На промышленных предприятиях нужно много воды для технических целей, например для мойки деталей, для приготовления растворов и т.д. Такая вода не требует специальной дорогостоящей очистки, качают ее обычно насосом прямо из природных источников, например реки (рис. 7.1). Длина трубопровода — 1 км, все трубы одного диаметра — 25 см и без крутых изгибов, и насос создает такое давление, что вода за 5 минут проходит всю длину трубы от реки до завода. Однако механические примеси, которые содержатся в неочищенной воде (песчинки, ил), оседают на стенках труб и постепенно забивают их, количество поступающей воды уменьшается, поэтому водопровод нужно периодически (один-два раза в год) от этого осадка очищать.

Для сдирания осадка предложили закладывать в трубы через люк, который расположен после насоса, обломки кирпичей с острыми краями. Двигаясь в трубе под давлением воды, которое создает насос, они сдирают осадок. Этот осадок подхватывается потоком воды и выносится в резервуар — отстойник возле завода, откуда его уже легко удалить. Но крупные куски кирпича, которые хорошо и быстро очищают трубу, иногда застревают в плотных наслоениях ила, и выбить их очень сложно. Попробовали проводить очистку обломками меньшего размера. Они, действительно, не застревают, но почти ничего не очищают, поток воды свободно проносит их по всему трубопроводу и выбрасывает в резервуар. Как быть?

Проанализируем ситуацию в соответствии с рекомендациями шага алгоритма (см. АРПС, приложение). Первая сложность возникает при определении основной функции системы: достаточно часто ее определяют как «подавать определенный объем воды на завод». Тогда нежелательный эффект (НЭ1) — сокращение количества воды, поступающей по трубопроводу, в результате его засорения, и минимальная задача формулируется как необходимость или изменить способ подачи воды, или дополнять недостачу.

Основное требование ТРИЗ при анализе ситуации — выявить первопричину возникновения проблемы, чтобы бороться именно с ней, а не со следствиями. Причиной сокращения количества подаваемой воды является засорение трубы осадком. Если осадок удалить (что, кстати, и пытались делать на заводе с помощью больших обломков кирпичей), то поток воды не уменьшится. Значит, решать надо именно эту минимальную задачу — как очистить трубу. Проблема сужается, ситуация становится более конкретной.

Продолжим анализ. Для очистки трубы используют большие обломки кирпича, которые прекрасно выполняют возложенную на них функцию — сдирать осадок с внутренних стенок трубы, но при этом застревают. Исходя из определения мини-задачи «Все остается без изменения, а нежелательный эффект исчезает», сформулируем шаг 1.

Шаг 1. Техническая система для очистки внутренних стенок трубы от осадка песка и ила путем сдирания осадка острыми краями крупного обломка кирпича при его движении по трубе под давлением воды состоит из трубы, крупного обломка кирпича, осадка, воды и насоса. В процессе выполнения очистки возникает нежелательный эффект (НЭ1) — крупные обломки застревают.

Чтобы устранить застревание крупного обломка, можно использовать в качестве средства устранения (СУ) мелкие обломки. Однако при использовании мелких обломков возникает новый нежелательный эффект (НЭ2) — они не очищают трубу от осадка.

Построим схему задачи.

ОФ — очистка трубы от песка и ила.

ПД — применение больших обломков кирпичей.

Состав системы — вода, осадок, насос, большой обломок кирпича, труба.

НЭ1 — застревание большого обломка кирпича в осадке.

СУ — применение маленьких обломков кирпичей.

НЭ2 — нет очистки.

Определим противоположные состояния технического противоречия:

Если для очистки трубы применять маленькие обломки кирпичей, то они не будут застревать в осадке, но и не будут очищать внутреннюю поверхность трубы.

Если же для очистки трубы не применять маленькие обломки кирпичей, то очистка будет, но сохранится застревание больших обломков кирпича. (При формулировании ТП2 и далее необходимо обратить внимание на то, что отсутствующее СУ означает не его отрицание вообще, а «отрицание отрицания», т.е. применение вместо него того элемента системы или параметра, который создает НЭ1. При решении данной проблемы, в частности, «не применять маленькие обломки кирпичей» означает, что следует использовать большие обломки.)

Шаг 2. Постановка изобретательской задачи:

Не используя маленькие обломки кирпичей (а только большие) и обеспечивая качественную очистку, устранить их застревание в этом осадке.

После постановки изобретательской задачи сделаем краткие выводы.

Идеальное решение (ИКР) предполагает, что изменений в системе нет вообще или они минимальны, а вредное свойство устраняется. А чтобы система «не заметила» даже минимальных изменений, нужно добиться выполнения заданной основной функции при сохранении заложенного в систему принципа действия (ПД). Это и будет мини-задача.

Проблема о техническом водопроводе — вполне конкретная задача, в которой ТП просматривалось четко: большой обломок кирпича хорошо чистит, но застревает, а маленькие обломки не застревают, но плохо чистят. Постановка задачи в варианте «или — или» сразу устраняет возможность компромисса: выбора обломков каких-то средних размеров, которые и не застрянут, и как-то будут чистить. А требование ТРИЗ — основная функция должна выполняться наилучшим образом — вообще оставляет единственный вариант: только большие! И изобретательская задача сводится по существу к условию: большие обломки, которые хорошо чистят, не должны застревать.

Такой подход, резко обостряя ситуацию, столь же резко сужает поле поиска решения. Сразу отбрасываются иные варианты: как-то компенсировать недостающее количество воды, изменить способ ее подачи, использовать другие методы очистки... Кстати, пока что мы забыли об одной рекомендации шага 1: заменять термины простыми словами. Обломок большого кирпича остался обломком вместо того, чтобы стать, например, очищалкой. Действительно ли это так важно? Посмотрим...

Вернемся к постановке проблемы. Она возникла, потому что был конфликт: большие обломки кирпича застревают и перегораживают трубу. И из всей ТС, из всех ее элементов, в схеме остались только те два, которые этот конфликт создают: большие обломки кирпича и осадок. Это и есть модель задачи — условная схема, которая отражает структуру конфликтного участка системы. И, как во всякой хорошей модели, в ней только то, что «необходимо и достаточно».

«Необходимо» — требования к свойствам идеального СУ, которые обеспечат решение задачи. «Достаточно» — место, где эти требования должны быть реализованы; время, когда эти требования должны быть реализованы, а также средства, которые должны быть использованы в первую очередь для данной реализации.

Шаг 3. Определим оперативную зону (ОЗ) — зону конфликта. Обычно ее определяют как поверхность обломка большого кирпича, но потом, подумав, поправляются: часть поверхности. Конечно же, часть. Та выступающая часть, которая «работала» — сдирала осадок — и потому в нем застряла. Как раз эта часть «держит» весь обломок и мешает ему двигаться дальше. Назовем ее «контактирующей с осадком поверхностью обломка».

Шаг 4. Определим оперативное время Т и проследим этапы процесса очистки и возникновения конфликта.

После того как обломок большого кирпича поместили в трубу и создали насосом давление воды, он двинулся, и процесс очистки пошел. Если обломок нигде не застрял или, застряв, сам освободился, проблемы нет, так как нет конфликта. Если же обломок застрял и не может сам освободиться — выполнение основной функции прекращается. Этот период — до застревания — можно рассматривать как рабочее время Т3.

Время, когда обломок стоит, и есть время конфликта Т1. А как только он освободится и будет продолжать работать — продолжается время Т3.

Поэтому можно записать: оперативное время Т = Т1 + Т3. Цель задачи — свести Т1 к нулю, устранить простаивание обломка.

Теперь можно выявлять физическое противоречие на макроуровне.

Шаг 5. Контактирующая со слоем осадка поверхность обломка должна быть большой при выполнении основной функции (во время Т3), чтобы сдирать осадок, и маленькой при застревании (во время Т1), чтобы легко освобождаться.

Вполне возможны и другие формулировки физического противоречия, например такие:

контактирующая со слоем осадка поверхность обломка должна быть твердой, чтобы сдирать осадок, и мягкой, чтобы не застревать;

контактирующая со слоем осадка поверхность обломка должна быть прочно связана со всем кирпичом, чтобы сдирать осадок, и связана с ним свободно, чтобы «отпускать» кирпич при застревании.

Истинная демократия допускает и другие варианты, но с одним обязательным условием: сущность противоречия должна быть физической. Иными словами, относиться к свойствам объекта или к его состоянию. При этом одно свойство (или состояние) должно обеспечивать выполнение основной функции, а противоположное — устранять нежелательный эффект, который мешает эту функцию выполнять.

Итак, наша оперативная зона должна иметь два противоположных свойства или состояния: большая — маленькая; твердая — мягкая; связанная прочно — связанная свободно. Не забудем, однако, что эти состояния должны проявляться в разное время.

Естественно предположить, что эти свойства или состояния должны быть реализованы чем-то конкретным. Следующий шаг предлагает от всего объекта перейти к частицам вещества, способным выявить физическое противоречие на микроуровне.

Здесь хотелось бы отметить следующее: многолетний опыт многих преподавателей показал, что на первых порах обучения погоня за выскочившей идеей прерывает ход решения и мешает довести его до логического конца. По точному замечанию Г.С. Альтшуллера, делают только то, что записано в инструкции, да и то не всегда. Но тут уж виноват не алгоритм, а исполнитель. Признавайтесь, очень хочется все-таки подобрать какие-нибудь «средние» куски кирпича, чтобы и чистили, и не застревали. Или постучать по трубе кувалдой. (Ах, да, ведь труба в земле, и где застрял кирпич — мы не знаем!). Или повысить давление, чтобы протолкнуть застрявший кирпич, или направить давление потока воды с другой стороны, или нагреть трубу, чтобы осадок отстал. «Потрясти» ультразвуком или просто провибрировать. Растворить химическим способом. Заложить в трубу «ерш» с вращающимися щетками... И много других, не менее интересных предложений.

Конечно, большое давление может протолкнуть кирпич, но ведь и труба может лопнуть... Чтобы получить давление «с другой стороны», нужно ставить еще один насос. Растворять химически — очень дорого, кроме того, сильный растворитель может и трубу растворить. Ерш — достаточно сложное устройство, стоит ли его изготовлять, чтобы использовать один-два раза в год?

Поэтому будем искать решение, не усложняя систему и не вызывая новых нежелательных эффектов. И при этом — еще раз напомним — будем стремиться к ИКР!

Шаг 6. Физическое противоречие на микроуровне (μ-ФП): контактирующая с осадком поверхность обломка большого кирпича должна состоять из частиц вещества, которые обеспечивают максимальный размер поверхности во время сдирания осадка и минимальный размер (или совсем устраняют контакт) во время застревания.

Возникает естественный вопрос: «Разве противоречие «большой — маленький» — физическое? Это же размеры, значит, геометрическое?»

Вопрос закономерный. Но в ТРИЗ пока другого термина нет. Поэтому мы говорим не только о свойствах, но и о состоянии. Тем более что часто размеры объектов, например воздушного шарика, определяются физическим параметром, таким, как давление внутри него. Длина объекта может изменяться от температуры, электрического и магнитного полей и т.д. Кстати, многие противоречия разрешаются не только с помощью физических эффектов, но и достаточно часто с применением математики. И какие красивые решения получаются! Действительно, идеальные результаты!

Формулировки других вариантов физического противоречия на микроуровне не очень отличаются от противоречий на макроуровне, поэтому подумайте над ними сами.

Шаг 7. Идеальный конечный результат (ИКР): техническая система должна сама обеспечивать между поверхностью сдираемого осадка и поверхностью обломка кирпича наличие частиц, которые обеспечивают большую величину поверхности обломка, контактирующую с осадком, во время сдирания осадка и маленькую контактирующую поверхность (или ее полное отсутствие) при застревании обломка.

Для других вариантов суть формулировки ИКР в кратком виде будет следующей:

техническая система должна сама обеспечивать наличие частиц, создающих твердую поверхность обломка во время сдирания осадка и мягкую — при его застревании;

техническая система должна сама обеспечивать наличие частиц, прочно связывающих поверхность обломка с кирпичом во время сдирания осадка, и возможность отрыва поверхности от кирпича при его застревании.

Шаг 8. Сформулируем условия, которым должны удовлетворять частицы, чтобы обеспечивались необходимые согласно шагу 7 противоположные физические состояния.

Какими же должны быть частицы для первого варианта, когда контактирующая с осадком поверхность обломка должна быть большой — и маленькой? Очевидно, частицы должны быть на поверхности или их должно быть много, чтобы поверхность была большой во время работы, и частиц должно стать мало или их не должно быть вообще, чтобы поверхность стала маленькой во время застревания.

А для второго варианта? Различие между твердым и мягким определяется способностью объектов сопротивляться изменению своей формы под воздействием внешней силы. Наиболее явно такое различие наблюдается у вещества, которое находится в разных агрегатных состояниях — например, в твердом и жидком. При изменении температуры меняют свою твердость аморфные вещества.

Для третьего варианта свойства, которыми должны обладать частицы, заложены в самой формулировке ИКР: они должны быть прочно соединенными во время работы и легко отделяемыми при застревании.

Если обобщить требования к свойствам частиц, вытекающим из этих трех вариантов, то можно увидеть, что они во многом сходны. Так, требование к поверхности быть прочно соединенной с основной массой обломка прежде всего предусматривает необходимость существования этой поверхности. А прочность соединения чаще всего наблюдается как раз у твердых веществ.

Аналогична ситуация и с требованиями к свойствам частиц во время застревания обломка: отделение или исчезновение поверхности может произойти при ее слабом соединении с основной массой обломка, а слабая связь между частицами как раз характерна для жидких веществ.

Шаг 9. Проанализировать состав системы (см. шаг 1) и выяснить, имеются ли в ее составе элементы, обеспечивающие сформулированные на шаге 8 свойства.

При определении оперативного времени мы подробно рассмотрели, как застревает обломок. Теперь рассмотрим, как он освобождается.

Чтобы обломок освободился, необходимо, чтобы либо исчез осадок, в котором он застрял, либо острые края, которые сдирают осадок и которыми обломок как раз и зацепился. Осадок сам не уйдет, его надо содрать. Значит, «уйти» должны острые края. Причем уйти, в соответствии с требованием ИКР, сами, т.е. под действием тех элементов, которые уже имеются в системе.

В состав системы входят труба, крупный обломок кирпича, осадок, вода и насос. Осадок уже исключен, труба с обломком не контактирует и поэтому воздействовать на него не может. Насос же воздействует на обломок посредством давления воды.

Итак, из пяти элементов остались два: крупный обломок с острыми краями, застрявший в осадке, и вода. И задача свелась к предельно конкретной и физической: острые края обломка под действием воды должны исчезнуть, тогда обломок освободится. Очевидно, на острые края могут действовать свойства воды как вещества, в частности основное свойство — способность воды растворять. Кроме того, вода имеет некую положительную температуру, т.е. обладает запасом тепла — назовем это «тепловым полем». Еще есть «механическое поле» — давление, создаваемое насосом. Но на обломок кирпича все эти свойства не подействуют... Как же сделать его маленьким? Или размягчить? Или отодрать слой с поверхности?

Давайте вернемся к началу (см. АРПС, приложение 1) и посмотрим, что мы проскочили. Нашли? На шаге 1 было сказано: «без специальных терминов»! А почему — в примечании 8.

Что же мы с вами не сделали? Не выбросили термин «кирпич», не заменили его простым словом, например «очищалка» или «обдиралка». И по всем законам психологической инерции наша мысль пошла проторенным путем, не позволяя представить себе обломок кирпича не цельным и твердым куском спекшейся глины, а чем-то иным, способным к изменениям. Тогда кирпича с его свойствами уже нет, есть просто обдиралка. И эта обдиралка под действием воды, ее давления и температуры должна уменьшаться, причем уменьшение идет с поверхности за счет ее размягчения и отрыва частиц...

Из какого же вещества должна быть изготовлена обдиралка, чтобы на нее подействовали свойства воды? Растворяется в воде, например, соль, большие твердые куски которой можно бросать в трубу вместо кирпича. А еще в воде хорошо растворяется... вода, твердая вода — лед. Можно в трубу бросать просто куски льда. Можно «сморозить» маленькие куски кирпича в один большой — если он застрянет, то распадется на маленькие. Мы сразу выходим на решение исходного противоречия: большой кусок хорошо чистит, а маленькие не застревают.