Законы и закономерности развития техники

 

 

 

 

 

На тему: Законы и закономерности развития техники

 

 

 

 

 

В условиях огромных потоков информации, имеющей как специальное, так и общетехническое направление, для эффективного проектирования уже оказывается недостаточным личный опыт отдельных разработчиков. Поэтому все большее значение для проектирования приобретает прогнозирование в области создания новых технических объектов, в том числе и оборудования. Причем значение прогнозирования повышается тогда, когда имеет место относительно частое изменение требований, предъявляемых к техническому объекту.

Одним из основных положений прогнозирования является то, что утверждение о вероятности свершения события делают на основании анализа событий, которые уже свершились. Неоценимую роль в прогнозировании играют законы развития техники.

Законы развития техники, а также более частные и локальные закономерности могут иметь многоплановое приложение в инженерном творчестве. Во-первых, на основе законов и закономерностей техники могут быть разработаны наиболее эффективные методология и методы проектирования. Во-вторых, привязка законов и закономерностей к конкретному классу технических объектов позволяет определить наиболее правильные структурные свойства, облик и характеристики ТО в следующих поколениях.

Строение и развитие каждого ТО и техники в целом подчиняются определенным законам и закономерностям, которые указывают на устойчивые качественные и количественные причинно-следственные связи и отношения, имеющие место у класса ТО и техники в целом, а также на изменение во времени этих связей и отношений.

Законы и закономерности по характеру и определенности описания объектов и явлений техники должны быть близки к законам и закономерностям, известным в биологии, физике и химии, т.е. законы техники должны формулироваться на уровне законов природы.

Закономерности строения и развития техники имеют отношения к техническим объектам с одинаковой или близкими функциями.

Законы техники имеют отношение к любому ТО или ко многим классам ТО, имеющим различные (сильно отличающиеся) функции.

К законам и закономерностям строения технических объектов относятся устойчивые признаки в конструктивной и потоковой функциональной структуре, в физической структуре (ФПД) и ТР, которые существуют и остаются неизменными на протяжении многих поколений в историческом развитии технических объектов.

К законам и закономерностям развития техники будем относить определенные устойчивые изменения какого-либо критерия развития (показателя качества) или какого-либо количественно выражаемого конструктивного признака на протяжении многих поколений ТО.

Кроме того, должны иметь место законы развития, которые для многих классов ТО с различными функциями отражают одинаковые (аналогичные) изменения в конструктивной и потоковой функциональной структуре, в физической структуре и ТР.

            Сведения о некоторых законах строения и развития техники.

1) Закон корреляции параметров однородного ряда технических объектов

К однородному ряду относятся такие технические объекты, которые имеют одинаковые функцию, структуру, условия работы (в смысле взаимодействия с предметами труда и окружающей средой) и отличаются только значениями главного параметра.                   Главным параметром в техническом объекте называют такой параметр, который характеризует его главный функциональный элемент и от которого зависят значения остальных параметров. Так, для лопастного насоса это будет диаметр рабочего колеса, для экскаватора - объем ковша, для огнестрельного оружия - калибр и т.п.

Закон имеет следующую формулировку: «Однородный ряд технических объектов S\, S2, Sk, имеющих одинаковые функцию и техническое решение, описываемое набором параметров х, уi,..., у„ и отличающихся значениями главного параметра, связан между собой отношениями yr=aiXj+bi(i=l,..., n;j= 1,..., к)».

            2) Законы симметрии технических объектов

Технический объект, испытывающий определенное существенное действие внешней среды в виде потоков вещества, энергии или информации, имеет определенный тип симметрии, обусловленный комбинацией и характером этих потоков.

С точки зрения проявления тех или иных свойств объектов было выделено несколько типов симметрии:

А) Закон двусторонней симметрии

Любой технический объект, который испытывает действие потоков среды (в виде вещества или энергии), находящихся под углом друг к другу, имеет симметрию (т), а плоскость симметрии параллельна направлению векторов действия потоков (рис. 1, а).

Б) Закон осевой симметрии

            - Любой технический объект, который испытывает существенное однонаправленное действие среды в виде потока вещества или энергии, имеет симметрию (п) или (п-т) с осью симметрии, параллельной действию среды (рис. 1, б, в).

- Любой технический объект, который испытывает существенное вертикальное действие силы тяжести и плоскопараллельное горизонтальное действие среды (равновероятное или равномерно распределенное со всех сторон), имеет симметрию (п) или {п-т) с вертикальной осью симметрии.

            - Любой технический объект, который испытывает существенное равновероятное или равномерно распределенное со всех сторон (снаружи или изнутри) плоскопараллельное действие среды, имеет симметрию (п) или {п-т), (п:т), (п-т:т) с осью симметрии, перпендикулярной действию среды (рис.1, б-д).

 

а

б

в

г

д

             Рис. 1. Примеры типов симметрии:

а - (т) - самолет; б-(п) - гребной винт: в — (п:т) - вертушка анемометра;

г — (п-т) —гайка; д — (т-п: т) - вал переменного сечения

         

а

б

в

г

д

             Рис. 1. Примеры типов симметрии:

а - (т) - самолет; б-(п) - гребной винт: в — (п:т) - вертушка анемометра;

г — (п-т) —гайка; д — (т-п: т) - вал переменного сечения

         

  3)Закон гомологических рядов

Гипотеза о законе гомологических рядов в технике была сформулирована по аналогии с законом гомологических рядов И.И. Вавилова, относящимся к живой природе. Суть биологического закона заключается в том, что у близких видов, принадлежащих одному роду, имеет место удивительный параллелизм одинаковых признаков.

Вавилов дал следующую формулировку закона: «Виды и роды, генетически близкие, характеризуются сходными рядами наследственной изменчивости с такой правильностью, что, зная ряд форм в пределах одного вида, можно предвидеть нахождение параллельных форм и для других видов и родов. Чем ближе генетически расположены в общей системе роды и виды, тем полнее сходство в рядах их изменчивости. Целые семейства характеризуются определенным циклом изменчивости, проходящей через все роды и виды, составляющие семейство».

Для перенесения закона гомологических рядов в технику необходимо было определить факторы, которые играют роль генотипа, т.е. как генотип в живой природе определяет видовые, родовые и другие признаки, так и в технике необходимо выделить факторы, обусловливающие характерные признаки ТО. К таким факторам относятся компоненты описания функции, принципа действия и условий работы технического объекта, каждая из которых оказывает существенное влияние на техническое решение (структуру) ТО.

Гипотеза о законе гомологических рядов технического объекта имеет следующую формулировку: «ТО с близкими функциями, принципами действия и характеристиками условий работы имеют частично совпадающие наборы варьируемых конструктивных признаков Pi,..., Рь принимающих одинаковые значения a\, а‘2,..., a'mj,j= 1,..., Ь>.

Число совпадающих наборов признаков к будет тем больше, чем больше совпадающих компонентов описания функций, принципов действия и условий работы. При этом имеют место корреляционные связи между определенными компонентами и признаками.

            4)Закон расширения множества потребностей-функций

Этот закон имеет отношение к развитию техники в целом, а не отдельной фирмы, отрасли или страны. Уже давно известен закон возвышения потребностей, который сформулирован на качественном уровне. Предлагаемая формулировка закона основывается на предшествующих работах и относится только к потребностям, реализуемым с помощью ТО.

При наличии необходимого потенциала и социально-экономической целесообразности возникшая новая потребность удовлетворяется с помощью впервые созданных технических средств (объектов); при этом возникает новая функция, которая затем существует как угодно долго, пока ее реализация будет обеспечивать сохранение и улучшение жизни людей. Число таких качественно и количественно различающихся потребностей- функций, относящихся к техносфере, со временем монотонно и ускоренно возрастает по экспоненциальному закону.

                                                     Рi= Роeᵅ ͭ                                                                  (1)

где Ро - число потребностей-функций до момента t = 0; а - эмпирический коэффициент; t - время в годах.

Важной величиной, которая также сильно изменяется со временем, является эволюция спроса на техническую систему. Для простоты анализа будем полагать, что производство технической системы всегда соответствует спросу на нее. Упрощенная сглаженная кривая увеличения и уменьшения спроса с течением времени показана на рис.2.

 

 

Спрос на техническую систему, даже после разработки новых бояее эффективных систем, не всегда падает до нуля, о чем свидетельствует ниспадающий участок кривой на рис.2 (увядание).

Морально устаревшее оборудование, машины будут использоваться некоторое время и в дальнейшем, хотя в сокращающемся масштабе. Так, например, специализированные сельскохозяйственные машины не могут полностью вытеснить трактор и комбайн.

      5)Закон прогрессивной эволюции техники

Действие закона прогрессивной эволюции в мире техники аналогично действию закона естественного отбора Дарвина в живой природе. Он отвечает на вопросы, почему происходит переход от предшествующего поколения технического объекта к следующему улучшенному поколению; при каких условиях, когда и какие структурные изменения происходят при переходе от поколения к поколению. Закон прогрессивной эволюции техники имеет следующую формулировку.

В техническом объекте с одинаковой функцией переход от поколения к поколению вызван устранением выявленного главного дефекта (дефектов), связанного, как правило, с улучшением критериев развития, и происходит при наличии необходимого научно-технического уровня и социально-экономической целесообразности следующими наиболее вероятными путями иерархического исчерпания возможностей конструкции:

а) при неизменном физическом принципе действия и техническом решении улучшаются параметры ТО до приближения к глобальному экстремуму по значениям параметров;

б)после исчерпания возможностей цикла а происходит переход к более рациональному техническому решению (структуре), после чего развитие опять идет по циклу а. Циклы а и б повторяются до приближения к глобальному экстремуму по структуре для данного принципа действия. При этом значения критериев развития К, как правило, изменяются в соответствии с функцией вида:

                                                              K=U(a+ehe- ᵝu);                                                         (2)                       

   в)после исчерпания возможностей циклов а и б происходит переход к более рациональному физическому принципу действия, после чего развитие опять идет по циклам а и б. Циклы д—повторяются до приближения к глобальному экстремуму по принципу действия для множества множества известных физических эффектов.

При этом в каждом случае перехода от поколения к поколению в соответствии с частными закономерностями происходят изменения конструкции, корреляционно связанные с характером дефекта у предшествующего поколения, а из всех возможных изменений конструкции реализуется в первую очередь то, которое дает необходимое или существенное устранение дефекта при минимальных интеллектуальных и производственных затратах.

В формуле (2) приняты следующие обозначения: L, а, Ъ, р - коэффициенты, определяемые по статистическим данным; t -время. Вид функции (2), называемой S-функцией, показан на рис 3.

 

предельное значение критерия развития Кпред

 

 

Используемое в формулировке закона понятие «научно-технический уровень» имеет отношение к стране, отрасли и определенному моменту времени. Понятие включает используемые технические объекты, технологии, источники энергии, материалы и вещества, информацию об используемых в прошлые времена, а также о новых (пока не реализованных) ТО, технологиях, источниках энергии, материалах и веществах; информацию о физико-технических эффектах, которые используются или могут быть использованы в технике и т.п.

Социально-экономическая целесообразность создания и использования технических объектов указывает на то, что, во-первых, их изготовление и практическое использование экономически возможно и выгодно, во- вторых, не ухудшает антропологических критериев развития техники.

Таким образом, суть закона состоит в том, что в технических объектах с одинаковой функцией каждый переход от поколения к поколению вызван устранением возникшего главного дефекта (дефектов), связанного с улучшением какого-либо критерия (показателя) развития при наличии определенных технико-экономических условий.