумаге, и в то же время должна быть густой, чтобы не вытекать из ручки в нерабочем положении (когда висит, лежит);
—	записи, сделанные пастой, должны длительное время не выцветать, не изменять свой цвет, не осыпаться.
Одно из удачных решений: использование олигомерных составов (промежуточное положение между мономерами и полимерами), они достаточно жидки, а попав на бумагу, быстро полимеризуются и химически связывают красители (Химия и жизнь. 1980. № 8. С. 47).
«Интеллектуализация» не минула и шариковую ручку:
а. с. 1 113 281: шариковая авторучка, которая для расширения функциональных возможностей содержит электромеханический преобразователь, датчик тактильной чувствительности и тактильную ячейку в виде прямоугольной матрицы Брайля; электромеханический преобразователь (пьезокерамические стержни) с частотой 210—220 герц. Для слабовидящих — запись в виде кода Брайля.
Как и всякая ТС (и в первую очередь ТС, близкие человеку), шариковая ручка адаптируется к руке, в частности, в процессе динамизации появляются гибкие конструкции:
а. с. 1 202 902: шариковая авторучка, у которой кончик стержня вместе с трубчатым пластичным корпусом может изгибаться (при ввинчивании колпачка) так, чтобы всегда был угол 90 градусов к поверхности письма (наилучшее рабочее положение шариков — в зависимости от анатомического строения кисти руки).
Одно из решений, к которому часто возвращались,— замена пасты жидкими чернилами. Это не случайно: шарик легче крутится 24
в чернилах, а значит рука устает не так быстро, и пишется легче (почерк лучше). Шариковая ручка появилась как альтернатива «чернильным ручкам», поэтому в прямом виде такой возврат не произошел.
«В недрах» старой ТС зародилась и быстро развилась новая система — фломастер. Прообразы этого устройства можно найти и в системе карандаш («химический»), и в перьевых ручках (использование КПМ), и в авторучках (запас жидких чернил), и в шариковых ручках (корпус -I- пишущий стержень, заостренный конец).
Приведем лишь два характерных изобретения:
а. с. 294 305 (пат. СССР, японская фирма): пишущим наконечником для авторучки (фломастера) был стерженек с продольными канавками снаружи, предложено — внутренний капиллярный канал 0,02—0,04 миллиметра с радиальными каналами и поперечными кольцевыми канавками;
а. с. 1 158 382: прибор для письма, содержащий корпус, резервуар для красителя, насадок с капиллярным каналом для выхода красителя, и средство для выброса красителя через насадок. В целях повышения качества письма и удобства пользования средство для выброса выполнено в виде намотанного на резервуар металлопленочного конденсатора, одна обмотка которого через выключатель связана с насадком. Конденсатор заряжают от внешнего источника. Под действием электростатических сил краситель выталкивается из капиллярного канала наконечника насадка, одноименно заряженные частицы красителя отталкиваются. Толщина линии зависит от зарядного напряжения.
Появление ЭВМ и быстро печатающих устройств потребовало изобретения принципиально новых способов автоматического письма. Одно из первых изобретений — а. с. 147 105: перо для осуществления записи на термической бумаге (рис. 2и): рабочая часть в виде петли токопровода, защищенной керамикой.
В числе последних разработок Института кибернетики АН УССР (НТР: проблемы и решения. 1988. № 3. С. 2) — сверхскоростной способ письма. ТС пишет обычными чернилами на обычной бумаге. Но в «новой» ручке нет ни шарика, ни пера, ни стержня, которые имели бы механический контакт с бумагой. Эффект письма достигается тем, что устройство выстреливает капли чернил объемом в несколько сот кубических микрон со скоростью до 10 тысяч капель в секунду. Поэтому скорость письма достигает огромной цифры: 8—12 метров в секунду. Производительность устройства возрастает в десятки раз, добавим к этому еще возможность получения цветных изображений.
25
2.3.4.	Изобретение книгопечатания
Изобретение книгопечатания (Наука и жизнь. 1972. № 5. С. 76—84) — революция в распространении знаний и в обмене информацией.
Идея, предшествовавшая изобретению книгопечатания, возникла в незапамятные времена. Еще до иероглифов и клинописи скотоводы клеймили животных (быков, коней): у каждого рода свой тавр. Печать — от старославянского «тавро», «выжженный знак». Печать на товары купцов. Печать царя. Одно тавро — на тысячи животных, одна печать — на тысячи штук товаров... Почему бы с помощью такого приспособления не оттиснуть какой-либо важный документ (молитва, гимн, манифест)?
Древнейший первый письменный памятник, документ, изготовленный способом штемпелевания на глине — знаменитый диск из Феста (II—III тысячелетие до н. э.), найденный на Крите. К сожалению, расшифровать текст еще никому не удалось. Необходимость, общественная потребность диктовали массовое применение штемпелевания и тиснения — например, монетные дворы. В Китае для копирования текстов в условиях, когда переписчики знали лишь небольшую часть иероглифов (3—5 тысяч из 40 тысяч), а требовалось точное воспроизведение, копии делали на доске: вырезали иероглифы, наносили краску, накладывали бумажный лист и терли мягкой щеткой (VI в. н. э.). Гутенберг сделал сильнейшее изобретение: вместо неподвижных, неизменяющихся китайских досок (для каждого текста — новую доску!) применил подвижный запас букв — для печатания любых текстов.
До Гутенберга были известны только два способа: штемпелевание (диск из Феста) и оттиск с досок (Китай). Гутенберг объединил эти два способа, хотя оттиск с досок и не был ему известен.
Крупнейшее китайское изобретение — бумага — быстро распространилось по всему миру, подкупала его дешевизна по сравнению с пергаментом и папирусом. На первое русское евангелие новгородского посадника Остромира ушло целое стадо быков, коров и телят. Папирус рос только в долине Нила. Бумага же изготовлялась из тряпок, веток, коры...
Оттиск с доски китайцев производился с использованием рыхлой бумаги (как промокашка), поэтому краска пропитывала лист насквозь, и не требовалось прибегать к зеркальному способу вырезывания знаков на доске. Европа носила в средние века льняные одежды, а лен придавал бумаге плотность, гибкость, блеск и белизну.
Первая острая потребность в печатании возникла из-за игральных карт, завезенных в Европу крестоносцами с Востока. Игра молниеносно распространилась, а с ней и мошенничество —
26
из-за ручного изготовления карт (легко подделать) расплодилось много шулеров. Чтобы уменьшить возможность подделки, карты стали гравировать на металлических листках. Отсюда было легко перейти к получению оттисков вместо деревянных клише. Кроме того, этим способом заинтересовалась церковь, и пошли в народ потоки благочестивых картинок... Текст на картинках писался от руки, очень кратко (убийство Авеля Каином и т. п.). Серии гравюр сшивались и становились первыми предкнигами.
Самые употребительные гравюры, например, календари, печатались с текстом. Затем был широко напечатан учебник по латинской грамматике для всех европейских университетов.
Основная причина возрастания потребности в печатании книг — резкое увеличение грамотности населения к XV веку. Торговля, бюргерство, судопроизводство потребовали большое количество грамотных людей (знающих, умеющих быстро воспринять предшествующий опыт и современную информацию).
Главный смысл изобретения Гутенберга — подвижные буквы, вырезанные зеркально. Можно набирать из них строки и с помощью пресса оттискивать на бумаге, это было не сложно.
Первый шрифт Гутенберга — деревянный (не очень прочный материал). Поэтому он находит соотношение легкоплавких металлов и изобретает сплав. Из железа Гутенберг вырезает модель выпуклой буквы — пуансон. Надавливая пуансоном на более мягкий металл (медь), получают обратное вдавленное изображение буквы. Это матрица. Заливая матрицы легкоплавким металлом (свинец, олово), получают любое количество литер. Затем берется линейка с бортами — верстатка — и набирается из литер текст. Строки укладываются под пресс с заготовленным листом бумаги, нажим рукоятки — оттиск готов.
Книгопечатание быстро распространилось по Европе. В 1469 году началось книгопечатание в Венеции. Один из венецианских владельцев типографии — Альдо, стремясь придать книге изящество и безукоризненность, изобрел четкий, красивый рисунок шрифта — курсив. Он же учредил (изобрел) издательство. Огромные фолианты уменьшаются до томиков, доступных по цене многим. В издательстве он организует редакционный совет (30 писателей и ученых) для повышения качества книг. Совершенствуется бумага, шрифты, гравюры, переплет... За свою жизнь Альдо выпустил 153 книги.
К концу XV века было напечатано 10 миллионов книг! Из них до нашего времени дошло 40 тысяч.
В сущности произошла революция — массовое внедрение технического достижения. Резко возросла скорость распространения знаний, а с ними и гуманистических учений.
27
2.3.5.	Зарождение системы связи (приема-передачи информации)
Возникновение потребности. Потребность в передаче, приеме и анализе информации намногс старше человека. Она появилась вместе с возникновением жизни: сначала в виде простого отражения изменений окружающей среды, затем с появлением и развитием адаптивных (приспособительных) механизмов появились датчики изменений среды, которые развились впоследствии в сложную систему органов по сбору и обработке информации. Долгий путь эволюционного развития жизни дал человеку две основные информационные системы — слух и зрение.
С появлением примитивных общественных отношений у неандертальцев возникла потребность в обмене информацией между членами группы. Жесты, позы, простейшие звуковые сигналы уже не удовлетворяли потребность. Развилась речь — звуковой канал передачи информации, а значительно позднее — письменность и различные графические знаковые системы (например, рисунки), то есть оптический канал передачи информации. С развитием общественных отношений, с усложнением организации общества увеличивалось количество связей и требования к оперативности передачи информации. Несистематическая устная передача информации, случайная циркуляция слухов, глашатаи на площадях и т. п.— все эти прежде хорошо работавшие способы не могли обеспечить быструю и точную передачу, например, экстренных сообщений.
Главная полезная функция (ГПФ) будущей системы: высококачественная (безошибочная) передача информации достаточного объема на большие расстояния с высокой скоростью. Эта формулировка ГПФ системы связи действует на протяжении всей истории развития этой системы и будет действовать в будущем. По этой ГПФ можно безошибочно определить принадлежность той или иной ТС к связи.
Такая формулировка совсем не означает, что к прошлым ТС мы предъявляем сегодняшние требования: все дело в том, какие требования стояли за словами этой формулировки на каждом конкретном этапе развития. А стояли тогда весьма скромные по нашей сегодняшней мерке задачи. Но это отнюдь не означает, что и задачи были слабыми: открытие, например, многих электрических явлений было более значительным событием, чем открытие лазера.
Синтез новой системы (пока еще не технический). Повсеместно появились гонцы — пешие или конные — для передачи устной или письменной информации. Системы гонцов возникали при главных лицах общественной иерархии. Но предел физических сил людей и животных сильно ограничивал скорость и расстояние
28
передачи информации. Как ускорить? Тут-то и возникло первое противоречие в развитии системы связи: звук голоса движется быстро (330 метров в секунду), но недалеко (десятки метров), а гонец движется медленно (5—10 метров в секунду), но далеко (несколько десятков километров).
Первое изобретение, разрешающее это противоречие, появилось в Персии при царе Кире в 530 году до н. э. На определенном расстоянии друг от друга ставили людей, и они передавали по цепочке сообщения. Юлий Цезарь описал подобную систему древних галлов: они могли передавать сообщения на расстояние 300 километров за три часа (около 25 метров в секунду на сотни километров). Использован прием объединения, образовалась полисистема. И прием увеличения, так как уже существовала передача приказов в армии — по цепи или по колонне.
Постепенно выявились недостатки этой системы: 1) звук сильно слабел с увеличением расстояния между звеньями цепи, требовалось слишком большое количество людей при передаче на большие расстояния; 2) низкая скорость приема — передачи в звене и ошибки в звеньях.
В 1670 году англичанин С. Морленд изобрел рупор — воронкообразную трубу из жести, стекла, латуни, меди, длиной до 6 метров. Рупор концентрирует звук, собирая его в пучок в одном направлении, слышимость до 1,5 мили. Это свойство было известно и ранее — в духовых музыкальных инструментах («иерихонская труба»).
Параллельно развивалась система передачи информации без участия человеческого голоса: в Африке — барабаны-тамтамы, в древней Греции — костры, в России — дым от костров на холмах и курганах. Плохо: лишь «да» и «нет». Система осталась только в маяке и светофоре. Затем в Древней Греции появилась факельная сигнализация: алфавит передавался факельными знаками. Эта система сохранилась до XX века: морская флажковая сигнализация. Оптическая система передачи информации также имела недостатки: малый объем сообщений, низкая скорость передачи (долго составлять сообщения из букв). Однако главное преимущество — неизмеримо более высокая скорость распространения света — обусловило развитие именно этой системы.
Усоверщенствовал систему оптической связи французский механик К. Шапп, который в 1789 году изобрел оптический телеграф. На башне располагалось устройство из подвижных черных (хорошо видимых днем) планок. Переставляя планки, можно было получить двести различных фигур. Шифр занимал 92 страницы по 92 слова на каждой. Телеграфист передавал сначала номер страницы, затем номер слова. Первая линия из двадцати башен связала в 1794 году Париж с Лиллем. Скорость сообщения в обоих направлениях сначала составляла 45 минут, а затем при повышении квалификации
29
телеграфистов достигла 6 минут. Телеграфом заинтересовался сам Наполеон, и вскоре это устройство получило довольно широкое распространение.
Россия закупила такие устройства у фирмы «Шапп», несмотря на то, что еще в 1794 году И. П. Кулибин изобрел более совершенную и удобную в обращении, хотя и похожую систему, причем уже в том же году он продемонстрировал модель своей «дальноизве-щающей машины». Первые линии связали Петербург с Шлиссельбургом и Кронштадтом, а в 1839 году — с Варшавой (1 200 километров).
Принципиально система Шаппа ничем не отличалась от предыдущих. Ей были присущи те же недостатки: зависимость от метеоусловий (дождь, ветер, туман), малая скорость промежуточной приемо-передачи), множество ошибок при передаче на большие расстояния.
Что требовалось для увеличения Г ПФ? — Исключить все промежуточные звенья, кроме первого и последнего, при сохранении между ними скорости передачи, равной скорости света. Заменить среду передачи сигнала (воздух), подверженную случайным мешающим влияниям.
— Г. В. Рихман (1711 —1753 гг.), первый электрик России, сподвижник и друг М. В. Ломоносова. Изобрел прибор под названием «Утеха глазам». Включая в цепь электрический звонок, он обратил внимание на искры, проскальзывающие между молоточком и колокольчиком в момент удара. Разорвав проволоку на множество звеньев, он соединил места разрывов льняной нитью. В этих промежутках также проскакивали искры. «Подобную цепь можно изогнуть и так укрепить,— пишет изобретатель,— чтобы она образовывала буквы. Отсюда легко понять, что возбуждая электричество, можно показывать буквы и разнообразные фигуры, способные доставлять утеху глазам» (Техника — молодежи. 1987. № 1. С. 42—43).
— Электростатический телеграф, Ч. Морисон, Шотландия, 1753 год. Электростатической машиной создается электрический заряд, который посылается по изолированному проводу в пункт назначения; для передачи буквенного текста между двумя пунктами берется столько проводов, сколько букв в алфавите. На станции приема этот заряд воспринимает шарик, который притягивает к себе бумажку с буквой.
— «Телефонное искусство», X. Вольке, содержатель одного из петербургских пансионов, 1795 год. Акустическая связь по трубам. Проект связи между Петербургом и Кронштадтом демонстрировался Екатерининскому двору.
— «Телефониум», В. Судр, Франция, 1828 год. Механическое устройство для передачи звуков на расстоянии (молоток, колокол, 30
металлическая труба для передачи звука). Подобное предложение: Ч. Уитстон, Англия, 1831 год.
— «Телефон», Е. Ромерсгаузен, Германия, 1838 год. Устройство для связи, основанное на способности железнодорожных рельсов далеко проводить звук.
— «Шнурковый телефон», Р. Гук, 1867 год. Между двумя коробками натягивалась нитка (шнурок), которая крепилась в дне коробки узлом, при натяжении нитки звук передавался от одной коробки к другой (дно коробок служило мембраной) — известная детская игрушка.
В числе изобретений — источник электрического тока Вольта (1800 г.), электрический телеграф Земмеринга (1809 г.), сигнализирующий о передаваемой букве разложением воды в ванночке у одного из 35 проводов, открытие Эрстедом (1820 г.) магнитного действия электрического тока, электромагнитный телеграф П. Л. Шиллинга (1828 г.), первые пишущие телеграфы Б. С. Якоби и С. Морзе (1837 г.), буквоп штающий телеграф Д. Юза (1855 г.), изобретение телефона, радио...
2.3.6.	Возникновение и развитие паровой машины
Силу пара знали еще древние (Архимед, Герон Александрийский, Леонардо да Винчи). Герон более 2 тысяч лет назад изготавливал не только игрушки, приводимые в действие паром, но и создал паровую машину, открывавшую двери храма. Древние греки не использовали паровые двигатели только потому, что труд рабов был дешевле, у них не было стимула совершенствовать технику.
Только в XVII веке (1615 г.) француз С. де Ко воспроизвел машину Герона: через герметичную крышку бака с водой выходила труба, бак ставили на огонь, вода закипала и пар поднимал воду в трубе, сколь бы она ни была высока. Опыт наглядно демонстрировал силу пара.
Уже первые модели паровых машин имели все составные части технической системы: источник энергии (ИЭ) — огонь, двигатель (Дв) — котел с водой, преобразующий тепловую энергию в механическую (расширение пара), трансмиссия (Тр) —труба, рабочий орган (РО) — пар, изделие — вода в трубе, орган управления (ОУ) — человек (с помощью огня).
В 1663 году была запатентована и заработала машина маркиза Уорчестера. Машина имела паровой котел, от него шла труба к двум бакам с водой. При открытии крана на одной из труб вода из бака вытеснялась паром в водоподъемную трубу, в это время второй бак заполняли свежей порцией воды, кран на первой трубе
31
Рис. 4. Паровая машина Ньюкомена:
/ — насос, 2 — источник воды, 3 — емкость, 4 — коромысло, 5 — рабочий цилиндр, 6 — емкость с водой, 7 — котел, А, В, С, Д — краны
Рис. 3. Паровая водоподъемная машина Т. Сэвери:
/ — котел, 2 — бак с водой, 3 — приемная емкость, 4 — источник воды, А, Б — кла паны
закрывался, в котле поднималось давление, открывался второй кран и т. д.
РО усложнился — появились баки и краны, давшие возможность управлять уже самим рабочим органом. РО развивается дальше: при неизменной схеме работы остальных частей (ИЭ — Дв^Тр), появляются элементы автоматического действия (клапаны) и новый принцип обработки изделия — воды (всасывание вместо нагнетания).
В 1698 году английский инженер Т. Сэвери получил патент на паровую водоподъемную машину (откачка воды из шахт), в которой, в отличие от машины Уорчестера, в водоподъемной трубе были установлены клапаны (рис. 3). Вентиль на паровом котле открывался, пар вытеснял воздух из бака с водой, при этом клапан А открывался (клапан Б закрыт), и вода попадала в приемную емкость. Потом бак охлаждался водой, в нем резко падало давление, образовывался вакуум, через клапан Б (клапан А закрыт) из источника воды подсасывалась вода и цикл повторялся. Модель машины с успехом демонстрировалась Королевскому обществу.
В 1705 году был выдан патент кузнецу и железоторговцу Т. Ньюкомену на водоподъемную машину, в которой впервые использовались цилиндры с поршнем (рис. 4).
Поршень насоса под действием собственного веса опускался вниз, вода из цилиндра вытеснялась в емкость (кран А открыт,
32
Рис. 5. Универсальная паровая машина Ползунова:
/ — двухцилиндровый двигатель, 2 — воздуходувные меха, 3— аккумулятор давления, 4 — сжатый воздух, поступающий в плавильные печи по трубам
4
5
Рис. 6. Схема воздуходувной установки Ползунова:
/ — цилиндр, 2—3 — балансиры, 4—5 — малые полубалансиры, 6—7 — пароводораспределительный механизм, 8—полубалансир, 9—насос, 10—воздухонагнетательные меха, 11 — коллектор, 12 — аккумулятор
кран В закрыт)-, в это время рабочий цилиндр был заполнен паром, поступившим из парового котла (кран Д открыт, кран С закрыт). Коромысло наклонялось влево, толкало поршень насоса. Затем рабочий цилиндр охлаждался водой снаружи (после усовершенствования впрыскивал воду в цилиндр), пар в рабочем цилиндре конденсировался, и давление падало ниже атмосферного. Впрыск воды из емкости — открывался кран С. В рабочем цилиндре образовывался вакуум, и поршень под действием атмосферного давления опускался вниз, коромысло поворачивалось вправо, поршень насоса поднимался, клапан В открывался, цилиндр насоса заполнялся водой из источника. Цикл повторялся. Машина называлась атмосферной.
Уже к 1770 году на севере Англии работало около 100 таких машин, а к 1780 году на Корнуэльских оловянных рудниках (юго-запад Англии) было задействовано не менее 70 машин.
При работе машины требовалось открывать и закрывать краны, подающие в цилиндр то пар (Д), то воду (С). Гемфри Поттер, один из мальчиков, приставленных к такой машине, открыл эпоху автоматических машин: он связал краны с коромыслом веревкой, и они стали сами открываться и закрываться.
Вытеснение человека из ТС продолжалось и далее.
В 1763 году И. И. Ползунов, после знакомства с работами Сэвери и Ньюкомена, разработал проект первой в мире универсальной паровой машины, мощностью 1,8 лошадиной силы. В отличие от машины Ньюкомена, которая не могла непрерывно производить работу и поэтому использовалась для привода орудий
3 Зак. 2148
33
Рис. 7. Схема машины Д. Уатта:
/, 2, 6, 8 — клапаны, 3 — насос, 4 — емкость с водой, 5 — конденсатор пара, 7 — паровая рубашка, 9 — котел
прерывного действия (например, водооткачивающих насосов), машина Ползунова могла производить работу непрерывно, то есть была спроектирована как универсальная (рис. 5). Им были применены два цилиндра (бисистема), поршни которых поочередно передавали работу на общий вал. Впервые выдвинутый Ползуновым принцип сложения работы нескольких цилиндров на одном валу нашел в дальнейшем широкое применение (в том числе в ДВС). Ползунов также разработал специальное автоматиче
ское устройство, производящее распределение пара и воды (поз. 6, 7 на рис. 6).
Джеймс Уатт открыл мастерскую по ремонту различных приборов, изучал свойства воды и водяного пара, определил опытным путем зависимость между давлением и температурой насыщенного водяного пара. В 1764 году ему принесли для ремонта модель машины Ньюкомена. Внимательно изучив машину, он правильно определил ее большой недостаток: из-за впрыскивания
воды для конденсации пара цилиндр машины сильно охлаждался, и при подаче пара его необходимо было снова нагревать (большой расход тепла и топлива). Уатт сделал два важных усовершенствования: конденсатор пара (пар конденсировался не в цилиндре, а в конденсаторе) и паровую рубашку вокруг цилиндра (рис. 7). Это существенно повысило к.п.д. машины.
Насосная паровая машина Уатта оказалась такой удачной, что к 1790 году на Корнуэльском руднике все машины Ньюкомена, кроме одной, были заменены машинами Уатта (пат. 1769 г.).
Область применения паровых машин расширялась, большие заказы поступали со стороны развивающейся текстильной промышленности, требовались универсальные двигатели для привода вращающихся станков.
Патент на универсальный паровой двигатель Уатт получил
34
в 1781 году. Он разработал и создал паровую машину с цилиндрами двойного действия, разработал центробежный регулятор и индикатор. Начал применять давно известный кривошипно-шатунный механизм.
Через двадцать лет усовершенствований Уатт избавился от холостого хода: закрыл цилиндр крышкой с сальником, теперь можно было подавать пар поочередно по обе стороны поршня — появилась машина непрерывного действия. В паровую рубашку подавался отработанный пар, создавалась теплозащитная оболочка. В конденсаторе пар отдавал тепло холодной воде, которая поступала в котел. Для управления подачей пара Уатт изобрел золотник, заменивший систему кранов: он перемещался поршнем машины посредством специальных тяг. Центробежный регулятор был необходим для перемещения заслонки в паропроводе — для поддержания постоянной скорости машины (несмотря на изменение нагрузки и давления пара в котле).
2.3.7.	Колесо телеги
ТС, отшлифованные «естественным отбором» по МПиО, достигают совершенства, их элементы взаимодействуют друг с другом самым оптимальным образом, то есть идеально подстроены под законы реального мира (физические, химические, биологические, экономические), настроены на максимальное выполнение полезных функций. При этом создатели этих ТС зачастую не имеют понятия о законах, оптимальном проектировании, изобретательстве...
Д. Стэрт, автор книги (исследования) «Колесная мастерская», пишет: «Какой смысл в развале и чашеобразности колес? К стыду своему, я должен признаться, что этот вопрос мучил меня много лет, даже после того, как я убедился в многочисленных преимуществах этой странной формы и в том, что колеса без развала могут не пройти и мили. Ясно, что развал нужен, но зачем? Почему колесо без него всегда выворачивается наружу, как зонтик на ветру? Почему под грузом, если он и в самом деле слишком тяжел, колесо никогда не ломается каким-нибудь другим образом, а всегда одним и тем же?»
Лишь много позже он наткнулся на правильный ответ, когда заметил, что колеса оставляют на дороге волнистый след, раскачиваясь из стороны в сторону при каждом шаге лошади. «Нагруженный кузов телеги или повозки, раскачиваясь в такт с шагом лошади, наносит колесам резкие удары то с одной, то с другой стороны. Он движется из одной стороны в другую и бьет по ступицам колес. Восприняв толчок, левое колесо тотчас же передает нагрузку правому и наоборот.
И так изо дня в день, в любой упряжке. На колеса действует
35
не только вертикально направленный вес груза, им приходится также все время воспринимать усилия, приложенные к центру» (цит. по кн.: Джонс Дж. К. Методы проектирования. М.: Мир, 1986. С. 53—54).
Техническое решение, найденное и отработанное в течение нескольких веков, с большим трудом разгаданное современным исследователем, представляет собой пример ТС, настроенной (нацеленной) на максимальное выполнение ГПФ.
Но этот путь, путь бесчисленных неудач и успехов в процессе многовекового поиска по МПиО, слишком медленный и дорогостоящий.
2.3.8.	Поморский коч
Первобытный человек селился вдоль рек, поэтому одна из первых возникших потребностей была потребность переправы. Случайное открытие: бревно имеет хорошую плавучесть. После длительных наблюдений: бревно с дуплом имеет еще большую плавучесть. Искусственное дупло — челнок из ствола дерева.
Борьба за скорость, за непотопляемость — наблюдения за окружающей средой, труд — помогли изобрести весло, затем парус. Все изобретения делались по методу проб и ошибок: попробовали так — судно потонуло, значит, сделаем иначе. Удачные находки закреплялись, системы совершенствовались. Каждая ТС «отшлифовывалась» сотни лет.
Примером до предела усовершенствованной системы может служить поморский коч — деревянное парусное судно русского Севера. При сжатии во льдах оно не раздавливалось, а попросту выжималось вверх, так как имело специальную форму.
Ясно, что тысячи судов до этого блестящего изобретения погибли, потонули, исчезли, остались лишь суда с формой корпуса наиболее близкой к яйцевидной. Произошел своеобразный естественный отбор. Именно такую форму впоследствии применил на своем «Фраме» Нансен, а затем и создатель «Ермака» Макаров.
Кроме непотопляемости, кочи имели и великолепные ходовые качества — они проходили 70—80 (до 100) миль в сутки (английские торговые суда, заходившие в Архангельск, проходили не более 50 миль, а голландские фрегаты — 40 миль). Несмотря на это, царь Петр запретил под страхом наказания строить эти «староманерные» суда. Но попытка «директивного» торможения развития ТС не удалась — кочи строили до XX века.
Так что же, есть достижения у МПиО? Да, есть. Но какой ценой! Сколько лет! Сколько жизней! По подсчетам американ
36
ских исследователей Рехнитцера и Терри, за тысячелетия существования мореплавания в Мировом океане погибло около миллиона судов...
3.	ТЕХНИЧЕСКАЯ СИСТЕМА: ПОНЯТИЕ, ОПРЕДЕЛЕНИЕ, СВОЙСТВА
3.1.	ОБЩЕЕ ОПРЕДЕЛЕНИЕ ТС
Смысл системного подхода при исследовании процессов развития в технике заключается в рассмотрении любого технического объекта как системы взаимосвязанных элементов, образующих единое целое. Линия развития представляет собой совокупность нескольких узловых точек — технических систем, резко отличающихся друг от друга (если их сравнивать только между собой). Между узловыми точками лежит множество промежуточных технических решений — технических систем с небольшими изменениями по сравнению с предшествующим шагом развития. Системы как бы «перетекают» одна в другую, медленно эволюционируя, отодвигаясь все дальше от исходной системы, преображаясь — иногда до неузнаваемости. Мелкие изменения накапливаются и становятся причиной крупных качественных преобразований. Чтобы познать эти закономерности, необходимо определить, что такое • техническая система, из каких элементов она состоит, как возникают и функционируют связи между частями, каковы последствия от действия внешних и внутренних факторов и т. д. Несмотря на огромное разнообразие, технические системы обладают рядом общих свойств, признаков и структурных особенностей, что позволяет считать их единой группой объектов.
Каковы основные признаки технических систем? К ним можно отнести следующие:
—	системы состоят из частей, элементов, то есть имеют структуру;
—	системы созданы для каких-то целей, то есть выполняют полезные функции;
—	элементы (части) системы имеют связи друг с другом, соединены определенным образом, организованы в пространстве и времени;
— каждая система в целом обладает каким-то особым качеством, не равным простой сумме свойств составляющих ее элементов, иначе пропадает смысл создания системы (цельной, функционирующей, организованной).
Поясним это простым примером. Допустим, необходимо составить фоторобот преступника. Перед свидетелем поставлена четкая
37
цель: составить систему (фотопортрет) из отдельных частей (элементов), система предназначается для выполнения весьма полезной функции. Естественно, что части будущей системы не соединяются как попало, они должны дополнять друг друга. Поэтому идет длительный процесс подбора элементов таким образом, чтобы каждый элемент, входящий в систему, дополнял предыдущий, а вместе они увеличивали бы полезную функцию системы, то есть усиливали бы похожесть портрета на оригинал. И вдруг, в какой-то момент, происходит чудо — качественный скачок! — совпадение фоторобота с обликом преступника. Здесь элементы организованы в пространстве строго определенным образом (невозможно переставить их), взаимосвязаны, вместе дают новое качество. Даже если свидетель абсолютно точно идентифицирует по отдельности глаза, нос и т. д. с фотомоделями, то эта сумма «кусочков лица» (каждый из которых правильный!) ничего не дает — это будет простая сумма свойств элементов. Только функционально точно соединенные элементы дают главное качество системы (и оправдывают ее существование). Точно так же набор букв (например, а, л, к, е), соединившись только определенным образом, дает новое качество (например, слово елка).
Техническая система — это совокупность упорядоченно взаимодействующих элементов, обладающая свойствами, не сводящимися к свойствам отдельных элементов, и предназначенная для выполнения определенных полезных функций.
Таким образом, техническая система имеет четыре главных (фундаментальных) признака: функциональность, целостность (структура), организация, системное качество.
Отсутствие хотя бы одного признака не позволяет считать объект технической системой. Поясним эти признаки подробнее.
3.2.	ФУНКЦИОНАЛЬНОСТЬ
3.2.1.	Цель — функция
В основе любого трудового процесса, в том числе изобретательского, лежит понятие цели. Бесцельного изобретения не существует. В технических системах цель задается человеком, и они предназначены для выполнения полезной функции. Уже инженер Древнего Рима Витрувий утверждал: «Машина есть деревянное приспособление, которое оказывает большую помощь при поднятии тяжести». Цель — воображаемый итог, к которому стремятся, удовлетворяя потребность. Таким образом, синтез ТС — это целенаправленный процесс. Любое сегодняшнее состояние может иметь в будущем множество последствий, абсолютное большинство которых лежат в русле энтропийных процессов. Человек выбирает
38
цель и тем самым резко повышает вероятность нужных ему событий. Целенаправленность— эволюционно приобретенный (или заданный?...) навык борьбы с энтропийными процессами.
3.2.2.	Потребность — функция
Появление цели — это результат осознания потребности. Человек отличается от других живых существ тем, что ему свойственны повышенные притязания — намного выше возможности естественных органов. Потребность (постановка задачи) — это то, что нужно иметь (сделать), а функция — реализация потребности в ТС.
Потребность может быть удовлетворена несколькими функциями, например, потребность в обмене продуктами труда — натуральный обмен, по эквивалентам, денежная система. Так же и выбранная функция может быть воплощена в нескольких реальных объектах, например, деньги — медь, золото, бумага, зубы акулы и т. д. И, наконец, любой реальный объект может быть получен (синтезирован) несколькими путями или его работа может быть основана на разных физических принципах, например, бумагу можно получить различными способами, рисунок нанести краской, в виде голограммы и т. д. Таким образом, технические системы, в принципе, имеют множественные пути развития. Человек все же каким-то образом выбирает одну дорогу воплощения потребности. Критерий здесь единственный — минимум МГЭ (массы, габаритов, энергоемкости), иначе нельзя — человечество всегда было ограничено в наличных ресурсах. Хотя дорога эта зачастую извилиста, имеет множество тупиковых ответвлений и даже петель...
3.2.3.	Носитель функции
Возникновение потребностей, осознание цели и формулирование функции — это процессы, происходящие внутри человека. Но реально действующая функция — это воздействие на предмет труда (изделие) или служение человеку. То есть не хватает промежуточного звена — рабочего органа. Это и есть носитель функции в чистом виде. РО — единственная функционально полезная человеку часть технической системы. Все остальные части вспомогательны. ТС и возникали на первых этапах как рабочие органы (взамен органов тела и в дополнение им). И только потом, для увеличения полезной функции, к рабочему органу «пристраивались» другие части, подсистемы, вспомогательные системы. Этот процесс можно изобразить так:
39
Представим себе (пока умозрительно), что возможен и обратный ход — как продолжение данного.
Первая половинка процесса — развертывание техники, вторая свертывание. То есть человеку, в общем-то, нужна функция, а не ее носитель.
Для облегчения перехода от функции к ее носителю — рабочему органу будущей ТС — необходима точность в описании функции. Чем конкретнее описана функция, чем больше дополнительных условий, тем уже диапазон средств для ее реализации, тем определеннее ТС и ее структура. Мощным ограничителем вариантности служат выявленные закономерности развития рабочих органов в составе ТС.
3.2.4.	Определение функции
Функционирование — это изменение свойств, характеристик и качеств системы в пространстве и времени. Функция — это способность ТС проявлять свое свойство (качество, полезность) при определенных, условиях и преобразовывать предмет труда (изделие) в требуемую форму или величину. Для определения функции необходимо ответить на вопрос: что делает эта ТС? (для существующих ТС), или — что должна делать ТС? (для синтезируемых ТС).
3.2.5.	Иерархия функций
Каждая ТС может выполнять несколько функций, из которых только одна рабочая, ради которой она и существует, остальные — вспомогательные, сопутствующие, облегчающие выполнение главной. Определение главной полезной функции (ГПФ) иногда вызывает затруднение. Это объясняется множественностью требований, предъявляемых к данной системе со стороны выше и ниже лежащих систем, а также соседних, внешних и прочих систем. Отсюда кажущаяся бесконечность определений ГПФ (принципиальная неох-ватность всех свойств и связей). Пример: иерархия функций кирпича.
ГПФ-1 отдельного кирпича: держат^ свою форму, не разваливаться, иметь определенный вес, структуру, твердое^ Требование со стороны соседних систем (других кирпичей и раствора в будущей стене): иметь прямоугольные грани, схватываться
40
с раствором. ГПФ-2 стены: нести себя, быть вертикальной, не деформироваться при изменении температуры, влажности, нагрузки, ограждать что-то, нести нагрузку от чего-то. Кирпич должен соответствовать части требований ГПФ-2. ГПФ-3 дома: должен создавать определенные условия для внутренней среды, защиту от атмосферных воздействий, иметь определенный внешний вид. Кирпич должен выполнять часть и этих требований. ГПФ-4 города: определенный архитектурный облик, климатические и национальные особенности и т. д. Кроме того, требования и к самому кирпичу постоянно увеличиваются: он не должен впитывать грунтовую влагу, должен иметь хорошие теплоизоляционные свойства, звукопоглощающие свойства, быть радиопрозрачным и т. п.
Так вот, ГПФ данной системы — это выполнение требований первой вышестоящей системы. Все остальные требования, по мере удаления иерархического уровня, от которого они исходят, оказывают все меньшее влияние на данную систему. Эти над- и подсистемные требования могут быть выполнены и другими веществами и системами, не обязательно данной. Например, свойство прочности кирпича может быть достигнуто различными добавками в исходную массу, а свойство эстетичности — приклеиванием декоративной плитки на готовую стенку, для ГПФ кирпича (выполнять «требования» стены) это безразлично. То есть ГПФ элемента определяется системой, в которую он включается. Тот же кирпич может быть включен во множество других систем, где его ГПФ будет совершенно непохожей, а то и противоположной приведенной выше.
Пример. Определить ГПФ калорифера. Для чего калорифер? — Нагревать воздух в доме. Для чего нагревать воздух? — Чтобы его температура не упала ниже допустимой величины. Почему нежелательно падение температуры? — Чтобы обеспечить комфортные условия для человека. Для чего нужны комфортные условия человеку? — Чтобы уменьшить риск заболеть и т. д.
Это путь вверх по иерархии целей — в надсистему. Называемая на каждом этапе функция (цель) может быть выполнена и другой ТС. Калорифер входит в систему: «дом — воздух — человек — калорифер» и выполняет ее «требования».
Можно спуститься вниз по иерархии:
— что нагревает воздух? — тепловое поле;
— что производит тепловое поле? — нагревательная спираль;
— что действует на спираль для получения тепла? — электрический ток;
— что подводит электрический ток к спирали? — провода и т. д.
Итак, «требование» НС для калорифера — нагревать воздух. А что делает калорифер (его рабочий орган — спираль)? — Производит тепло, тепловое поле. Вот это и есть ГПФ калори
41
фера — производство тепла, как «ответ» на «требование» надсистемы. Здесь тепловое поле — изделие, «выпускаемое» технической системой «Калорифер». ГПФ надсистемы — обеспечение комфортных условий для человека.
3.3.	СТРУКТУРА
3.3.1.	Определение структуры
Совокупность (целостность) элементов и свойств — неотъемлемый признак системы. Соединение элементов в единое целое необходимо для получения (образования, синтеза) полезной функции, то есть для выполнения поставленной целг.
Если определение функции (цели) системы в какой-то мере зависит от человека, то структура — на,<более объективный признак системы, она зависит только от вида и материального состава используемых в ТС элементов, а также от общих законов мира, диктующих определенные способы соединения, виды связи и режимы функционирования элементов в структуре. В этом смысле структура — это способ взаимного соединения элементов в системе. Составление структуры — это программирование системы, задание поведения ТС с целью получения в результате полезной функции. Требуемая функция и выбранный физический принцип ее осуществления однозначно задают структуру.
Структура — это совокупность элементов и связей между ними, которые определяются физическим принципом осуществления требуемой полезной функции.
Структура остается неизменной в процессе функционирования, то есть при изменении состояния, поведения, совершения операций и любых других действий.
Главное в структуре: элементы, связи, неизменность во времени.
3.3.2.	Элемент структуры
Элемент, система — относительные понятия, любая система может стать элементом системы более высокого ранга, также и любой элемент можно представить как систему элементов более низкого ранга. Например, болт (винт + гайка) —элемент двигателя, который в свою очередь является структурной единицей (элементом) в системе автомобиля и т. д. Винт состоит из зон (геометрических тел), таких, как головка, цилиндр, резьба, фаска; материал болта — сталь (система), состоящая из элементов железа, углерода, легирующих добавок, которые в свою очередь состоят из молеку
42
лярных образований (зерен, кристаллов), еще ниже — атомы, элементарные частицы.
Элемент — относительно целая часть системы, обладающая некоторыми свойствами, не исчезающими при отделении от системы. Однако в системе свойства элемента не равны свойствам отдельно взятого элемента.
Сумма свойств элемента в системе может быть больше или меньше суммы его свойств вне системы. Иначе говоря, часть свойств элемента, включаемого в систему, гасится или к элементу добавляются новые свойства. В подавляющем большинстве случаев часть свойств элемента нейтрализуется в системе, как бы исчезает. В зависимости от величины этой части говорят о степени потери индивидуальности элемента, включенного в систему.
Система обладает частью свойств элементов ее составляющих, но ни один элемент бывшей системы не обладает свойством всей системы (системным эффектом, качеством). Когда песок перестает быть песком? — На ближайшем верхнем или нижнем «этаже»: песок — пыль — молекулы — атомы —...; песок — камень — скала...; «песчаные» свойства частично сохраняются при движении вверх и сразу исчезают при движении вниз по «этажам».
Элемент — минимальная единица системы, способная к выполнению некоторой элементарной функции. Все технические системы начинались с одного элемента, предназначенного для выполнения одной элементарной функции. С увеличением ГПФ начинается увеличение (усиление) каких-то свойств элемента. Затем идет дифференциация элемента, то есть разделение элемента на зоны с разными свойствами. Из моноструктуры элемента (камень, палка) начинают выделяться другие элементы. Например, при превращении каменного резца в нож выделились рабочая зона и зона ручки, а затем усиление специфических свойств каждой зоны потребовало применения разных материалов (составные инструменты). Из рабочего органа (РО) выделилась и развилась трансмиссия (Тр). Затем к РО и Тр добавляются двигатель (Дв), орган управления (ОУ), источник энергии (ИЭ). Система разрастается за счет усложнения своих элементов, добавляются вспомогательные подсистемы. Система становится высокоспециализированной, но наступает момент развития, когда она начинает принимать на себя функции соседних систем, не увеличивая количества своих элементов. Система становится все более универсальной при неизменном, а затем и сокращающемся количестве элементов.
43
Монове- Дифферен- Специа- Универса-
щество циация лизация лизация
Идеали- Монове-
зация щество
Развертывание ТС (появление и увеличение количества элементов)
Свертывание ТС (сокращение и уменьшение количества элементов до одного)
характерных для техники струк-
3.3.3.	Типы структур
Выделим несколько наиболее тур:
1.	Корпускулярная. Состоит из одинаковых элементов, слабосвязанных между собой, исчезновение части элементов почти не отражается на функции системы. Примеры: эскадра кораблей, песчаный фильтр.
2.	«Кирпичная». Состоит из одинаковых жесткосвязанных между собой элементов. Примеры: стена, арка, мост.
3.	Цепная. Состоит из однотипных шарнирно связанных элементов. Примеры: гусеница, поезд.
4.	Сетевая. Состоит из разнотипных элементов, связанных между собой или непосредственно, или транзитом через другие, или через центральный (узловой) элемент (звездная структура). Примеры: телефонная сеть, телевидение, библиотека, система теплоснабжения.
44
5.	Многосвязная. Включает множество перекрестных связей в сетевой модели.
6.	Иерархическая. Состоит из разнородных элементов, каждый из которых является составным элементом более высокого ранга и имеет связи по «горизонтали» (с элементами одного уровня) и по «вертикали» (с элементами разных уровней). Примеры: станок, автомобиль, винтовка.
По типу развития во времени структуры бывают:
1.	Развертывающиеся — с течением времени при увеличении ГПФ растет количество элементов.
2.	Свертывающиеся — с течением времени при росте или неизменном значении ГПФ количество элементов уменьшается.
3.	Редуцирующие — в какой-то момент времени начинается уменьшение количества элементов при одновременном уменьшении ГПФ.
4.	Деградирующие — уменьшение ГПФ при уменьшении связей, мощности, эффективности.
3.3.4.	Принципы построения структуры
Главный ориентир в процессе синтеза системы — получение будущего системного свойства (эффекта, качества). Важное место в этом процессе занимает этап подбора (построения) структуры.
«Формула» системы:
функция
структура
организация
системный эффект (качество)
Для одной и той же системы можно подобрать несколько различных структур — в зависимости от выбранного физического воплощения ГПФ. Выбор физического принципа должен основываться на минимизации М, Г, Э (массы, габаритов, энергоемкости) при сохранении эффективности.
Формирование структуры — основа синтеза системы. Среди принципов формирования структуры: принцип функциональности,
45
принцип причинности, принцип полноты частей, принцип дополнительности.
Принцип функциональности отражает примат функции над структурой. Структура обуславливается предыдущим выбором:
функция принцип действия структура.
Выбор принципа действия однозначно определяет структуру, поэтому их надо рассматривать вместе. Принцип действия (структура) — это отражение цели — функции. По выбранному принципу действия следует составить функциональную схему (возможно в вепольной форме). Функциональная схема строится по принципу причинности, так как любая ТС подчиняется этому принципу. Функционирование ТС — это цепочка действий-событий.
Каждое событие в ТС имеет одну (или несколько) причин и само является причиной последующих событий. Все начинается с причины, поэтому важный момент — обеспечение «запуска» (включения) причины. Для этого необходимо наличие следующих условий: 1) обеспечить внешние условия, не препятствующие проявлению действия, 2) обеспечить внутренние условия, при которых осуществляется событие (действие), 3) обеспечить извне повод, толчок, «искру» для «запуска» действия.
Главный смысл в выборе принципа действия — лучшее осуществление принципа причинности. Надежный способ выстраивания цепочки действий — от конечного события к начальному. Конечное событие — это действие, полученное на рабочем органе, то есть осуществление функции ТС.
Главное требование к структуре — минимальные потери энергии и однозначность действия (исключение ошибки), то есть хорошая энергетическая проводимость и надежность причинно-следственной цепочки.
При решении изобретательских задач, после формулировки ФП возникают затруднения при переходе к физическому принципу. Возможно, здесь поможет принцип причинности. ФП — это заказ, конечное действие, от него требуется выстроить цепочку причин-следствий до физэффекта.
Принцип полноты частей (закон полноты частей системы) может быть взят за основу при первом построении функциональной схемы. Возможна следующая последовательность шагов:
1.	Формулируется ГПФ.
2.	Определяется физический принцип действия рабочего органа на изделие.
3.	Отбирается или синтезируется рабочий орган.
4.	К рабочему органу «пристраивается» трансмиссия, двигатель, источник энергии, орган управления.
5.	Строится в первом приближении функциональная схема:
46
Проход энергии:
иэ
6.	Выявляются недостатки и возможные сбои в схеме. Разрабатываются более подробные схемы с учетом иерархии подсистем. Подсистемы, недостаточно хорошо выполняющие функции, достраиваются новыми элементами. Например:
Это обычный путь развертывания ТС, увеличение ГПФ за счет добавления новых полезнофункциональных подсистем.
Некоторое увеличение ГПФ возможно за счет уменьшения вредных связей и эффектов в подсистемах (без их усложнения).
Наиболее радикальный путь — идеализация ТС.
Принцип дополнительности заключается в особом способе соединения элементов при включении их в систему. Элементы должны быть не только согласованы по форме и свойствам (для того, чтобы иметь принципиальную возможность взаимного соединения), но и дополнять друг друга, взаимно усиливаться, складывать полезные свойства и взаимно нейтрализовать вредные. Это основной механизм возникновения системного эффекта (качества).
3.3.5.	Форма
Форма — это внешнее проявление структуры ТС, а структура — внутреннее содержание формы. Эти два понятия тесно взаимосвязаны. В технической системе может преобладать одно из них и диктовать условия воплощения другой (например, форма крыла самолета обуславливает его структуру). Логика построения структуры в основном определяется внутренними принципами и функциями системы. Форма в большинстве случаев зависит от требований надсистемы. Основные требования к форме:
—	функциональные (форма резьбы и т. п.);
—	эргономические (рукоять инструмента, сиденье водителя и т. п.);
47
— технологические (простота и удобство изготовления, обраб ки, транспортировки);
— эксплуатационные (срок службы, прочность, стойкое удобство ремонта);
— эстетические (дизайн — красота, «приятность», «теплота»..
3.3.6. Иерархическая структура систем
Иерархический принцип организации структуры возможе! только в многоуровневых системах (это большой класс современ ных технических систем) и заключается в упорядочении взаимодействий между уровнями в порядке от высшего к нижнему. Каждый уровень выступает как управляющий по отношению ко всем нижележащим и как управляемый (подчиненный) по отношению к вышележащему. Каждый уровень специализируется также на выполнении определенной функции (ГПФ уровня). Абсолютно жестких иерархий не бывает, часть систем нижних уровней обладает меньшей или большей автономией по отношению к вышележащим уровням. В пределах уровня отношения элементов равны между собой, взаимно дополняют друг друга, им присущи черты самоорганизации (закладываются при формировании структуры).
Возникновение и развитие иерархических структур не случайно, так как это единственный путь увеличения эффективности, надежности и устойчивости в системах средней и высокой сложности. В простых системах иерархия не требуется, так как взаимодействие осуществляется по непосредственным связям между элементами. В сложных системах непосредственные взаимодействия между всеми элементами невозможны (требуется слишком много связей), поэтому непосредственные контакты сохраняются лишь между элементами одного уровня, а связи между уровнями резко сокращаются.
Типичный вид иерархической системы:
48
В табл. 1 приведены названия иерархических уровней в технике (см. кн.: Дерзкие формулы творчества. Петрозаводск: Карелия, 1987. С. 17—18).
Таблица 1
Уровень (ранг ТС)	Название системы	Пример	Аналог в природе
1	Техносфера	Техника + люди + ресурсы + система пот ребления	Биосфера
2	Техника	Вся техника (все отрасли)	Фауна
3	Отрасль техники	Транспорт (все виды)	Тип
4	Объединение	Аэрофлот, автотранспорт, ж/д транспорт	Класс
5	Предприятие	Завод, метро, аэропорт	Организм
6	Агрегат	Локомотив, вагоны, рельсовый путь	Органы тела: сердце, легкие и т. д.
7	Машина	Локомотив, автомобиль, самолет	Клетка
8	Неоднородный механизм (совокупность узлов, позволяющая осуществлять перевод энергии и вещества из одного вида в другой)	Электростатический генератор, двигатель внутреннего сгорания	Молекулы ДНК, РНК, АФТ
9	Однородный механизм (совокупность узлов, позволяющая изменить энергию и вещество, не меняя их вида)	Винтовой домкрат, тележка, парусное оснащение, часы, трансформатор, бинокль	Молекула гемоглобина способная транспортировать кислород
10	Узел	Ось и два колеса (появляется новое свойство — способность ка чения)	Сложные молекулы, полимеры
11	Пара деталей	Винт и гайка, ось и колесо	Молекула, образован ная разными радика лами, например: С2Н5 - С = О 6 - н
12	Неоднородная деталь (при разделении образует неодинаковые части)	Винт, гвоздь	Несимметричная углеродная цепь —С—С—С-С-С—С- С
4 Зак 2148
Продолжение
Уровень (ранг ТС)	Название системы	Пример	Аналог в природе
13	Однородная деталь (при разделении образует одинаковые части)	Проволока, ось, балка	Углеродная цепь —С—С—С—С-С—С-
14	Неоднородное вещество	Сталь	Смеси, растворы (мор ская вода, воздух)
15	Однородное вещество	Химически чистое железо	Простое веществе (ки слород, азот)
Основные свойства иерархических систем:
1.	Двойственность качеств элементов в системе — элемент одновременно обладает индивидуальными и системными качествами. Входя в систему, элемент теряет свое исходное качество. Системное качество как бы забивает проявление собственных качеств элемента. Но полностью это не происходит никогда. Химические соединения, имея системные физико-химические свойства, сохраняют и свойства входящих в них элементов. На этом основаны все методы анализа состава соединений (спектральный, ядерно-магнитный резонанс, рентгеновский и т. д.). Чем сложнее иерархическая структура (организация) системы, тем выше ее индивидуальные качества, тем четче они выступают в надсистеме, тем менее она связана с другими элементами (системами) надсистемы. На более низких уровнях происходит упрощение элементов (системам не нужны «сложные» вещи, нужна простая полезная функция). В результате этого вещи утрачивают свою самобытность, конкретную индивидуальность, становятся безразличными к своей вещественной индивидуальной форме.
Утрата индивидуальности — это цена, «заплаченная» элементами за приобретенную ими способность выражать отдельные стороны системных связей в иерархии. (Как в обществе: человек на производстве не субъект, не неповторимая индивидуальность, не творец своих обстоятельств, он — функция, объект, вещь). Это свойство иерархических систем является причиной распространенного вида психинерции изобретателя: он видит одно (главное, системное) свойство элемента и не видит множества его прежних индивидуальных свойств.
2.	Диктат верхних уровней над нижними — основной порядок иерархии (аналог в обществе: единоначалие, авторитарное руководство) .
50
Самый нижний уровень иерархии — рабочий орган или его рабочая часть, зона, поверхность (в каждой подсистеме свой рабочий орган). Поэтому все управляющие воздействия (сигналы) и энергия обязательно доходят до рабочего органа, заставляя его функционировать строго определенным образом. В этом смысле рабочий орган — самый подчиненный элемент системы. Напомним, что его роль при синтезе ТС прямо противоположна: он диктует структуру для выполнения ГПФ.
Часто диктат верхних уровней простирается еще ниже рабочего органа. А что находится ниже РО? — изделие. Технические системы («для своего удобства») диктуют, какие должны быть изделия. Это «стремление» техники изменить окружающую среду «под себя» ошибочно, оно свойственно лишь современной, во многом неуклюжей и грубой, технике. Особенно четко видно несоответствие (несогласованность) технических систем («правильных», «стандартных») с природными объектами («неправильными»), с ремесленно-художественными изделиями человека.
Примеры. Главная полезная функция железнодорожного транспорта — объем перевозок. Поэтому во многих странах ведутся исследования по выведению квадратных помидоров, арбузов, картофеля, моркови, свеклы, огурцов и ананасов (Знание — сила. 1983. № 12. С. 32). Кубические овощи и фрукты легче упаковывать и перевозить.
В США выпускается яичная «колбаса». Яйца разбивают, центрифугированием отделяют белок от желтка, формируют при замораживании «колбасу» (в центре желток), если нужна яичница — отрезай ломтик. С точки зрения повышения ГПФ (транспортировки яиц) задача решена.
А. с. 1 132 905 (БИ, 1985, № 1): способ подготовки картофеля, овощей и плодов к тепловой обработке (рис. 8): Картофель режут, сдвигают и срезают кожуру снизу, затем поворачивают на 180 градусов, выравнивают и срезают снизу и т. д. До тех пор, пока не очистят всю картофелину.
Из французского юмора (Изобретатель и рационализатор.
режут	сдвигают
Рис. 8. Способ подготовки картофеля, овощей и плодов к тепловой обработке (а. с. 1 132 905)
51
1984. № 8) «Хочу предложить вашей фирме свое последнее изобретение. Это автомат для бритья. Клиент опускает несколько монет, просовывает голову в отверстие, и две бритвы автоматически начинают брить его.— Но ведь у каждого человека индивидуальное строение лица...— В первый раз — да!»
3.	Нечувствительность верхних этажей к изменениям на нижних и наоборот, чувствительность нижних к изменениям на верхних. Изменения на уровнях веществ и подсистем низшего ранга не отражаются на системном свойстве (качестве) ТС — НС высших рангов.
Пример. Принцип телевидения был воплощен уже в первых механических системах. Новое системное свойство (передача изображения на расстояние) принципиально не изменилось при переходе на ламповые, транзисторные, микромодульные элементы. Увеличивалась ГПФ, но системное свойство принципиально не менялось. Главное для надсистемы — выполнение подсистемами своих функций, а на каких материалах и физических принципах — безразлично. Это положение имеет важное следствие для изобретательства. Допустим, возникла задача обеспечения эффективного теплоотвода от работающего трансформатора в ламповом телевизоре (потребляемая мощность 400 ватт). Изобретатель может долго и различными путями искать способ теплоотвода, придумывать новые подсистемы, увеличивать установочную мощность трансформатора для снижения температуры нагрева и т. д. Однако, если подняться на этаж выше (блок питания), то задача может быть решена совершенно иным способом (например, импульсный режим питания), а при изменении на верхнем этаже (например, замена ламповой схемы на транзисторную) может вообще исключить эту задачу—в ней просто отпадет необходимость (мощность снизится, допустим, до 100 ватт).
4.	Отфильтровывание (выделение) полезных функций на уровнях иерархии. Правильно организованная иерархическая структура выделяет на каждом этаже полезную функцию, эти функции складываются (взаимоусиливаются) на следующем этаже. При этом вредные функции на каждом этаже подавляются или, по крайней мере, к ним не добавляются новые.
Основной вклад в ГПФ происходит на нижних этажах, начиная с рабочего органа. На последующих уровнях следует более или менее существенное дополнение (усиление) полезной функции. С увеличением количества этажей рост ГПФ замедляется, поэтому системы с большим количеством иерархических уровней неэффективны (расходы по МГЭ начинают превышать выигрыш в ГПФ). Самый верхний уровень иерархии выполняет обычно только согласовательные функции, таких уровней не должно быть больше одного.
52
Чем выше уровень иерархии, тем мягче структура, менее жесткие связи между элементами, их легче переставлять и заменять. На нижних уровнях более жесткая иерархия и связи, структура строго определена требованием выполнения ГПФ. Нельзя, например, поставить в тепловой трубе фитиль снаружи корпуса, параметры работы фитиля и его структура жестко заданы. На верхних же этажах, где функция — перераспределение теплоты, рециркуляция, регулирование и пр., возможны самые радикальные перестановки.
3.4.	ОРГАНИЗАЦИЯ
3.4.1.	Общее понятие
Задача ТРТС — раскрытие закономерности синтеза, функционирования и развития технических систем. Организация — важнейший элемент во всех трех периодах существования системы. Организация возникает одновременно со структурой. В сущности, организация — это алгоритм совместного функционирования элементов системы в пространстве и времени.
Французский биолог Бонне (XVIII век) писал: «Все части, составляющие тело, настолько непосредственно многоразлично и многообразно связаны друг с другом в области своих функций, что они неотделимы друг от друга, что родство их предельно тесно и что они должны были появиться одновременно. Артерии предполагают наличие вен; функции как тех, так и других, предполагают наличие нервов; эти предполагают в свою очередь наличие мозга, а последний — наличие сердца; каждое отдельное условие— целый ряд условий» (Гнеденко Б. В. и др. За советом в природу. М.: Знание, 1977. С. 45).
Организация возникает, когда между элементами возникают объективно закономерные, согласованные, устойчивые во времени связи (отношения); при этом одни свойства (качества) элемента выдвигаются на первый план (работают, реализуются, усиливаются), а другие — ограничиваются, гасятся, маскируются. Полезные свойства трансформируются в процессе работы в функции — действия, поведение.
Главное условие возникновения организации — связи между элементами и/или их свойствами должны превышать по мощности (силе) связи с несистемными элементами.
С возникновением организации снижается энтропия в возникшей системе по сравнению с внешней средой. Внешняя среда для ТС — это чаще всего другие технические системы. Так что энтропия — это ненужная для данной ГПФ (потребности) организация («чужая» организация).
53
Степень организованности отражает степень предсказуемости поведения системы при осуществлении ГПФ. Абсолютная предсказуемость невозможна или возможна только для неработающих («мертвых») систем. Полная непредсказуемость — когда системы нет, дезорганизация.
Сложность организации характеризуется числом и разнообразием элементов, числом и разнообразием связей, числом уровней иерархии.
Сложность организации возрастает при развертывании ТС и уменьшается при свертывании — организация как бы «загоняется» внутрь вещества. При развертывании на полезно-функциональных подсистемах отрабатываются принципы организации (условия взаимодействия, связи и функции), затем организация переходит на микроуровень (функция подсистемы выполняется веществом).
3.4.2.	Связи
Связь — это отношение между элементами системы. Связь — реальный физический (вещественный или полевой) канал для передачи энергии (Э), вещества (В), информации (И), причем информации нематериальной не бывает, это всегда или Э, или В.
Главное условие работы связи — «разность потенциалов» между элементами, то есть градиент поля или вещества (отклонение от термодинамического равновесия — принцип Онзагера). При градиенте возникает движущая сила, вызывающая поток Э или В:
—	градиент температуры — поток теплоты (теплопроводность), — градиент концентрации — поток вещества (диффузия), — градиент скорости — поток импульса,
—	градиент электрического поля — электрический ток, а также градиенты давления, магнитного поля, плотности и т. д.
Часто в изобретательских задачах требуется организовать поток при градиенте «не своего» поля. Например, поток вещества (нитиноловых пустотелых шариков) при градиенте температуры в задаче о выравнивании температуры по глубине бассейна.
Основные характеристики связи: физическое наполнение и мощность. Физическое наполнение — это вид вещества или поля, используемого в связи. Мощность — интенсивность потока В или Э. Мощность связи должна быть больше мощности внесистемных связей, выше пороговой — уровня шума внешней среды.
Связи в системе могут быть: функционально необходимые, для выполнения ГПФ; вспомогательные, увеличивающие надежность; вредные, лишние, избыточные.
По типу соединения связи бывают: линейные, кольцевые, звездные, транзитные, разветвленные и смешанные.
54
I
Основные виды связей в технических системах
I	. Элементарные:
—	односторонняя (полупроводниковая);
—	рефлексивная (возникающая под действием внешней причины);
—	селективная (отсеивающая ненужные потоки);
—	запаздывающая (с задержкой по времени);
—	положительная (увеличивающая мощность при увеличении «разности потенциалов»);
—	отрицательная (уменьшающая мощность при увеличении «разности потенциалов»);
—	нейтральная (безразличная к направлению); — нулевая\
—	проектируемая (желаемая).
2	Комбинированные:
—	двусторонняя (полностью проводящая),
—	контрсвязь (пропорционально зависимая от состояния элементов, между которыми осуществляется связь, например, полюса магнита или потенциалы источника тока);
—	положительная обратная (при увеличении мощности одной связи увеличивается мощность другой), механизм взаимной стимуляции функций ведет к нарастанию процессов;
—	отрицательная обратная (при увеличении мощности одной связи уменьшается мощность другой), стабилизирующий механизм ведет к устойчивому равновесию или к колебаниям вокруг точки равновесия;
—	двойная отрицательная обратная, или обратная связь типа взаимного угнетения (при уменьшении мощности одной связи уменьшается также мощность другой), ведет к неустойчивому равновесию, кончающемуся усилением одной из сторон и подавлением другой.
При использовании комбинированных связей у системы появляются новые свойства. Рассмотрим, например, систему из двух элементов с отрицательной обратной связью:
При увеличении потенциала А мощность положительной связи 1 возрастает, что приводит к увеличению потенциала Б. Но отрицательная связь 2 подавляет потенциал А. Система быстро приходит в состояние устойчивого равновесия. При обрыве связи 1 потенциал А увеличивается без подавления со стороны Б. При обрыве связи 2 потенциал А
1
2
55
увеличивается и одновременно увеличивается потенциал Б (положительная связь).
В системе же из трех элементов появляется еще более сильное
качество.
При увеличении потенциала А увеличивается Б, но по связи 4 подавляется Л; по связи 2 увеличивается В, но по связи 5 уменьшается Б, а по связи 6 уменьшается В и т. д. То есть вывод любого элемента из состояния равновесия быстро взаимно подавляется.
При обрыве любой связи взаимное подавление также происходит быстро по другим связям. То же — при обрыве двух связей.
В системе создается устойчивое равновесие, при котором состояние элемента может быть лишь незначительно сдвинуто от
равновесия.
Здесь приведен пример с одинаковой комбинированной связью (отрицательной). Другие, еще более необычные, эффекты возникают с разнородными связями, с большим количеством элементов, с появлением перекрестных связей (начиная с диагональной в квадрате). Необходима разработка по «наложению» этих типов связей на вепанализ.
Увеличение степени организации системы прямо зависит от числа связей между элементами. Развитость связей — это раскрытие веполей (увеличение степени вепольности). Как увеличить количество связей в веполе? — Двумя путями: 1) включение элементов системы в связи с надсистемами, 2) задействование более низких уровней организации подсистемы или вещества. При увеличении числа связей, приходящихся на один элемент, увеличивается количество полезно работающих свойств элементов.
3.4.3.	Управление
Одно из важных свойств организации — возможность управления, то есть изменения или поддержания состояния элементов в процессе функционирования системы. Управление идет по специальным связям и представляет собой последовательность команд во времени. Управление по отклонению величины является наиболее распространенным и достоверным способом.
3.4.4.	Факторы, разрушающие организацию
К таким факторам относятся три группы вредных воздействий: внешние (надсистема, природа, человек), внутренние (форсирование или случайное взаимоусиление вредных свойств), энтро
56
пийные (саморазрушение элементов из-за конечности срока жизни).
Внешние факторы разрушают связи, если их мощность превышает мощность внутрисистемных связей.
Внутренние факторы изначально есть в системе, но с течением времени из-за нарушений в структуре их количество увеличивается.
Примеры энтропийных факторов: износ частей (вынос из системы части вещества), перерождение связей (усталость пружин, ржавчина).
3.4.5.	Значение эксперимента в процессе улучшения организации
Эксперимент — это научно поставленный опыт с целью определения «больного» места в ТС при попытке увеличения ГПФ. Смысл эксперимента: активное вмешательство в функционирование ТС, создание специальных условий, обстановки (изменение факторов внешней среды) и наблюдение за поведением (результатом) с помощью специальных методов и средств.
Наиболее продуктивен натурный эксперимент, он подходит для подавляющего большинства ТС (кроме крупных и опасных — АЭС и т. д.). Модельный эксперимент приемлем и достоверен лишь для простых систем с хорошо прогнозируемым поведением. Только натурный эксперимент может дать важнейший побочный продукт — неожиданные результаты, часто приносящие новые знания.
Например, во время испытательного полета одного из беспилотных спутников при отработке вспомогательных двигателей для торможения спутник неожиданно перешел на другую орбиту и его так и не удалось вернуть на Землю. «Помнится, специалисты были очень огорчены. А С. П. Королев увидел тогда в незапланированном переходе корабля с одной орбиты на другую первый опыт маневрирования в космосе.
— А спускаться на Землю,— сказал помощникам главный конструктор,— корабли, когда и куда надо, у нас будут. Как миленькие будут! В следующий раз посадим обязательно.
С того времени «как миленькие» возвратились на Землю многие космические аппараты самого различного научного и народнохозяйственного назначения» (Покровский Б. Заре навстречу. Правда. 1980. 12 июня).
3.5. СИСТЕМНЫЙ ЭФФЕКТ (КАЧЕСТВО)
3.5.1.	Свойства в системе
Все элементы в системе и сама система в целом обладают рядом свойств, в их числе:
1.	Структурно-вещественные', свойства вещества, определяемые
57
его составом, видом компонентов, физическими особенностями (вода, воздух, сталь, бетон).
2.	Структурно-полевые: например, вес является неотъемлемым свойством любого элемента, магнитные свойства, цвет.
3.	Функциональные: специализированные свойства, которые могут быть получены из разных вещественно-полевых сочетаний, лишь бы они обладали требуемой функцией; например, теплоизоляционные маты.
4.	Системные: совокупные (интегральные) свойства, в отличие от свойств 1—3 они не равны свойствам элементов, входящих в систему; эти свойства «вдруг» возникают при образовании системы; такая неожиданная прибавка — главный выигрыш при синтезе новой ТС.
Следует различать два типа системных прибавок:
а)	системный эффект—непропорционально большое усиление (уменьшение) свойств, имеющихся у элементов;
б)	системное качество — появление нового свойства (надсвойства — вектора имеющихся свойств), которого не было ни у одного из элементов до включения их в систему.
Эту особенность в развитии объективной реальности заметили еще древние мыслители, например, Аристотель утверждал, что целое всегда больше суммы входящих в него частей. В 1912 году Богданов А. А. сформулировал этот тезис для систем: система обнаруживает некий прирост качеств, по сравнению с исходными дает некое сверхкачество. Чтобы точнее определить системный эффект (качество) данной ТС, можно воспользоваться простым приемом: надо разделить систему на составные элементы и посмотреть, какое качество (какой эффект) исчезло. Например, отдельно ни одна из самолетных частей летать не может, как не может выполнить свою функцию и «усеченная» система — самолет без крыла, оперения или управления. Это, кстати, убедительный способ доказательства, что все объекты в мире — системы. Разделите уголь, сахар, иголку,— на каком этапе деления они перестают быть самими собой, теряют главные признаки? Все они отличаются друг от друга лишь продолжительностью процесса деления — иголка перестает быть иголкой при делении на две части, уголь и сахар — при делении до атома. По-видимому, так называемый диалектический закон перехода количественных изменений в качественные отражает лишь содержательную сторону более общего закона — закона образования системного эффекта (качества).
Пример появления системного эффекта:
Для доочистки сточных вод гидролизного завода использовались два способа — озонирование и адсорбция, но ни один из способов не давал нужного результата. Комбинированный же способ дал поразительный эффект. Были достигнуты требуемые
58
показатели при снижении в два-пять раз расхода озона и активного угля по сравнению только с адсорбцией или только с озонированием (Э.И. ВНИИИС Госстроя СССР. Серия 8. 1987. Вып. 8. С. 11 — 15).
В физике (физических эффектах и явлениях) содержится множество примеров появления системных свойств. Например, электромагнитное поле обладает как свойством распространения в пространстве на неограниченное расстояние, так и свойством самосохранения,— этими свойствами не обладают электрическое и магнитное поля по отдельности.
Собственно говоря, все естественные науки занимаются ничем иным, как изучением системных законов соединения частей в целое и законов существования и развития этого целого. Накоплены огромные знания, раскрывающие конкретные механизмы появления сверхкачеств (системных эффектов) в живой и неживой природе — в химии, физике, биологии, геологии, астрономии и т. д. Но до сих пор нет обобщений — общесистемных законов.
3.5.2.	Механизм образования системных свойств
В обществе также действуют системные законы. Вот что говорит К. Маркс о появлении новых свойств в общественных образованиях: «Животные не могут складывать вместе различные свойства своего вида; они не могут ничего сделать для общей пользы и для общих, удобств своего вида. Иное дело человек. Здесь самые разнообразные дарования и виды деятельности оказываются полезными друг другу, потому что люди умеют собирать свои различные продукты в одну общую массу...» (К. М., Ф. Э. Соч. Т. 42. С. 143). А вот простой «механический» пример появления системного свойства: допустим, вам необходимо быстро пересечь площадь, заполненную толпой людей,— ясно, что вы потратите уйму сил и времени на преодоление «трения о толпу». Теперь представьте, что толпа по команде образовала какую-либо упорядоченную структуру (например, выстроилась рядами), тогда сопротивление бегущему между рядов практически исчезнет.
А. Богданов рассуждает следующим образом: «Наиболее типичный пример — интерференция волн: если волны совпадают, то две вибрации дают четвертую силу, если не совпадают, то свет плюс свет дает теплоту. Средний случай: подъем одной волны совпадает наполовину с подъемом и наполовину с понижением — в результате простое сложение, сумма слагаемых: сила света двойная. От способа сочетания (связи, соединения) зависит увеличение-уменьшение суммы свойств системы» (Всеобщая организационная наука: Тектология. Т. 2. Механизм расхождения
59
и дезорганизации.— М.: Товарищество «Книгоиздательство писателей в Москве», 1917. С. 11).
Еще один пример: скорость звука в жидкости, например, в воде составляет около 1500 метров в секунду, в газе (воздухе) — 340, а в газово-водяной смеси (5 процентов объемных пузырьков газа) скорость падает до 30—100 метров в секунду.
Любой элемент обладает многими свойствами. Одни из них при формировании связей подавляются, другие, напротив, приобретают отчетливое выражение, одни свойства могут складываться, другие — нейтрализоваться. Возможны три случая возникновения системного эффекта (качества):
—	положительные свойства складываются, взаимоусиливаются;
—	отрицательные остаются неизменными (цепь, пружина);
—	положительные свойства складываются, а отрицательные взаимно уничтожаются (два солдата, прижавшись спинами, образуют круговую оборону, вредные «спинные» свойства исчезли);
—	к сумме положительных свойств добавляются обращенные отрицательные свойства (вред, обращенный в пользу).
4. ЗАКОНЫ РАЗВИТИЯ ТЕХНИЧЕСКИХ СИСТЕМ
4.1.	ОБЩАЯ ЧАСТЬ
Законы развития технических систем, на которых базируются все основные механизмы решения изобретательских задач, впервые сформулированы Г. С. Альтшуллером в книге «Творчество как точная наука» (М.: «Советское радио», 1979. С. 122—127):
1.	Закон полноты частей системы;
2.	Закон «энергетической проводимости» системы;
3.	Закон согласования ритмики частей системы;
4.	Закон увеличения степени идеальности системы;
5.	Закон неравномерности развития частей системы;
6.	Закон перехода в надсистему;
7.	Закон перехода с макроуровня на микроуровень;
8.	Закон увеличения степени вепольности.
Законы были сгруппированы в три блока, условно названные: статика (законы 1—3), кинематика (4—6), динамика (7, 8). Можно заметить определенную связь этих групп с моделью «жизни, развития, смерти» технических систем — S-образной кривой, которую использовал Г. С. Альтшуллер для иллюстрации эволюционных процессов в технике. Законы статики характерны для периода возникновения и формирования ТС, законы кинематики — для периода начала роста и расцвета развития, законы динамики — для завершающего этапа развития и перехода к новой системе.
60
В дальнейшем был сформулирован (Г. С. Альтшуллер. Найти идею. Новосибирск: Наука, 1986. С. 59) еще один закон из группы кинематики: закон увеличения степени динамичности системы.
В этой же книге более подробно детализирован закон увеличения степени вепольности (с. 79) и изложен новый механизм закона перехода в надсистему — линия развития «моно-би-поли» (с. 90— 97), а также предпринята попытка составления общей схемы развития ТС (с. 100—120) на основе линии «моно-би-поли» и предположения о ее спиралеобразной форме.
В данной работе законы развития ТС излагаются в основном в формулировках, предложенных Г. С. Альтшуллером.
Общая схема развития ТС (модель эволюции техники) разработана на основе нашей работы 1984 года (Саламатов Ю. П., Кондраков И. М. Идеализация технических систем. Исследование и разработка пространственно-временной модели эволюции технических систем (модель «бегущей волны идеализации») на примере развития ТС «Тепловая труба»:—Рукопись. Красноярск, 1984).
4.2.	ЗАКОНЫ КАК ОСНОВА ТРТС
Процесс развития техники — это равнодействующая сознательной человеческой деятельности, а человек действует в соответствии с объективными законами мира (даже если и не догадывается об этом), то есть развитие техники объективно и закономерно. Следовательно, эти законы можно познать и целенаправленно использовать. Это аксиома (постулат, основной принцип, главная идея), лежащая в основе создающейся теории развития технических систем (ТРТС).
В общем смысле любая научная теория (как система знаний) должна объяснять возникновение и функционирование, а также предсказывать развитие каких-либо объектов (предметов, явлений, понятий) действительности. Причем, эта система знаний обязательно должна поддаваться экспериментальной, практической проверке. Все это уже сейчас присуще ТРТС и многократно подтверждено в изобретательской и конструкторской практике.
Основной принцип ТРТС конкретизирован в законах, которые в свою очередь раскрываются и детализируются в правилах их применения, в стандартах, в принципах разрешения противоречий, в вепольном анализе и в АРИЗе.
Любая теория — это лишь отражение (в той или иной степени точности) многообразности, сложности и противоречивости реальных процессов развития. В этом смысле процесс познания бесконечен и постоянное выдвижение новых версий, гипотез и умозаключений — естественное состояние развивающейся теории. Однако логика развития реальных систем — главный ограничитель логико
61
теоретических построений, отсюда вытекает обязательность практической проверки любых суждений и предположений.
Системные законы принято делить на четыре группы:
—	законы структурообразования, формулирующие условия возникновения структур;
—	законы функционирования, объясняющие условия возникновения и развития связей и их организации;
—	законы развития, объясняющие движущие силы и механизмы преобразования систем через возникновение и разрешение противоречий;
—	законы взаимодействия с другими системами, с подсистемами и внешней средой.
Закон развития ТС — это существенное, устойчивое, повторяющееся отношение как между элементами внутри системы, так и с внешней средой в процессе прогрессивного развития, то есть перехода системы от одного состояния к другому с целью увеличения ее полезной функции.
Законы выявляются при анализе больших групп фактов (изобретения из патентного фонда, историко-технические исследования). Однако в технике законы действуют, как стихийная сила, и никогда нет уверенности, что в отобранную группу фактов (малый осколок действительности) попали устойчивые, не случайные и существенные системные отношения. Поэтому познание законов вынужденно идет методом последовательного приближения: отбор сильных изобретений (технических решений), выявление приемов разрешения технических противоречий, выделение устойчивых сочетаний приемов и физэффектов, а затем стандартных шагов в развитии технических систем. На всех этапах исследования невозможно исключить субъективные факторы (вкусовой подход, индивидуальность оценки, отсутствие количественных критериев). Единственный всеобъемлющий качественный критерий прогрессивности изменений в развитии любой технической системы — идеальность. Повышение степени идеальности — ориентир в безбрежном море информации о техносфере. Главенствующая роль закона идеализации ТС видна во всех механизмах ТРИЗ, и именно этот закон определяет наиболее общие тенденции развития техники. В сущности, все остальные законы являются конкретными воплощениями этого главного закона на разных стадиях развития ТС.
4.3.	ЗАКОН ПОЛНОТЫ ЧАСТЕЙ СИСТЕМЫ
4.3.1.	Формулировка и основные понятия
Необходимым условием принципиальной жизнеспособности технической системы является наличие и минимальная работоспособность основных частей системы.
62
Каждая ТС должна включать четыре части: двигатель (Дв), трансмиссию (Тр), рабочий орган (РО) и орган управления (ОУ). Для синтеза ТС необходимо наличие этих четырех частей и их минимальная пригодность к выполнению функций системы. Если хотя бы одна часть отсутствует, то это еще не ТС, а если хотя бы одна не работоспособна, то ТС не «выживет».
Все первые ТС развились из орудий труда: требовалось увеличение полезной функции рабочих процессов, а человек не мог обеспечить нужную мощность. Тогда сила человека заменилась двигателем, появилась трансмиссия (связь, по которой передается энергия от двигателя на рабочий орган) и орудие труда превратилось в рабочий орган машины. А человек выполнял только роль органа управления.
кремние-	каменный
вый нож,	топор,
костяная	мотыга
игла
плуг (РО) + дышло + лошадь (Дв) + рукоять плуга и человек (ОУ)
Например, мотыга и человек—это не ТС. Возникновение ТС связано с изобретением плуга в неолите: плуг (рабочий орган) бороздит землю, дышло (трансмиссия) припрягается к скоту (двигателю), а рукоятью плуга управляет человек (орган управления). Сначала плугом только рыхлили землю. Претензии внешней среды (например, параметры почвы: твердость, влажность, глубина) заставляли искать наилучшую форму плуга. Затем увеличилась потребность: для уничтожения сорняков пласт надо не только рыхлить, но и переворачивать. Изобрели отвал (косо поставленная доска, в которую упирается поднятый лемехом пласт и валится набок). Развиваясь, отвал приобретает плавную выгнутую форму (полуцилиндрическую или винтовую). В XVIII веке появился цельнометаллический плуг, а в ХХ-м — трактор и т. д.
К- Маркс в «Капитале» (глава о машинах) подробно рассмотрел процесс превращения орудий труда в рабочие органы машин.
63
Он впервые выделил основные части машин [например, в водяной мельнице — двигатель (водяное колесо), передачу (зацепление) и рабочий орган (жернова)] и указал на одну из главных особенностей развития техники — вытеснение человека из сферы производства.
Человек вытесняется из ТС в орган управления, затем ОУ также превращается из инструмента в техническую систему, и человек вытесняется за ее пределы (на «второй этаж» органа управления) и т. д.
В первом издании «Детской энциклопедии» (Т. 5. М.: Изд-во АПН РСФСР, 1960. С. 30) приводится такая характеристика технической системы: «Машина состоит из следующих основных частей: а) двигателя — источника механической энергии; б) исполнительных (рабочих) органов, непосредственно выполняющих полезную работу; в) передаточных механизмов (трансмиссий), преобразующих движение, передаваемое от двигателя к рабочим органам; г) системы управления; д) остова (станины, корпуса, рамы), представляющих собой основание, на котором расположены все части машины».
4.3.2.	Критерий определения технических систем среди других технических объектов
Итак, ТС появляется, как только технический объект приобретает способность выполнять ГПФ без человека, то есть когда к рабочему органу вместо человека «пристраиваются» трансмиссия и двигатель. Причем двигатель не следует путать с источником энергии (они совпадают, но не всегда) — энергия может поступать извне (в том числе от человека), в двигателе она преобразуется в нужный для ТС вид.
Знание закона позволяет безошибочно определить, является ли данная совокупность элементов технической системой. Например, лук — это ТС, так как здесь имеются в наличии РО (стрела), Тр (тетива), Дв (натянутая тетива и согнутая дуга), а человек—
64
источник энергии и орган управления. Заметьте, что один из элементов (тетива) выполняет двойную функцию (Тр и Дв),— эта особенность (совмещение функций) часто встречается на первом этапе развертывания ТС (превращения в сложную систему) и на этапе свертывания ТС (далеко отстоящем от начала этапа «упрощения» системы путем замены подсистем и самой ТС «умным» веществом).
О свертывании ТС — речь впереди. А пока приведем примеры частичного совмещения функций элементов ТС: в задаче об измерении высоты пещеры — шарик (Дв), нитка (Тр и РО — измеритель высоты), человек (ОУ); в задаче о контроле целостности зуба бура бурового инструмента — сила, ломающая ампулу (ОУ, «включающий» запаховое отверстие), запаховое вещество (РО), поток восходящих газов (Тр и Дв), нос человека (изделие, которое «обрабатывается» рабочим органом).
(В схеме пунктиром обведен состав минимальной работоспособной ТС, обеспечивающий ее жизнеспособность.)
Следствие из закона 1: чтобы ТС была управляемой, необходимо, чтобы хотя бы одна ее часть была управляемой.
Быть управляемой — значит менять свои свойства (параметры) так, как это надо тому, кто управляет. Например, воздушный шар (аэростат) для вертикального подъема — это управляемая ТС, так как с помощью клапана, выпускающего газ из шара, и мешков с песком (балласта) мы можем, хотя и плохо, управлять подъемом и опусканием шара. Но стоит предъявить к шару повышенные требования — попытаться увеличить полезную функцию за счет движения по горизонтали,— как шар превратится в неуправляемую ТС. Аэростат останется неуправляемым воздушным поплавком до тех пор, пока в ТС не будет введен дополнительный управляемый элемент, например, двигатель с винтом.
Рассматриваемое определение ТС шире, чем понятие веполя. Веполь — модель минимальной ТС, в которой отражается «борьба» и взаимодействие полей и веществ (этого достаточно лишь для нахождения идеи ответа). Реальные же ТС должны двигаться, обра-
5 Зак. 2148
65
батывать изделие или информацию, преобразовывать энергию и т. д., поэтому при переходе от модели к «натуральной» системе требуется введение всех частей системы.
1 — инструмент (или рабочая зона РО), 2 — оперативная зона — область действия вепольного анализа
4.3.3.	Примеры правильного определения частей системы
При анализе технических систем не всегда возможно без затруднений и четко определить части системы. При определении частей полезно задаваться вопросами: Что обрабатывается? — Изделие; Куда подводится энергия? — РО; Через что проводится энергия? — Тр; От чего подводится энергия? — Дв; Источник энергии для двигателя? — ИЭ.
Пример: винтовка.
Что обрабатывается? — Пуля. Куда подводится энергия? — К пуле. Через что подводится энергия? — Через ствол. От чего подводится? — От пороховых газов. Источник энергии? — Химическая реакция (взрыв пороха).
В ответе две ошибки:
1.	Неверно определено изделие. Здесь изделие вне технической системы, это мишень. Пуля — рабочий орган.
2.	Неправильно определена трансмиссия. Энергия на рабочий орган передается газами — это Тр и одновременно Дв (газы преобразуют энергию взрыва в поступательное движение); ствол — часть двигателя, канализует поток газов.
Пример: шприц.
Уже при ответе на первый вопрос (что обрабатывается?) возникают затруднения:
— тело (организм) обрабатывается лекарством (жидкостью), — жидкость выталкивается (обрабатывается поршнем), — игла прокалывает (обрабатывает) кожный покров.
Как быть в этом случае?
Напомним, что каждая ТС имеет определенную ГПФ, которая отражает потребность в этой ТС. ГПФ шприца — введение лекарства (жидкости) под кожный покров. Поэтому для более точного определения рабочего органа необходимо задавать два встречных вопроса:
66
Что в данной ТС выполняет ГПФ?
К чему в данной ТС подводится энергия?
Оба вопроса «замыкаются» на рабочем органе.
Что в шприце (рис. 9) выполняет ГПФ, то есть вводит жидкость, выталкивает (обрабатывает) ее? — Поршень. К чему подводится энергия? — К поршню и далее к жидкости. Значит, РО — поршень, изделие — жидкость. Остальные части: Тр — шток, Дв — шток (выравнивает движение пальца, преобразует поступательное движение), ИЭ — рука человека, цилиндр — часть двигателя, канализует движение штока и поршня.
А как быть с иглой? На первый взгляд, это явный РО. Да, это РО, но из другой, вспомогательной системы — это подсистема для прокалывания кожного покрова. Игла (РО), канюля и цилиндр (Тр) и рука человека (Дв + ИЭ) — это инструмент для обработки кожного покрова (Изд.). Игла, как вспомогательный элемент, исчезает первой в процессе развития ТС — в инъекционном пистолете иглы нет.
Пример: настольная лампа.
Что здесь РО? Вначале определим ГПФ: освещать рабочую поверхность стола. Что выполняет ГПФ? — Свет, оптическое излучение нити накала. Куда подводится энергия? — К нити накала и далее к свету (электромагнитному полю в видимой части спектра). Значит, РО — свет (ЭМ-поле). Нить накала — это Тр и Дв (преобразует электрический ток в тепловую и далее в энергию излучения). Изделие — поверхность стола. Абажур — часть рабочего органа — канализует поток света.
Пример: калорифер.
Какова ГПФ этой системы? — Нагрев воздуха? Нет, ГПФ — производство тепла (тепловое поле—это РО).
Первый закон элементарен и очевиден. Любая ТС должна
иметь четыре части, все части должны быть работоспособными, а хотя бы одна из них — хорошо управляемой. Однако при создании и совершенствовании ТС он часто нарушается. Законы техники, к сожалению, можно нарушать в отличие, например, от физических законов, нарушить которые невозможно при всем желании, или юридических, нарушение которых наказуемо.
Рис. 9. Шприц, техническая
система:
/ — жидкость, 2 — кожный покров, 3 — игла, 4 — канюля, 5 — жидкость, 6 — поршень, 7 — шток, 8 — цилиндр
67
4.4.	ЗАКОН «ЭНЕРГЕТИЧЕСКОЙ ПРОВОДИМОСТИ* СИСТЕМЫ
4.4.1.	Формулировка и основные правила применения
при развитии ТС
Необходимым условием принципиальной жизнеспособности технической системы является сквозной проход энергии по всем частям системы.
Следствие из закона 2: чтобы часть системы была управляемой, необходимо обеспечить энергетическую проводимость между этой частью и органом управления.
Любая ТС является проводником и преобразователем энергии. Если энергия не будет проходить сквозь всю систему, то есть «застрянет» где-то, то какая-то часть ТС не будет получать энергию, значит, не будет и работать. Энергия, поступающая извне или вырабатывающаяся в двигателе, идет на обеспечение работы самой ТС (всех частей), на компенсацию потерь, на измерение (контроль) параметров работы частей системы и обрабатываемого изделия. Таким образом, надо всегда стремиться к тому, чтобы ТС была не только хорошим проводником энергии, но и обеспечивала бы минимальные потери энергии (потери при преобразовании, бесполезные отходы, унос с изделием).
Передача энергии от одной части ТС к другой может быть вещественной (вал, шестерня, удар и т. д.) полевой (магнитное поле, электрический ток и т. д.) и вещественно-полевой (поток заряженных частиц). Многие задачи сводятся к подбору поля и вида передачи, эффективных в данных условиях. При этом следует руководствоваться тремя правилами:
1)	При синтезе ТС надо стремиться к использованию одного поля (одного вида энергии) на все процессы работы и управления в системе. При развитии ТС (развертывании) любые новые подсистемы должны работать на энергии, проходящей сквозь систему, или на бесплатной энергии (из внешней среды или в виде отходов от другой системы).
Например, разработанный в Японии способ использования ветровой энергии для обогрева парников (Знание-сила. 1988. № 3. С. 91) предусматривает превращение этой энергии непосредственно в тепло, минуя промежуточную стадию получения электроэнергии (ветросиловая установка вращает колесо компрессора, который сжимает воздух и благодаря этому нагревает его до 170 градусов). Такое прямое превращение энергии дало сенсационные результаты: оно оказалось в шесть раз (!) эффективнее, чем прежний метод с использованием электричества.
2)	Если ТС состоит из веществ, менять которые нельзя, то используется поле, хорошо проводимое веществами полей системы.
68
3)	Если вещества частей системы можно менять, то плохо управляемое поле заменяют на хорошо управляемое по цепочке:
Одновременно заменяют вещества или вводят в них добавки, обеспечивающие хорошую проводимость энергии (вещества должны быть «прозрачными» для выбранного поля).
Поиск наиболее эффективных сочетаний полей и веществ, переход к легкоуправляемым полям и подбор восприимчивых к ним веществ идет в стихийном изобретательстве запутанными и переплетающимися путями. Но наиболее прогрессивные технические решения (повышающие идеальность системы) всегда лежат в конце приведенной выше цепочки. Вот изобретения одного десятилетия (70-е годы) по подклассу «Механизм ударного действия для забивки свай» (способы передачи удара в системе «рабочее тело (боек) — головка свои»): а. с. 258 123 — гидравлическая передача; а. с. 607 885— пневматическая передача; а. с. 633 981, 647 405 — электромагнитная передача (разгон бойка в соленоиде); а. с. 274 718 — электрогидравлический удар (использование эффекта Ют-кина); а. с. 246 396 — электромагнитный молот, в котором боек заполнен внутри немагнитным материалом для увеличения массы; а. с. 390 231 — поверхностный слой головки бетонной сваи пропитывается электролитом, бетон становится проводником — вместо бойка «разгоняется» сама свая.
Все изобретательские задачи в технике делятся на два типа: задачи на изменение ТС (синтез, развитие) и задачи на измерение ТС (обнаружение, контроль параметров). В задачах первого типа направление движения энергии всегда от источника энергии (двигателя) через трансмиссию к рабочему органу и далее к изделию. В задачах второго типа, наоборот, требуется ловить информацию (то есть энергию или изменение энергии), исходящую от «изделия», то есть той части ТС или любого процесса в природе и технике, которую (или который) мы измеряем (обнаруживаем, контролируем). Таким образом, энергия движется в направлении от Изделия к Датчику (вместо РО), далее через Трансмиссию к Преобразователю (вместо Дв) и, наконец, к Приемнику энергии (вместо ИЭ), в качестве которого обычно используется показывающий прибор (сигнализатор) или исполнительный орган.
В случае появления обратной связи орган управления вытесняется из данной ТС на следующий этаж управления.
69
обратная связь
Часто энергия, улавливаемая датчиком, подводится к изделию от этой же ТС, проходит сквозь изделие, «просвечивает» его, отражается, вызывает появление энергии другого вида или природы. Поэтому здесь система играет двойную роль — воздействует на изделие и контролирует (измеряет) его. Такой измерительный блок может состоять из двух систем или одной системы, выполняющей обе функции.
Последовательность вопросов на применение закона при решении изобретательских задач:
— Есть ли в ТС сквозной проход энергии?
— Существует ли хорошая проводимость между частями ТС и ОУ?
— Какое поле лучше всего проводят вещества в ТС?
— Можно ли применить более управляемое поле?
— Какое поле лучше всего использовать для новой ТС — имеющееся или даровое?
Дополнительные вопросы для измерительных задач:
— Какую энергию проще подвести к Изд?
— Какую энергию проще вывести и передать к ПЭ?
4.4.2.	Особенности использования закона при решении изобретательских задач
Задача 1. При массовом применении роботов участились случаи их «бунта», неповиновения, непредусмотренных движений и действий, могущих привести к аварийным ситуациям. Причины: ложные срабатывания датчиков, внезапные неисправности в «мозгах» роботов. Допустим, оператор заметил, что назревает явная авария. Как с безопасного расстояния усмирить робота — мгновенно остановить его, изменить программу или вовсе выключить?
Решим эту задачу с точки зрения правильной энергетической проводимости. Существует ли хорошая проводимость между частями ТС (робота) и органом управления (человеком)? Нет, в этом-то как раз и состоит задача: как эффективно управлять роботом на расстоянии (выключать его)? Любые механические манипуляции (рубильники, кнопки и пр.) следует сразу отвергнуть— на них нет времени. Нужна мгновенная связь — раз! — и выклю
70
чил. Здесь подходит только электромагнитное поле, оно действует на расстоянии. У оператора имеется микропередатчик с излучателем света — светодиодом (как маленькая красная лампочка) — нажал кнопку, и закодированный сигнал выключит робота или подаст ему любую другую команду. Но тут же возникает другая проблема: как точно (и быстро) попасть светом в приемное «окно» робота? Найдено остроумное решение — микропередатчик вмонтирован в очки оператора, для. наводки достаточно посмотреть на робота (глаза наводятся очень точно). Следующую задачу вы решите теперь не задумываясь.
Задача 2. Для пожарных машин и машин «скорой помощи», спешащих на вызов, дорога каждая секунда. А если на светофоре горит красный свет? Тогда им приходится или терять драгоценное время, или мчаться наперерез машинам, создавая опасную ситуацию. Как быть?
На радиаторах этих машин устанавливается дополнительная фара, испускающая инфракрасные лучи. Детектор (приемник) на светофоре, приняв сигнал от машины, включит зеленый свет или задержит его переключение, если он уже горит, пока машина не минует перекресток. Дальность действия фары — 500 метров.
В США испытывается система, позволяющая снимать показания с домашних счетчиков электроэнергии, газа и воды, просто проезжая по улице на машине. Счетчики оборудуются маломощными приемопередатчиками, которые в ответ на сигнал из проезжающего микроавтобуса выдают в эфир кодированные данные о показаниях счетчика и номер потребителя. Компьютер, установленный в фургончике, запоминает данные. За рабочий день так можно снять показания с 24 тысяч счетчиков. Это в 80 раз быстрее и в два-три раза дешевле, чем сбор данных контролерами-обходчиками (Наука и жизнь. 1988. № 6. С. 68).
Одна из самых впечатляющих разработок последних лет — способ индивидуальной маркировки радиодеталей при их серийном выпуске (Институт физики и неорганической химии АН БССР). Само производство деталей высоко автоматизировано, достигнуты огромные скорости линии, но на участке маркировки — затор. Ни одна из известных установок не справляется с такими объемами. Предложенный способ (НТР: проблемы и решения. 1988. № 21. С. 2) основан на использовании маломощного короткоимпульсного ИК — лазера и полимера с повышенной светочувствительностью для получения четкого и стойкого изображения. В процессе изготовления детали измеряются ее характеристики (абсолютно одинаковых деталей не бывает) и она тут же маркируется (лазер управляется микропроцессором).
Приемники инфракрасного излучения перед дверями лифта фиксируют тепловое излучение пассажиров, и эти данные поступают в ЭВМ, которая подает кабину на тот этаж, где больше ожидающих.
71
Использован бесплатный ресурс — тепло людей. В результате эффективность эксплуатации лифта возрастает на 20 процентов (Химия и жизнь. 1984. № 9. С. 23).
А. с. 1 004 127: способ сварки термопластичных пленок инфракрасным излучением, по которому для увеличения скорости и повышения качества сварного шва перед нагревом на пленку наносят светочувствительный слой, соответствующий по размерам и конфигурации свариваемому шву.
Задача 3. Большие помещения (склады, ангары и т. п.) зимой нет смысла отапливать, так как они редко посещаются людьми-, а хранящимся в них деталям и машинам холод не причиняет вреда. Но иногда людям приходится довольно долго работать в этих помещениях и при этом выполнять действия, требующие точных и быстрых движений. Теплая одежда мешает, сковывает движения. Снять ее невозможно — холодно! — а работать в ней неудобно. Как быть?
Давно возникла идея снабжать человека индивидуальным подогревом (спираль, вшитая в тонкую рабочую одежду), это намного выгоднее обогрева всего помещения. Но быть подключенным к источнику тока или носить его с собой крайне неудобно. Идеальнее было бы решение, когда «изделие» (человек) обрабатывалось бы на расстоянии. Энергия должна проходить к человеку сквозь воздух, без потерь (не нагревая воздух и другие предметы). Какое поле без потерь проходит через воздух? Электромагнитное — можно использовать инфракрасные лучи (ИК-нагрев) или радиоволны сверхвысокой частоты (СВЧ-нагрев). Например, недавно в США проведены исследования по обогреву человека СВЧ-излу-чением с длиной волны один сантиметр: излучение поглощается молекулами воды в подкожном слое, а возникающие тепловые ощущения такие же, как обычно. Для обогрева квартиры достаточно всего 60 ватт, то есть энергии, расходуемой одной электролампочкой. Эта идея, кстати, была описана А. Беляевым в научно-фантастической повести «Изобретения профессора Вагнера» (1928 г.). Способ можно использовать и с другой целью: например, в ФРГ выпускается ИК-излучатель для защиты помещений (столовых, кондитерских и т. п.) от мух и других насекомых. Излучение безвредно для человека, но полностью уничтожает насекомых на площади 250 квадратных метров. Изобретен также утюг с ИК-нагревом (а. с. 538 074): на внутреннюю стенку корпуса нанесено светоотражающее покрытие, а подошва прозрачная, утюгом можно гладить сразу после включения.
Та же идея использована в конструкции радиационного паяльника (а. с. 1 081 605, 1 227 928), который способен разогревать под пайку (или под отжиг, или пластмассу и др.) участок платы, не касаясь его. Прогревается пятно диаметром 5—15 миллиметров до температуры 1300 градусов.
72
В Англии разработана теплица с обогревом микроволнами — не воздуха, а непосредственно растений. Такой способ обогрева обходится вдесятеро дешевле, чем сжигаемые нефтепродукты. Пришлось, правда, несколько изменить конструкцию остекления: на зиму стекла закрываются пластмассовыми шторками с напыленным тонким слоем металла (бронза, цинк) для отражения микроволн внутрь теплицы и пропускания солнечного света (Изобретатель и рационализатор. 1987. № 12. С. 19). Сообщается также об использовании маломощных микроволновых обогревателей в птичниках (Химия и жизнь. 1988. № 9. С. 127).
Определенным энергетическим «дальнодействием» обладают и другие сочетания электрических и магнитных полей, например, можно эффективно использовать индукционные токи и электродинамические силы.
Задача 4. Для получения образцов сверхчистых сплавов на основе тугоплавких материалов — вольфрама, карбидов титана, циркония, ниобия и вольфрама с температурой плавления в 3000—4000 градусов, не подходит обычный способ плавки в тиглях. Любой тигль при таких температурах сильно загрязнит сплав. Как быть?
Поскольку подходящих тиглей не существует, ученые попросту отказались от них (А. Фогель, В. Смирнов, В. Федоров. Получение высоких температур при плавке металлов во взвешенном состоянии в атмосфере инертного газа // Известия АН СССР. Металлы. 1975. № 9). Расплавленная капля в их установке парит, ни к чему не прикасаясь, над высокочастотным индуктором: наводимые проплавляемой навеской вихревые токи не только нагревают ее, но и не дают ей упасть (по закону Ленца наведенные токи стремятся предотвратить всякое изменение магнитного потока).
Висеть в поле индуктора может, естественно, не только расплавленная капля, но и любой электропроводный материал. Меняя напряженность, частоту, давление и другие характеристики переменного магнитного поля, можно перемещать деталь в пределах некоторого пространства действия поля индуктора. Если же детали (заготовке) некуда будет двигаться, то она будет деформироваться под действием электродинамических сил (два проводника со встречными токами отталкиваются).
Задача 5. Для укупорки бутылок используются алюминиевые колпачки, которые обжимаются вокруг горлышка специальными роликами из инструментальной стали. Ролики (от трех до шести) забраны в специальную головку, состоящую из сорока деталей, требующих при сборке точности часового механизма. Механизм закатывает колпачок на одной бутылке около двух секунд. Стекло подвергается значительным давлениям, часть сосудов не выдерживает — скалывается венчик горлышка, поэтому бутылки вынужденно делают толстостенными, тяжелыми, что увеличивает расходы на транспортировку. Другой распространенный вид брака — недостаточная
73
герметичность пробки. Требуется предложить идею нового способа укупорки бутылок теми же колпачками. Способ должен обеспечивать производительность в 100—1000 раз больше, чем прежний, и не ломать стекло при значительно больших отклонениях геометрических размеров горлышка и неровностях на его поверхностях. Что бы вы предложили?
Еще в 1924 году П. Л. Капица, исследовавший свойства сильных магнитных полей, высказал идею о возможности использования в промышленности электродинамических сил для деформирования металлических заготовок. С 60-х годов этот способ применяется в авиационной и автомобильной промышленности.
По а. с. 455 066, 848 466 предложено устройство магнитного формования для укупорки бутылок, в котором нет движущихся частей, а точность и аккуратность обработки заготовок сравнима с газостатической штамповкой. Скорость укупорки одной бутылки — 0,0001 секунды (Изобретатель и рационализатор. 1983. № 7. С. 15).
Разработан также способ электродинамической сепарации твердых бытовых отходов с целью извлечения из них лома цветных металлов. Технология предусматривает подачу исходной смеси в рабочую зону, воздействие на нее бегущим магнитным полем, разгрузку продуктов разделения. Для более полного извлечения частиц металла воздействие магнитным полем осуществляют в противоположных направлениях в плоскости, перпендикулярной плоскости движения исходной смеси (а. с. 934 600).
В системе должна быть хорошая проводимость и для отходов энергии, например, быстрый отвод теплоты трения для предотвращения перегрева ТС. Остроумно применила это правило, но с прямо противоположными целями группа антифашистов и советских военнопленных, работавшая в войну на заводе фирмы «Даймлер-Бенц». Завод выпускал двигатели, часть которых была запрограммирована на аварию через определенное время работы. Ни одна проверка органов технического контроля Германии не смогла установить истинной причины, и группа так и не была раскрыта. Суть введенного на заводе дефекта состояла в том, что после некоторой наработки двигателя прекращалась подача масла к шатунному подшипнику одного из поршней, подшипник перегревался и происходил отрыв шатуна с поршнем.
Задача 6. Требуется предложить идею простейшего прибора для прогнозирования ураганов, бурь, штормов.
В данном случае надо использовать поле, исходящее от очага возникновения урагана. Какое? Еще А. С. Попов ответил на этот вопрос. Его «грозоотметчик» успешно регистрировал атмосферные электрические разряды. Этот же принцип использован в приборе Института физики Земли АН СССР — проволока-антенна улавливает электромагнитное излучение, образующееся при зарождении
74
сильных атмосферных вихрей, и от наведенного электрического тока звенит звонок. Необыкновенно просто — ураган сам звонит в звонок, извещая о своем приближении.
Задача 7. Крупные энергетические установки опутаны хитросплетением труб и трубочек, каждая из которых периодически проверяется на герметичность. Для этого в трубы подают гелий и к каждому сварному шву, соединению прикладывают датчик специального газоанализатора. Метод этот затяжной и неэффективный — приходится наугад тыкать датчиком во все места в поисках утечек гелия. Кроме foro, гелий — дорогой газ, хранится он в громоздких баллонах, их надо перетаскивать и т. д. Хорошо бы использовать воздух, но как определить место его выхода, ведь кругом тоже воздух.
В задаче содержится сильный заряд психинерции — раз гелий анализировали, значит, и для воздуха надо искать «хитрый» способ анализа. Проще всего использовать бесплатное поле, возникающее при выходе воздуха из микротрещин — звуковое (свист). По а. с. 1 201 704 предложено определять место утечки микрофоном на длинном щупе. Свист отчетливо слышен в наушниках, а вес приборчика всего несколько сот граммов. На этом же принципе основан разработанный в ФРГ прибор (Юный техник. 1986. № 10. С. 33) для определения с точностью до одного метра места утечки воды в городских водопроводных сетях с глубиной заложения до пяти метров.
4.5.	ЗАКОН СОГЛАСОВАНИЯ РИТМИКИ ЧАСТЕЙ СИСТЕМЫ
4.5.1.	Формулировка и общие понятия
Необходимым условием принципиальной жизнеспособности технической системы является согласование (или сознательное рассогласование) частоты колебаний (периодичности работы) всех частей системы.
Хорошо работают, а значит, и жизнеспособны только системы, в которых вид колебаний подобран так, что части системы не мешают друг другу и наилучшим образом выполняют полезную функцию.
Различают два вида колебаний — собственные и вынужденные, то есть часть систем может колебаться «как ей хочется» или «как ее заставит» колебаться внешняя сила. Частота собственных колебаний — неотъемлемое свойство любой части системы и зависит только от характеристик самого объекта (например, от размеров, массы и упругости частей в механических системах, от емкостных и индукционных характеристик в электрических системах). Но самое интересное наступает, когда частота внешних силовых (полевых)
75
воздействий совпадает с собственной частотой колебаний — это хорошо всем знакомый резонанс.
Резонанс может быть и полезным, и вредным. Значит, для того, чтобы улучшить работу системы, надо или согласовать колебания частей, или, наоборот, рассогласовать их. Использование резонанса (или предупреждение его появления) чрезвычайно выгодный прием — улучшение работы ТС достигается простым изменением элементов (размеров, массы, частоты), в систему ничего не надо вводить нового. Между тем, этот закон часто нарушается — есть множество технических решений, в которых ритмика не согласована или согласована во вредном сочетании. Поэтому большой класс задач связан с необходимостью наведения «законного» порядка в неправильно колеблющихся системах.
Задача 8. Дисковые пилы так сильно шумят во время работы, что персоналу рекомендуется надевать специальные звукопоглощающие наушники. Проблему попытались решить в а. с. 519 320: для устранения визга предложено сжимать диск с обеих сторон подпружиненными штифтами с шариком. Это образец неразрешенного ТП: чтобы полностью погасить колебания вращающегося диска, надо его сжать тисками как можно сильнее, а чтобы диск хорошо крутился, надо штифты убрать совсем. Кроме того, шарики и пружины быстро забиваются пылью и опилками и перестают работать. Как быть?
Из закона согласования ритмики вытекает ряд правил:
1)	В технических системах действие поля должно быть согласовано (или рассогласовано) с собственной частотой изделия (или инструмента).
2)	В ТС должны быть согласованы (или рассогласованы) частоты используемых полей.
3)	Если два действия (например, измерение и изменение) несовместимы, то одно действие осуществляют в паузах другого. Любые паузы в одном действии должны быть заполнены другим полезным действием.
4)	Если требуется измерять характеристики системы, изменение которых влияет на изменение собственной частоты колебаний, то действие внешнего поля согласовывают (или рассогласовывают) с собственной частотой системы и по наступлению резонанса судят об изменениях контролируемых характеристик.
Рассмотрим подробнее некоторые особенности применения правил в конкретных изобретательских ситуациях.
4.5.2.	Использование резонанса — согласование частоты внешнего действия (поля) с собственной частотой системы или ее элемента.
С наибольшей амплитудой колеблются объекты при точном совпадении частот. При этом извне затрачивается минимум энергии на поддержание резонанса, а внутрь системы поступает максимум из подводимой энергии.
А. с. 1 279 559: пневматический хлопкоуборочный комбайн, в котором куст обдувается пульсирующей воздушной струей (частота пульсации равна собственной частоте волокон), и отлетевшая хлопковая масса тут же всасывается трубопроводом.
А. с. 1 050 635: для быстрого растворения порошкового молока в воде на смесь воздействуют частотой, зависящей от дисперсности порошка.
А. с. 1 065 025: способ гидравлической классификации твердых частиц по крупности путем подачи их в виде пульпы в жидкостную систему и разделения под действием вибрации в резонансном режиме. Для повышения точности классификации разделения осуществляют при частоте колебаний, равной собственной частоте колебаний частиц граничного класса крупности.
А. с. 1 263 584: способ транспортирования сыпучего материала, включающий подачу материала на движущуюся с помощью барабана ленту, генерирование в ленте и упруго установленных роликовых опорах резонансных колебаний барабанами с частотой, равной частоте собственных колебаний груженой ленты и упруго закрепленных роликовых опор. С целью снижения энергетических потерь путем стабилизации процесса колебаний в ленте с материалом подачу материала на ленту осуществляют отдельными равными порциями с частотой, равной частоте собственных колебаний груженой ленты и упруго установленных роликовых опор.
А. с. 856 463: способ предупреждения самовозгорания пористых эластичных материалов, например, пенополиуретана, созре-ваемого в камере, при котором требуется быстро удалять излишки газа из пузырьков — на него воздействуют вибронагружением с частотой собственных колебаний материала, при этом за счет быстрого сжатия-расширения пузырьков газ выходит и его отсасывают из камеры.
А. с. 889 018: способ тушения пористых материалов, например, пенополиуретана или кокса путем быстрого их погружения в воду. Эти материалы легче воды, не тонут, поэтому на куски предложено воздействовать вибрацией жидкости с частотой собственных колебаний плавающих кусков — они быстро тонут за счет резкого (в пять — десять раз) повышения гидродинамического давления в режиме резонанса.
А. с. 996 347: способ резки стекла путем нанесения надреза
77
на его поверхность и сообщения стеклу акустических колебаний с частотой, равной частоте собственных колебаний стекла (то есть вместо ненадежного постукивания по обратной стороне надреза предложено озвучивать стекло — оно само расколется по намеченной линии).
А. с. 637 597: способ нагрева газа путем подачи сверхзвуковой струи в камеру и возбуждения в ней резонансных колебаний с чередующимися сжатием и расширением потока при заполнении и опорожнении камеры, ОТЧСЦ интенсификации нагрева струю подают периодически после опорожнения камеры с частотой резонансных колебаний.
При наступлении резонанса разные части системы колеблются с разной амплитудой от максимальной до минимальной (нулевая амплитуда — в узлах колебаний). Поэтому разные участки испытывают различные напряжения. Это полезно, например, при снятии (перераспределении) вредных напряженных состояний.
А. с. 1 052 550: способ снятия остаточных напряжений в металлических деталях преимущественно замкнутого контура, включающий возбуждение в нескольких точках детали вибрацией на резонансной частоте, ОТЧСЦ равномерного снятия остаточных напряжений вибрацию в точках возбуждают последовательно по периметру детали, при этом каждое последующее место возбуждения вибрации располагают в узле колебаний предыдущей точки возбуждения.
Недавно в МЭИ разработан сверхпроизводительный способ производства микрошариков (диаметром от 10 микрометров до 1 миллиметра). Способ заключается в выдавливании расплава через отверстие в излучателе, который воздействует на струйку с частотой, равной резонансной частоте требуемого размера шариков. В нескольких сантиметрах от диска-излучателя амплитуда колебаний увеличивается, и струйка разбивается на капельки, которые мгновенно под действием сил поверхностного натяжения превращаются в шарики. Производительность — до 1 миллиона шариков в секунду! Где использовать такие шарики? Предлагается транспортировать их через космос по лучу лазера, использовать для фигурного (объемного) рисования при напылении, для микролегирования больших объемов металлов, для «прицельной» доставки лекарств к очагам болезни, для запасения водорода и т. д. (Социалистическая индустрия. 1989. 15 июня. С. 4).
В Йельском университете (США) проводятся эксперименты по облучению микрошариков полистирола (10 микрометров) электромагнитным излучением в радио- и оптическом диапазонах. В шариках возбуждается собственное ЭМ-поле за счет взаимодействия падающего излучения с наведенным в нем электрическим диполем. Наиболее интенсивные собственные колебания наблюдаются
78
при совпадении частоты внешнего поля с собственными частотами таких микрорезонаторов (Природа. 1981. № 5. С. 109).
Если нельзя или нецелесообразно воздействовать внешней силой непосредственно на объект, то вводят резонатор, соединенный с объектом.
А. с. 1 001 988: способ получения дисперсных систем путем вибрационных воздействий на среду в режиме вибротурбулизации путем введения в емкость со средой упругого резонатора и воздействия на емкость колебаниями резонансной частоты, ОТЧСЦ повышения экономичности процесса и его интенсификации в емкость вводят несколько упругих резонаторов с различной частотой собственных колебаний.
А. с. 119 132: вибрационный транспортер, выполненный в виде желоба или трубы с размещенными вдоль них с определенным шагом вибраторами, ОТЧСЦ уменьшения количества вибраторов часть из них заменена подпружиненными реактивными массами, настроенными резонансно со всей колеблющейся системой транспортера.
Если частота собственных, колебаний объекта меняется по неизвестному нам закону, то необходимо организовать обратную связь между объектом и генератором (источником внешнего поля).
А. с. 919 818: для улучшения качества сварного шва предложено перемешивать металл в зоне плавления (сварочная ванна). Такое перемешивание должно быть интенсивным и быстрым, поэтому используют внешнее переменное магнитное поле с частотой, совпадающей с частотой собственных колебаний сварочной ванны, однако размеры и масса (а значит, и собственная частота ванны) постоянно меняются. Как быть?
Предложено ввести обратную связь: улавливается спектр электромагнитных волн, генерируемых самой ванной, и этот спектр задает частоту переменного магнитного поля.
Любые движущиеся объекты колеблются, поэтому эти колебания можно организовать определенным образом — на выполнение полезных функций. Например, для эффективного смешения газа с жидкостью применяется множество специальных (массообменных) устройств и приспособлений. Установлено, что акустические колебания значительно улучшают эти процессы. Но, к сожалению, в газожидкостной среде уже на расстоянии 10 сантиметров акустические колебания затухают. Чтобы их поддерживать, необходимо создать во всем объеме аппарата многочисленные центры генерации колебаний, но эти генераторы сложны, недолговечны и энергоемки. Генераторы нужно вводить, чтобы получить колебания, и их нельзя вводить, чтобы не усложнять (удорожать) систему. Как быть?
Конечно же, функцию генератора по совместительству долж
79
ны выполнять уже имеющиеся элементы при минимальных изменениях и дополнениях. По а. с. 423 481 предложено простейшее акустическое устройство, в котором звук образуется за счет прохождения газа через отверстия в колонне с жидкостью. Но главное в другом: для того, чтобы требовалось минимум энергии, организован резонансный режим. В качестве резонатора используется прикрепленная вокруг отверстия шайба с бортами, которая и образует резонирующую полость. В потоке возникают автоколебания с частотой несколько тысяч герц (примеры автоколебаний: колебания воздуха в свистках, гудение телеграфных проводов, «пение» водопроводных труб). Главное свойство автоколебаний: колеблющаяся система сама управляет поступлением в нее энергии извне — возникает обратная связь. Другие свойства: амплитуда колебаний не зависит от начальных условий, частота близка к собственной частоте колебаний. Частота автоколебаний в этом случае пропорциональна скорости (массе) потока и обратно пропорциональна размерам кольцевой резонирующей полости. Подбирая размеры и форму отверстий, удалось направить большую часть энергии потока на создание автоколебаний. Отпала необходимость в подводе внешней энергии для акустического воздействия. Генерация автоколебаний легла в основу других акустических устройств — а. с. 1 037 927, 1 057 052, 1 114 431 (Изобретатель и рационализатор. 1985. № 10. С. 19).
Возникающая в режиме автоколебаний в колеблющейся системе обратная связь действует все же в узком диапазоне — стоит чуть изменить какой-либо параметр системы, и автоколебания исчезнут. Для поддержания длительного самоподстраивающегося режима авторезонанса необходимо введение специальной линии обрат-
холостой ход
частота
Рис. 10. Принцип работы станка для ультразвуковой обработки в авторезонансном режиме:
/ — ванна, 2 — изделие, 3 — суспензия, 4 — вибрирующий инструмент, 5 — концентратор, 6 — магнитострикционный вибратор, 7 —датчик (микрофон), 8— источник тока
80
ной связи: на колеблющееся тело устанавливают датчик, сигнал от которого усиливается и направляется на источник колебаний (генератор). Генератор устанавливает в каждый данный момент времени всегда резонансную частоту — система работает в режиме автоколебаний при любых изменениях условий работы. Этот принцип лежит в основе многих сильных разработок Института машиноведения им. Благонравова АН СССР.
Вот, казалось бы, тупиковая ситуация, сложившаяся в области ультразвуковой обработки материалов (рис. 10). Располагая поистине уникальными возможностями, эта технология чрезвычайно капризна. Основной недостаток: частота генератора настраивается на частоту собственных колебаний инструмента на холостом ходу (то есть без нагрузки на инструмент). Но как только инструмент начал работать, испытывать многообразные напряжения, его частота тут же изменяется и не совпадает с частотой генератора — система выходит из режима резонанса, и к.п.д. резко падает.
Избавиться от этого в используемых сейчас ультразвуковых станках очень трудно. На собственную частоту инструмента влияют переменчивые свойства обрабатываемого материала, усилие прижатия инструмента к заготовке, условия ультразвукового резания. Чтобы хоть какая-то доля энергии дошла по назначению, приходится непомерно увеличивать мощность возбудителей и генераторов. Но это крайне неэффективно, расточительно. Как быть?
Идеал: пусть система сама выбирает себе наивыгоднейшую (резонансную) частоту. Нужен авторезонанс!
Датчик обратной связи — обыкновенный микрофон — располагают за возбудителем со стороны, противоположной зоне обработки (чтобы не мешал). Его сигнал через усилитель подают на обмотку магнитострикционного возбудителя. Возникают автоколебания, их частота чутко реагирует на любые изменения условий работы, всегда остается резонансной и обеспечивает эффективную передачу ультразвуковой энергии (Наука и жизнь. 1985. № 9. С. 18—25).
Возбуждаемые в магнитострикционном вибраторе (6) колебания ультразвуковой частоты усиливаются концентратором (5). Вибрирующий инструмент (4) прижимается к изделию (2) усилием подачи (Р). В ванну (1) подается абразивная суспензия (3). Обработка происходит в результате ударов инструмента по частицам абразива, оседающим на обрабатываемой поверхности.
Настройку на резонанс обычно производят на «холостом» ходу, но с увеличением подачи (усилий) происходит расстройка станка — частота «уходит» из резонанса. Авторезонанс позволяет автоматически поддерживать условия наилучшего возбуждения при любых подачах без увеличения мощности.
6 Зак. 2148
81
И в заключение — о «человеческом» резонансе. Оказывается, многие органы человеческого тела имеют довольно низкие резонансные частоты: голова — 20—30 герц, вестибулярный аппарат — 0,5—13, руки — 2—5, а сердце, позвоночник, почки имеют общую настройку на частоту около 6 герц. Необъясненная пока загадка природы — для чего это надо было эволюции? Пути человеческого «любопытства» неисповедимы, поэтому неизбежно появились охотники «поиграть» с человеком на этих частотах. Во Франции изобретен свисток для разгона демонстраций. «Во время испытаний его модели,— писала одна из французских . газет,— люди в пятимильной зоне чувствовали во всем теле сильную болезненную вибрацию...» В США созданы инфразвуковые «прожекторы», которые создают в атмосфере акустические волны, способные повредить зрение, вызвать тошноту, страх... Это новый вид психотропного оружия. На этих частотах звук легко проникает сквозь бетонные и металлические преграды (Юный техник. 1989. № 7. С. 8—15).
4.5.3.	Согласование (рассогласование) ритмики работы частей системы
В процессе работы (взаимодействия) разные части системы, главным образом — инструмент и изделие, должны быть согласованы между собой по частоте для лучшего взаимодействия или рассогласованы для предотвращения вредного взаимодействия. Причем выгодно согласование (рассогласование) не только собственных частот колебаний, но и отдельных характеристик, влияющих на эту частоту — скорости, массы, размеров, формы, упругости и др. Иногда само понятие частоты даже и не фигурирует в решениях.
Когда самолет садится, видны клубы дыма — это его колеса касаются земли, происходит удар, и колеса раскручиваются, пробуксовывая. При этом колеса сильно изнашиваются. Явное несогласование ритмики колеса (инструмента) и посадочной полосы (изделия). По пат. Франции 2 600 619 (рис. 11) предложено на боковые поверхности колес установить лопатки — встречный поток раскрутит колеса перед посадкой.
А. с. 639 546: способ местного теплового воздействия (инструмент) на нервные волокна (изделие) ритмически изменяющимся тепловым полем с частотой в ритме дыхания.
А. с. 1 163 853: способ массажа участков тела (изделие) вибрационным аппаратом (инструмент) в ритме сердечных сокращений.
Ребенок растет, а куклы остаются прежних размеров — рассогласование... В США производят игрушки из' пластика, которые спо-
82
Рис. 11. Колесо самолета по пат. Франции 2 600 619
Рис. 12. Топор по международной заявке 88/00112
собны расти вместе с ребенком. Надо лишь подкачать сжатого воздуха (Юный техник. 1989. № 9. С. 38).
Изобретение топора продолжается: по международной заявке 88/00112 предложен новый топор. В этом изобретении рассогласовано вредное взаимодействие (застревание) между изделием (древесина) и инструментом (топор). Для этого лезвие выполнено с несимметричными (рассогласованными) боковыми поверхностями: на каждой поверхности расположены выступы, которые находятся по диагонали один против другого (рис. 12).
4.5.4.	Предотвращение или нейтрализация резонанса — рассогласование собственной частоты системы с частотой внешнего действия или организация противодействия
Одна из наиболее трагических страниц в истории стихийных бедствий — землетрясение в Мехико в 1985 году. Это землетрясение было чрезвычайно разрушительным. Как установили американские эксперты, возникшие во время землетрясения колебания случайно совпали с собственными колебаниями почвы под многими частями города, а также с собственными колебаниями ряда зданий. Чрезвычайная длительность землетрясения способствовала развитию резонансных явлений, которые и привели к разрушению зданий (резонанс усилил вредное воздействие в шесть раз, что превысило предел устойчивости зданий, даже сейсмостойких). И это почти независимо от того, были ли разрушенные здания старой постройки или новые. Главной причиной разрушения зданий в большинстве случаев была частота их собственных колебаний. Отсюда практический вывод: при строительстве новых зданий в сейсмической зоне следует неуклонно следить за тем, чтобы собственные колебания зданий не совпадали с собственными колеба
83
ниями грунта,— таким путем удастся значительно смягчить резонансный эффект.
Существует несколько возможностей исключения вредного действия резонанса:
1.	Уклонение от резонанса путем изменения частоты собственных колебаний.
2.	Организация взаимонейтрализации двух (или более) вредных действий.
3.	Введение второго внешнего действия в противофазе к вредному.
4.	Самонейтрализация вредного действия путем его разделения на два, сдвига одного из них по фазе и их столкновение.
5.	Самонейтрализация вредного действия путем введения дополнительных грузов со смещающимся центром тяжести.
6.	Ликвидация источника внешнего действия.
Рассмотрим эти возможности на конкретных примерах.
Изменения частоты собственных колебаний можно достигнуть при изменении одного из параметров системы.
К. с. 714 509: при ветре провода линии электропередачи раскачиваются, и если с их колебаниями совпадут порывы ветра, то возможен обрыв проводов. Для исключения резонансных явлений одна из проволок в проводе сделана меньшего, чем остальные, диаметра.
Дисковая пила (задача 8) визжит потому, что ее зубья расположены через равные промежутки, и ударные волны складываются в сильные резонансные колебания. Для разрушения резонанса достаточно сделать зубья с разной величиной, шагом или отгибом от плоскости резания.
А. с. 822 925: струнное сито, включающее раму с натянутыми на нее струнами. В целях повышения качества просеивания каждая третья-пятая струна имеет натяжение в полтора-три раза больше, чем остальные струны, натянутые между ними.
А. с. 1 015 150: виброизолятор, в котором с целью повышения эффективности гашения колебаний отверстия выполнены с диамет-
рами, убывающими по высоте упругого элемента.
В трубопроводах, работающих под большим давлением, возникают вибрации разной частоты (из-за пульсации давления), которые могут привести к резонансу колебаний и как следствие — к гидравлическому удару, разрушающему всю трубопроводную систему. Поэтому в таких системах предусматривают
Рис. 13. Упругий эле- множество различных, но не всегда эффектив-мент по а. с. 1 015 150 ных гасителей — гибкие вставки, эластич-
84
ные подвески, глушители, предохранительные клапаны и т. д. Изобретено универсальное устройство, предотвращающее возникновение резонанса (Знание — сила. 1988. № 5. С. 6). Оно состоит из двух взаимосвязанных упругих элементов: жесткость одного из них изменяется по линейному, а второго — по нелинейному закону. В качестве первого элемента используется винтовая пружина, второго — упруго демпфирующий элемент из прессованной проволоки. Предложенное устройство с регулируемым акустическим сопротивлением позволяет управлять подстройкой частот собственных колебаний трубопровода. Можно даже создавать частичное отражение энергии пульсаций обратно к их источнику. На этом обратном пути отраженная волна гасит встречную той же частоты.
Наиболее эффективный способ нейтрализации двух вредных действий (внешних или внутреннего и внешнего)—это их замыкание друг на друга и взаимоуничтожение (иногда требуется их предварительное рассогласование по частоте или фазе). Однако одновременное наличие двух вредных действий в системах — довольно редкое явление. Чаще требуется искусственное введение второго действия.
А. с. 1 067 147: способ гашения сейсмических колебаний, включающий выполнение в грунте экранов, гасящих сейсмические колебания, ОТЧСЦ повышения эффективности гашения сейсмических колебаний экраны образуют путем введения в грунт магнитопроницаемого вещества, а в момент приближения сейсмических волн через экраны пропускают импульсы электрического тока.
При строительстве высотных сооружений — башен, труб, гигантских монументов — предусматриваются специальные меры защиты от опрокидывания. Наиболее опасны односторонние резкие раскачивающие нагрузки — ветровые. Амплитуда колебаний быстро достигает нескольких метров, а при достижении резонанса сооружения разрушаются. Одно из возможных решений (а. с. 566 912) заключается в организации «антиветра» — через сопла, расположенные ярусами по высоте, подаются воздуходувками струи воздуха навстречу ветровому потоку.
А. с. 865 534: нежесткую деталь, вибрирующую при токарной обработке, предложено утихомиривать подачей на нее импульсов электрического тока.
А. с. 589 482: вибрацию, возникающую в фундаменте при работе технологических установок, предложено нейтрализовать с помощью возбуждаемых в фундаменте противофазных колебаний специальной автоматической системой.
То же решение предложено Польским институтом судостроения для ликвидации вибрации морских судов, вредной не только для конструкционных элементов, но и для здоровья моряков (Наука и жизнь. 1983. № 7. С. 48).
85
Борьба с шумовым загрязнением окружающей среды может вестись двумя путями: либо ликвидацией источников шума, либо шумоподавлением — пассивным (поглощающие перегородки, «крепостные» стены, шумоизоляция) или активным. Последний способ оказался пока самым эффективным и находит все большее распространение и популярность во всем мире.
К наиболее мощным и вредным источникам промышленных шумов относятся станции перекачки газа, стенды для испытания реактивных двигателей, турбогенераторные установки. Например, расположенная недалеко от Кембриджа газокомпрессорная станция доставляла множество неприятностей окрестным жителям. Чтобы подавить низкочастотные шумы, исходившие от этой станции во всех направлениях, ученые из Кембриджского исследовательского центра разместили вокруг ее выходной трубы 72 мощных динамика. Особое электронное устройство воспринимает шумы газовой струи, сдвигает их по фазе на 180 градусов и подает с нужной амплитудой на динамики.
Эффект оказался разительным: сталкивающиеся в противофазе звуковые волны подавили друг друга, и после включения динамиков в окрестностях станции воцарилась почти полная тишина. Акустическая антишумовая система не оказывает никакого влияния на двигатель. Ее стоимость по меньшей мере вдвое ниже, чем стоимость традиционных устройств для глушения шума, а эффективность выше (Новое в жизни, науке и технике. Серия «Техника». 1982. № 2. С. 58).
В США применяют устройство, работающее на том же принципе, для шумоподавления в работающих дизельных двигателях (Изобретатель и рационализатор. 1989. № 8).
В Англии выпущен бесшумный вентилятор со встроенными микрофоном и громкоговорителем: шум мотора и лопастей улавливается микрофоном, преобразуется электронным блоком в звук с противоположной фазой, воспроизводится громкоговорителем и полностью нейтрализуется. На основе этой разработки создан также «Акустический телескоп» — для борьбы с шумом в помещениях. Прибор состоит из 25 миниатюрных микрофонов. Короткий импульс, испускаемый динамиком, вызывает эхо, которое передается микрофонами в измерительное устройство. Микрокомпьютер регистрирует и оценивает эхо, определяет, по какому направлению звук отражается с максимальным затуханием. По результатам измерений рассчитываются частота и фаза «антизвука», которые противодействуют шуму.
Однако введение в систему второго вредного действия для уничтожения первого (например, «антизвука») требует дополнительных устройств, подсистем и энергопитания. Намного дешевле и эффективнее организовать противодействие на основе той же вред-86
Рис. 14. Амортизатор по а. с.	Рис. 15. Подвеска по а. с. 895 886
1 392 279
ной силы — разделить ее на две, сдвинуть одну из них по фазе (лучше всего на 180 градусов) и взаимоуничтожить.
При реконструкции одной из ткацких фабрик потребовалось установить на втором этаже новые ткацкие станки, относящиеся к разряду виброактивных. Известные амортизационные устройства не давали нужного эффекта, поэтому виделся единственный выход — значительно усилить строительные конструкции (перекрытие, колонны, балки), а это дорого и долго. Кроме того, амортизационное устройство для своего размещения потребовало бы не менее одного метра пространства под станком. Найденное решение (а. с. 1 392 279) позволило разместить высокоэффективный амортизатор прямо в конструкции пола (рис. 14).
Амортизатор (3) посредством подвески из троса, закрепленного одним концом к опорной балке (7), крепится другим концом к днищу корпуса амортизатора. Опорная балка (1) проходит через корпус амортизатора в проеме в виде сквозного окна и непосредственно опирается на конструкцию перекрытия. Амортизатор размещается в устроенном в конструкции пола (4) гнезде. Вибро-активный станок своей станиной (2) устанавливается на амортизатор.
Амортизатор работает на вредной силе вибрации, которая сама себя гасит.
А. с. 1 280 140: глушитель выхлопа для газовых машин (компрессора, двигателя и пр.), в котором шум гасится посредством интерференции вихрей.
Для самонейтрализации вредного внешнего действия часто используется принцип введения в систему дополнительных грузов
87
со смещающимся центром тяжести: шаров, маятников, подпружиненных грузов, эксцентриков и пр.
А. с. 673 995: регулятор давления, в котором для повышения эффективности демпфирования автоколебаний груз выполнен со смещенным относительно его продольной оси центром тяжести.
Одна из главных трудностей в работе на подъемном кране — раскачивание и вибрация груза из-за порывов ветра, инерции груза при поворотах крана, неравномерность поднимания или опускания крюка (при частом переключении лебедки груз дергается). Эта низкочастотная вибрация передается через тросы на металлические конструкции крана и может привести к аварии. Кроме того, крановщик теряет время, дожидаясь, пока груз «успокоится», особенно, если его надо подать через узкий проем.
По а. с. 895 886 предложена подвеска (рис. 15), которая состоит из грузозахватного органа (в данном случае крюка), блоков и полого корпуса. В нем находятся два массивных полых шара (для уменьшения габарита устройства возможно размещение их один в другом). В дне корпуса есть сферическое углубление, симметричное относительно вертикальной оси подвески. Под действием вибрации шары внутри корпуса перекатываются в этом углублении, смещая центр тяжести подвески и гася вредные колебания.
В летательных аппаратах, в космических кораблях одной из нелегких проблем оказалась проблема гашения колебаний жидкости в емкостях (топливные колебания и пр.). Вот как развивалось одно из направлений — погружные упругие демпфирующие конструкции (рис. 16).
В жидкость помещают упругую оболочку, заполненную газом: при резких толчках и колебаниях жидкости оболочка сжимается-разжимается с частотой, отличающейся от частоты колебаний жидкости. Колебания жидкости частично гасятся, но совсем не гасятся колебания стенок емкости из-за возникающей в опорах динамической реакции.
Рис. 16. Гасители колебаний:
а) по а. с. 295 922, б) по а. с. 495 252, в) по а. с. 543 795, г) по а. с. 756 104
88
А. с. 295 922: гаситель колебаний, в котором с целью уменьшения амплитуды колебаний стенок емкости и уменьшения динамической реакции в узлах крепления емкости демпфирующий элемент снабжен упругими элементами для соединения его с емкостью (рис. 16а).
А. с. 485 252: для увеличения демпфирования колебаний гаситель снабжен перфорированной оболочкой, охватывающей упругий элемент, соединенный с ней посредством радиально расположенных упругих связей (рис. 166).
А. с. 543 795: для гашения нескольких частот колебаний упругая оболочка и каркас разделены перегородками на отдельные секторы, стенки упругой оболочки секторов имеют различную упругость и заполнены газом под разным давлением, а стенки каркаса по секциям имеют разную степень перфорации (рис. 16в).
А. с. 724 837: для увеличения эффективности гашения колебаний площадь всех отверстий перфорированной оболочки составляет два-четыре процента от общей площади поверхности.
А. с. 756 104: для увеличения эффективности гашения колебаний гаситель установлен с возможностью перемещения в объеме жидкости и имеет нулевую плавучесть. При колебании жидкости гаситель будет смещаться в сторону больших амплитуд, то есть он работает в самонастраивающемся режиме (рис. 16г).
В странах Востока, например в Японии, во время землетрясения часто бывало так, что разрушались железобетонные здания, стальные мосты, а деревянные пагоды стояли как ни в чем не бывало. Секрет пагод — в хорошем изобретательском уровне: внутри каждой пагоды древние строители подвешивали сверху вниз длинную деревянную балку с грузом на конце. Частоту колебаний этого своеобразного маятника подбирали такой, что во время землетрясения он раскачивался в противофазе с самой постройкой, помогая гасить колебания.
В Нью-Йорке и Фениксе строятся небоскребы высотой в 520 метров. Железобетонный каркас супернебоскребов должен выдерживать на большой высоте напор ветра, дующего со скоростью 150 километров в час. Как предотвратить раскачивание зданий? В одном из нью-йоркских небоскребов на верхнем этаже установлен скользящий противовес массой 365 тонн, который нейтрализует воздействие ветровой нагрузки и демпфирует колебания зданий (Социалистическая индустрия. 1986. 11 декабря).
В Японии одна из строительных компаний реализовала более простое решение: на крыше небоскреба устанавливается огромный резервуар с водой. Из-за огромной массы и инерционности жидкость реагирует на сотрясения с запозданием. Колебания здания нейтрализуются и в значительной степени гасятся (Техника — молодежи. 1988. № 9. С. 42).
89
Крайняя, но часто очень простая мера борьбы с резонансом — ликвидация источника внешнего действия.
Например, для устранения ударной нагрузки на вагон при наезде колеса на стык рельса предложено (Изобретатель и рационализатор. 1985. № 1. С. 33) делать стык косым под углом 45 градусов к оси рельса. Накатываясь на следующий отрезок рельса, колесо продолжает еще катиться по предыдущему отрезку, при этом оно не встречает промежутка между рельсами, перпендикулярного образующей колеса, и бесшумно перекатывается с одного отрезка на другой.
4.5.5.	Явление самосинхронизации вращающихся тел: вред и польза
Резонанс особенно опасен в системах со многими вращающимися частями. В таких системах резонанс может возникнуть самопроизвольно за счет явления синхронизации вращающихся тел (открытие № 333, 1987 г.): все системы с вращающимися телами стремятся к самоорганизации, стараются выбрать один ритм, работать синхронно. Например, на одной из ткацких фабрик столкнулись с необъяснимыми авариями — станки часто ломались, просто рассыпались на составные части. Анализ системы показал, что причина в самосинхронизации, машины вХрдили в резонанс и разрушали сами себя. Простой и единственный выход—разрушить резонанс, переставить двигатели, убрать лишние связи (Техника — молодежи. 1988. № 4. С. 13).
Явление обнаружили в институте «Механобр» (ВНИИПИ механической обработки полезных ископаемых) еще в 1948 году. Два независимых электродвигателя приводили в движение две независимые установки, укрепленные на одном общем фундаменте. Однажды провода, питающие электроэнергией один из моторов, оборвались. Но это заметили только несколько часов спустя: обесточенный двигатель продолжал исправно вращаться как бы сам собой, приводя в движение связанную с ним установку!
Одна из крупнейших проблем, решенная с применением самосинхронизации,— создание высокоэффективных способов измельчения минерального сырья. Ежегодно в стране измельчается до трех миллиардов тонн минерального сырья и на это уходит более пяти процентов вырабатываемой энергии. Причем эти затраты непрерывно растут, так как приходится разрабатывать все более бедные руды и поэтому требуется повышать степень измельчен-ности. Сейчас уже перешли на технологии переработки мелковкрапленных руд, которые требуют измельчения частиц до размера около 0,1 миллиметра, а в ближайшем будущем размер частиц уменьшится еще в несколько раз (количество энергии на измель
90
чение прямопропорционально вновь образующейся поверхности, которая, в свою очередь, обратно пропорциональна квадрату диаметра частиц).
Как работают сегодняшние измельчительные установки? Это гигантские сооружения — мельницы с барабанами, наполненными стальными шарами или стержнями, которые, перекатываясь, дробят и измельчают куски минералов. Но даже самая прочная сталь в этих жесточайших условиях истирается, превращается в пыль. В результате при измельчении одной тонны руды истирается в среднем около одного килограмма металла и в целом по стране теряется около трех миллиардов тонн металла в год, то есть около двух процентов всего производимого количества! Иногда же ситуация просто парадоксальна. Например, одна тонна молибдена добывается из трех тысяч тонн руды. В результате для получения одной тонны этого ценного металла, идущего в качестве легирующей добавки, приходится расходовать... около трех тонн легированной стали (Химия и жизнь. 1987. № 5. С. И —17).
В «Механобре» предложен новый способ измельчения (без стальных шаров) — вибрационный. Смысл в том, что куски породы могут истирать сами себя (самоизмельчение) и наиболее эффективно этот процесс идет, если к кускам минералов приложить импульсное давление со сдвигом (кусок разваливается по слабым границам раздела фаз, по дефектам кристаллической структуры). Вибрационный метод хорош тем, что к минералам не нужно прикладывать большие нагрузки единовременно, вполне достаточно, чтобы не очень сильное сдавливание и скручивание повторялось многократно — происходит накачка энергии внутрь куска породы и в некоторый момент он разрушается в порошок определенного гранулометрического состава. Единственное обязательное условие — синхронность и синфазность воздействий на материал нескольких несвязанных между собой вибраторов (например, дебалансных возбудителей на электродвигателях). Вот тут-то и срабатывает явление самосинхронизации вращающихся валов двигателей.
4.5.6.	Согласование (рассогласование) частоты используемых полей
А. с. 698 663: способ вибромагнитной сепарации материала, при котором вращающееся магнитное поле реверсируют синхронно с вибрацией — это уменьшает силы сцепления между частицами материала и повышает эффективность разделения.
Вибротрамбование дорожного основания, при котором к передней по ходу кромке виброплиты прикладывают колебания с частотой, вдвое меньшей, чем к задней. Такой способ позволяет
91
эффективно уплотнять основания из крупных минеральных фракций (Техника и наука. 1983. № 1. С. 17).
В выставочных залах, аэропортах, холлах гостиниц требуется на разных участках пространства передавать через динамики разную информацию. Но если на потолке или стенах разместить десятки динамиков, вещающих на разных языках, получится невообразимая мешанина звуков. Как быть? В Японии предложено накладывать голоса дикторов на ультразвуковые колебания, излучаемые динамиками. При этом на каждый участок пространства направлено два динамика, которые излучают два направленных противофазных ультразвуковых луча. Лучи пересекаются в нужной зоне зала, гасят друг друга, и остается только голос диктора (Социалистическая индустрия. 1985. 24 января).
Примером остроумного применения правила согласования-рассогласования используемых полей может служить изобретение по а. с. 1 002 064 «Способ волочения металла через две волоки с применением ультразвука», по которому достигается значительное снижение усилия волочения за счет проталкивания металла одной волокой через другую (!).
Предшествующие технические решения:
а. с. 201 305 — волочение через две соосно расположенные волоки, которым придаются колебания в противофазах вдоль оси волочения, достигается незначительное снижение усилия волочения;
а. с. 561 584: для уменьшения сил трения за счет обеспечения поступления смазки в волочильный канал волоке (здесь только одна волока) сообщают продольные и радиальные УЗ-колебания.
По а. с. 1 002 064 волокам сообщают однонаправленные радиальные УЗ-колебания, синфазные с их колебаниями вдоль оси волочения (рис. 17). В моменты времени t = 0; Т; 2Т;... волока 2, перемещаясь против направления волочения и несколько увели-
Рис. 17. Способ волочения металла по а. с. 1 002 064: / — металл; 2, 3— фильтры
92
чивая свой диаметр под действием комбинированных УЗ-колеба-ний, производит деформацию металла и нагружена усилием волочения в течение примерно 1/4 периода колебаний. При этом волока 3 смещается в направлении волочения и, увеличивая свой диаметр, обгоняет протягиваемый металл /. Усилие волочения через эту волоку падает до нуля. В моменты времени t = Т/2, ЗТ/2, 5Т/2,... волока 2 при колебательном уменьшении диаметра обжимает металл в радиальном направлении и перемещается вместе с ним на амплитуду продольных колебаний в направлении волочения, проталкивая металл через волоку 3. Толкающее усилие волоки 2 является активным и уменьшает суммарное усилие волочения металла через две волоки. В это же время волока 3, уменьшая свой диаметр и перемещаясь против направления волочения, производит деформацию металла. Отмечается, что усилие волочения стальных труб снижается на 62—68 процентов!
4.5.7.	Действие в паузах
В Болгарии по телевидению передают телевизионную газету. Сигналы, несущие текст, «спрятаны» между кадрами телепрограммы. С помощью приставки можно «пролистать» все 999 страниц телегазеты.
По а. с. 343 722 поперечную раскатку металлического листа ведут в паузах продольной раскатки.
Известный авиаконструктор А. Фоккер в 1915 году решил проблему стрельбы из пулемета через винт самолета, согласовав скорости вала мотора и замкового механизма пулемета (пули пролетают «в паузах» между двумя соседними лопастями).
4.5.8.	Использование колебаний и резонанса в задачах на измерение (обнаружение)
Собственная частота колебаний — универсальная характеристика. Если любое тело заставить колебаться и при этом плавно изменять частоту, то настанет момент резонанса — по этой частоте можно определить характеристики тела (массу, размеры, упругость и т. д.).
А. с. 271 051: способ измерения массы жидкости в резервуаре путем измерения резонансной частоты резервуара.
А. с. 244 690: способ измерения веса движущейся нити путем измерения резонансной частоты на участке нити между двумя роликами.
А. с. 560 563: способ определения степени опорожнения вымени коровы при машинном доении путем измерения резонансной частоты вымени.
93
А. с. 1 008 617: способ измерения массового расхода протекающей по трубам среды путем возбуждения в каждой трубе поперечных колебаний, при котором с целью повышения точности вынужденные колебания четной трубы возбуждают с частотой, равной резонансной частоте нечетной трубы, а для нечетной — наоборот.
А. с. 647 597: способ виброакустического контроля несущих поверхностей летательных аппаратов, основанный на возбуждении в несущих поверхностях синфазных резонансных колебаний, и измерение резонансных частот каждой плоскости. В целях повышения чувствительности измерений и точности определения местоположения дефекта на идентичные точки несущих поверхностей устанавливают симметрично продольной оси самолета несколько пар датчиков, сравнивают по фазе сигналы каждой пары и по разности фаз определяют величину дефекта, а по положению датчиков, с которых получена информация о дефекте, судят о местоположении дефекта.
Очень надежной должна быть работа системы контроля целостности подводных конструкций (чаще всего трубчатых) морских буровых платформ. Одна из французских фирм предложила такой способ: в трубчатые конструкции нагнетается воздух, устанавливаются датчики давления, трубы герметизируются и по падению давления в процессе эксплуатации судят о нарушении их целостности. Однако такая система требует больших затрат на поддержание своей работоспособности — компрессоры, сложную систему воздухонапорных шлангов, клапанов, редукторов и пр. Намного проще и надежнее резонансный контроль целостности конструкции. Для этого надо заранее зарегистрировать собственную частоту колебаний каждой трубы при ударе по ней (принцип ксилофона). Трещины меняют звучание трубы при ударе (как и треснувшая фарфоровая чашка), собственная частота изменяется и при попадании воды внутрь трубы (Наука и жизнь. 1983. № 2. С. 109).
А если невозможно придать колебания объекту? Тогда о его состоянии судят по изменению собственной частоты колебаний присоединенного объекта (или внешней среды). Чаще всего к объекту «присоединен» воздух.
Например, фирма «Маркони Авионике» разработала устройство для определения уровня угля в бункере глубиной до 80 метров. В описании говорится, что оно включает радар когерентного типа, микропроцессор, дисплей, пульт управления и т. д. Очень сложно! Давно известен способ медицинской диагностики — простукивание грудной клетки человека. На похожем принципе основан универсальный способ измерения объема любых сыпучих (или жидких) материалов в емкости по объему воздуха над ними (а. с. 321 687, 507 781). Достаточно озвучить емкость, измерить частоту звуча
94
ния воздуха и по этой характеристике определить объем воздуха, а значит, и объем материала.
Сами собственные колебания (факт их наличия или отсутствия) могут служить сигналом для обнаружения (измерения). Если амплитуда этих колебаний недостаточна, их можно усилить. Самый простой способ усиления — использование резонаторов. Например, по а. с. 1 175 778 предложено самое простое и эффективное устройство для оповещения о приближающемся поезде: оно представляет собой корпус, стерженек, мембрану и резонатор (рупор). Корпус закрепляется на рельсе, и устройство во много раз усиливает его гудение.
Но не только резонанс является эффективным средством измерения систем. Практически любые изменения собственной частоты колебаний объекта могут служить надежными показателями его механического состояния и физических свойств, например:
— Скорость затухания собственных колебаний.
А. с. 348 945: способ определения содержания в яйце плотной и жидкой фракций с помощью крутильного маятника в виде диска, подвешенного на двух нитях. На диск кладется яйцо, и маятник приводится в движение. Вследствие внутреннего сопротивления (вязкости) белка амплитуда колебаний быстро уменьшается. Вязкость плотной фракции белка в 10—12 раз больше, чем вязкость жидкой фракции. Чем больше плотной фракции, тем быстрее затухание, и наоборот. По количеству колебаний определяют содержание фракций.
— Изменение величины механических потерь в объекте при изменении его собственной частоты.
А. с. 1 004 814: способ определения теплостойкости материалов (реактопластов), при котором постепенно повышают температуру образца, воздействуя на него колебаниями, и определяют момент его размягчения по резкому изменению механических потерь на участке от источника колебаний до датчика.
— Изменение амплитуды собственных колебаний.
А. с. 1 024 227: способ определения предельно допустимого износа сверла путем измерения амплитуды колебаний, генерируемых системой инструмент — станок (сравнивают с заранее определенными параметрами допустимого износа).
— Спектр звуковых колебаний для определения состояния множества движущихся объектов.
А. с. ЧССР 190 603: способ определения изменения состояния слоя частиц при протекании сквозь него газа или жидкости (например, частичная агломерация частиц в результате их плавления или разрушения непрочных частиц слоя) по изменению непрерывно регистрируемого спектра звуковых колебаний, возникающих при протекании потока сквозь слои частиц;
95
по спектру шума, издаваемого специальной «денежной» бумагой, предложено даже определять подлинность банкнот (Химия и жизнь. 1982. № 8. С. 95);
лучший товар США 1988 года: миниатюрный анализатор спектра шума работающего автомобиля для определения его технического состояния. Индикатором размером с авторучку прикасаются к корпусу и выявляют скрытые повреждения, коррозию и т. п. (Социалистическая индустрия. 1989. 21 января. С. 3).
Если невозможно определить изменения собственной частоты системы, то используют присоединенные объекты — проводят анализ изменения частоты собственных колебаний такого объекта и по нему судят об изменениях в системе.
А. с. 616 536: способ определения усилия в предварительно напряженном стержневом элементе, заключающийся в том, что на элементе в заданном сечении размещают присоединенную массу, действуют в этом сечении возбуждающей силой, замеряют частоту собственных колебаний системы и рассчитывают усилие. ОТЧСЦ повышения точности определения изменяют присоединенную массу, возбуждают колебания полученной системы, измеряют частоту собственных колебаний, а усилие рассчитывают по результатам двух измерений.
А. с. 900 178: способ неразрушающего контроля элементов конструкции, заключающийся в том, что в контролируемом элементе возбуждают изгибные колебания, измеряют его собственную частоту и по ней рассчитывают параметры состояния элементов конструкции. ОТЧСЦ повышения точности измерения на контролируемом и соседнем с ним элементе закрепляют дополнительные сосредоточенные массы и измеряют собственную частоту колебаний контролируемого элемента, меняют значение сосредоточенных масс, добиваясь совпадения собственных частот колебаний контролируемого элемента при различных значениях дополнительно сосредоточенной массы на соседнем элементе.
А. с. 628 237: способ определения целостности забиваемой сваи по изменению колебаний грунта.
Способ проверки давления в шинах автомобилей (Изобретатель и рационализатор. 1989. № 11), по которому к шине приставляют «пистолет», спускают курок и по характеру вызванных в шине колебаний определяют давление воздуха.
А. с. 630 577: способ дефектоскопии изделий, заключающийся в том, что в контролируемом изделии возбуждают упругие колебания с помощью датчика с бойком, измеряют параметры колебаний бойка и по ним судят о наличии дефектов в изделии. ОТЧСЦ повышения точности контроля в качестве параметров колебаний бойка используют амплитуду и ширину спектра его собственных колебаний.
96
Даже неприсоединенный, далеко расположенный, но резонирующий объем способен помочь в задачах на измерение, обнаружение самих колебаний.
Летом 1932 года на палубе ледокола «Таймыр» проводились запуски метеорологических шаров (зондов). Готовясь к одному из них, аэролог случайно коснулся лицом оболочки шара и... отпрянул, вскрикнув от острой боли в ушах. Пытаясь объяснить это, будущий академик В. В. Шулейкин пришел к выводу, что оболочка шара, надутого водородом, служила своеобразным резонатором, усиливавшим звуковые колебания частотой 6—12 герц. Они-то и вызвали боль в ушах. Откуда же взялись колебания? Источником звука столь низкой частоты был, как оказалось, шторм, бушевавший за сотни миль от «Таймыра». Это открытие позволило создать со временем прибор для предсказания шторма (Юный техник. 1988. № 7).
4.6.	ЗАКОН ДИНАМИЗАЦИИ ТЕХНИЧЕСКИХ СИСТЕМ
4.6.1.	Формулировка закона и основные правила его применения
Жесткие системы для повышения их эффективности должны становиться динамичными, то есть переходить к более гибкой, быстро меняющейся структуре и к режиму работы, подстраивающемуся под изменения внешней среды.
С момента синтеза и на первых этапах развития ТС имеют обычно жесткие внутренние связи, в них отсутствуют подсистемы для изменения режима работы в зависимости от изменения внешних условий. Из-за этого системы легко уязвимы, часто выходят из строя, недолговечны. Поэтому этап динамизации (адаптации) неизбежен. Для механических систем он начинается обычно с перехода от неподвижных частей к движущимся, жесткая связь (или конструкция) «ломается», и в этом месте вводится шарнир, жесткие элементы заменяются на гибкие, на гидро- и пневмоконструкции, используются вибрация, периодическое изменение формы и др. Для последующих этапов динамизации характерно применение физических и химических эффектов и явлений, введение обратной связи, первые стадии самоорганизации, замена систем и подсистем идеальными веществами, «интеллектуализация» техники.
В основе динамизации лежат фундаментальные принципы организации природных процессов. Вспомним хотя бы принцип Ле Шателье: если на систему, находящуюся в равновесии, воздействовать извне, изменяя какое-нибудь из условий (температура, давление, концентрация), то равновесие смещается таким образом, чтобы
7 Зак 214В
97
уменьшить изменение. Система перестраивается, «уходит» от вредного воздействия внешнего фактора, повышает свою «живучесть» (разумеется, с помощью человека), приспосабливается к существующим условиям, к постоянно возрастающим потребностям человека и общества, в этом и есть главный смысл динамизации. На законе основаны два стандартных направления решения изобретательских задач:
1)	Динамизация вещества системы.
Динамизация начинается обычно с разделения вещества на две шарнирно соединенные части, далее идет по линии: один шарнир — много шарниров — гибкое вещество — жидкость — газ. Иногда динамизация заканчивается заменой вещественной связи полевой:
2)	Динамизация поля в простейшем случае осуществляется переходом от постоянного действия к импульсному действию, затем к переменным и нелинейным полям.
Обе цепочки динамизации отражают лишь наиболее характерные этапы изменений в системах. Не обязательно все этапы «проходят» системы, и не все системы «доходят» в своем развитии до конца цепочек.
4.6.2.	Использование закона в изобретательской практике
Использование в изобретательской практике закона динамизации (как и всех других законов) предельно упрощает не только процесс решения, но и поиск задач. Знание законов развития
98
ТС позволяет увидеть и точно сформулировать изобретательские задачи. Если мы знаем, что любая ТС проходит стадии динамизации, то нужно определить, на каком этапе она в данный момент находится, и сделать следующий шаг. Единственная трудность — определение «больного места» в ТС. Для этого нужно знать простое правило: динамизируется, в первую очередь, та часть системы, которая испытывает наибольшие претензии внешней среды (вредные воздействия по отношению к ТС — природные, социальные, от других ТС).
Примеры на введение одного шарнира:
—	во Франции выпускается строительный кран с передвигающейся вверх-вниз кабиной для облегчения работы крановщика (расширяется поле зрения во время погрузки-разгрузки);
—	а. с. 742 639: гайка с отделяющейся резьбой. Если такую гайку освободить от корпуса, резьбовая часть свободно снимается с болта без свинчивания;
—	а. с. 645 661: игрушка «ванька-встанька», содержащая корпус, нижняя и верхняя поверхности которого выполнены сферическими, и груз, размещенный в нижней части корпуса, ОТЧСЦ расширения игровых возможностей она имеет стержень, установленный в корпусе вертикально, а груз свободно установлен на стержне для обеспечения его продольного перемещения.
Вот рассказ одного из конструкторов самолета ЯК-50 о парадоксальном решении проблемы крепления к фюзеляжу тонкого с большой стреловидностью крыла: «Надо сказать, что тогда мы довольно долго возились с этим узлом, добиваясь необходимой прочности. Несколько раз усиливали конструкцию, но она всякий раз разрушалась при статических испытаниях до достижения расчетных нагрузок. И вот в этот, прямо скажем, критический момент Георгий Владимирович предложил оригинальное решение злосчастного узла, введя в него шарнирный элемент... Доработка упомянутого узла по предложению Г. В. Смирнова помогла, ЯК-50 вышел на летные испытания, показал хорошие результаты» (Козлов П. Я. Конструктор. М.: Машиностроение. 1989. С. 45).
Примеры на введение многих шарниров:
—	пат. США 3 561 679 — сопло реактивного двигателя в виде телескопической раздвижной трубы. При запуске — раздвигается, при транспортировке — складывается;
а. с. 497 381: сейсмостойкий дом на конусных шарнирах между каркасом здания и сваями;
— в Финляндии создана машина для очистки от кустарника и мелколесья лесных дорог, просек и откосов, в которой часто ломающиеся о камни ножи заменены на цепи (цепь вращается со скоростью сотни оборотов в минуту и, как бритва, срезает поросль, обтекая камни);
99
— вырабатывая концепцию автомобиля «Фиат» модели 2000 года, конструкторы пришли к идее, что машина должна состоять из двух компонентов — шасси и разборного кузова, который может менять свой вид, «как манекенщица меняет платья». Владелец автомобиля сможет варьировать передними крыльями машины, ее дверцами, капотом, стеклами, приборным щитком — все эти части- будут продаваться отдельно.
Что представляет собой современный кран? В сущности, это древний ворот (лебедка) с пристроенной к нему укосиной (стрела). И как бы ни поворачивалась эта укосина, как бы ни- наклонялась, кран может взять только груз, находящийся точно под роликами, через которые перекинут грузовой канат с крюком. Даже самый современный кран с телескопической стрелой и гидравлическим управлением не может «заглянуть» в проем строящегося здания или взять груз из какого-нибудь строительного закоулка. Эта ущербность будет сохраняться у кранов до тех пор, пока стрела не станет гибкой, как лебединая шея.
Такая стрела изобретена: она состоит из шарнирно сочлененных элементов — стальных дисков — с постепенно убывающим диаметром. Стрела похожа на трубку от противогаза, а диски, находящиеся внутри, составляют упругий каркас, придающий стреле необходимую устойчивость. Каждый диск жестко соединен по всему периметру с эластичными стенками стрелы. Диски у противоположных стенок пронизаны стальными канатами. Если тянуть то за один канат, то за другой (для этого на поворотной платформе крана имеются гидроцилиндры и соответствующие механизмы), стрела будет изгибаться 'самым причудливым образом. Захват с грузом на такой стреле может проникнуть не только в окно, но даже в подвал строящегося дома (Новое в жизни, науке и технике. Серия «Техника». 1988. № 6. С. 28).
Примеры на введение гибких элементов:
— А. с. 965 789 — инструмент для обработки глубоких глухих отверстий в виде пружины, в торцевые витки которой вправлены алмазные зерна;
— а. с. 994 153 — сверло из многослойной ленты, завитой в спираль;
— а. с. 889 113 — фильтрующий элемент для очистки газов и жидкостей в виде пружины с небольшими зазорами между витками, через которые проходит очищаемый поток, но задерживаются загрязнения, как только количество задержанных загрязнений достигает критической величины, давление внутри пружины возрастает, растягивает пружину, и она освобождается от осевших на нее частиц;
— в США решена проблема защиты берегов от эрозии (размыва волнами). Вместо громоздких берегоукрепительных бетонных
100
сооружений (волны со временем разбивают и эти «крепостные стены») используются искусственные водоросли из безвредного для окружающей среды пропилена. Водоросли крепятся на заякоренной трубе вблизи берега и задерживают песчинки, при этом наносы растут по 5—7 сантиметров в сутки и гасят энергию волн;
—	широкое применение нашли зеркала с изменяемой геометрией (за гибкой зеркальной поверхностью расположена пневматическая или вакуумная камера с изменяемым давлением) — зеркала заднего вида в автомобиле, в солнечных электростанциях, телескопах и т. д.;
—	а.с. 1 072 089 — глобус из эластичного магнитного материала, по которому можно изучать внутреннее строение Земли и вертикальные движения литосферы под действием гравитационных сил Солнца и Луны (магниты);
—	в ФРГ выпускается гибкий пластмассовый карандаш длиной в 0,5 километра, поставляется он в бухтах, а в магазине покупателю отрезают нужный кусок (Наука и жизнь. 1983. № 3. С. 85);
—	а. с. 1 130 237 — тонкая легкая стальная лента в режущем аппарате комбайна (косилки) вместо тяжелых и неуклюжих «ножниц», ленту можно подстраивать под рельеф почвы с помощью тяг.
Типичный пример на динамизацию: а. с. 1 069 662 — рабочий орган центробежного разбрасывателя, в котором с целью повышения равномерности распределения удобрения путем регулирования угла установки лопаток лопатки закреплены на эластичной камере с жидкостью, угол наклона лопаток меняется при изменении количества жидкости в камере.
Вообще надо помнить, что нет абсолютно жестких конструкций — любую можно согнуть на определенный угол. Хороший прием: чтобы жесткий элемент сделать более гибким, увеличивают его длину. Например, при строительстве трубопроводов надо часто стыковать участки длиной в сотни метров. Но сварочные головки автомата действуют только в 1/4 окружности, повернуть весь трубопровод нельзя, поэтому низ стыка сварить невозможно (приходится применять ручную сварку). По а. с. 340 495 предложено закручивать трубы на 180 градусов — это никак не отразится на трубопроводе большой длины. Тот же прием использован в а. с. 901 377 — создан путеукладчик, который одновременно снимает старые рельсы со шпалами и укладывает новые; длина заменяемых участков 800 метров, поэтому их свободно изгибают спиралью, размещая на одних и тех же платформах.
Динамизация телескопа и другой оптики оказалась столь эффективной, что появилась новая наука — адаптивная оптика (то есть приспосабливающаяся к вредным воздействиям внешней среды — загрязнению атмосферы, изменению положения Солнца
101
и т. п.). Разрабатывают мембранные зеркала, сами принимающие параболическую форму, жидкие линзы с изменяющимся фокусным расстоянием и даже... жидкий телескоп (в качестве зеркала используется вращающаяся жидкость, например, ртуть.— Астрономический журнал. 1985. Т. 62. Вып. 3. С. 598). А вот изобретение 1949 года: а. с. 76 409 — способ изготовления вогнутого зеркала для рефлекторных телескопов — серебро помещают в камеру, крышку приваривают, откачивают воздух, затем водородно-кислородные горелки нагревают камеру до расплавления серебра, вращают ее электродвигателем и серебро приобретает идеальную параболическую поверхность. Откачка воздуха нужна для того, чтобы он не поглощался расплавом, так как при выходе поглощенного газа на поверхности образуются поры.
Оказывается, линзы можно образовывать из горячего воздуха прямо в тубусе телескопа. Традиционные линзы телескопов, особенно больших, чересчур чувствительны к изменениям температур и потому требуют сложной системы терморегулирования. Чтобы с этим не возиться, создали телеобъективы, где вместо обычных стеклянных или зеркальных линз применены газовые линзы. Газовую линзу формирует вращающийся металлический тубус. Его горячие стенки нагревают заключенный в цилиндре воздух — чем ближе он к стенкам, тем теплее. Благодаря нагреву преломление воздуха меняется, и создается линзовый эффект (Изобретатель и рационализатор. 1989. № 11. С. 37).
Чем жестче требования к системе, тем быстрее она динамизируется. Например, требования к точности машины долгое время не менялись (до XX века), и однажды найденные технические решения оставались неизменными, удовлетворяли потребностям, но как только потребовалось увеличение ГПФ, так и узлы станков начали интенсивно совершенствоваться.
Пары трения (например, опора и вал) — основа любых современных станков — резко изменились за последние десятилетия.
Когда-то (от станка Нартова до XX века) требования к точности обработки ограничивались миллиметрами и для этого достаточно было непосредственного соприкосновения трущихся деталей — опоры и вала. Это была эпоха твердой контактной поверхности. При увеличении точности обработки до долей миллиметра, до десятков микрон стали применять жидкую смазку. В 80-х годах прошлого века запатентована идея инженера Т. Орловского: подшипник скольжения, в котором вал при вращении не соприкасался с обоймой, а как бы парил в масле, заполнявшем под давлением зазор между ними. Это была идея бесконтактной гидростатической опоры. При дальнейшем увеличении точности потребовались еще более идеальные опоры — появились газостатические опоры (газ нагнетают под давлением через пористые втулки — 102
опоры валов). Динамизация опор пока закончилась полем — успешно применяются в сверхточных станках магнитные опоры.
В электротехнике — с самого начала ее развития — одной из главных проблем была задача повышения долговечности и надежности контактов. Как говорят инженеры, электротехника — это наука о контактах, главное в этой науке — обеспечение контакта, где он нужен, и отсутствие его, когда он не нужен. С наибольшей остротой эта проблема всегда стояла перед конструкторами электродвигателей и электрогенераторов, поскольку коллекторы — самая ненадежная часть этих устройств. Просмотр советского фонда изобретений за последние сорок лет показал четкую тенденцию развития коллекторных щеток: 1) угольные щетки, 2) феррочастицы -I- магнитное поле (постоянный магнит), 3) магнитная жидкость, 4) струйки ионизированного газа, 5) разряд в вакууме.
Причем более двадцати лет из этого срока шло совершенствование угольных щеток. Несколько десятков изобретений получены на способы соединения угольной щетки с медным проводом. Здесь пытались преодолеть техническое противоречие: при спекании угля и сажи требуется температура 500—600 градусов, но при этой температуре на меди образуется окисный (диэлектрический) слой. По пат. Франции 1 557 274 удалось разрешить это противоречие: проводник предлагалось делать из углеродных волокон, кончик проводника — спекать, получится угольная щетка.
4.7.	ЗАКОН УВЕЛИЧЕНИЯ СТЕПЕНИ ВЕПОЛЬНОСТИ СИСТЕМЫ
4.7.1.	Формулировка закона и основные направления усложнения систем
Развитие технических систем идет в направлении увеличения степени вепольности: невепольные системы стремятся стать вспольными, а в вспольных системах развитие идет путем увеличения числа связей между элементами, повышения отзывчивости (чувствительности) элементов, увеличения количества элементов.
Закон справедлив для периода развертывания технических систем. В сущности, это закон развертывания (усложнения) вепо-лей — ведь любую ТС можно представить как некую совокупность простых веполей. Как возникают ТС? Появившаяся потребность обеспечивается вначале простым веполем: изделие, обрабатываемое орудием труда (инструментом) и сила человека. Но при функционировании первого веполя постепенно выявляются его недостатки и возникают новые потребности — в увеличении полезной функции, в устранении участия человека, в присоединении к ТС новых полезных функций, в устранении вредных (побочных)
103
функций и т. д. Все эти потребности поочередно воплощаются в дополнительные подсистемы ТС, у которых, в свою очередь, проявляются недостатки и т. д.
Так возникли все современные сложные ТС, ведущие свою родословную от камня, палки, колеса. Разумеется, сложность не может увеличиваться бесконечно, на определенном этапе развития ТС наталкивается на ограничения (физические, экономические, экологические), и наступает период свертывания ТС в идеальное вещество...
Общий смысл закона: развертывается (усложняется) та часть (элемент) веполя, которая испытывает наибольшее затруднение при выполнении ГПФ системы (или при увеличении ГПФ). Причем «больным» местом может быть любой элемент или связь в веполе.
Возьмем в качестве примера тепловую трубу. Потребность в передаче тепла на расстояние определила ГПФ будущей системы: передача тепла от одной точки к другой. Простейший способ теплопередачи — связь между точками с помощью металлического стержня. Примем эту связь (условно) предшественником тепловой трубы и изобразим эту систему в вепольной форме:
Здесь один конец стержня Вн—зона нагрева, второй конец Во—зона охлаждения (отдачи тепла Пт нагреваемому телу). Разница между /7Т и Щ терялась в процессе передачи по связи. Поэтому связь, выполняющая ГПФ, испытывала наибольшие требования по повышению эффективности — она и развивалась. Следующий этап развития — термосифон (труба с рабочей жидкостью — водой):
-Пт Г ГПФ
фазовый переход жидкость/пар
зоны пристройки вспомогательных ПС в процессе поиска свойств идеальной связи по ГПФ
104
Здесь Взи—зона испарения в термосифоне, то есть приемник тепла, Взк— зона конденсации пара в жидкость, то есть зона отдачи тепла, Вж— рабочая жидкость, Вп— пар.
Следующий этап — тепловая труба Гоглера, в которой к термосифону добавлена новая подсистема — возврата сконденсированной жидкости к зоне испарения с помощью фитиля (капиллярнопористого материала):
Итак, развертывание веполей — это обязательный этап развития любых систем. Развертывание осуществляется следующим образом:
—	мобилизуются ВПР — за счет более полного использования имеющихся и применения «даровых» веществ и полей;
—	в веполи вводят вещества и поля, которые позволяют без существенного усложнения реализовать новые ФЭ, расширить функциональные возможности системы и тем самым повысить степень ее идеальности;
—	если не удается использовать ВПР, новые ФЭ, то систему «достраивают» новыми полезно-функциональными ПС, которые не только увеличивают ГПФ системы, но и усложняют ее (это «черновики» будущих идеальных веществ).
4.7.2.	Образование цепного веполя
Если нужно повысить эффективность вепольной системы, задачу решают превращением одной из частей веполя в независимо управляемый веполь с образованием цепного веполя.
а) Развертывание вещества в веполь:
105
В3 или В4, в свою очередь, могут быть развернуты в веполь.
Например, изобретен декоративный светильник, который с изменением атмосферного давления меняет цвет: в обычном светильнике светофильтр один, он закреплен неподвижно, а в новом светильнике светофильтры закреплены на гофрированной вакуумной камере, которая меняет свой объем в зависимости от атмосферного*давления и передвигает разноцветные светофильтры (а. с. 669 726):
П оптич.
в— лампа
фильтр
Ч оптич.
б) Развертывание связей в веполе:
наоор камера светофильтров
В этом случае в связь В}— В2 встраивается звено П2—В3. Например, в пат. Великобритании 824 047 предложено устройство для передачи вращения одного вала другому: валы вставлены с двух сторон в цилиндрическую муфту, в зазоре между ними — магнитная жидкость, твердеющая в магнитном поле, муфта — это электромагнит. Если электромагнит не включен, валы (Вр В2) свободно вращаются (от Пх) относительно друг друга. При включении электромагнита (П2) жидкость (В3) становится твердой и жестко связывает валы, то есть позволяет передавать вращающий момент.
в) Развертывание поля в веполе:
Как извлечь запрессованную втулку из глухого отверстия?
Чтобы ухватиться за края втулки, потребовалось сделать внутри втулки канавку и специальным съемником выдирать ее из 106
Рис. 18. Способ извлечения запрессованной втулки:
/ — валик-поршень, 2 — втулка, 3 — корпус. 4 — масло
Рис. 19. Способ получения высоких давлений по а. с. 566 656:
/ — гибкий элемент, 2 — барабаны, 3 — отверстие, 4 — клапан, 5 — камера, 6 — заготовка, 7 — матрица
корпуса детали. Это долго и ненадежно. А при массовом демонтаже — неприемлемо. Предложено намного более эффективное решение (рис. 18): в отверстие заливается масло, вставляется стальной валик и по нему производится удар молотком. При этом в масле возникает гидравлический удар, концентрирующий (многократно усиливающий за счет сжатия во времени) внешнее действие, и втулка вылетает из отверстия (Техника и наука. 1984. № 3. С. 39). Формула этого решения:
^мех.
В2 (втулка) (деталь)
З(валик)
4 (масло).
П мех. --- В гибкий
вращения > элемент
Вот еще один безопасный способ значительного повышения давления в масле.
А. с. 566 656: камеру заполняют маслом, клапан закрывается, перематывают гибкий элемент (ленту) с наружного барабана на внутренний, при этом увеличивается объем гибкого элемента внутри камеры, давление резко повышается и происходит калибровка заготовки (рис. 19). По прототипу (а. с. 118 162) в камер\ для штамповки впрыскивают жид-
Чмех. В масло v давления
в1—--------в2
заготовка матрица
107
Рис. 20. Разъемное соединение по а. с. 1 298 439 / — электромагнит, 2 — вал, 3 втулка
кии азот, при нагреве давление поднимается, но не выше 600—700 атмосфер, что сужает технологические возможности — нельзя, например, штамповать толстолистовые заготовки, к тому же способ опасен.
А. с. 1 298 439: способ разъемного соединения охватываемой и схватывающей деталей, по которому с целью уменьшения трудоемкости и увеличения производительности
монтажа-демонтажа соединения охватывающую деталь выполняют из магнитострикционного материала с положительным коэффициентом магнитострикции, а ее упругую деформацию осуществляют воздействием магнитного поля (рис. 20).
То есть плохо управляемые поля (механические — насадки, развальцовка, тепловое—горячая посадка) заменены на хорошо управляемое магнитное поле с одновременной заменой вещества
втулки:
А
/ \ /	\ =
g-
(втулка)	(вал)
"маг ^"мех. упругой f деформации
ВI	В 7 ।	।
1	<(вал)
магнитострикционный материал
А. с. 994 447: способ упрочнения стеклянных труб путем ионного обмена в расплаве солей при наложении упругих колебаний, ОТЧСЦ повышения качества труб неограниченной длины трубы перемещают через расплав соли, а упругие колебания создают наложением переменного магнитного поля и направляют перпендикулярно оси трубы.
Вместо механического возбуждения упругих колебаний использовано магнитное поле:
/ мех.колеб.
Bi в?
(стекл. (расплав) труба)
г) Изменение положения центра тяжести системы: часто эффективность движущейся системы может быть повышена за счет управляемого изменения его центра тяжести.
108
Примеры:
Трактор для работы на крутых склонах имеет подвижный центр тяжести (а. с. 508 427).
Полый молоток, в котором свободно перемещается ртуть (при замахе—в рукоятку, при ударе — в боек). Хорошо устраняет противоречие: для хорошего удара молоток должен быть тяжелым, а для экономии силы рабочего — легким.
А. с. 354 784: способ подготовки семян к посеву путем их гранулирования. ОТЧСЦ обеспечения последующего высева семян, требующих ориентированной укладки на дно борозды, например луковичных, донцем вниз, их размещают в гранулах со смещением центра тяжести относительно центра тяжести гранул, причем донце располагают в непосредственной близости к поверхности гранулы.
Задача 9. Из книги Г. Берегового «Угол атаки» (издательство «Молодая гвардия», 1971 г.): «Устойчивость самолета, грубо говоря, зависит от расположения центра тяжести и центра аэродинамического давления — той точки приложения равнодействующих сил, которые возникают при встрече воздушного потока с плоскостями крыльев, фюзеляжем и хвостовым оперением. В условиях полета оба эти центра подвижны. Чем дальше они друг от друга, тем больший в этот момент запас устойчивости, при их сближении запас устойчивости наоборот уменьшается, и когда он совпадает, становится равным нулю.
Парадокс заключается в том, что чем меньше запас устойчивости, тем маневреннее, тем легче в управлении машина, но вместе с тем и ближе к тому, чтобы выйти из повиновения, стать неуправляемой».
Какой закон нужно применить, чтобы запас устойчивости самолета менялся по желанию летчика?
4.7.3.	Образование двойного веполя
Если дан плохо управляемый веполь и нужно повысить его эффективность, причем замена элементов этого веполя недопустима, задача решается постройкой двойного веполя путем введения второго поля, хорошо поддающегося управлению.
Примеры:
Для очистки сильно загрязненных ампул их заполняют раствором и встряхивают (/7J, а вокруг создают разряжение (/72), и наполняющая их моющая жидкость закипает (а. с. 295 299).
Для повышения сцепления шины с дорогой используется не
109
только вес автомобиля (/7J, но и специальный узор протектора, из углублений которого вытесняется воздух, и с помощью создаваемого вакуума (П9) шина как бы прилипает к дороге (Юный техник. 1985. № 6. С. 46).
4.8.	ЗАКОН НЕРАВНОМЕРНОСТИ РАЗВИТИЯ СИСТЕМ
Развитие частей системы идет неравномерно: чем сложнее система, тем неравномернее развитие ее частей.
Неравномерность развития частей системы является причиной возникновения технических и физических противоречий и, следовательно, изобретательских задач. Например, противоречие, характерное для'сегодняшней электроники: дальнейшее уменьшение размеров электронных устройств сдерживается главным образом размерами элементов (или блоков) питания.
К началу века окончательно определились пороки ламп с угольной нитью. Угольная нить быстро разрушалась, ограничивала температуру накала и яркость свечения. Для увеличения ГПФ требовалась нить из какого-то тугоплавкого металла. А. Лодыгину удалось сделать нить из вольфрама и продемонстрировать такую электролампу на Всемирной выставке в Париже в 1900 году. Однако металлургам не удалось тогда создать технологию производства тонких вольфрамовых нитей. В Германии была запатентована и осуществлена технология получения нитей из другого тугоплавкого металла — тантала. Было организовано серийное производство. Но по качеству (прочности и долговечности) с вольфрамом не мог соперничать ни один металл. Поэтому в конце концов (через несколько десятилетий) технология производства нитей из вольфрама была разработана, и вся электроламповая промышленность перешла на лампы с вольфрамовой нитью.
Изменение в одной части ТС приводит к цепной реакции технических решений — рано или поздно происходят изменения во всех частях ТС.
Закон справедлив на всей линии развития технической системы.
В период развертывания ТС (из-за неравномерности развития) возникающие противоречия разрешаются путем создания новых полезно-функциональных ПС — система постоянно обрастает множеством подсистем и увеличивает ГПФ.
В период свертывания ТС возникшие противоречия разрешаются путем исчезновения ПС, ТС — их функции передаются соседним системам или их заменяет идеальное вещество («умное», запрограммированное на выполнение функции, которую выполняла до этого целая ПС или ТС).
Механизм возникновения неравномерности:
—	возникает потребность в увеличении ГПФ;
110
—	для увеличения ГПФ требуется усилить (выделить) какое-то свойство элемента системы — это начало специализации элемента, дифференциации свойств в системе (как в начале техники лежал процесс выделения из моноструктуры рабочего органа, трансмиссии и т. д.);
—	при усилении одних свойств элемента нарушается взаимодействие (согласованность) с другими элементами, возникает противоречие;
—	противоречие разрешается появлением новых П, В, ПС или ИВ, этим достигается новый уровень согласованности между элементами системы — краткий миг гармонии в «жизни» системы (точка равновесия).
Равновесие — термодинамическое понятие. Поэтому часть принципов термодинамики (и современной синергетики) вполне подходит для объяснения процессов неравномерного развития техники.
Например, принцип (теорема) Онсагера: движущая сила любого процесса — это появление неоднородности в системе. Л. Онсагер (американский физик) сформулировал теорему в 1931 году для термодинамических систем, в которых имеются градиенты температуры, концентраций компонентов, химических потенциалов и т. д. (тогда возникают необратимые процессы теплопроводности, диффузии, химической реакции). Технические системы в этом смысле следует отнести к неравновесным термодинамическим системам — в процессе совершенствования в ТС всегда имеются неравномерно развитые части.
Совершенствование ТС — это следствие творческой деятельности человека. Смысл творчества — повышение степени организованности и управляемости окружающего мира (с точки зрения человека и общества). Развитие материи — это два встречно направленных великих процесса: процесса развития и самосовершенствования живого вещества и процесса деградации — энтропии неживого вещества.
Из второго начала термодинамики следует, что при увеличении степени организованности материи в одном месте тут же возрастает степень дезорганизованности (энтропии) в другом месте. Любое прогрессивное изменение вызывает где-то и регрессивное. Творчество (созидание) является причиной деградации в другой части.
последовательное вытеснение дезорганизации
111
Усиление системности, преобладание системообразующих факторов сопровождается распадом или ухудшением функционирования других систем... Великая задача жизни (цивилизации) — повышать организацию внутри за счет деградации вне сферы жизни.
Движущей силой развития техники в конечном счете является развивающаяся жизнь, движение живой материи. Собственно техника есть только средство (скорее всего, временное!) для достижения целей (каких?!) развития живого...
4.9.	ЗАКОН ПЕРЕХОДА С МАКРО- НА МИКРОУРОВЕНЬ
4.9.1.	Формулировка закона и основные направления его применения
Развитие рабочих органов идет сначала на макро-, а затем на микроуровне. Иными словами, вместо колес, валов, шестеренок должны работать молекулы, атомы, ионы, электроны и т. д., которые легко управляются полями с помощью физико-химических эффектов. Закон действует на всей линии развития ТС. Основной смысл развития заключается в увеличении ГПФ системы. И это стремление изобретателей сравнительно легко осуществляется (на первых этапах развития ТС) на макроуровне — увеличение размеров и мощности действия рабочих органов систем.
Макроуровень — условное понятие, отражающее лишь особенности мышления человека. Первый «слой» восприятия окружающего мира у человека всегда связан с предметами, соизмеримыми с ним, непосредственно ощущаемыми свойствами этих предметов. Другие «слои» мира (как выше, так и ниже «человеческого») скрыты, остаются за гранью непосредственного восприятия. Нужен определенный запас знаний, тренировка, некоторые приемы воображения, чтобы расширить видение реального мира. Это один из глубинных видов психологической инерции и с его преодоления начинается элементарная культура изобретательского творчества.
Возможности экстенсивного развития ТС (то есть увеличение ГПФ за счет изменений на макроуровне) быстро исчерпываются, а рост МГЭ (массы, габаритов, энергоемкости) ограничивается, например, физическими пределами. Поэтому переход на микроуровень неизбежен: начинается задействование все более глубинных структур вещества, высвобождение при этом дополнительных резервов энергии, выявление и использование новых (неизвестных на макроуровне) свойств материи, применение более управляемых полей и легкоуправляемых микрочастиц вещества. Это единственный путь интенсивного развития ТС — повышение организованности (с точки зрения целей человека) все более низких системных уровней вещества.
112
В стихийном изобретательстве переход на микроуровень начинается обычно с дифференциации свойств, зон и функций материала рабочего органа ТС. Для увеличения ГПФ требуется, чтобы одна часть (зона) рабочего органа была острой, другая — тупой, твердой — мягкой и т. д. В отдельных зонах усиливаются необходимые свойства, происходит переход однородной структуры к неоднородной. Соответственно дифференцируются функции — разные части (зоны) объекта выполняют разные функции. Одновременно для разделившихся зон обеспечиваются наиболее благоприятные условия для осуществления их функций. Дифференциация свойств и функций приводит к разделению (расслоению, расчленению) вещества, сплошное вещество заменяется на слоистое — волокнистое— дисперсное. При этом отдельные части (слои, волокна, частицы) для совместной работы в составе рабочего органа объединяются так, чтобы усиливались полезные функции и ослаблялись вредные. Таким образом, возникающие в процессе развития материалов ТС противоречия (ТП, ФП) — противоположные требования к свойствам одного и того же вещества — разрешаются переходом на микроуровень.
Возможны три направления (три линии) перехода с макрона микроуровень:
—	увеличение степени дробления вещества и объединение дробных частей в новую систему,
—	увеличение степени дробления «смеси» вещества с пустотой (переход к КПМ — капиллярно-пористым материалам),
—	замена вещественной части системы на полевую (переход к действию «поле плюс вещество» или только к полю).
4.9.2.	Увеличение степени дробления вещества и объединение дробных частей в новую систему
Это направление развития рабочих органов ТС можно изобразить следующей линией:
Примеры:
Шаги 1—2, Еще в древности кто-то построил первый саманный дом, смешав солому с глиной,— получилось прочное надежное сооружение. В древнем Вавилоне соединили глину с тростником, а в Древней Греции вставляли железные прутья в мраморные колонны. При строительстве храма Василия Блаженного в Москве —
8 Зак. 2148
113
каменные плиты (прототип железобетона) скрепляли железом. Современные слоистые материалы — фанера, биметаллы, волокнистые — стеклопластики, углепластики, металлы, армированные различными волокнами, фибробетон, матричные — железобетон (стальная арматура — матрица, бетон — наполнитель).
Шаги 1—3. А. с. 647 628: устройство для крепления оптических деталей (например, линзы в металлическом корпусе) с помощью промежуточного элемента, увеличения жесткости крепления промежуточный элемент выполнен в виде порошка, которым заполнена полость между оптической деталью и корпусом.
Устройство по п. 1, отличающееся тем, что полость между оптической деталью и корпусом выполнена герметичной.
Есть железобетонные фундаментные блоки стаканного типа (четырех- или многогранные железобетонные «стаканы»), которые забиваются дном в грунт. Плоский боек сваебойного молота бьет по торцу блока, и далеко не каждый блок удается забить целым и невредимым. Много времени и труда уходит на восстановление сломанных блоков. Чтобы было меньше восстановительных бетонных работ, бьют вполсилы, но тогда на закладку фундамента уходит много времени. А на плотных грунтах требуются только мощные удары. Пытались использовать жесткие вставные элементы, повторяющие форму стакана, но нагрузка все равно распределяется равномерно, да и невозможно закладывать в стакан эластичный мешок с песком так, чтобы верхняя часть мешка нависала над торцами блока. При первом же ударе плоским бойком мешок распространится по полости и равномерно распределит ударную нагрузку на стенки и дно блока, а также защитит торцы. При этом можно значительно увеличить силу удара и забивать блоки быстрее.
А. с. 1 068 693: мишень для стрельбы из лука в виде кольцевого электромагнита и ферропорошка (бисер из ферромагнитного стекла, кусочки магнитной резины).
Шаги 1—4. Для обработки канала зуба перед пломбированием используют тонкие боры. Причем каналы обычно сужаются в корне зуба, и невозможно тщательно вычистить канал «до дна». Чем меньше бор, тем быстрее он ломается, и его извлечение далеко не всегда простая задача. Как быть?
Если инструмент на каких-то режимах работы ломается, а эти режимы изменить невозможно, то надо соответствующим образом организовать работу «сломанного» инструмента. Что такое «сломанный» бор? По а. с. 1 286 190 предложено обрабатывать канал магнитной жидкостью (порошок восстановленного железа в хлорамине) и воздействовать переменным электромагнитным полем частотой 13—40 микрогерц.
Шаги 1—6. Щетки электродвигателя / генератора — сплошные, волокнистые, порошок, агрегаты молекул (магнитная жидкость),
114
ионизированный газ, поток электронов в вакууме (см. пример в разделе 4.6.2.).
Дополнение к шагу 5: если нужны частицы вещества, а непосредственное их получение (или введение в систему) невозможно, то частицы получают разрушением вещества более высокого структурного уровня (молекулы из ионов).
4.9.3.	Увеличение степени дробления «смеси» вещества
с пустотой (переход к КПМ)
Примеры:
Шаги 1—4, 7. Эволюция вещества автомобильных шин: шина из сплошного вещества, шина с воздушной полостью (камерой), многокамерная шина (полость разделена перегородками), макропористые шины, шины из КПМ, шины с полостью, заполненной пористыми полимерными частицами и гелеобразным веществом (пат. СССР 908 243).
Шаги 1—2. Даже лемех плуга преображается: из сплошного в полый, перфорированный — в него подают жидкость, удобрение, выхлопные газы двигателя (в качестве удобрения), по нему пропускают электрический ток для уничтожения сорняков.
Подобная эволюция характерна и для многих живых «систем», только природе на бесчисленные пробы и ошибки потребовались миллионы лет поиска, прежде чем были найдены эффективные «технические решения». Например, аммониты — головоногие моллюски в раковинах, которые вымерли 80 миллионов лет назад, а до этого 400 миллионов лет жили на Земле, были хищниками и «разбойничали» в тогдашних морях и океанах,— так вот, эти аммониты были вначале очень неуклюжими, с трудом таскали на себе массивные спиральные раковины, но постепенно в сплошном веществе образовывались полости, они заполнялись воздухом, затем раковины превратились в многокамерные облегченные конструкции (только в последней по спирали камере, жилой, помещалось тело моллюска), в конечном итоге стали довольно совершенными гидростатическими аппаратами: от жилой через все остальные камеры проходил сифон, обеспечивающий регулировку плавучести.
Шаги 1—5. X. с. 435 829: эластичное компенсирующее изделие для уплотнения (герметизации) перчаток и носков в скафанд-
115
pax при высотных полетах. Обычное уплотнение представляет собой кольцевую эластичную трубку, в которую нагнетают воздух. Предложено в кольцевую камеру, охватывающую запястье, помещать вкладыш из латексной губки с открытыми порами. При нормальном атмосферном давлении камера не работает, во вкладыше содержится определенное количество воздуха. Если давление окружающей среды падает, то воздух выделяется, и камера раздувается до уравнивания давления. Здесь КПМ использован как хранитель газа.
Шаг 5. Заполнять поры КПМ может не только газ. Есть, например, детали ракетных двигателей, работающие при температурах 4000°С и выше. Ни один материал не выдерживает таких температур, точка плавления самого тугоплавкого металла вольфрама — 3900°С (керамика не годится из-за резких динамических нагрузок). Пористый вольфрам заполняют медью — пока не испарится.
Наиболее наглядным преимуществом перехода к КПМ служит резкое уменьшение веса конструкций (при сохранении прочности). Часто вес — главная характеристика, ограничивающая в земных условиях дальнейшее развитие технических систем. Например, для изготовления оптических зеркал диаметром один метр и более раньше использовали сплошной материал, однако огромная трудоемкость и невозможность эффективной термостабилизации при одностороннем нагреве (большая тепловая инерция) вынудили перейти на облегченные конструкции.
Обычно это две пластины (одна из них имеет зеркальную поверхность), жестко соединенные ребристым каркасом, который образует структуру из правильных шестиугольников, треугольников или квадратов. Такие зеркала удается облегчить по сравнению с монолитными тех же размеров и жесткости в два с половиной — четыре раза. В результате зеркало диаметром, например, один метр будет весить 300 килограммов. Чтобы еще уменьшить вес, в Институте общей физики АН СССР стали создавать крупногабаритные зеркала из пористых материалов. Зеркало диаметром один метр состоит из корпуса, изготовленного из пористой меди, верхней зеркальной пластины толщиной пять миллиметров из монолитной меди и нижней пластины также толщиной пять миллиметров из нержавеющей стали. Общая толщина такого зеркала составляет 100 миллиметров, вес— 150 килограммов.
Вес пористой меди, из которой изготовлен корпус зеркала, составляет всего 17 процентов веса монолитной меди, занимающей тот же объем. Размер элементарной пористой ячейки примерно равен полутора миллиметрам.
Сейчас можно получать пористые материалы из металлов и их сплавов с пористостью, доходящей до 98 процентов и размером
116
ячеек от десятков микрон до десятков миллиметров (Письма в ЖТФ, 1985. Т. II. Вып. 22. С. 1350—1354).
Шаги 1—6. Первые способы преграждения распространения пламени в газопроводах или воздуховодах представляли собой щелевые металлические вкладыши, слой шариков и даже сетчатые кассеты с песком. Здесь главное техническое противоречие: огне-преградитель должен иметь большие «дырки» для того, чтобы хорошо пропускать газ, и «дырки» должны быть очень маленькие — для эффективного задержания пламени. То есть идеальный огне-преградитель должен состоять почти из одних только мельчайших «дырок» с перегородками минимальной толщины. По а. с. 262 822 предложено использовать КПМ из прессованных ниток металло-волокна. А чтобы еще больше снизить гидравлическое сопротивление, следует использовать вставку с большими диаметрами отверстий, но с наложением электростатического поля (а. с. 369 913) — оно позволяет в три раза увеличить диаметр по сравнению с критическим.
Тенденция «дробления» пустоты хорошо видна на истории развития способов подъема затонувших кораблей (Гора Джозеф Н. Подъем затонувших кораблей.— Л.: Судостроение, 1985). Сначала использовался механический способ — на корабле закрепляли канаты и поднимали его на поверхность. Однако не всегда удавалось провести операцию подъема, так как штормы на поверхности моря и меняющие свое направление подводные течения создавали путаницу в системе тросов.
Предлагалось использовать подъемную силу более легких, чем вода, жидкостей — бензина, соединений аммиака и пр. Жидкость закачивалась бы в полости затонувшего судна и вытесняла воду. Но из-за малой подъемной силы от жидкостей отказались и в дальнейшем использовали только газы (воздух).
Наиболее часто использовали понтоны: их затопляли, прикрепляли к судну по обоим бортам, продували сжатым воздухом (полость — заполнение водой — снова полость). Основные недостатки: огромные трудности закрепления понтонов на больших глубинах, затонувшее судно с понтонами при достижении плавучести может выскочить на поверхность с такой скоростью, что понтоны разлетятся вдребезги, или из них выйдет воздух, и судно снова погрузится в пучину океана. Последнее объясняется тем, что оторвать судно ото дна — иногда сложная проблема, так как из-за сцепления с грунтом или илом требуются усилия, намного большие, чем при простом подъеме. Хорошие результаты были получены при использовании электролиза: к корпусу судна подключали кабель «плюс», а недалеко от судна опускали второй кабель—«минус». Образующиеся пузырьки газа при разложении воды разрушали вредную связь в веполе — сцепление с грунтом падало до нуля.
117
Разновидностью «понтонного» способа был способ использования плавучести самого корабля: проводилась тщательная герметизация судна (заделка всех отверстий) и продувка сжатым воздухом. Чтобы не герметизировать судно (то есть не изготовлять одну большую полость), хорошо было бы использовать много маленьких полостей — так возникла идея заполнения полости корабля шариками для пинг-понга. Простой расчет показал неосуществимость этой идеи — шарики лопнули бы уже на глубине четыре с половиной метра. Обсуждалась даже идея использования стеклянных полых шариков (дорого, ненадежно).
Самое простое «дробление» пустоты — образование пены. В 1964 году для подъема баржи «Ламберджек» со дна Калифорнийской бухты впервые использовали твердый полиуретан. На спасательном судне — две емкости с компонентами пенополиуретана и вспенивающим веществом с низкой температурой кипения. На дне установили смесительную емкость (цистерну), откуда готовая смесь под давлением выбрасывалась в полости баржи (шприцем — водолаз). При выходе резко падало давление, вспенивающее вещество мгновенно испарялось, образовывалась газо-полиуретановая масса, через несколько минут масса затвердевала. 900 граммов массы вытесняли 60,5 килограмма морской воды. Пена автоматически закупоривала небольшие отверстия (пробоины) и иллюминаторы затонувшего судна. На подъем 500-тонной баржи пошло 27 тонн пенополиуретана. Одно плохо: для очистки помещений затвердевший полиуретан приходилось вырубать, то есть дробить. Поэтому еще более эффективный и удобный в применении способ использования пены — ее предварительное дробление (превращение в гранулы).
Голландская фирма «Вейсмюллер», специализировавшаяся на ведении спасательных работ, применила новый способ подъема затонувших кораблей. В 1965 году траулер «Джако-Мина» водоизмещением 108 тонн затонул в шести милях к северо-западу от голландского порта Эймейден. Судно длиной 27,4 метра легло на грунт правым бортом на глубине 18 метров. Поскольку размеры траулера не позволяли имевшемуся спасательному судну поднять его с помощью лебедок, то было решено воспользоваться полистироловыми шариками размером с горошину (из вспененного полистирола), состоявшими на 98 процентов из воздуха и всего на два процента из самой пластмассы. Помимо того, что шарики совершенно не впитывали воду, они, в отличие от сжатого воздуха, равномерно давившего во всех направлениях, создавали усилие, направленное только вверх. Шарики закачали по шлангам в смеси с водой в корпус траулера. 60 кубических метров гранул. Они уменьшили вес траулера настолько, что траулер легко подняли на поверхность. Впервые идею применения полистироловых гранул высказал
118
датский изобретатель К. Крейер. Подобный способ — пат. ФРГ 1 247 893 (1967 г.): плавающие тела из пенопласта закачиваются в судовые помещения с помощью помпы со спасательного судна.
Удаление гранул из поднятого судна осуществлялось насосами для разгрузки зерна, то есть намного проще, чем при удалении пенополиуретана (ППУ). Кроме того, ППУ невозможно применять на глубинах более 90 метров — не образуется пена, не хватает давления вспенивающего газа.
На подъем затонувшей землечерпалки (более 1000 тонн) в 1976 году по способу Крейера потребовалось 27 тонн гранул. Это немало. Как уменьшить затраты на транспортировку? Голландская фирма «В.А. ван ден Так» применила остроумный способ — микрокапсулирование — для подъема с глубины 31 метр датского грузового судна водоизмещением 4,2 тысячи тонн, масса которого была в 31 раз больше «Джако-Мину». Полистироловые гранулы (зародыши гранул — микрокапсулы) размером с сахарные песчинки закачивали по шлангам в судовые отсеки потоком воды под давлением, а затем нагревали водяным паром — в результате их первоначальный объем увеличивался в 50 раз. Портативная установка для производства микрокапсул на месте легко транспортируется самолетом в любой уголок земного шара.
Итак, развитие способов подъема затонувших кораблей шло путем использования:
— сплошного тела (подъем затопленного судна тросами без вытеснения воды из внутренних отсеков судна),
— больших полостей (понтонов),
— множества маленьких полостей (твердая пена — ППУ),
— дробленой пены — шариков, гранул из вспененного пластика,
— зародышей пенопластовых гранул (микрокапсул).
Незнание подобных закономерностей дорого обходится обществу — годы уходят на то, чтобы стихия изобретательства натолкнулась на прогрессивные технические решения, связанные с применением КПМ и сопутствующих этим веществам эффектов. Показательна в этом смысле история разработки в Институте общей физики АН СССР новых типов зеркал для мощных лазеров (Наука и жизнь. 1985. № 9. С. 50—53).
Практически во всех типах лазеров генерация возникает в резонаторе, состоящем как минимум из пары оптических зеркал. Через одно из них (например, полупрозрачное) излучение выводится наружу. Поначалу прекрасно обходились традиционными кварцевыми дисками с зеркальным покрытием. Но за последние годы мощность лазеров выросла в сотни, тысячи раз. Возникла проблема создания зеркал, способных работать под воздействием мощно
119
го излучения. Эта проблема стала одной из ключевых для совершенствования мощных лазеров.
Даже зеркало с очень хорошей оптической поверхностью не полностью отражает падающее на нее излучение, примерно один процент его поглощается и превращается в тепло. В мощных лазерах этого достаточно, чтобы в зеркале возникли термические напряжения. Они искажают геометрическую форму отражающей поверхности, поэтому невозможно добиться концентрации пучка излучений в малой области (в точке). Тепловые деформации, кроме того, приводят к срыву генерации: лазер перестает быть лазером.
Каков предел для тепловых деформаций? Он не должен превышать 5—10 процентов длины волны лазерного излучения. То есть, например, для СО-лазера с излучением в ИК-области (длина волны 10,6 микрометра) искажения не должны быть больше одного микрометра. Если такое зеркало взять в руки, то уже через несколько секунд из-за неравномерного нагрева теплом руки деформации оптической поверхности превысят допустимую величину. Но это временная «порча» — упругие (обратимые) деформации.
Кроме упругих деформаций при больших мощностях может наступить пластическая деформация, тогда участок зеркала «поплывет», разрушится.
Требуется создать зеркала, которые бы выдерживали длительные нагрузки до нескольких киловатт на один квадратный сантиметр поверхности. Такой поток энергии сравним с потоком, излучаемым Солнцем с единицы поверхности. Это значит, что если мы «положим на Солнце зеркало», то его форма не должна измениться больше, чем на микрон!
Путь решения задачи был такой.
Физики рассудили просто: кварц плохо проводит тепло, заменим его на металл. Но металл непрозрачен, придумали пропускать
Рис. 21. Разработка зеркала для мощного лазера:
/ — резонатор, 2 — металлические зеркала, 3 — поток лазерного излучения, 4 — зеркальная поверхность, 5 — теплоноситель, 6 — КПМ, 7 — пар;
а) блок резонатора, излучение выводится через отверстие в зеркале, б) зеркало с квиальной структурой, поток теплоносителя охлаждает оребренную стенку; в) зеркало охлаждается теплоносителем, протекающим через пористый материал, г) вода подается к отражающей поверхности по каналам, закипает, смесь жидкости и пара выносится в поперечный поток теплоносителя, охлаждается и выводится за пределы зеркала
120
излучение (сделать металл как бы полупрозрачным) через отверстие в центре диска, как через диафрагму фотоаппарата (рис. 21а). Металлический диск хорошо отводил тепло, но имел и недостатки: высокий коэффициент теплового расширения (легко меняет свои размеры и форму при изменении нагрузки), низкая твердость — трудно отполировать так же хорошо, как и кварц.
(Примечание: даже такое техническое решение — замена кварца на металл — показалось диким, необычным, оно буквально шокировало оптиков — специалистов по изготовлению зеркал).
Затем начался поиск лучшего состава: металлы, сплавы. Были перепробованы практически все доступные для массового применения сплавы. В результате такого поиска удалось увеличить в 10 раз порог оптической работоспособности. Но световые, а значит, и тепловые нагрузки росли (увеличение ГПФ). Теплопроводность металла не могла обеспечить отвод мощного потока тепла. Как быть?
Требуется охлаждение — принудительный отвод тепла движущейся жидкостью. При охлаждении движущейся жидкостью количество отводимого тепла тем больше, чем выше разность температур нагретого тела (зеркала) и охлаждающей жидкости. Расчеты показали, что задача была бы решена, если бы эта разность составляла величину больше 1000 градусов. То есть зеркало должно иметь температуру около 1000 градусов. Но такая температура невозможна для металлического зеркала, так как нельзя обеспечить хорошее качество оптической поверхности при такой температуре. Противоречие: для хорошего теплоотвода нужна высокая температура, а для стабильности геометрической формы и других оптических характеристик зеркала нужны низкие температуры (комнатные).
Значит, гладкая поверхность тыльной стороны зеркала не обеспечивает требующуюся интенсивность теплоотвода. Чтобы увеличить поверхность теплопередачи, протачивали канавки, прогоняли по ним воду. Чтобы ускорить теплоотвод, стенки каналов сделали тонкими, но они дрожали, деформировались из-за пульсации воды. Противоречие разрешили переходом к КПМ.
Достоинства КПМ: большая поверхность теплоотдачи, хорошее перемешивание охлаждающей жидкости, которая движется в капиллярах, высокая механическая плотность — матрица-скелет надежно держит зеркальную поверхность и сохраняет ее геометрию. На КПМ наносят покрытие, полируют, оно становится зеркалом. Толщина покрытия — 100—500 микрометров, не больше, иначе оно будет задерживать тепло. Способ нанесения: например, с помощью химических транспортных реакций из газовой фазы, то есть сборка из атомов. А это значит, что поверхность будет изначально очень гладкой (горбы и впадины не более 0,1 микро
121
метра), а после обработки (полировки) неровности составляют тысячные доли микрона.
Но... снова увеличение ГПФ, температура растет... Значит, надо так увеличить скорость движения теплоносителя, чтобы молекулы жидкости уже не «плыли», а «летели». Как это сделать? Противоречие: для хорошего теплосъема агент должен быть жидкостью (высокая теплоемкость), а для быстрой смены (притока-оттока с высокой скоростью) должен быть газом. Фазовый переход: при съеме тепла — жидкость, а при отводе — газ (пар). Жидкость должна кипеть, испаряться и стремительно уноситься из зоны нагрева. Для улучшения кипения — нагрев и пониженное давление воздуха (движению частиц пара не мешают молекулы воздуха). Тепловая труба! В качестве жидкости использовали расплавленный металл, который при испарении уносил с собой достаточно большие порции тепла. Скорость движения пара можно довести до скорости звука — это предел.
На таких зеркалах достигнута высокая интенсивность теплоотвода — несколько десятков киловатт с одного квадратного сантиметра, в принципе может достигать сотни киловатт.
А дальше? Увеличение ГПФ — неостановимый процесс. Как отвести мощность в 1000 киловатт на квадратный сантиметр? Или 10 000?!
При такой мощности толщина стенки должна быть исчезающе малой (один микрометр, 0,0001 микрометра), то есть ее не должно быть совсем. Да и само зеркало при температуре, скажем, 10 000 градусов исчезнет, станет газообразным (плазмой). Зеркала нет, а функция должна выполняться... Поле (луч лазера, электромагнитное излучение) должно само создавать себе зеркало — пусть оно будет всегда жидкое (или газообразное) с постоянно обновляющейся поверхностью. Следующий физический предел (после скорости звука) — скорость света. Если с такой скоростью будет отводиться тепло (ИК-излучение?), то мощность лазера может возрасти на несколько порядков.
В заключение можно отметить удивительную особенность перехода к КПМ: какие бы факторы ни «подталкивали» развитие технических систем, будь то вес (телескопы), подъемная сила (антивес для подъема кораблей), высокая температура (зеркала лазера), результат развития один и тот же—появление в системе мелкопористых и капиллярно-пористых материалов.
4.9.4.	Замена вещественной части системы на полевую
На любом из этапов дробления вещества (или «смеси» вещества с пустотой) может возникнуть препятствие дЛя совершения следующего шага развития — или нет такого вещества, или резко ухуд
122
шается другая часть (свойство) системы, или существует запрет со стороны законов природы. В этом случае увеличения ГПФ можно достичь путем замены части системы веществом, способным при взаимодействии с полем выполнять требуемые действия, или самим полем. Причем, источником (носителем) поля могут быть «по совместительству» вещества, уже имеющиеся в системе или во внешней среде.
Международная заявка РСТ 82/01071: способ измерения чистоты воды предусматривает пропускание ее через изолированную трубку в ячейке между электродами для измерения трибоэлектрической ЭДС, генерируемой потоком.
А. с. 504 982: сигнализатор уровня жидкости, преимущественно топлива, содержащий поплавок с контактом, корпус с другим контактом, изолированным от него, индикатор, в цепь которого включены указанные контакты, ОТЧСЦ исключения источника питания из сигнальной цепи и предотвращения возможного искро-образования на контактах контакты корпуса и поплавка выполнены из разнородных металлов, например, меди и константана, образующих при замыкании холодный спай термопары, а другой спай, расположенный вне объекта контроля, снабжен источником подогрева.
Если в системе нет веществ — источников полей, то необходимо использовать внешнее поле, имеющееся во внешней среде или специально введенное.
На использовании внешних полей — ветра, солнечной радиации, электрического и магнитного полей Земли, электромагнитных волн и т. п.— основано великое множество изобретений. И чем мельче частицы в системе, тем легче поддаются они действию полей, то есть повышается их управляемость.
Например, имеющийся поток мелкодисперсных частиц можно разделить на части и зарядить их разноименными зарядами, управлять электростатическим полем.
А. с. 141 713: способ создания деталей любой конфигурации. В высокотемпературную плазменную горелку подается электрод, между электродом (анодом) и соплом горелки (катодом) возбуждается дуговой разряд с высокой плотностью тока. Материал электрода испаряется, выносится потоком инертного газа (гелий, аргон), попадает в зону действия электромагнитов, электромагнитное поле сжимает поток плазмы в тонкий шнур, который фокусируется электромагнитной линзой и далее оседает на специальном экране. Две магнитные отклоняющие системы управляют плазменным пучком, перемещая его по экрану. Металл осаждается на непрерывно охлаждаемом экране, принимая любую заданную форму.
А. с. 339 397: устройство для безопилочного резания древеси
123
ны, включающее станину и рабочий орган с режущим инструментом, ОТЧСЦ повышения производительности и качества пиления режущий инструмент выполнен из магнитострикционного материала с двусторонней заточкой передних граней и соединен через электромеханические преобразователи с высокочастотным преобразователем.
Пример перехода инструмента с макро- на микроуровень путем замены вещества полем:
Способы обработки материалов:
Если в системе нет веществ-источников поля и нет возможности использовать внешние поля, то в систему необходимо включить вещества, которые могли бы стать источником поля.
К. с. 575 114: способ удаления микроорганизмов и других трудноотделимых веществ из жидких сред в центробежном поле, по которому для более полного удаления в жидкость дополнительно вводят вещества-адсорбенты, не растворяющиеся в жидкости и имеющие большой удельный вес.
А. с. 518 591: мальтийский механизм, содержащий ведущее звено и ведомый мальтийский крест. ОТЧСЦ повышения срока службы ведущее звено снабжено секторами из магнитомягкого материала с установленными в них постоянными магнитами, а мальтийский крест снабжен пластинками из гистерезисного материала.
Часто поля получают при введении в систему веществ, способных к фазовым переходам первого-второго родов (сжимающиеся или расширяющиеся вещества, биметалл, нитинол). Например, множество изобретений основано на переходе вода — лед, вода — пар — для развальцовки, диффузионной сварки или формования металлических деталей.
4.10.	ЗАКОН ПЕРЕХОДА В НАДСИСТЕМУ
4.10.1.	Формулировка закона и основные направления образования надсистем
Развитие системы, достигшей своего предела, может быть продолжено на уровне надсистемы.
Один из путей такого перехода: технические системы объеди
124
няются с образованием би- и полисистем. Объединение систем в надсистему выгодно для ТС:
— часть функций передается в НС (например, ремонт телевизоров в одной мастерской),
— часть подсистем выводятся из ТС, объединившись в одну, становятся частью НС (коллективная антенна вместо десятков индивидуальных),
— у объединенных, в НС систем появляются новые функции и свойства (высококачественное кабельное телевидение от одной квартальной или поселковой антенны, плюс возможность организации видеосвязи по тем же кабелям).
Возникшие би- и полисистемы также не останавливаются «на достигнутом» — их развитие идет как «вверх» (образование еще больших надсистем), так и «вниз» (свертывание нескольких систем в одну систему или даже в идеальное вещество). Такой двусторонний встречный процесс можно изобразить следующим образом:
Развитие техники в чем-то напоминает развитие жизни на Земле: объединение живых организмов во все большие надсистемы по цепочке «клетка — организм — популяция — экосистема — биосфера», совмещение функций (лист растения совмещает в себе функцию преобразователя солнечной энергии в химическую, функцию насоса, поддерживающего давление в капиллярах, функцию регулятора температуры, функцию кладовой питательных веществ; печень выполняет более двадцати функций), а также свертывание систем с полезной функцией в идеальное вещество (например, система передачи наследственной информации сначала была «отработана» на клеточно-организменном уровне, а затем «свернулась» в генетический аппарат). Но есть и принципиальные отличия. Американский биолог К. Саган приводит (Драконы Эдема. М.: Знание. 1986. С. 28) такой пример: «Каждый из «Викингов» — космических аппаратов, опустившихся на Марс в 1986 году, имел в своих компьютерах заранее запрограммированные инструкции объемом в несколько миллионов битов. Таким образом, «Викинг» обладал несколько большей «генетической информацией», чем бактерия, хотя и значительно меньшей, чем водоросли».
Это действительно так: по сложности, точности и эффективности работы с бактерией можно сравнить, например, космического робота «Викинг», а с ^нормальной» клеткой живого организма
125
4
увеличение ГПФ
Рис. 22. Один из механизмов перехода в надсистему — переход к «моно-би-поли»
сравнивать надо, пожалуй, завод по сборке этих «Викингов». Таким образом, наиболее близкими прототипами современной техники могут быть лишь очень древние организмы да некоторые* самые простые «подсистемы» ныне существующих животных. О прямой аналогии биологических и технических законов говорить нельзя, есть лишь некоторые общие черты, характерные для развития любых систем.
К таким наиболее общим закономерностям развития относится закон перехода в надсистему. Рассмотрим основные особенности его проявления в развитии техники (рис. 22).
Исходная единичная система (моносистема) удваивается с образованием бисистемы (би-С) или — при объединении нескольких систем — полисистемы (поли-С). Объединяться могут не только одинаковые (однородные) системы, но и системы со сдвинутыми (чуть отличающимися) характеристиками, а также разнородные (с разными функциями) и инверсные (с противоположными функциями) системы. Во всех случаях объединение и слияние систем идет по одним и тем же этапам.
Переход моно-би-пэли может осуществляться в любом периоде развития и справедлив для любого уровня иерархии ТС (над-, подсистема, вещество).
При образовании би- и полисистем происходят качественные изменения по трем параметрам: свойства, связи, внутренняя среда. В этом и состоит главный смысл применения перехода моно-би-поли — количественные изменения (объединение систем) оправданы только в случае появления новых качеств.
4.10.2.	Образование и развитие бисистем
Последовательность образования и развития би-С может быть следующая:
При образовании бисистемы возникает новое свойство (сверхсвойство, неожиданная прибавка), появляющаяся только в данной объединенной системе,— важнейший признак правильно совершенного перехода моно-би-поли. Например, нож (моно-С) имеет одни свойства, а у ножниц (нож + нож = би-С) появляется новое свойство, которого нет у двух отдельно взятых ножей. Если метал-
127
лическую пластинку с одним коэффициентом линейного расширения соединить параллельно с пластинкой, имеющей другой коэффициент линейного расширения, получится биметаллическая пластинка (би-С со сдвинутыми характеристиками) с новым свойством — изгибаться при нагревании. Если последовательно соединить пластинки с противоположными коэффициентами расширения (отрицательным и положительным), получится инверсная би-С, обладающая новым свойством — нулевым коэффициентом расширения.
С появлением скоростных бронированных самолетов (результат блестяще разрешенного С. В. Илюшиным противоречия — броня как несущая нагрузку конструкция) развилась также и противоположная система — стали применяться бронебойные пули калибра 7,62 и 12,7 миллиметра. Возникло новое сильное противоречие: для защиты от этих пуль нужна была броня толщиной 15 и 35 миллиметров и весом 120 и 280 килограмм каждого квадратного метра соответственно. Самолет с таким «панцирем» не мог обладать нужной скоростью. Это противоречие разрешили переходом к бисистеме: броню сделали из двух тонких листов с воздушным промежутком. Пуля, ударив в первый лист, начинала кувыркаться, а то и ломалась о несимметричные контуры сделанной ею же пробоины, за первым листом шел второй, который пуля пробить уже не могла (Техника и наука. 1986. № 1. С. 47).
В 1921 году Л. С. Термен, создавая свой электромузыкальный инструмент (терменвокс), столкнулся с ТП: инструмент должен генерировать звуки в слышимом диапазоне частот, но тогда он будет гудеть и во время пауз, и до начала игры — не щелкать же то и дело выключателем. Он нашел остроумный выход — создал би-С со сдвинутыми характеристиками: в установке были два генератора высокой частоты и детектор, выделяющий разницу между этими частотами (2 килогерца в слышимом диапазоне), причем выделялась эта разница только в момент игры).
Для увеличения скорости перемещения захвата робота нужна эффективная система торможения, чтобы захват не ударился в конце цикла движения о стойку. Существует простая система торможения: захват при торможении давит на поршень, который вытесняет масло из камеры через узкую щель. Кинетическая энергия при этом гасится, но через некоторое время масло разогревается, вязкость его падает, и оно продавливается через щель без особого сопротивления. По пат. США 3 791 494 предложено выполнить щель в виде самоуправляемой би-системы со сдвинутыми характеристиками: щель образована двумя элементами с разными коэффициентами термического расширения, которые при нагреве масла сами уменьшают площадь щели, и общее сопротивление остается постоянным.
128
Рис. 23. Схема автоматического сверлильного станка:
1, 2, 3 - микропереключатели, А, В — шкивы, Y, X—электродвигатели
Еще один пример появления нового свойства при параллельном соединении однородных систем со сдвинутыми (чуть отличающимися) характеристиками — двух электродвигателей для привода сверлильного станка.
Обычные автоматические сверлильные станки нуждаются в регулировке подачи при изменении диаметра сверла, скорости его вращения или материала. Фирма «Десут-тер» (Великобритания) разработала сверлильный станок, который сам выбирает требуемую подачу в зависимости от этих параметров и не требует переналадки при смене типа обрабатываемых деталей (рис. 23).
Станок состоит из ходового винта, двух шкивов, каждый из которых связан ременной передачей с отдельным электродвигателем, и набора управляющих микропереключателей. Шкив А закреплен на винте
жестко и, вращаясь, приводит его во вращение. Шкив В смонтирован на резьбе ходового винта и представляет собой гайку, перемещающую винт возвратно-поступательно. Электромоторы X и У, связанные ремнями соответственно со шкивами А и В, вращаются в одном направлении, но скорость вращения мотора Y на 20 процентов меньше. Величиной перемещения ходового винта управляют микропереключатели 1, 2 и 3.
В начале работы включается мотор X, обеспечивающий подвод сверла к детали за счет вращения ходового винта в неподвижном шкиве-гайке В. Когда срабатывает микропереключатель 2, включается электромотор У. Благодаря разнице скоростей вращения шкивов А и В скорость подачи сверла снижается до одной пятой первоначальной скорости подвода.
Когда сверло касается детали, скорость вращения электромотора X уменьшается, а скорость электромотора У остается прежней. Уменьшенная разница скоростей снижает величину подачи сверла до такой, при которой мотор X обладает еще достаточным усилием, чтобы поддерживать эту скорость. Соответствие крутящего момента и скорости подачи обеспечивает оптимальные условия сверления.
Если в процессе работы сверло забивается стружкой, и скорость его вращения уменьшается более чем на 20 процентов, шкив В начинает вращаться быстрее ходового винта, который при этом автоматически отводится, очищая сверло. Общее управление станком производит микропроцессор.
Сверлильные головки с саморегулирующей подачей оказались
9 Зак 2148
129
особенно выгодными при сверлении отверстий в деталях, имеющих внутренние пустоты или состоящих из слоев различных материалов. При обработке таких деталей было достигнуто пятикратное уменьшение времени сверления (Изобретатель и рационализатор. 1984. № 3. С. 28).
Образование разнородных бисистем более эффектно, чем однородных. В однородных бисистемах осуществляется всегда одна функция, в разнородных — две. Примеры: соска-термометр, «стереофены» (сушилка волос в парикмахерских со встроенными стереонаушниками).
Однако не всякое соединение разнородных систем в одну систему дает новое свойство. Примеры:
А. с. 71 918: цилиндрический пенал с приспособлением для умножения в виде таблицы Пифагора.
А. с. 74 300: стакан для карандашей с календарем.
А. с. 577 142: карандаш комбинированный с циркулем; то же — пат. ФРГ 1111 983.
Настольная лампа с часами и т. д.
В этих изобретениях нет ничего изобретательского, лишь небольшой материальный выигрыш (экономия материалов) — на уровне рационализаторского предложения.
Вот еще пример простого механического комбинирования — соединение инверсных элементов в бисистему без появления нового качества: а. с. 1 227 511: комбинированный механический карандаш с укрепленным вверху на шарнире стаканом со стирающим приспособлением (на шарнире—для удобства пользования).
Еще в конце XIX века в США был аннулирован патент, выданный на карандаш с ластиком на конце. Суд признал запатентованное изобретение простой агрегацией известных ранее элементов (карандаша и ластика), поскольку отсутствовало их взаимодействие и в своем сочетании они давали суммарный, а не качественно новый эффект (Изобретатель и рационализатор. 1979. № 8. С. 39).
Как появляется новое свойство в би-С? Объединять системы надо таким образом, чтобы «стыковка» свойств элементов происходила в двух направлениях: часть свойств складывалась, взаимо-усиливалась (это будущее новое системное свойство), другая часть свойств гасилась, вычиталась, взаимонейтрализовалась. В итоге системное свойство выступает на первый план, становится преобладающим, играющим главную роль в «жизни» новой системы. Системное свойство может появиться из сочетания (содействия) ранее незаметных или нейтральных свойств элементов, тогда его появление становится еще более неожиданным.
Поясним это на простейшем примере. Представьте, что вам понадобилось перегородить мелкий ручеек с помощью валяющихся рядом кирпичей. Лежащие перед вами кирпичи — это «куча», 13(>
пока еще не система. Вот вы поставили один кирпич на длинную грань поперек ручейка, ручеек начал обтекать кирпич с двух сторон — эти короткие грани кирпича и есть те самые вредные («плохие», ненужные вам сейчас) свойства. Чтобы «уничтожить» эти свойства, вы приставляете с двух сторон еще по кирпичу — и «вредные» грани исчезли! Только что у трех кирпичей было шесть коротких граней и вдруг стало только две, а четыре остальные взаимно нейтрализовались, при этом полезное свойство (перегораживать поток) усилилось, так как нужные для нас свойства сложились вместе.
Такое «сложение-вычитание» полезных и вредных свойств характерно не только для однородных би- и полисистем. В наибольшей степени этот системный эффект проявляется при образовании инверсных систем. Возьмем, например, всем известный железобетон. Это типичная би-С на уровне вещества: стальная арматура хорошо работает на растяжение, бетон — на сжатие, то есть положительные свойства дополняют друг друга, отрицательные же свойства взаимно компенсируются — бетон защищает сталь от коррозии, а сталь не дает рассыпаться бетону.
На некоторых производствах встречается такая ситуация: по одним трубам подают щелочную жидкость и из нее откладывается на стенках осадок (труба «зарастает»), по другим трубам подают кислую жидкость, которая постепенно разъедает стенки труб. Объединение труб в бисистему так и напрашивается. По а. с. 235 752 предложено подавать по каждой трубе поочередно то кислоту, то щелочь; кислота разъедает осадок, а щелочная жидкость создает защитный слой.
В а. с. 950 241 теплицу предложено сделать из двух отсеков: один со светопрозрачным потолком, предназначенный для растений, выделяющих кислород, а другой — затемненный — для растений, выделяющих углекислый газ. Новое свойство — из отсека в отсек газы перетекают сами, без вентиляторов, кроме того, при определенном соотношении растений в отсеках теплицу можно сделать абсолютно герметичной (например, для космических станций). Теплицу можно объединить и с жилым домом: углекислый газ и тепло будут поступать в теплицу, а обогащенный кислородом воздух — в помещения.
А. с. 728 941: валик для нанесения лакокрасочных покрытий, ворсинки которого сделаны из двух разнородных материалов, сообщающих частицам краски противоположные заряды статического электричества, частицы лучше слипаются в ровный слой, образуется качественное покрытие.
Еще два примера на образование инверсных бисистем.
А. с. 1 260 570: крепежное устройство с индикацией затяжки по а. с. 496 384. ОТЧСЦ упрощения измерения усилий затяжки
131
и контроля за их изменением во времени оно снабжено дополнительным индицирующим элементом в виде пластины-датчика из оптически активного материала, расположенным под поляроидной пленкой и связанным с основным элементом через прокладку из упругопластичного материала, при этом дополнительный элемент выполнен с интерференционной картиной, противоположной по знаку интерференционной картине на основном элементе, соответствующей заданному моменту затяжки.
А. с. 615 927: способ наблюдения и защиты при сварке и резке преимущественно для ручных видов обработки, при котором отражатели устанавливают один навстречу другому вертикальными поверхностями, а их фокусные центры смещают. ОТЧСЦ повышения безопасности при работе сварщика один из отражателей размещают на шлеме сварщика, другой — на электродержателе, а фокусный центр второго отражателя совмещают с направлением взгляда сварщика на место сварки.
В частично свернутых бисистемах часть подсистем заменяется одной. Например, в к^гамаране один парус на две лодки; в двустволке один приклад на два ствола; двойное чертежное перо с одним хвостовиком (рис. 24) и т. д. В полностью свернутых бисистемах одна из подсистем (или вещество) выполняет функцию всей системы.
Возьмем, например, простую оптическую систему — линзу (моно-С) и «проведем» ее по всей схеме развития бисистем. Шаг 2.1.1—очки (новое свойство — объемное зрение, чего нет у монокля), 2.1.2 — бифокальные очки (очки для «близко-далеко»): линзы состоят из двух половинок с разным фокусным расстоянием, здесь две моно-С соединены параллельно. При последовательном соединении линз со сдвинутыми характеристиками образуется совершенно новая ТС: например, окуляр плюс объектив дают простейший телескоп или микроскоп. 2.2.1—линзы плюс призмы (бинокль) или линзы плюс зеркала (зеркальный телескоп). 2.2.2 — линза плюс диафрагма (объектив фотоаппарата). Переход 2.1.1 — 2.3 — линза с изменяемой геометрией (в гибкой оболочке), переход 2.2.2 — 2.3 — очки «хамелеон», 2.4 — объектив фотоаппарата: линза с изменяемой геометрией и с нанесенным на поверхность черным (или жидкокристаллическим) слоем, который становится прозрачным при подаче на него электрического потенциала, полноценный искусственный хрусталик.
Примером сильно свернутой оптической системы может служить изобретение по а. с. 1 211 599. Для точного определения угла поворота какого-либо объекта предложено укреплять на нем прозрачную пластинку с голографической записью всех возможных углов (в градусах и ми
электрохромным
Рис. 24. Чертежное перо по а. с.
1 266 755
132
нутах). Через пластинку-голограмму пропускают луч света (от лазера), который, преломляясь в пластинке, высвечивает на экране угол поворота прямо в цифровой информации — без измерителей угла, без считывающих и преобразующих устройств, без электронных индикаторов и пр.
Еще один хороший пример свертывания разнородных систем — лампы (излучатель света) и зеркала (отражатель света). В США разработана новая экономичная лампа. На внутреннюю поверхность колбы нанесен тончайший слой серебра, включенный между двумя слоями двуокиси титана, которые не задерживают видимый свет, но отражают инфракрасные лучи. Это прозрачное зеркало имеет такую кривизну, что ИК-лучи фокусируются на нити накала и разогревают ее — в результате требуется в два раза меньше энергии при том же световом потоке (Наука и жизнь. 1978. № 2).
Бисистемы возникают не обязательно из двух систем, иногда выгодно (проще) превратить в би-С одну моносистему, разделив ее на две одинаковые и соединив их определенным образом. Выигрыш тот же — новые свойства и качества, исключение вредных свойств, решение изобретательской задачи.
Например, идея нового дуршлага (Изобретатель и рационализатор. 1989. № 1. С. 27), отверстия которого образованы перпендикулярно составленными щелями двух пластин (рис. 25). Теперь не потребуется возиться с прочисткой каждой дырочки — одна из пластин легко вынимается.
Разделение моно-С часто происходит под действием внешних факторов и это та же динамизация (вводится шарнир). Так, идея трактора с новым принципом поворота была найдена Ф. А. Блиновым, когда он работал механиком на колесном пароходе «Геркулес». Паровой «Геркулес» вез товары из Астрахани в Нижний Новгород на ярмарку. В пути лопнул главный вал, на который работали два цилиндра паровой машины. Положение создалось критическое: хозяину груза грозило разорение. Блинов нашел остроумное реше
Рис. 25. «Бисистемный> дуршлаг
Рис. 26. Пружина по а. с. 1 190 ПО
133
ние. Он предложил место излома зачистить и поставить подшипник. В результате каждый из двух цилиндров машины стал самостоятельно работать на свое гребное колесо. Ход от этого не убавился, а маневренность значительно улучшилась. Такой принцип поворота и был положен в основу трактора на гусеничном ходу («Привилегия 2245 крестьянину Федору Блинову на особого устройства вагон с бесконечными рельсами для перевозки грузов по шоссейным проселочным дорогам».— Техника — молодежи. 1989. № 2. С. 63).
Новые свойства в бисистемах возникают и при «движении» системы по цепочке шагов 2.1.1 —2.1.2 — 2.2.1 —2.2.2, то есть в сторону увеличения различия между элементами.
Например, переход от цилиндрической (однородной) пружины к пружине из элементов со сдвинутыми характеристиками по а. с. 1 190 110: пружина сжатия-растяжения, содержащая витки, ОТЧСЦ увеличения прогиба винта витки имеют диаметры двух разных размеров, чередующихся между собой, для выравнивания несущей способности витки меньшего диаметра с внутренней стороны срезаны продольной плоскостью, и площадь среза уменьшается до диаметра витка пружины. Кроме увеличения ГПФ получено новое свойство: при полном сжатии пружина занимает вдвое меньше места, чем цилиндрическая с тем же числом витков. А чтобы меньшие витки не были жестче больших, на первых изнутри снята лыска (рис. 26).
Эстонский изобретатель оптических приборов Бернхард Шмидт начал в 1930 году работу над усовершенствованием телескопа-рефлектора с параболическим зеркалом. Постепенно он приходит к мысли, что для борьбы с параболической аберрацией — комой («волосы») — надо отказаться от параболического зеркала, перейти к сферическому (его и изготавливать проще). Но в сферических зеркалах не менее худший недостаток — сферическая аберрация, из-за которой в свое время и перешли к параболическим зеркалам. Это противоречие ему удалось разрешить переходом от моно-С к би-С из инверсных элементов: он вносит в оптическую систему рефлектора аберрацию, равную по величине, но противоположную по знаку сферической аберрации главного зеркала. Осуществляется это просто: в диафрагму вставляется коррекционная пластинка, получившая впоследствии его имя. Следующие усовершенствования этой системы в 1941 году сделал Максутов, известный изобретатель-оптик, автор менискового телескопа.
4.10.3.	Образование и развитие полисистем
Развитие полисистем идет по аналогичной схеме. Единственное отличие состоит в том, что при образовании поли-С возникает внутренняя среда (или создаются условия для ее возникновения)
134
с особыми свойствами, эти свойства можно использовать для получения дополнительных качеств. Например, перевозка стекла на стройплощадку в пакетах (простейшая поли-С) сопряжена с массой недостатков: стекла слипаются друг с другом, высокий процент боя, низкая производительность остекления здания и т. д. Предложено смазывать листы стекла маслом (использовали внутреннюю среду) — в итоге резко снизился бой, стекло легко отделяется, дополнительное удобство — масло смывают после окраски оконных рам.
Примеры образования простых полисистем (шаг 3.1.1):
а. с. 996 216 — способ распиливания каменного материала (например, щебня), при котором его формируют в единый блок на связующем веществе и распиливают на отдельные плиты, а затем связующее вещество расплавляют и удаляют;
а. с. 1 006 151 — способ обработки поршневых колец в одном пакете за один проход инструмента;
а. с. 1 313 659 — способ обработки оптических деталей (стекло, керамика, кристаллы) путем склеивания тонких деталей в блок;
а. с. 1 005 718 — способ уборки зерновых культур, при котором скашивание и обмолот ведут в фазе полной спелости, а для уменьшения потерь и осыпания зерна на корню растения до скашивания опрыскивают жидким клеем.
Переход к поли-С со сдвинутыми характеристиками:
а. с. 843 808 — предложено высевать каждую траву или кормовую культуру отдельными полосами вдоль поля, а скашивать поперек, тогда в бункере комбайна при проходе поперек поля окажется смесь трав и отпадет необходимость в части кормосмесительных машин на скотных фермах. В а. с. 1 058 538 этот способ еще более улучшен: предложено травы высевать полосами по 0,7—2,2 метра, а скашивать поле по диагонали — комбайн захватывает по меньшей мере три разных травы, и в бункере образуется более равномерная смесь.
Примеры на частично свернутые полисистемы:
— удаление пыли с помощью пылесоса — достаточно эффективный способ уборки квартиры, но как бороться с пылью в цехах с особо высокими требованиями к чистоте (например, при сборке микросхем)? Здесь содержание пыли должно быть сведено почти к нулю, поэтому нужна непрерывная уборка, но держать постоянно включенными десятки пылесосов крайне нерационально,— пылесос сделан один на весь цех с разводкой труб по всей площади цеха;
— та же идея осуществлена во Франции для жилых домов: в квартиры проложены трубы и вмонтированы в стены приемные розетки, к которым можно подключать шланг с насадкой. Это пример решения старой (так и неразрешенной в пылесосах)
135
задачи на уровне подсистемы — отпадает неприятная процедура очистки фильтра после уборки (Юный техник. 1989. № 7. С. 35); — мы давно уже подводим часы по сигналам точного времени,
передаваемым по радио, затем появились часы, где в одном корпусе разместили и часы, и радиоприемник, но «подкрутка» часов осталась за человеком. Наконец были созданы ручные часы, в которых одна микросхема выполняет функции часов и приемника. Система свернется полностью, если миллионы часов будут сами корректировать время по сигналам радиостанций от одних и тех же эталонных атомных часов;
— котельная (одна «печка» вместо нескольких тысяч), телефонные станции, телевизионные центры и т. д.
Для отвода тепла из электронной аппаратуры в корпусе прибора делали отверстия с заслонками (типичная поли-С). Если прибор перегревался, заслонки открывали, а чтобы во включенном приборе не скапливалась пыль, заслонки закрывали. По а. с. 1 066 053 предложена полностью свернутая поли-С: одна большая волнистая «дырка» на корпусе, выполненном из материала с эффектом памяти формы, волнистые зубцы отгибаются при нагревании и закрываются при охлаждении.
Продолжим линию развития оптики. В последнее время широко развивается область оптики, использующая так называемые плоские элементы. Например, в Институте автоматики и электрометрии СО АН СССР разработаны плоские линзы — киноформы. Один такой оптический элемент заменяет громоздкий объектив из многих стекол (Социалистическая индустрия. 1985. 31 октября). На поверхность плоской стеклянной пластины наносятся рельефные линии высотой в несколько длин световой волны.
Свойства двух элементов (рис. 27 а, б) будут одинаковы,
если изменение толщины второго элемента от ступеньки к ступеньке составит целое число длин волн фокусированного излучения. Кроме сильного свертывания оптических систем, плоские элемен-
Рис. 27. Фокусирующие элементы: а) обычная линза, б) плоским элемент
ты позволяют получить новые качества. Так, в Институте общей физики АН СССР под руководством А. М. Прохорова разработаны новые плоские элементы, позволяющие преобразовывать падающее на них излучение с произвольным волновым фронтом в излучение с заданным волновым фронтом или концентрировать энергию излучения на какую-либо заданную кривую с заданным распределением интенсивности (Квантовая электроника, 1984. Т. II.№ 1. С. 155). То есть на плоский элемент свет может падать под любым углом, а фокусироваться он
136
будет в заданной точке или линии, причем линия может быть любой конфигурации (круг, эллипс, синусоида...), и интенсивность концентрации энергии по длине этой линии может быть также задана.
Как пользоваться переходом к полисистеме? Необходимо выбранный технический объект «умножить на самого себя». Что при этом изменилось? Появилась ли внутренняя среда? Как можно использовать ее свойства? Опишите новые качестве полисистем — от однородной до инверсной. Какой должна быть частично свернутая поли-С? Можно ли полностью свернуть эту систему?
Возьмем, например, телевизор. Коллективная антенна — это лишь первый шаг к свертыванию. Разумнее было бы иметь один телевизионный блок на дом, квартал, а то и на город (один блок питания, один радиоканал, один блок обработки изображения и т. д.), а в квартирах оставить лишь кинескоп и орган управления (переключатель каналов, регуляторы). Можно пойти и дальше: передавать изображение из телецентра по световолоконному кабелю, а дома повесить на стену только экран с органом управления (абонентская радиосеть давно существует, почему бы не быть такой же и телесети?). Идет объединение телевизора с другими системами: телевизор плюс видеомагнитофон, плюс видеокамера (домашний телецентр), телевизор как экран дисплея персонального компьютера, плюс радиоприемник, плюс часы, плюс газеты (телегазета), плюс библиотека (подключение телевизора к информационной сети), плюс телефон (видеотелефон), плюс справочное бюро и т. д. Можно с уверенностью сказать, что телевидение «поглотит» в себя все информационные системы. С другой стороны, вместе с централизацией должна увеличиваться и обратная связь, то есть должна расти степень влияния абонента на телецентр. Например, сейчас мы «управляем» телецентром только с помощью писем («концерты по заявкам»). В некоторых странах к телевизору подключают терминал (пульт с клавиатурой), все терминалы соединены с центральным компьютером, перед началом показа концерта на экране появляется список исполнителей и телезритель набирает те номера артистов, которых он желал бы увидеть, компьютер составляет программу концерта из номеров, набравших наибольшее количество голосов. Следующий шаг — составление собственной программы, например, с помощью видеомагнитофона, но тогда надо держать дома видеотеку, переставлять кассеты (диски), искать нужные места и т. д. Проще — централизация видеотеки с персональным вызовом (заказом) нужной видеозаписи по терминалу, параллельно на часть экрана можно подавать информацию о текущих телепрограммах и новостях.
Если продолжить линию усиления обратной связи в системе «телевидение — зритель», то следующим шагом должно быть... составление собственных сценариев, подбор актеров и т. д. Сюжет
137
рассказа К. Саймака «Театр теней» построен на том, что экипаж космического корабля, находящегося в длительном полете, занимает свое время просмотром бесконечного фильма. Каждый член экипажа создал своего героя на экране, сценарий развивается спонтанно, по ходу действия. Острота ситуации состоит в том, что никто не знает (но очень хочет разгадать), кто именно управляет каждым действующим лицом в спектакле. Количество героев равно количеству членов экипажа. И вдруг один из членов экипажа умирает, а на экране остаются все те же действующие лица — никто из них не исчез!.. Проблема занятости космонавтов в длительных полетах станет в ближайшем будущем очень острой. Никакие видеотеки, шахматы, книги, иллюзии березовых рощ с поющими птицами и пр. не спасут экипаж от ужасающей бездеятельной тоски многолетнего полета. Идея, выдвинутая фантастом, захватывающе интересна, она не противоречит даже современным научным представлениям.
4.11. ЗАКОН УВЕЛИЧЕНИЯ СТЕПЕНИ ИДЕАЛЬНОСТИ
4.11.1. Формулировка закона и основные понятия
Развитие всех систем идет в направлении увеличения степени идеальности.
Идеальная ТС — это система, масса, габариты и энергоемкость которой стремятся к нулю, а ее способность выполнять работу при этом не уменьшается. В пределе: идеальная система — та, которой нет, а функция ее сохраняется и выполняется.
Поскольку для выполнения функции требуется только материальный объект, то за исчезнувшую (идеализированную) систему эту функцию должны выполнять другие системы (соседние ТС, над-или подсистемы). То есть часть систем преобразуется таким
идеализации реальных систем:
/ - процесс идеализации общего вида, 2 — процесс увеличения полезно-функциональных подсистем (развертывание ТС — увеличения М,Г,Э), i — равнодействующая линия развития I (S)
138
образом, чтобы выполнять еще и дополнительные функции — функции исчезнувших систем. Принимаемая к выполнению «чужая» функция может быть аналогична собственной, тогда происходит просто увеличение ГПФ данной системы. Если же функции не совпадают — происходит увеличение количества функций системы. Исчезновение систем и увеличение ГПФ или количества выполняемых функций — две стороны общего процесса идеализации.
Поэтому различают два вида идеализации систем (рис. 28):
—	1-го вида, когда масса (М), габариты (Г), энергоемкость (Э) стремятся к нулю, а ГПФ или количество выполняемых функций остается неизменным:
hs,) = 1й5Ум’г-э)
n=const
—	2-го вида, когда ГПФ или количество функций увеличивается, а масса, габариты, энергоемкость остаются неизменными:
I(S2) = НтФ„(М,Г,Э)
М,Г,Э = const П~►оо
(Здесь Фп — функция системы или «сумма» нескольких функций.)
Общий вид идеализации систем отражает оба процесса (уменьшением М, Г, Э и увеличение ГПФ или количества функций):
I = 1ппФДМ,Г,Э) м,г,э-*о v 7
П—*-оо
То есть предельный случай идеализации техники заключается в ее уменьшении (и, в конечном счете, в исчезновении) при одновременном увеличении количества выполняемых ею функций. В идеале техники не должно быть, а функции, нужные человеку и обществу, должны выполняться.
Идеализация реальных ТС может идти путем, отличающимся от приведенных зависимостей. Чаще всего наблюдается смешанный вид идеализации, когда выигрыш в М,Г,Э, полученный в процессе идеализации, тут же расходуется на дополнительное увеличение ГПФ или количества функций. Эти процессы можно условно изобразить кривыми, показанными на рис. 29. Подобные зависимости характерны, например, для авиации, водного транспорта, военной техники и др. Процесс идеализации внешне аналогичен 2-му виду I (S2), когда увеличение ГПФ происходит при неизменных значениях М,Г,Э. На самом деле М,Г,Э подсистем уменьшаются, но сами эти подсистемы удваиваются, утраиваются, появляются
139
Рис. 30. Нормальный вид идеализации реальных систем:
/ — развертывание ТС, 2 — свертывание ТС, 3 — огибающая кривая
Ей^мпвенмя ТС	ввлмммны ГПФ' ДОС’
возникновения i v	ТМГНутые в резуль-
тате изобретений
ГПФ Т (время)
Рис. 31. Развитие ТС во времени
новые и т. д. Таким образом, на уровне подсистем идет процесс идеализации 1-го вида, а на уровне всей ТС — идеализации 2-го вида.
Если разнести во времени процессы /, 2 (рис. 29), то есть разделить смешанный процесс на два раздельных, то получим некий обобщенный (нормальный) процесс развития ТС, включающий фазу развертывания и фазу свертывания системы (рис. 30). Техническая система, возникнув, начинает «завоевывать» пространство (увеличивает свои М,Г,Э), а достигнув некоторого предела, уменьшается (свертывается).
Процесс развития ТС протекает во времени, поэтому горизонтальная ось (Фп—ГПФ) это одновременно и ось времени — каждое изобретение увеличивает главную полезную функцию системы (рис. 31).
Можно преобразовать эти графики в окончательный вид — волнообразную кривую развития ТС в пространстве и времени (рис. 32). Эта модель развития справедлива для всех уровней иерархии — над- и подсистем, вещества.
Таким образом, процесс развития (идеализации) технических систем можно описать выражением:
1 -ЖШИ + |ЙШМ'Г'Э>
П—►<*>	П—>-оо
— развертывание-свертывание
Один из механизмов развертывания (перехода в НС) — переход моно-би-поли хорошо вписывается в «волну» развития ТС (рис. 33). На любом этапе развития (развертывания) система может быть свернута в идеальное вещество — в новую моносистему, которая может стать началом новой волны развития.
Как делаются шаги по линии развития ТС, что движет систему от одного изобретения к другому, каков механизм этого процесса?
140
Рис. 33. Модель развития технических систем
Рис. 32. Пространственно-временная модель развития ТС
Анализ истории развития многих ТС показывает, что все они развиваются через ряд последовательных событий:
1.	Возникновение потребности.
2.	Формулирование главной полезной функции — социального заказа на новую ТС.
3.	Синтез новой ТС, начало ее функционирования (минимальная ГПФ).
4.	Увеличение ГПФ — попытка «выжать» из системы больше, чем она может дать.
5.	При увеличении ГПФ ухудшается какая-то часть (или свойства) ТС — возникает техническое противоречие, то есть появляется возможность сформулировать изобретательскую задачу!
6.	Формулирование требуемых изменений ТС (ответ на вопросы: что надо сделать для увеличения ГПФ и что не позволяет нам это сделать?), то есть переход к изобретательской задаче.
7.	Решение изобретательской задачи с применением знаний из области науки и техники (и даже шире — из культуры вообще).
8.	Изменение в ТС в соответствии с изобретением.
9.	Увеличение ГПФ (см. шаг 4).
И т. д.
Рассмотрим подробнее отдельные этапы развития ТС.
4.11.2.	Возникновение потребности и связанный с этим процесс увеличения ГПФ
Все, что делается в мире техники, делается ради удовлетворения потребностей человека и общества. Если в ТС нет нужды, то она никогда не возникнет, а если потребность появляется, то с течением времени она становится все более острой, и ничто не остановит человека в ее воплощении. Необходимость — мать изобретений.
141
В настоящее время удельный вес затрат мускульной силы в промышленности ничтожно мал — около 0,1 процента общего баланса механической энергии, расходуемой в производстве. То есть без машин можно получить всего лишь одну тысячную часть общего объема сегодняшней продукции.
Потребность в экономии силы — одна из главных витальных человеческих потребностей (после потребностей в пище, воде, сне, продолжении рода, защиты от внешних опасностей). Именно эта потребность побуждает изобретательность и совершенствование в технике (Симонов П. В. Эмоциональный мозг. М.: Наука, 1981). Потребность выступает как необходимость — в этом начало противоречия организма (индивида) или общества с окружающей средой, нарушение необходимого равновесия с нею. Возникшее противоречие становится побудительной силой активной деятельности, направленной на удовлетворение потребности — дальнейшее развитие техники. Прогресс общества был бы невозможен без стимулирующей роли потребностей. Закон возвышения потребностей действовал до сих пор (и нет признаков каких-либо изменений в будущем) в человеческой истории объективно, независимо от сознания и воли людей. Необходимость удовлетворения постоянно растущих потребностей общества вступает в противоречие с существующими средствами их удовлетворения. Это противоречие разрешается силой творческих способностей человеческого разума.
Технический прогресс — это прежде всего передача трудовых функций человека технике. Поэтому на протяжении всей истории заметен процесс превращения (развертывания) инструментов в технические системы. Рано или поздно предпринимаются попытки усовершенствования инструментов таким образом, чтобы увеличить ГПФ или количество функций или выполнять часть функций без участия человека.
Например, для устранения перегрева режущей кромки токарного резца в него встроили цилиндрический ролик из пористого материала, пропитанного охлаждающей жидкостью (а. с. 1 201 063), по а. с. 1 175 611 в резец ввели тепловую трубу, а по а. с. 1 175 612 к тепловой трубе предложено добавить холодный спай полупроводниковых материалов. В Англии выпускается отвертка с вакуумными присосками (захват и удержание винта), встроенным электромоторчиком (50—1200 оборотов в минуту), сменными лезвиями (для винтов диаметром 0,4—7 миллиметров) и электронным управлением. В а. с. 1 214 495 описана электронная авторучка. Вмонтированные в нее датчик силы и электронный блок регулируют порцию чернил, подаваемую в капиллярный канальчик наконечника.
Рост потребностей чаще всего опережает рост ГПФ в развивающейся технической системе, а невозможность удовлетворения потребностей старыми (имеющимися ТС) средствами заставляет
142
изобретать новые системы или усовершенствовать старые введением новых подсистем.
Первый светофор, например, появился в Лондоне в 1868 году, когда интенсивность движения конных экипажей превысила все безопасные пределы. Появилась острая необходимость в изобретении новой ТС — регулятора движения. На чрезмерно оживленной площади перед английским парламентом установили столб с газовыми фонарями, которые управлялись вручную и через окрашенные стекла давали два сигнала — красный и зеленый. Однако введение новой ТС вызвало и нежелательный эффект — фонари искрили и шипели, пугая лошадей. Лишь в начале XX века в США для регулирования автомобильного движения появился светофор с электрическими лампочками. Он был горизонтального типа, с тремя светофильтрами — красным, желтым и зеленым. Конструкция оказалась удачной, и вскоре был принят международный стандарт — на вертикальный светофор.
Первая в мире авиационная катастрофа произошла в 1908 году из-за поломки винта. Это было время, когда отказ любого элемента на самолете приводил к летному происшествию (опасной или катастрофической ситуации). Для повышения безопасности полетов требовались, новые идеи по усилению устойчивости и управляемости аэроплана при полете в неспокойной атмосфере. В 1914 году на одном из конкурсов по безопасности полетов был продемонстрирован новый самолет, оборудованный стабилизатором скорости полета. Этот аэроплан блестяще прошел испытания, совершив перелет Версаль — Шартр и обратно (при ветре 15 метров в секунду) со скоростью 75 километров в час. Таким образом, потребность в увеличении ГПФ была удовлетворена созданием новой подсистемы — стабилизатора.
Чем больше рывок в ГПФ — тем труднее он дается. Зачастую первые ТС с высоким значением ГПФ неуклюжи, их функционирование находится на грани возможного срыва — но на это шли, например, во время войны. От выигрыша изобретательской гонки во всех областях военной техники зависела победа.
В 1943 году над Москвой на огромной по тем временам высоте — 13 тысяч метров — часто появлялся немецкий высотный разведчик («Юнкерс-388»). Долгое время это сходило ему безнаказанно, так как зенитный огонь его не доставал, а самолетов, способных подняться на такую высоту, у нас еще не было. Срочно был создан специальный перехватчик с дополнительным воздушным нагнетателем — ЯК-9ПД, максимально облегченный с целью достижения высоты 14 тысяч метров (броневую спинку сиденья пилота заменили фанерой, из вооружения оставили только пулемет). И вот самолеты встретились на высоте 13 тысяч метров. Все ждали боя! Но самолеты не смогли вступить в него, поскольку оба работали на пределе
143
своих возможностей. У «Юнкерса», как оказалось, вообще не было вооружения, а наш «ЯК» не мог занять позицию для атаки. Самолеты едва смогли сделать поворот даже при большом радиусе виража — покружившись, они разошлись, чтобы никогда больше не встретиться (Г. А. Меерович. Эффект больших систем. М.: Знание, 1985).
В последующих модификациях ТС с увеличенной ГПФ и новыми полезными подсистемами возникли новые претензии к ТС, новые потребности, приведшие к новому рывку увеличения ГПФ.
Так, первый холодильник изобрел продавец масла- из Вашингтона Т. Мур (пат. США, 1803). Он развозил свой товар по всему городу и потребность в этом изобретении была для него очень острой. Мур использовал большой ящик с двойными стенками, между которыми набивал лед. Полезная функция была достигнута. Но лед заготавливали зимой, его необходимо было хранить, перетаскивать, колоть и т. д. В 1868 году был изобретен холодильный компрессор для получения искусственного льда для продовольственных складов, шоколадных фабрик и т. д. В конце XIX века появились первые домашние льдоделательные машины. Одна из них — под названием «Эскимо» — продавалась в России. Эти машины потребляли много топлива — дров, угля, керосина. В 1911 году фирма «Дженерал электрик» наладила выпуск холодильников современного типа: холодильная машина помещалась в кухонном шкафу.
Изобрел этот холодильник преподаватель монастырского колледжа во Франции Т. Одиффрен. Компрессор с приводными ремнями производил много шума, кроме того, происходила утечка газа (аммиак и сернистый ангидрид), и в кухне стоял неприятный запах. В 1926 году датский инженер А. Стиндруп сделал следующий шаг: компрессор с ремнями он спрятал под герметичным колпаком с изоляцией. Холодильник стал бесшумным, исчез запах. Первый домашний холодильник без компрессора — абсорбционный — был изобретен в Швеции Е. Платеном и К. Мунтерсом в 1922 году. С тех пор идет отчаянная конкурентная борьба двух типов холодильников. В 1951 году в Институте полупроводников АН СССР был создан первый в мире термоэлектрический холодильник. Однако компрессионные холодильники быстро совершенствуются: появились многофункциональные автоматические системы, которые сами готовят лед из воды, охлаждают напитки до определенной температуры, оттаивают масло до определенной мягкости, имеют встроенный блок, прогнозирующий появление неисправностей, и т. п.
Часы как ТС с четкой и однозначной полезной функцией — отсчетом времени — прошли длительную эволюцию. В основе принципов действия этой системы всегда были те или иные периодические процессы: вращение Земли (солнечные часы), колебание
144
маятника (механические и электромагнитные часы), камертоны (камертонные часы), пластинки кварца (кварцевые часы). Современные электронные наручные часы имеют очень высокое значение ГПФ — погрешность отсчета времени не превышает 10 секунд в год. Эта степень полезности превысила потребность, поэтому развитие пошло по пути увеличения количества выполняемых функций — сегодня их более 14, включая такие, как датчик давления, пульса, температуры, сопротивления кожи, звуковая и световая сигнализация, дневник, записная книжка, магнитофон, приемник, телевизор, игры, компьютер, способность подать кодированный сигнал «скорой помощи». Есть часы и без источников питания — самоподзаряжающиеся, «добывающие» энергию из окружающей среды. Часы будут включены в общую систему измерения времени.
Изобретение систем с ГПФ, превышающей уровень сегодняшних потребностей,— не редкость в истории техники (изобретения, опередившие время). А в современном высокоиндустриализиро-ванном обществе изобретения еще чаще обгоняют реальные потребности, тогда возникает необходимость поиска сферы применения (одна из задач маркетинга) или стимулирование потребностей (чрезмерная реклама, «воспитание» потребителя). Истинные потребности общества следует отличать от надуманных. По мнению американского социолога У. Тоффлера, около 80 процентов всех произведенных с начала века в США товаров не отвечали истинным потребностям или вообще не были нужны обществу. ГПФ системы растет постоянно и неуклонно. Спад роста, заминки и короткие остановки происходят лишь при приближении ТС к моменту исчерпания ресурсов физического принципа, заложенного в основу данной системы. Смена принципа функционирования дает новый ресурс развития.
А. А. Микулин, известный конструктор авиационных двигателей, рассказывает: «Да, дадим таблицу рекордов, начиная с 1904 года. И каждый увидит: неуклонный рост — понимаете! — неуклонный рост примерно до 1943 года. А потом каждый новый десяток километров в час начал даваться с трудом, 700—950 километров в час — и замерла кривая, тупик! Я объясню,— продолжал Микулин, подскакивая и сам себе улыбаясь,— объясню, почему это произошло. Самолет уперся в «звуковой барьер». Дальнейшее повышение скорости требовало повышения тяги, мощности в геометрической прогрессии. А повышение тяги — это увеличение габаритов мотора и всего самолета... Тут-то и вспомнили реактивные двигатели». (А. Аграновский. Из записных книжек. Дружба народов.— 1987. № 4. С. 188—189.)
Рост производительности ЭВМ шел до сих пор почти по линейному закону (рис. 34). Однако при производительности более 1012 опе-
10 Зак 2148
145
4
"**»	i	i		।	।	।
1950	1960	1970	1980	1990	2000
Рис. 34. Рост производительности ЭВМ различных классов:
/ — ЭВМ максимальной производительности, 1а — однопроцессорные скалярные, 16 — многопроцессорные скалярные, 2 — персональные ЭВМ, 2а — однопроцессорные скалярные, 3 — суперЭВМ, 4— многопроцессорные спец ЭВМ; 5 — криогенные однопроцессорные ЭВМ
раций в секунду рост ГПФ замедлится, будет возможен переход к новому принципу работы — молекулярным формам носителя.
Рост максимальной чувствительности серийно выпускаемой цветной пленки за десять лет (Наука и жизнь. 1987. № 6. С. 113);
Год начала выпуска	Светочувствительность, ед., ГОСТ-ИСО	
	негатив	диапозитив
1976	400		
1978	—	400
1982	1000	—
1983	—	1000
1984	1600	1600
1986	3200	3200
146
Причем большинство типов пленок можно проявлять специальными способами, «форсируя» чувствительность еще в два раза. Возможно, что дальнейший рост натолкнется на неразрешимые, в рамках данного способа, противоречия.
Решение изобретательской задачи (разрешение технического противоречия) продвигает ТС вперед, компромисс оставляет систему на месте. С помощью изобретателя система «уходит» от действия вредных факторов (претензий внешней среды), препятствующих увеличению ГПФ. В системе появляются новые свойства, функции, изменяются (перестраиваются или заменяются) вещества и подсистемы ТС.
4.11.3.	Развертывание вещества в технической системе
Процесс развертывания ТС (первая половина волны развития) чаще всего начинается с вещества. Именно на этом уровне наиболее сильно проявляется действие факторов, сдерживающих увеличение ГПФ.
Большое количество изобретений и усовершенствований, заключавшихся в создании новых подсистем для выполнения дополнительных полезных функций или увеличения существующей функции, появились из-за отсутствия требующихся свойств у веществ (материалов) технической системы, или из-за неумения использовать скрытые (неявные) ресурсы вещества — свойства, эффекты.
Можно выделить несколько стадий или переходных моментов в эволюции вещества технических систем:
а)	попытки улучшения (выделения) нужного свойства вещества, б) разделение однородного вещества на функциональные зоны, в) специализация зон по функциям, переход к неоднородному веществу,
г)	составное вещество из специализированных веществ с высокими значениями полезной функции,
д)	развертывание составных веществ в подсистемы,
е)	свертывание составного вещества или подсистемы в идеальное вещество.
Для увеличения ГПФ требуется увеличить какое-то свойство вещества. Простейшее решение — увеличить М,Г,Э этого вещества (толщину, затраты энергии, вес, габариты). Эта попытка чаще всего наталкивается на противоречие — ухудшаются другие свойства или части ТС. Надо улучшить свойства вещества и нельзя этого делать. Поэтому начинается «очищение», выделение нужного свойства, «гашение» вредных побочных свойств. Так появляется множество вариантов (модификаций, марок) одного и того же вещества — для разных систем, объектов и условий работы. Например, только в нашей стране выпускается около 3 тысяч марок сталей
147
(НТР: проблемы и решения. 1985. № 6. С. 3). Такая сверхспециализация вещества (чуть ли не по новой марке стали для каждой новой технической системы) — вынужденная. Раз нет возможности создать материал, перекрывающий весь диапазон требуемых свойств, то приходится идти на получение микроскопических выигрышей в ГПФ путем выделения того или иного свойства вещества.
Примером достижения высокого значения ГПФ может служить а. с. 1 066 047: прокатный валок преимущественно для многовалкового стана, ОТЧСЦ повышения срока службы и качества проката он выполнен из монокристалла лейкосапфира, кристаллографическая ось (0,0001) которого ориентирована вдоль оси вращения валка. Предложено использовать драгоценный камень первого класса, разновидность корунда, с наиболее выгодной ориентацией кристаллической решетки. Значит ли это, что достигнут предел роста ГПФ? Конечно, нет. Впереди — алмазные валки, на которых, впрочем, развитие также не остановится... Если не будет создано вещество тверже алмаза, то потребуется какая-то «хитрость» для увеличения ГПФ (новый способ обработки металла).
Процесс развития обычно приводит к разделению моновещества на зоны, слои, части, переходу к составному веществу. Причина проста: при очередной попытке увеличения ГПФ выясняется, что свойством, от которого зависит это увеличение, должно обладать не все вещество, а лишь его часть (рабочая зона). Усилить свойство в зоне легче, чем во всем веществе.
Примеры разделения моновещества на функциональные зоны.
Изобретение бездымного пороха и введение нарезных орудий в середине XIX века совершили переворот в артиллерийской технике: появилась реальная возможность резко повысить дальнобойность орудий. Но увеличение единичной мощности заряда поставило конструкторов в тупик. Даже замена чугуна и меди на сталь не дала желаемого результата: стальные трубы выдерживали давление максимум в 2000 атмосфер. Причем толщина стенок мало влияла на прочность стволов. Только исследования француза Г. Ламе внесли ясность: он показал, что в трубе, подвергающейся изнутри равномерному давлению, слои металла испытывают неодинаковое напряжение — внутренние слои несут основную нагрузку, а наружные практически не работают. Следовательно, изготавливать орудия с очень толстыми стенками нет смысла, если не заставить работать наружные слои. Эту задачу остроумно решил в 1861 году русский инженер А. В. Гадолин. Он предложил усиливать ствол обручами — в горячем состоянии на ствол одевались цилиндры, которые после охлаждения стягивали внутренние слои.
Недавно были проведены исследования древнерусского меча (X век), найденного в 1900 году. Оказалось, что он изготовлен из 148
неоднородного металла: рубящие кромки имели слой повышенной твердости, а центральная часть клинка была железной с низкой твердостью. Различалась и микроструктура этих зон. то есть это были два материала, соединенные кузнечной сваркой (Знание -сила. 1986. № 4. С. 7).
Знаменитые самозатачивающиеся
Рис. 35. Принцип самозаточки |убов и когтей лежит в основе слоистых резцов А. М. Игнатьева

резцы А. Н. Игнатьева (рис. 35), изобретенные им в 1926 году, также состоят из нескольких слоев. Биолог по образованию, он
задался вопросом «почему клыки и когти животных все время острые?» Ведь они, истираясь, должны затупиться. Однако они не только остаются острыми, но и не меняют угол заострения клина. Оказалось, что причина тому — различная твердость внешней и внутренней стороны клина. Менее твердая внутренняя сторона зуба изнашивается быстрее более твердой наружной. Поэтому и образуется острый клин с найденным природой эффективным углом заострения.
Сам факт перехода от моновещества к слоистому оказывается полезен. Если же каждому слою придать определенные свойства, то можно получить значительный выигрыш в ГПФ. Например, в Институте физико-технических проблем Севера разработаны теплоизоляционные слоистые панели, вдесятеро более тонкие и легкие, чем однородные. Тот же принцип можно использовать для гашения других волновых процессов (акустических, оптических, радиофизических, упругих); каждая граница раздела двух сред с различными свойствами служит источником отраженных и преломленных волн; взаимодействуя с падающей волной, они образуют сложную интерференционную картину и гасят друг друга (НТР: проблемы и решения. 1986. № 22. С. 3).
В Донецком политехническом институте разработаны технологические приемы получения деталей с переменными (по объему) свойствами (Изобретатель и рационализатор. 1983. № 10. С. 26). Авторы утверждают, что можно сделать детали, физико-механические свойства которых будут внутри и снаружи плавно или рывком меняться в полном соответствии с условиями работы этих участков. Например, цапфа вала должна обладать повышенной износостойкостью, а сам вал обязан хорошо работать при знакопеременных нагрузках. Следовательно, в цапфах должно быть больше хрома или молибдена, а в средней части вала — никеля. В идеале каждая деталь должна иметь как бы мозаичное строение, и в любой ее зоне химический состав, свойства должны находиться
в соответствии с характером нагрузок.
После разделения вещества на функциональные зоны начинает
149
ся процесс их специализации — каждая зона выполняет только одну функцию. При специализации легче обеспечить рост полезной функции каждой зоны и в целом всего технического объекта.
Итальянская фирма «Пирелли» разработала автопокрышку с асимметричным рисунком протектора, обеспечивающим хорошее сцепление как при езде по снегу и льду, так и при движении по ровной сухой дороге. Такая покрышка сваривается как бы из двух разных половинок. Половина, находящаяся на стороне автомобиля, имеет протектор для езды по снегу и льду и изготовлена из резины, содержащей больше кремния (что обеспечивает лучшее сцепление с поверхностью дороги). Наружная половина покрышки имеет протектор для езды по ровной сухой дороге, и ее резина содержит больше газовой сажи, которая создает лучшие условия для движения с большой скоростью. Несмотря на асимметрию протектора и разный состав резины, такие покрышки изнашиваются равномерно, и фирма гарантирует до износа протектора пробег 64 000 километров (Новое в жизни, науке и технике. Серия «Техника». 1982. № 4. С. 28).
Фары автомобиля установлены так, чтобы освещать путь впереди машины. Из соображений безопасности неплохо иметь еще одну фару, которая светила бы несколько вверх и вбок, освещая дорожные знаки, стоящие на обочине. В патенте Великобритании 1 486 587 предложено совместить обе функции в одной фаре. Для этого на внутренней стороне стекла фары делается выступ в виде призмы. Призма рассчитана так, что при переключении на ближний свет часть пучка света от фары отклоняется вбок и вверх, освещая дорожные знаки на расстоянии 25 метров от автомобиля.
Еще более серьезная проблема — ослепление светом фар водителей встречных машин. В мире выдано около 400 патентов на способы предотвращения ослепления (Изобретатель и рационализатор. 1981. № 6. С. 18). Но ни одно из этих изобретений не утверждено комиссией безопасности движения ООН для обязательного повсеместного применения. Всевозможные очки снижают видимость, фотодиоды, сбрасывающие рефлектор заслонками, требуют полной реконструкции фар, сложны и не вполне надежны. При поляроидных стеклах и фильтрах необходимо четырехкратное увеличение силы света. Кроме того, такие стекла довольно дороги и дефицитны. Так что пока единственный способ борьбы с противо-ослеплением — во взаимной вежливости водителей: переключить фары на ближний свет не так трудно. Но увы... Решение проблемы предложено в а. с. 520 487 — фара, которая как бы изгибает поток света, и он не слепит водителя встречной машины (рис. 36).
В заявке Франции 2 595 659 описан способ подчеркивания (выделения) в коммерческих целях эстетических свойств жидкостей, содержащихся в пластмассовых или стеклянных емкостях. В стен-
150
Рис. 36. Схема фары с «призматическим эшелоном» по а. с.
520 487
И ООО
Рис. 37. Способ использования прозрачной жидкости путем фокусирования света через емкость (заявка Франции 2 595 659)
ках флакона или бутылки формуются различные оптические элементы (рис. 37).
В США изобретено «голографическое окно» (Изобретатель и рационализатор. 1987. № 11. С. 48). Стеклу придана определенная голографическая структура, с помощью которой освещаются части комнаты, обычно затемненные. Такое остекление может направить солнечный свет вверх на потолок вместо пола, освещать темные углы. Отфильтровывание ИК-лучей удерживает в комнатах прохладу. Солнечный свет можно даже «перекачивать» в помещение без окон через вентиляционный канал с отражающими стенками и затем рассеивать через отверстие в потолке.
Специализация зон по выполняемым функциям приводит в конечном итоге к разделению неоднородного вещества на составные части, к замене отдельных частей на вещества с высоким значением полезной функции.
Например, одна из современных конструкций чайника включает в себя трехслойный корпус: медная основа (высокая теплопроводность), покрытая изнутри тонким слоем тефлона (к нему не пристает накипь), а снаружи — электрохимическое блестящее защитное покрытие.
В Японии разработан новый напильник — из дешевой незакаленной стали, насечка которого покрыта сверхтвердой керамикой (карбидом ванадия). Слой толщиной 3 микрометра защищает напильник от коррозии, позволяет обрабатывать твердые сплавы и повышает в пять-шесть раз его долговечность (Техника — молодежи. 1987. № 2. С. 48).
Во Франции созданы свинцовые аккумуляторы, вес которых в четыре раза легче обычных: в них оставлен лишь функциональный слой свинца, нанесенный на стеклянные и углеродные волокна (Знание — сила. 1983. № 8. С. 40).
В больших городах стеклянные поверхности загрязняются столь сильно, что даже частое мытье не дает возможности держать
151
их в чистом состоянии продолжительное время. Изобретен состав «Изольвер» (Франция), который после нанесения на чистую сухую стеклянную поверхность предотвращает задержание на ней дождевой воды, прилипание загрязняющих частиц и образование инея. Состав химически нейтрален, не поддается действию моющих средств. Одного литра состава хватает на 100—120 квадратных метров поверхности (За рубежом. 1987. № 28. G. 20).
Не всегда есть вещества, выполняющие нужную функцию самостоятельно, то есть «работающие» на собственной энергии или на энергии, имеющейся в системе. Тогда к веществу «пристраивается» обслуживающая его подсистема.
И водители, и пешеходы знают, что в солнечный день бывает нелегко разглядеть сигнал светофора. Отражаясь от цветных стекол, солнечный свет создает ложный сигнал. Поэтому появились патенты на светофоры с черными шторками: как только фонарь (например, красный) включается, его стекло закрывается автоматической шторкой, а шторка другого фонаря (например, желтого) открывается. По пат. Великобритании 1 454 386 стекло фонаря покрыто пленкой жидких кристаллов с электродами по бокам: когда лампа не горит, жидкие кристаллы не пропускают свет и выглядят как матовая черная поверхность; при включении лампы электрическое поле, создаваемое протекаемым током, переориентирует молекулы кристаллов, и шторка становится прозрачной.
Одна из фирм Англии выпускает отвертки длиной 280 миллиметров, в которых для удобства работы обеспечивается подсветка. В ручки этих отверток вмонтирована миниатюрная лампочка, свет от которой направляется по четырем световодным волокнам к наконечнику металлического пера отвертки для создания узкого пучка. Питание лампочка получает от двух миниатюрных батареек (Новое в жизни, науке и технике. Серия «Техника». 1982. № 4. С. 9).
Рано или поздно подсистемы или составные вещества должны сворачиваться снова в вещество. Такое вещество, прошедшее один цикл развертывания-свертывания и приобретшее новое качество, обеспечивающее высокое значение ГПФ в конкретной технической системе, можно назвать идеальным веществом 1-го порядка (ИВ1).
Установлено, например, что УФ-свет угнетает растения. Особенно чувствительны к ультрафиолету парниковые растения. Зная об этом, специалисты во всем мире покрывают крыши теплиц еще и светофильтрующей пленкой. Ультрафиолет поглощается, преобразуется в тепло. Установлено также, что свет с длиной волны, лежащей в красно-оранжевой области, благотворно действует на все растения. Они лучше преобразуют его в химическую энергию в процессе жизнедеятельности. Но покрывать парники еще одной
152
пленкой просто невозможно — резко упадет светопропускание. Не удались и попытки придания стеклу двух противоположных свойств — не пропускать УФ- и не задерживать ИК-свет. Задача недавно блестяще решена в ИОНХ им. М. С. Курнакова — там создана пленка, преобразующая УФ-свет в ИК-свет, то есть убирается вредный фактор и добавляется полезный. В качестве преобразователя применен люминофор на основе европия: микродозы люминофора подмешивают в полимер. «Полисветан» (так назвали пленку) дал неожиданно большую прибавку урожая: помидоры и огурцы — на 50 процентов, салат — 20, арбузы — на 60 процентов! (Новое в жизни, науке и технике. Серия «Техника». 1987. № 5. С. 62).
4.11.4.	Свертывание систем — общий вид процесса
После периода развертывания техническая система вступает в новый этап преобразований, который глубоко и всесторонне захватывает структуру, организацию и системные свойства ТС. Этот процесс полностью соответствует закону увеличения степени идеальности: техническая система уменьшает свои М,Г,Э при одновременном увеличении ГПФ. Для технической системы, достигшей точки максимального развертывания, в принципе, возможны несколько путей свертывания (рис. 38): 1 — вытеснение части подсистем в НС, 2 — развитие подсистем в составе ТС, 3 — свертывание ТС в одну из ПС, 4 — свертывание ПС-ТС в идеальное вещество.
В развитии реальных ТС чаще всего идут смешанные процессы свертывания: развивается и идеализируется то одна, то другая часть системы, тот или иной уровень иерархии. Если нанести на
Рис. 38. Возможные пути идеализации технических систем
153
график точки развития какой-либо системы во времени и соединить их линиями, то рисунок будет напоминать изображение броуновского движения частиц. Кажущаяся хаотичность такого развития обуславливается внезапностью появления и обострения противоречия в какой-либо части системы, то есть процесс соответствует закону неравномерности развития частей системы.
Все четыре пути ведут к одному и тому же — к новой системе Б, выполняющей ту же ГПФ, что и исходная система А. Новая система Б имеет очень малые М,Г,Э и высокое значение ГПФ.
4.11.4.1.	Первый путь свертывания — вытеснение части подсистем за пределы ТС и их объединение в специализированные системы в составе НС.
Этот путь характеризуется следующими особенностями:
—	в ТС уменьшается количество элементов,
—	уменьшается М,Г,Э данной системы,
—	увеличивается ГПФ данной ТС за счет действия двух факторов: 1) система «облегчается» (ей не надо быть универсальной), упрощается структура и организация, улучшается функционирование; 2) взамен функции вытесненной ПС поступает из НС та же функция (действия) более высокого качества, так как бывшая подсистема становится в НС специализированной системой.
Количество элементов в ТС может уменьшаться до предельного уровня, когда остается рабочий орган. Для выполнения ГПФ системы должны быть объединены в НС.
Например, при развитии ТС «автомобиль-дорога» от автомобиля останется только кресло, все остальные части ТС будут совмещены с дорогой, выделены в специализированные узловые (центральные) системы — подачи энергии, контроля и управления и т. д.
«Обобществленная» система становится системой коллективного пользования (узловой, центральной), к которой постоянно или периодически обращаются все ТС. Функции таких ТС: коммутация, обслуживание, источник питания (преобразователь энергии), слежение и контроль, ремонт и т. д.
Вытесненные в НС и «обобществленные» подсистемы вначале выполняют те же функции, что и в ТС. Однако по мере роста числа взаимодействующих с ней ТС функции начинают меняться, количественные изменения неизбежно приводят к качественным изменениям. Со временем эти отличия нарастают, функции преобразуются, системы принимают на себя выполнение других функций.
Процессы объединения (интеграции) в период свертывания характерны и для надсистем. В первую очередь объединяются системы с близкими (родственными) ГПФ: например, информационные, энергетические, транспортные, сельскохозяйственные,
154
медицинские и т. д. Такое объединение подготовлено предыдущими преобразованиями систем коллективного пользования — в процессе развития и присоединения других функций они сближаются и унифицируются. Это создает условия для интеграции двух или более НС в одну, при этом многие части и элементы исчезают.
И, наконец, выигрыш в ГПФ (количестве функций) образуется при вытеснении подсистем в НС и дальнейшей интеграции ПС за счет появления нового (системного) свойства или качества.
Первые телефонные аппараты имели коммутационные переключатели, источники питания, провода для связи с каждым абонентом. Но уже в 1878 году возникла первая телефонная станция (Нью-Хойзен, США), которая имела наборное коммутационное поле со штеккерами для соединения между абонентами. Такие локальные сети быстро распространились по городам. Затем появились каналы связи между городами и странами — потребовались промежуточные усилители, автоматические коммутаторы и множество других устройств. Современные телефоны имеют память, автоответчик, множество различных функциональных приставок (прибор для распознавания номера позвонившего абонента, телефакс и т. д.). Процесс развертывания, присоединения новых функций в этой системе продолжается. Одновременно идет процесс свертывания подсистем, вытеснения их в НС. Например, сеть искусственных спутников Земли (ИСЗ) вобрала в себя множество технических систем наземной телефонной сети — отпала необходимость в большей части телефонных станций, узлов, коммутаторов, усилителей, кабелей и т. д. Телефонная сеть, как одна из информационных систем (радио, телевидение, компьютерные сети, почта и т. д.), должна будет слиться с другими подобными системами в единую информсистему.
Еще два примера на развитие информационных систем в ближайшем будущем (Дементьев Г. П. и др. Физико-технические основы создания и применения космических аппаратов. М.: Машиностроение, 1987).
В США разработан проект преобразования почтовой связи. С помощью одного ИСЗ можно охватить все почтовые отделения на половине территории США, Аляски и Гавайских островов. Пропускная способность системы может достигать 100 миллиардов страниц текста в сутки. Почтовые отделения будут оснащаться антеннами диаметром 1 метр, устанавливаемыми на крышах зданий. Впоследствии такое оборудование можно будет предоставлять в личное пользование, исключая тем самым из системы связи почтовые отделения.
Разработана также система (содержащая ИСЗ массой 7,26 тонны, оборудованный 500-лучевой антенной диаметром 60 метров), предназначенная для регистрации сигналов датчиков (акусти
155
ческих, инфракрасных, контактных, датчиков давления и т. д.), охраняющих какой-либо объект. В такой системе при срабатывании датчика должен возбудиться передатчик, излучающий кодированные сигналы мощностью один милливатт. Эти сигналы принимаются ИСЗ и подвергаются обработке (с целью снижения вероятности появления ложной тревоги) и ретранслируются в соответствующий центр управления для принятия тех или иных мер. Один ИСЗ каждую секунду может ретранслировать сигналы свыше 3 миллионов датчиков, установленных в различных населенных пунктах США. Общее количество датчиков может достигать десятков миллиардов. По оценкам специалистов, система может быть введена в эксплуатацию в ближайшие годы. Примеры использования датчиков: охрана любых объектов личного и общественного пользования, контроль параметров в любой точке энергетических сетей, расхода жидкостей и газа в трубопроводах, влажности почвы в сельхозрайонах, прогнозирование наводнений, оползней и т. д.
4.11.4.2.	Второй путь свертывания — развитие (главным образом — миниатюризация) всех подсистем в составе данной ТС, без вытеснения подсистем в НС.
Особенности этого направления идеализации:
—	уменьшение М,Г,Э за счет миниатюризации, резкое снижение габаритов (Г) и, соответственно,— уменьшение М и Э;
—	увеличение ГПФ за счет повышения точности функционирования (уменьшается длина связей — снижается вероятность ошибок, уменьшается требуемая мощность, исчезает часть вредных факторов);
—	количество элементов системы остается неизменным вплоть до самого последнего момента — слияния подсистем в единую функциональную моносистему.
Наиболее характерный пример мини- и микроминиатюризации в технике — это развитие радиоэлектроники в XX веке. Широко известна следующая иллюстрация этого процесса: «Если бы «роллс-ройс» 50-х годов усовершенствовался такими же темпами, как вычислительная техника, то этот роскошный автомобиль стоил бы сейчас два доллара, имел мотор емкостью в половину кубического сантиметра и потреблял бы тысячную часть кубического миллиметра бензина на километр пути».
Развитие элементной базы шло по пути резкого уменьшения М,Г,Э по цепочке: отдельные детали — сборки — микросборки — интегральные микросхемы (ИМС) — большие интегральные микросхемы (БИС) —сверхбольшие (СБИС). Причем на всем пути элементы принципиально не менялись: это был все тот же набор
156
резистивных, емкостных, полупроводниковых и индуктивных элементов. Лишь в последнее время в связи с разработкой идей выращивания электронных блоков в виде монокристаллов и сборки на основе биочипов, появились признаки перехода к принципиально новым элементам.
Развитие стиральной машины:
—	бочка с активатором (электродвигатель, насадка), шланг, крышка;
—	затем началось присоединение полезно-функциональных подсистем — подогрев, перекачка, модификации активатора, программное управление, отжим-сушка и т. д.;
—	миниатюризация — машина «Малютка» и др.; предельный случай: совет из раздела «Умелые руки» — электродрель с насадкой и любой таз с бельем (стиральной машины нет, а функция ее выполняется);
—	замена механического активатора на ультразвуковой (идея давно используется для отмывки деталей в машиностроении); испытания дали отличные результаты: нужна любая емкость с бельем, порошком, водой, в нее опускается небольшая коробочка (УЗ-активатор);
—	после механических и физических активаторов должен быть переход к «химической стирке» (активатор на микроуровне).
Свертывание типографии: выбранная книга печатается в присутствии заказчика прямо в книжном магазине. Текст и иллюстрации считываются с оптического диска и за несколько минут распечатываются на лазерном принтере (около 10 тысяч печатных листов в минуту), а затем переплетаются на автоматической переплетной линии (Наука и жизнь. 1987. № 6. С. 104).
Очень важная вставка в раздел 4.11.4.2
Нанотехнология Эрика Дрекслера: технократическая утопия или закономерный этап развития техники?
Статья Б. Панкратова (с некоторыми сокращениями) «Что будем делать в третьем тысячелетии, или последняя технократическая утопия. (Техника — молодежи. 1989. № 12. С. 18—22.)
Весной 1977 года студент Массачусетского технологического института Эрик К. Дрекслер высказал идею о необходимости перевода технических систем с макрона микроуровень путем создания молекулярных машин — искусственных подобий биологических молекул, работающих в живых клетках.
С конца 70-х годов Э.-К. Дрекслер с небольшой группой энтузиастов начал работы по нанотехнологии в Стэнфордском университете.
Вначале были эксперименты с биоподобными структурами: аминокислотами, ферментами (катализаторами биохимических реакций), природными белками и тканями.
Однако вскоре приходит понимание того, что биоподобные структуры (и все, что они могут создать) — это органика, а значит, их возможности ограничены. Они теряют стабильность или разлагаются при повышенных температурах и давле
157
ниях, не могут с большой точностью обрабатывать твердый материал, действовать в агрессивных средах и т. п. Да и не все требуемые виды наномеханизмов можно сконструировать из биомолекул. Значит, неизбежно потребуется использовать неорганические вещества и кристаллические структуры.
Кроме того, конструирование биомашин из биологических компонентов потребует изобретения огромного количества новых принципов, способов, устройств и веществ, которые бы обеспечили «на выходе» получение нужных функций. Поэтому нет смысла отказываться от грандиозной суммы идей и приемов, наработанных в процессе развития техники. Это все то, до чего «не додумалась» природа, начиная с колеса и кончая компьютером. Поэтому Дрекслер в своих работах подробно обосновал способы построения на атомном уровне подшипника и зубчатой передачи, рассмотрел проблемы трения скольжения и т. д. В то же время без биоподобных структур очень трудно манипулировать отдельными атомами и молекулами. Поэтому наномашины должны соединить в себе свойства живых и технических систем.
Основным типом машин, по мысли Дрекслера, станет так называемый ассемблер, то есть сборщик. Из любых нужных атомов и молекул он должен уметь строить наносистемы любого назначения — двигатели, «станки»,- вычислительные устройства, средства связи и т. д. Это будет универсальный молекулярный робот со сменными программами на «перфолентах» типа цепочек РНК или ДНК. Процесс смены программы мог бы напоминать заражение клетки вирусом.
Дрекслер считает, что сборщику для выполнения его задач достаточно иметь порядка 10 тысяч подвижных и неподвижных узлов, каждый и^ которых построен в среднем из сотни атомов (всего около миллиона атомов — размер примерно в одну тридцатую средней бактерии).
Внешне сборщик можно представить как ящик с «рукой» — манипулятором длиной в сотню атомов. Сам манипулятор прост, но может оперировать сменными инструментами любой сложности. Инструментами служат молекулы, имеющие активные реакционные центры, то есть участки, способные образовывать прочные химические связи с другими молекулами. Внутри сборщика размещены устройства, двигающие манипулятор, заменяющие молекулярные инструменты в его захвате и содержащие программу всех действий.
Как и рибосомы в клетке, сборщики будут работать в емкостях со специальной жидкостью, богатой исходными материалами, молекулами-заготовками, а также «топливом» — молекулами с большим запасом химической энергии.
Видимо, «рука» будет просто ожидать, пока нужная молекула, пройдя через избирательную насадку, в своем хаотическом движении не ударится о захват. По этому принципу работают активные участки всех ферментов. В их структуре есть изгибы, которые по форме и размеру точно соответствуют нужной молекуле — и никакой другой. У быстрых ферментов скорость обработки составляет миллион частиц в секунду при достаточной их концентрации в среде.
Рабочий цикл сборщика, таким образом, может повторяться примерно миллион раз в секунду. Эту оценку можно подтвердить другим, независимым рассуждением: «рука» сборщика примерно в 50 миллионов раз короче руки человека, и, значит, если сохранять эквивалент инерционных нагрузок, она сможет двигаться примерно во столько же раз быстрее.
Для практической наноинженерии очень опасны хаотические тепловые колебания атомов и молекул. Они могут помешать манипулятору робота обрабатывать и устанавливать детали с нужной точностью. Правда, в определенных случаях они полезны, например, когда манипулятор «ожидает» случайного наскока молекулы для ее захвата. Но для прецизионных операций тепловые колебания вредны. По этой причине Дрекслер спроектировал очень «толстый» манипулятор (конус 30 нанометров в диаметре и 100— в длину), сложенный из атомов углерода по типу алмазной решетки. Это придаст ему такую жесткость, что его тепловые перемещения не превысят половину диаметра атома.
Управлять сборщиками вручную из-за огромной скорости их работы, конечно,
158
невозможно. Это должны делать нанокомпьютеры, программируемые на каком-нибудь обычном языке управления промышленными роботами.
Для связи с этими крошечными машинами можно использовать нанокомпьютер-ный интерфейс или передавать команды по радио. Подходящим средством управления наномашинами мог бы стать свет. Можно будет задействовать весь ассортимент известных фотохимических и фотофизических эффектов. Например, свет может изменять форму определенных молекул. Перемещения атомов при этом происходят за триллионные доли секунды. Наконец, свет может стать и источником энергии для наноустройств.
Что касается нанокомпьютеров, то Дрекслер и здесь предлагает использовать механические принципы. Он разработал концепцию вычислительного устройства, в котором двоичный код реализуется двумя фиксированными положениями прочных линейных карбиновых молекул из 7—8 звеньев длиной 1 нанометр. Эти микроскопические стерженьки скользят в твердой матрице по каналам, пересекающимся под прямыми углами, так что один стерженек может перекрывать (или не перекрывать) путь другому. Трех параллельных каналов, пересеченных четвертым, достаточно, чтобы образовать универсальную логическую ячейку. Набор таких ячеек позволяет реализовать любой процесс вычислений или обработки информации.
Запоминающее устройство емкостью в миллиард байт займет в таком исполнении объем бактерии — один кубический микрон. Длительность вычислительного цикла, то есть время перемещения стерженька из одного положения в другое при его ничтожных размерах, составит всего 50 пикосекунд. Поэтому быстродействие такой механической системы будет выше, чем у лучших современных микрокомпьютеров.
Возможно ли массовое производство наномашин Дрекслера? Пока это кажется безнадежно нерентабельным. Но это будет только до тех пор, пока в один прекрасный (а может быть, и страшный) день не будет создано самовоспроизводящееся наноустройство.
Всем видам таких устройств Дрекслер дал общее название: «репликатор», то есть копировщик. Прислушайтесь внимательно к этому слову. Может быть, когда-нибудь оно обозначит новую эру в жизни человечества. Она начнется, если будет построен один-единственный копировщик. Этого окажется достаточно для такого гигантского переворота во всех областях человеческой деятельности, какого, может быть, еще не знала история.
Не слишком ли сильно сказано? Давайте посмотрим.
Итак, построен один копировщик. Допустим, что он в тысячу раз сложнее сборщика, то есть число атомов в нем равно примерно миллиарду. Тогда, работая все с той же более чем умеренной производительностью — миллион атомов в секунду, копировщик соберет собственную копию за тысячу секунд, то есть за четверть часа. Опять-таки эта оценка подтверждается независимым соображением: примерно за то же время в благоприятных условиях делится клетка микроба. Новая копия немедленно приступит к самовоспроизведению, и через 10 часов в растворе со строительными и «энергетическими» молекулами будет плавать уже около 70 миллиардов копировщиков, а менее чем за сутки их масса превысит тонну. Эта тонна сверхсложнейших устройств получена в течение суток без всяких затрат человеческого труда. А вторую тонну можно получить уже не за сутки, а... правильно — всего за 15 минут,— только подавай раствор. Вопрос о цене, пожалуй, и отпадает. Немного осмелев и нарастив за неделю-другую нужную массу копировщиков, можно заставить их прямо из себя сложить... ну, допустим, мост через Берингов пролив.
Но дело, конечно, не в количественных рекордах. В наступившей «новой эре» исчезнет необходимость и в любом квалифицированном человеческом труде.
Вот, например, Дрекслер подробно описывает, как с помощью копировщиков построить, то есть, простите, вырастить ракетный двигатель.
Процесс идет в баке, на дно которого помещают подложку — основание.
159
Крышка бака герметически закрывается, и насосы наполняют его вязкой жидкостью, содержащей в виде взвеси копировщики, перепрограммированные на новые функции сборщиков.
В центре подложки находится «зародыш» — нанокомпьютер, хранящий в памяти все чертежи будущего двигателя, а на поверхности имеющий участок, к которому могут «прилипать» сборщики из бурлящей вокруг взвеси. Каждый из них получает информацию о назначенном ему положении относительно зародыша и приказ захватить своими манипуляторами несколько других сборщиков из взвеси. Они также подключаются к компьютеру «зародыша» и получают аналогичные приказы. За несколько часов в жидкости вырастает некое подобие кристаллической структуры, с мельчайшими подробностями очерчивающей форму будущего двигателя.
Снова включаются насосы, заменяя в баке взвесь сборщиков раствором строительных материалов. Компьютер зародыша отдает команду, и часть составляющих каркас строителей отпускает своих соседей, складывает манипуляторы и также вымывается, оставляя ходы и каналы, которые будут заполнены нужными атомами и молекулами.
Специальные усики оставшихся сборщиков интенсивно гребут, создавая в каналах непрерывный ток жидкости, содержащей «топливо» и исходные материалы и выносящей из рабочей зоны отходы и тепло. Система связи, замкнутая на компьютер зародыша, передает команды каждому строителю.
Там, где требуется наибольшая прочность, сборщики складывают атомы углерода в алмазную решетку. Где критичны тепловая и коррозионная устойчивость, на основе окиси алюминия создаются структуры кристаллической решетки сапфира. В тех местах, где напряжения невелики, сборщики экономят вес конструкции, меньше заполняя поры. И по всему объему будущего двигателя атом за атомом выкладываются клапаны, компрессоры, датчики и т. д. На всю работу потребуется менее суток времени и минимум человеческого внимания.
А ведь в результате, в отличие от обычных двигателей, получилось изделие, которое не имеет ни единого шва и выигрывает в массе примерно в 10 раз по сравнению с современными конструкциями. По своей структуре оно, пожалуй, больше похоже на драгоценный камень.
Но это все еще самые простые возможности нанотехнологии. Из теории известно, что ракетные двигатели работали бы оптимально, если бы могли менять свою форму в зависимости от режима. Только с использованием нанотехнологии это станет реальностью. Конструкция, более прочная, чем сталь, более легкая, чем дерево, сможет подобно мускулам (используя тот же принцип скользящих волокон) расширяться, сжиматься и изгибаться, меняя силу и направление тяги.
Космический корабль сможет полностью преобразиться примерно за час. Нанотехника, встроенная в космический скафандр и обеспечивающая круговорот веществ, позволит человеку находиться в нем неограниченное время, к тому же превратив оболочку скафандра в «умножитель силы». В освоении космоса наступит новая эра.
Но то ли еще начнется на Земле? Сборщики сделают практически все практически из ничего, используя любое «подножное сырье», воду и воздух, где есть главные нужные элементы — углерод, кислород, азот, водород, алюминий и кремний; остальные, как и для живых организмов, потребуются в микроколичествах. Исчезнут вспомогательные производства и вся так называемая «группа А», а предметы потребления будут производиться «прямо на дому».
Нанотехника восстановит озонный слой, очистит от загрязнений почву, реки, атмосферу, океаны, демонтирует заводы, плотины, рудники, запечатает радиоактивные отходы в вечные самовосстанавливающиеся контейнеры. Города и дороги будут расти, как трава. В пустынях поднимутся леса фотосинтетических элементов, которые дадут нужное количество электроэнергии, пищевых веществ и универсального биологического топлива — АТФ (аденозинтрифосфатной кислоты). Следы промышленной деятельности почти исчезнут с лица Земли, сократятся сельско
160
хозяйственные угодья, большую часть планеты покроют сады и естественные экосистемы...
Произойдет новая научная революция. Сопоставимые с размерами сборщиков приборы, научное оборудование и натурные модели будут проектироваться и реализовываться «в металле» за считанные секунды. На них одновременно и с огромной быстротой пойдут миллионы параллельных экспериментов любой сложности, результаты которых обобщит искусственный интеллект и выдаст в нужной форме.
Принципиально иным станет образование. Дети получат карманные наноконструкторы, создающие движущиеся модели животных, машин и космических процессов, которыми они смогут управлять. Игровые и учебные наномашины откроют доступ к мировому знанию, разовьют по индивидуальной программе умственные способности.
Неузнаваемо изменится медицина. Последовательно проверяя и, если надо, «исправляя» молекулы, клетку за клеткой, орган за органом, наномашины вернут здоровье любому больному, а затем просто не допустят никаких заболеваний и паталогий, в том числе генетических. Человек будет жить сотни, может быть, тысячи лет.
Труд в современном смысле, то есть «в поте лица», который с незапамятных времен был главным содержанием жизни, перестанет существовать. Потеряют смысл и нынешние понятия стоимости, цены, денег. Как считает Дрекслер, в таком полностью обновленном обществе осуществится настоящая Утопия — но не из тех, где дается рецепт коллективного счастья в типовых общежитиях. Наоборот, каждый человек получит максимальное разнообразие вариантов существования, возможность, не мешая другим, свободно избирать и менять образ жизни, экспериментировать, ошибаться и начинать сначала.
Однако, Дрекслер не наивен. Он понимает, что реальная картина нанотехнологического бытия может оказаться не совсем радужной, старается предусмотреть возможные осложнения и наметить выходы.
Концепция Э. Дрекслера — яркий пример разработки идей идеализации техники в «стихийном изобретательстве», образец нахождения и формулирования Достойной цели, остроумного решения научной задачи.
4.11.4.3.	Третий путь — свертывание технической системы в одну из подсистем (главным образом — в рабочий орган)
Свертывание — это последовательное совмещение элементов системы:
—	подсистема принимает на себя выполнение функции какого-либо вещества ТС (и это вещество исключается из ТС);
—	совмещение двух подсистем в одной (и одна ПС исчезает);
—	совмещение нескольких ПС в одной;
—	свертывание ТС в одну из подсистем.
Зачастую подсистемы уже обладают свойствами, аналогичными свойствам веществ, используемых в данной ТС — в другой ее части, остается только вытеснить это вещество, «поручив» выполнение его функции подсистеме. Если же какая-либо подсистема не обладает нужным свойством, ее следует изменить в требуемом направлении. Несколько примеров:
—	в Австралии разработаны солнечные фотоэлектропреобразователи, выполненные в виде черепицы из прозрачного пластика
1 1 Зак. 2148
161
с вмонтированными фотоэлементами, крепление на крыше аналогично креплению керамической, цементной или стальной черепицы;
—	в Японии начат выпуск электрических батарей толщиной не более 0,1 миллиметра на твердом электролите, предлагается размещать батареи в самом корпусе устройства или прибора (изготовлять корпус из батарей);
—	В Японии выпускаются домашние телевизионные антенны в виде настенного календаря, часть рисунков напечатана металлизированными красками или выполнена из тонкой алюминиевой фольги;
— у нас в стране разработана бытовая электроплита, не имеющая нагревательных конфорок, их роль выполняют днища любой металлической посуды, правда, для этого потребовалось ввести тиристорный преобразователь частоты (с 50 герц до 20 килогерц), ток повышенной частоты подается на первичную обмотку трансформатора, а в качестве вторичной обмотки используется дно посуды, достигнут высочайший к.п.д.— 80 процентов.
При совмещении подсистем какая-то одна из них становится «главной» и принимает на себя выполнение дополнительной функции (от второй ПС). Если одна из ПС является рабочим органом, то именно эта подсистема остается и продолжает совершенствоваться. Другие ПС как бы «стягиваются» к РО, размещаются в его пограничном слое, сливаются с РО:
—	одна из автомобильных фирм разработала приборную панель автомобиля ближайшего будущего — панель монтируется на колонке рулевого колеса, кнопки находятся на таком расстоянии, которое позволяет доставать их пальцами;
—	в Японии создан токарный станок с электронным блоком регулирования скорости (исчезли передаточный механизм, зубчатые колеса, валы и муфты), в котором электродвигатель постоянного тока совмещен со шпинделем станка;
—	забортный двигатель с электроприводом (Япония, заявка 59-34 558). Винт с электродвигателем обособлен, максимально сближены и вынесены на консоли за борт;
— встроенный гребной винт (ФРГ, заявка 3 312 063). Мощный судовой винт должен обладать большим диаметром и малым числом оборотов, в то время как обычный двигатель обладает большим числом оборотов и малым диаметром ротора. Поэтому используются громоздкие редукторы и валы, испытывающие значительные знакопеременные нагрузки. Предложено совместить двигатель с рабочим органом — винтом. Ротор двигателя — винт, ступица которого выполнена из постоянных кобальт-самариевых магнитов, статор — в виде кольца, охватывающего концы лопастей винта. Достигнуто резкое снижение М,Г,Э, уменьшен шум, несложно выполнить поворот для изменения направления движения судна.
162
Создается образец с диаметром винта 2,5 метра и мощностью 750 киловатт.
В измерительных системах РО — это датчик. Поэтому свертывание измерительных ТС идет в направлении слияния всех частей с датчиком. Например, интегральные датчики представляют собой кремниевый кристалл, в котором объединены собственно чувствительный элемент и электронная схема формирования сигнала. Такие датчики обладают меньшими М,Г,Э и большей ГПФ.
Идеализируются (свертываются) даже... тюрьмы. В США ввиду переполненности тюрем в 35 штатах довольно широкое распространение получило содержание лиц, не совершивших тяжких преступлений, под домашним арестом, для контроля их нахождения дома используются электронные средства двух типов — активные и пассивные, соответственно за совершившими более или менее серьезные правонарушения. Активные средства представляют собой постоянно работающий передатчик, который вмонтирован в несни-мающийся браслет, надеваемый на щиколотку ноги правонарушителя, а в его квартире устанавливаются радиоприемники, которые в произвольное время включаются и передают сигналы по телефонным каналам на ЭВМ в полицейском участке. Масса радиопередатчика 70 грамм. Для его извлечения из браслета требуется специальный инструмент, а при попытке разрезать или снять браслет радиопередатчик начинает излучать специальные сигналы. Прибор пассивного контроля включает ручной или ножной браслет и аппаратуру автоматического запроса.
Еще один сильный пример свертывания двух разнородных подсистем— лампы (излучатель света) и абажур (отражатель света). В США запатентована новая высокоэкономичная электрическая лампа (пат. США 4 017 758, 1978 г. кл. 313-112). На внутреннюю поверхность колбы нанесен тончайший слой серебра, включенный между двумя слоями двуокиси титана, которые не задерживают видимый свет, но отражают инфракрасные лучи. Это прозрачное зеркало имеет такую кривизну (колба в форме эллипсоида), что ИК-лучи фокусируются на нити накала и разогревают ее — требуется в два раза меньше энергии при том же световом потоке.
Абажур (вспомогательная подсистема) оказался внутри лампы, поближе к рабочему органу. Здесь, в пределах, ограниченных колбой лампы, нет освещаемого (обрабатываемого) пространства, поэтому РО — нить накала, изделие — свет. Поглощенная подсистема расположилась на пограничном слое — внутренней поверхности колбы.
Высокая эффективность этого изобретения была оценена даже в Минэлектротехпроме СССР. Зам. министра, например, так «бичует» собственные просчеты (Изобретатель и рационализатор. 1980. № 8): «Можно привести пример с электрической лампочкой,
163
созданной недавно в США и потребляющей при том же световом потоке в два раза меньше энергии. Мы прозевали создание такой лампочки. Но по материалам патентных фондов еще три-четыре года назад можно было определить направление интенсивных поисков зарубежных исследователей и предвидеть достигнутый результат. Если бы это было сделано вовремя, создание принципиально нового источника света мы смогли бы внести в план исследовательских работ и иметь сейчас подобную лампочку».
Некомпетентность этого заявления очевидна: если патентные материалы «подсказывали» это решение еще несколько лет назад, то почему его изобрели не у нас?
Изобретение сделано в полном соответствии с одним из законов отечественной теории изобретательства. Оно должно было появиться намного раньше зарубежных разработок. Более того, если бы специалисты заглянули в отечественный фонд изобретений (кл. HOIK), то обнаружили бы, что первый шаг в этом направлении сделан именно в СССР:
— пат. СССР 3284, 1925 г., П. В. Бехтерев, «электрическая лампа накаливания с рефлектором внутри».
Вот краткое изложение рассуждений автора изобретения. В существующих лампах свет распределяется нерационально, так как излучаемая световая энергия используется плохо. Этот дефект в значительной мере исправляется применением надлежащих абажуров за счет явления отражения света от внутренней поверхности абажура. Однако эмалированные железные абажуры отражают свет слабо, а зеркальные, вследствие легко возникающего потускнения и прочих причин, не могут считаться вполне практичными. Внутри же лампы нет ни пыли, ни мух, ни окислительных газов. Автор предлагает помещать внутрь колбы рефлекторы разных типов: параболический (как прожектор — сноп света), выпуклый, вогнутый, декоративный и даже голофановый. Последний представляет собой в поперечном сечении призмы голофана — в виде сложенных рядом и изогнутых треугольных призм из прозрачного стекла, причем поверхность, обращенная к нити накала,— гладкая, а наружная — ребристая, этим достигается полное внутреннее отражение.
Как видим, прогрессивная идея совмещения отражателя с лампой и придания отражателю определенной геометрической формы высказана давно, еще в начале периода массового применения электрической лампы.
Пат. США 2 859 336 (1958 г.) —лампа с теплоотражающим экраном, фокусирующим излучение на вольфрамовой нити. Однако при температуре 2600—3000°К вольфрам начинал испаряться и оседать на колбу, колба затемнялась.
Пат. ФРГ 2 790 151 (1975 г.) —для снижения температуры
164
вольфрамовой спирали внутрь ее помещают материал, излучающий видимый свет при нагревании.
А. с. 202 326 — с той же целью на стержень из нитрида алюминия нанесен вольфрамовый порошок.
В этих изобретениях попытались использовать вредную энергию ИК-лучей на дополнительный разогрев спирали и сразу же натолкнулись на ограничение по предельной температуре вольфрама (до его испарения). Выгоднее не поднимать температуру, а снизить количество энергии, потребной для разогрева спирали. Для этого необходимо увеличить процент начального излучения в ИК-области и соответственно снизить в видимой.
Пат. Франции 2 253 273 (1973 г.) —тело накала расположено внутри прозрачного в видимой области света баллона с экраном, отражающим ИК-излучение на тело накала. В этой лампе тело накала излучает вначале 5—10 процентов видимого излучения и 90—95 процентов ИК-излучения, поэтому температура быстро возрастает и мощность видимого излучения увеличивается.
В пат. США 4 017 758 колба в виде эллипсоида и нить накала расположены в одном фокусе эллипсоида, то есть значительная часть тепловой энергии рассеивается.
В пат. США 4 160 929 (1978 г.) предложена сферическая колба (меньшая, чем у эллипсоида, площадь поверхности и один фокус), в центре которой помещено тело накала. Тело накала должно быть малогабаритным, так как центр сферы — точка. Но подобное тело накала ограничивает мощность лампы.
А. с. 1 023 451 (1983 г.) —электрическая лампа накаливания, содержащая колбу из оптически прозрачного материала в форме эллипсоида вращения с нанесенным на ее внутреннюю поверхность, отражающим инфракрасное и пропускающим видимое излучение, и установленное в ней тело накала в виде спирали, а также отражатель, имеющий форму, подобную форме колбы, и обращенный
Рис. 39. А. с. 1 023 451:
/ — отражатель, 2 — внутреннее покрытие, 3 — тело накала 4 — колба
Рис. 40. А. с. 1 083 253:
/ — колба, 2 — покрытие, 3 — тело накала, 4 — элемент для поглощения в ИК-области
165
вогнутой стороной к телу накала, ОТЧСЦ повышения к. п. д. излучения указанный эллипсоид образован вращением эллипсов относительно меньшей оси симметрии, а тело накала выполнено тороидальным и установлено так, что оно охватывает кольцевую линию фокусов (рис. 39).
При вращении эллипсов множество фокусов fi и Гг (рис. 39а) образуют кольцевую линию (рис. 396). Спираль охватывает f.
При включении тело накала излучает видимые и невидимые (тепловые) лучи. Тепловые лучи изображены сплошной линией (рис. 39в), отраженные — одной пунктирной. Видимые лучи, которые выходят за пределы колбы, изображены двойной линией.
Отраженные тепловые лучи возвращаются к телу накала в другом фокусе в виде дополнительного источника нагрева. Такое же распространение лучей повторяется в любом осевом сечении — по длине спирали.
А. с. 1 083 253 (1984 г.) —электрическая лампа накаливания, в которой с целью повышения световой отдачи и снижения требований к точности ее изготовления в другом фокусе колбы установлен элемент, имеющий коэффициент поглощения ИК-излу-чения не менее 0,9 и температуру плавления не менее 2000°К (рис. 40).
В качестве материала для элемента 4 может быть использован прессованный силицид бора, карбид или нитрид кремния с температурой плавления около 3000°К. При разогреве он излучает дополнительный свет без подвода дополнительной энергии.
Здесь второе тело накала — диэлектрик. Может быть, вообще для вольфрамовой нити оставить лишь роль излучателя ИК-энер-гии? То есть разделить функции между двумя веществами и тем самым исключить проблему испарения вольфрама.
А. с. 1 100 658 (1984 г.) —лампа накаливания, в которой
Рис. 41. А. С. 1 100 658:
1 — баллон, 2 — шероховатая структура, 3,4 — отражающие ИК-экраны, 5 — тоководы, 6 — цоколь, 7 — тело накала, 8 — окисная сетка
Рис. 42. А. с. 1 309 120:
/ — покрытие, отражающее ИК-излуче-ние, 2 — зеркальное покрытие
166
тело накала окружено сеткой, поглощающей ИК-излучения и испускающей видимое, причем соотношение объемов сетки и баллона 1:4— 1:30, а тела накала и сетки 1:3— 1:10, размеры отверстий в сетке 35—80 микрометров, сетка выполнена из окислов металлов и обладает в ИК-области чернотой 0,4—1,0.
Лампа накаливания (рис. 41) работает следующим образом. Тело накала, разогретое до 2600—3000°К излучает 4—9 процентов видимого и более 90 процентов ИК-излучения. Окружающий газ, например, ксенон, передает тепло на сетку 2. Окисная сетка состоит из окислов циркония, гория или гафния с церием, которые поглощают ИК- и излучают видимый свет. При отверстиях в сетке менее 35 микрометров увеличивается УФ-, а при размерах более 80 микрометров увеличивается ИК-излучение. Шероховатый слой на внутренней поверхности колбы — для рассеивания света.
А. с. 1 209 120 (1987 г.) —лампа накаливания, в которой для повышения к.п.д. внутренняя отражающая поверхность колбы образована вращением двух соединенных между собой противоположно направленных отрезков парабол, имеющих общую ось и общий фокус, расположенный на пересечении оси парабол и кольцевой линии фокусов, причем на Ъстальную часть отражающей поверхности нанесено зеркальное покрытие (рис. 42).
4.11.4.4.	Четвертый путь свертывания технических систем — замена ТС идеальным веществом
Свертывание ТС в вещество (системы нет, а функция ее выполняется веществом), или, что то же самое,— идеализация вещества до уровня технической системы (вещество, усложняясь, принимает на себя выполнение все большего количества функций, вплоть до выполнения функции самой ТС) может идти в несколько этапов:
—	замена одним веществом функций двух или нескольких веществ;
—	замена нескольких ПС одним универсальным веществом;
—	замена ТС идеальным веществом (ИВ).
Об этих этапах достаточно полно рассказано в предыдущих разделах. Здесь же только отметим, что к основным свойствам ИВ следует отнести: высокое значение выполняемой ГПФ; самоорганизацию, самостоятельность отклика на изменения во внешней среде (не требуется внешнее управляющее воздействие).
Прогностическое развитие ТС (направленная «идеализация вещества») возможно, например, при помощи оператора идеализации: из подсистемы последовательно исключаются вещества с передачей их функций какому-либо одному веществу, а затем в это вещество свертывается вся подсистема.
167
Рабочий орган, как наиболее интенсивно развивающаяся часть системы, сильнее других «притягивает» к себе ближайшие вещества и подсистемы.
Например, в системе «винтовка» рабочий орган — пуля. Ближайшая ПС — ствол. Одна из функций ствола выполняется нарезкой — сообщение вращения. Передадим функцию нарезки рабочему органу — самой пуле. Пример решения: использовать пулю-турбинку с лопастями из материала с эффектом памяти формы, которые раскрываются от тепла пороховых газов и раскручивают пулю при выходе из ствола, а в полете пуля охлаждается и лопасти складываются.
Другая функция ствола — отвод избыточного тепла. Пример решения: пуля выполняется из КПМ, пропитанного испаряющимся при определенной температуре веществом, причем поры могут быть открыты только с тыльной стороны.
5. ОБЩАЯ СХЕМА РАЗВИТИЯ ТС
В истории человечества было не так уж много открытий и изобретений, потрясших основы человеческой популяции и давших мощный толчок развитию цивилизации. К таким революционным новшествам можно отнести: открытие огня, изобретение каменных орудий, формирование языка, письменности, распространение книгопечатания, открытие электричества, изобретение способов передачи информации без переноса массы, выход в космос, компьютерная технология обработки информации, биотехнология и генная инженерия...
Однако, надо помнить, что все эти события кажутся нам скачками развития лишь в исторической перспективе. На самом деле это были периоды более или менее стремительного увеличения ГПФ какой-либо области деятельности человека. В эти периоды для решения наиболее насущных задач вовлекались большие или меньшие общественные силы и средства, создавались недостающие для решения задач знания, привлекались сделанные ранее открытия и изобретения (казавшиеся прежде случайными, ненужными, опередившими время). Характерными признаками наступления таких периодов ускорения развития (рывков, взлетов ГПФ) является долгий или короткий предшествующий период замедления (или остановки) роста ГПФ.
Кстати, такие замедления развития заметны во многих областях современной техники. Укажем лишь, на некоторые из них (Н. И. Петров. Рубежи внедрения // Серия «Техника». 1989. № 1. С. 46—52):
— расписание движения судов по Волге с 1901 по 1987 год
168
почти не изменилось, так как скорость еще в прошлом веке приблизилась к предельно возможной для данного типа судов;
—	швейная машина Э. Хоу, изобретенная 150 лет назад, производила 300 стежков в минуту. Производительность современных машин — 3—3,5 тысячи стежков в минуту, если шить ткани из натуральных волокон, для синтетики такая скорость слишком велика — игла от трения нагревается и расплавляет полимеры;
—	средняя скорость резания металла на токарных станках за 100 лет возросла с 2,8 метра в минуту до 115, но с 1965 года практически не повышается;
—	с 1965 года не растет скорость движения поездов, производительность железнодорожных перевозок увеличивается за счет увеличения массы и длины составов;
—	остановился рост к.п.д. электрогенераторов, для ТЭЦ и АЭС он составляет примерно 30 процентов;
—	по утверждению специалистов, невозможно и нецелесообразно создавать генераторы мощностью более 2,5—3 миллионов киловатт;
—	приближаются к пределу своих возможностей ЛЭП, их напряжение не может превышать 2,2—2,5 тысячи киловольт;
—	достигнут предел повышения физико-химических свойств традиционных материалов (хлопок, шерсть, кожи, металлы, сплавы, железобетон и т. д.);
—	близка к предельному уровню урожайность различных, прежде всего, зерновых культур;
—	жесткие ограничения в части интенсификации технологических процессов поставлены природой в животноводстве.
Эти и многие другие признаки замедления свидетельствуют лишь о приближении периода ускоренного развития каждой из этих областей человеческой деятельности. Трудности и противоречия будут преодолены, и новая техника, новые способы и технологии обеспечат рывок в ГПФ. Каждое увеличение ГПФ достигается за счет использования знаний, полученных в процессе развития ТС, извлеченных из запасников науки или целенаправленно (выполнение потребности) созданных «под данную задачу». С течением времени рост ГПФ замедлится и цикл повторится.
Таким образом, есть основания говорить о волнообразном развитии техники. Возможно также предположение о некоторой степени симметрии в пределах одной волны: часть законов развития техники инверсны (обращаются в свою противоположность) в разные периоды — развертывания и свертывания (рис. 43). Если это так, то снимается обсуждавшаяся когда-то в ТРИЗ проблема «столкновения законов» (увеличение ГПФ в технических системах достигается то динамизацией, то антидинамизацией, то переходом на микро-, то на макроуровень и т. д.) — использо-
169
Рис. 43. Общая схема развития ТС
вание тех или иных законов зависит от того, в каком периоде развития находится данная система (развертывание, свертывание). Причем разные уровни системы (В-ПС-ТС-НС) могут в одно и то же время находиться в различных периодах развития.
Представленная здесь волнообразная модель развития техники (разработанная в 1984 году на примере использования процессов развития ТС «тепловая труба») неожиданно для авторов нашла подтверждение в работах... экономистов. Как оказалось, подобная по смыслу модель впервые предложена в 1925 году Н. Д. Кондратьевым (Большие циклы конъюнктуры // Вопросы конъюнктуры. 1925. № 1) и была широко подхвачена за рубежом (с 20-х годов ее развивали такие известные ученые, как австриец Й. Шумпетер, американец Дж. Форрестер и др.). Автор «Теории больших циклов» в экономике был признан во всем мире выдающимся ученым, его авторитет подтверждается большим количеством ссылок на его работы, а сами циклы давно уже называются «циклами Кондратьева».
Краткая биографическая справка
Николай Дмитриевич Кондратьев родился в 1892 году, блестяще закончил церковноприходскую и церковно-учительскую школы, затем училище земледелия и садоводства, юридический факультет Петербургского университета. Увлекся экономикой. В 25 лет назначен товарищем министра продовольствия в последнем составе Временного правительства. Член партии эсеров. В 1920 году создает Конъюнктурный институт и становится его директором. Задачи института: разработка широкого круга проблем экономической теории и практики. В институте он проводит работу, приведшую к открытию больших циклов. Первое публичное выступление на эту тему в 1922 году. Опубликовал более ста работ до 1930 года. Выступает против жесткой политики индустриализации и коллективизации. В 1930 году арестован, в 1931 году на открытом заседании суда приговорен к 8 годам лишения свободы. В 1938 году накануне выхода из тюрьмы Кондратьеву зачитали второй приговор — расстрел...
Сущность теории Кондратьева1 заключается в следующем. Начиная с первой промышленной революции и до наших дней колебания в экономическом росте, в творческой и инновационной деятельности, техническом развитии укладываются в несколько больших волн или циклов. Каждая волна или цикл Кондратьева состоит из четырех фаз — восстановления, процветания, снижения и депрессии, охватывающих одновременно все параметры научно-технического развития: появление идей, предпринимательская активность, рост квалификации специалистов и т. д. В последнее время к таким параметрам относят также психологические факторы *
‘Kondratieff N D. The long wave cycle.— Transl. by Daniels Gu.— 1984. № 1.
171
(изменения в психологических установках, ценностных ориентациях, мотивации)1.
Четыре цикла Кондратьева
Циклы	I	п	ill	IV
Промышленная революция	1775—1785			
Процветание	1785—1815	1860—1873	1905—1920	1948—1970
Снижение	1815—1825	1873—1886	1920—1929	1970—1980
Депрессия	1825—1840	1886—1896	1929—1937	1980—2000
Длительность	65 лет	36 лет	32 года	52 года
Восстановление (начало след, цикла)	1840—1860	1896—1905	1937—1948	2000—...
Примечание: последняя колонка дат случайно (?) совпадает с историей возникновения и развития ТРИЗ.
В основе первого цикла развития лежали такие изобретения, как паровой двигатель и ткацкий станок. В основе второго — металлургия, железнодорожный транспорт. В основе третьего — химия, электричество, автотранспорт. Технологическая база четвертого цикла: электроника, высокомолекулярная нефтехимия, авиастроение. По мнению японского ученого Хаттори Тосио, базой пятого цикла станут керамика, полупроводники, лазерная техника, информация и связь, космические исследования. По нашему мнению, основой пятого цикла будут: биотехнология, искусственный интеллект, нанотехнология, космическая индустрия.
«Великая депрессия» 1929—1933 годов совпала с нисходящей линией третьей волны — Кондратьев предсказал этот экономический спад.
Подъем волны начинается с одного или с группы изобретений, которые появляются еще в период предыдущей волны — обычно в стадии ее спада, депрессии. Новшество натыкается на сильное противодействие. Яростное сопротивление внедрению объясняется «объективными» причинами: нет средств, сомнительная полезность для сегодняшних нужд. Часто для новшества характерна экономическая невыгодность, происходит ломка сложившейся структуры и связанных с нею личных интересов и амбиций... Однако, чем
1 Д е Грине К. Б. Длительные циклы социотехнических изменений и инноваций: макропсихологическая перспектива. J. of occupational psychology.— L., 1988, Vol. 61, pt. 1, № 1/5. P. 7—23.
172
больше сопротивление, тем больше накапливается потенциальной энергии для будущего взлета. Сопротивление среды как опора для крыла.
Первоначально новшество внедряется в одной области, начинается его массовый выпуск и связанный с ним период массового использования. При этом возрастающие потребности порождают претензии к новинке, требования увеличения ее ГПФ. Отрасль перестраивается, превращается в ведущую, предъявляет повышенные требования к смежникам и поставщикам, а те, в свою очередь, к следующим звеньям цепочки.
Де Грине К. Б. отмечает, что стадия генерирования знания (изобретений) и его практическое применение отделены временным лагом, величина которого колеблется от нескольких лет до нескольких десятилетий. По его мнению, пики появления наиболее сильных новшеств падают на 1825, 1886 и 1935 годы, то есть на годы депрессии. Это время, когда становится очевидным, что старые идеи и методы исчерпаны и нет иного выбора, кроме как поиск принципиально новых решений и подходов. Новые идеи и подходы ставят перед людьми новые цели и вселяют надежды, при этом снимается чувство тревоги и ощущение угрозы, доминирует творческий подход. Именно в этот период (например, сейчас в нашей стране) требуется ФДЦ — фонд достойных целей для развития науки и изобретательской деятельности.
Зубчанинов В. и Соловьев Н., проведя исследования патентов США 1840—1984 годов, установили1, что пик наибольшей активности в патентовании отмечен в 1880, 1930 и 1970 годах. Каждый из пиков приходится на начало длительного спада в экономике. Полученные кривые демонстрируют отсутствие зависимости изменений в объемах патентования от чрезвычайных обстоятельств, например, войн и циклических кризисов. В целом изменения количества патентов соответствуют подъемам и спадам длинных волн Н. Д. Кондратьева.
Авторы провели также сплошное исследование патентов США за 1947—1986 годы по 13 традиционным и 24 принципиально новым направлениям научной и производственной деятельности. Отмечено, что по группе принципиально новой техники сначала появляются базисные изобретения, их количество достигает максимума, затем наступает период их совершенствования, появляется много рядовых изобретений. После этого еще целое десятилетие волна поддерживается созданием новшеств по группе традиционной техники, которая все еще преобладает над новой. В пределах длинных волн существуют более короткие волны для отдельных
1 Зубчанинов В., Соловьевы. Изобретения и длинные волны // Мировая экономика и международные отношения. 1989. № 6. С. 125—132.
173
областей техники, например, в 4-й длинной волне: ионное легирование полупроводников, масспектрометрия, использование отраженных радиоволн для определения расстояния и др. Положение максимумов (минимумов) волн для таких видов техники часто совпадают, то есть явление носит «групповой характер» (подробно исследована вычислительная техника). Рассматривая главный вопрос — первопричину появления длинных волн, авторы делают следующие выводы;
—	первопричина феномена длинных волн в экономике лежит в закономерностях создания базисных изобретений (а не в динамике капвложений по теории Дж. Форрестера);
—	еще одной причиной длинных волн является истощение запаса изобретений, основанных на одних и тех же физических принципах действия; все шире разрабатываются новые идеи и принципы, внедрение которых приносит потребителю значительный техникоэкономический эффект (рост ГПФ в нашей терминологии).
Если оценить эти выводы с позиций идей, изложенных в данной работе, то станет ясно, что первопричина скрывается глубже: в росте ГПФ, в потребностях общества, во взаимодействии общества и техники, в относительном саморазвитии технических систем по волнам идеализации. Какие-то коренные свойства материального мира и индивидуально-общественного сознания обуславливают волнообразный характер их взаимодействия. Еще гениальный К. Э. Циолковский ощущал это:
«...Мы раньше проповедовали повторяемость явлений или периодичность миров, их многократное разрушение и такое же возникновение. Оно и есть, но периоды не совсем схожи, а как бы куда-то спускаются вниз, ибо дают все более сложную материю. Это можно уподобить волнистой дороге: мы то поднимаемся по ней, то опускаемся, между тем как не замечаем, что эта дорога, в общем, наклонна, то есть с исчезновением каждого периода мы стоим ниже, чем раньше. Нет конца, конечно, ни периодам (волнам), ни понижению (спуску или усложнению и уплотнению материи)».
174
175
© Фей В., 1991.
В работе В. Фея «В поисках идеального вещества» проанализировано изобретательское использование воды.
Вспомним, как развивалась ТРИЗ. Вначале Г. С. Альтшул-лером было проанализировано более сорока тысяч сильных изобретательских решений и из них выявлено сорок приемов устранения технических противоречий. Дальнейший анализ показал, что парные приемы (например, разделение-объединение) работают гораздо эффективнее. Еще эффективнее решаются изобретательские задачи, если приемы объединить с эффектами (физическими, химическими, геометрическими и т. п.). На этой базе были разработаны стандарты на решение изобретательских задач. Одновременно шла работа по выявлению законов развития технических систем. Все вместе взятое позволило создать систему стандартов, основанную на системе законов.
Знание отдельных приемов или стандартов, а тем более отдельных законов развития технических систем уже само по себе вооружает человека, решающего техническую задачу или проектирующего технику, но это знание значительно слабее, чем знание системы (приемов, стандартов, тем более законов).
В. Фей проанализировал «приключения» только одного (правда, самого распространенного на Земле) вещества. Причем ретроспективный анализ проводился опять-таки по системе: от простых приемов к сложным, затем к стандартам, и все это в соответствии с законами развития технических систем. Ценность этой работы в том, что она показывает линию развития вещества с целью удовлетворения постоянно возрастающих потребностей человека. Теперь по этой же схеме можно не только проанализировать, но и спрогнозировать развитие любого другого природного вещества. А это — уже для ваших приключений, наш читатель.
А. Селюцкий
12 Зак. 2148
ПОРТРЕТ КРУПНЫМ ПЛАНОМ
В романе А. Азимова «Космические течения» Вселенная поделена между двумя соперничающими галактическими суперимпериями Сарком и Трантром. Основу экономического и политического могущества Сарка составляет монополия на выращивание удивительного растения — кырта — и торговлю им. Кырт растет исключительно на планете Флорина. Трантр, строящий против Сарка всяческие козни, стремится нанести ущерб кыртовым плантациям Флорины.
«...Кырт не блестел сам по себе, но если спрясть его как должно, то он будет сиять на солнце любым цветом или всем спектром сразу. Другой вид обработки придавал нити алмазное сверканье. Несложная обработка делала материал непроницаемым для 600 градусов и инертным почти ко всем химическим веществам. Волокна можно было превращать в тончайшие нитки для тончайших тканей, и те же волокна обладали прочностью на растяжение, с которой не мог соперничать никакой из известных стальных сплавов.
Кырт имел более широкое, более разнообразное применение, чем любое другое известное человеку вещество. Не будь он так дорог, он мог бы заменить стекло, пластмассу или металл во всех бесчисленных областях их применения в технике. Он был единственным материалом для нитяных крестов в оптических инструментах, для изложниц гидрохронов, применяемых в гиператомных двигателях, для всех прочих сооружений — везде, где металл оказывался слишком хрупким и слишком тяжелым».
Кырт — удачная находка писателя, позволившая литературно обосновать высокий накал детективности сюжета. Существуй кырт на самом деле, он представлял бы несомненный интерес для изобретателей. Сколько производств различных материалов могло бы быть свернуто и заменено выращиванием кырта! По сути, кырт — фантастический прототип вещества мечты, вещества-способного-решать-любые-задачи. В ТРИЗ такого рода вещество принято называть идеальным.
Устройства, механизмы и машины, составляющие мир технических систем, существуют для выполнения определенных функ
178
ций. Чем меньше габариты машины, чем меньше она весит и чем меньше потребляет энергии, тем она эффективнее. Идеальной считается та машина, которая не занимает места, не имеет массы и не требует затрат энергии. Движущая сила развития всех технических систем — стремление к увеличению степени идеальности.
Любая техническая система — независимо от ее конкретной функции и структуры — осуществляет преобразование веществ, энергии и информации одного вида в потоки веществ, энергии и информации другого вида. С этой единственной общей задачей технические системы справляются по-разному. Чаще всего для трансформации потока на входе системы используется сложный агрегат, состоящий из множества узлов и деталей. Но иногда в конструкциях вместо рычагов и шестеренок, транзисторов-и микросхем работает какое-то вещество. Понятно, что во втором' случае система проще, а идеальность ее выше. Например, для температурной стабилизации магнитопровода можно развернуть хитрую электронную схему. А можно поступить ।иначе: поручить поддержание температуры самому магнитопроводу, изготовив его из стали с заданной температурой точки Кюри. При нагреве до этой температуры у магнитопровода пропадают магнитные свойства, и дальнейший рост ее прекращается. При незначительном охлаждении ниже точки Кюри магнитные свойства восстанавливаются. Вряд ли возникнет сомнение, какому из вариантов отдать предпочтение.
Думается, не будет преувеличением утверждение, что решение большинства современных изобретательских задач связано с поиском веществ, способных заменить отдельные узлы и механизмы. И очень часто неожиданное, сильное решение задачи основано на применении одного из таких веществ. Передача функций технических систем веществам — среди главных закономерностей развития техники, поэтому понятие идеальной машины, задающее цель развития, во многом тождественно понятию идеального вещества. Примеры, подтверждающие эту закономерность, постоянно накапливаются.
Взять хотя бы знакомую многим систему зажигания в автомобиле. В течение длительного периода эта система была электромеханической: валы, подшипники, контакты... Затем ей на смену пришли электронные устройства зажигания, в состав которых стали вводить даже микропроцессор. Но вот некоторое время тому назад была изобретена принципиально новая система зажигания, отличительная черта которой ...практически полное ее отсутствие. В обычную автомобильную свечу встроен пьезокристалл. Во время такта сжатия механические усилия вызывают появление на гранях кристалла электрических зарядов. Когда давление достигнет заданной величины, напряжение, генерируемое кристал
179
лом, становится достаточным, чтобы вспыхнула поджигающая топливо искра.
Решая изобретательские задачи, мы так или иначе идеализируем вещества. Порой это происходит за счет задействования ранее неиспользованных свойств вещества, как это было сделано в примере с магнитопроводом. В другой раз удается заменить исходное вещество более идеальным. Так светодиоды в циферблатах электронных часов уступили место более надежным и менее энергоемким жидким кристаллам. Случается, что ни один из этих способов не ведет к желаемому результату, и тогда приходится синтезировать новое вещество.
Попытаемся представить основные качества идеального вещества (ИВ). Мера идеальности вещества зависит от набора присущих ему свойств, которые условно можно разделить на физико-химические и структурные. Физико-химические свойства проявляются во взаимодействии ИВ с полями и остальными веществами. Структурные свойства относятся преимущественно к тактике использования богатых внутренних ресурсов ИВ (когда, к примеру, в стальной балке различают не только деталь, рассчитанную по правилам сопромата, но и проводник электрического тока, изменение величины которого зависит от приложенной к балке нагрузки).
Как правило, свойство вещества, полезное для решения одного ряда задач, в иных ситуациях оказывается вредным. Высокая химическая активность кислорода обеспечила ему разнообразное применение в технике: для интенсификации химических процессов и сварки, для очистки нефтепродуктов от загрязнений, нейтрализации выхлопных газов автомобилей и для многого другого. Но тот же кислород становится врагом, когда, проявляя жадную агрессивность, он обращает в прах миллионы тонн металла в год. Сотни тысяч специалистов, занятых антикоррозионной защитой, все растущая масса сил и средств, которую приходится отдавать борьбе с коррозией — такова плата за проживание в кислородной атмосфере. Не существует свойств абсолютно полезных или безусловно вредных. Ясно, что ИВ должно обладать совокупностью свойств и антисвойств. Желательно также иметь возможность управлять свойствами ИВ: «включать» или «отключать» их по необходимости, в широком диапазоне менять количественные характеристики.
Есть два свойства ИВ, которые, пожалуй, стоит выделить особо. Первое из них — дешевизна: ИВ достается бесплатно и всегда под руками. Какими бы замечательными качествами ни обладало вещество, его нельзя считать идеальным, если оно редко встречается или не может быть очень легко получено. Второе отличительное свойство идеального вещества — его жидкостная природа. Собственно говоря, ИВ должно существовать во всех
180
известных агрегатных состояниях, но наиболее желательно его распространение именно в виде жидкости. Требование это не произвольное: жидкость выгодна тем, что, находясь в промежуточной зоне между твердым телом и газом, она обладает частично свойствами обоих фазовых состояний вещества и сравнительно легко переходит в соседние агрегатные формы. Недаром в ТРИЗ отмечена тенденция развития рабочих органов технических систем вдоль линии «твердое тело — жидкость».
Попробуем теперь набросать портрет ИВ. Поскольку наши представления об ИВ постоянно обновляются по мере накопления знаний о законах развития техники, портрет этот не претендует на полноту отображения и представляет скорее «фоторобот».
А) Физико-химические свойства.
1.	Взаимодействие с полями.
1.1.	Хорошее взаимодействие со всеми полями.
1.2.	Полное невзаимодействие со всеми полями.
1.3.	Управляемая смена состояний «взаимодействие-невзаимодействие».
2.	Для идеального вещества характерна группировка физико-химических свойств по триадам: а) свойство, б) антисвойство и в) управляемый синтез противоположных качеств.
2.1.	Способность на длительное время «запоминать» действие поля после его исчезновения.
2.2.	Способность моментально «забывать» действие поля после его исчезновения.
2.3.	Управляемая смена состояний «память-забывчивость».
Видимо, следует объяснить, почему специально оговаривается память идеального вещества. В технических системах вещество может работать в нескольких режимах: постоянное взаимодействие с полем, переменное, периодическое (импульсное) и разовое сверхбыстрое (пиковое). При третьем и четвертом режимах вещество не нуждается в постоянном притоке управляющей энергии, оно способно довольно долго хранить ее. Это удобно по разным причинам: меньше затраты энергии, поле в период паузы может обслуживать другое вещество, само вещество-хранитель в состоянии работать вдали от источника поля. Однако в других условиях память вещества только вредит, ее пытаются устранить. Например, остаточный магнетизм лежит в основе целого класса устройств долговременной компьютерной памяти. Но для некоторых типов электрических двигателей остаточная намагниченность полюсов — эффект отрицательный, снижающий эксплуатационные показатели машин. Идеальное вещество должно запоминать или забывать действие поля только по команде (программе).
3.	Взаимодействие с веществами.
3.1.	Химическая активность в отношении любых веществ.
181
3.2.	Универсальная химическая пассивность.
3.3.	Управляемая смена состояний «активность-пассивность». Б) Структурные свойства.
4.1.	Вещество представляет из себя многоуровневую иерархию: кристаллическая решетка, группы атомов, молекулы, атомы, ионы, элементарные частицы. Вещественные структуры на каждом уровне могут независимо друг от друга выполнять полезную работу. Ввод в действие нескольких уровней вещества эквивалентен переходу к системе из нескольких механизмов (каждый микроуровень соответствует одной макросистеме). На практике редко пользуются этой возможностью, задействуя в основном один, реже два уровня. А уж большее число одновременно работающих уровней — событие. Естественно, что в идеальном веществе должны быть сразу нагружены все уровни.
Иерархичность строения вещества открывает дополнительный путь повышения идеальности.
4.2.	Уровни идеального вещества взаимодействуют между собой.
Пример взаимодействия уровней — а. с. № 553 223: нагрев цементного клинкера ведут; пропуская через сырьевую массу электрический ток (движение заряженных част/иц меняет температуру всего объема изделия).
Многие изобретательские задачи трудны оттого, что пытаются напрямую действовать на какой-либо уровень вещества, в то время как надо идти «в обход», используя выше- или нижележащие вещественные структуры.
Необходимо быстро и с высокой точностью, уравновешивать малые изменения массы на лабораторных весах. Привычная технология измерения связана с применением гирек. Чем выше требуемая точность, тем больше различных гирек в наборе. Но тщательный подбор гирек при каждом взвешивании затягивает измерение. Противоречие: для точного взвешивания нужно иметь как можно больше гирек (в пределе — бесконечно много), а для ускорения процесса измерения гирек должно быть мало (в идеале ни одной).
В патенте США № 3 590 932 предложено уравновешивать колебания массы световым потоком. По этому способу плавно и практически мгновенно электромагнитный импульс фотонов (своеобразных «микрогирек») преобразуется в механические силы, действующие на площадку весов.
Особенность этого неожиданного решения в том, что для получения энергии одного «сорта» на выходе системы на вход подается энергия иного «сорта». Взаимодействующие структуры вещества разных уровней играют роль преобразователей энергии.
Между двумя группами свойств заметно отличие. К первой группе относятся исходные, природные свойства вещества. Состав структурных свойств главным образом зависит от изобретателя,
182
его умения использовать все имеющиеся в веществе ресурсы. Тем не менее в процессе развития технических систем граница между группами свойств смещается: изменение структуры приводит к возникновению «новых» физико-химических свойств. Так, в обычных условиях многие газы нечувствительны к электрическому и магнитному полям. Но, будучи ионизированными, они начинают проводить электрический ток и отзываются на действие магнитного поля. По а. с. № 282 684 для измерения малых потоков газа их предварительно ионизируют. По значению тока ионного пучка судят о величине проходящего объема газа.
Благодаря своим свойствам ИВ приобретает ценнейшие для изобретателя качества:
— полную управляемость всех физико-химических свойств;
— неограниченный набор свойств, или, что то же самое, появление нужного свойства в заданный момент.
И уже как следствие от реализации этих качеств открывается перспектива универсального использования ИВ.
Во многом азимовский кырт похож на идеальное вещество. Но это в фантастике. А какое из знакомых нам веществ, применяемых в технике, приближается по своим свойствам к идеальному? Ответ станет очевидным, если вспомнить, что ИВ предпочтительно иметь в виде дешевой, легкодоступной жидкости. Такая жидкость на Земле только одна — вода.
Проверим вывод об идеальности воды для земной техники. Претендентом на звание идеального среди распространенных на Земле веществ немного: воздух, металлы и вода. Разберем достоинства и недостатки конкурентов.
Земная техника во многом пневматическая. Воздух содержит как инертные вещества (благородные газы), так и активные, интенсифицирующие технологические процессы (кислород, озон, фтор). Газы легко входят в соединение с другими веществами и чаще всего без труда могут быть из этих соединений извлечены.
В естественном состоянии газы или не отзывчивы к таким технологически значимым полям, как электрическое и магнитное, или слабо взаимодействуют с ними (например, парамагнитный кислород). Электромагнитный «нейтралитет» газов — серьезный минус для современной техники. Еще один серьезный недостаток: сложный и энергоемкий переход в иные фазовые состояния. Превращение газов в жидкость и особенно в твердое тело требует физических условий, как правило, «предельных» для большинства современных технических систем.
Очевидно, что воздух не «тянет» на роль идеального вещества. Металлы. Они занимают 70 процентов таблицы Менделеева.
Диапазон свойств их огромен: от очень хрупких до сверхпрочных, от сверхлегких до сверхплотных, от плавящихся при отрицательных
183
температурах до тугоплавких. Металлы бывают аморфными и радиоактивными. Еще более разнообразны сплавы металлов: сверхпластичные, сверхупругие, способные запоминать форму. Но, несмотря на богатство свойств всех металлов, каждый из них имеет ограниченный набор качеств. Это относится и к отдельным сплавам. Недаром металлы все больше заменяют композитными материалами, в некоторых из них металлическая составляющая может и вовсе отсутствовать.
Что ж, еще раз убеждаемся: в земных условиях вода — наиболее идеальное вещество.
ОДА ВОДЕ
Вода — самое распространенное в границах биосферы вещество. Встречается как в свободном, так и в связанном состояниях. Она — единственное вещество на планете, пребывающее в естественных условиях в трех агрегатных формах: в виде жидкости, газа (пара) и твердого тела (льда).
Вода — издревле — один из основных компонентов множества технических систем и процессов. Редко какая технология обходится без ее участия. Вода проводит электрический ток и тонко чувствует магнитное поле. Довольно легко меняет фазовые состояния и охотно взаимодействует с большинством веществ.
Главная особенность воды, резко отличающая ее от остальных веществ,— уникальность свойств. Почти все свойства воды — аномалии.
Наверное, самый известный парадокс воды — увеличение объема при замерзании. Вода, превращаясь в лед, увеличивает свой объем на 9 процентов. Если образование льда происходит в замкнутом объеме, то развиваются колоссальные усилия. Этот эффект используется в ледовых домкратах, установках для деформации труб, аппаратах холодной сварки металла, везде, где в малом пространстве требуется создать большое давление.
Другое необычное свойство воды — очень высокая теплоемкость. Это позволяет использовать воду как надежный аккумулятор тепла. Недавно на Аляске вступила в строй оригинальная отопительная система. Летом из-под земли выкачивают воду и нагревают ее отработанными газами дизельного двигателя. Затем воду закачивают обратно. А зимой сохранившую тепло жидкость прокачивают по трубам водяного отопления1.
Вода — исключительно емкий поглотитель газов. В единице объема воды растворяются до нескольких сот объемов некоторых
1 Химия и жизнь. 1981. № 5. С. 15.
184
газов. О свойствах растворов газов в воде — газовых гидратах — и их применении в изобретательстве читайте в работе Ю. П. Сала-матова «Подвиги на молекулярном уровне»1.
Присутствие в воде газов вызывает появление интересного эффекта — кавитации. При больших скоростях движения воды в местах сужения канала происходит бурное вскипание жидкости — выделение пузырьков растворенного газа и стремительное их схлопывание. Исчезновение пузырьков сопровождается мощным гидравлическим ударом. Кавитация разрушает гидравлическую аппаратуру, разъедает корпуса и гребные винты кораблей. В то же время кавитацию приспособили для выполнения полезной работы — для снятия заусенцев с деталей после штамповки, для очистки ответственных узлов точных механизмов от грязи.
Вода — универсальный растворитель. Считается, что в Мировом океане растворена вся периодическая таблица. Объясняется это свойство высокой диэлектрической постоянной воды. До сих пор не удалось получить абсолютно чистую воду, она обязательно содержит примеси.
Еще одно удивительное свойство воды — изменение ее физико-химических свойств под действием магнитного поля. Присутствие магнита особенно сказывается на скорости химических реакций и растворимости солей: реакции протекают быстрее и резко растет интенсивность выпадения кристаллов из пересыщенных водных растворов. И хотя объяснения этим явлениям пока не найдено, они уже используются в технике. Омагничивание воды предотвращает появление накипи на стенках котлов и труб паросиловых установок, ускоряет застывание бетона, повышает процент выхода руды при флотационном обогащении. Новые полезные эффекты от использования омагниченной воды часто неожиданны. Можно смело рекомендовать: если необходимо интенсифицировать процесс, в котором участвует вода, или улучшить его качество — вводите в систему магнитное поле.
Вода не только носитель аномалий, но и просто жидкость. И как любая жидкость она сочетает в себе противоположные качества. Например, может быть очень «нежным» инструментом, выполнять тончайшие операции.
При производстве матовых стекол возникла проблема потери ими прочности. Основная масса дефектов в образце стекла содержится на его поверхности. Дефектный поверхностный слой стекла толщиной 100—200 микрометров пытались удалить различными механическими способами, термообработкой. Но всякий раз наносились новые микротрещины, появлялись мельчайшие сколы и области
'Саламатов Ю. П. Подвиги на молекулярном уровне // Нить в лабиринте. Петрозаводск: Карелия, 1988. С. 105—107.
185
локального перегрева. Проблема исчезла, когда финишную обработку стекла доверили воде. Проточная вода не только сняла поверхностный слой, но и упрочила образцы.
И та же вода используется для более грубых манипуляций. При отделении коры от стволов деревьев применяют специальные ножи. Среди стволов редко попадаются прямые, поэтому стальные лезвия, пытаясь приспособиться к многочисленным поворотам, выступам и углублениям, ломаются. Если же беречь ножи, то ухудшается качество деревообработки и падает производительность. Явное противоречие: нож должен быть твердым, чтобы резать кору, и должен быть мягким, чтобы не ломаться. Устранили противоречие просто: кору снимают высокоскоростной водяной струей, не боящейся излома1.
Создание больших усилий в воде возможно за счет электро-гидравлического удара — скачка давления в сотни и тысячи атмосфер при мгновенном электрическом разряде в жидкости. Электрогидравлический удар упрочняет образцы, разрушает горные породы, штампует, очищает детали, используется в насосах и двигательных установках. Наиболее полное описание этого явления и его многочисленных приложений в технике — в книге первооткрывателя Л. А. Юткина1 2. Еще больших величин давления — миллионы атмосфер — получают, направив в воду луч мощного лазера.
Как видите, природная вода по своим свойствам приближается к идеальному веществу. Еще раз перечислим эти свойства:
—	вода — самая дешевая жидкость;
—	взаимодействует со всеми полями (свойство 1.1);
—	в виде пара и льда не взаимодействует с некоторыми полями, например, с электрическим и магнитным (свойство 1.2);
—	сравнительно легко изменяет агрегатное состояние, что позволяет управлять свойствами 1.1 и 1.2;
—	способна длительно сохранять эффект от кратковременного действия поля (магнитное поле включается на доли секунды, а вода меняет свое состояние на несколько часов; вязкость талой воды становится обычной через несколько дней после плавления льда) (свойство 2.1);
—	химически взаимодействует со всеми веществами (правда, с существенно различной скоростью) (свойство 3.1);
—	в виде льда значительно менее химически активна (свойство 3.2);
—	переводом воды в различные фазовые состояния можно управлять ее химической активностью (свойство 3.3).
1 Изобретатель и рационализатор. 1984. № 10. С. 21.
2 Юткин Л. А. Электрогидравлический эффект и его применение в промышленности. Л.: Машиностроение, 1986.
186
Объем этой работы не вмещает описания всех известных свойств воды. Об удивительной жидкости написаны сотни книг и статей, читателям хочется порекомендовать работы научно обстоятельные и доступные неспециалистам по уровню изложения1.
Многообразные свойства воды обеспечили ей широчайшее применение в технике. Трудно перечислить все «специальности», которые освоены водой. Вот лишь некоторые из них:
—	транспортировка веществ, машин, агрегатов;
—	использование в качестве строительного материала;
—	передача усилий на расстояние;
—	создание больших давлений;
—	охлаждение;
—	теплозащита;
—	участие в качестве промежуточного и основного реагента в химических технологиях;
—	растворение веществ;
—	получение водорода и кислорода.
Список этот легко продолжить, ведь круг использования воды непрерывно расширяется. Среди применяемых в технике веществ вода единственно универсальна.
Еще более заманчиво будущее воды, когда начнут применяться пока не используемые ее свойства, а также те, которые предсказываются теоретически.
Из всех известных жидкостей только ртуть имеет коэффициент поверхностного натяжения выше, чем вода. Расчеты показывают, что для разрыва столбика идеально чистой воды в 2,5 сантиметра следовало бы приложить усилие в 95 тонн. Абсолютно чистая вода не закипит, если даже нагреть ее на несколько десятков градусов выше температуры кипения, и не замерзнет при температурах ниже нуля. Герой романа В. Шефнера «Девушка у обрыва» Андрей Светочев изобрел единый универсальный материал на основе воды — аквалид, из которого можно производить все нужные человеку предметы, машины и сооружения. И если когда-либо удастся получить воду без малейших примесей, аквалид, скорее всего, станет реальностью: заменит сталь, многие конструкционные материалы.
По традиции в технике пользуются обычной водой (Н2О), забывая, что атомы водорода и кислорода имеют изотопы. Известны три сравнительно стабильных изотопа водорода и столько же — кислорода. Вместе они образуют уже восемнадцать изотопических
1 Габуда С. П. Связанная вода. Факты и гипотезы. Новосибирск: Наука, Сибирское отделение, 1982.
Дер п гол ьц В. Ф. Мир воды. Л.: Недра, 1979.
Синюков В. В. Вода известная и неизвестная. М.: Знание, 1987.
Фрадкин Б. 3. Белые пятна безбрежного океана.— М.: Знание, 1976.
187
разновидностей воды и среди них тяжелую воду. Каждый изотоп имеет собственный набор физико-химических свойств, а все изотопы сильно обогащают творческую палитру изобретателя, работающего с водой. Более того, вода не только та жидкость, к которой мы привыкли, но и целый «клан» родственных ей веществ и образований, перекись водорода Н2О2, перегидроксил НО2, заряженная молекула обычной воды Н2О4", гидрооксоний Н3О4", экситон Н2О-, гидроксил моногидрат Н3О2, поливодород Н2О3, гиперводород Н2О4, а также ион кислорода О-, ион водорода Н+, гидроксил ОН-. При определенных условиях все эти формы воды переходят друг в друга, и, видимо, практически нет такой задачи, которое это «семейство» водоподобных соединений не смогло бы одолеть.
Не менее привлекательны свойства твердой воды — льда. Сейчас известны (получены) семь разновидностей льда, различающихся условиями образования (давлением и температурой). Если со свойствами льда I (того, что нарастает на морозильных камерах холодильников) знакомы все, то остальные модификации льда известны в основном специалистам. Льды II и III тонут в воде. Лед V, возникающий при давлении в 500 мегапаскалей, не тает при 0°С. Ну, а лед VII плавится при температуре выше 190°С и появляется при давлении 3 гига-паскаля. Считается, что этот лед служит причиной катастроф, случающихся иногда на электростанциях. В подшипниках гидротурбин возникает огромное давление, которое может превратить частичку воды, попавшей в смазку, в лед VII. Сверхтвердый, он крошит вал турбины и подшипник.
Таковы некоторые свойства льдов, образующихся из обычной воды. Почти ни одно из них в современной технике не используется, хотя перспективы здесь открываются интереснейшие.
ДЕБЮТ
Вода — сильный инструмент изобретателя. Знание только одного этого положения укрепляет творческие позиции новатора, но явно недостаточно для эффективного использования воды при решении изобретательских задач. Нельзя же посадить человека за руль автомобиля и требовать от него уверенной езды, не разъяснив ему предварительно назначение рычагов и кнопок и не познакомив с Правилами дорожного движения. У воды также есть свои «рычаги» и «кнопки», умело обращаясь с которыми, можно добиться максимального к.п.д. использования жидкости. Нужна методика, программа изобретательского использования воды. С позиций ТРИЗ видны два подхода к построению такой методики.
Во-первых, можно установить основные области применения воды в технике. Но это работа без конца — сфера использования
188
воды поистине гигантская, меняющаяся, охватить ее доступно лишь в самых общих чертах. А если принимать во внимание все проникающую экспансию воды в еще неосвоенные области, то надо настроиться на приблизительность создаваемой картины. И, кроме того, даже если удастся составить относительно полный список «профессий» воды, польза от него будет не очень велика. Перечень возможных применений воды не сработает в нестандартной ситуации. Предположим, требуется получить какое-то действие, и хорошо бы для этого использовать воду. Но в списке такого пункта нет...— и возможное удачное решение задачи отменяется.
Другой путь построения методики ведет к гибкому алгоритму. Вода — большая физико-химическая аномалия, чем и знаменита. Но в мире технических систем вода подчиняется единым для всех веществ законам развития. Раз так, логично на примере воды попытаться выявить общие закономерности эволюции веществ в технических системах'. Трудно подобрать более удобное для такого исследования вещество: каждый из нас сталкивался с водой в отличие, скажем, от 1,11-дихлор-3,6,9-трисаундекана или другого столь же знакомого рядовому читателю соединения. Понимать закономерности выгоднее, чем иметь таблицу, даже самую подробную. Выведенная из опыта закономерность обращена в будущее, в то время как таблица всегда в прошлом.
Ясно, что предпочтительнее второй путь — он ведет к инструментальным обобщениям и новым гипотезам. Результатом исследования должна стать программа использования любого вещества в технических системах.
Итак, рассмотрим эволюцию воды в технических системах. Будем считать, что любая техническая система — одно вещество. Такая трансформация системы правомерна в рамках ТРИЗ.
В науке принято иметь дело не с самими природными объектами, а с их моделями, отражающими наиболее существенные для данной теории признаки объекта. Например, для геометра имеют значение только высота пирамиды Хеопса и длина ее основания (по ним вычисляют ее объем), и для его науки все равно, из какого материала она построена, кем и когда. ТРИЗ оперирует моделями технических систем. Все технические системы собраны из веществ и полей. Минимальная модель технической системы — два взаимодействующих между собой вещества Bi и В2 (обычно инструмент и изделие) и энергия взаимодействия — поле П:
1 Идея проведения такой работы предложена Г. С. Альтшуллером.
189
Такая модель называется веполь. Если в задаче дан «осколок» веполя — или только одно вещество, или вещество и поле, его достраивают до полного веполя. Раздел ТРИЗ, изучающий свойства веполей, называется вепольным анализом. Веществом в веполе может быть любая техническая система независимо от степени ее сложности. Подробно о веполях можно узнать в книге Г. С. Альт-ш ул л ер а «Найти идею»1.
Должно появиться второе вещество В2, в задачу которого входит управление поведением (свойствами) первого вещества ВР В нашем случае второе вещество — вода. Поля нас пока не интересуют.
в 1 ==^> в -------------Вода
Вода выполняет несколько функций:
1)	Образует с первым веществом систему, в которой у него (или у системы в целом) появляется новое (нужное) качество.
Многие современные корабли оборудованы специальными помещениями для проведения неотложных хирургических операций. В спокойную погоду хирург не ощущает разницы между кораблем и стационаром на суше. Он продолжает нормально работать и при незначительном волнении, с которым справляются бортовые успокоители качки. Но если операцию приходится делать в шторм, когда крен корабля в одну сторону составляет 20—25 градусов, от врача требуется ловкость эквилибриста на канате. Практически, больной остается без помощи. Различного рода компенсирующие качку подвески сложны и не вполне надежны. В а. с. № 957 900 предложено устанавливать корабельную операционную на понтон, плавающий в камере с водой. Операционная-поплавок сохранит неизменное положение в пространстве.
Задача 1. Представьте себе трубу длиной в несколько десятков метров и диаметром с туннель метрополитена, разделенную перегородками. Приблизительно так выглядят балластные танки кораблей. Для их ремонта возводят громоздкие «леса» — наподобие тех, что облепляют здание во время реставрации. Как удешевить и упростить это вспомогательное оборудование?
Идеальное решение: рабочий сам, без «лесов», перемещается в нужную зону танка. Помните, как Винни-Пух пытался полакомиться медом с высокого дуба? Медвежонок не стал карабкаться по дереву, не приставил к нему лестницу, а ухватился за воздушный шар, который и вознес его к самой верхушке. Забавная была бы сцена: рабочие, повиснув на разноцветных шарах, ведут ремонт!.. Жаль, но в корабельном танке шару не разместиться. Но
1 Альтшуллер Г. С. Найти идею. Новосибирск: Наука, Сибирское отделение, 1986. С. 73 и далее.
190
что такое шар? — Воздушный поплавок. А что мешает использовать обычный поплавок? На Ильичевском судоремонтном заводе обработку балластных танков ведут так: заполняют танки водой до нужного уровня и пускают по ней плоты с мастерами и инструментами.
2)	Вода нейтрализует вредное свойство В,.
Сборку длинномерных конструкций, например, вертикальных колонн химического производства выполняют на земле. После завершения монтажа колонну устанавливают в рабочее положение: ближе к будущему верху колонны надевают хомут, за который цепляют крюк крана, при подъеме колонна опирается на свою нижнюю часть. Способ пригоден для сборки прочных стальных конструкций. Но если конструкция тонкостенная или изготовлена из хрупкого материала (например, из стекла), велика опасность поломки ее внизу, там, где сосредоточен вес всего сооружения. Имеется а. с. № 583 975, по которому подъем аппарата нехрупкого материала осуществляют одновременно с опусканием его нижней части. Способ сложный и ненадежный.
Задача безаварийного подъема решена в а. с. № 1 092 139.- Сборка происходит в сухом бассейне. После окончания монтажных операций конструкцию герметизируют и наполняют бассейн водой. Конструкция всплывает. Затем повторяются стандартные процедуры: надевают хомут и проводят подъем частично облегченного изделия.
Другой пример — патент Англии № 1 340 121. Глушения шума двигателя внутреннего сгорания добиваются, впрыскивая в отработанные газы в высокотемпературной зоне воду. Шум снижается из-за уменьшения температуры и повышения парциального давления газового потока в смеси.
Необычное применение воды в, казалось бы, отработанной системе — в японской заявке № 62-33983. При автомобильных авариях руль — один из главных источников травматизма. Предложено изготовлять руль из двухслойной пластмассовой оболочки, заполненной водой. При ударе вода вытечет из отверстия, закрытого пробкой, и руль потеряет жесткость.
3)	Вода защищает В2 от действия внешней среды.
Чтобы в открытом трюме баржи не замерзал сыпучий груз, его покрывают «одеялом» из забортной воды, которую прокачивают насосами (а. с. № 1 189 732).
Еще пример. В результате катастроф танкеров огромные поверхности морей загрязняются нефтью. Оригинальная идея защиты морей принадлежит шведским инженерам. Сверху донизу вдоль стенок грузового танка навешивают толстые резиновые или пластмассовые листы. Сначала в танк наливают немного воды, а затем нефть. Под тяжестью нефти вода выдавливается в прост-
191
ранство между листами и стенкой, образуя водяной пояс. Теперь, если в корпусе танкера образуется пробоина, вода не выливается наружу, ее уровень лишь несколько падает — до уровня моря. Нефть остается в трюме1.
4)	Вода индицирует ВР
Во многих отраслях техники получил распространение эффект поглощения водорода металлами. Зачастую необходимо измерить концентрацию растворенного в металле газа. Для этого образец металла нагревают в вакуумной камере и выделившийся водород фиксируют специальными аналитическими приборами, что сложно. Пробуют измерять объем водорода прямыми методами, но и здесь требуется непростая контрольная аппаратура.
Остроумное решение найдено в а. с. № 798 030. На поверхность исследуемого образца металла наносят слой воды и покрывают образец полированной пластиной. Получившийся «сэндвич» нагревают. Водород, выделяющийся^ из образца, вытесняет воду из-под пластины. Жидкость испаряется и тем самым уменьшает вес всей системы. А изменение веса легко определяется недорогими лабораторными весами.
5)	Пара Bj — В2 уже существует, вода заменяет В2 как более эффективное или дешевое средство.
Традиционный окислитель в твердотопливных реактивных двигателях, использующих металлическое горючее,— кислород. Однако возить его с собой не всегда удобно и экономически оправдано, например, в подводных аппаратах. Для окисления топлива можно использовать забортную воду, у которой легкие металлы (алюминий, магний) без труда отнимают атомы кислорода. Применение реагирующих с водой легкометаллических видов топлива позволяет создать двигатели для подводных аппаратов, развивающих скорость свыше 150—170 километров в час, недостижимую для гребного винта1 2.
Задача 2. При окраске изделий стенки окрасочной камеры покрываются толстым слоем краски. Счищать засохшую краску со стенок — занятие очень утомительное, и вдобавок оборудование в это время простаивает. Как быть?
Противоречие здесь на виду: стенка должна быть, чтобы защищать внешнее пространство от попадания краски, и стенки не должно быть, чтобы краска к ней не прилипала. Решение очевидно: стенка должна стать динамичной, меняющейся.
Контрольный ответ: стенка окрасочной камеры выполнена в виде водяной завесы (а. с. № 1 024 117).
А вот задача для самостоятельного решения.
1 Химия и жизнь. 1984. № 3. С. 21.
2 Химия и жизнь. 1983. № 12. С. 80—83.
192
Задача 3. Существует интересный аттракцион. В середине бассейна, в котором среди подводной флоры плавают диковинные морские животные, проходит широкая вертикальная труба из прозрачного материала. В трубе на спуско-подъем ном механизме укреплена лодка. Зрители располагаются в лодке, и она начинает опускаться, вращаясь. У аттракциона два недостатка: громоздкий привод перемещения и вращения и заданность, неизменность траектории осмотра, снижающая эффект зрительского восприятия. Как избавить аттракцион от этих недостатков?
Решение — а. с. № 749 935.
Вода появляется в системе не только в образе жидкости, но и как пар или лед. Так, в а. с. № 593 684 уничтожение вредителей почвы ведут острым паром. Другой пример — а. с. № 561 067: способ охлаждения воздуха путем непосредственного контакта его с охлаждающей водой, отличающийся тем, что с целью повышения экономичности и сохранения расхода охлаждающей воды воздух перед его контактом с водой предварительно насыщают водяным паром.
Несколько примеров введения в систему льда.
А. с. № 1 189 652: пространство внутри кольцевого сверла заполнено льдом, тая, он охлаждает инструмент.
Отходы промышленных предприятий, городской мусор сбрасывают в особые котлованы. Большинство отходов ядовиты. Вместе с дождевой и талой водой они просачиваются сквозь стенки котлована и, смешиваясь с грунтовыми водами, грозят проникнуть в систему коммунального водоснабжения. Пробовали оградить стенки котлована от ядовитого раствора экранами, но низкая надежность способа заставила от него отказаться: жидкие химикаты просачиваются сквозь малейшие щели, неплотности в стыках между экранами. Лучше всего прилегает к стенкам и ко дну котлована обычная полиэтиленовая пленка. Но она непрочная и моментально рвется под колесами грузовиков и гусеницами бульдозеров.
Ситуация напоминает пример с танкером, только вместо нефти — отходы, а вместо корпуса корабля — пленка. И решение — аналогичное. Поверх пленки наносят слой льда, который сверху засыпают слоем земли. Грузовики и бульдозеры спокойно заезжают в котлован. Ледовый щит держится всю зиму, а весной тает — он уже не нужен (а. с. № 1 191 506).
Задача 4. При электрохимической обработке электрод-инструмент в точности повторяет форму детали. Если деталь имеет простые контуры (прямоугольник, дуга окружности и т. д.), изготовление электрода-инструмента не составляет проблемы. Но встречаются детали сложных форм, которые не просто повторить в инструменте. Приходится делать электрод-инструмент вручную, а это дорого.
Воспроизвести форму детали можно было бы за счет литья: жидкий металл электрода-инструмента обволакивает деталь, застывает и образует точный слепок. Электрод-инструмент не обязательно должен быть металлическим, так что вопрос его отделения от детали не стойт. Ситуация
13 Зак. 2148
193
осложняется тем, что электрод-инструмент должен отстоять от детали (каждой точкой своей поверхности) на строго определенном расстоянии. Это условие не соблюдается при литье для некоторых видов кривых (например, для эллипса). Как быть?
Материал электрода-инструмента необходимо нанести на промежуточное вещество, покрывающее деталь, толщина которого соответствует межэлектродному зазору. После этого вещество следует удалить. Таков в общем виде план решения. Ответ на задачу — а. с. № 768 687. Деталь охлаждают до отрицательной температуры и погружают в объем с предварительно охлажденной водой, где выдерживают в течение нескольких минут до намораживания слоя льда заданной толщины. Затем деталь вынимают из воды и помещают в разъемную оправку, которую заполняют полиуретановой композицией с токопроводящим наполнителем. После затвердевания токопроводящего состава оправку нагревают до комнатной температуры, лед тает — инструмент готов.
Своеобразное применение льда в качестве реле времени предложено в патенте США № 4 325 230. Многие любители коктейлей предпочитают пить их охлажденными. Для этого в смесь опускают кусочек льда. Порой бывает трудно уследить за моментом полного таяния льдинки. Согласно патенту, вместо льдинки употребляют полиэтиленовый кубик с замороженной водой, внутрь которого помещена контрастно окрашенная пластинка-знак. В бокал кубик опускают знаком вверх. Как только лед растает, пластинка опустится на дно бокала, подавая сигнал об окончании охлаждения коктейля.
ГЛАВНАЯ РОЛЬ
Техническая система, присоединив к себе воду, обрела новое качество. Что дальше? Очевидно, следует ожидать, что вода будет усиливать свое влияние в системе. Возрастание роли воды происходит двояко. Прежде всего путем нарастания взаимодействия между элементами пары <Bj — вода». Вначале это взаимодействие носит главным образом механический характер, при котором вода выступает просто как некий объем вещества. Затем в действие втягиваются более тонкие свойства вещества, растет взаимовлияние Bi и воды, намечается их превращение в единую монолитную систему:
В -J------ Вода -------> В1	► Вода
(Здесь и далее вепольная символика может отличаться от канонической.)
Если в жидкое топливо попадает свыше 10 процентов воды, пользоваться им затруднительно. При повышении доли воды в горю
194
чем до 40—50 процентов оно перестает воспламеняться. И это никого не удивляет. Однако не так давно изобретен способ интенсификации горения топлива, суть которого как раз и заключается в перемешивании горючего с водой. Правда, в перемешивании не обычном (по типу «стакан воды на литр бензина»), а эмульсионном. Оказывается, водотопливная эмульсия с содержанием воды до 50 процентов горит ничуть не хуже чистого топлива.
Секрет эффективности эмульгированного обводненного топлива в физическом взаимодействии между мельчайшими капельками воды и окружающим их горючим. При сжигании топлива капельки воды взрываются и дополнительно перемешивают горючее и кислород. Если добавить воду к твердому топливу, к примеру, приготовить водоугольную суспензию, то сгорание будет почти полным. Тут добавочный эффект возникает от присутствия пара, играющего роль дополнительного окислителя (одно из применений — в а. с. № 1 428 764).
Создается впечатление, что воде доступно решение любых задач, даже тех, для которых она вроде «с рождения» и не предназначена. Судите сами: «мягкая» вода снимает кору с деревьев, вода-пламегаситель улучшает процесс горения. Вода поистине универсальный ключ ко многим проблемам. Надо только научиться умело обращаться с ним.
Другой пример. Широко популярны аэрозольные косметические препараты. Между тем рабочее вещество аэрозольных баллончиков, накапливаясь в атмосфере, связывает молекулы озона в верхних ее слоях, уменьшая толщину озонового слоя. Чтобы избавиться от побочного действия легких газов, придуманы косметические средства, работающие на новом принципе. Гидрофобные окислы смешивают с водой. Образуется суспензия, которую либо пропускают через узкую щель или сопло, либо втирают в кожу. Капельки сливаются в кремообразную массу1.
Задача 5. Тюбик с зубной пастой — надежное и гигиеничное средство для ухода за полостью рта. Но, надо признать, не всегда удобное. Бывает так, что, отправляясь на пару дней в турпоход или в короткую командировку, ищешь свободное место в туго набитом рюкзаке или портфеле для тюбика пасты. Известны, конечно, и препараты помельче — порошки или таблетки для чистки зубов. Только и у них есть изъян — они не образуют однородной массы. При пользовании ими возникает пена, и создается неприятное ощущение пустоты. Хорошо бы, сохранив таблетки, придать им «тактильные» свойства паст. Проблема, конечно, не глобальная, но все же — как этого добиться?
Догадаться несложно: нужно добавить к порошку вещество, которое при взаимодействии с водой образует пасту. Выбор пасто
1 Изобретатель и рационализатор. 1983. № 5. С. 36.
195
образующих веществ достаточно велик, но прямое их использование связано с усложнением системы. Поэтому авторы изобретения № 955 926, компенсируя частичную потерю идеальности, наделили эти вещества дополнительным полезным свойством. В таблетки вводятся чувствительные к воде витамины или энзимы, обладающие лечебным эффектом.
И еще вопрос: где взять воду для получения пасты? Если зубные таблетки применяются в обычных жилищных условиях, то из крана. А если, допустим, дело происходит в пустыне, где каждая капля воды — драгоценность, как быть тогда?. Надо устранить противоречие: вода должна быть для образования пасты и ее — с целью экономии — быть не должно. Предложено использовать воду, которая уже есть в системе, попросту говоря — слюну. При увлажнении во рту таблетки превращаются в пасту.
В последних двух примерах взаимодействие воды и других веществ выражено очень сильно. Следующий шаг — предельное взаимодействие, когда образуется новое вещество, химическое соединение:
В1	----- Вода ==^> В 1 • Вода
Пример. С противопожарными целями металлические колонны зданий заполняют водой с антикоррозийными свойствами1. А вот другой способ защиты от огня. Фирма «Дюпон» изобрела новый тип огнестойкой мягкой мебели. Между поролоновой подушкой дивана или кресла помещают тонкую прокладку из особого ячеистого пластика. При нагревании пластик разлагается и выделяет воду, которая входит в его состав. Фирма не раскрыла формулу материала, но, предположительно, им может быть тригидрат окиси алюминия А1г • О3ЗН2О1 2.
Задача 6. После долгого плавания подводная часть кораблей покрывается пористой, но твердой коркой из водорослей и балянуса (мелких морских животных). Удаление обрастаний производится механическими и термическими методами, очень трудоемкими и непроизводительными. Во время чистки, длящейся многие дни, корабль стоит в сухом доке, что ведет к ощутимым финансовым потерям. Нужен простой, дешевый способ очистки днища судна от обрастаний.
Механическое и тепловое поля не справляются с задачей, значит, имеет смысл попробовать химическое воздействие. Необходимо, чтобы молекулы какого-нибудь вещества отрывали корку от корпуса. Непосредственная химическая обработка корки скорее всего затруднительна: у корки сложный и непостоянный состав. Гораздо
1 Изобретатель и рационализатор. 1975. № 8. С. 25.
2 Химия и жизнь. 1978. № 6. С. 61.
196
проще иметь дело с корпусом корабля. Достаточно убрать тончайший слой металла, к которому приросла корка, как она сама отпадет. Нужен растворитель металла, одно из главных требований к которому — низкая стоимость (ведь расход его предполагается большой). Желательно использовать вещество, которое уже есть в наличии. Единственное такое вещество — морская вода.
К подводной части корпуса подводится на расстояние 5—10 сантиметров катод из нержавеющей стали. Включается ток. Морская вода — электролит — проникает в поры корки и через мельчайшие трещины в краске и растворяет сталь корпуса-анода. Время чистки днища сокращается в сотни раз и, к тому же, появляется возможность очищать корабль прямо на ходу1.
Некоторые из приводимых решений, видимо, представляются очевидными и вызывают недоумение: все так просто и понятно, стоит ли об этом отдельно упоминать? Стоит. Поразительно: задача о борьбе с обрастаниями могла быть решена по меньшей мере век назад — море уже плескалось вокруг стальных корпусов кораблей и было известно, что оно электролит...
Взаимодействие между веществами в паре <Bj — вода» усиливается их дроблением. Так, а. с. № 1 070 211 выдано на способ оксидирования стальных изделий, «отличающийся тем, что с целью повышения коррозионной стойкости покрытия, его сплошности и пластичности, а также интенсификации процесса, оксидирование проводят термически диссоциированным паром».
Теперь обратимся ко второму варианту усиления роли воды. Здесь вода полностью заменяет исходную систему, целиком берет на себя ее функции:
В ----•---Вода — Вода
В а. с. № 1 146 360 предложен непотопляемый танкер, корпус которого выполнен в виде каркаса, заполненного льдом. Полный переход ко льду совершен в проекте по а. с. № 1 155 672: буровая вышка и комплекс бурового оборудования располагаются на огромной (со стороной 500 метров) ледовой платформе.
В условиях вечной мерзлоты сооружения строят на свайном фундаменте: в грунте проделывают скважины и опускают в них готовые бетонные или железобетонные сваи. Такой способ возведения зданий нуждается в источнике предварительно изготовленных свай. Но возить сваи издалека дорого, а иметь местный завод по их выпуску не всегда выгодно. В патенте Франции № 1 339 485 предлагается изготавливать сваи непосредственно в грунте: в сква
1 Электронная обработка материалов. 1983. № 1. С. 88—89.
197
жину кладут мешок из гибкого материала и заполняют его бетоном. Способ производительный, однако связан со значительным расходом бетона, необходимостью приобретать оборудование для его формовки и уплотнения. Для сваи, защищенной а. с. № 755 947, дорогой наполнитель не нужен, в дело идет один из его технологических ингридиентов. Тот же мешок заполняют водой, которая отлично передает давление сооружения на грунт и даже укрепляет почву.
При переходе к технической системе, состоящей только из воды, меняется физический принцип работы системы, начинают использоваться какие-то иные свойства жидкости.
С изобретением металлорежущего инструмента возникла проблема его износа. Чтобы хоть как-то замедлить износ, с давних времен применяют охлаждение резцов. Основу многих смазочноохлаждающих жидкостей (СОЖ) составляет вода. Однако в последние десятилетия резко возросли скорости металлообработки, и СОЖ не успевает отводить бурно выделяющееся при резании тепло. Один из возможных методов борьбы с износом инструмента состоит в отказе от резца и замене его водяной струей, бьющей под давлением в несколько тысяч атмосфер. Под таким напором металл становится податливым. Водяной резец снимает стружку быстрее традиционного и не нуждается в охлаждении, не изнашивается.
Как в каждом конкретном случае вода вытесняет собою сложную, состоящую из двух веществ систему? Тут один из наиболее важных моментов эволюции воды (и любого другого вещества) в технических системах. Пока не найден четкий ответ на этот вопрос, хотя определенная логика перехода просматривается.
Тщательнее проанализируем предыдущий пример. Резец умеет обрабатывать металл, но не может охлаждаться. Струйка СОЖ отбирает у резца излишек теплоты, но не способна резать металл. Очевидно, что для полного замещения всей системы «резец — СОЖ» вода должна обладать противоположными свойствами, по отдельности присущими обоим веществам,— резцовой пластине и охлаждающей жидкости. Иначе говоря, нужна «особая», твердожидкая вода. Замечаете, какой своеобразный ход проделывает эволюция? Вещество Bj обладает свойством Сь но нуждается в свойстве С2. Это свойство есть у воды, которая и вводится в систему. Но уже на следующем этапе развития от воды требуются оба свойства — и Си и С2, причем иногда они противоположны (С! = = — С2). «Особость» воды создается главным образом двумя приемами: введением новых полей (в нашем примере — поля сверхвысокого давления, «отвердившего» воду) или использованием фазовых переходов, при которых проявляются противоположные свойства.
Как вы помните, вода, смешанная с бензином, улучшает про
198
цесс горения. Попытаемся сделать следующий ход и представим двигатель, работающий на чистой воде. Будто бы проблем здесь не видно: достаточно — в принципе — установить на тележку водометный насос и можно кататься. В действительности же не все так просто. Любая система находится в окружении других систем — входит в надсистему. Топливо является элементом надсистемы «двигатель», а двигатель, в свою очередь, входит в надсистему «ходовая часть автомобиля». Желательно, чтобы надсистема не «заметила» изменений, которые произошли в одной из ее подсистем. Реально изменения в подсистеме обязательно затрагивают надсистему, вызывая в ней какие-нибудь сдвиги. Только надо стремиться к тому, чтобы сдвиги эти были минимальными. В противном случае образуется волна изменений, которая пройдет вдоль всей цепочки надсистем — общий сдвиг окажется чрезмерно большим, решение локальной задачи обойдется непомерно дорого.
С вепольных позиций это означает, что надо сохранить поле на выходе системы:
Запись надо понимать так: под действием поля вещество системы Вс через поле П2 взаимодействует с веществом надсистемы Внс. Поскольку мы договорились заменить ВС1 остается подобрать такое поле Пь которое в паре с Вс создаст поле на выходе— П2.
Идеально было бы залить в двигатель внутреннего сгорания обычную воду и запустить его. Для этого вода должна вести себя, как и бензин в цилиндре — расширяться или взрываться. Полей, способных ощутимо изменить объем воды немного: тепловое и электром агнитное.
Недавно промелькнуло сообщение об автомобильном двигателе, в котором вода полностью вытеснила горючее1. Используется механическая энергия, возникающая при переходе воды в лед. Предполагается устанавливать ледовые двигатели на автомобили для Севера (как экологически безопасные).
Водные двигатели, в которых используется электропитание, называются инерционно-пульсирующими. В них взрывная волна, возникающая от электроразряда в объеме воды, давит на массивный щит (поршень), кинематически связанный с колесами транспортной системы (а. с. № 761 349, а. с. № 1 022 856).
Один из вариантов получения с помощью воды механической энергии разрабатывается специалистами НАСА. Килограмм
1 Юный техник. 1989. № 1. С. 46.
199
груза, доставляемый на орбиту «Шаттлом», обходится в 9 тысяч долларов. Для снижения издержек предложен принципиально новый тип ракетного двигателя. На Земле устанавливается мощный лазер, луч которого испаряет порции автоматически подаваемого к дюзам льда. Образующиеся при этом пары создают реактивную тягу. По расчетам, стоимость транспортировки грузов на околоземную орбиту снижается в сотни раз1.
Таким образом, следует слегка подправить формулу перехода от пары «В| — вода» к чистой воде:
В --------Вода ===>> Вода0
(Значок «о» символизирует «особое» состояние воды.)
НА НОВОМ ВИТКЕ
После выделения воды в самостоятельную систему у нее появляются те же проблемы, какие до того стояли перед Вр чтобы развиваться, решать новые задачи, она должна приобрести новые свойства. Кажется, что проще всего повторить историю В! — войти в «союз» с другим веществом, имеющим нужные свойства. Однако добавление нового элемента в систему ведет к ее усложнению, снижению степени идеальности. Налицо противоречие: для дальнейшего развития к воде нужно присоединить другое вещество и присоединить его нельзя, чтобы не усложнить систему. Выясним, как в процессе эволюции преодолевается это противоречие. (Такая же конфликтная ситуация появляется при добавлении воды к Вь но она не рассматривалась ради сохранения простоты рассуждений. Все этапы, которые вода проходит при разрешении конфликта, свойственны и Вк)
Введение добавки в вещество (будь то В! или вода) на языке ТРИЗ называется выходом в надсистему. Исчерпав ресурсы развития, различные системы объединяются, образуя надсистему. Простейший переход в надсистему — создание системы из двух элементов (бисистемы). Пара «В! — вода» — типичная бисистема. При объединении нескольких одинарных систем (моносистем) возникает полисистема. (О механизмах развития систем вдоль линии «моно-би-поли» см.: Г. А. Альтшуллер «Найти идею», стр. 89—102.)
Образование бисистемы веществ начинается с разделения единого объема воды на две части. Каждая часть имеет отличные от другой параметры (скорость, температуру, давление и т. д.). Совместное действие частей дает желаемый результат:
1 Техника — молодежи. 1990. № 11. С. 9.
200
Туннель для регулирования сброса воды из водохранилищ — труба, которую перекрывает подвижный металлический щит затвора. Вода, приобретшая под затвором большую скорость, закручивает с его тыльной стороны турбулентный поток, который, сотрясая щит, выводит затвор из строя. Для предотвращения вредных вибраций высоту туннеля со стороны сброса делают больше. И тогда ускоренная под щитом струя не может закрутить верхние слои — их нет. Но выигрыш в одном влечет проигрыш в другом. Вода за шитом, несущаяся с высокой скоростью, благодаря пониженному давлению всасывает воздух, кавитационно закипает и разрушает стенки туннеля1.
Бороться с кавитацией заставляют саму воду. Поток воды перед затвором завихряют (под углом к оси потока ставят плоские барьеры), и цетробежная сила прижимает ее к стенкам. Давление слоев воды около стенок (одна часть объема) повышается, и кавитационный эффект не наступает. Кавитация происходит только в центре потока (вторая часть объема воды), где она безопасна.
Расслоение воды при действии центробежной силы использовано и в другом изобретении. Устойчивость пород и почв к водной эрозии определяют, омывая их водой с равномерно нарастающей скоростью. Если диапазон изучаемых скоростей велик, измерения затягиваются. Можно омывать образцы пород сразу несколькими струями, имеющими различную скорость, но тогда пропорционально возрастут затраты оборудования. Решение содержится в а. с. № 1 360 602. Исследуемый образец кладут на дно сосуда и заливают водой. Затем сосуд раскручивают, и слои вращающейся вместе с ним воды приобретают вдоль радиуса разную скорость. Размыв фиксируют реперными шпильками, размещенными в образце.
Следующий этап развития — увеличение различия между элементами бисистемы. Проявляется этот процесс в выходе за пределы одного объема воды: во взаимодействие вступают два различных объема жидкости:
(Вода0------ Вода0/—	 !£» Вода0-- Вода
Вернемся к проблеме уничтожения кавитации в водном потоке через туннель. Существует еще одна интересная идея. Чем выше давление жидкости, тем ниже вероятность образования газовых пузырьков. Следовательно, если поднять давление в потоке, можно
1 Энергия. 1985. № 7. С. 31.
201
уменьшить опасность кавитации. Конструктивно идея реализуется очень просто. Перед затвором часть потока направляется в обход, разбивается на мелкие струйки и падает на поток, выбивающийся из-под щита. Тяжесть водопада передается вглубь потока, давление возрастает. Помимо того из-за тормозящего действия падающей воды снижается скорость верхних слоев и во всем потоке, что ведет к дополнительному повышению давления1.
Еще несколько примеров. А. с. № 1 329 723: способ лова рыбы, заключающийся в создании зоны привлечения постоянным световым полем и зоны принудительного перемещения рыбы в залавливающее устройство всасывающим потоком воды, отличающийся тем, что... вдоль оси всасывающего потока в одном направлении с ним создают нагнетающий поток так, что зона действия нагнетающего потока служит продолжением зоны действия всасывающего потока...
В Норвегии предложен оригинальный способ утилизации морских волн. Недалеко от берега устанавливается цепочка параллельных ему бетонных стенок, разделенных равными промежутками, образуя нечто вроде дифракционной решетки. Волны, проходя между стенками, накладываются друг на друга и рождают волны с увеличенной в несколько раз амплитудой. Так на небольшой участок берега приходится максимум волновой энергии1 2.
Во многих южных странах, страдающих от засухи, хранение пресной воды, поступающей в сезон дождей,— серьезная проблема. Для этого требуется сооружение огромных резервуаров — слишком дорогих для развивающихся стран. Шведский инженер Карл Дункерс догадался хранить воду... в воде — в специальных гигантских банках без дна, плавающих с помощью понтонов прямо в море3. Пресная вода и соленая не смешиваются из-за разной плотности. Банки можно транспортировать за тысячи километров, а испарение воды будет компенсироваться влагой из облаков.
Обратите внимание на то, как вода сопротивляется введению сторонней добавки. Объем жидкости разделен надвое, взаимодействуют два отличающихся объема — есть ли у воды еще резервы для «автономного» развития? Выясняется, что есть. Взаимодействие переходит к объемам воды, находящимся в разных агрегатных состояниях:
_ 1 Л *
Вода0--------- Вода°=	Вода --------- Вода0
Как наиболее эффективно очистить трубы от грязи? Обычно для этого через трубы пропускают попеременно холодную и горя
1 Энергия. 1985. № 7. С. 32—33.
2 Химия и жизнь. 1978. № 9. С. 74.
3 Техника — молодежи. 1989. № 1. С. 45.
202
чую воду. По патенту США № 3 052 102 разрушительное действие разности температур усилено совместным действием пара и льда.
Похожая идея в а. с. № 1 035 148: оттаивание мерзлого грунта осуществляют бурением скважин до пластов с относительно теплой водой и перекачиванием ее в верхние слои. Другой пример совместного использования двух агрегатных состояний — а. с. № 779 514: исправление положения осевших зданий производят поочередным замораживанием и оттаиванием грунта под ними с фиксацией положения после каждого замораживания.
И, наконец, различие между элементами бисистемы достигает максимума: вода объединяется с не-водой, с другим веществом:
Вода0-------- Вода^	Вода0-------- В 2
Несколько примеров.
Основание буровой установки, изготовленной изо льда, армируют опилками (английский патент № 2 071 295).
Для защиты фруктовых садов от заморозков их опрыскивают водой как только температура воздуха станет нулевой. Ледяная корочка надежно защищает почки растений в слабые морозы. В а. с. № 957 794 сделан следующий ход: в воду добавляют хлореллу — во время весеннего таяния в почву вместе с талой водой поступит удобрение.
Рабочая жидкость тепловых гидравлических домкратов — вода. Домкраты работают хорошо, но цикл «замерзание — таяние» длится долго (для плавления льда нужен подвод изрядного количества тепла). Для снижения теплозатрат и прочности льда в воду подмешивается ацетон (а. с. № 1 162 867) или карбамид (а. с. № 1 162 868).
Вода вместе с В2 повторяют тот же путь развития, что и бисистема «Bj — вода» — спираль эволюции выходит на новый виток.
ИЗ РЕБРА СВОЕГО...
Как это было видно на примерах с введением в систему воды, одно из направлений развития ведет к усилению влияния В2 вплоть до выделения этого вещества в самостоятельную моносистему В2°.
Для снижения гидродинамического сопротивления в воду вносят длинноцепочные полимеры (эффект Томса). Те же полимеры вводят в лед на стадионах для повышения спортивных показателей конькобежцев, ими обрабатывают трассы саночников и бобслеистов. Лед под коньками и полозьями тает, и полимеры снижают
203
коэффициент трения. В ФРГ построен искусственный каток площадью 200 квадратных метров, материалом для которого стал сверхвысокомолекулярный полиэтилен, имеющий низкий коэффициент трения1.
Другой путь развития состоит в том, что добавка вовсе не появляется. Ее роль берут на себя молекулы самой воды — из них или из их частей собирается нужное вещество:
Вода0-------- В о 1 ^»ВодаР------------ Вода0
•L	М
Гонка за скоростными рекордами с применением эффекта Томса сопровождается большим расходом полимеров. В а. с. № 364 493 предложено создавать комплексы молекул воды (аналоги полимерных цепочек) в самой воде действием на нее электромагнитного поля.
Повышения эффективности смазочно-охлаждающих жидкостей достигают введением в их состав химически активных присадок. Например, по а. с. № 348 596 СОЖ для обработки металлов резанием активируется окислителем, в качестве которого берут перекись водорода. Однако в последние годы химической активации предпочитают физическую — наложение внешних физических полей1 2. Одним из перспективных способов физической активации считается электрохимический: жидкость пропускают через насадку, в которой помещены гальванические элементы — в результате в СОЖ образуется окислитель (пероксид водорода)3.
Выстраивается четкая цепочка преобразований, подчиняющихся единой логике увеличения степени идеальности: водная СОЖ — водная СОЖ с окислителем из видоизмененной воды (Н2О2), внесенным извне,— водная СОЖ с окислителем из самой СОЖ. Красиво!
До сих пор приобретение новых свойств водой связывалось с введением добавки. Но самая лучшая, удобная, идеальная добавка — пустота:
Вода0-------- В 2 — Вода0--------------
Как увеличить производительность гидроструйной обработки, не усложняя систему? Воду предварительно насыщают воздухом под давлением. В струе, вырывающейся из сопла, давление падает,
1 Химия и жизнь. 1980. № 8. С. 21.
2Малиновский Г. Т. Масляные смазочно-охлаждающие жидкости. М.: Химия, 1988. С. 146—153.
3 Там же. С. 149.
204
она вскипает. Миллионы кавитационных микровзрывов неистово крошат породу.
Другой пример. Для снижения шумов рыбопромысловых судов корабли окутывают воздушно-пузырьковой завесой. Но как получают сами пузырьки? Вряд ли на все долгое время лова рыбы включают специальную воздуходувку — возить ее с собой слишком дорого. Поступают иначе: используют пустоту, которая уже есть в системе (тут полная аналогия с задачей о таблетках для чистки зубов). По а. с. № 302 275, источник пузырьков — отработанные газы двигательной установки.
Пустота вносится в воду не только извне, но и возникает в недрах самой жидкости.
Физическую активацию СОЖ проводят также слабым электролизом: атомы кислорода, выделяющиеся при распаде молекул воды, делают СОЖ более реакционноспособной*. Пример того, как вода служит источником пустоты — а. с. № 421 634, выданное на способ электрофлотации: в процессе электролиза воды во флотационной ванне пузырьки газов подхватывают частицы руды и увлекают их вверх. Очевидно, разумен и такой переход:
Л о	_ о
Вода -------- м^ода
Природа, как известно, не любит пустоты, чего нельзя сказать о технике. Пустота стремится вытеснить воду и занять собою все отведенное системе пространство. Максимум пустоты в системе достигается применением пены:
Вода0--------
Очистку водоемов от затонувших бревен проводят вспениванием озера или пруда пенообразующим составом (а. с. № 1 010 178). Чтобы не возникла проблема очистки, для повышения плавучести плотов на них устанавливают газовый компрессор, создающий под днищем плота пенную подушку (а. с. № 1 355 579).
Задача 7. И все-таки во время лесосплава плоты «худеют». Происходит это от того, что бревна со стороны торцев пропитываются водой, тяжелеют и тонут. Нужен простой, надежный способ увеличения плавучести древесины.
'Мали новский Г. Т. Масляные смазочно-охлаждающие жидкости. М.: Химия, 1988. С. 149.
205
Сохранить бревна на плаву можно, если перекрыть большую часть капилляров чем-нибудь вроде пробок. Ясно, что «пробки» следует изготовить из подручных материалов, например, изо льда, заморозив воду в капиллярах. Но лед по пути растает. Поскольку почти идеальное вещество — вода — не решает задачу, резонно обратиться за помощью к пустоте.
При обучении ТРИЗ давно и успешно применяется ставшая хрестоматийной задача о перевозке шлака. Расплавленный доменный шлак перевозят на железнодорожных платформах, в ковшах. По дороге к шлакоперерабатывающей установке шлак- охлаждается, и на его поверхности образуется твердая корка. Для слива шлака из ковша корку пробивают специальным копровым устройством. Окаменевший шлак (30—40 процентов общего объема) идет в отвал. Для теплоизоляции шлака нужна крышка на ковше. Но крышка диаметром около трех метров — это целый механизм, весьма ненадежный и дорогой. Идеальная крышка — отсутствующая крышка. Контрольный ответ к задаче: поверхность шлака вспенивают струей воды; пена — отличный теплоизолятор и свободно пробивается шлаком при сливе его из ковша.
Задача о перекрытии древесных капилляров по сути та же: «пробки» — это крышки. И решение очень похожее. Торцевые поверхности бревен перед сплавом обрабатывают водой, подаваемой под избыточным давлением. В капиллярах появляются «защемленные» пузырьки воздуха, которые перекрывают доступ речной воде (а. с. № 1 191 402). Торцы бревен как бы вспениваются изнутри.
Другим вариантом взаимодействия воды и пустоты становится их синтез — образование нового «водопустотного» вещества, например, газовых гидратов:
Вода0-------Q =- т	Вода ° •
Пустота, конечно же, идеальная добавка — предельно простая и дешевая. Но и у нее есть существенный недостаток — она не обеспечивает столь нужного в технике разнообразия. Поэтому, только возникнув в системе, пустота стремится исчезнуть, заполняется сторонними веществами:
Вода0------==^>Вода°---------------
А. с. № 1 146 130 получено на многофункциональное льдонаполненное сооружение. Внутри ледовых возвышений (дорог, дамб) уложены гибкие оболочки, предназначенные для транспорти
206
ровки и хранения грузов. Заполнение свободного пространства веществом есть и в а. с. № 1 155 672: внутри ледового основания буровой установки в огромной полости хранится добываемая нефть.
ДОРОГАМИ ИДЕАЛЬНОСТИ
Пора подвести итоги, свести воедино все переходы, которые совершает вода в своем развитии. Составим схему эволюции воды в технических системах, выделим ее основные этапы.
1.	Исходный пункт развития — имеется одно вещество В! (моновещество, моносистема). Приобретение этим веществом новых свойств или нейтрализация вредных свойств вначале происходят за счет внутренних ресурсов (этапы 2—4), а затем благодаря объединению с водой (обозначим ее для краткости В). Перед образовавшейся бисистемой веществ открываются два направления развития: увеличение влияния воды (В) и максимальное использование внутренних ресурсов.
Первое направление:
2.	Бисистема Bi — В заменяется «особой» водой В°, которая повторяет путь, пройденный В! (этапы 6—10—11—12—13 по сути аналогичны этапам 2—5). На этапе 13 В° — как до того В! — «выдыхается» и объединяется для решения новой задачи с веществом В2.
3.	Этапы 5—7—14 — переход от механического взаимодействия между Bj и водой к химическому с образованием новой моносистемы, нового моновещества.
Второе направление:
4.	Линия 3 — функцию В2 берет на себя определенным образом организованная микроструктура самой воды (этапы 13—21 и далее). Вы, наверное, уже обратили внимание на то, что схема имеет узлы, после которых механизм развития повторяется. В частности, этапы 13—21 копируют этапы 5—8.
5.	Линия 4 — использование пустоты. Пустота вводится в систему из внешней среды (этап 22) или выделяется изнутри жидкости (этапы 23—24). Пустота усиливает взаимодействие с водой, синтезируя вместе с ней новое вещество (этап 25) или захватывая все рабочее пространство в виде пены (этап 18).
На этапах 5" и 13" действуют различные агрегатные состояния воды и В2.
Схема графически отображает алгоритм изобретательского применения воды. Дополним графику словесным описанием алгоритма.
1.	Представьте техническую систему в виде одного вещества. Добавьте к этому веществу воду в одном из ее агрегатных состояний.
207
Рис. 1. Общая схема эволюции вещества в технических системах
2.	Перейдите от бисистемы «исходное вещество — вода» к моносистеме на основе чистой воды (или одного из ее агрегатных состояний).
3.	Развивайте полученную моносистему вдоль линии 1 схемы вплоть до образования новой бисистемы (за счет введения добавки, придающей воде или всей бисистеме нужное свойство).
4.	Усильте взаимодействие внутри бисистемы «исходное вещество — вода» вплоть до синтеза из ее элементов химического соединения.
5.	Если введение воды не дает желаемого эффекта, откажитесь от нее и попытайтесь использовать вместо нее пустоту или структуры нижних уровней вещества.
6.	Если оба способа (добавка воды или использование внутренних ресурсов) недостаточно эффективны, введите другое вещество и повторите для него весь цикл (пункты 2—5).
Укрупненно схема эволюции воды в технических системах видна на йстории смазочно-охлаждающих жидкостей. Первой СОЖ была обыкновенная вода (этап /). Затем в воду стали добавлять вещества (этап 5), которые, с одной стороны, уменьшали износ инструмента, а с другой — размягчали деталь. Так появились водосмешиваемые СОЖ, содержащие кроме воды нефтяные масла, гликоли, антипенные присадки, электролиты. Добавки масел к воде С какого-то момента превратились в доминанту, образовав класс масляных СОЖ (этап 6). В масляные СОЖ добавляют антифрикционные, противоизносные и противозадирные присадки (этап 13). Чуть ранее были рассмотрены на примерах синтеза окислителя внутри СОЖ этапы 8 и 9 (линии 3 и 4).
«Водные.» закономерности полностью справедливы для любого из применяемых в технике веществ. И тогда «водная» схема превращается в общую схему эволюции вещества в технических системах (рис. 1).
Задача 8. Известны масляные смазочно-охлаждающие жидкости, в состав которых входит порошок сплава олова и свинца. Спрогнозируйте следующий'тип СОЖ.
Имеется смесь двух веществ — масла и порошка (этап 5 или 13). Согласно схеме, одно из веществ — добавка — выделяется в моносистему. В нашей задаче это вещество — сплав олова и свинца.
А. с. № 345 189: применение сплава олова и свинца в расплавленном состоянии (В°) в качестве смазочно-охлаждающей среды для сверления легированных сталей, меди и ее сплавов. Гранулы олова и свинца наносят на нагретый до 190—200°С металл и затем сверлят сквозь слой образующегося расплава.
В рассмотренной схеме зафиксирована только генеральная
14 Зак. 2148
209
стратегия управления веществом, и многое осталось «за кадром». Так, от каждого этапа основных линий отходят боковые ветви, развиваясь вдоль которых вещество приобретает определенную структуру и динамизируется (по-разному ведет себя в меняющихся условиях). Кроме того, часть линий можно существенно уточнить, введя промежуточные этапы. К примеру, линия 4 (использование пустоты) — фрагмент изученных Г. С. Альтшуллером и И. М. Верт-киным линий пустотности. И линия 3, скорее всего, разворачивается в непростую ветвистую схему использования внутренних ресурсов вещества.
Эволюция веществ в технических системах по вектору увеличения степени идеальности сопровождается приобретением полезных и отключением вредных свойств. Главный механизм появления у вещества нового качества — образование бисистемы веществ, введение нового вещества. У бисистемы есть выбор:
а)	превратиться в моносистему на основе вещества добавки или путем синтеза элементов бисистемы;
б)	приобрести новые качества, отказавшись от введения добавки, используя только микроуровневые структурные изменения исходного вещества или объединяя это вещество с пустотой.
При обоих вариантах развитие идет в направлении образования веществ, обладающих противоположными свойствами (твердожидкий водяной резец, негорючий мебельный пластик и т. д.).
Какая из дорог к идеальности предпочтительнее? Альтернативы тут нет, пути совершенно равноправны и дополняют друг друга. Первый путь привлекает возможностью наращивать (практически неограниченно) новые свойства, вводя добавки, но усложняет систему. Эксплуатация внутренних ресурсов вещества и пустоты не усложняет систему, но ставит ограничение на разнообразие свойств (ресурсы велики, но, увы, конечны). Разумная тактика состоит в том, чтобы развивать системы по обоим направлениям.
Может случиться, что, проверяя общую схему эволюции вещества на одной из технических систем, читатель столкнется с расхождениями между реальной историей системы и «предписываемой». Не стоит сразу же переделывать схему, подгоняя ее под замеченный разрыв. Дело в том, что общая схема для конкретной системы носит скорее теоретический характер и не всегда соответствует действительной хронологии эволюционных переходов. В «жизни» система может перескочить из состояния А в состояние Д, минуя промежуточные этапы Б, В и Г. Встречаются и моменты ретроэволюции, когда развитие совершает «обратный ход»: от Д к Г. Объяснение этому феномену кроется в технологии совершенствования технических систем методом проб и ошибок: цепь логично следующих друг за другом изобретений подменяется случайным
210
появлением отдельных ее звеньев (на фоне множества «пустых» новаций, ложных ходов).
На занятиях по ТРИЗ слушатели часто задают вопрос: «Общая схема эволюции предсказывает судьбу вещества, технической системы. К чему изучать схему целиком, ведь достаточно знать начало линии и ее конец? Заключительный этап соответствует наиболее идеальной системе, к ней и следует сразу же переходить, оставляя без внимания внутренние этапы линий». Иначе говоря, ставится под сомнение сама идея поиска линий развития технических систем. Между тем, знать линии необходимо. Более того, чем подробнее выявлены этапы линии, тем выше эффективность ее изобретательского применения. Имеется несколько серьезных оснований для проведения подобных исследований.
1.	Знание линии развития сильно расширяет возможности изобретателя, поскольку каждый этап линии — это сотни, тысячи новых изобретений.
2.	Линия выводит на более глубокое понимание закономерностей развития технических систем.
3.	Не надо думать, что технические системы, соответствующие промежуточным этапам развития, отработав свой срок, исчезают, уступая место более идеальным. Многие из них продолжают существовать, но выполняют уже иную социально-техническую функцию. Прапра... родители компьютеров — счеты и счетные палочки не используются для вычислений траекторий ракет, но по-прежнему незаменимы при обучении началам арифметики. Планеры не совершают трансконтинентальные перелеты, но очень популярны среди авиаспортсменов-любителей. С появлением цветной фотопленки черно-белая фотография не ушла со сцены, а, наоборот, заняла видное место в современной фотоживописи. Можно привести много других примеров, когда устаревшая морально машина не выбрасывается на свалку, а находит свою социально-техническую нишу. Вообще же судьба «сошедших с трассы» машин — интереснейшая тема исследования.
ЭТИ НЕПРОСТЫЕ ВЕПОЛИ
Вещества в технике работают не сами по себе, а в союзе с полями, поэтому представления об эволюции веществ в технических системах необходимо дополнить информацией о закономерностях эволюции полей.
При введении полей возникает типовое противоречие: для создания работоспособной системы требуются поля, а для сохранения высокой степени идеальности поля вводить нельзя. Познакомимся со стратегией устранения этого противоречия.
211
Прежде всего разделим поля по двум признакам: по характеру выполняемой ими в системе функции и по принадлежности к данной системе.
Встречаются поля рабочие и поля управления — Пр и Пу. Пример: давление, которое гонит жидкость по трубе,— поле рабочее, а усилие, прикладываемое к вентилю для регулирования потока,— поле управления.
Поле может быть внутренним по отношению к системе или внешним. Электрическое поле электретной мембраны микрофона — внутреннее, а звуковое поле — внешнее. Для удобства обозначим внутреннее поле Пс (свое), а внешнее— Пч (чужое).
Причина перехода вещества с этапа 1 на этап 2 общей схемы эволюции кроется в неспособности внешнего поля эффективно взаимодействовать с Bj:
(Вспомните, на две части.)
к примеру, способ борьбы с кавитацией разделением потока
На этапах 2—4 той же схемы степень идеальности сохраняется на определенном уровне за счет того, что поле уже имеется в системе, а вторым веществом выступает видоизмененное Вь Обычно внешнее рабочее поле имеет ограниченные возможности управления состоянием вещества. Ему на помощь приходит внешнее поле управления:
Так, по а. с. № 259 575 определение направления потока жидкости или газа в трубопроводе без его вскрытия ведут нагревом трубопровода и измерением температуры в равноудаленных от места нагрева точках.
На этапе 5 в веполь проникает стороннее вещество В2. Чтобы скомпенсировать потерю идеальности, внешнее рабочее поле трансформируется во внутреннее:
212
Поле Пр возникает как результат взаимодействия составляющих веполь веществ. Насос, перекачивающий жидкость, создает внешнее поле, а продвижение жидкости вдоль капилляра обеспечивается внутренним полем, которое «включается» только в момент контакта веществ. Тот же эффект «самозарождения» поля возникает и при погружении тела в жидкость (инициатором взаимодействия тут выступает гравитационное поле, но оно неуправляемо и потому его можно не учитывать).
Для рассеивания тумана в нем распыляют смесь на основе карбида кремния. Соединяясь с каплями воды, она выделяет тепло. Воздух нагревается и увлекает туман вверх1.
Многочисленные способы опреснения морской воды используют внешние поля: вымораживание, выпаривание, электродиализ, ионный обмен. Но для снабжения глубоководных аппаратов пресной водой они непригодны из-за большой энергоемкости. Для этих условий созданы установки, работающие на принципе обратного осмоса: под давлением, превышающим осмотическое, молекулы воды просачиваются сквозь мембраны из синтетического материала, а ионы солей задерживаются1 2. Обратный осмос признан перспективным источником энергии, которую надеются извлекать из разности в солености морской и пресной вод3.
Интересное применение нашел осмос в макромолекулярных терапевтических системах, используемых для сверхточной дозировки лекарственных препаратов. В полимерную оболочку помещают лекарство и осмотический агент, например, поваренную соль. Лазерным лучом в оболочке проделывают микроскопическое отверстие. После того, как оболочка проглочена, в нее начинает поступать вода из органов, растворяя лекарство и осмотический агент. В соответствии с законами осмоса, вода заполняет оболочку и повышает в ней давление. Когда давление превысит критическое, лекарственный наполнитель выбрасывается наружу4.
Нацеленность на использование внутренних полей, возникающих
1 Изобретатель и рационализатор. 1984. № 12.
2 Химия и жизнь. 1981. № 7. С. 20.
3 Новые и возобновимые источники энергии. 1989. № 1. С. 96—106.— (Юнеско).
4 Химия и жизнь. 1983. № 7. С. 19.
213
при взаимодействии двух веществ, облегчает выход на конкретный физический или химический эффект, позволяет вести их направленный поиск. Явления, при которых происходит «самозарождение» полей довольно разнообразны. Кроме капиллярного эффекта, осмоса, архимедовых сил к ним относятся контактная разность потенциалов, адсорболюминисценция, хемилюминисценция, эндо- и экзотермические химические реакции, водородное разбухание металлов.
Задача 9. Некоторое время тому назад были отмечены странные случаи прекращения подачи природного газа в газопроводах. Обнаружилось, что поток газа перекрывали пробки рыхлого снега. Удивительно, что происходило это в жаркие летние дни. Не могли бы вы, хотя бы в самом общем виде, объяснить эту загадку.
Причиной замерзания газа послужило образование газовых гидратов. При движении по газопроводу метан вступал во взаимодействие с водой, которая всегда содержится как в природном газе, так и в самом газопроводе. Молекулы метана, проникая в молекулы воды, разрывали в них водородные связи. Внутреннее давление воды резко понижалось, температура быстро падала, образовывались кристаллики льда.
Способность к управлению состоянием вещества у внутренних полей существенно ниже, чем у внешних. Поэтому закономерна пристройка к веполям внешних полей управления:
Поля управления усиливают или ослабляют действие внутреннего рабочего поля, навязывают ему необходимый темп работы.
Несколько примеров.
Для увеличения силы тока, генерируемого областью контакта двух металлов, в систему вводят тепловое поле (термоэлектрический эффект Зеебека). Ускорения теплопереноса в тепловой трубе добиваются, оснащая ее ультразвуковым генератором (а. с. № 399 692). Сушка кабелей идет гораздо быстрее, если используется явление электроосмоса (а. с. № 240 825).
По мере развития системы усложняется закон ее функционирования, и число внешних полей управления растет:
214
По а. с. № 527 280 величину подъемной силы поплавкового сварочного манипулятора регулируют изменением напряженности магнитного поля (Пу), действующего на магнитную жидкость. Гораздо больший диапазон регулирования подъемной силы имеет система управления, в которой через жидкость пропускают ток (Пу1) и накладывают на нее магнитное поле (Пу2). На это изобретение выдано а. с. № 789 243.
Эффективность управления веществом напрямую зависит от глубины залегания той вещественной структуры, на которую направлено поле управления. Структурами верхних уровней удобнее управлять через изменение структур нижних уровней (например, влиять на поведение кристаллической решетки, воздействуя на электроны). Чем ниже расположена структура вещества, тем более сложные законы управления она способна реализовать. В справедливости этого правила убеждают, в частности, последние два примера: по сравнению с магнитополевым способом возможности токового управления псевдоплотностью жидкости намного шире (ионы поддаются более тонкому регулированию, чем группы атомов и молекул).
«Привязка» полей к определенным уровням вещества позволяет пристальнее вглядеться в известные закономерности. В ТРИЗ давно используется закон перехода на микроуровень. Смысл закона в том, что в процессе развития рабочие органы систем, выполненные в виде «железок», заменяются молекулами, атомами, ионами, электронами — микроструктурами. До сих пор неявно предполагалось, что спуск к недрам вещества подобен головокружительному прыжку вниз — вместо «железки» сразу появляется микроструктура. Реально же переход на микроуровень совершается в несколько этапов.
1.	Поначалу поле управления и рабочее поле действуют на один и тот же макроуровень. Например, точную настройку металлообрабатывающего инструмента проводят с помощью механических приспособлений. Первый этап перехода на микроуровень состоит в постепенном снижении уровня вещества, на которое действует поле управления (регулировка положения режущей части инструмента за счет теплового расширения, магнитострикции). Уровень
215
рабочего поля остается неизменным (инструмент по-прежнему механически отдирает материал заготовки).
Логика первого этапа опирается на необходимость устранения противоречия: закон требует перехода на микроуровень, но это может привести к резкому изменению надсистемы. Переход идет как бы «скрыто»: поле на выходе системы (рабочее) не меняется, зато поле управления опускается все ниже.
2.	Но вот поле управления действует на самый «глубокий» уровень вещества. Как дальше переходить на микроуровень? Теперь очередь за рабочим полем. Происходит замена вещества с одновременным изменением рабочего поля: вещественный уровень, с которым оно «состыковано», понижается (обработка металлов химическим травлением — режущая пластина уступила место молекулам). Микроструктуры, ответственные за рабочее поле, расположены чуть ниже, чем те, которые действовали на первом этапе.
Поле управления ориентировано на те же микроструктуры, что и рабочее (режим травления зависит от температуры рабочей зоны).
3.	Повторяется содержание первого этапа: поле управления проникает все глубже (анодное растворение: через металлическую заготовку и электролит пропускают ток, ускоряющий электрохимическую обработку).
4.	На этом этапе происходит свертывание: поле управления и поле рабочее опять стыкуются на одной микроструктуре. Но продолжать спуск уже невозможно: исчерпаны ресурсы вещества (лазерная обработка материалов — структуры мельче фотонов попросту нет).
Дальнейшее развитие связано с принципиальным изменением надсистемы (например, новые изделия получают не разрушением заготовок, а наоборот — сборкой из отдельных атомов и молекул).
Следующий шаг в росте идеальности системы — перемещение одного из полей управления «внутрь» веполя:
Пример такого рода вепольных структур — звукохимические реакции. При облучении растворов некоторых веществ ультразвуком в них начинают идти несвойственные им реакции. Ультразвуко-
216
Рис. 2. Линия эволюции полей в технических системах
вые колебания порождают в жидкости кавитационные процессы. Газовые пузырьки, схлопываясь, термически возбуждают молекулы, которые ионизируются и диссоциируют. Так озвучиванием воды получают в ней перекись водорода и окисли азота. При звукохимических реакциях обычное химическое взаимодействие (Пр) интенсифицируется внешними колебаниями (Пу1), которые вызывают сильный нагрев (Пу2) реагирующих веществ и их распад1.
Легко спрогнозировать тепловую трубу, капилляры которой выполнены из пьезокерамического материала. Подводом к стенке капилляров электрического напряжения Пу1, осциллирующего с ультразвуковой частотой, можно сильно увеличить скорость транспортирования рабочей жидкости за счет совместного действия ультразвукового (П£2) и электрокапиллярного эффектов.
Стыкуя отдельные переходы, получим единую линию эволюции полей в технических, системах (рис. 2). Прокомментируем эту линию.
На этапе 2 общей схемы эволюции веществ в систему вводится видоизмененное Bi, возникает веполь. Как правило, вещества в этом веполе слабоуправляемы, поэтому к внешнему рабочему полю добавляется внешнее поле управления. На этапе 5 место В" занимает стороннее для системы В2, идеальность снижается. Компенсация потери идеальности происходит за счет создания внутреннего рабочего поля. Это поле может в принципе возникнуть и на предыдущих этапах [в море (Bi) плавает (поле внутренних архимедовых сил) ледовое основание буровой установки (Bf)]. Однако здесь больше удачи, чем закономерности: возможности вещества по «самообслуживанию» все же весьма ограничены, и редко удается найти такое его видоизменение, которое помогло бы создать нужное внутреннее рабочее поле. Удобнее иметь дело со сторонним веществом В2, которое можно специально подобрать.
1 Химия и жизнь. 1981. № 12. С. 57—61.
217
Далее линия повторяется: вводится внешнее поле управления. Число внешних полей управления растет, часть из них уходит «внутрь» веполя, опять появляются внешние поля... Полей становится все больше. В идеале веполь стягивает к себе все известные поля.
ЕСЛИ НЕТ ПОД РУКОЙ...
До сих пор мы не затрагивали один из центральных вопросов водопользования: откуда брать воду? Если вода есть- поблизости (например, море вокруг корабля, градирня за стеной цеха) — проблемы нет. Чуть сложнее, если вода содержит вредные примеси: соли, газы, нефтепродукты... Но и тогда принципиальные трудности не возникают — существует множество способов очистки. Но как быть при полном отсутствии воды? Тут приходится идти на маленькие хитрости...
В 1888 году в Феодосии во время археологических раскопок была обнаружена развитая водопроводная сеть. То, что древние имели водопровод, никого не удивило. Озадачило другое: трубы, по которым в город подавалась вода, шли с куч щебня, набросанных на самых возвышенных местах. Ответ к загадке нашли быстро: за ночь камни охлаждались, а днем теплый ветер оставлял на них росу. Так жители города получали в сутки по 700 тысяч литров пресной воды! Не ведая того, феодосийцы применили самый простой (и потому работающий поныне) способ добычи воды: вытягивание ее из внешней среды, в которой она растворена.
В Японии предложен оригинальный способ борьбы с засухой. На пути океанского ветра надо поставить парус длиной 10, шириной 1,2 и высотой 0,6 километра. Воздух, насыщенный влагой, отразится от преграды и уйдет вверх, где охладится и прольется дождем.
Если потребность в воде скромнее, можно воспользоваться установкой меньших габаритов. Применяют молекулярные сита цеолиты, один объем которых способен извлечь из воздуха несколько сот объемов воды. Цеолиты — после их заполнения — нагревают до кипения жидкости и пар конденсируют. Таким путем получают из воздуха до 1500 литров питьевой воды в сутки1.
Иногда воду добывают не из внешней среды, а выделяют из самой технической системы (вещества).
Широкому внедрению дирижаблей мешает, в частности, потеря ими части веса в полете по мере выгорания топлива. Английский инженер М. Бутройд получил патент на метод компенсации этой потери. Идея очень простая: конденсация воды, содержащейся
1 Химия и жизнь. 1983. № 12. С. 23.
218
в выхлопных газах, и дальнейшее ее использование. По оценкам, за несколько часов полета можно собрать до тонны воды1.
Задача 10. Промышленная варка мяса мало чем отличается «идейно» от домашней. Только воды побольше и кастрюли более емкие. Такая технология нерациональна: ее трудно автоматизировать, велики энергозатраты, оборудование отнимает большую площадь. Как быть?
Решение — в патенте США № 2 344 373: мясо варят, пропуская через него электрический ток. Вода закипает не снаружи, а внутри, в тканях продукта. Как дополнительное благо появляется возможность регулировать режим варки (свойство полей управления действовать через нижние структуры — ионы — на верхние — клетки).
Усложним задачу получения воды: жидкости нет как во внешней среде, так и внутри системы (вещества). В этой ситуации следует обратиться к рекомендации стандарта 5.5.2: если нужны частицы вещества и невозможно получить их непосредственно, то требуемые частицы получают достройкой или объединением частиц более низкого структурного уровня1 2.
Патент США № 3 630 956: заданную влажность воздуха создают, пропуская газовый поток, содержащий водород, через оксид металла при повышенной температуре.
Еще раз подчеркнем: описанные приемы относятся не только к воде, но и к любому другому веществу.
* * *
Исследования модели идеального вещества продолжаются, остались пока невыясненными несколько важных вопросов.
1.	Вода — почти идеальное вещество для земных условий. Но уже в ближнем космосе доставка воды превращается в серьезную проблему. А как быть, когда человек приступит к освоению безводных планет Солнечной системы? Доставлять туда воду с Земли? Но это потребует сумасшедших затрат. А. Азимов в повести «Путь марсиан» предложил снабжать марсианские поселения водой, транспортируя ледяные астероиды из района колец Сатурна. Может есть иное, менее экзотическое решение?..
2.	В современной технике наблюдаются две встречные тенденции: с одной стороны, растет числ'о разнообразных применений воды, а с другой — идет ее вытеснение из множества технологий. Например, по английскому патенту № 1 098 693 для стерилизации
1 Химия и жизнь. 1982. № 3. С. 20.
2Альтшуллер Г. С. Маленькие необъятные миры // Нить в лабиринте. Петрозаводск: Карелия, 1988. С. 226.
219
бутылок из-под пищевых продуктов вместо крутого кипятка стекло обдают раскаленной плазмой. При изготовлении коксовых «пирогов» для доменного производства нагретый до 1000 градусов кокс охлаждают водой. Этот процесс малоэффективен, поэтому воду заменили потоком инертного газа1. Еще пример: вскрытие минералов и разделение компонентов в металлургическом процессе традиционно связано с огромным расходом воды; предложено использовать вместо нее хлор1 2. Примеров отказа от воды много, и это понятно: техника стремится вырваться из ограничений, накладываемых природными условиями (силой тяжести, колебаниями климата и проч.) и материалами, к которым относится и вода. Пресная вода непрерывно дорожает и ее катастрофически не хватает в большинстве стран мира. Как будет развиваться техника, когда вода исчезнет с поверхности Земли или ее добыча и переработка станут экономически невыгодными?
В каждой из возможных сред обитания человека (будь то иная планета или искусственное поселение в космосе) со временем возникнет проблема дефицита Главного Ресурсного Вещества. И чтобы подготовиться к этому, уже сейчас нужно разрабатывать Общую Теорию Использования Ресурсных Веществ.
3.	Схема эволюции вещества дает общее представление об основных этапах развития, но почти ничего не говорит о механизмах перехода от предыдущего этапа к последующему. Как, к примеру, получить видоизменение Bi — Bf? Один из механизмов — применение «изотопных» веществ (для воды это, в частности, перекись водорода, перигидроксил, соленая вода), изомеров. Везде, где на схеме сейчас стрелки соединяют отдельные этапы, должны быть указаны рабочие механизмы преобразований вещества.
4.	В ТРИЗ известны несколько линий развития: общая схема развития веполей, схема перехода в надсистему («моно-би-поли») линии увеличения пустотности и линии хронокинематики (управления временем). Как связаны общая схема эволюции вещества и линия эволюции полей с этими линиями? Существуют ли единые законы, «уравнения», которые прокладывают траекторию эволюции технической системы вдоль этих линий?
Таковы проблемы, которые предстоит решить.
1 Известия. 1972. 17 октября.
2 Химия и жизнь. 1985. № 11. С. 25.
220
И0ЙМ
WWr- fiA~
Nk
ьтшуллер |\ ____ М. Рубин | \ ИИИИ/ЯНКЯ HM/INNM
ЧТО БУДЕТ ПОСЛЕ ОКОНЧАТЕЛЬНОЙ
ПОБЕДЫ
.	. Г-	OvZWWfVIV ffivivnvi
NN№000(Z0
Восемь мыслей о природе и технике
© Альтшуллер Г., Рубин М.» 1991.
С темой, которая предлагается вашему вниманию, преподавателям ТРИЗ приходится сталкиваться почти на всех обучающих семинарах. А звучит эта тема так: как приспособиться к жизни в технической среде. Ведь природы вокруг нас, к нашему громадному сожалению, все меньше и меньше...
Вот выдержки из прессы:
«Каждую минуту на планете исчезают пятьдесят акров тропических лесов...» (Крокодил, 1989, № 29);
«...есть металлы, запасы которых в недрах Земли угрожающе тают. Их недостаток человечество ощутит гораздо раньше, чем нефти — к концу нынешнего столетия, если сохранится современный уровень потребления и не будут открыты новые месторождения. Речь идет о серебре, ртути и висмуте. В первые десятилетия следующего столетия (при тех же условиях) будут исчерпаны запасы цинка, олова, вольфрама, тантала, свинца и меди» (ЭКО, 1983, № 7);
«В Америке в конце прошлого века исчезли миллионы бизонов. Текущее столетие стало роковым для китов. Теперь слоны... Процветают в природе лишь те, кто приспособился к жизни рядом с людьми,— крысы, вороны, воробьи, тараканы».
Да и в Карелии катастрофически уменьшается количество лесов, загрязняются наши изумительные озера. Практйчески в республике нет ни одного экологически чистого производства.
Так что здесь авторами описана не такая уж далекая перспектива человечества.
Человечество осознало проблему больной экологии, и по всему миру разворачивается борьба за сохранение природы... Но, к сожалению, в мире еще есть страны, управляют которыми Саддамы хусейны, и пока они есть, мир не застрахован от очередной экологической катастрофы пострашнее Чернобыля. А значит, человечес-ству нужно подстраховаться. Ведь когда люди отправляются в плавание на корабле, они вовсе не рассчитывают, что корабль обязательно потерпит крушение. Однако на всех кораблях присутствуют спасательные средства: шлюпки, круги, пояса и т. п. Вот и нам — Человечеству — надо подумать о спасательных средствах.
223
Кроме того, проблема бесприродного технического мира (БТМ) — это и проблема психологической совместимости человека и его материального окружения. А значит, проблема слияния техники с искусством.
Как видите, проблемы БТМ — это сегодняшние проблемы нашего будущего.
Мы предлагаем всем нашим читателям принять участие в разработке объектов БТМ, тем более, что любой объект, если он удовлетворяет требованиям БТМ, может быть использован и на Земле хоть сегодня и для будущих космических полетов.
А. Селюцкий
Не будем, однако, слишком обольщаться нашими победами над природой. За каждую такую победу она нам мстит.
Ф. Энгельс. Диалектика природы
1.
Есть три основных типа разрушающего воздействия современной технической цивилизации на природу:
1.	Преступное разрушение природы. Наиболее откровенная форма уничтожения природной среды. Например, поджоги леса: в пожарах гибнут сотни тысяч гектаров леса. Сброс отходов с танкеров — в открытом море, тайком. Сброс — в реки и озера — отходов нефтеперерабатывающей и химической промышленности. Выброс вредных газов в атмосферу — вопреки всем санитарным нормам.
Недопустимость преступного разрушения природы в какой-то мере осознана обществом. Законы, защищающие природу от варварского истребления, постоянно ужесточаются. Здесь есть резервы для защиты природы: в принципе, в любой день могут быть введены еще более суровые законы и налажен еще более строгий контроль за их выполнением.
2.	«Законное» разрушение природы. Законы позволяют разрушать природу в определенных, якобы безопасных для природы, пределах. Через каждые 10—15 лет выясняется, что пределы эти надо резко ужесточить: нормы пересматривают, делают более жесткими, но в большинстве случаев бывает уже поздно... Казалось бы, надо сразу ввести очень жесткие нормы. Но это разрушило бы основы технической цивилизации. Так, чтобы ликвидировать фотохимический смог в Лос-Анджелесе, надо запретить автомобильное движение. Кто пойдет на это?.. «Законное» разрушение природы продиктовано экономической целесообразностью. Изменить понятие «целесообразности» трудно: надо изменить представление о человеческих ценностях. Пока в споре «автомобиль в центре города или лес на окраине города» безусловно побеждает автомобиль...
Разумеется, есть и такое «законное» разрушение, которое не диктуется железной экономической необходимостью. Такова ситуация с целлюлозными предприятиями на Байкале. Площадь усыхающих лесов в районе Байкала составляет сейчас полмиллиона гектаров, гибнет рыба, изменяется состав воды... Получение какого-то дополнительного количества целлюлозы перевешивает — как фак
15 Зак. 2148
225
тор экономической «целесообразности» — ценность уникального природного региона.
Иногда «законное» разрушение природы идет не непосредственно, а по цепочке. Закон не запрещает строить танкеры все большего водоизмещения. Но большой танкер — это много нефти, сосредоточенной на одном корабле. А море остается морем — со всеми его опасностями, и если гибель небольшого танкера — опасная авария, то гибель супертанкера, перевозящего полмиллиона или миллион тонн нефти,— это катастрофа планетарного масштаба.
Бурно развивается авиация: растет число самолетов, увеличивается мощность двигателей и высота полетов. В атмосферу — на «законном» основании — выбрасывается все большее количество вредных газов. Закон не видит нарастающей опасности разрушения озонного слоя в атмосфере. Между тем, озон защищает все живое на Земле от губительных ультрафиолетовых лучей.
Нарастает мощность лазерных устройств — закон пока не задумывается над возможными последствиями воздействия мощных лазерных лучей на атмосферу...
Законы стремятся не задеть интересы экономики. Законы не заглядывают в будущее. Этим объясняется все более мощное «законное» разрушение природы.
Здесь есть определенные резервы. Законодательство может быть более суровым и более дальновидным. Но резервы эти не слишком велики: нельзя заметно притормозить экономическое развитие и научно-технический прогресс.
3.	Необходимое вытеснение природы. Численность населения на планете быстро увеличивается. Нужны новые города, новые заводы и фабрики, новые дороги... Нужно новое место для технического мира — взять это место неоткуда — можно только отнять его у природы.
Предположим, искоренено преступное разрушение природы, изданы мудрые и дальновидные законы, положившие конец хищническому развитию экономики, нет откровенно преступного истребления природы и нет «узаконенного хищничества». Все равно техника будет стремительно вытеснять природу: нужно место для увеличивающегося населения, нужно место для техники, обеспечивающей высокий уровень благосостояния всему быстро растущему населению планеты.
Предположим невероятное: уже сегодня введены эффективные меры уменьшения темпов роста населения Земли. В самом идеальном случае эти меры скажутся через три-четыре поколения. А этого времени сверхдостаточно для практически полного вытеснения природы техникой.
Мысль 1. Сегодня еще существует шаткое равновесие природы и техники, но потенциально природа обречена; она неизбежно
226
будет вытеснена стремительно растущей техникой — даже если хищническое истребление природы (незаконное и «законное») будет прекращено.
* * *
Мысль о том, что природа даже в самом идеальном случае неизбежно будет вытеснена техникой, встречает сильное психологическое сопротивление. «Этого не может быть, потому что этого не может быть никогда...»
Наиболее распространенный довод: на нашей планете еще много свободного места. Действительно, города, производственные предприятия, дороги занимают всего 3,2 процента земельного фонда нашей планеты; пашни и сады— 10,6; пастбища — 23,2; водохранилища, реки и озера — 2,4 процента. Итого — 39,4 процента имеющегося фонда. Как будто не так и много — меньше половины. Но что представляют собой оставшиеся земли? Ледники, пески и земли, испорченные человеком,— 15 процентов; леса — 30; пустыни — 6,9; болота — 3; тундра — 5,5 процента. Земля поделена без остатка! Уже прекратился рост площадей, отведенных под пашню. Площадь лесов ежегодно уменьшается на 1,7 процента (то есть на 0,5 процента от всего фонда). Это катастрофические темпы: не будет лесов и океанов — не будет кислорода в атмосфере. Осваивать пустыни? Очень дорогое и медленное дело! Вот Каракумский канал. Бетонное русло строить было дорого — канал имеет земляное русло, через которое теряется 17 процентов воды. 170 тысяч литров воды в секунду! Поднимается уровень грунтовых вод, образуются соляные озера... Последствия предсказуемы только в одном: ничего хорошего ждать не приходится. Осушение болот? Нарушается экологическое равновесие, исчезают многие виды растительности, вымирают некоторые виды животных... Необходимо все — и пустыни, и болота, и леса. То, что можно было взять у природы, в основном уже взято...
Другой довод: техника, развиваясь, стремится к миниатюризации, современные ЭВМ в тысячи раз компактнее ЭВМ первого поколения. Да, рабочие элементы современных машин становятся компактнее: увеличивается производительность на единицу веса и объема. Но именно это создает условия для взрывного роста массовости машин: в тысячу раз меньше объем, но зато в тысячу раз больше число рабочих элементов, и в тысячу раз больше места на Земле занимает тот или иной вид машин, и тем больше пространства нужно для производства и обслуживания микротехники.
Еще один довод: технику можно вывести в космос... Напрасная надежда! Выход в космос требует особо интенсивного расши-
227
рения производственных площадей на Земле: нужны новые добывающие, перерабатывающие, машиностроительные предприятия. Нужны новые города, дороги, космодромы...
* * *
Природа обречена. При самом бережном отношении она все равно будет вытеснена техникой. Даже если мы попытаемся затормозить развитие техники, тормозной путь окажется слишком длинным.
Через три-четыре поколения человечеству предстоит жить в мире, в котором природа будет на задворках. Леса пройдут стадии заповедников, потом парков, потом садов и превратятся в чахлые скверики. Пашни станут полутеплицами. Атмосфера загрязнится до недопустимых для человека норм... Может быть, это произойдет не за три-четыре, а за пять-шесть поколений — какая разница?! Важно другое: это неизбежно произойдет, это произойдет неотвратимо, даже при самом бережном отношении к природе, произойдет — потому, что это уже запрограммировано. Мы не успеем сменить стиль жизни, не сумеем понять, что «природные ценности» несоизмеримо выше «автомобильных ценностей». У нас не осталось времени, чтобы перестроиться и спасти природу.
Но есть — еще есть! — время, чтобы взглянуть правде в глаза и подготовиться к жизни в новом техническом мире.
До сих пор техника имела дело, так сказать, с бесприродными «микромирами». Искусственные, технические миры создавались в ограниченном пространстве: в подводных лодках, в кабинах самолетов, на космических аппаратах, в какой-то мере — в производственных и жилых помещениях. В основном же цивилизация была природно-технической. Природа не исключалась, она работала вместе с техникой (и наоборот — техника вместе с природой). Тем не менее в развитии техники очень важное значение имели задачи, выдвигаемые для создания и совершенствования бесприродных «микромиров». Они были одним из главных приводов технического прогресса. Создание и функционирование большого бесприродного технического мира потребуют решения множества технических задач. Нужды нового мира на долгое время станут основным фактором, определяющим будущий технический прогресс.
Мысль 2. Проектирование бесприродного технического мира (БТМ) позволит заранее выявить задачи, жизненно важные для существования и развития цивилизации, и своевременно подгото-228
виться к их решению. Таким образом, проектирование БТМ даст стержневую линию не только для социального, но и для технического прогнозирования.
* * *
Сейчас мы щедро оплачиваем исполнение наших желаний валютой природных ценностей. Захотели обзавестись миллионами автомобилей — пожалуйста! Заняли автодорогами тысячи и тысячи километров природного простора, изломали природу нефтедобычей и нефтепереработкой... Захотели издавать несметное количество печатных изданий — пожалуйста! Пустили под топор леса — источник кислорода...
Перенести такой мир в бесприродные условия невозможно: нечем платить. БТМ должен быть основан на иных принципах.
2.
Мысль о неизбежности мира без живой природы пугает наше воображение. Но отключим на время эмоции и попытаемся трезво оценить возможность создания БТМ.
Принципиальная осуществимость БТМ зависит, прежде всего, от возможности или невозможности техническими средствами сделать то, что природа делает «автоматически» и «бесплатно»: обеспечить человечество кислородом, питьевой водой, пищей, энергией, материалами... Перечень даров природы бесконечен. Природа «автоматически» и «бесплатно» снабжает человечество оптимальными факторами существования: силой тяжести, атмосферным давлением, освещением, температурой и влажностью воздуха. Природа неутомимо уничтожает отходы. Обеспечивает ритмику: смену времен года, суточный цикл, биоритмы и т. д. Дает надежный защитный комплекс: защиту от радиации, вредных излучений, перегрева и переохлаждения...
В рамках этой статьи мы затронем только вопрос о техногенном обеспечении трех наиболее важных функций природы — снабжения человечества кислородом, пресной водой, питанием.
«Проектирование БТМ», «жизнеобеспечение в БТМ» — при постановке задач в таком виде может создаться впечатление, что БТМ это нечто, что можно начать и кончить строить, между тем мы уже живем в БТМ. Мы практически не бываем на открытом воздухе: дом, метро, автобус, цех или другое рабочее помещение, магазины, театры, спортивные залы. Мы не пьем клю-
229
чевой воды, редки в нашем рационе биологически чистые продукты... Это первая, начальная фаза БТМ, когда среда обитания в значительной мере уже бесприродна, но жизнеобеспечение еще основано на природных системах. Следующая фаза — промежуточная: часть функций жизнеобеспечения будет выполняться искусственно, а часть — с использованием природных процессов. При этом «искусственная» часть будет постоянно возрастать. Наконец, заключительная фаза: идеальный БТМ — мир, в котором степень независимости от природы (точнее: от того, что к этому времени останется от природы) очень высока (порядка 90 процентов) и продолжает увеличиваться.
Создание БТМ — долгий процесс, включающий существенно разные фазы. Полный (идеальный) БТМ отделен от нас, живущих в эпоху «раннего» БТМ, долгими столетиями. Но первоначальные, прикидочные расчеты по жизнеобеспечению человечества целесообразнее относить к полному БТМ — процесс его формирования может оказаться быстро ускоряющимся.
Еще одно предварительное — перед расчетами — соображение. По прогнозам ООН к 2080 году население Земли стабилизируется и составит не менее 8 миллиардов человек. К этому времени мощность всех энергетических установок будет составлять примерно 7 • 1О10 киловатт. Исходя из этих данных, мы и будем вести расчеты.
* * *
Обеспечение кислородом. Для дыхания одному человеку требуется 550—600 литров (0,83 килограмма) кислорода в сутки. Всему человечеству на весь 2080-й год понадобится 1,6 • 1015 литра, а на нужды техники (при современной структуре потребления кислорода)— 6—9’1017 литров. При получении кислорода из загрязненного воздуха глубоким охлаждением затрачивается 0,0004— 0,0016 киловатт-часа на каждый литр кислорода. Для всего человечества это составит 1,9*109 киловатта в год, или 0,27 процента вырабатываемой во всем мире энергии. Чтобы обеспечить замкнутый цикл, необходимо получать кислород из выделяемого при дыхании углекислого газа. При разложении углекислого газа электролизом с применением твердых электролитов на каждый литр кислорода, получаемый в течение часа, требуется установка мощностью 6—8 ватт. На каждого человека необходима установка мощностью 150 ватт, на все человечество— 1,2 • 109 киловатта, или 1,7 процента вырабатываемой в 2080 году энергии.
Обеспечение человечества кислородом в БТМ — относительно несложная задача, если речь идет только о дыхании. Иное дело — искусственное обеспечение кислородом техники: тут требуется вдвое больше энергии, чем ее будет вырабатываться во всем мире. 230
Техника должна стать бескислородной. Прежде всего это означает отказ от сжигания угля, нефтепродуктов и газа. Нужен поток новых изобретений по переходу на бескислородные процессы. Сегодня такие изобретения невыгодны. Но создавать и разрабатывать их надо именно сегодня. Завтра будет поздно.
* * *
Обеспечение водой. Норма потребления воды на одного человека в сутки 2,5 литра, в условиях пустынь до 10 литров. На бытовые нужды в крупных городах норма примерно 500 литров. С учетом расходов на промышленность на каждого человека приходится до 6500 литров воды в сутки. При длительных полетах на космических кораблях и орбитальных станциях суточная норма потребления 2,2—2,5 литра на человека, кроме того, на санитарно-гигиенические нужды расходуется от 6 до 25 литров воды в сутки.
Известно много физических, химических, электрохимических и биологических методов получения воды опреснением морской воды или регенерацией ее из отходов жизнедеятельности людей, использованных санитарно-гигиенических или технических вод. Расход энергии при этом может составить 8—10 киловатт-часов на кубометр воды.
Назначение	Суточная норма на человека (литр)	Расход на все человечество за год (литр)	Мощность установок при расходе энергии 0,01 кВт-час на 1 литр	Количество энергии в % от всей получаемой в 2080 г
На физиологические нужды	3	8,76-10'2	1-Ю7	0,014
На бытовые нужды	от 150 до 500	от 4,38.10й до 1,46-1015	от 5-108 до 1,7- 109	от 0,7 до 2,4
На промышленность и сельское хозяйство	6500	1,9-1016	2,2-Ю10 * *	30,9
В таблице приведены данные о расходе энергии при различных
вариантах потребления воды. Космонавты обходятся 28 литрами
воды в день и меньше, поэтому можно рассчитывать на снижение
расхода воды на бытовые нужды по крайней мере до 150 литров
на человека в день. Ни один из вариантов удовлетворения потреб-
231
ностей в воде не вызывает особой тревоги — за исключением, конечно, нужд промышленности и сельского хозяйства: здесь необходима интенсивная перестройка на безводную технологию.
Общие расходы на водообеспечение, по всей видимости, не превысят 10—12 процентов от вырабатываемой энергии, из которых на жизнеобеспечение приходится только 0,014 процента. В настоящее время водоснабжение отнимает 0,7 процента всей вырабатываемой энергии.
* * *
Обеспечение питанием. Энергетическая ценность питания одного человека должна составлять 3000 килокалорий в сутки. Всему человечеству ежегодно требуются 1,16 • 109 киловатт «пищевой» энергии. Для определения общей потребности в энергии необходимо знать к.п.д. системы по производству пищевых продуктов. При использовании природных систем (собирательство, охота) затрачивается в несколько раз меньше мускульной энергии, чем содержится в добытой пище, но этот способ требует в 20 000 раз больших площадей и в 33 раза больше человеко-часов рабочего времени, чем современная технология производства питания. Экономия площади и время, техника снижает к.п.д. получения пищи. В Англии, например, на 1 килокалорию затраченной технической энергии приходится только 0,4 килокалории произведенных продуктов.
В производстве питания наблюдаются две противоположные тенденции. С одной стороны, постоянно снижается природноресурсный потенциал, что приводит к уменьшению к.п.д. С другой — совершенствуется и упрощается технология, что повышает отдачу от затраченной в производстве питания энергии. Широкое распространение, например, получает сейчас новая технология в производстве питания, при которой полностью исключается этап животноводства — растительный белок искусственно превращается в равноценный животному.
Пока не известна технология, которая позволяла бы обеспечить замкнутый цикл воспроизводства продуктов питания без элементов природных систем. На ближайшее будущее тенденции развития будут состоять в использовании более простых природных систем с их симбиозом с технологическими процессами. Вместо экосистем используются их фрагменты, вместо животных — растения, вместо растений — клетчатка и бактерии. Одновременно развиваются технологии искусственного синтеза пищи. В любом случае к.п.д. производства продуктов питания не будет ниже (не должен быть ниже!) 3—4 процентов. При этом для обеспечения питанием человечества потребуется 2,9 • Ю10 киловатт или около 40 процентов всей вырабатываемой энергии. Сейчас сельское хозяйство потребляет 10 процентов энергии.
232
* * *
В сущности, обеспечение БТМ основными продуктами, необходимыми для поддержания жизни, почти всецело зависит от «энергетической платы». Даже современный уровень техники гарантирует энергетику, необходимую и достаточную для постройки БТМ вместимостью в 8 миллиардов человек. Населению БТМ придется отказаться, конечно, от автотранспорта и авиатранспорта (в их современных формах, связанных с чудовищным расходом кислорода, воды и ценных продуктов), но жить в БТМ — дышать, пить, питаться — будет возможно.
Мысль 3. Технически (энергетически) создание БТМ осуществимо уже на современном уровне техники. Это отчасти печальный вывод. Ибо нет самого сильного фактора, который бы сдерживал вымирание природного мира. Как ни грустно, без природы можно выжить, построив БТМ. И природу быстро добьют...
* * *
Наши выкладки — «первоприкидочные» оценки «самого-самого» минимума. Между тем, природный мир построен с колоссальной избыточностью. Эта избыточность с точки зрения, так сказать, самого природного мира обеспечивает ему высокую надежность. А с точки зрения человека, и если так можно выразиться, с точки зрения науки и техники, избыточность дает возможность познания и развития. Исследование и перестройка мира связаны с ошибками. В мире без избыточности такие ошибки означали бы катастрофу. Миру — природному или бесприродному — нужна избыточность.
Один пример: судьба Кара-Богаз-Гола. В 1982 году 200-метровый пролив между Кара-Богаз-Голом и Каспием перегородила дамба. Такое решение было принято из-за обмеления Каспия якобы в результате огромного водоотбора на Волге. Позже, когда соли Кара-Богаза из ценного сырья превратились в разносимый по огромным площадям яд, оказалось, что потери от высыхания Кара-Богаза выше потерь от обмеления Каспия. Попутно выяснилось, что уровень Каспия не понижается, а повышается: главным фактором, определяющим его уровень, оказались тектонические процессы его дна, а не испарение воды Кара-Богаз-Гола и не водоотбор на Волге;.. В БТМ, не имеющем избыточности, такой «прокол» означал бы глобальную катастрофу или, во всяком случае, чрезвычайное бедствие. В мире с высокой избыточностью легко переносятся и значительно большие «проколы»...
Проектирование БТМ с достаточно высокой степенью избыточности в первом приближении сводится к созданию запасов энергии и ограниченного числа наиболее важных веществ. Такая задача
233
не выходит за рамки реальности. Причем «запасы» вовсе не означают «неиспользуемые запасы».
Зимой высокогорное село Куруш в Дагестане полностью оторвано от цивилизации. С древних времен заборы рядом с домами делают там из кизяка. Если к концу зимы топлива не хватает, заборы постепенно разбираются на отопление. Летом запасы восстанавливаются. В 1962 году аналогичное решение выдвинула американская фирма «Грумман Эйркрафт»: изготавливать часть внутренних перегородок космического корабля «Аполлон-С» из прессованной пищевой смеси. Другой вариант создания запасов — мебель, содержащая бертолетовую соль. При сгорании такой мебели выделяется кислород.
Мысль 4. В принципе можно построить БТМ с высокой избыточностью (БТМ-ВИ). Для этого потребуется сделать и реализовать множество новых изобретений. Необходима будет также более высокая степень осмотрительности при исследовании и перестройке мира. Учитывая ускоряющиеся темпы развития науки и техники, следует предполагать, что возможность создания БТМ-ВИ появится уже через 80—100 лет.
3.
В том, что можно на какое-то время создать БТМ или даже БТМ-ВИ, еще, как говорится, мало радости. Мир нужен человеку на очень долгие времена, практически навечно. Человек должен чувствовать: мир будет всегда. Только в вечном мире появятся стимулы к продолжению прогрессирующей эстафеты поколений, к сохранению и развитию цивилизации.
Никакими техническими средствами нельзя обеспечить вечность БТМ. Это проблема по преимуществу социальная, ведь речь идет о строительстве МИРА, а не благоустроенной и долговременной клетки.
Мысль 5. Социально-устойчивый и развивающийся БТМ (СУР-БТМ, СУР-БТМ-ВИ) должен быть миром, неисчерпаемым для познания. Красота этого мира тоже должна быть неисчерпаемой. Только такой мир будет вечным.
Обеспечить неисчерпаемость познания сравнительно легко, -например, исследованиями микромира (глубин вещества) и макромира (Вселенной). Неизмеримо труднее создать мир, неисчерпаемый по красоте. «Запасы красоты» — по этому «показателю» техника сильнее всего уступает природе. Технические системы, как правило, приобретают самоценную красоту лишь на последнем этапе своего существования (такова, например, красота чайных клиперов или деревянного зодчества). Обычно «техническая красота» — это красота узкофункциональная (обтекаемая форма скоростных транспортных средств) или подражающая природе.
234
В 1982 году, когда начиналась работа по теме «БТМ», мы обошли бакинские магазины электротоваров. В продаже были 20 типов электрокаминов. 18 из них наивно и грубо имитировали «горение дров». Два электрокамина (самые дешевые) были узкофункциональны — они представляли собой примитивные электронагреватели. Даже в патентной литературе не оказалось ни единого изобретения, в котором «обыгрывалась» бы красота физических эффектов, присущих только технике и не используемых природой.
* * *
Человек появился и развивался в мире, исключительно благоприятном по познаваемости и красоте. Это одна из главных причин быстрого «очеловечивания человека». Но столь же быстро (даже намного быстрее!) пойдет обратный процесс, если исчерпаются таинственность и красота мира.
Природа имеет колоссальный «запас красоты». В БТМ такой запас создать не удастся. Неисчерпаемость красоты в БТМ может быть обеспечена только возможностью ее постоянного возникновения и развития.
Поясним эту мысль.
До музыки был только природный шум: свист ветра, звуки леса, пение птиц, ритм прибоя... Музыка начиналась с подражания голосам природы. Но очень скоро звукоподражание выросло в МУЗЫКУ. Это единственный бесспорный случай, когда «техническая красота» (в смысле «красота, которая создана искусственно») сильнее и неисчерпаемее «природной красоты».
Мысль 6. Создание СУР-БТМ и СУР-БТМ-ВИ немыслимо без многих новых социально-технических изобретений типа «от шума к музыке». Решение этих сложнейших супер-задач требует огромного расхода сил и времени. Поэтому начинать надо сегодня. Завтра будет поздно.
* * *
В природном мире можно было мыслить методом проб и ошибок. Колоссальная избыточность природы покрывала издержки от ошибок, прощала медлительность и неэффективность решения задач.
Мысль 7. При построении СУР-БТМ и СУР-БТМ-ВИ и для жизни в этих мирах необходимо иное мышление — эффективное, исключающее крупные просчеты, учитывающее диалектику стремительно развивающегося мира. Отдаленным прототипом такого мышления можно считать теорию решения изобретательских задач (ТРИЗ). Точнее — общие принципы сильного мышления, заложенные в ТРИЗ.
235
* * *
Мы живем в мире, где главное — материальное потребление. За столетие такой мир съел половину природы и четыре пятых ее красоты (цифры примерные— речь идет о порядке величин).
Мысль 8. В БТМ неизбежно придется отказаться от материально-потребительского образа жизни, от материального потребления как главной жизненной ценности. Главным вектором БТМ должно стать творчество, направленное на углубление и расширение познания и на обогащение красоты мира. В творчество будет вовлечена большая часть населения БТМ. Потребуется развитая система воспитания творческого мировоззрения и обучения творческой технологии мышления. Дальний прототип такой системы — нынешние занятия по ТРИЗ.
★ ★ ★
Полагалось бы закончить эту проблемную статью традиционным обращением к читателю: авторы будут благодарны за критику и замечания. Но если говорить откровенно, мы знаем замечания и возражения. И отношение наше к ним скорее грустное, чем благодарное. Люди привыкли (и это естественно) к природному миру. Мысль о неизбежности превращения этого мира в БТМ вызывает крайне резкие отрицательные эмоции. Список возражений, которые мы выслушали, пока шла работа над статьей, занял бы не один десяток страниц. Возражения эти основаны на эмоциях (или преимущественно на эмоциях) — и потому неопровержимы. Ну что можно ответить на такой довод: «Все это чушь! Я не представляю, как можно жить в мире, где не будет неба, моря, леса, животных...». Или на такое соображение: «Люди не могут жить без войн и столкновений. А в БТМ любой военный конфликт будет означать конец света...».
Первое время мы пытались противопоставить эмоциям логику, разум, расчеты. Мы доказывали, что переход в БТМ уже идет и обратного пути нет. Мы осторожно намекали, что наши далекие предки тоже не представляли себе жизни без пещер и мамонтов. Мы проводили аналогии между БТМ и кораблем: на кораблях не бывает междоусобных войн — иначе мореплавание было бы невозможно... Все это оставалось пустым звуком. Оппоненты упорно твердили: этого не может быть, потому что этого не было никогда!
Эмоции невозможно переспорить, перекрыть, остановить. Им надо открыть «зеленый свет», пусть свободно выплескиваются. Столкнувшись с невероятным (с тем, что кажется невероятным), человек должен сначала тысячу (или десять тысяч) раз воскликнуть: «Этого не может быть!», чтобы потом, в конце концов, задуматься: «А что если?..».
Итак, авторы заранее благодарны за критику и замечания. И обещают неукоснительно учесть все возражения.
236
237
© Альтшуллер Г., 1991.
Первым преподавателем ТРИЗ стал ее разработчик Генрих Саулович Альтшуллер (он же известен любителям фантастики как фантаст Г. Альтов). И на первых же занятиях он столкнулся с любопытным фактом: слушатели пугались сильных, парадоксальных решений. Приблизившись к такому ответу на задачу, человек буквально в последний момент уходил в сторону от сильного решения к более слабому, но привычному. Психологи называют это психологической инерцией (ПИ).
С психологической инерцией бороться очень трудно. Слушатели соглашаются с наличием у них ПИ, но управлять ею не могут. Преподаватели пробовали писать на доске крупными буквами: «Помни о психологической инерции!», в процессе решения задач постоянно напоминали о ПИ, но и это желаемого результата не давало: инерция продолжала действовать. Именно поэтому Г. Альтшуллер еще в шестидесятых годах начал разрабатывать курс развития творческого воображения (РТВ). С 1976 года Генрих Саулович в газете «Пионерская правда» стал вести тематическую страницу «Изобретать— это так просто, это так сложно!». Было опубликовано 59 полос с задачами, упражнениями, пояснениями. Участие в заочной школе РТВ приняли десятки тысяч советских ребят. Ответы на задачи, особенно в последние годы, приходили в очень больших количествах («Пионерская правда» пересылала Генриху Сауловичу в Баку, где он тогда жил, буквально мешки писем). И каждое письмо им было проанализировано, были выявлены типовые ошибки, что позволило откорректировать курс и смоделировать его не только для детей, но и для взрослых, поскольку у детей ПИ гораздо меньше. Следующим этапом стала работа со взрослыми через журнал «Техника и наука» (ТиН), в котором занятия по ТРИЗ и РТВ шли в течение 1979—1982 гг. Анализ писем инженеров, участвовавших в конкурсах ТиНа, позволил сформировать учебный процесс 1-го курса РТВ.
Предложенные статьи (относятся к 60—70-м годам) вводят в творческую мастерскую, в которой разрабатывались основы РТВ и велись первые экспериментальные занятия.
А. Селюцкий
239
КРАСКИ ДЛЯ ФАНТАЗИИ
I
Читатели, интересующиеся фантастической литературой, вероятно, заметили, что в последние десятилетия фантастика стала с особым вниманием присматриваться к самой себе. С 1967 года только в журналах и сборниках опубликовано свыше шестидесяти статей, в той или иной мере затрагивающих теоретические проблемы фантастики как литературного жанра. Вышли из печати книги Георгия Гуревича «Карта страны фантазии» и Бориса Ляпунова «В мире мечты» — своего рода путеводители по научно-фантастической литературе. В ежегодниках «Фантастика», выпускаемых издательством «Молодая гвардия», печатается составленная Александром Евдокимовым обстоятельная и точная библиография советской фантастики с 1917 года. Появилась и тут же исчезла с прилавков книжных магазинов содержательная монография Анатолия Бритикова «Русский советский научно-фантастический роман».
Постепенно складывается теория фантастики. И, как это бывает со всеми складывающимися теориями, дело начинается с описи изучаемых объектов. Возникающая на наших глазах теория фантастики еще не задает вопроса: «Почему?» — пока она ограничивается фактографией, хронологией.
В 1895 году была опубликована «Машина времени» Уэллса. Полвека спустя появились «Хроноклазм» Уиндема и «Конец Вечности» Азимова. Это из области хронологии. А вот фактография: упомянутые произведения Уиндема и Азимова используют, казалось бы, непосредственно вытекающую из книги Уэллса идею хроно-клазмов — парадоксов, вызванных вмешательством в предшествующую историю.
«Почему?» возникает за гранью хронологии и фактографии. Почему «Хроноклазм» и «Конец Вечности» принадлежат Уиндему и Азимову, а не Уэллсу? Возможность возникновения хроноклаз-мов — прямое следствие уэллсовской концепции путешествий во времени. В одном месте своего рассказа уэллсовский Путешественник вплотную приближается к проблеме хроноклазмов... и почему-то уходит в сторону.
Допустим, в «Машине времени» Уэллсу не нужна была путаница с хроноклазмами. Но после «Машины времени» Уэллс работал в фантастике еще четыре десятилетия. Он продолжал думать о
240
фантастических ситуациях, связанных с управлением временем, и в 1903 году опубликовал рассказ «Новейший ускоритель». Однако ускоритель и другие идеи о времени намного слабее очень плодотворной по литературным возможностям ситуации с хроноклазмами. Не случайно в современной фантастике известны лишь два-три подражания «Новейшему ускорителю», зато хроноклазмы используются весьма широко. Вряд ли Уэллс отказался бы от идей, легших в основу таких вещей, как «Хроноклазм» Уиндема, «И грянул гром» Брэдбери, «Бесконечная ночь» Буля, «Конец Вечности» Азимова... Тут, видимо, был какой-то психологический барьер.
Какой?
И почему его трудно было преодолеть?
Как вообще возникают новые фантастические идеи?
Нет ли каких-то объективных закономерностей в их появлении?
А если такие закономерности есть, нельзя ли, используя их, найти новые, никому еще не известные фантастические идеи?..
Теория фантастической литературы подобна только что открытому континенту: на карты нанесена лишь узкая береговая полоса, а за ней в загадочной дымке лежат огромные неисследованные пространства, полные удивительных и нераскрытых тайн. Я хочу рассказать об одном путешествии, предпринятом в глубь этой таинственной и прекрасной страны. Это был всего лишь разведывательный рейд и, как всякая разведка, он дал сведения частичные и в какой-то мере предположительные. Пройдет время, и армия исследователей многое уточнит и исправит. Но разве не интересно сегодня хотя бы краем глаза взглянуть на то, что будет открыто завтра?..
il
Руал Амундсен в своей автобиографии пишет, что путешествия подобны айсбергу: девять десятых, приходящихся на подготовку, не видны, на поверхности остается лишь одна десятая часть — собственно путешествие. Так получилось и на этот раз. Чтобы изучить механизм фантастики, нужно было прежде всего собрать идеи, разбросанные в тысячах произведений. Собрать, ввести классификацию, составить «Регистр фантастических идей». Эта работа велась на протяжении многих лет. Сейчас в «Регистре» записано около трех тысяч идей, разделенных на классы, подклассы, группы и подгруппы.
До этого еще никто не собирал и не систематизировал фантастических идей, фантастику изучали на библиографическом уровне. «Регистр» сыграл роль исследовательского прибора, позволившего рассмотреть тонкий и порой причудливый процесс возникновения фантастических идей.
16 Зак 2148
241
Оказалось, что в развитии любой фантастической темы (космические путешествия, связь с внеземными цивилизациями и т. д.), существуют четыре резко отличающиеся категории идей:
—	один объект, дающий некий фантастический результат;
—	много объектов, дающих в совокупности уже совсем иной результат;
—	те же результаты, но достигаемые без объекта;
—	условия, при которых отпадает необходимость в результатах.
По каждой теме постепенно воздвигаются как бы четыре этажа фантастических идей. Они качественно отличаются друг от друга, эти этажи. Если мы возьмем такую тему, как «Связь с внеземными цивилизациями», то на первом этаже будут идеи о связи с одной цивилизацией. Есть ряд произведений, использующих такого типа идеи. На втором этаже (связь со многими внеземными цивилизациями) — выдвинутая И. Ефремовым идея Великого Кольца. Точно так же отличается идея одной машины времени у Уэллса от азимовской Службы Вечности, основанной на одновременных контактах со многими эпохами.
Два уточнения.
Верхние этажи нисколько не лучше нижних. Речь идет о внутренней логике развития идей — и только. Литературные возможности идеи определяются отнюдь не номером этажа, к которому она принадлежит.
Далее. Наличие четырех этажей вовсе не означает, что по каждой теме возможны всего четыре идеи. На любом этаже может разместиться неограниченное число отличающихся друг от друга «изотопов», «изоэтажных» идей, объединенных лишь тем, что все они соответствуют общей формуле этажа.
Рассмотрим одно из самых приметных четырехэтажных зданий — «Способы и средства межзвездных перелетов».
Особенность таких перелетов в том, что необходимо преодолевать огромные (даже по сравнению с межпланетными) расстояния. Корабль должен лететь на субсветовой скорости, а при такой скорости время замедляется. Космонавты вернутся, когда на Земле пройдут десятки, сотни, быть может, тысячи лет. На этом и основаны литературные коллизии.
Первый этаж — идея полета одного корабля. Изюминка здесь в том, что летят впервые, и писатель концентрирует внимание на трудностях полета, на раскрытии характеров людей, впервые идущих сквозь звездную бездну. Таков, например, роман С. Лема «Магелланово облако».
Второй этаж — много звездолетов. Мир с развитой системой межзвездных трасс. На этом этаже фантасты ставят иные цели, используют иные средства, решают иные проблемы. Не утратят ли 242
единства потоки цивилизации, расходящиеся в разные стороны? Не пойдут ли колонии, отделенные друг от друга сотнями световых лет, по независимым путям эволюции? Такова проблематика рассказа В. Журавлевой «Второй путь». В рамках первого этажа эти проблемы просто не могут возникнуть.
Третий этаж — «тот же результат, но без объектов», то есть межзвездные путешествия, но без звездолетов. Одна из первых идей этого этажа выдвинута И. Ефремовым в повести «Звездные корабли». Предположим, десятки миллионов лет назад чья-то звезда с планетной системой приблизилась к Солнцу. Тогда межзвездные перелеты были бы возможны и на обычных планетолетах.
Другая идея этого же этажа использована Г. Гуревичем в рассказе «Инфра Дракона»: а вдруг совсем недалеко от Солнечной системы находятся невидимые инфразвезды? В этом случае межзвездный полет опять-таки свелся бы к полету межпланетному илй почти межпланетному.
Интересная идея выдвинута и К. Саймаком. Пусть полет продлится очень долго. Полетит не субсветовой звездолет, а обычный «тихоходный» планетолет. Полет растянется на сотни лет, на корабле будут сменяться поколения. Последнее поколение долетит до намеченной цели (рассказ «Поколение, достигшее цели»).
Посмотрите, как отчетливо выявляется внутренняя логика возникновения новых фантастических идей. Нужно преодолевать межзвездные расстояния, но без субсветовых звездолетов. Писатель, следовательно, может оперировать только двумя величинами — расстоянием между звездами и сроками жизни экипажа. Расстояния нужно уменьшить, не вступая в конфликт с фактами, то есть с тем, что мы видим. Пусть теперь мы видим большие межзвездные расстояния, но ведь когда-то они могли быть меньше: отсюда идея И. Ефремова. Пусть непреодолимо расстояние до видимых звезд, но могут быть близкие невидимые звезды: так возникает идея Г. Гуревича.
Дальность полета можно увеличить и за счет «долголетия» экипажа. Тут две возможности: послать в полет фантастического «сверхдолгожителя» или же рассчитывать на смену поколений. И Саймак обыгрывает обе эти возможности в рассказах «Отец-основатель» и «Поколение, достигшее цели».
Третий этаж еще далеко не застроен. Возьмем, например, идею И. Ефремова о том, что в прошлом две звезды со своими планетами могли сблизиться на «перелетаемые» расстояния. Поскольку тогда на Земле не было людей, уменьшаются литературные возможности идеи: нет встречи двух цивилизаций. Так почему бы не использовать более выигрышную ситуацию, допустив, что сближение произойдет в будущем?..
Наконец, четвертый этаж — «условия, при которых результат
243
не нужен», то есть условия, вообще исключающие необходимость в межзвездных перелетах. Идея такого типа использована в моем рассказе «Порт Каменных Бурь». Развитые цивилизации объединяют свои солнечные системы в шаровое скопление, чтобы раз и навсегда (причем для всех, а не только для отдельных космонавтов) преодолеть межзвездные расстояния, войти в постоянный контакт с тысячами других цивилизаций.
Ill
По каждой теме можно возвести четырехэтажное здание фантастических идей. Но современная фантастика по преимуществу одноэтажна и двухэтажна. Как и подобает быстро развивающемуся жанру, фантастика сегодня — в строительных лесах.
Застройка идет не только вверх, но и вширь: на каждом этаже может поместиться множество «изотопных» блоков. Вообще, простора для развития фантастики вполне достаточно. Тем досаднее наблюдать толчею на отдельных истоптанных пятачках. Бесконечно варьируются незамысловатые сюжеты с космическими пришельцами, свихнувшимися роботами, дерущимися друг с другом двойниками-биокопиями (в повести Г. Анфилова «X» драку устраивают десять биокопий, у С. Лема в рассказе «147 вихрей» дерутся 147 биокопий...).
На пути к новым фантастическим идеям возникают психологические барьеры. Умение преодолевать их во многом определяет творческое мастерство писателя-фантаста. «Четырехэтажная» схема, проясняя структуру фантастики, облегчает преодоление психологических барьеров.
Посмотрим на конкретном примере, как идет процесс создания новой фантастической идеи, если используется «четырехэтажная» схема. Возьмем скромное одноэтажное здание «Космический скафандр» и попытаемся его достроить.
На первом этаже — «один скафандр». Есть несколько неплохих произведений, обыгрывающих идею изоляции человека от непригодных для жизни космических условий. Можно вспомнить, например, рассказ Р. Шекли «Земля, воздух, огонь и вода». Второго этажа («много скафандров») пока нет. И это понятно: переход от одного скафандра к массовому их применению не открывает сколько-нибудь интересных литературных возможностей.
Здесь мы сталкиваемся с интереснейшим явлением: зачастую бесперспективный второй этаж отбивает желание подниматься выше. Между тем, над «нежилым» вторым этажом можно вполне продолжать строительство.
Третий этаж: «тот же результат (изоляция от непригодных для
244
жизни условий), но без скафандра». Фантастика еще не добралась до этого этажа, хотя в нем уже обитает научная гипотеза (увы, так бывает нередко). Я имею в виду идею киборгизации человека, выдвинутую Манфредом Клайнсом и Натаном Клайни: организм перестраивается так, чтобы человек мог находиться в открытом космосе без скафандра. Впрочем, этаж просторный. Тут хватит места для многих «изоэтажных» идей.
Четвертый этаж: «условия, при которых нет необходимости в результате». То есть условия, исключающие необходимость в изоляции. Человек находится в открытом космическом пространстве — без скафандра и без перестройки организма. На первый взгляд, это невероятно. Но ветер невероятности — лишь признак того, что приоткрывает дверь в фантастику.
Чтобы человек мог находиться в космосе без скафандра, нужна космическая атмосфера. Безвоздушное пространство должно перестать быть безвоздушным...
Не правда ли, ощущение невероятности усиливается? Что ж, чем круче барьер, тем интереснее расположенная за ним фантастическая идея.
Итак, мы пришли к мысли об изменении условий в космическом пространстве. Есть проект Дайсона: «распылить» Юпитер и построить сферическую оболочку вокруг Солнца. К сожалению, Дайсон не учел, что такая оболочка не сможет существовать: только в экваториальном ее поясе сила солнечного притяжения будет уравновешена центробежной силой вращения. В связи с этим профессор Г. Покровский предложил строить раковину — оболочку, состоящую из отдельных поясов, каждый из которых движется со своей скоростью.
Сфера Дайсона и раковина Покровского нужны, чтобы «поймать» все излучение Солнца и расширить «жилплощадь» цивилизации. Обе идеи выдвинуты учеными, но, увы, они не могут претендовать даже на звание научно-фантастических. Взрыв Юпитера и распыление его вещества — уже на грани фантастики. Но перенос распыленной материи ближе к Солнцу и «лепка» из нее оболочки диаметром с земную орбиту — задача, лежащая где-то за пределами фантастики. Когда на рисунках Г. Покровского ракетные корабли буксируют кусочки раковины, это выглядит слишком уж наивно.
А если распылить Юпитер и предоставить распыленное вещество самому себе? Оно соберется в гигантский диск шириной от орбиты Меркурия (более близкие частицы будут падать на Солнце) и до орбиты Плутона (более далекие частицы будут рассеиваться) .
Отсутствие плотной среды — вот из-за чего требовалась изоляция человека в космосе. Такой средой может стать наклоненный
245
под некоторым углом к плоскости планетных орбит Межпланетный Атмосферный Диск.
Атмосферный?
Даже если распыленное вещество будет иметь достаточную плотность, им нельзя будет дышать.
Еще один психологический барьер...
Пусть диск будет некислородным! Важно, что вместо пустоты за бортом корабля будут неограниченные количества вещества: из него можно «отсеять» кислород или переработать это вещество на кислород. К тому же вещество Диска может быть использовано в качестве топлива... и как опора для крыльев.
Отбросим теперь идею о дыхании в Межпланетном Атмосферном Диске, это сущая безделица по сравнению с тем, что Диск дает опору крыльям!
Пустая космическая бездна разделяла планеты: при любой — самой совершенной — технике полетов планеты были разрознены, перелеты доступны ничтожной части населения. Межпланетный Атмосферный Диск превратит планеты в порты на берегу общего океана. Принципиально упростится техника полетов, неизмеримо возрастут количество и разнообразие кораблей. Космос станет живым, общедоступным — как сейчас моря и океаны.
По проектам Дайсона и Покровского нужно было создать вокруг Солнца тонкие оболочки. Монтаж таких оболочек лежит за гранью фантастики. Между тем, Диск должен сам собой образоваться из распыленного вещества. Более того, подобный Диск уже был на самом деле! Именно он предшествовал возникновению планет по теории О. Ю. Шмидта. К услугам фантаста работы О. Ю. Шмидта, содержащие массу сведений о первичном пылевом облаке, его структуре, устойчивости, условиях в нем и т. д.
Впрочем, дело совсем не в научно-технической достоверности. Как идея фантастическая, Диск вполне правдоподобен, и для нас неизмеримо важнее литературный потенциал этой идеи.
Написано великое множество произведений, так или иначе связанных с космическими полетами. И всегда за бортом кораблей были черная пустота и безмолвие, нарушаемое лишь стандартным постукиванием метеоритов. Теперь мы получаем возможность показать живой космос! В Диск могут быть перенесены все земные атмосферные явления, увеличенные в миллионы раз, ставшие космическими по масштабам — и потому совершенно новыми. Представьте себе бурю в Диске. Или радугу. Или бесконечную игру света...
IV
В статьях о фантастике до сих пор бытует предельно упрощенная «теория», согласно которой фантастические идеи вовсе не обязательны для создания доброкачественных произведений. Доказы
246
вается такая «теория» очень просто. Сначала термин «фантастические идеи» подменяется термином «научно-технические идеи». Затем следует напоминание, что художественная литература является прежде всего человековедением. И сразу же делается категорический вывод: «Или техницизм, или человековедение. Приходится выбирать»1.
Любопытно оценить с этих позиций «20 тысяч лье под водой» Жюля Верна. Получается, что капитан Немо — это «человековедение», а «Наутилус» — «техницизм». Профессор Аронакс — тоже «человековедение», а подводные пейзажи, в которые он жадно всматривается,— конечно же, «техницизм»... Но разве можно представить себе капитана Немо без «Наутилуса»? Или профессора Аронакса без тех чувств и мыслей, которые вызывает в нем океан?..
Во многих современных произведениях, и в этом их беда, бродят «капитаны Немо», не способные придумать «Наутилус», и «Аронаксы», в глаза не видавшие океан. Вот, например, рассказ В. Михайлова «День, вечер, ночь, утро». Героине рассказа, архитектору, предстоит решить — переселяться ли в будущее, сможет ли она там продолжать любимую работу. Типично «человековедческая» ситуация. Героиня спрашивает человека, прибывшего к ней из будущего, об архитектуре. «Он стал рассказывать, рисуя в воздухе руками, и один раз даже остановился, чтобы нацарапать на песке контуры. Все было новым, кое с чем Кира не согласилась бы, многого просто не понимала; было ясно лишь, что это архитектура совсем других материалов и техники, задач и потребностей и эстетические критерии тоже, очевидно, подверглись определенным изменениям»1 2. Попробуйте на основе такого описания представить себе, какая она, архитектура будущего! Автору не хватило «техницизмов», а диалектика фантастики такова, что «человековедение» без «техницизмов» превращается в фикцию. Решение героини рассказа («Я не смогу там работать!») лишено художественной мотивировки, и, естественно, не вызывает у читателя никаких эмоций.
Фантастические идеи (в том числе и «техницизмы») играют роль красок на палитре писателя-фантаста. И если палитра бедна красками, нарисованная картина неизбежно окажется серой и невыразительной.
Идея Большого Диска — типичный «техницизм». Краска, ждущая художника... Но без красок не было бы живописи.
1 Ревич В. Реализм фантастики // Фантастика-68. М.: Молодая гвардия, 1Q6Q С 974
2 Искатель. 1968. № 4. С. 28.
247
V
Исследователю, изучающему технологию писательского труда, приходится выслушивать возражения двоякого рода. «Помилуйте,— говорят одни оппоненты,— кому это интересно? К чему разбираться в этой... технологии? Ведь все ясно: хороший писатель пишет хорошо, плохой пишет плохо...». По этой логике хорошие булки произрастают на хороших деревьях, а плохие — на плохих. Чисто потребительская мудрость. И оспаривать ее бесполезно, потому что потребитель не способен задуматься над природой вещей. Литература для него только продукт.
Другие оппоненты выдвигают соображения, на первый взгляд, более основательные. «Вы хбтите,— говорят они,— раскрыть механизм творчества. Не приведет ли это к тому, что все будут мыслить и писать одинаково?»
Что ж, «четырехэтажная схема» действительно кажется общедоступной. Бери любую уже известную идею, преобразуй ее по формулам этажей и получай новые фантастические идеи, ситуации, сюжеты... На самом деле общедоступность эта обманчива. «Четырехэтажная схема» нисколько не унифицирует мышление писателя. Напротив, она помогает уйти от бесконечных повторов, от толкучки на пятачке избитых тем и сюжетов. Индивидуальность писателя от этого нисколько не страдает. Разве погибла живопись после того, как были открыты и стали сознательно применяться законы перспективы?
Давайте еще раз на конкретном примере проследим за процессом рождения новой фантастической идеи. Посмотрим, мешает ли понимание технологии творчества свободному полету фантазии?
Вот несколько широко известных идей, относящихся к фантастическим изменениям человеческого организма: человек-невидимка, человек-амфибия, человек, проходящий сквозь стены... Попытайтесь теперь придумать что-нибудь новое — и вы невольно начнете продолжать этот ряд. Человек, который видит электричество. Человек, который не знает усталости. Человек с безграничной памятью...
Инерция мышления заставляет нас идти вдоль ряда и перебирать «изоэтажные» идеи. Попробуем преодолеть эту инерцию, применяя наши представления о технологии фантазии.
Нетрудно заметить: мы имеем дело с идеями первого этажа. Каждая из этих идей относится только к одному изменению. Следовательно, должен быть и второй этаж — многие изменения человеческого организма.
Удивительная вещь: существуют сотни фантастических произведений, использующих идею какого-то одного изменения, но еще ни разу не обыгрывалась идея многих изменений!
248
Итак, человек со многими дополнительными свойствами. «Четырехэтажная схема» с математической точностью подняла нас на новый этаж. Но дальнейшее всецело зависит от индивидуальности писателя. Можно ограничиться простым комбинированием нескольких изменений. А можно пойти значительно дальше. Тут все зависит от личности писателя.
Я бы, например, прежде всего попытался разобраться: а почему сама природа не создала такого человека? «Дополнительные» свойства отнюдь бы нам не помешали. Например, способность к регенерации частей тела. Или всевозможные «шестые чувства», позволяющие ориентироваться в пространстве. Ведь это могло быть сильным фактором в борьбе за существование. Между тем, в процессе эволюции человеку пришлось расстаться со многими качествами, о восстановлении которых сейчас можно только мечтать.
Если исчезают полезные качества, причина может быть только одна: им пришлось уступить место другим, более необходимым.
Человек, как и всякое живое существо, начинается с одной клетки, которая должна содержать весь генетический план построения организма. Как бы ни была компактна запись, план не может бесконечно дополняться новыми разделами, для них не будет места.
Клетка, с которой начинается человек, подобна тетради с конспектом. Можно увеличить объем тетради, можно перейти от крупного почерка к мелкому, даже к стенографии. Природа использовала эти пути. Половые клетки (гаметы) — гиганты и сверхгиганты клеточного мира. Дальнейшее увеличение гамет вряд ли возможно. Количество хромосом тоже нельзя увеличить, потому что хромосомы начнут «налезать» друг на друга и «портиться». Имеет предел и усовершенствование «генетической стенографии»: чем тоньше механизм записи, тем более вероятна возможность его повреждения.
Клетку с хромосомами можно сравнить с автобусом, в котором везут свежие глиняные фигуры. Нельзя увеличивать размеры автобуса — машина потеряет подвижность. Нельзя нагружать побольше фигур — они будут ударяться друг о друга и портиться.
Хромосомный аппарат человека — оптимальное решение. Количество и степень сложности хромосом и так уже на пределе. Двадцать типов хромосомных заболеваний, болезнь Дауна, поражающая каждого семисотого ребенка,— такой ценой приходится платить за сложность хромосомного аппарата.
Чтобы записать в «генную тетрадь» дополнительные качества (способность к регенерации, способность быть амфибией и т. д.), нужно сначала стереть что-то из старых записей, нужно от чего-то отказаться.
Люди, издавна населяющие малярийные районы, устойчивы к
249
малярии. Гены, благодаря которым достигается устойчивость, находятся в гетерозиготном состоянии, то есть в одной хромосоме из двух, составляющих пару. Зато гомозигот (обе пары хромосом имеют одинаковые гены) вызывает смертельную болезнь — анемию. От браков между устойчивыми к малярии людьми гибнет четвертая часть потомства, вот чем оборачивается «дополнительное» качество...
Не за горами время, когда биология сможет управлять генным аппаратом человека. Вы захотите, например, обрести фантастическую способность самовосстановления утраченных органов, и биологи скажут: «Пожалуйста». Но для записи в «генную тетрадь» нового качества вам придется поступиться чем-то уже записанным. Нелегок будет выбор...
Тут угадывается целый пласт интереснейших фантастических конфликтов, ситуаций, сюжетов. Но мы продолжим наш мысленный эксперимент и пойдем дальше. Допустим, «генная тетрадь» исписана максимально полно. Не прекратится же на этом всякое развитие!
Один и тот же объем записи можно использовать двояко: либо записывать, так сказать, все предметы, либо записывать только один предмет, но подробнее. Специализация — таков резерв дальнейшего развития. А для специализации нужно общество.
У муравьев «генная тетрадь» очень невелика. Она была быстро заполнена, и природе пришлось изобрести муравьиное общество: из универсалов-пра муравьев возникли специалисты-муравьи, собранные в муравейник.
Эволюция вида идет сначала по линии быстрого совершенствования особи — до тех пор, пока не будет заполнена «генная тетрадь». Тогда из особей образуется общество и начинается второй этап: в «генной тетради» стираются целые страницы и возникают новые — специализированные — записи.
Ну, а когда исчерпывается и этот резерв?
Что будет дальше?
Первый этаж: отдельные «генные тетради». Второй: совокупность специализированных «генных тетрадей». Третий: тот же результат (увеличение емкости генной записи), но без объекта (без «тетради»). «Четырехэтажная» схема выводит нас к новой, еще нетронутой россыпи фантастических идей. В примере со скафандром было безвоздушное пространство, в котором можно дышать. Теперь у нас идея генной записи... без генов.
Генетическая информация должна сохраниться. Но хранить ее — по этой идее — придется не в клетке. Следовательно, должен быть какой-то внешний источник генной информации. Раз внешний, значит искусственный. А потому... Но пусть читатель сам дофанта-зирует. Это лучший способ убедиться в том, что «четырехэтаж-250
ная» схема, придавая мышлению целенаправленность, отнюдь не избавляет от необходимости думать. Как компас не избавляет от необходимости идти к цели.
VI
Здесь мы сделаем небольшое отступление и посмотрим сквозь найденный магический кристалл на эволюцию динозавров. Уж очень соблазнительно разворошить эту исконно фантастическую тему.
Итак, динозавры.
Сначала их «генная тетрадь» пополнялась новыми записями: от неуклюжих жабообразных мосхопсов эволюция пришла к тираннозаврам — сложному и по-своему совершенному механизму. «Генная тетрадь» была исписана до последней строчки. Казалось бы, должна начаться новая эпоха — расцвет «динозаврового общества». Но общество так и не возникло: слишком велики были размеры динозавров. Пока эволюция шла по пути совершенствования отдельных особей, увеличение размеров было выгодно. Однако именно эти гигантские размеры и не позволили построить общество специализированных динозавров. Чтобы прокормиться, динозавру требовалось слишком много пищи. Динозавровой «общине», способной уместиться на поляне в триста метров на триста, нужна была бы для прокорма территория целой страны. Одним специализированным динозаврам пришлось бы мчаться с огромной и практически недостижимой скоростью к границам территории, чтобы доставить корм другим специализированным динозаврам, находящимся в общине.
Последние динозавры стали мельче, они начали сбиваться в крупные группы — эволюция старалась вернуться назад... Вынужденные терять время на эволюционное отступление, динозавры были обречены: у конкурентов эволюция шла без отступлений.
Динозавров погубили не холода, не извержения и не космическая радиация. Их погубила невозможность развития. Смертный приговор был подписан, как только обнаружилось, что «генная тетрадь» заполнена, а создать общество невозможно. Внешние факторы сыграли лишь роль исполнителей приговора. Всякое изменение автоматически давало преимущество млекопитающим, которые в то время только начинали заполнять свои «генные тетради» и потому легко могли приспосабливаться к любым изменениям среды.
Все мы чуть-чуть динозавры. Мы живем в быстро меняющемся мире. Конечно, люди сумеют приспособиться к нарастающему темпу изменений. Но есть что-то по-человечески волнующее в древней трагедии динозавров.
251
Человековедение в фантастике далеко не так прямолинейно, как это кажется противникам «техницизмов»...
VII
Я далек от мысли, что «четырехэтажная» схема главная или даже единственная линия развития фантастических идей. Вероятно, есть несколько таких логических линий. Должны существовать и определенные приемы получения «изоэтажных» идей. Должен быть какой-то (он пока только угадывается) тонкий механизм взаимодействия «техницизмов» с «человековедением». Все это еще предстоит исследовать.
Шестидесятые годы — время бурного развития советской научно-фантастической литературы. Количество постоянных читателей фантастики увеличилось в десятки раз. На первых порах новые читатели охотно принимали любую фантастику. Десятикласснику, впервые прочитавшему «Гриаду» А. Колпакова или «Спираль времени» Г. Мартынова, казалось, что авторы открывают ему волшебные звездные миры. Но, повзрослев на несколько десятков книг, тот же десятиклассник обнаруживал, что ему лишь пересказали, притом с чудовищными потерями, то, что уже было у Алексея Толстого, Ефремова, Азимова, Саймака, Шекли... Фантастику чаще всего читают беспорядочно, но много, и через какое-то время это «много» срабатывает, помогая приобрести правильное представление об истинных и мнимых ценностях фантастической литературы. И вот тогда читатель начинает замечать, что современная фантастика слишком уж задержалась на вчерашних сюжетах, ситуациях, идеях. Космические пришельцы, бунтующие роботы, дерущиеся между собой двойники-биокопии, незамысловатые казусы из-за петель времени — вся эта вчерашняя экзотика уже не удовлетворяет повзрослевшего читателя. Не случайно анкетный опрос, организованный Комиссией по научно-фантастической литературе Союза писателей Азербайджана, показал, что основную слабость фантастики читатели видят в дефиците новых фантастических идей.
Подобно фотону, не имеющему массы покоя, фантастика может существовать только в движении, в развитии. В наши дни фантастическая литература должна выйти на новые рубежи. Предстоит нелегкий переход к новым проблемам, новым героям и новым художественным приемам. И многое, очень многое зависит от развития теории фантастики.
ЭТЮДЫ О ФАНТАЗИИ
БЕЛЫЙ МЕДВЕДЬ В КАРАКУМАХ
Что такое фантазия?
Увы, я не могу ответить на этот вопрос. Я не знаю, что такое фантазия. Этого никто не знает, хотя в формулировках недостатка нет. Скажем, в словаре Даля фантазия характеризуется как «изобретательная сила ума, творческая сила художника, самобытная сила созидания». А что такое «самобытная сила созидания»? Видимо, «самобытность» — когда много фантазии... Получается так: продукт маслянист, когда в нем много масла, а масла много в том случае, когда продукт маслянист.
Есть и другие определения. Психолог А. П. Нечаев писал в двадцатые годы (и это часто повторяют до сих пор), что воображение «обозначает состояние сознания, аналогичное восприятию, но не соответствующее действующим раздражителям». Беда, однако, в том, что за редчайшим исключением невозможно установить, что соответствует действию раздражителя, а что не соответствует. Два человека смотрят на картину Пиросманишвили и воспринимают ее по-разному. «Какое спокойствие и достоинство,— взволнованно думает один.— Они сидят за столом и не спешат, не суетятся... Вот так надо жить...» «Какой примитив,— с раздражением думает другой,— нелепые фигуры, безжизненные лица... Все должно быть иначе...» У кого из них больше фантазии, если оценивать по А. П. Нечаеву?
Мы судим о фантазии примерно так, как судили о природе теплоты в конце восемнадцатого века. Теплота — это когда в теле много теплорода. А что такое теплород? Это, знаете ли, такая невесомая, незримая, неосязаемая субстанция, которая является носителем тепла... Впрочем, рассуждения о теплороде не мешали объективно и точно измерять температуру. А вот «градусы фантазии» мы совершенно не умеем определять.
Существует знаменитый тест Роршаха. Возьмем лист бумаги и посадим на него чернильную кляксу. Перегнем листок пополам так, чтобы линия сгиба прошла через кляксу. Получится симметричное чернильное пятно с причудливыми очертаниями. Надо посмотреть и сказать — на что похоже это пятно. Чем оригинальнее сравнение — тем, считается, сильнее фантазия. К сожалению, в самой идее теста заложено неустранимое противоречие. Испытуемый не знает, чего от него хотят, и потому не «включает» фантазию. А если знает, ничего не стоит получить высокие показатели.
Однажды на курсах по изобретательству ко мне подошел слушатель и протянул бумажку с чернильной кляксой: «На что это
253
похоже?» Я сделал вид, что внимательно рассматриваю бумажку, и сказал фразу, не имеющую никакого отношения к кляксе:
— Это белый медведь, идущий в полдень по раскаленным пескам Каракумов. Он в тапочках, но они ему жмут.
— Почему белый медведь и в пустыне? — спросил ошарашенный слушатель.— Почему белый медведь, ведь клякса темно-синяя!
— Белый медведь,— твердо повторил я.— Он потемнел от загара. В пустыне сильное солнце.
— А тапочки? — с отчаянием произнес слушатель.— Где вы увидели тапочки?!
Я наугад ткнул в кляксу:
— Здесь.
— Но тут две сходящиеся линии...
— Это две ноги в одной тапочке. Поэтому и жмет.
Слушатель долго разглядывал кляксу, потом вздохнул и сказал:
— У вас потрясающая фантазия... Я показывал эту кляксу нашим ребятам, они говорили банальные вещи: бабочка, дерево, куст...
ПРЕКРАСНОЕ ПЛАМЯ ОСЕНИ
Мы не знаем, что такое фантазия, но это не мешает использовать ее в творчестве. Огнем тоже пользовались, не имея понятия об окислении, плазме и т. д. Правда, огонь фантазии немного капризнее и таинственнее обычного огня...
«Свидетельских показаний» о том, как именно работает фантазия, чрезвычайно мало. К тому же не все показания достоверны. Рассказывая о ходе творческого процесса, человек — вольно или невольно — вносит поправки, что-то выделяя и что-то, наоборот, оставляя в тени.
Одно из наиболее интересных «показаний» — воспоминания шведского изобретателя Платена о том, как появилась идея пресса для получения алмазов. Вот что рассказывает Платен:
— Был прекрасный осенний день. Я только что поступил в университет города Лунда. Проходя мимо факультета ботаники, я увидел, что одна из стен здания покрыта виргинским плющом. Его листья были замечательного красного цвета. Каждая осень сопровождается переходом от зеленого к красному, и прохожие останавливаются от внезапного восторга при виде прекрасной игры цвета. Я был одним из этих прохожих и не мог себе представить, что позднее это явление укажет мне путь к созданию установки, производящей алмазы...
Какова же связь между восторженным восприятием красных листьев и созданием пресса?
Два года спустя знакомый ботаник так объяснил Платену происхождение красного цвета листьев:
254
— Листья осенью становятся красными не потому, что они умирают, а потому, что они не хотят умирать. Мертвый лист отличается от живого тем, что некоторые вещества в нем разрушились, и такое разрушение должно произойти рано или поздно, до смерти листа или после нее. Листья выбирают первую возможность. Они предпочитают, чтобы эти вещества разрушились при их жизни, а не после того, как они умрут. Такое разрушение молекул, сопровождающееся изменением цвета, начинается осенью в живых еще листьях, и пока длится этот процесс, листья продолжают жить. Как бы устремляясь навстречу, смерти, листья получают больше двух недель жизни и дарят нам прекрасное пламя осени.
Сейчас нам не важно — так ли на самом деле. Важно другое — как это воспринял Платен. Он понял это так: допустим, есть десять молекул, они могут все разрушаться постепенно; но молекулы действуют иначе — две из них принимают на себя всю «дозу» разрушения, а остальные по-прежнему живут в полную силу.
Мысль ботаника запомнилась Платену. И когда в начале 1930 года физик Тэндберг в разговоре с Платеном выразил сомнение в том, что сталь сможет выдержать давление, необходимое для синтеза алмазов, Платена осенило: «Внезапно я понял, каким образом принцип, продлевающий жизнь листьев, может быть применен и в установке для изготовления алмазов...».
Действие равно противодействию: рабочие части пресса, давящие на сжимаемое вещество, должны на что-то опираться. Это давление воспринимает кольцевая станина, пресса. На каждую частицу трубы действуют две силы: радиальная сжимающая и тангенциальная растягивающая. При этом наибольшие силы действуют на внутренние участки трубы. Платен решил заранее пойти навстречу разрушению металла. Он разделил станину на отдельные полосы, слои (кольцевые). Внутренние слои разрезал («умертвил»), они стали воспринимать только сжимающие усилия. А наружные слои стали воспринимать только растягивающие усилия. Внутренние слои сделали из металла, хорошо работающего на сжатие, а наружные — из металла, хорошо работающего на растяжение: металлические секторы обмотали рояльными струнами...1
Итак, цепочка: прекрасное пламя осени — принцип «пусть часть погибнет во имя целого» — применение этого принципа для решения изобретательской задачи. Когда я впервые прочитал эту историю, два последних звена цепочки не произвели на меня никакого впечатления. Принцип «пусть часть погибнет во имя целого»
1 Подробнее о прессе см.: Смирнов В. Роль ботаники в физике высоких давлений // Техника — молодежи. 1977. № 9.
255
хорошо известен в современной теории решения изобретательских задач. К использованию этого принципа теперь ведут точные правила и формулы. Но прекрасное пламя осени... Я живу в Баку, у нас нет этого пламени. Зеленые листья сохраняются до ноября-декабря, блекнут, чуть-чуть желтеют и постепенно опадают. Настоящее пламя я впервые увидел в Подмосковье и в Ленинграде, и впечатление было очень сильное. Читая историю Платена, я вспомнил об этом, и несколько дней перед глазами у меня стояли огненные деревья...
А потом я подумал, что при переносе в технику сохранился принцип, но потерялась красота. И сразу возникла идея: перенесем «прекрасное пламя осени» не в технику, а в литературу, в фантастику. Предположим, создан способ увеличения длительности жизни: человеческий организм ведет себя подобно листу. Человек не чувствует наступления старости, собственно, старость исчезает: часть молекул гибнет, принимая на себя удары времени, но организм в целом остается молодым... И только цвет кожи меняется — появляется «прекрасное пламя осени». Как бронзовый загар, но ярче и неизмеримо богаче оттенками.
Для литературы не имеет значения научная достоверность. Важны только две вещи: видимая, кажущаяся достоверность (она тут на все сто процентов) и яркость образа, которая в данном случае достигает потрясающей силы. Человек с годами «пламенеет», становится красивее, прекраснее... Одна эта идея способна украсить фантастический роман, создавая неповторимый колорит фантастического мира, прекрасного и в чем-то трагического...
Я несколько лет пробовал ввести эту идею в повесть «Третье тысячелетие» — и каждый раз отступал, чувствуя, что получается не так, как надо. Идея еще не перебродила...
Впрочем, это уже не относится к делу. Важно другое: на этом примере хорошо видно, насколько близки и взаимосвязаны фантазия техническая и фантазия художественная. А если так, то техническую фантазию можно развивать, используя фантазию художественную, воплощенную в научно-фантастических произведениях. Когда я высказал эту мысль в одной из статей, к величайшему моему удивлению, она отнюдь не показалась очевидной. «Прочитаешь такое,— писал литературовед Ал. Горловский,— и сразу хочется всех членов секций научной фантастики зачислить пожизненными членами Госкомитета по изобретательству или в Президиум АН СССР1». Лет сорок назад, когда появились первые работы по технической эстетике, их встретили с тем же веселым непониманием: что же, зачислить художников и скульпторов в научно-исследовательские институты? Ныне Государственный
1 Детская литература. 1976. № 7. С. 6.
256
комитет по делам изобретений и открытий выдает авторские свидетельства на образцы художественного оформления машин, механизмов, приборов. Участие художника-дизайнера в принятии инженерных решений стало повседневной практикой. Но ведь не зря была высказана ироничная и горькая мысль: единственный урок истории заключается в том, что мы не извлекаем уроков из истории...
Научная фантастика — прежде всего художественная литература. Поэтому главной функцией НФЛ, бесспорно, является человековедение. Однако НФЛ многогранна. Одна из таких граней — способность развивать воображение. А развитое воображение необходимо для творчества в науке, технике, искусстве, словом, в любой области человеческой деятельности. Использование НФЛ для «утилитарной» цели развития воображения отнюдь не мешает хорошим фантастическим произведениям оставаться художественной литературой.
СНЕГОПАД ВНУТРИ ЧЕЛОВЕКА
Я пришел к изобретательству от фантастики,— случай нередкий. Прочитал в пятом классе «Двадцать тысяч лье под водой» и начал придумывать скафандры. В десятом классе получил первое авторское свидетельство на водолазный дыхательный аппарат. Особого значения этому событию я не придавал: меня манил океан, глубоководные спуски. Скафандры были только средством. Год за годом я возился со скафандрами, росло число авторских свидетельств, но кислородные дыхательные аппараты в принципе годились только для глубины до двадцати метров. И однажды я взбунтовался. Капитан Немо ходил по дну океана,— вот какой нужен скафандр!..
Разумеется, мое начальство не выразило восторга. Представьте себе, что авиационный инженер приходит в свое конструкторское бюро и со ссылкой на фантастический роман заявляет: надоело возиться с самолетами, давайте проектировать межгалактический корабль для перелетов дальностью в миллионы световых лет... Примерно такая ситуация была и в моем случае: никто еще серьезно не задумывался о спуске на глубины в пять-десять километров.
Человек на дне океана... Достаточно было поставить такую задачу, как на меня обрушился град вопросов: выдержит ли человек давление в пятьсот — тысячу атмосфер? Сможет ли он дышать в таких условиях? Сохранит ли способность видеть, слышать, двигаться? Как перенесет возвращение к нормальным условиям?.. Воображение перенесло меня в мир, не менее фантастический, чем мир планеты Месклин из повести Хола Клемента «Экспедиция „Тяготение"». Или мир, спрятанный под облачным покровом Вене
17 Зак 2148
257
ры. Обыкновенный воздух под давлением, царящим на дне океана, приобретает плотность жидкости; как дышать таким воздухом, если дыхательные мышцы не осилят и десятка вдохов?..
Наверное, можно нэшисать книгу о приключениях мысли при решении подобных задач. Я ограничусь здесь только одним эпизодом. Он позволяет увидеть причудливое переплетение фантазии и трезвого расчета, образующее единую ткань творчества.
Кислород, азот, гелий, водород на любых глубинах остаются газами. У них очень низкие критические температуры: без охлаждения их никаким давлением не переведешь в жидкость. Однако, вдохнув, скажем, смесь кислорода и гелия, человек выдохнет ту же смесь, но с примесью нескольких процентов углекислого газа. А углекислый газ очень легко сжимается и даже превращается в твердую углекислоту. Критическое давление составляет для углекислого газа всего семьдесят три атмосферы. С таким давлением океанавт встретится на глубине семьсот тридцать метров.
До этого я думал только об обеспечении человека кислородом, все, связанное с углекислым газом, не попадало в поле зрения. Потом переключился на обдумывание «выдыхательной части» — и сразу замаячил новый факт: при погружении углекислый газ перестанет быть газом.
Я был ошеломлен. Поскольку океанавт находится под давлением, равным наружному, конденсация углекислого газа должна произойти прямо в организме! Возник углекислый газ в тканях тела, в кровеносных сосудах—и тут же выпал в виде снега... Снегопад внутри человека!..
Этот снегопад я увидел с предельной отчетливостью. Как в мультфильме: фигура человека, а внутри фигуры, медленно кружась, падают хлопья снега...
Было жаркое бакинское лето. После работы, втискиваясь в раскаленный, переполненный трамвай, я закрывал глаза и видел: человек в маске идет по дну — в прохладной и чистой воде океана... Бывали и другие видения. Затонул батискаф, никто не может его спасти — и вот я ныряю, нахожу его, закрепляю тросы... Глупые фантазии? Конечно. Но ведь они стимулировали работу над «Задачей из XXI века». Какие могли быть другие стимулы, если задача была явно преждевременной?..
При быстром всплытии газы, растворенные в крови, выделяются в виде пузырьков. Это давно известная кессонная болезнь. А тут — «снежная болезнь», в чем-то обратная кессонной: газы превращаются в снежинки... Получается, что сама природа поставила предел глубоководным погружениям человека.
Я вспомнил, однако, что критическая температура для углекислого газа равна тридцати одному градусу. Вспомнил и вздохнул с облегчением: в теле человека температура с гарантией выше.
258
Углекислый газ внутри организма останется газом, дыхательные процессы не нарушатся! Природа очень разумно подобрала константы для веществ, из которых устроен мир...
Удивительное дело: когда выяснилось, что океанавту не угрожает «снежная болезнь», мне было жаль расставаться со «снегопадом внутри человека». Я продолжал разглядывать эту странную и по-своему поэтичную картину. Без всякого энтузиазма я перешел к идее «снегопада вне человека», в этом не было ничего необычного. Но именно здесь блеснула находка: выдохнутая газовая смесь, содержащая несколько процентов углекислого газа, охладится (кругом сколько угодно холодной воды), и углекислый газ станет жидким или твердым. Смесь очистится, ее можно будет снова использовать для дыхания!
Дыхательный прибор, грубо говоря, состоит из двух подсистем: одна дает кислород, другая убирает углекислый газ. В аквалангах только первая подсистема, выдыхаемый воздух выбрасывается (а в нем всего четыре процента углекислоты), поэтому акваланги рассчитаны на непродолжительную работу — быстро расходуется запас воздуха. В дыхательных приборах с замкнутым циклом выдыхаемый воздух идет в поглотительный патрон, наполненный зернами щелочи или тетраокиси калия. Патроны тяжелы, громоздки, дороги, их работу трудно контролировать. А тут полная возможность удалять углекислый газ «без ничего», только за счет давления! Еще одна трогательная забота природы об изобретателях глубоководных скафандров...
Воздух в скафандре надо очищать не только от углекислого, но и от небольших количеств других газов. Я стал листать справочники, уточняя критические температуры и критические давления этих газов, и вдруг напоролся (иначе не скажешь) на потрясающую идею: у каждого газа есть критическая глубина, выше которой он — газ, а ниже — жидкость. Выше критической глубины пузырек газа останется пузырьком и всплывет, а ниже — превращается в жидкость и тонет. Например, у инертного газа ксенона критическое давление всего пятьдесят атмосфер. Значит, ниже пятисот метров ксенон станет жидкостью. Плотность у этой жидкости больше, чем у воды: жидкий ксенон должен тонуть...
На Ч:уше ксенон выделяется из трещин земной коры. Почему бы этим трещинам не быть на дне океана?.. Тут фантазия заработала на полную мощность: я представил себе ксеноновые подводные озера на океанском дне. И не обязательно ксеноновые. Есть сорта нефти, имеющие плотность чуть ниже единицы. Такая нефть может плавать на поверхности воды. Но на глубине в несколько сот метров давление воды уплотнит нефть (сама вода, напоминаю, почти несжимаема) — и нефть утонет...
Я сидел в опустевшем читальном зале, передо мной лежал
259
скучнейший справочник по свойствам жидкостей и газов (цифры, одни только цифры), я лихорадочно подсчитывал сжимаемость очередного газа и открывал подводные озера, которые могли быть где-нибудь на дне Тихого океана... Читальный зал закрывался в десять часов вечера, я успел найти полдюжины веществ, теоретически вполне пригодных для образования подводных озер. Потом я шел по ночным улицам города, и воображение рисовало удивительные картины: вот какая-то сила (землетрясение?) подтолкнула подводное озеро ксенона, лежащее около критической глубины. Озеро начало всплывать и, достигнув критической глубины, превратилось в газ, поток бурлящего газа, стремительно рвущийся вверх...
(Позже я встретил в «Золотой розе» Паустовского такую фразу: «Насколько более величественной стала бы любимая поэтами тема звездного неба, если бы они хорошо знали астрономию». Я не раз вспоминал эту мысль, читая «подводную» фантастику. Ах, если бы авторы знали мир, о котором они пишут...)
Идеи, возникшие при работе над фантастическим глубоководным скафандром, я использовал несколько лет спустя, проектируя первый в мире, но вполне реальный газотеплозащитный скафандр для горноспасателей, спускающихся в охваченные огнем шахты.
«СВЕРХКАТИМОСТЬ»
Шла скучная лекция. Что-то такое об электронных оболочках атомов. Передо мной лежала раскрытая книга — курс общей химии Глинки (кажется, этот учебник в ходу и поныне). Там был изображен атом водорода — ядро, а вокруг него бегает электрон:
Я дорисовал глаза и рот. Вот так:
Атом ухмылялся, его не одолевала скука и не смущала мысль об угрожающе близком экзамене. На той же странице были еще два рисунка — атомы лития и бериллия:
260
Они походили на колеса, эти атомы с двойными электронными оболочками. Пришлось немного подрисовать, и сходство получилось полное:
Такие прекрасные колеса просто жаль было не использовать. Я провел несколько линий, появился гоночный автомобиль:
Почему бы, подумал я, и в самом деле не использовать атомы вместо колес? Очень естественная мысль для человека, воспитанного на фантастике... Вот на столе лежит книга, ее переплет состоит из множества атомов. Книга опирается на стол этими атомами. Как будто лежит на колесиках. И самое главное: колесики вращаются. Они все время крутятся с бешеной скоростью. Книга неподвижна, потому что атомы-колесики крутятся в разные стороны. Если бы атомы согласованно крутились в одну сторону, книга рванулась бы с места — да еще как!..
Несколько дней я размышлял: а не взяться ли за эту проблему? У меня не было ни малейших сомнений в том, что удастся закрутить атомы в одну сторону. Промелькнула, правда, мысль о затруднениях, возникающих, если рассматривать проблему с позиций квантовой физики: все электроны должны быть в одном и том же квантовом состоянии, а на этот счет существует запрет Паули. Но подобные мелочи меня не смущали. Загвоздка была в другом. Придется отдать этой проблеме всю жизнь, а выбор уже давно сделан, я занимаюсь подводной техникой...
261
Вот тут я впервые ощутил ужасающую несправедливость того, что человеку дана только одна жизнь. Какой бы путь я ни выбрал, это будет один путь, одна дорога, и никуда не денешься от мысли, что там, на другой дороге, осталось нечто несбывшееся. Человеку нужны десятки жизней, чтобы быть художником, изобретателем, музыкантом, летчиком, революционером, физиком, артистом, моряком, хирургом, писателем, биологом, путешественником, воином, педагогом, историком, строителем... и везде на уровне Мастера или Гроссмейстера, а это требует всей жизни.
У таких людей огромная сила притяжения. Все чаще и чаще я возвращался к мысли о том, что человек должен все знать и все уметь. Эта проблема не решалась механическим наращиванием освоенных специальностей. Нужна была Общая Теория Сильного Мышления: как решать трудные задачи, как развивать талантливое, творческое мышление. Для начала — как решать творческие задачи в технике. Это уже была конкретная и реальная (по моим представлениям) постановка проблемы. Я оставил скафандры и занялся теорией творчества.
Об атомах-колесиках я вспомнил через много лет, когда появились первые сообщения о лазерах. В квантовых генераторах электронные оболочки атомов «раздуваются», а потом «опадают» — и происходит это согласованно, по команде. Ну, а если согласовать вращение атомов?..
Встречи со старыми идеями похожи на встречи со старым знакомым: несколько лет не видишь человека, забываешь даже о его существовании, а потом неожиданно сталкиваешься с ним, прежним и в чем-то изменившимся. С годами число таких знакомых идей увеличивается, они живут сами по себе и вместе с тем где-то рядом, в твоем мире.
Однажды мне пришлось «копаться» в литературе по сверхпроводимости. И снова замаячила идея атомов-колесиков: «сверх-катимость» по своей природе должна быть таким же макроскопическим квантовым эффектом, как сверхпроводимость и сверхтекучесть.
А еще через несколько лет я натолкнулся на стихи Сергея Орлова:
Кто был изобретатель колеса?
Никто не знает. Все о нем забыли...
Меня поразили эти стихи. Орлов писал, что в природе существовали только рычаги — ноги, крылья, а колеса не было. Чтобы изобрести колесо, понадобился взрыв фантазии:
Крыло в природе человек узрел И рычагов машинных сочлененье, А он на мир не так, как все, смотрел,
262
Без подражанья мыслил, без сравненья. Он смастерил однажды колесо, И покатилось колесо по свету, А он свернул, должно быть, сигарету И сам себе воскликнул: «Хорошо!»
Если бы фантазии потребовалась эмблема, такой эмблемой могло бы послужить колесо. Созданное силой воображения в незапамятные времена, колесо и по сей день является основой нашей цивилизации. Меняются материалы и двигатели, осваиваются новые виды энергии, возникают все более сложные машины,— неизменным остается только использование колеса.
Я перечитывал стихи Сергея Орлова и думал, что воображение, создавшее колесо, не остановится на этом и неизбежно придет к отрицанию колеса и замене колес «сверхкатимостью». Найдется человек, который осилит эту проблему, и в один прекрасный день какая-нибудь тяжелая свинцовая плита, спрятанная в недрах экспериментальной установки, впервые сдвинется на микрон или сразу на два миллиметра, и это будет началом новой эры. А «за-крыватель колеса» закурит сигарету и сам себе скажет: «Хорошо».
«ФАНТАЗИИ НЕ НАДО...»
Преодолев черную бездну космоса, «Поиск», звездолет дальней разведки, вынырнул у планеты Искра, одной из двенадцати планет желтой звезды Гамма Геркулеса. В отличие от других одиннадцати планет, огромных газовых гигантов, Искра была похожа на Землю. Такая же атмосфера, такие же горы, леса, моря, растения, животные. Необычными оказались только некоторые насекомые (космонавты назвали их «мухами») — они летали со сверхзвуковой скоростью. Воздух был наполнен живыми пулями... С «Поиска» высадили двух космонавтов (разумеется, в скафандрах высшей защиты) — и едва удалось их спасти. Даже закрытый вездеход был быстро выведен из строя «мухами». Возник вопрос: что делать в этой ситуации?..
Такую задачу предложила своим читателям «Пионерская правда». Редакция получила 1103 письма, в основном, от учащихся пятых — восьмых классов. Вот спектр идей, содержащихся в этих письмах:
1.	Уничтожить «мух»	451 (41%)
2.	Спрятаться от «мух» под землей,
в лесу, под водой и т. д.	187 (17%)
3.	Снабдить вездеход броневой за-
щитой	161 (14,5%)
263
4. «мух»	Использовать для ограждения от силовое поле	48 (4,4%)
5.	Отказаться от разведки планеты	
из-за	опасности	56 (5,1%)
6.	Отказаться от разведки планеты	
из-за	недопустимости вторжения в чужой	
мир		36 (3,3%)
7.	Выяснить, почему «мухи» не стал-	
киваются с животными и растениями,		
использовать этот способ для защиты		
космонавтов		62 (5,6%)
8. Прочие идеи
102 (9,1%)
Задача входила в «Изобретательское многоборье» и называлась «Проверьте свою фантазию». Одно из писем начиналось так: «Фантазии не надо. Обработать мух хлорофосом и дустом...» Необходимо подчеркнуть, что газета много и регулярно пишет об охране природы, о проблемах экологии и т. д. Об опасности бездумного вмешательства в равновесие природы говорят сейчас все—школа, телевидение, пресса. Но мысль эта, видимо, воспринимается в частной форме («если уничтожить волков, начнутся эпидемии среди оленей») и применительно к нашей планете. И вот — сорок один процент «уничтожительных» ответов! Фактически даже больше: «мухи» будут разбиваться о броню вездехода, о силовое поле. Да, есть над чем задуматься...
Ответы на задачу можно разделить на три слоя. Первые пять ответов составляют самый низший слой: есть враг, надо его уничтожить или спрятаться от него, чтобы не быть уничтоженным. Один «ход» мысли, очевидный по условиям задачи. Природа опасности не исследована. «Мухи» рассматриваются изолированно от биосферы планеты. Второй слой — ответ № 6. Тут уже два «хода» мысли. Первый «ход»: есть система («мухи»), входящая в обширную надсистему («чужой мир»), и любое изменение системы может пагубно отразиться на надсистеме. Второй «ход»: нельзя нарушать экологическое равновесие на чужой планете, исследование невозможно, придется вернуться. В письмах, содержащих ответ № 7 и составляющих третий слой, сделан еще один «ход»: растения и животные в «чужом мире» каким-то образом сосуществуют с «мухами», надо выяснить, как им это удается,— и использовать этот способ.
Вот как выглядит распределение писем по слоям:
264
№ слоя	Поступило писем					Ссылки в письмах на научно-фантастическую литературу
	всего	в том числе по классам				
		3—5-й	6-й	। 7-й	1 8—10-й	
1	451	87	126	107	131	18 (4%)
2	36	2	7	15	12	12 (33%)
3	62	—	11	39	12	16 (26%)
В конце XIX века французский психолог Рибо установил, что фантазия достигает максимума где-то в районе пятнадцати лет, а потом идет на спад. На первый взгляд, таблица подтверждает вывод Рибо: наиболее благоприятное сочетание сильных (второй и третий слои) и слабых (первый слой) ответов — у семиклассников.
Решение задач, конечно, зависит не только от фантазии. На фантазию приходится лишь часть работы, и оценка этой части поневоле субъективна. Но за пятнадцать лет через «Пионерскую правду» прошло около четырехсот задач и упражнений. Я просмотрел сотни тысяч писем, и у меня сложилось впечатление, что «пик фантазии» в наше время сместился к одиннадцати — двенадцати годам. Это впечатление укрепляется при анализе ответов на задачи, решение которых требует почти чистой фантазии. Например: «Художник задумал нарисовать время. Подскажите, как это сделать?» Или: «Придумайте фантастическое природное явление». При публикации таких задач в «Пионерской правде» резко уменьшилось число писем от старшеклассников, в основном, отвечали учащиеся пятых-шестых классов. «Пик фантазии» отчетливо смещался к пятому классу, а в некоторых случаях — даже к четвертому. Фантазия современного ребенка быстрее достигает максимума и быстрее идет на спад. Да и сам «пик фантазии», по-види-мому, становится ниже. Стресс точных знаний, испытываемый школьником, приглушает фантазию. В письмах нередко чувствуется нежелание «фантазировать». Задача о «мухах» была дана с пояснением, что ситуация взята из фантастического рассказа, но многие письма первого слоя начинались с упрека: так не может быть, в плотной атмосфере «мухи» не смогут развивать сверхзвуковую скорость. Сказку убивали обстоятельно, со ссылками на физику и примерами из авиации и космонавтики. А потом следовало беглое указание, как уничтожить «мух».
Без точных представлений о природе фантазии рискованно делать категорические выводы. Единственное, что можно констатировать без колебаний: противодействует спаду фантазии только
265
обильное чтение научной фантастики. В ответах на задачу о «мухах» много ссылок на рассказ Р. Брэдбери «И грянул гром», упоминаются рассказы «Спасти декабра!» С. Гансовского и «Срубить дерево» Р. Янга. В таких письмах не только хорошие ответы. Радует, а порой просто поражает, готовность принять «игру» и умение войти в нее. В одном из писем такая деталь. Место посадки оградили силовым полем. «Мухи» разбивались о «стенки» этого ограждения. И вот «стенки» быстро почернели, не стало видно солнца... Может быть, чуть-чуть наивно, но, право же, иным писателям-фантастам не мешало бы с такой же ясностью представлять то, о чем они пишут.
О СМЫСЛЕ жизни
Представьте себе встречу двух футбольных команд, состоящих из спортсменов-невидимок. По полю «сам по себе» носится мяч — перемещается по замысловатой траектории, резко меняя направление движения. Иногда мяч взмывает высоко вверх, иногда замирает на месте, и невозможно сказать, что будет с ним в следующий миг. Представьте далее, что все это видит человек, ничего не знающий о футболе. Интересно было бы послушать его предположения и догадки, не правда ли? Суждения о фантазии во многом похожи на высказывания по поводу мяча, который бегает «сам по себе». Поэтому мы оставим на некоторое время фантазию и посмотрим, как вообще работает мышление при решении творческих задач.
Предположим, задача связана с необходимостью увеличить скорость корабля. Получив задачу, человек представляет себе то, что есть,— обычный корабль. Вспыхивает мысленный экран, и на нем возникает изображение корабля. Потом в этом изображении что-то меняется: корабль удлиняется и укорачивается, появляются и исчезают подводные крылья, корпус сдваивается — корабль становится катамараном... У слабого изобретателя этот фильм бывает коротким и не очень оригинальным. Повторяются одни и те же кадры, лента часто рвется, сеанс быстро кончается. У сильного изобретателя мысленное кино идет круглосуточно, день за днем. Сначала проходят тривиальные кадры, а потом все чаще и чаще начинают появляться изображения необычные, дикие. Вот на экране корабль... в тигровой шкуре. Странное зрелище, не правда ли? Но мех (разумеется, искусственный) уменьшает сопротивление движению: меньше возникает вихрей, можно повысить скорость. Недавно такое изобретение было и в самом деле зарегистрировано. (Кстати, у этой идеи богатые художественные возможности. Представьте себе порт с такими кораблями. Подтянутые лайнеры в искусствен
266
ных гепардовых мехах, тяжелый танкер в медвежьей шкуре, стройные яхты в горностаевых шубках... Казалось бы, идея чисто техническая. Но как легко она превращается в краску на палитре художника! Машины, обтянутые мехом, приобретают живые черты. Всего лишь деталь будущего мира, но как не хватает фантастике таких деталей...)
Ну, а если задачу решает не просто сильный изобретатель, а человек исключительно талантливый, даже гениальный? Как работает его мысленное кино в тот звездный час, когда рождается великая идея?
Мир устроен системно. В системах целое зависит от частей, а части зависят от целого. Автомобиль, дома, заводы, электрическое освещение — это системы. И человеческий организм — система. Книги, деревья, звезды — тоже системы. Две важнейшие особенности систем: системы развиваются — это раз, системы образуют иерархию — это два. Мышление должно отражать эту фундаментальную особенность мира. Хорошо мыслить — значит прежде всего хорошо представлять системную картину мира. Поэтому над обычным экраном, на котором идет мысленный фильм о системе (в нашем примере системой является корабль), должен быть экран для фильма о надсистеме (флот). А под обычным экраном — еще один экран для фильма о подсистемах (части корабля). Более того, на каждом этаже должны быть три экрана — для прошлого, настоящего и будущего,— чтобы все видеть в развитии. Это как минимум. Гений просматривает задачу на несколько этажей вверх от системы и на несколько этажей вниз. Видит не только прошлое, но и далекое прошлое. Не только будущее, но и далекое будущее. Сложный кинозал, не так ли?..
Но еще сложнее фильмы, которые идут в этом зале. Меняются размеры объекта, меняются темпы действия. Одновременно с фильмом идет антифильм: видна, например, не только система, но и антисистема. Корабль и антикорабль. Корабль плавает, это его главное свойство. Антикорабль тонет. А почему он тонет? Перегружен? Чем? Чем надо перегрузить корабль, чтобы он умел развивать большую скорость? Двигателями. И вот возникает новая задача: давайте построим корабль, до предела заполненный двигателями. Такой корабль не будет держаться на воде... пока он неподвижен. Что ж, неподвижный самолет тоже не держится в воздухе. Обычные корабли подобны тихоходным, громоздким дирижаблям. Корпус корабля всегда рассчитывают так, чтобы он держался на плаву. И расплачиваются за это колоссальным сопротивлением громоздкого корпуса. Даже поднятый над водой корабль испытывает огромное сопротивление воздуха. Антикораблю, способному держаться на воде только в движении, не нужен большой корпус.
267
Впрочем, антикорабль — это только так, для примера. Важно другое: структура гениального мышления. Много экранов, фильм и антифильм. И другие трюки. Скажем, постоянное изменение размеров объекта на каждом экране. Как выглядит корабль, если его размеры превышают размеры океана? Как выглядит корабль, если он меньше молекулы?..
Теперь, когда хотя бы в первом приближении вырисовывается кинотеатр гениального мышления, можно вернуться к вопросу о фантазии. Какую роль она играет во всем этом?
Во-первых, фантазия разворачивает экраны, помогает перейти от одного экрана к системе многих экранов. Во-вторых, фантазия осуществляет все кинотрюки (сочетание фильма и антифильма, изменение размеров изображения, смена темпов действия и т. д.). В-третьих, фантазия улавливает в этом сложном кинодействии необычное, даже если оно лишь промелькнуло на одном из экранов. Фантазия помогает вцепиться в Необычное, не поддаваться страху (а Необычное всегда страшит), не отбросить Необычное из-за того, что оно необычно...
Этому можно учить. Хотя и очень нелегко. Современную теорию решения изобретательских задач осваивают, в общем, все инженеры. Это точная наука — как физика или химия. Законы, правила, формулы, таблицы... А вот курс РТВ (развитие творческого воображения), входящий в учебные программы многих школ, институтов технического творчества, идет тяжело. Воображение надо развивать еще в раннем детстве, инженеры — даже молодые — уже староваты для таких занятий. И все-таки игра стоит свеч: занятия трудны, но в конце концов курс РТВ делает мышление ярче, талантливее.
На таких занятиях я часто задавал вопрос: «В чем смысл жизни?» Разумеется, я не ожидал исчерпывающего ответа по существу. Меня интересовал подход к решению задачи: сколько экранов зажглось и что на них показывают. До обучения и на начальных этапах обучения вопрос оказался непосильно тяжелым. Воспринимали вопрос узко: в чем смысл жизни человека? Загорался один экран, и начинался вялый перебор вариантов. Часто пытались отделываться шутками — типичный для второй половины XX века прием ухода от серьезных размышлений.
Однажды я задал этот вопрос хорошо подготовленной группе. Отличная была группа: молодые инженеры и студенты, занимавшиеся уже два года и прошедшие не только курс РТВ, но и факультативный курс научно-фантастической литературы. Вопрос я задал в коварной форме, нарочно сужая задачу: «В чем смысл жизни человека?» Но с этой группой такие номера не проходили. Мне снисходительно объяснили, что к подобным проблемам нужен системный подход. Кто-то нарисовал на доске девять экранов:
268
Прошлое
Настоящее
Будущее
Общество Человек Клетка
		
		
		
«Экранную» схему мы проходили, группа обязана была так сработать. А вот как пойдет дело дальше?.. В аудитории был галдеж. У доски толпились пять или шесть человек. В схему внесли поправки, и я увидел нечто новое:
сравнительно недавно. Человек («И вообще организмы»,— вставил кто-то) древнее общества. А клетки древнее организмов.
— Ну и что? — спросил я, уже догадываясь, в чем тут дело.
Стоявшие у доски снова загалдели, удивляясь моей недогадливости, и нарисовали для ясности стрелку:
— Развитие идет на уровне клеток. Потом переходит на уровень организма, а клетки перестают развиваться. Далее идет развитие организмов — от амебы до человека. А потом новый переход — на уровень общества. Развивается общество, биологическая эволюция человека прекращается или во всяком случае сильно замедляется.
— Ну и что? — вновь спросил я.
На этот раз вопрос был задан впустую. Почти вся группа собралась у доски. Схему подправляли и развивали. Появился этаж ниже «клеточного» — развитие органического вещества. И еще ниже — развитие неорганического вещества. Сверху пристроили этаж «Надобщество». И вот тут кто-то решительно стер схему и нарисовал ее заново: чем выше этаж, тем короче путь к следую
269
щему этажу. Эволюция неорганической материи началась тринадцать миллиардов лет назад. Органическое вещество появилось на Земле два миллиарда лет назад. Одиннадцать миллиардов лет на переход с этажа на этаж. А потом — за каких-нибудь два миллиарда лет — сразу два этажа (организмы и общество). Скорость эволюции по вертикали нарастает. И если эта закономерность, действовавшая тринадцать миллиардов лет, сохранится хотя бы еще миллион лет, возникнут пять или десять новых этажей...
Ребята действовали отлично, и я подумал, что сегодня и впрямь можно докопаться до смысла жизни. Но в это время* кто-то резко изменил задачу:
— Послушайте, а ведь теперь понятно, почему нет сигналов от внеземных цивилизаций. Мы думаем, что развитие цивилизации идет на этаже «Общество», а сверхцивилизации должны быть на несколько этажей выше. Мы относимся к ним так, как амеба относится к нам. А разве наша цивилизация посылает сигналы амебам? Зачем ей это?..
Наступило молчание.
Вот и Необычное, подумал я. Нечто такое, чего не заметили профессионалы и по сей день спорящие о том, на какой волне ловить радиосигналы далеких сверхцивилизаций и как расшифровать эти сигналы. Сколько средств и усилий потрачено на поиски этих сигналов!.. А на очереди проекты еще более сложные. Отсутствие фантазии обходится дорого, очень дорого...
Возможен ли контакт по вертикали — через несколько этажей? А, может быть, наша цивилизация уже входит в состав какой-то сверхцивилизации, как клетка входит, не подозревая об этом, в состав организма?
Молчали долго. И только перед самым звонком кто-то вполголоса сказал:
— Нет, если мы понимаем ситуацию, мы уже не амебы.
Что ж, все верно: если мы умеем мыслить, мы всесильны. Если умеем мыслить.
ВЕКТОР ФАНТАЗИИ
Проверьте свою фантазию: попробуйте за полчаса придумать какое-нибудь фантастическое растение...
* * *
Еще не так давно творческие способности изобретателя и ученого рассматривались как нечто весьма неопределенное и практически не поддающееся изучению-. Если время от времени человека
270
«озаряет» — значит, у него есть способности, «не озаряет» — способностей нет... Ныне установлено, что творческие способности представляют собой сплав многих качеств. И хотя наука еще не знает точных формул этих качеств, можно с уверенностью сказать: все творческие качества включают фантазию. Подобно тому, как углерод входит во все органические соединения, фантазия составляет непременный и очень важный элемент всех без исключения творческих качеств. Развивать творческие качества — значит развивать воображение, фантазию.
Но удивительный парадокс: признание величайшей ценности фантазии не сопровождается планомерными усилиями по ее развитию. В школах нет уроков воображения, студенты не изучают курс развития творческого воображения, аспиранты не сдают экзамен по воображению. В рассказе Р. Джоунса «Уровень шума» психолог Бэрк с горечью говорит: «Мы постепенно взрослеем, и, по мере того, как мы учимся в школе и получаем образование, в наших фильтрах шума появляются ограничительные уровни, которые пропускают лишь ничтожную часть сведений, приходящих из внешнего мира и из нашего воображения. Факты окружающего мира отвергаются, если они не подходят к установленным уровням. Творческое воображение суживается...»1
Пока единственным массовым и практически действенным средством развития фантазии остается чтение научно-фантастической литературы (НФЛ). Для современности характерно увлечение НФЛ, но особенно сильна тяга к ней у инженеров и ученых. Пятьдесят два процента опрошенных инженеров и физиков отметили, что ценят НФЛ прежде всего за новые научно-фантастические идеи. Действительно, в этом отношении НФЛ может дать очень многое думающему инженеру. Вплоть до темы, за разработку которой можно взяться, или даже до готового решения, которое остается лишь перевести на инженерный язык. Недавно, например, в ФРГ выдан патент № 1 229 969 с такой формулировкой предмета изобретения: «Способ добычи полезного ископаемого из космических месторождений, отличающийся тем, что в качестве месторождения выбирают астероид с небольшой собственной массой и такой орбитой, при которой возможны затраты на осуществление импульса для транспортирования астероида на Землю». Человек, хорошо знающий фантастику, сразу отметит, что в числе авторов изобретения следовало бы указать Жюля Верна («Золотой метеор») и Александра Беляева («Звезда КЭЦ»).
Перелистывая патентные материалы последних лет, невольно замечаешь, что все чаще и чаще встречаются изобретения «на грани фантастики», а порой и за этой гранью.
1 Библиотека современной фантастики. Т. 10. М.: Молодая гвардия, 1967. С. 368.
271
Например, советское авторское свидетельство № 239 797: «Способ съемки и воспроизведения кинематографических фильмов, отличающийся тем, что с целью получения кинестетических ощущений при съемке фильма на соответствующие участки тела артиста в местах расположения периферических нервов накладываются электроды и при игре артиста записывают, например, на магнитную пленку его биотоки, а при воспроизведении фильма на соответствующие участки тела зрителей накладывают электроды, на которые передают записанные при съемке биотоки артиста». Любители фантастики знают: в фантастике эта идея была высказана еще в тридцатые годы.
Прямое использование идей НФЛ чаще всего имеет место на ранних этапах развития новой отрасли науки или техники. В какой-то период (правда, очень короткий) фантастика оказывается одним из основных источников идей для возникающей отрасли знания. Так было, например, по свидетельству В. В. Ларина и Р. М. Баевского, с космической биологией: «Наши писатели-фантасты изложили в своих произведениях много «кибернетических» идей, которые могут и должны быть взяты на вооружение космической биологией. Так, например, проблема регулируемого анабиоза имеет громадное значение не только для обеспечения межзвездных перелетов, но и для космических полетов большой продолжительности в пределах Солнечной системы, которые, возможно, состоятся еще в нашем столетии. К сожалению, наиболее подробное рассмотрение этого вопроса содержится не в научной литературе, а в романе И. Ефремова «Туманность Андромеды»1.
Даже чисто приключенческая фантастика нередко содержит интересные изобретательские задачи. Вот отрывок из фантастической повести Гарри Гаррисона «Неукротимая планета»:
Когда Язон пристегнул кобуру к предплечью и взял в руки пистолет, он увидел, что они соединены гибким проводком. Рукоятка пистолета пришлась ему точно по руке.
— Тут заключен весь секрет силовой кобуры.— Бруччо коснулся провода пальцем.— Пока пистолет в деле, провод висит свободно. А как только тебе надо вернуть его в кобуру...
Бруччо что-то сделал, провод превратился в твердый прут, пистолет выскочил из руки Язона и повис в воздухе.
— Смотри дальше.
Увлекаемый проводом, пистолет нырнул в кобуру.
— А когда надо выхватить пистолет, происходит все то же самое, только в обратном порядке.
— Здорово! — сказал Язон.— Но все-таки, с чего надо начинать? Посвистеть или там еще что-нибудь?
— Нет, он не звуком управляется.— Бруччо даже не улыбнулся.— Тут
1 Известия Академии наук СССР. Серия биологическая. 1963. № 1. С. 13.
272
все по,тоньше и поточнее. Ну-ка попробуй представить себе, что ты сжимаешь левой рукой рукоятку пистолета... Так, теперь согни указательный палец. Замечаешь, как напряглись сухожилия в запястье? Ну вот, на твоем правом запястье помещены чувствительные датчики. Но они реагируют только на сочетание импульсов, которое означает «рука готова принять пистолет». Постепенно вырабатывается полный автоматизм. Только подумал о пистолете, а он уже у тебя в руке. Не нужен больше — возвращается в кобуру1.
Почти готовое техническое задание на создание устройства, подающего инструмент! Такое устройство пригодилось бы хирургам, сварщикам, монтажникам, фотокорреспондентам...
Разумеется, НФЛ далеко не всегда содержит идеи зрелые и правильные. Нередко читателю приходится встречать идеи с научно-технической точки зрения сомнительные или откровенно условные. Более того, в ряде случаев в фантастической идее все неверно. Но в силу своей яркости, необычности она привлекает внимание исследователей, вызывает интенсивные поиски, приводящие к ценным открытиям или изобретениям.
Лауреат Ленинской премии Юрий Денисюк рассказывает: «Я решил придумать себе интересную тематику, взявшись за какую-то большую, на грани возможности оптики задачу. И тут в памяти выплыл полузабытый рассказ И. Ефремова...» Речь идет о рассказе «Тени минувшего». В пещере, в результате редкого сочетания условий, возникло подобие фотоаппарата, узкий вход в пещеру сыграл роль входного отверстия камеры-обскуры, а противоположная входу стена, покрытая смолой, стала огромной фотопластинкой, запечатлевшей мгновения давно минувших эпох. Денисюк подошел к проблеме иначе: а нельзя ли получить изображение вообще без объектива? Исследования привели к открытию одной из систем голографии. Но первый толчок все-таки был дан рассказом! «Я не только не отрицаю,— говорит Денисюк,— своеобразное участие И. Ефремова в моей работе, но подтверждаю его с удовольствием».
НФЛ помогает преодолевать психологические барьеры на путях к «безумным» идеям, без которых не может развиваться наука. Это тонкая и пока малоизученная функция научно-фантастической литературы, становящейся элементом профессиональной тренировки ученого.
Обычно механизм воздействия НФЛ состоит в том, что научная фантастика вступает в реакцию с реальными «рабочими» мыслями. Суть этой реакции становится понятной, если воспользоваться схемой творческого процесса, предложенной академиком Б. М. Кедровым1 2.
1 Библиотека современной фантастики. Т. 24. М.: Молодая гвардия, 1972. С. 43.
2Кедров Б. М. О теории научного открытия // Научное творчество. М.: Наука, 1969. С. 78—82.
18 Зак 2148
273
В поисках решения задачи мысль человека движется в определенном направлении от единичных факторов Е к выявле- / /\ Г Н нию того особенного О, что присуще этим ypLy	Zl D
факторам. Следующим шагом должно быть установление всеобщности В, то есть	(ОД
формулировка закона, теории и т. п. Переход от £ к О не вызывает особой трудности, но дальнейший путь от О к В прегражден познавательнопсихологическим барьером 1. Нужен какой-то трамплин Г, позволяющий преодолеть барьер. Чаще всего таким трамплином бывает случайно возникающая ассоциация, причем появляется эта ассоциация при пересечении линии с другой линией мыслей.
Научно-фантастическая литература хорошо работает в качестве линии 0.
НФЛ воздействует на творческий процесс и косвенно. Чтение фантастики постепенно ослабляет психологическую инерцию, повышает восприимчивость к новому. На схеме Кедрова это можно показать как уменьшение высоты познавательно-психологического барьера и появление способностей к самообразованию трамплина, то есть к преодолению барьера без непосредственного внешнего воздействия линии 0.
Нельзя, конечно, сказать, что НФЛ стала незаменимым инструментом развития творческих способностей. Но она безусловно является одним из важных инструментов. Возможности научной фантастики в этом смысле далеко не исчерпаны.
* * *
И все-таки: нет ли других способов развития воображения?
Одна из немногих попыток в этом направлении была предпринята профессором Стенфордского университета Джоном Арнольдом1. По методу Арнольда предлагается решать изобретательские задачи в условиях воображаемой планеты Арктур IV. Эта придуманная планета отличается своеобразными условиями: температура на ее поверхности колеблется от минус сорока трех до минус ста пятидесяти одного градуса; атмосфера состоит из метана, моря — из аммиака, сила тяжести в десять раз больше земной. На Арктуре IV живут разумные существа — метаниане. У метаниа-нина руки с тремя пальцами, две ноги, клюв и три глаза, а тело покрыто перьями.
На занятиях со своими студентами Арнольд последовательно
1 См.: Диксон Дж. Проектирование систем: изобретательство, анализ и принятие решений. М.: Мир, 1969. С. 39.
274
разрабатывает метанианскую технику: дома, средства транспортировки, дороги, инструменты... Нужно преодолеть немало психологических барьеров, чтобы придумать, например, автомобиль для условий Арктура IV. Регулярно решая подобные задачи, студенты профессора Арнольда постепенно развивают воображение.
К сожалению, метод Арнольда очень узок. В сущности, это одно упражнение в разных вариантах. Для эффективного развития творческой фантазии нужна система упражнений и — главное — нужно обучение приемам фантазирования. Мало сказать: «Придумай то-то» — надо объяснить, какими приемами следует при этом пользоваться.
* * *
Фантастика, легко наделяющая своих героев любыми качествами — невидимостью, бессмертием, способностью проходить сквозь стены, менять внешность, подниматься в небо усилием воли и жить на дне океана — безудержно смелая фантастика становится очень робкой, когда речь заходит о развитии фантазии. Действительность здесь обогнала фантастику: в нашей стране разработан курс развития творческого воображения (РТВ). Создан этот курс Общественной лабораторией методики изобретательства при Центральном совете Всесоюзного общества изобретателей и рационализаторов (ВОИР).
Фантазия — величина векторная, она характеризуется численным значением и направлением. Управлять фантазией — значит уметь «включать» и «выключать» ее, менять ее «направление» и, главное, направлять так, чтобы получить максимальную творческую отдачу. Этому и учит курс развития воображения.
Начинается курс с проверочных упражнений, позволяющих выявить исходный уровень способности к фантазии и наметить наилучшую для данной группы программу тренировки. Вот одно из таких упражнений: «Нужно придумать какое-нибудь фантастическое животное». На первый взгляд, все очень просто. Представим себе собаку, добавим ей орлиные крылья и хвост дельфина — чем не фантастическое животное? Но так ли уж много мы нафантазировали, механически соединив части известных животных? Ведь мы не получили ничего качественно нового. Когда-то такое механическое объединение было очень сильным приемом: мифы, предания, сказки населены множеством фантастических существ (кентавры, русалки, драконы), «сделанных» приемом объединения. Но сегодня к творческой фантазии предъявляются значительно более высокие требования, обусловленные уровнем современной науки. Старый прием изменился, стал более гибким, глубоким. Хорошие образцы нового уровня фантазирования можно найти в научно-
275
фантастической литературе. Так, в рассказе С. Гансовского «Хозяин Бухты» описано животное, способное распадаться на отдельные одноклеточные организмы. Когда надо охотиться, эти клетки объединяются в единый организм, и с морского дна поднимается нечто вроде гигантского спрута...
В изобретении по авторскому свидетельству № 156 133 работает такое же «животное». Металлические частички образуют (в электромагнитном поле) пористую структуру, играющую роль фильтра. Когда фильтр забивается пылью, поле выключают, и фильтр падает, разделяясь на «клетки», на отдельные частицы. Потом поле снова
включают, металлические «клетки» поднимаются и образуют структуру фильтра, а пыль остается лежать на дне аппарата.
Вряд ли Ю. А. Измоденов, изобретатель этого фильтра, знал о рассказе С. Гансовского. Но идея составного фильтра удивительно близка идее фантастического составного животного. Опыт показал: те, кто знают рассказ С. Гансовского «Хозяин Бухты», легко решают задачу о фильтре. Фантастика дает идеи и образы, способные играть роль инструментов творчества.
Кстати сказать, при разработке курса развития творческого воображения все упражнения сначала испытывались на писателях-фантастах. Это дало эталоны для сравнения, позволило построить своего рода «шкалу фантазии». Как правило, уровень развития фантазии до начала тренировок весьма невысок. Искра фантазии высекается с трудом — и тут же гаснет. Это далеко не случайно. На протяжении всей эволюции человеческий мозг приспосабливался оперировать привычными представлениями. Вот человек начал придумывать фантастическое животное — и сразу мысль услужливо подсказывает привычный прообраз («представим себе, например, собаку...»), привычное добавление («...прибавим ей орлиные крылья...»). Нужны сотни и тысячи попыток, пока мысль, скованная привычными представлениями, преодолеет психологические барьеры.
Вероятно, человеку, впервые увидевшему гимнастические занятия, трудно понять, что это такое: собрались взрослые люди, зачем-то без дела размахивают руками, подпрыгивают на месте, а потом расходятся, ничего не сделав и ничего не добыв... Столь странными могут показаться стороннему наблюдателю и занятия по тренировке фантазии. А между тем это серьезная и очень напряженная работа. От занятия к занятию осваиваются приемы фантазирования: сначала простые (увеличить, уменьшить, сделать
276
«наоборот» и т. д.), затем более сложные (сделать свойства объекта меняющимися во времени, изменить связь между объектом и средой), мысль приучается преодолевать психологические барьеры.
Попросите придумать фантастическое растение — и десять человек из десяти обязательно начнут видоизменять цветок или дерево, то есть целый организм. А ведь можно опуститься на микроуровень: менять клетку растения, и тогда даже небольшие изменения на клеточном уровне дадут удивительные растения, которых нет и в самых фантастических романах. Можно подняться на макроуровень — и менять свойства леса, опять-таки здесь окажутся интересные и неожиданные находки.
Однажды в Институте зерна академик Лисицын сказал изобретателю Качугину, что состоится совещание по важнейшей научной проблеме — борьбе с жуком-долгоносиком. Нужно исследовать условия его существования и, в частности, определить точную температуру тела жучка. Приборов, позволяющих решить такую задачу, в то время не было.
— Тема стоит пятьдесят тысяч, но неизвестно, можно ли на эти средства сконструировать нужный прибор,— сказал с озабоченностью академик.
— Зачем строить прибор? Температуру долгоносика можно измерить обыкновенным медицинским термометром,— ответил Ка-чугин.
Лисицын посмотрел на изобретателя так, как смотрят на человека, который сделал вид, что понял устройство паровоза, а сам уточняет, в каком месте к паровозу пристегивают лошадей.
Но Качугина не смутил этот взгляд.
— Надо набрать стакан долгоносиков, закрыть его, чтобы долгоносики не расползлись, и через отверстие в крышке опустить в середину стакана медицинский термометр. Через некоторое время он покажет температуру тела долгоносиков. А вы подумали, что я предложу ставить термометр долгоносику под мышку?
Академик задумался на минуту.
— 'Возможно, вы правы,— сказал он.
Опыт показал, что Качугин был прав1.
Качугин легко решил задачу потому, что за «деревом» сумел увидеть «лес». Когда один объект объединяется с другими такими же объектами, образуется система, обладающая некоторыми новыми качествами. Собранные в стакан жучки сохраняют свою температуру, но измерить ее у «жучества» намного легче, чем у одного жука.
1 Брагин В. След нейтрона // Изобретатель и рационализатор. 1975. № 9. С. 32.
277
Каждый объект (животное, растение, корабль, токарный станок и т. д.) надо уметь видеть не только как «дерево», но и как «лес» и как «клетку дерева». Поэтому курс развития воображения начинается с тренировки в составлении и применении фантограмм. Фантограмма — это таблица, на одной оси которой записаны главные характеристики объекта (из каких «клеток» состоит, в какую систему входит, откуда берет энергию, в каком направлении развивается и т. д.), а на другой — всевозможные приемы изменения: увеличить, уменьшить, разделить, объединить, «перевернуть» и т. д.
Если фантазия не развита, человек видит одну-две характеристики объекта и один-два приема их изменения. Фантограмма, получается крошечная. Богатство фантазии означает, в сущности, что человек легко строит (мысленно, конечно) большую фанто-грамму и умеет выискивать на ней редкие комбинации.
Изучение техники фантазирования нисколько не похоже на зазубривание шаблонных приемов. Одно и то же упражнение может быть выполнено по-разному в зависимости от личности человека. Здесь, как в музыке, технические приемы помогают раскрытию индивидуальных качеств, и интересно выполненные упражнения порой доставляют подлинно эстетическое удовольствие, как хорошо сыгранная вещь.
— Возьмите, пожалуйста, объектом дерево,— говорит руководитель занятий,— и используйте прием увеличения.
Слушатель, молодой инженер, выходит к доске.
— Итак, надо увеличить дерево. Что ж, пусть его высота будет триста метров, даже четыреста...
— Такие деревья существуют,— замечает кто-то с места.
— Да,— соглашается инженер,— но я только начал увеличивать. Допустим, высота дерева тысяча метров. Или две тысячи. Вероятно, ветви деревьев не выдержат собственной тяжести, они работают на изгиб, как консоли, вес увеличивается пропорцией нально кубу линейных размеров. Значит, ствол высотой в две тысячи метров будет иметь сравнительно небольшие ветви. Продолжим: две тысячи метров, три тысячи...
— Пока нет нового качества,— напоминает руководитель.
— Пусть высота будет десять тысяч метров. Тогда вершина попадет в область вечных снегов. Вот и новое качество,..
— Пожалуйста, чуть смелее,— настаивает руководитель.
— Двадцать тысяч...
— Метров?
— Нет. Двадцать тысяч километров!
В аудитории оживление. Неожиданный скачок: ствол дерева теперь в полтора раза больше диаметра Земли.
— И как выглядит такое... гм... растение?
278
На доске появляется рисунок (рис. А). Но инженер тут же спохватывается:
— Нет, не так... На ствол будет действовать сила Кориолиса, вершина отклонится. К тому же вершина должна стремиться вниз, к теплу, к воздуху... Инерция мысли: я увеличивал высоту, тянул ствол вверх. Ствол должен удлиняться, оставаясь у поверхности земли. Сразу отпадает вопрос о прочности. Дерево просто лежит на земле (рис. Б).
— Вероятно, это не единственное дерево,— подсказывает руководитель.
— Конечно. Их много. И в целом это выглядит так.
Появляется третий рисунок (рис. В).
— Похоже на марсианские каналы... А почему бы и нет? Почему не допустить, что марсианские каналы не просто полосы растительности (была такая гипотеза), а именно глобальные деревья?.. Может быть, не на Марсе, а на какой-то другой планете.
Один из слушателей, астрофизик по специальности, возражает:
— У так называемых «марсианских каналов» есть ряд осо-
бенностей, каждая новая гипотеза обязана их объяснить. Сезонные изменения, например. Удвоение некоторых каналов...
— Очень хорошо,— отвечает инженер,— ствол продолжает расти, появляется второй виток, отсюда удвоение... Вообще в условиях Марса дереву выгодно иметь глобальные размеры. Какая-то часть всегда там, где лето. К тому же на Марсе нет океанов, нет гор, ничто не мешает дереву удлиняться...
— Дерево только часть биосферы,— не сдается астрофизик.— Дерево не может существовать само по себе.
279
— А кто сказал, что на Марсе нет биосферы? Она находится внутри дерева, вот в чем дело. Ведь ствол не только длинный, но и широкий. Внутри развивается жизнь, может быть, даже разумная...
Через полчаса фантастическая гипотеза марсианской биосферы сконструирована во всех деталях. Конечно, это чистая фантастика, но, может быть, не менее интересная, чем мыслящий океан, описанный С. Лемом в «Солярисе».
* * *
Инженер, придумавший «марсианские деревья», вскоре получил свое первое авторское свидетельство. Называется оно вполне прозаически — мастика для полов. Занятия по развитию воображения не сделали инженера «пустым фантазером» (скептики высказывали и такие опасения).
* * *
Итак, проверьте свою фантазию: попробуйте за полчаса придумать какое-нибудь фантастическое растение. Теперь у вас есть с чем сравнить то, что вы придумаете...
* * *
А занятия продолжаются. Теперь идут упражнения посложнее.
...Предположим, сто миллионов лет назад нашу планету посетила экспедиция, прилетевшая из далекой звездной системы. К великому разочарованию экспедиции, по Земле еще бродили динозавры и не было никаких признаков разумной жизни. Впрочем, высокоразвитая наука пришельцев позволила с высокой точностью (плюс-минус десять миллионов лет) вычислить время, необходимое для возникновения цивилизации. Решили улететь, оставив будущей цивилизации нечто такое, что поможет потом установить контакт. Понятно, оставить это «нечто» на Земле нельзя: за сто (плюс-минус десять) миллионов лет уйдут под воду одни материки и появятся другие, «нечто» окажется где-то в недрах планеты. Целесообразнее оставить «нечто» на почти не меняющейся Луне.
И вот — уже в XX веке — космонавты обнаруживают на Луне два десятка черных ящиков. С виду это самые обычные ящики, наподобие посылочных. Но совершенно гладкие, без намека на крышку, шов или замочную скважину. И тут же на скале нацарапаны картинки, поясняющие происхождение ящиков и их назначение. Конечно, рисунки — это условное допущение, необходимое для создания проблемной ситуации.
Лента магнитофона. Запись сделана в группе новичков:
280
— И что от нас требуется?
— Не знаю. Я описал вам ситуацию. Поставьте себя на место космонавтов, нашедших эти ящики. И сами решайте — что делать.
— Непонятно, в чем задача... Ну, взяли один ящик и отнесли на базу.
— Взяли? Так вот, когда вы его взяли, он сразу рассыпался.
— Как это... рассыпался?
— Очень просто. Рассыпался в порошок, а порошок тут же превратился в газ — и все.
— Возьмем другой ящик.
— Другой ящик тоже рассыпался, превратился в газ, исчез.
— А почему?
— Это ваше дело — узнать почему.
— Возьмем еще один ящик, пусть рассыпается, но мы соберем газ и исследуем.
— Исследовали. Восемьдесят процентов углекислого газа, двадцать процентов азота...
Могучий способ исследования: сожжем, например, книгу, и по составу газа будем судить о ее содержании... Это не последняя ошибка. Группа будет уничтожать ящик за ящиком, постигая простую, но необходимую мораль: фантазией надо управлять.
Свободный полет фантазии часто отождествляют с примитивным перебором вариантов: «Хочу — попробую так, хочу — попробую иначе...» Формально при таком переборе фантазия ничем не стеснена. А на самом деле психологическая инерция намертво сжимает неокрепшие крылья воображения. Мысль топчется на тесном пятачке простеньких комбинаций. Какой уж тут полет!.. Для полета нужно управление.
Еще одна лента. Запись, сделанная в группе, прошедшей первые этапы тренировки:
— В расположении ящиков нет закономерности?
— Нет.
— Хорошо. Тогда фотографируем ящики. Один ящик доставляем на базу.
— Ящик, который вы взяли, рассыпался.
— Как?
— Очень просто. Рассыпался в порошок, а порошок тут же превратился в газ — и все.
— Понятно... Глупо было тащить ящик. Инерция мысли. Сначала надо понять — что делать.
— Ну, а все-таки: каковы ваши действия?
— Зачем вы нас подталкиваете к действиям? В этой задаче как раз не нужно действовать.
— Почему?
— Я хотел сказать: не надо спешить с действиями. Ящики пролежали сто миллионов лет. Что для них еще год или десять лет? Мы должны сначала выработать обоснованную тактику.
— Как?
— Перевернем задачу. Поставим себя на место пришельцев. Мы оставляем ящики цивилизации, которая появится через сто миллионов лет. Как мы запрограммируем ящики? Прежде всего, они должны определить, что представляет собой цивилизация, обнаружившая ящики. А этого не сделаешь с одной встречи. Ящикам
281
придется долго присматриваться к разным людям, к обществу. Я бы сказал: им нужно пожить среди нас. Тогда они не ошибутся.
— Так что же вы предлагаете?
— Не трогать ящики. Пусть изучают нас. Ящики оставлены высокоразвитой цивилизацией. Ее представители еще сто миллионов лет назад совершали межзвездные перелеты. Такой цивилизации легче понять нас, чем нам понять ее.
— А ящики?
— Пусть лежат. Поняв нас, они сами что-то предпримут. Конечно, потребуется немало времени... Но и решение они должны принять ответственное. Не со всякой цивилизацией нужен контакт, не всем можно передать знания...
* * *
А занятия продолжаются — месяц за месяцем. «Чисто фантастические» упражнения теперь сочетаются с решением изобретательских задач. Впрочем, об этом — в следующей главе.
КУРС «ЭРТЭВЭ»
(из записок преподавателя)
Я расскажу о нескольких занятиях.
Курс развития творческого воображения (РТВ) неповторим, фантазия всегда остается ездой в незнаемое. Вероятно, с другими слушателями те же занятия прошли бы иначе.
Но у нас было так.
Эпизод первый
МАЛЕНЬКИЕ-МАЛЕНЬКИЕ ЧЕЛОВЕЧКИ
Задача. К внутренним стенкам сделанной из диэлектрика трубки попарно подведены контакты. Для замыкания контактов используют свободное падение металлического груза (внутри трубки вакуум, а пары контактов расположены на определенном расстоянии друг от друга). Здесь, однако, возникает трудность: чтобы груз свободно падал, он не должен соприкасаться с контактами и стенками трубки, а чтобы замкнуть контакты, груз должен с ними соприкасаться. Как быть?
Менять общую схему устройства (вакуумная трубка и свободно падающий груз, замыкающий контакты) и предлагать другие способы замыкания, например, с помощью фотоэлементов, нельзя.
— Ну, хорошо, а если сделать груз жидким? — сказал один из слушателей, инженер-конструктор.
— Ничего не получится,— ответил я.— Жидкость начнет испаряться, исчезнет вакуум, не будет свободного падения.
С задачей возились уже два часа, первоначальный энтузиазм давно исчез. Вот-вот должно было возникнуть недовольство.
— Можно сделать груз магнитным, а контакты выполнить в
282
виде витков проволоки,— предложил другой слушатель, физик.— Правда, абсолютно свободного падения не будет, часть механической энергии превратится в ток... Вы хотите, чтобы груз обязательно соприкасался с контактами?
— Хочу,— подтвердил я.
— И одновременно требуете, чтобы при этом соприкосновения не было?
- Да.
— Но это несовместимые требования. Вы дали нам задачу, которая в принципе неразрешима! Мы напрасно тратим время.
Ну вот, на борту назревает бунт. Остает
ся слегка подогреть страсти.
— Почему? — невинно осведомился я.— Нужно, чтобы груз основательно, со скрежетом, терся о контакты. Но чтобы при этом сохранялось свободное падение. Разве это противоречит законам природы?
— Еще как! Если есть трение, не может быть свободного падения. «Со скрежетом»...— возмущенно повторил физик.— Твердое тело со скрежетом трется о другое твердое тело, и при этом не происходит потерь энергии... А откуда берется скрежет?!
— Откуда? Давайте посмотрим. Вот металлический груз. Кусок металла. Из чего он состоит? Что мы увидим, если наше зрение станет в тысячи, в десятки и сотни тысяч раз острее?
— Кристаллическую решетку увидим,— сказал физик.
— А если еще увеличим остроту зрения?
— Ну, увидим атомы.
— Нет, ничего подобного мы не увидим: ни кристаллической решетки, ни атомов. Между нами говоря, их не существует.
— Совсем не существует?
— Ага, совсем. Если хорошенько присмотреться, мы увидим, что груз состоит из толпы маленьких-маленьких человечков.
Теперь физик (да и другие слушатели) смотрел на меня с величайшим вниманием. Не каждый день приходится видеть, как преподаватель сходит с ума.
— А что они делают, эти... человечки? — осторожно спросил кто-то.
— Ничего. Они ждут нашего приказа. Вот тогда они будут что-то делать. Давайте все смоделируем. Пятеро слушателей возьмутся за руки и станут там, у стенки. Это будут человечки груза: А/, А2, АЗ, А4 и А5. Ну, пожалуйста...
С сумасшедшим не спорят. Пятеро слушателей, смущенно улыбаясь, встали у стены и взялись за руки.
283

	
	
б?) ®	I	@®	п	©®
— Прекрасно. Но контакты тоже состоят из человечков. Кому-то придется сыграть их роль.
Через две минуты у нас была прекрасная модель (рис. 1). Физика я поставил на место Б1. Пока я расставлял других слушателей, Б1 о чем-то шептался с БЗ...
— Внимание,— сказал я,— груз начал падать.
Шеренга А двинулась вперед, и, когда она поравнялась с первой парой контактов, Б1 и БЗ вцепились в руки А1 и А5 (рис. II).
— Мы моделируем трение,— охотно объяснил физик.— Вы же хотели, чтобы трение было основательное, со скрежетом... Пожалуйста, трение со скрежетом остановило груз.
— Хорошо, попробуем еще раз.
Шеренга А вернулась в исходное положение. Я тихо сказал пятерке: «Двигайтесь так же, но не держите друг друга за руки» (рис. III).
Б1 и БЗ были, разумеется, начеку и снова схватили А1 и А5. Но на этот раз А2, АЗ и А4 спокойно продолжали движение (рис. IV).
В1 и ВЗ схватили за руки А2 и А4 (рис. V), но АЗ продолжал идти вперед, пока не был остановлен третьим контактом (рис. VI).
— Гениально,— сказал физик, и все рассмеялись.— Разрезаем груз на пластинки, они падают в вакууме как одно целое, но каждая пара контактов задерживает только свою пластинку. Проще простого.
Да, теперь это казалось проще простого. Потребовалось немножко фантазии, только и всего. Представили груз в виде шеренги человечков; увидели, что движению человечков мешает не только трение, но и внутренние связи в шеренге; дали команду человечкам не держать друг друга за руки...
Потом встретятся задачи посложнее. Но прием будет срабатывать всегда. Он всегда поможет заменить невыгодный зрительный образ (жесткий, сопротивляющийся изменениям) выгодным (гибким, готовым к любым изменениям). За внешним, назойливо лезущим в глаза (в нашем примере — трение груза о контакты) он всегда поможет увидеть внутреннее, незаметное (сцепле ние между частями груза) — то, что нужно и можно изменить, чтобы решить задачу.
— А почему именно человечки? — спросил физик.— Почему не атомы? Или какие-нибудь шарики?
Черт его знает, почему, подумал я. Наверное, атомы слишком конкретны, они будут действовать по своим реальным законам и не
285
позволят мне фантазировать. Человечкам я могу сказать: «Отпустите руки!» — и они отпустят. А как я скажу атомам: «Не взаимодействуйте друг с другом...»? Шарики тоже не годятся, из них трудно построить исходную модель.
— Между нами говоря,— ответил я,— они на самом деле существуют, эти маленькие-маленькие человечки. Скоро вам будет казаться странным, что вы их раньше не замечали...
Эпизод второй
НА ПЫЛЬНЫХ ТРОПИНКАХ ДАЛЕКИХ ПЛАНЕТ
Упражнение. Космический корабль приблизился к неизвестной планете. Планета закрыта тонким слоем условных облаков: сквозь них могут пройти спускаемые с корабля автоматические станции, но не проходят никакие излучения. Проводная связь тоже невозможна.
На планете действуют те же физические законы, те же геологические, климатические и т. п. факторы, что и на Земле, на Луне или на Марсе. И только один фактор изменен.
Задавая автоматическим станциям определенные программы исследований, надо с наименьшего числа попыток найти этот икс-фактор.
Преподаватель играет за планету, слушатели — за экипаж корабля.
— Непонятно... Что это за облака?
— Условные облака... Они нужны, чтобы создать ситуацию «черного ящика».
— Значит, разогнать облака нельзя?
— Ни в коем случае. В вашем распоряжении только один способ: запуск автоматических станций. При этом нельзя поддерживать связь со станцией сквозь облака. Программа должна быть задана заранее.
— Непонятно... Запустим станцию, она там все выяснит, вернется, сообщит... В чем же смысл упражнения?
— А вы попробуйте.
— Хорошо. Станция может выполнить любую программу?
- Да.
— Тогда посылаем станцию с таким заданием: опуститься на поверхность, взять пробы грунта, воздуха...
Программу коллективно дополняют: измерить радиацию, сделать снимки и т. д. Я пока проверяю магнитофон. Запись будет идти весь урок.
— Программа готова. Запускаем станцию.
— Прекрасно. Запустили. Но она не вернулась.
— Как это — не вернулась? Почему?
— Это ваше дело — узнать почему. Там ведь может быть все, что угодно. Вулканы. Или в миллионы раз большая сила тяжести. Или какие-нибудь чудовища, которые слопают вашу станцию.
— Хорошо. Отправим еще три станции. В разные места.
— Станции не вернулись.
286
Через пару месяцев я им прокручу эту пленку. Подумать только, какая психологическая инерция: одна станция не вернулась, давай пошлем еще три...
— Количеством станций мы не ограничены?
— Нет.
— Тогда посылаем еще десять станций.
— Станции не вернулись.
Смех.
— Ни одна? Учтите, наши станции имеют автоматы, выводящие их на посадку только в безопасном месте.
— А как они узнают, что место безопасно?
— По рельефу. Если внизу ровный грунт, значит, безопасно.
— Прекрасно. И все-таки станции, снабженные системами выбора места посадки, не вернулись... Что вы будете делать дальше?
— Наверное, опасно садиться на поверхность... Пошлем еще одну станцию, но с другой программой. Пусть станция опустится под эти облака, сделает снимки и сразу вернется. Спуститься она должна совсем немного — на метр, не больше.
— Станция вернулась.
— Наконец-то! А снимки получились?
- Да.
— И что на них?
— Степь, река, холмы, лес... Все как на Земле. Снято с высоты в десять километров. Взяты пробы атмосферы — воздух тоже как на Земле. Опасной радиации нет.
— А почему посланные в этот район станции не вернулись?
— Это уж ваше дело— узнать почему.
— На снимках видны станции? Или хотя бы их обломки?
— Нет.
— Непонятно... А если следующая станция, оставаясь на высоте в десять километров, сбросит вниз зонд с радиопередатчиком?
— Можно.
— Хорошо! Посылаем станцию. Она остается наверху, под облаками. И сбрасывает зонд на какое-нибудь ровное место. Например, на холм. Зонд должен подавать сигналы с поверхности. Станция их запишет и вернется на корабль.
— Станция вернулась, но никаких сигналов зонда не записала.
— Почему?
— Это ваше дело — узнать почему...
Упражнение продолжается, и еще не скоро удастся обнаружить, что икс-фактор на этой планете — замедленная скорость света и других электромагнитных колебаний: один сантиметр в секунду. До станции-, находящейся на десятикилометровой высоте, свет доходит на двенадцатый день. Станция видит степь, реку, холмы, а внизу — болото или горные вершины...
287
На следующем занятии такое же упражнение мы разыграем иначе. Я отберу «экипаж». Два человека в «экипаже» будут только выдвигать предложения — что делать дальше. Третий тоже будет занят одним делом: проверкой поступивших предложений на психологическую инерцию. Пройдут только те предложения, в которых не окажется психологической инерции. Полученная информация («станция не вернулась...») поступит к четвертому члену «экипажа», который будет специально заниматься выявлением странностей, то есть признаков проявления икс-фактора. Пятый и шестой члены «экипажа» займутся поиском возможных объяснений этих странностей, выдвигая гипотезы. А двое первых используют эти гипотезы для корректировки плана исследования.
Слушатели, следящие за действиями «экипажа», будут заранее знать «секрет» планеты. Пусть смотрят со стороны и анализируют ход поиска: перед ними наглядная модель творческого процесса.
Все это — в дальнейшем. Сегодня слушатели, загубив множество автоматических станций, с трудом раскрывают икс-фактор первой планеты.
— А можно мы теперь планета, а вы — экипаж?
Бурный восторг.
— Можно,— покорно соглашаюсь я. Каждая группа рано или поздно приходит к этой светлой идее.
Шепчутся, сговариваясь. Ладно, первую станцию я вам отдам.
— Программа первой станции: поднырнуть под облака, метров на десять, не больше. Снимки, пробы... Вернуться через пять минут.
— Станция не вернулась!
— Печально,— говорю я,— ах, как печально, такая была хорошая станция, совсем еще новая...
Это прекрасно, что станция не вернулась. Она погибла, но я получил необходимую информацию. Теперь я знаю, что икс-фактор действует под самыми облаками, он не связан с поверхностью планеты. Какое-то изменение законов природы. Пожалуй, я догадываюсь— какое именно. Мои слушатели еще не умеют бороться с психологической инерцией: я им дал планету с измененной скоростью света и они тоже изменили какую-то скорость.
— Вторая станция. Не нужно снимков, не нужно проб. Пусть станция опустится под облака и через секунду вернется.
Мои оппоненты в явном замешательстве.
— Ну, вернулась станция?
— Вернулась. Через семнадцать минут. Какова программа третьей станции?
Это они наталкивают меня на неверную тактику. Нет уж...
— Не будет третьей станции. Я подожду, пока вернется первая станция. Ведь она вернется, не так ли? На вашей планете время идет в тысячу раз медленнее, вот и весь секрет.
288
Эпизод третий
ЕЩЕ К ВОПРОСУ О ЗОЛОТОЙ РЫБКЕ
Задача. Цех изготавливает металлические изделия, имеющие форму боковой поверхности усеченного полого конуса. Диаметр большого основания от 0,5 до 1 метра. Требуемая точность обработки внутренней поверхности — 0,05 миллиметра. Контроль качества готовой продукции ведут с помощью набора точно изготовленных дисков-шаблонов, поочередно вставляя их внутрь изделия.
Возникает противоречие: чтобы повысить точность контроля, нужно при проверке каждого изделия использовать возможно больше шаблонов, а чтобы упростить и ускорить процедуру проверки, шаблонов должно быть возможно меньше.
Как усовершенствовать контроль?
Рано утром выпал первый в этом году снег. Мы сидим в холодной аудитории (снег всегда выпадает внезапно). С улицы доносятся азартные крики: «Давай, давай!» Окруженный зрителями, троллейбус пытается одолеть заснеженный подъем. Я вожусь с журналом. Фантазия фантазией, а учет посещаемости — святое дело. У нас железный закон: пропустил без уважительной причины два занятия — и прощай. Сегодня нам предстоит рассмотреть метод последовательного перехода от фантазии к реальности. Метод хитроумный и тонкий, а слушатели шепчутся о снеге. Мысленно они там, на улице: все-таки это романтично — первый снег...
Приходится на ходу менять план занятия.
— Начнем по сезону. С теплого южного моря. Однажды случилась такая любопытная история. Некий рыбак поймал золотую рыбку, а рыбка говорит ему человеческим голосом: «Отпусти ты, старче, меня в море...»
Я вполне серьезно пересказываю Пушкина. Все идет нормально, постепенно о снеге забывают.
— Ну, вот. После такой проработки старик снова идет к морю, зовет рыбку, та появляется и спрашивает: «Чего тебе надобно, старче?» Как вы думаете, фантастична ли эта ситуация?
Молчание. Народ приобрел опыт и не спешит к ловушке.
— Ладно. Вот другая ситуация: Аладдин потер старую медную лампу — и появился джинн. Фантастика это или нет?
Соглашаются: да, фантастика, сказка.
— А если я сейчас, вот здесь, прямо перед вами осуществлю подобную сказку?
Теперь снег совершенно забыт.
— Сказка будет осуществлена в буквальном смысле?
— В самом буквальном.
— Нет. Невозможно.
— Ошибаетесь. Разве я не могу потереть старую медную лампу?
— Сколько угодно. Но джинн не появится.
— Тем не менее часть сказочной ситуации (потереть старую медную лампу) я все же могу осуществить.
19 Зак. 2148
289
— Ну и что?
— Как что? Ведь отсюда следует, что сказочная, фантастическая ситуация содержит реальный компонент. Запишем это так:
Ф = Pi + Ф|
Подойти к морю и позвать золотую рыбку я могу. Это Pi, реальный компонент. А все прочее — это Фь фантастический компонент. Исходную фантастическую ситуацию Ф я свел к более простой фантастической ситуации Фь А ее в свою очередь можно разложить на Р2 и Фг. А Ф2 можно разложить на Рз и Фз. И так далее — пока не придем к пренебрежимо малому остатку Ф:
Ф
Pi 0!
1Рг
А Ф,
Фл-1
Рп Фп
— Если так, пусть появится золотая рыбка. Хотя бы без Фп, без хвоста.
— А зачем вам золотая рыбка? Пушкин убедительно показал, что из контактов с ней ничего хорошего не получится. Давайте лучше используем этот метод для решения изобретательской задачи.
Три минуты на ознакомление с условиями задачи. Я специально тороплю, чтобы задачу не стали решать другим методом.
— Сначала сформулируем исходную ситуацию Ф. Как бы вы решили задачу, если бы у вас была золотая рыбка?
Шум, крики. Староста говорит:
— Ладно, сформулирую общую мысль. Мы потребовали бы, чтобы первое контрольное сечение, назовем его сечением № 1, само доложило, что в таком-то месте есть такое-то отклонение от заданного размера. Потом следующее сечение... Можно еще проще. Допустим, у меня чертеж изделия, вид сверху. И на нем концентрической окружностью показано сечение № 1. Так вот, я хочу, чтобы на этом чертеже сама собой возникла окружность, соответствующая фактическим размерам.
— Прекрасно. Это исходная ситуация Ф. Что в ней соответствует реальному компоненту Р\?
— У нас есть чертеж. Это реально.
— Вычтем Р\ из Ф и получим Фь на чертеже нет линии, соответствующей фантастическим размерам сечения № 1, а мы хотим, чтобы эта линия там была.
290
Кто-то ехидно замечает:
— Рыбак есть, нет золотой рыбки...
— Пойдем дальше. Что в ситуации Ф\ можно считать Р2 и Ф2?
— Сечение № 1 существует в изделии, наверное, это и есть реальность Р2. Сечение вообще существует, но не переходит на чертеж, не фиксируется. Золотая рыбка где-то есть, но она не приплывает на наш крик.
— Отлично! Значит, Ф2 — переход сечения № 1 с изделия на контрольный чертеж.
— Нет. Перейти оно может. Поставим сверху зеркало и в нем отразятся все сечения, вся внутренняя поверхность изделия. Дело не в переходе. Сечение № 1 не может выделиться, оно не отличается от соседних сечений.
— Не возражаю. Мы сделали еще один шаг: установили, что операция перехода Ф2 состоит из выделения Фз и отражения Рз, фиксации на чем-то. Выходит, все дело в том, чтобы сечение № 1 как-то выделилось среди других сечений.
— Покрасить надо.
— Не пойдет,— возражает староста.— Линия не имеет толщины, нечего красить. Хотя... можно покрасить по одну сторону сечения одним цветом, а по другую — другим. Как на красно-синем карандаше. Но это тупик. Как мы будем красить? Чтобы красить, нужно выделить эту линию, а чтобы выделить, надо покрасить... Тупик.
— Почему? Это не тупик, а ситуация Ф4: надо, чтобы изделие вдруг само окрасилось точно по уровню сечения № 1. Здесь тоже есть Р и Ф. Покрасить мы можем (намажем краской — и все), это реальность Р5. А точно покрасить мы не можем, это пока фантазия Ф5.
— Кажется, есть идея!
Пора бы, подумал я. Ведь золотая рыбка уже появилась...
— Есть такая идея: опустить изделие в ванну с краской. Горизонтальная поверхность краски отметит сечение № 1. Потом опустить глубже, получим сечение № 2. И так далее. Остается зафиксировать эти сечения в зеркале или на фотопластинке.
Снова шум, обговаривают конструкцию. Как расположить аппарат, что взять вместо краски, как сравнить полученный снимок с контрольным. Задача решена, ответ совпадает с изобретением по авторскому свидетельству № 180 829. Именно так решили эту задачу изобретатели В. Коротков, А. Никольский и В. Шпаков.
291
Не знаю, сколько времени они потратили на поиски изобретения, у нас ушло менее получаса. До конца занятия еще шесть минут, и я успеваю подвести итоги и дать домашнее задание.
Мы еще порешаем с десяток таких задач. Отшлифуется умение превращать техническую задачу в фантастическую ситуацию Ф и строить цепь Ф\ — Ф2 — Фз — Ф* —...
А на сегодня хватит. Сегодня мы хорошо поработали.
Эпизод четвертый
«НАЧНЕМ С УВЕЛИЧЕНИЯ В МИЛЛИАРД РАЗ...>
Домашнее задание. На строительстве Усть-Илимской ГЭС понадобилось соорудить несколько водоводов — железобетонных труб диаметром около 10 и длиною около 40 метров. Вес каждого водовода — 4000 тонн. Водоводы должны лежать на откосе в 45 градусов.
Изготовлять водоводы в наклонном положении крайне неудобно. Лучше строить их вертикально, а потом опускать на откос. Однако проектировщики подсчитали, что для этого потребуется очень сложная и дорогая система грузовых стрел, талей, блоков. Пришлось изготавливать водоводы в наклонном положении. А когда работа была сделана, деньги потрачены, два молодых инженера предложили решение, которое (поспей оно вовремя) позволило бы легко опустить готовые водоводы и дало бы огромную экономию.
Найдите это решение, используя оператор РВС.
Третий месяц мы воюем с психологической инерцией. Первая линия обороны нашего противника — технические термины. Инженеры привыкли уважительно относиться к терминологии. Размышляя о задаче, они думают терминами. Между тем, каждый термин отражает старое, уже существующее. Термин стремится навязать традиционное, привычное представление об объекте. В безобидной, казалось бы, формулировке: «Как повысить скорость движения ледокола сквозь лед?» — слово «ледокол» сразу навязывает определенный путь. Надо колоть лед, дробить лед, ломать лед...
Мы заменяем термины словом «штуковина», оно играет у нас ту же роль, какую играет в математике «икс». Поначалу инженеры посмеивались, заменяя «штуковиной» привычные термины «вибродатчик», «экстрактор», «опалубка», «коррелометр». Но довольно скоро обнаружилось, что любую задачу можно изложить без терминов.
Психологическая инерция отступает, но не сдается. Уже нет слов, навязывающих старые, привычные представления, но остается старый зрительный образ. Я не произношу слово «ледокол», но все равно у меня перед глазами нечто ледоколообразное.
Чтобы преодолеть психологическую инерцию, мы используем оператор РВС. Это шесть мысленных экспериментов, которые
292
последовательно расшатывают привычное зрительное представление. Мысленно увеличиваем размеры (или другой основной параметр) «штуковины» в тысячу, в миллион раз... уменьшаем размеры... увеличиваем продолжительность процесса... уменьшаем... увеличиваем допустимую стоимость... уменьшаем...
Оператор РВС не всегда дает решение задачи. Собственно, он и не предназначен для этого. Его цель — сбить психологическую инерцию перед решением. Но задача о водоводе несложная, и в листках с выполненным домашним заданием я сразу замечаю много правильных ответов.
Что ж, возьмем наугад одну работу (странный феномен: наугад я почему-то всегда вытаскиваю работы, написанные хорошим почерком):
1.	Р->оо. Размеры бетонной штуковины увеличиваются в сто раз. Громадина наподобие Останкинской башни. Никакие краны не годятся, это ясно. Как уложить махину высотой в четыре километра и диаметром в километр? Нет, это не башня, у башни диаметр мал по сравнению с высотой. Это гора. Как уложить гору? Идеально было бы, если бы гора легла сама. Но горы никогда не падают. Не знаю. Задача стала сложнее. Этот шаг ничего не дал.
2.	Р -> 0. Для начала уменьшим размеры в сто раз. Высота 40 сантиметров. Все очень просто: уложим штуковину вручную. Высота 0,4 сантиметра. Снова вручную. Высота 0,04 миллиметра. Задача опять усложнилась.
3.	В -+ оо. В условиях задачи не указано, сколько времени отводится на спуск штуковины. Предположим, месяц. Увеличим этот срок в сто раз. 8 лет. Не вижу особой разницы. Увеличим этот срок еще в тысячу раз. 8000 лет. Осядет грунт, и штуковина опустится сама? Во всяком случае, за 8 миллионов лет могут произойти большие геологические изменения.
4.	В -> 0. Штуковина опустилась за одну минуту или за одну секунду. Это значит, что она упала. Чтобы штуковина упала, ее центр тяжести должен изменить свое положение.
Появилась идея, относящаяся к пункту 1. Есть горы, которые сами падают. Это — айсберги. Подтаивает основание, смещается центр тяжести, гора опрокидывается. Пункт 3 тоже наводит на подобную мысль: за миллионы лет могут выветриться, вымыться самые твердые породы. Отсюда идея...
Далее идет описание. Все верно, можно ставить пятерку, решение совпадает с изобретением по авторскому свидетельству № 194 294, в котором сказано: «Способ монтажа тяжелых конструкций путем опускания их на рабочее место, отличающийся тем, что с целью упрощения процесса монтажа под конструкцией возводят колонны из природных веществ — льда, соли, которые затем у основания соответственно растапливают и растворяют, обеспечивая тем самым уменьшение длины колонн с одновременным опусканием конструкции».
Другая работа:
1. оо. Начнем с увеличения в миллиард раз. Получается, что длина штуковины 40 миллионов километров. Диаметр Земли — 12 тысяч километров. Положить такую штуковину на Землю нельзя. Можно Землю положить на нее. Новая формулировка задачи: как откос положить на водовод? На откосе должно что-то нарасти. Нужно иметь что-то (например, подушку со сжатым воздухом), способное увеличиваться и уменьшаться. Когда водовод изготовлен, пространство
293
между откосом и водоводом должны заполнить маленькие человечки. Те человечки, которые окажутся около водовода, прочно вцепятся в его поверхность. А толпа человечков начнет редеть (испарение, таяние?). Водовод наклонится (его потянут человечки) и постепенно ляжет на откос.
Решение: заполнить пространство между откосом и водоводом льдом, приморозить трубу ко льду и постепенно расплавлять лед, чтобы он уходил из этого пространства. Вместо льда можно взять какое-нибудь химическое вещество и действовать на него реактивом, но лед дешевле.
Придется усложнить задачу, слишком легко с ней справляются. В этом решении есть любопытный нюанс: лед положен не под трубу, а рядом с ней, в пространстве между трубой и откосом. Использована способность льда хорошо сцепляться с бетоном, это остроумно. Следовало бы поставить пятерку. Но отработан только один шаг оператора РВС, в другой раз это может подвести: опасно останавливаться на первой подходящей идее. И потом, меня смущают маленькие человечки: хорошо или плохо, что они применены здесь? Все-таки это упражнение на оператор РВС.
Преодолев психологическую инерцию, я ставлю оценку 5 ± 0,5.
Эпизод пятый
ПОДОЗРИТЕЛЬНО ПРОСТАЯ ЗАДАЧА
Задача. На стальном тросе А висит груз. В плоскости, перпендикулярной тросу А, движется трос Б. Как сделать, чтобы трос Б, продолжая движение, не разорвал бы трос А и сам не был бы разорван?
Я оставляю магнитофон и выхожу в коридор. Пусть решают самостоятельно. Устраиваюсь у окна, закуриваю. Докурить мне не
удается, зовут в класс.
— Повторите, пожалуйста, условия.
Повторяю.
— И это все?
— Все.
— Тогда задача решена. Мы думали, там есть еще что-то. Подозрительно простая задача.
Включаю магнитофон:
— Веселая ситуация. Можно показывать в цирке: трос проходит сквозь трос, а тому хоть бы что... На грани фантастики.
— Раз ситуация фантастическая, позовем золотую рыбку. Трос А может свободно дойти до троса Б. Это реальность Р\. А вот остальное — фантастика.
— Почему? Трос А может частично войти в трос Б. У троса Б должен быть какой-то запас прочности, обрыв произойдет не сразу.
— Значит, мы разложили Ф\ на Р2 и Ф2.
294
— Фг тоже можно разложить. Трос А может полностью пройти сквозь трос Б, это реальность Р%. А вот совпадение оборванных концов — это уже фантастика, то есть Ф3.
— Человечки на одном конце троса должны схватить человечков на другом конце.
— Если представить, что размеры троса Б стремятся к нулю, трос Б свободно пройдет между человечками троса А...
Шум... С трудом разбираю обрывки фраз: «Магниты... Магнитное сцепление... А если груз тяжелый?..»
Приходится расспрашивать, восстанавливать ход решения. Выясняю, что одни продолжали работать с золотой рыбкой, другие использовали маленьких человечков, третьи — оператор РВС. Приверженцы маленьких человечков вручают мне рисунок: «Тут же все ясно...» Решение у всех одинаковое.
— Правда, похоже на руки? Человечки перехватывают руками верхнюю часть троса...
Приложение
ИНЖЕНЕР ЧИТАЕТ ФАНТАСТИКУ
Вот такой вопрос: много бы нашлось желающих совершить кругосветное плавание, если бы самому быстрому кораблю требовалось для этого лет двадцать? Вопрос практический. Поэзия, как известно, езда в незнаемое. Обратите внимание: езда, а не путешествие. Бешеная скачка сквозь ночную грозу. Но на короткую дистанцию! А исследование — это путешествие дневное, более или менее спокойное, однако неблизкое, длящееся годами. Если же направление выбрано еретическое (на дорожном указателе: «Проезда нет! Там чудеса, там леший бродит...»), то двадцать лет — это еще умеренный срок. Может набежать и больше.
В 1964 году я начал составлять Регистр современных научно-фантастических идей, ситуаций, сюжетов. Доброжелатели сказали: «Возмутительно извлекать из живого’ художественного произведения научно-фантастические идеи и классифицировать их. Художественное произведение — таинство и т. д.». Я оправдывался: была же при Академии наук Сказочная комиссия (название-то какое!) — собирала сказки, анализировала, извлекала типовые приемы, классифицировала их, хотя сказка тоже таинство. Доброжелатели не унимались и где-то даже повышали голос: «Надо запретить Регистр, он принесет больше вреда, чем пользы...» Но долгое путешествие уже началось, голоса доброжелателей доносились из нарастающего отдаления.
И стало тихо. Я спокойно собирал Регистр. Очень скоро выяснилось, что многие современные научно-фантастические идеи уходят корнями в далекое прошлое и потому надо вносить в Регистр идеи столетней давности и еще более старые сказки, и совсем древние индийские мифы... Менялась и классификация.
В 1964 году идеи, сюжеты и ситуации, относящиеся к загрязнению окружающей среды, составляли небольшую группу, входящую в подкласс «Влияние техники на природу». А теперь это обширный класс с подклассами, группами и подгруппами.
В нынешнем Регистре три тысячи страниц. Как-то незаметно количество собранных идей превысило критическую массу, и Регистр начал работать, подсказывая приемы генерирования новых идей, ситуаций и сюжетов. Первыми проявили интерес к Регистру чуткие диссертанты, разрабатывающие темы, связанные с научной фантастикой. Потом — клубы любителей фантастики. И, наконец, писатели, редакторы, литературоведы. А главное — Регистр помог создать курс РТВ (курс развития творческого воображения) в многочисленных школах ТРИЗ: показал логику развития фантастики, позволил осваивать и применять приемы генерирования новых идей.
296
«НЕ МАШИ ВПУСТУЮ РУКАМИ!>
К Регистру мы еще вернемся в одном из следующих сборников. А сейчас речь пойдет о новом путешествии, тоже долгом и тоже вроде бы еретическом. Оно только начинается. И с причала вновь звучит хор доброжелателей: «Возмутительно!..» Нет, в самом деле, затея возмутительная: есть шкала силы ветра, есть шкала силы землетрясений, давайте составим шкалу для оценки силы научно-фантастических идей, а заодно и произведений, их содержащих. Законный вопрос: а зачем?
А вот зачем. Курс РТВ строится на упражнениях типа «Предложите фантастическую идею, относящуюся к такому-то объекту». Спрашивается: как оценивать эти идеи? Оценку технической идеи строят на сравнении с прототипом, сопоставляя производительность, стоимость и т. д. Здесь роль шкалы играют инженерные знания, информация о реальном прототипе, наконец, практика. А как оценивать фантастические идеи? По каким показателям?
Спасительная мысль: вообще не будем оценивать, вовсе это не надо... Нет, надо! Если преподаватель говорит: «Это хорошо, а это плохо»,— немотивированная оценка практически не помогает слушателю при выполнении следующего упражнения. Представьте себе тренера, наблюдающего за усилиями будущих пловцов: «Вот ты тонешь, это в общем нежелательно... А ты, похоже, держишься, это хорошо...» Нулевая информация. Другое дело — оценка по шкале из пяти показателей, четырех уровней по каждому показателю. Так вот: «У тебя по первому показателю единица, не маши впустую руками, а постарайся сделать то-то и то-то...»
Мы развиваем творческое воображение, учим генерировать неожиданные, небывалые, невиданные идеи. И если мы хотим, чтобы курс РТВ был эффективным, необходимо уметь оценивать идеи, чтобы знать, в чем ошибка и как ее исправить.
ЧТО ГЛАВНОЕ В НФЛ?
Начиная занятия по РТВ, преподаватель прежде всего стремится втянуть слушателей в регулярное чтение научно-фантастической литературы. На каждом занятии староста группы обменивает взятые на дом рассказы. Но следить за чтением НФЛ каждым слушателем преподавателю крайне трудно, а если занятия идут каждый день, то вовсе невозможно. Кто-то из слушателей вообще не любит НФЛ и потому отвергает ее, не читая. Другие, напротив, восторженно и некритически воспринимают все с грифом «НФ». Часто проявляются сильные «вкусовые комплексы»: нравятся определенные поджанры фантастики или определенные авторы...
В сущности, у каждого есть своя шкала оценки. Чаще всего
297
искаженная, нелогичная, несправедливая, но — своя! Принцип персонального «шкалообразования» прост: пусть высоко ценится только то, что нравится мне... Однажды на занятиях по РТВ я попросил слушателей самостоятельно составить шкалу оценки НФЛ. Вот одно из предложений. Шкала из 130 баллов, распределены они так:
занимательность — новизна — необычность — острота ситуации — художественность —
до 25 баллов, до 25 баллов, до 50 баллов, до 20 баллов, до 10 баллов.
«Вкусовой» подход заложен здесь в самой шкале. Человеку нравится остросюжетная, парадоксальная фантастика. Первые четыре показателя, в сущности, относятся к одному и тому же свойству, только под разными названиями. А художественности отведено всего 10 баллов из 130... По этой шкале «парадоксальный» Азимов легко обойдет «художественного» Брэдбери, а любой космический боевик окажется далеко впереди «Аэлиты».
Первым показателем для оценки новой фантастической идеи, очевидно, должна быть новизна. Однако совсем нетрудно получить идеи, обладающие почти абсолютной новизной. Вот: «Солнце представляет собой большое яблоко, нагретое до шести тысяч градусов». Нелепая идея, но ведь новая! Выходит, необходимо учитывать еще и убедительность, степень реализма фантазии.
Новизна и убедительность характеризуют идею независимо от ее художественного воплощения. Но фантастические идеи — в отличие от научно-технических — предназначены для художественных произведений. Значит, шкала оценки фантастических идей должна включать показатели, характеризующие применение идей. Художественная литература (в том числе и НФЛ) — человековедение. Отсюда третий показатель: человековедческая ценность идеи.
Три показателя — новизна, убедительность, человековедческая ценность — относятся к самой идее. А четвертый показатель — художественная ценность — зависит от воплощения идеи в конкретном произведении. Одна и та же идея может быть воплощена в разных произведениях с разной художественной силой.
Четыре показателя, три уровня оценки по каждому показателю — таким был первый вариант шкалы «Фантазия». При первых же попытках применения шкалы на занятиях по РТВ обнаружились... Впрочем, сделаем небольшое отступление.
ЗАЧЕМ ИНЖЕНЕРУ НФЛ?
Зачем все-таки нужна шкала? Ведь курс РТВ предназначен для инженеров, а не для литературоведов... Вот три соображения:
1	. Развитие инженерного воображения требует обильного (и с пониманием!) чтения НФЛ: каждый рассказ — своеобразное упражнение «на фантазию». Шкала стимулирует вдумчивое чтение, это доказано практикой.
2	. Каждая оценка идеи или рассказа представляет собой микроисследование. Три-четыре десятка таких микроисследований — и «прорезываются» первые навыки аналитического, системного мышления. Это тоже доказано практикой обучения.
3	. Потренировавшись со шкалой «Фантазия», можно переходить к более сложным упражнениям того же типа.
Первая же попытка применения шкалы обнаружила любопытные явления. Прежде всего резко возросла «читаемость» НФЛ: рассказы шли нарасхват, слушатели перестали жаловаться на нехватку времени. Приятно ставить «отметки» писателям-фантастам, приятно быть экспертом, судьей... Повысилась объективность восприятия: оценки пришлось обосновывать. В письменных работах появились записи такого типа: «Не ожидал, что оценка будет невысокой, рассказ мне понравился». Или: «Перечитал рассказ. Видимо, дело не в космическом приключении, а в конфликте между героями...»
Все шло прекрасно, а потом — совершенно неожиданно! — объективность оценок пошла на убыль. Освоили шкалу, научились находить лазейки, научились «обосновывать» свои вкусы. Мы вынуждены были уточнять, детализировать критерии, приводить более четкие примеры... Без особого успеха. Решение было найдено с помощью ТРИЗ: ввели «вещество», оттягивающее на себя вредное действие,— есть такой принцип в теории. В шкале появился пятый показатель — субъективная оценка. Ставь какой угодно балл! Без всяких доказательств. Нравится, не нравится, вот и все... Этот показатель оттянул на себя значительную долю «остаточной необъективности». Ну а преподаватель мог при желании и не рассматривать субъективную оценку...
Итак, откорректированная шкала «Фантазия»: пять показателей, по каждому возможна оценка на одном из четырех уровней (табл. 1). Первый уровень — один балл. Второй — два балла. При оценке можно использовать дробные оценки, например: 1,5; 2,5 и т. д. Выставленные баллы перемножаются. При этом все показатели считаются равноценными. Например, ряд оценок 4 X 1 X 1 X 4 X 3 равен ряду 2Х2Х2Х2ХЗ, так как произведения баллов равны. В шкале 20 классов (табл. 2).
Рассмотрим, например, рассказ Дэниела Киза «Цветы для Элд
299
жернона», напечатанный в десятом томе двадцатипятитомной «Библиотеки современной фантастики». Автор рассказывает об эксперименте, во время которого слабоумный человек на короткий срок становится нормальным, потом талантливым, гениальным, а затем возвращается, уже навсегда, к начальному состоянию. Меняется человек, меняются его взаимоотношения с окружающим миром... В фантастике неоднократно рассматривались ситуации, связанные с форсированием или, наоборот, подавлением умственных способностей. Но здесь впервые соединены оба «хода»: вверх по «умственной лестнице» и почти сразу же-вниз. Значит, новизна 3 балла. Или 2,5, если оценивать очень строго. Убедительность— 3 балла, добротная научно-фантастическая идея. Челове-коведческая ценность — 3: полное соответствие определению этого уровня в табл. 1. Художественная ценность — 2 балла. Рассказ выполнен в виде дневниковой записи. Меняющийся уровень мышления отражен в грамматике, стилистике. «Атчет о праисходящем... с севодняшниво дня я должен записывать все что со мною случайна...» Автору не надо объяснять, как меняется его герой. Это сразу видно. Блестящая литературная находка!
Остается субъективная оценка. Ее можно не обосновывать, поставим 2.
Итак, ЗХЗХЗХ2Х2 = 108 баллов. Класс 14.
После двадцати-тридцати упражнений появляется возможность сопоставлять новые оценки с системой ранее выставленных оценок и выявлять противоречия (если они есть). Анализ становится более точным, более логичным. Наибольший разброс дает, естественно, субъективная оценка. Но и ее можно объективизировать. Вот критерии:
4	балла — произведение оказало влияние на жизнь, судьбу, мировоззрение эксперта;
3	балла — произведение много раз перечитывалось экспертом и всегда давало что-то новое (или производило сильное впечатление) ;
2	балла — хорошее произведение, которое произвело сильное впечатление;
1 балл — никакого впечатления.
Это — строгая шкала. По ней большинство книг находится в диапазоне от 1 до 2,5 балла. «Трехбалльных» книг встречается — за всю жизнь — около ста. «Четырехбалльных» — единицы... Можно выбрать более «мягкие» критерии. Но за всю жизнь мы успеваем прочитать в среднем 5—6 тысяч книг. Стоит ли снижать требования? Тут есть над чем подумать...
300
Таблица 1
ШКАЛА «ФАНТАЗИЯ*: УРОВНИ, КРИТЕРИИ
Критерий 1 — новизна
Уровни:
1.	Идея (ситуация, сюжет) использована повторно, «один к одному», или перекрывается более ранней и более полной идеей.
2.	Прототип изменен, но нет качественно новой идеи.
3.	Прототип изменен так, что появилась качественно новая идея.
4.	Новая идея, не имеющая близких прототипов в литературе.
Критерий 2 — убедительность
Уровни:
1.	Чисто фантастическая идея (ситуация, сюжет), не имеющая никаких обоснований, произвольная, противоречащая общеизвестным фактам, сказочная. Например, «Тайна ископаемого черепа» С. Семенова: восстановление картин прошлого по старому черепу.
2.	Фантастическая идея, имеющая литературное обоснование, то есть снабженная внешне правдоподобными «доводами», «доказательствами» и т. п. Например, «Ариэль» А. Беляева.
3.	Научно-фантастическая идея. Не противоречит научным представлениям и общеизвестным фактам, но и не подкреплена сколько-нибудь достоверными данными. Например, идея существования изолированных миров с реликтовой фауной и флорой («Затерянный мир» А. Конан-Дойля).
4.	Научно-прогностическая идея, выдвигающая логически обоснованную концепцию, гипотезу, предположение. Например, концепция освоения Мирового океана в романе Ж. Верна «20 000 лье под водой».
Критерий 3 — человековедческая ценность
Уровни:
1.	Чисто научно-техническая идея. Или обычная ситуация, повторенная на «фантастическом фоне».
2.	О человеке сказано уже известное, но есть новые элементы, детали, особенности и т. п. В частности, новые ощущения человека в необычной среде.
3.	Человек (или общество) поставлен в необычные обстоятельства, благодаря чему в человеке (или обществе) раскрывается нечто новое. Например, «Возвращение со звезд» С. Лема.
4.	Новые принципы (или новое о принципах) построения общества. В частности, все существенно новые утопии и антиутопии. Например, «Люди как боги» Г. Уэллса.
301
Критерий 4 — художественная ценность
Уровни:
1.	Нет ощутимой художественной ценности.
2.	Есть, по крайней мере, одна художественная находка — в сюжете, стиле, языке произведения, характерах героев и т. д.
3.	Много художественных находок, все произведение целостно отражает лгчность автора.
4.	То, что выше третьего уровня.
Критерий 5 — субъективная оценка
Уровни:
1—	4. Уровень указывается в зависимости от личной оценки (нравится, не нравится), без обоснования и доказательств.
ВСПОМОГАТЕЛЬНЫЕ ВОПРОСЫ К ШКАЛЕ «ФАНТАЗИЯ»
1.	Оценка новизны. Нова ли идея (ситуация, сюжет, произведение в целом)? Если нет, указать совпадения с прототипом. Если нова, отметить отличие от прототипа. Можно ли считать отличие принципиальным? Не завышена ли оценка? Ведь 4 балла — это уровень «Машины времени» Г. Уэллса.
2.	Оценка убедительности. Насколько идея обоснована? Нечто явно невероятное (ведьмы, привидения, гномы и т. п.)? Может быть, нет доказательств, но идея в принципе не невероятная? Или же идея имеет определенные обоснования и может сбыться? Сбылось же предвидение Г. Уэллса: первая атомная станция была построена в начале пятидесятых годов...
3.	Оценка человековедческой ценности. Что нового вы узнали о человеке или обществе? Велика ли «доза» новых сведений (мыслей): детали или нечто принципиальное? Не завышена ли оценка? Ведь «Солярис» Лема — это 3 балла...
4.	Оценка художественной ценности. Как воплощена, как изложена идея? Какова «архитектура» (композиция) произведения, есть ли в ней нечто новое, оригинальное? И каковы «кирпичи» (язык)? У этого автора есть и другие произведения: чувствуется ли в данном случае нечто общее? Что именно? Что отличает «почерк» автора? Что можно отнести к художественным находкам, удачам, достижениям? Не завышены ли оценки? Ведь 4 балла — это, например, художественный уровень лучших произведений Александра Грина...
Таблица 2
Шкала « Фантазия >: классы, баллы
Классы	Баллы	Классы	Баллы
1	1	И	35—44
2	2	12	45—59
3	3	13	60—79
4	4	14	80—119
5	5—6	15	120—189
6	7—9	16	190—279
7	10—13	17	280—399
8	14—19	18	400—549
9	20—26	19	550—749
10	27—34	20	750 и более
ПРОВЕРЬТЕ СВОЮ ФАНТАЗИЮ
Борона — одно из древнейших сельскохозяйственных орудий. Это прочная решетчатая рама. В узлах решетки расположены зубья. Борону перемещают по вспаханному полю, зубья разравнивают почву, разрушают комья.
Недостаток: зубья бороны забиваются растительными остатками и сорняками. Приходится останавливаться для очистки, терять время... Как избавиться от этого недостатка?
Представьте себе борону в процессе работы и... пофантазируйте немного.
СОДЕРЖАНИЕ
Ю. Саламатов. Система развития законов творчества......................... 5
1.	Введение........................................................... 7
2.	Возникновение и развитие техники................................. 10
3.	Техническая система: понятие, определение, свойства ............. 37
4.	Законы развития технических систем................................60
5.	Общая схема развития ТС..........................................168
В.	Фей.В поисках идеального вещества....................................175
Г. Альтшуллер, М. Рубин. Что будет после окончательной победы............221
Восемь мыслей о природе и технике....................................221
Г. Альтшуллер. Краски для фантазии. Прелюдия к теории развития творческого воображения......................................................... 237
Краски для фантазии................................................. 240
Этюды о фантазии.................................................... 253
Вектор фантазии..................................................... 270
Курс «ЭРТЭВЭ» (из записок преподавателя)............................ 282
Инженер читает фантастику........................................... 296
Научно-популярное издание
ШАНС НА ПРИКЛЮЧЕНИЕ
Составитель
Селюцкий Александр Борисович
Редактор И. И. Куроптева
Художники В П Лобанов, Р В. Шевченко
Художественный редактор Л Н. Дегтярев
Технический редактор И А Ладвинская
Корректоры В Н Григорьева, В. А. Партима
ИБ № 2175
Сдано в набор 24.06.91. Подписано в печать 05.09.91. Формат 60X84/16-Бумага кн.-журн. Гарнитура литературная. Печать офсетная. Усл. печ. л 17,67 Усл кр.-отт. 18,14. Уч-над. ж UL69. Тираж 20 000 экз Зак 2148 Изд № 77. Нена fi р 40
Издательство «Карелия>, 185610, г Петрозаводск, пл. В И. Ленина, 1 Арендное предприятие Республиканская ордена «Знак Почета> типография им. П Ф Анохина. 185630 Петрозаводск, ул «Правды>, 4
Тр.40к.
Ю. Саламатоб
СИСТЕМА РАЗВИТИЯ ЗАКОНОВ ТЕХНИКИ
В. Фей
•	В ПОИСКАХ ИДЕАЛЬНОГО ВЕЩЕСТВА
Г. Алыпшуллер М. Рубин
•	ЧТО БУДЕТ ПОСЛЕ ОКОНЧАТЕЛЬНОЙ ПОБЕДЫ
Восемь мыслей о природе и пленнике
Г. Альтшуллер
•	КРАСКИ ДЛЯ ФАНТАЗИИ
Прелюдия к теории развития творческою ВооброЖения