Основы
теории решения изобретательских задач

К основным понятиям АРИЗ относятся: противоречия и идеальный конечный результат (ИКР).

4.1.1. Понятие о противоречиях

"Противоречие есть критерий истины, отсутствие противоречия - критерий заблуждения".
Гегель

Различные технические средства создавались и создаются для удовлетворения тех или иных потребностей человека.

Потребности растут значительно быстрее возможностей их удовлетворения, что и является своего рода источником технического прогресса.

Проектирование новых объектов чаще всего подразумевает улучшение тех или иных технических параметров системы.

Сложные изобретательские задачи (неизвестных типов) требуют нетривиального подхода, так как улучшение одних параметров системы приводит к недопустимому ухудшению других параметров. Возникают противоречия.

Решение задач по АРИЗ представляет собой последовательность по выявлению и разрешению противоречий, причин, породивших данные противоречия и устранению их использованием информационного фонда. Так определяются причинно-следственные связи, суть которых - углубление и обострение противоречий.

Для этого в АРИЗ рассматриваются три вида противоречий: поверхностное, углубленное и обостренное. Г. Альтшуллер их назвал соответственно: административное, техническое и физическое.

ПОВЕРХНОСТНОЕ ПРОТИВОРЕЧИЕ (ПП) - противоречие между потребностью и возможностью ее удовлетворения. Его достаточно легко выявить. Оно часто задается администрацией² или заказчиком и формулируется в виде: "Надо выполнить то-то, а как неизвестно", "Какой-то параметр системы плохой, нужно его улучшить", "Нужно устранить такой-то недостаток, но не известно, как", "Имеется брак в производстве изделий, а причина его не известна".

Таким образом, ПП выражается в виде нежелательного эффекта (НЭ) - что-то плохо, или необходимо создать что-то новое неизвестно каким образом.

Пример 4.1. Перед конструкторским бюро А.Н.Туполева была поставлена задача создания к концу 50-х годов нового пассажирского самолета на 170 мест с большой дальностью полета. Для этого потребовалось авиадвигатели на суммарную мощьность 50 тыс. л.с. У самого мощного из имеющихся в СССР двигателей ТВ-2 было всего 6 тыс. л.с. Как быть?³
Это типичное ПП.

Пример 4.2. Необходимо увеличить скорость судна, а как - неизвестно.

УГЛУБЛЕННОЕ ПРОТИВОРЕЧИЕ (УП) - это противоречие между определенными частями, качествами или параметрами системы. УП возникает при улучшении одних частей (качеств или параметров) системы за счет недопустимого ухудшения других. Оно представляет собой причину возникновения поверхностного противоречия, углубляя его. В глубине одного ПП, чаще всего, лежит несколько УП.

Как правило, улучшая одни характеристики объекта, мы резко ухудшаем другие. Обычно приходится искать компромисс, то есть чем-то жертвовать.

При решении технических задач, изменяют технические характеристики объекта, поэтому Г. Альтшуллер углубленное противоречие назвал техническим противоречием.

Техническое противоречие возникает в результате диспропорции развития различных частей (параметров) системы. При значительных количественных изменениях одной из частей (параметров) системы и резком "отставании" другой (других) ее частей возникает ситуации, когда количественные изменения одной из сторон системы вступают в противоречие с другими. Разрешение такого противоречия часто требует качественного изменения этой технической системы. В этом и проявляется закон перехода количественных изменений в качественные.

Продолжим рассмотрение примеров.

Пример 4.1. (продолжение). Чтобы получить требуемую суммарную мощность нужно использовать 8 двигателей. При этом самые крайние двигатели располагаются на расстоянии 25 м от фюзеляжа, что недопустимо удлиняет крылья. Возникает углубленное противоречие между МОЩНОСТЬЮ самолета и недопустимым увеличением ДЛИНЫ крыла.
Сформулируем другое углубленное противоречие. Если перейти к спаренным двигателям на общую мощность 12 тыс. л.с., то нужно использовать воздушный винт диаметром 9 м, что приводит к необходимости поднять самолет над землей на 5 м. Углубленное противоречие в этом случае между МОЩНОСТЬЮ двигателей и большой ВЫСОТОЙ самолета.
Такие виды УП могут быть, в частности, устранены использованием приема "Переход в другое измерение".
А.Н.Туполев разрешил описанное противоречие следующим образом. Он предложил спарить двигатели в единый блок, а на одном валу блока расположить сразу два четырехлопастных воздушных винта, которые вращаются в разные стороны. Потребовалось всего 4 блока (по два на крыло), диаметр винта составил 5,2 м. Самолет не нужно поднимать на большую высоту. В результате был создан самолет ТУ-114 с достаточно высокой скоростью полета до 870 км/час.

Пример 4.2. (продолжение). Увеличение грузоподъемности судна связано с уменьшением скорости хода. В свою очередь, увеличение скорости хода судна приводит к росту мощности двигателей, увеличению энергозатрат, что требует увеличения веса, габаритов силовой установки и запасов топлива. Чрезмерное их увеличение может привести к тому, что негде будет размещать полезный груз. В данном примере выявлены технические противоречия: ГРУЗОПОДЪЕМНОСТЬ - СКОРОСТЬ, СКОРОСТЬ - МОЩНОСТЬ, МОЩНОСТЬ - ЭНЕРГОЗАТРАТЫ, ЭНЕРГОЗАТРАТЫ - ВЕС и т.д.

Рассмотрим еще примеры.

Пример 4.3. Обычно проводники в интегральных микросхемах (ИМС) делают из золота, имеющего самое малое удельное сопротивление току, но недопустимо плохую адгезию с материалом подложки. Как быть?
Возникает углубленное противоречие между ЭЛЕКТРОПРОВОДНОСТЬЮ и АДГЕЗИЕЙ.

Пример 4.4. "В конце концов, конструкторы пришли к выводу, что при проектировании корпуса яхты необходимо добиваться некоторого оптимального компромисса в соблюдении трех основных предпосылок:
1) минимального сопротивления формы корпуса;
2) максимальной остойчивости;
3) минимального сопротивления трения.
Эти требования взаимопротиворечивы. Узкая длинная яхта имеет малое сопротивление формы, однако, как мало остойчивая, не может нести достаточно большой парусности.
Повышение остойчивости путем увеличения веса балласта сопровождается одновременным увеличением осадки и, следовательно, увеличивает сопротивление трения.
Увеличение остойчивости путем увеличения ширины корпуса вызывает увеличение сопротивления формы корпуса. Задача конструктора состоит в отыскании "золотой середины", в применении трех противоречивых условий конструирования"⁴.

Прежде чем решать эти задачи рассмотрим еще один вид противоречий, рассматривающийся в АРИЗ.

ОБОСТРЕННОЕ ПРОТИВОРЕЧИЕ (ОП) - предъявление диаметрально противоположных свойств (например, физических) к определенной части технической системы. Оно необходимо для определения причин, породивших углубленное противоречие, т.е. является дальнейшим его углублением. Уточнение (углубление) противоречий может продолжаться и дальше для выявления первопричины. Для человека, незнакомого с АРИЗ, формулировка ОП звучит непривычно и даже дико - некоторая часть ТС должна находится сразу в двух взаимоисключающих состояниях: быть холодным и горячим, подвижным и неподвижным, длинным и коротким, гибким и жестким, электропроводным и неэлектропроводным и т.д.

Изучение причин, породивших углубленное (техническое) противоречие, в технических системах, как правило, приводит к необходимости выявления противоречивых физических свойств системы, поэтому Г. Альтшуллер назвал это физическим противоречием.

Продолжим разбор примера 4.3.

Пример 4.3 (продолжение). Сформулируем обостренное противоречие (ОП). Чтобы проводник в ИМС имел маленькое сопротивление он должен быть выполнен из золота, а чтобы проводник имел хорошую адгезию с подложкой должен быть из другого материала. Более короткое и обостренное ОП можно сформулировать: материал проводника должен быть из ЗОЛОТА и НЕ ИЗ ЗОЛОТА. Типичное разрешение такого обостренного противоречия - использование ПОСРЕДНИКА.
Запомните это правило. Мы еще вернемся к нему. Видимо, Вы уже догадались о решении. Сначала наносят подслой, имеющий хорошую адгезию с подложкой и с золотом, а затем на него напыляют золото. В качестве подслоя берут никель или титан⁵.

Пример 4.5. Для питания многих радиотехнических устройств (РТУ) используются промышленная сеть переменного тока, хотя большинство блоков РТУ, например, усилитель, генератор и другие нуждаются в постоянном питающем напряжении. По этой причине на выходе усилителя необходим элемент, имеющий противоречивые физические свойства. Он должен быть ПРОВОДЯЩИМ для положительной полуволны синусоидального тока и НЕПРОВОДЯЩИМ для отрицательной, чтобы обеспечить усилитель однополярным питающим напряжением. Данное обостренное противоречие (ОП) разрешается за счет выпрямителя, выполненного на диодах, обладающих указанными физическими свойствами и реализующих функцию преобразования переменного тока в постоянный.

Следует подчеркнуть еще раз, что в отличие от углубленного (технического) противоречия, принадлежащего всей системе, обостренное (физическое) - относится только к определенной ее части.

Таким образом, рассмотренные три вида противоречий образуют цепочку: поверхностное противоречие (ПП) - углубленное противоречие (УП) - обостренное противоречие (ОП), которая определяет причинно-следственные связи в исследуемой технической системе.

Проиллюстрируем эту цепочку примерами.

Пример 4.6. Не идеальность ключевых свойств мощных транзисторов и диодов являются причиной потерь электрической энергии, которая разогревает полупроводниковый прибор, ухудшая тепловой режим его работы.
Сформулируем поверхностное противоречие (ПП): "Необходимо улучшить тепловой режим транзисторного (диодного) ключа в радиоэлектроаппаратуре, в которую он устанавливается". Или: "Необходимо исключить перегрев силового транзистора в усилителе радиоприемника". В первой формулировке ПП показывается какое качество нужно улучшить, а во второй - нежелательный эффект (НЭ) - перегрев транзистора.
Устранение указанного поверхностного противоречия может осуществляться за счет создания нового транзистора или применения радиатора, который улучшает тепловой режим работы транзистора, но увеличивает габариты радиоаппаратуры.
Углубленное противоречие (УП) между ТЕМПЕРАТУРОЙ и ГАБАРИТАМИ или ПОТЕРЯМИ ЭНЕРГИИ (МОЩНОСТИ) и ГАБАРИТАМИ.
Улучшение теплоотвода приводит к необходимости увеличения площади радиатора, а снижение габаритов радиоаппаратуры требует уменьшения площади радиатора.
Опишем обостренное противоречие (ОП): площадь радиатора должна быть БОЛЬШОЙ, чтобы улучшить отвод тепла, и МАЛЕНЬКОЙ, чтобы радиоаппаратура была малых габаритов.
Такое противоречие можно, например, разрешить путем изменения структуры. На радиаторе делают ребра. Общая площадь радиатора остается такой же или больше, а габариты аппаратуры не увеличиваются и даже могут быть уменьшены.

Пример 4.2. (продолжение). Рассмотрим пример с увеличением грузоподъемности судна. Уменьшить энергозатраты можно, ликвидировав подводную часть корпуса корабля. Но чтобы судно держалось на плаву, подводная часть корпуса необходима. И так обостренное противоречие: подводная часть корпуса должна быть для обеспечения плавучести и не должна быть, чтобы не увеличивать энергозатраты при увеличении скорости.

Пример 4.4. (продолжение). В примере с проектированием корпуса яхты обостренных противоречий несколько:
1. Для того чтобы яхта двигалась с большей скоростью (имело малое сопротивление формы), корпус должен быть узким и длинным, а чтобы вынести большую парусность (быть остойчивой), корпус должен быть широкий.
2. Второе обостренное противоречие относится к другой части яхты - к балласту (киль). Для повышения остойчивости яхты балласт должен быть тяжелым, а чтобы она была более маневренной, балласт должен быть легким.

Целый букет противоречий разобран Ф.Энгельсом в работе "История винтовки". Рассмотрим некоторые из них.

Пример 4.6. Изобретение винтовки преследовало цель - улучшить результаты стрельбы. Поэтому в гладкоствольных мушкетах была сделана нарезка, а плотно пригнанная пуля скользила по ним. При этом заряжать винтовку стало гораздо сложнее и дольше - пулю приходилось забивать шомполом (раньше оружие заряжалось с дульной части).
Возникло углубленное (техническое) противоречие между точностью стрельбы (преимущества нарезов винтовки) и скорострельностью или удобством заряжания (преимущества гладкоствольного оружия - мушкетов).
В глубине этого углубленного противоречия лежат несколько обостренных (физических). Вот некоторые из них:
1. Чтобы повысить точность стрельбы, необходимы нарезы на внутренней поверхности ствола, а чтобы облегчить заряжание (повысить скорострельность), нарезы не нужны (внутреннюю поверхность ствола необходимо иметь гладкой).
2. Или - для увеличения скорострельности пуля должна не плотно прилегать к внутренней поверхности ствола, а для улучшения точности стрельбы пуля должна плотно прилегать к внутренней поверхности ствола и даже врезаться в нарезы.
Обратите внимание, что эти обостренные противоречия составлены для разных частей системы (винтовки): 1 - для ствола, 2 - для пули.
В то время пуля оборачивалась просаленной материей (пластырем) и без особых усилий забивалась шомполом в ствол.
Затем выяснилось, что для увеличения точности и дальности стрельбы пуле необходимо придавать вращательное движение, при этом она более точно выдерживает заданное ей направление, так как становится более устойчивой. На внутренней поверхности ствола стали делать винтовые нарезы. Прежнее противоречие еще более обострилось, в связи с тем, что заряжать винтовку стало еще труднее.
Винтовка "в значительной мере превосходила гладкоствольный мушкет в отношении меткости... Вместе с тем, заряжание винтовки являлось делом сравнительно трудным. Забивание пули представляло довольно утомительную операцию; порох и завернутая в пластырь пуля вкладывались в ствол отдельно, и за одну минуту можно было сделать не более одного выстрела"⁶.
В данном случае обостренное противоречие будет.
Нарезы должны быть винтовые, для повышения точности стрельбы, и не должны быть винтовые (должны быть прямые) для повышения скорострельности.
Вот еще одно из характерных обостренных противоречий: "Старая винтовка, для того чтобы облегчить забивание пули, должна была быть короткой, настолько короткой, что она уже не подходила в качестве рукоятки для штыка"⁷. Ствол винтовки должен быть коротким, чтобы было легче забивать пулю, и должен быть длинным, чтобы служить рукояткой для штыка.

Теперь, рассмотрев различные противоречия, следует еще раз отметить, что решить сложную техническую задачу - значит улучшить необходимые показатели системы, не ухудшая другие. Осуществить это возможно путем выявления углубленного (технического) противоречия, определения причин, породивших его, или даже причины причин (выявление обостренного противоречия), и устранения этих причин, то есть разрешения обостренного (физического) противоречия.

Этап выявления обостренного противоречия представляет собой точную постановку задачи.

Выявление обостренного противоречия при решении технических задач требует определенной направленности поиска, что возможно только при знании ответа. В реальной технической задаче ответ, безусловно, не известен.

Направленность в решении может быть достигнута ориентировкой на законы развития технических систем и, прежде всего, на закон увеличения степени идеальности технической системы.

Оглавление