Раскрытие красоты изобретательских задач, нетривиальных физических задач и законов через технологию ТРИЗ

Автор: Парфилов Михаил Борисович

Организация: МБОУ «СШ №72 с углубленным изучением отдельных предметов»

Населенный пункт: Ульяновская область, г. Ульяновск

Аннотация. Изобретательские задачи красивы, так же, как и нетривиальные физические задачи и законы, используемые при решении этих задач. Показать эту красоту на уроках физики, значит внести свою лепту в подготовку будущих учёных, инженеров и просто гармонично развитых людей. В данной статье приводятся изобретательские задачи советского изобретателя Альтшуллера Г.С., как пример красоты изобретательства и физики.

Изобретательские задачи поразительно красивы. Они могут относиться к любой области жизни, к любой отрасли техники, но они всегда загадочны, всегда исполнены очарования тайны. И еще: они романтичны. Их решение — драма идей, приключение, которое неизвестно чем кончится. Они удивительны, эти задачи; стоит ввести дополнительное ограничение, чуть-чуть повернуть условия — и задача, словно бриллиант заиграет новыми гранями. Красивы не только задачи, но сочетания «задача —логика решения —ответ». Красоты тем больше, чем неприступнее задача, изящнее логика ее решения, идеальнее ответ. Красивы и нетривиальные физические задачи и законы, используемые при решении этих задач.

Автором ТРИЗ (теории решения изобретательских задач) является советский изобретатель Генрих Саулович Альтшуллер (1926-1998). Для понимания изобретательских задач, опубликованных Альтшуллером Г.С., достаточно знаний школьного курса физики. Это делает возможным использование технологии ТРИЗ на уроках физики в средней школе.

В ТРИЗ задачи делятся на пять уровней.

Пример задачи первого уровня. В трубе движется жидкость. Для очистки жидкости на первых циклах нужен керамический фильтр. Выполнен он в виде плоского круглого диска. После очистки жидкости фильтр бесполезно увеличивает гидравлическое сопротивление системы. Ваше предложение?

Решение: после окончания фильтрации надо повернуть диск плоскостью вдоль течения.

Альтшуллер Г.С. называет задачи первого уровня «неизобретательские изобретения». Задача первого уровня и средства ее решения лежат в пределах одной профессии, решение задачи под силу каждому специалисту. Объект задачи указан точно и правильно. Вариантов изменений мало, обычно не более десяти. Задачи первого уровня не имеют отношения к изобретательскому творчеству, это конструкторские задачи.

Пример задачи второго уровня. В трубе, по которой движется газ, установлена поворотная заслонка. Иногда температура газа неконтролируемо меняется (повышается на 20-30 °С). С повышением температуры уменьшается плотность газа, падает количество газа, проходящего через трубу в единицу времени. Нужно обеспечить постоянный расход газа (для каждого угла поворота заслонки).

Обычное решение №1. Измерять температуру и регулировать положение заслонки в зависимости от изменения температуры. Это решение явно противоречит условиям задачи (изменение температуры неконтролируемо) и конструктивно оказывается довольно сложным.

Обычное решение №2. Использовать для саморегулирования тепловое расширение. Но тепловое расширение характеризуется малым изменением размеров при сравнительно больших перепадах температуры.

Решение в соответствии с ТРИЗ: использовать биметаллические пластины, способные значительно менять свою форму (изгиб) даже при небольших колебаниях температуры. Дроссельная заслонка с поворотным диском, отличающаяся тем, что, с целью компенсации изменения расхода газа в зависимости от температуры, в диске выполнено сквозное отверстие, и на диске установлен биметаллический чувствительный элемент, перекрывающий отверстие.

Задачи второго уровня — это задачи с техническими противоречиями, легко преодолеваемыми с помощью способов, известных применительно к родственным системам. Меняется (да и то частично) только один элемент системы. Ответы на задачи второго уровня — мелкие изобретения. Для получения ответа обычно приходится рассмотреть несколько десятков вариантов решения.

Пример задачи третьего уровня. Существует специальный вид фотографирования с использованием взрывного затвора: с помощью сильного электрического заряда уничтожают шторку, перекрывающую путь световому потоку. Решено было использовать этот принцип при киносъемке. Но киносъемка требует непрерывности, надо снимать один кадр за другим. Возникает проблема: каким образом быстро менять шторку, уничтоженную взрывом?

Обычные решения. Заменять различными способами одну «взорванную» шторку другой.

Решение в соответствии с ТРИЗ: с целью многократного использования одного и того же прерывателя светового пучка, взрыв и искровой разряд производят в жидкости, помещенной между двумя защитными стеклами так, чтобы ее свободная поверхность в спокойном состоянии касалась светового пучка.

Задачи третьего уровня — это задачи, в которых противоречие и способ его преодоления находятся в пределах одной науки, т. е. механическая задача решается механически, химическая задача — химически. Полностью меняется один из элементов системы, частично меняются другие элементы. Количество вариантов, рассматриваемых в процессе решения, измеряется сотнями. Ответы на задачи второго уровня — добротные средние изобретения.

Пример задачи четвёртого уровня. Разработать холодильный костюм для горноспасателей, действующих при подземных пожарах. Вес охлаждающего вещества (льда, сухого льда, сжиженного аммиака) не должен был превышать 8 кг. Горноспасатель обязательно имеет дыхательный аппарат (это 11-12 кг).

Обычное решение. Задачу считали неразрешимой, потому что, согласно физическим расчётам, вес охлаждающего вещества (льда, сухого льда, сжиженного аммиака) был не менее 20 кг.

Решение в соответствии с ТРИЗ: техническая система идеальна, когда системы нет, а функция выполняется. Необходим скафандр, выполняющий две функции — обеспечение дыхания и тепловую защиту. Скафандр работает на сжиженном воздухе; сначала воздух испаряется и нагревается, поглощая тепло, потом идёт на дыхание. Ненужным становится отдельный дыхательный прибор, запас холодильно-дыхательного вещества доходит до 20, даже до 30 кг.

Задачи четвёртого уровня — это задачи, в которых синтезируется новая техническая система. В задачах четвертого уровня противоречия устраняются средствами, иногда выходящими за пределы науки, к которой относится задача (например, механическая задача решается химически). Количество вариантов, рассматриваемых в процессе решения, измеряется тысячами и даже десятками тысяч. Ответы на задачи четвёртого уровня — крупные изобретения.

Пример задачи пятого уровня. Очистка океанов и морей от нефтяных и прочих загрязнений.

Задачи пятого уровня — это задачи, в которых создается принципиально новая система, приводящая к возникновению новой отрасли техники. Примерами могут служить самолет (изобретение самолета положило начало авиации), радио (радиотехника), киноаппарат (кинотехника), лазер (квантовая оптика). Количество вариантов, которое необходимо перебрать для решения, практически не ограничено. Ответы на задачи пятого уровня — крупнейшие изобретения (самолёт, радио, киноаппарат, лазер, Интернет, компьютер).

Закон увеличения степени идеальности системы

Самый важный закон ТРИЗ — это закон увеличения степени идеальности системы. Система идеальна, если ее нет, а функция осуществляется. Закон увеличения степени идеальности системы универсален. Зная этот закон, можно преобразовать любую задачу и сформулировать идеальный вариант решения.

Задача о транспортировке жидкого шлака. При выплавке чугуна в домнах образуется расплавленный шлак (температура около 1000°С). Его сливают в ковши на рельсовом ходу и увозят на шлакоперерабатывающие установки (использование жидкого шлака экономически выгодно, «переплав» твердого шлака нерентабелен). Шлак, залитый в ковш, охлаждается, на поверхности расплава образуется твердая корка. Чтобы вылить шлак из ковша, в корке пробивают —с помощью специального копрового устройства —два отверстия. На это нужно время, а шлак продолжает охлаждаться, толщина корки увеличивается... В итоге удается слить не более 60-70% шлака. Ковши увозят на специальные эстакады, затвердевший шлак выбивают, грузят на автомашины и отправляют в отвалы, громоздящиеся вокруг заводов.

Идеальный вариант ответа: крышка идеальна, если ее нет, а функция крышки выполняется. Иными словами, идеальная крышка должна быть сделана «из ничего» — из уже имеющихся и потому бесплатных материалов: жидкого шлака и воздуха. Парадоксальный ход: горячий шлак и холодный воздух сами предотвращают свое вредное взаимодействие!.. Простейшее сочетание шлака и воздуха — пена. Застывшая шлаковая пена вместо крышки —таков ответ на задачу о транспортировке жидкого шлака. Вспенить шлак нетрудно: достаточно при заполнении ковша шлаком подать немного воды. Образуется «крышка» из шлаковой пены с высокими теплоизолирующими свойствами. При наклоне ковша жидкий шлак расплавляет «крышку», потерь шлака нет...

Задача с четко видимым административным противоречием. Имеется установка для испытания длительного действия кислот на поверхность образцов сплавов. Установка представляет собой герметично закрываемую металлическую камеру. На дно камеры устанавливают образцы (кубики). Камеру заполняют агрессивной жидкостью, создают необходимые температуру и давление. Агрессивная жидкость действует не только на кубики, но и на стенки камеры, вызывая их коррозию и быстрое разрушение. Приходится изготавливать камеру из благородных металлов, что чрезвычайно дорого. Как быть?

Обычное решение. Перед нами изобретательская ситуация с четко видимым административным противоречием: нужно как-то снизить стоимость системы, а как именно — неизвестно.

Решение в соответствии с ТРИЗ. Общее правило, вытекающее из закона повышения степени идеальности, гласит: в пару должны входить изделие и та часть инструмента, с помощью которой непосредственно ведется обработка изделия. Смысл правила: инструмент (жидкость) тем идеальнее, чем его меньше (при сохранении эффективности), поэтому надо рассматривать только изделие и рабочую часть инструмента, как будто всего остального вообще нет. Инструмент в задаче —жидкость. Эта жидкость должна окружать кубик, чтобы шли испытания, и не должна окружать кубик, чтобы не растекаться. То есть жидкость должна удерживаться самим кубиком (для чего он должен быть сделан полым).

Закон увеличения степени динамичности

Динамизация — универсальный закон, определяющий направление развития всех технических систем, даже таких, которые по самой своей природе, казалось бы, должны оставаться жесткими.

Задача о перевернувшемся катамаране. Спортивный катамаран представляет собой два поплавка, соединенные площадкой, на которой стоит спортсмен. Чем больше расстояние между поплавками, тем устойчивее катамаран. Однако перевернувшийся катамаран —именно из-за высокой устойчивости —невозможно без посторонней помощи возвратить в первоначальное положение. Как быть?

Обычное решение. Катамаран —жесткая система. Именно поэтому катамаран не приспособлен к применению в других внешних условиях, в которых он оказывается после опрокидывания.

Решение в соответствии с ТРИЗ: мачта должна перемещаться из нижнего (опрокинутого) положения в верхнее с тем, чтобы в дальнейшем можно было плыть на обратной стороне площадки (обе стороны одинаковы).

Технология ТРИЗ помогает увидеть красоту приводимых здесь изобретательских задач. Некоторые из приведённых задач считались неразрешимыми. Но изящество их решения с помощью ТРИЗ очаровывает и превращает изучение физики в захватывающее приключение. Такой же красотой обладают и нетривиальные физические задачи и законы физики, используемые при решении этих задач.

Литература

Инновации. Бизнес. ТРИЗ. Теория решения изобретательских задач | Петров Денис, Петров Владимир | Издательские решения, 2021

АРИЗ-2010. Теория решения изобретательских задач | Петров Владимир | Издательские решения 2019

Основы ТРИЗ. Теория решения изобретательских задач. Издание 3-е, исправленное и дополненное | Петров Владимир | Книготорговая компания «Галактика», 2023

Найти идею. Введение в ТРИЗ теорию решения изобретательских задач | Альтшуллер Генрих Саулович | Альпина Диджитал, 2013

Теория решения изобретательских задач | Серединский Авраам, Бубенцов Владимир Юрьевич | ТРИЗ-профи, 2014

ТРИЗ-педагогика. Универсальный конструктор (алгоритм) ТРИЗ-занятий | Садыкова Гульназ Ауельхановна | Книготорговая компания «Галактика», 2020

Книга по ТРИЗ саммари N1. Что такое ТРИЗ? | Щинников Алексей |

Издательские решения, 2023

Основы знаний по ТРИЗ. Теория решения изобретательских задач | Литвин Семен, Рубин Михаил | Электронная книга, 2023

Поиск идеи это просто. ТРИЗ для всех | Петров Владимир | Издательские решения, 2018

Теория решения изобретательских задач: научное творчество 2-е изд., испр. и доп. Учебное пособие для вузов | Гареев Рифкат Тагирович, Утёмов Вячеслав Викторович | Юрайт, 2018

Вводно-ознакомительный курс лекций по классической теории решения изобретательских задач | Федотов Г. Н., Шалаев В. С. | Лань, 2021

Научиться думать может каждый. ТРИЗ игры и задания для детей 5-7 лет | Гончарова Анастасия Сергеевна | АСТ, 2024

Методы решения научных, технических и социальных задач | Соснин Эдуард Анатольевич | Томский государственный университет, 2021

Лёгкая ТРИЗ для сильного мышления. Практический курс | Щинников Алексей | Издательские решения, 2021

1. file0.doc (71,0 КБ)

Опубликовано: 21.10.2025