Законы развития технических систем

" Статика " — законы, которые определяют начало жизни технических систем. Любая техническая система, возникающая в результате синтеза в единое целое отдельных частей, дает жизнеспособную систему. Эта группа законов позволяет определить, будет ли жить, и работать создаваемая система. И что нужно сделать, чтобы она жила и работала. Существуют, по крайней мере, три закона, выполнение которых необходимо для того, чтобы система оказалась жизнеспособной.

 

Закон

Закон полноты частей системы Необходимым условием принципиальной жизнеспособности технической системы является наличие и минимальная работоспособность основных частей системы.

Каждая техническая система должна включать четыре основные части: двигатель, трансмиссию, рабочий орган и орган управления.

Если в системе отсутствует какая-либо из этих частей, то её функцию выполняет человек или окружающая среда.

Двигатель — элемент ТС, являющийся преобразователем энергии, необходимой для выполнения требуемой функции. Источник энергии может находиться либо в системе (бензин в баке), либо в надсистеме (электроэнергии из внешней сети).

Трансмиссия — элемент, передающий энергию от двигателя к рабочему органу с преобразованием её качественных характеристик.

Рабочий орган — элемент, передающий энергию на обрабатываемый объект, и завершающий выполнение требуемой функции.

Средство управления — элемент, регулирующий поток энергии к частям ТС и согласующий их работу во времени и пространстве.

Пример основных частей ТС: Фрезерный станок.

Рабочий орган — фреза.

Двигатель — электродвигатель станка.

Трансмиссия — всё, что находится между электродвигателем и фрезой.
Средство управления — человек-оператор, рукоятки и кнопки или программное управление.

Например, лук - это ТС, т.к. здесь имеются в наличии РО (стрела), Тр (тетива), Дв (натянутая тетива и согнутая дуга). а человек - источник энергии и орган управления.

Для обеспечения жизнеспособности технической системы нужны не только эти четыре части, но и их пригодность к выполнению функций ТС. Другими словами, эти части должны быть работоспособными не только по отдельности, но и в системе. Классический пример – двигатель внутреннего сгорания сам по себе работоспособный, оказывается неработоспособным, если его использовать в качестве подводного двигателя подводной лодки.

Закон

Закон "энергетической проводимости" системы Необходимым условием принципиальной жизнеспособности технической системы является сквозной проход энергии по всем частям системы.

Итак, любая работающая система состоит из четырёх основных частей, и любая из этих частей является потребителем и преобразователем энергии. Но мало преобразовать, надо ещё без потерь передать эту энергию от двигателя к рабочему органу, а от него — на обрабатываемый объект. Если энергия не будет проходить сквозь всю систему, 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. Это закон сквозного прохода энергии. Нарушение этого закона ведёт к возникновению противоречий внутри технической системы, что в свою очередь порождает изобретательские задачи. Передача энергии от одной части системы к другой может быть вещественной (например, вал, шестерни, рычаги, удар и т.д.), полевой (например, магнитное поле) и вещественно - полевой (например, передача энергии потоком заряженных частиц). Многие изобретательские задачи сводятся к подбору того или иного вида передачи, наиболее эффективного в заданных 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 (пропеллер ветросиловой установки, диаметром 14м вращает колесо компрессора, который сжимает воздух и благодаря этому нагревает его до 170 град.). Такое прямое превращение энергии дало сенсационные результаты: оно оказалось в 6 раз (!) эффективнее, чем прежний метод с использованием электричества.

2. Если ТС состоит из веществ, менять которые нельзя, то используется поле, которое хорошо проводится веществами системы.

3. Если вещества частей системы можно менять, то плохо управляемое поле заменяют на хорошо управляемое по цепочке:

Задача: 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?

В США испытывается система, позволяющая снимать показания с домашних счетчиков электроэнергии, газа и воды, просто проезжая по улице на машине, счетчики оборудуются маломощными приемо-передатчиками, 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 2-3 раза дешевле, чем сбор данных контролерами-обходчиками ("Наука и жизнь", 1988, № 6, с. 68).

Закон

Закон согласования ритмики частей системы Необходимым условием принципиальной жизнеспособности технической системы является согласование ритмики (частоты колебаний, периодичности) 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 способом выполняют полезную функцию.

Пример. Скорость эскадры кораблей равна скорости самого тихоходного корабля.

Установка для дробления камней в почках, такая установка дробит камни целенаправленным лучом ультразвука, что бы в дальнейшем они выводились натуральным путем. Но изначально требовалась большая мощность ультразвука, что не только поражала камни, но и поражала прилегающие ткани. Решение пришло после того, как была согласована частота ультразвука и собственная частота колебания камня.

Оказывается, многие органы человеческого тела имеют довольно низкие резонансные частоты: голова 20-30 Гц, вестибулярный аппарат 0,5 -13 Гц, руки 2-5 Гц, а сердце, позвоночник, почки имеют общую настройку на частоту около 6 Гц. 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 испытания 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).

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 всего лишь отдельных характеристик, влияющих на эту частоту - скорости, массы, размеров, формы, упругости и др. Иногда само понятие частоты даже и не фигурирует в решениях.

Задача: Когда самолет садится, видны клубы дыма. Посадочная скорость самолета большая. В момент касания бетонного покрытия колесо неподвижно. Из-за большого момента инерции оно не может мгновенно раскрутиться и какое-то время скользит. В этот момент происходит значительное истирание покрышки. При этом колеса сильно изнашиваются. Явное несогласование ритмики колеса (инструмента) и посадочной полосы (изделия). Предложите ваши решения данной проблемы?

Примеры:

Группа разработчиков во главе с Личуань Лю из Университета Северного Иллинойса создала подушку, способную эффективно подавлять звук храпа. Как пишет IEEE Spectrum, новая подушка имеет электронную «начинку», состоящую из динамиков, трех микрофонов и звукового фильтра. Устройство способно подавлять звуки храпа для человека, спящего рядом с храпящим.

Акустические системы подавления звуков храпа разрабатывались и прежде. Как правило они представляли собой систему из микрофона, звукового фильтра и динамиков, встроенных в изголовье кровати. Такие системы показывали свою работоспособность, но не могли полностью подавить звуки храпа для человека, лежащего рядом с храпящим.

В основе подавления звуков храпа лежит обычная система шумоподавления. Аналогичные используются сегодня в некоторых моделях наушников. Система с помощью микрофона получает данные о звуковом окружении, выделяет из него звуки храпа и с помощью динамиков излучает звуковые волны, по амплитуде аналогичные храпу, но имеющие перевернутую фазу.

В случае с расположением динамиков в изголовье кровати эффективное подавление звуков храпа достигает лишь в одной или нескольких точках пересечения звуковых волн, которые не всегда совпадают с положением головы человека, лежащего рядом с храпящим партнером.

Разработчики из Университета Северного Иллинойса утверждают, что им удалось решить проблему неполного подавления звуков храпа. Этого им удалось добиться размещением динамиков в самой подушке, а также использованием трех микрофонов.

В новой системе один из микрофонов отвечает непосредственно за выделение из звукового окружения колебаний, характерных для храпа. Два других микрофона используются для коррекции ошибок — запись с них используется для анализа фоновых шумов и более точного их исключения из звуковой картины храпа.

Подушка с подавлением звуков храпа предназначена для людей, которые лежат рядом с храпящим. Разработчикам удалось добиться подавления звуков храпа с интенсивностью до 30 децибел для левого уха и до 31 децибела для правого уха. Для сравнения, предыдущие версии систем обеспечивали подавление звуков храпа с интенсивностью до 22 децибел. В среднем интенсивность звуков храпа составляет 50-60 децибел.

Ранее швейцарские ученые выяснили, что ритмичные покачивания кровати с частотой 0,25 Герца заметно улучшают качество сна взрослых людей за счет удлинения последней фазы глубокого сна. Также исследователи выяснили, что покачивания положительно влияют на процесс перехода воспоминаний из кратковременной памяти в долговременную.