Этапы 6-7. Инструменты (возникли приблизительно 10 тыс. лет назад )

Инструменты можно рассматривать как специализированные орудия труда. Цель появления инструментов - целенаправленное эффективное преобразование предметов труда (превращение природного материала или предмета в изделие).

В начале они изготавливались из моновещества с четко выделенными частями: зона рабочего органа (острие), зона трансмиссии (рукоятка) – кремневые ножи, резцы, сверла, костяная игла.

Потом появляются составные инструменты – резцы и ножи в оправе, стрела и копье с наконечником, серп, топор.

Появление составных инструментов явилось важным шагом к началу структуризации объектов, появлению связей между элементами.

Главная особенность этого процесса: получение дополнительного выигрыша в основной функции при соединении элементов в единое целое.

Например, тяжелый топор (увеличение полезной функции) невозможно было закрепить защеплением в деревянной оправе, поэтому появился третий элемент - кожаные ремни. Но ремни плохо держались, распускались. Сильное изобретение того времени - узел - способ затягивание 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 глина 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.

Этапы 8-11. Технические системы - инструменты с двигателем.

Это технические объекты, состоящие минимум из трех частей: рабочий орган (РО), трансмиссия (Тр), двигатель (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.

Как можно заметить из представленной эволюции орудий труда, одним из ценнейших качеств homo sapiens является его способность в процессе познания выделять главное и существен­ное, оставляя при этом без внимания несущественные или слу­чайные признаки, что необходимо для правильного и глубокого понимания объекта познания. Метод абстрагирования помогал человечеству получать и упорядочивать знания в любой области его деятельности и тем самым способствовал возникновению и развитию отдельных наук.

Тем не менее и до сих пор для решения той или иной проблемы не всегда имеется соответствующая теория. Очень часто в области техники практика опережает теорию, а развитие теории впоследствии позволяет улучшать достигнутые практические результаты. Так обстоит дело и с теорией техни­ческих систем.

В процессе развития цивилиза­ции менялись представления людей о машинах. Сначала было принято рассматривать машину как нечто целое, состоящее из только ей принадлежащих, ей свойственных частей. Например, мельница не могла быть просто мельницей, а была либо водяной, либо ветряной. В старинных книгах машины описывались как единое целое.

Только с основанием технических школ (Париж, 1794 г.; Праги, 1806 г.) начинается процесс упорядочивания и происходит выде­ление механизмов из рамок общего учения о машинах. Сначала вводятся 10, а позднее 21 класс механизмов, предназначенных для преобразования движе­ния.

Большой вклад в развитие взглядов на машины оказал Леонардо да Винчи (1452—1519 гг.). Уже он рассматривал элементы и части машин как общие для различных машин элементы и за­нимался их исследованием. Но он безусловно гений, опережавший свое время и определивший направление развития науки итехники.

Однако, лишь в XIX столетии, после созда­ния большого числа различных машин было проведено система­тическое исследование элементов механизмов и машин, что позволило, основываясь на реальных надежных конструкциях, вывести закономерности, лежащие в основе этих машин. К тому времени наряду с машинами, применявшимися в военном, горном и водном деле, существовали также прядильные и ткац­кие станки, металлообрабатывающие станки, печатные и подъем­ные машины; к ним вскоре присоединилась паровая машина, затем последовали гидравлический двигатель, электродвигатель, генератор.

В 19 в. предпринимаются первые попытки создать общую теорию механиз­мов и машин, в состав которой входили синтез механизмов совместно с их кинематикой, динамика машин, теория автоматов.

Из практических соображений все вопросы, связанные с планированием, производством и эксплуатацией, решались от­дельно в рамках каждой отрасли. Вследствие этого возникли обособленные друг от друга сферы знаний и профессий, в кото­рых всякое профессиональное обучение должно было дополняться многолетним опытом. Причина этого заключалась в отсутствии теории и, как следствие, в отсутствии системы сбора и клас­сификации изобретений и сущности новых технологий.

Такое положение было возможным и приемлемым только на этапе первой технической революции, когда осуществлялся пере­ход от ручных форм производства к промышленным, - к машин­ному веку. Растущее промышленное производство, различные кризисные ситуации (особенно вторая мировая война), сырьевые и экологические проблемы – все это потребовало разработки новых подходов и теорий.

Создание новых технических средств и новыми способами решения задач (например, средствами вычислительной техники) вызвало необходимость создания теории техниче­ских систем.

Согласно данной теории жизнь любой технической системы можно изобразить в виде S-образной кривой (рисунок 1.2), показывающей, как меняются во времени главные характеристики системы (мощность, производительность, скорость, число выпускаемых систем и т.д.).

Рисунок 1.2 – S-образная кривая жизни ТС

У разных технических систем эта кривая имеет, разумеется, свои индивидуальные особенности. Но всегда на ней есть характерные участки, которые схематически, с подчеркнутым огрублением, выделены на рисунок 1.3.

Рисунок 1.3 –Упрощенная S-образная кривая жизни ТС

В "детстве" (участок 1) техническая система развивается медленно. Затем наступает участок 2 — техническая система быстро совершенствуется, начинается массовое ее применение. С какого-то момента темпы развития начинают спадать (участок 3) — наступает "старость".

Далее (после точки γ) возможны два варианта. Техническая система А либо деградирует, становясь принципиально другой системой Б, либо на долгое время сохраняет достигнутые показатели (велосипед не претерпел существенных изменений за последние полвека и не был вытеснен мотоциклом).

На рисунке 1.4а изображена упрощенная "жизненная кривая" технической системы. Интересно сопоставить этот график с графиками, характеризующими чисто изобретательские показатели.

На рисунке 1.4б показана типичная кривая изменения количества изобретений, относящихся к данной технической системе. Первый пик соответствует точке α: число изобретений увеличивается в период перехода к массовому применению системы. Второй пик на рисунке 1.4б обусловлен стремлением продлить жизнь системы.

Изменение уровня изобретений показано на рисунке 1.4в. Первые изобретения, создающие основу технической системы, всегда высокого уровня. Постепенно этот уровень снижается. Пик на рисунке соответствует изобретениям, которые обеспечивают системе возможность массового использования. За этим пиком — спад: уровень изобретений неуклонно снижается, приближаясь к нулю. А тем временем появляются новые изобретения высокого уровня, относящиеся к системе Б.

Наконец, на рисунке 1. 4г показано изменение средней эффективности (практической отдачи, экономии, "пользы") от одного изобретения в разные периоды развития технической системы. Первые изобретения, несмотря на их очень высокий уровень, не дают прибыли: техническая система существует на бумаге или в единичных образцах, в ней много мелких недостатков и недоработок. Прибыль начинает появляться после перехода к массовому применению. В этот период даже небольшое усовершенствование приносит большую "экономию" и соответственно большое вознаграждение авторам.

Таким образом, изобретателю надо знать особенности "жизненных кривых" технических систем. Это необходимо для правильного ответа на вопрос, крайне важный для изобретательской практики: "Следует ли решать данную задачу и совершенствовать указанную в ней техническую систему или надо поставить новую задачу и создать нечто принципиально иное?"

Подытоживая все выше сказанное, можно сформулировать, что целью курса «Теория технических систем» является повышение квалификации будущего инженера как новатора, творца и изобретателя, который должен уметь в кратчайшие сроки внедрять новые технические идеи в производство. Курс связан с такими курсами как «Теория машин и механизмов», «Детали машин», «Технология машиностроения».

Задачами курса являются приобретение студентами: знаний о закономерностях развития ТС; о современных методах поиска технических решений; получение навыков использовать на практике современные приемы и методы научно-технического творчества при создании ТС, проектировании, изготовлении, исследовании новых машин.

Рисунок 1.4 – "Жизненная кривая" технической системы и характеристики изобретений, связанных с ней

ЛЕКЦИЯ 2. ПРИЗНАКИ И КЛАССИФИКАЦИЯ

ТЕХНИЧЕСКИХ СИСТЕМ

Определение «техническая система» было выбрано в качестве обобщающего термина для всех видов технических объектов, машин, устройств, приспособлений, сооружений и т.д. Область при­менения технических систем очень широка и включает в себя все отрасли экономики. В табл. 2.1 приведены примеры техниче­ских систем, используемых в важнейших отраслях экономики, и показано все их многообразие.

Таблица 2.1 – Примеры ТС в различных отраслях экономики

Продолжение таблицы 2.1

Прежде чем рассматривать классификацию технических систем дадим определение данному понятию.

ТЕХНИЧЕСКАЯ СИСТЕМА - это совокупность упорядочено взаимодействующих элементов, обладающая свойствами, не сводящимися к свойствам отдельных элементов, и предназначенная для выполнения определенных полезных функций.

Основными признаками технических систем являются:

· системы созданы для каких-то целей, то есть выполняют полезные функции;

· системы состоят из частей, элементов, то есть имеют структуру;

· 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, неравным простой сумме свойств составляющих ее элементов.

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". Таким образом, цель - воображаемый итог, к которому стремятся, удовлетворяя потребность.

Появление цели - это результат осознания потребности.

Потребность (постановка задачи) - это то, что нужно иметь (сделать), а реализация потребности осуществляется посредством функции ТС.

Технические системы выполняют бесчис­ленные и разнообразные функции: типа фиксировать, двигать, хранить, нагревать, соединять, разделять, уплотнять, управлять и др., служащие для удовлетворения потребностей людей.

Степень выполнения функций технической системой характеризуется параметрами (показателями).

Например, главная функция компрессора – «сжимать газ», но могут быть различные конечное давление газа, количество подведенного газа в единицу времени, виды газов, т.е. разные степени функционирования. Для грузовой лебедки – высота подъема груза, скорость подъема, масса. Особенностью параметров является возможность количественного выражения.

Носителями функции выступают части ТС.