Законы и закономерности

Закономерность развития технических систем, заключающаяся в переходе к вредному потоку, ослабление которого происходит путем его сложения с самим собой.

Пример: один из вариантов  конструкции автомобильного глушителя, в котором звуковые колебания глушат сами себя (Рисунок 3.33):

Рисунок 3.33 Глушитель

• Снижение повреждающей способности вредного потока

Закономерность развития технических систем, заключающаяся  в предотвращении нежелательного действия потока на объект путем изменения характеристик вредного потока (без изменения его силы) или повреждаемого объекта.

• Уход от резонанса

Закономерность развития технических систем, заключающаяся  в переходе от импульсного (переменного) вредного потока с произвольной частотой к потоку, частота которого далека от частоты собственных колебаний источника потока, элементов его тракта или объекта, на который направлен поток.

Пример - подвеска автомобиля. Автомобиль представляет из себя колебательную  систему, совершающую вынужденные колебания с частотой, зависящей от скорости движения и характера шероховатости дороги. Частота этого вредного потока вибрации довольно высока, поэтому собственную частоту колебаний автомобиля стремятся снизить насколько возможно, для чего используют как можно более мягкие рессоры (Рисунок 3.34):

Рисунок 3.34 Автомобильная подвеска

 

3.8 Закон повышения согласованности

Закономерность развития технических систем, заключающаяся в том, что в процессе развития происходит последовательное согласование характеристик частей ТС между собой, а также ТС и ее частей с надсистемой.

Определение:

Согласование - это выбор  величины одного параметра с учетом величины другого.

Выбор величины параметра может быть сделан заранее (например, при изготовлении системы) или в процессе ее работы.

Механизмы закона:

• Согласование формы

Закономерность развития технических систем, заключающаяся  в том, что в процессе развития происходит согласование формы частей ТС между собой, а также ТС и ее частей с надсистемой.

Форма системы должна быть согласована с формой, свойствами и характером движения взаимодействующих  с ней объектов для оптимизации  ее функционирования.

Виды согласования формы:

Однородность

Закономерность развития технических систем, заключающаяся  в том, что в процессе развития система приобретает форму, одинаковую с формой взаимодействующих с  ней объектов.

Пример - стандартизация резьб: форма метрической резьбы на всех резьбовых парах установлена одинаковой во всем мире (Рисунок 3.35, Рисунок 3.36):

Рисунок 3.35 Метрическая резьба

Рисунок 3.36 Болт и гайка

Дополнительность

Закономерность развития технических систем, заключающаяся  в том, что в процессе развития система приобретает форму, позволяющую  ей дополнить другие объекты для  достижения определенной конфигурации.

Пример - размеры кирпичей по трем осям выбраны кратными друг другу, чтобы при любом виде кладки обеспечивать регулярную структуру 

 Комплиментарность

Закономерность развития технических систем, заключающаяся  в том, что в процессе развития система приобретает форму, позволяющую ей хорошо совмещаться с другими объектами (например, выпуклостям соответствуют впадины).

обеспечение особых видов взаимодействия

Закономерность развития технических систем, заключающаяся  в том, что в процессе развития система приобретает форму, зависящую от свойств и характера движения взаимодействующих с системой объектов, позволяющую ей обеспечить особые виды взаимодействия.

3.9 Закон повышения управляемости

Закономерность развития технических систем, заключающаяся в том, что в процессе развития системы становятся все более управляемыми.

Определение:

Управление - это комплекс действий по изменению параметров системы  с целью их согласования с изменяющимися  параметрами самой системы, ее надсистемы и окружающей среды.

Поскольку целью управления является согласование параметров, данный закон целиком является одним из механизмов Закона повышения согласованности.

Механизмы закона:

1. Закономерность развития технических систем, заключающаяся в том, что новая система часто появляется как неуправляемая

Такую систему создают исходя из определенных предположений о будущем значении параметров надсистемы и окружающей среды (обычно в расчет закладывают наихудшее или наиболее вероятное сочетание параметров). В дальнейшем она функционирует независимо от изменения этих параметров.

2. Закономерность развития технических систем, заключающаяся в том, что в процессе развития происходит переход к системе, действующей по жесткой программе

Программу такой системы  создают исходя из определенных предположений  о характере будущих изменений параметров надсистемы и окружающей среды. В дальнейшем система функционирует по программе независимо от фактического изменения этих параметров.

Пример - простейший светофор (Рисунок 3.37):

Рисунок 3.37 Сфетофор

Он работает по жесткому циклу - несколько минут открыт один путь, несколько минут - другой. При  этом совершенно не учитывается фактическое  наличие и распределение транспорта: поток машин на одной дороге будет остановлен даже в том случае, если перпендикулярная дорога абсолютно пуста; потокам существенно разной плотности будут предоставлены одинаковые интервалы времени для проезда, и т.д.

3. Закономерность развития технических систем, заключающаяся в том, что в процессе развития происходит переход к системе с самоуправлением на микроуровне

Измерительный и управляющий  элементы в таких системах свертываются вместе с частью своих функций. Оставшиеся функции передаются рабочему органу и/или элементам надсистемы, причем процессы в них протекают таким образом, что подлежащие управлению параметры автоматически изменяются при изменении параметров надсистемы и окружающей среды.

Пример - предохранительный клапан (Рисунок 3.38):

Рисунок 3.38 Предохранительный клапан

В этом устройстве нет  ни специального измерительного блока, определяющего давление в системе, ни блока управления, сравнивающего  это давление с заданным и выдающего  управляющий сигнал некоему исполнительному механизму на открывание отверстия для стравливания излишков. Вместо всего этого есть пружина, которая сама себе и исполнительный механизм (она сама перемещает шток запирающего элемента), и измеритель давления (деформация пружины означает, что давление превысило допустимое), и система управления, "принимающая решение" о том, когда надо начать стравливание и когда пора его заканчивать.

 

4. Закономерность развития технических систем, заключающаяся в том, что в процессе развития происходит переход к системе, устойчивой в нескольких диапазонах состояний со скачкообразным переходом между диапазонами

Такие системы позволяют  расширить диапазон регулирования  и быстрее выходить на нужный параметр. Пример - гибридный автомобиль, имеющий  два источника энергии - аккумулятор (или суперконденсатор) и ДВС. Такой автомобиль имеет два диапазона мощностей, переходы между которыми происходят при включении/выключении ДВС (Рисунок 3.39):

Рисунок 3.39 Гибридный автомобиль

При этом внутри каждого  диапазона мощность поддается регулированию.

3.10 Закон повышения динамичности ТС

Закономерность развития технических систем, заключающаяся  в том, что в процессе развития у систем и их элементов увеличиваются гибкость, динамичность и способность к адаптации.

Обычно увеличение изменчивости необходимо системам для того, чтобы  лучше поддаваться управлению. Следовательно, данный закон является одним из механизмов Закона повышения управляемости.

Механизмы закона:

1. Закономерность развития технических систем, заключающаяся в том, что новые системы часто возникают как монолитные

Такая система обычно наиболее проста, но обладает минимальной  способностью к адаптации.

Никакие ее свойства не могут  быть изменены.

2. Закономерность развития технических систем, заключающаяся в том, что в процессе развития происходит переход к гибкой системе

В такой системе шарниры  видимым образом отсутствуют, однако способность к адаптации остается и даже возрастает. Дело в том, что шарнирами теперь служат молекулы или атомы кристаллической решетки. Поэтому можно сказать, что шарниров стало бесконечно много и вся система состоит только из них.

Пример - переход от жесткой  линейки к складного метру, а  от него - к гибкой мерной ленте (Рисунок 3.40):

Рисунок 3.40 Обычная линейка - Складная линейка - Гибкая мерная лента

3. Закономерность развития технических систем, заключающаяся в том, что в процессе развития происходит переход к системе в виде стабильного объема или струи сыпучего тела, жидкости, газа или их комбинаций

Такая система более  динамична, поскольку ее податливость вообще не ограничена свойствами твердых  тел, хоть и обладающих эластичностью.

Пример - резка высоконапорной водяной струей (Рисунок 3.41) и очистка деталей струей абразивных частиц (Рисунок 3.42):

Рисунок 3.41 Резка высоконапорной водяной струей

Рисунок 3.42 Абразивоструйная обработка

Динамизация структуры  обычно проходит в несколько этапов:

1. Закономерность развития технических систем, заключающаяся в том, что в процессе развития происходит линейная динамизация структуры системы

Изменение структуры  на микроуровне приводит к плавному изменению свойств системы.

Пример - использование  явления магнитострикции: при изменении  магнитного поля меняются параметры  доменной структуры, а в результате происходит изменение формы на макро-уровне (Рисунок 3.43):

Рисунок 3.43 Магнетострикция

2. Закономерность развития технических систем, заключающаяся в том, что в процессе развития происходит нелинейная динамизация структуры системы

Скачкообразное изменение  структуры на микроуровне приводит к мгновенному изменению свойств  системы.

Пример - плавкий предохранитель (Рисунок 3.44). При расплавлении проводника (фазовый переход первого рода) избыточным током контакт мгновенно разрывается.

Рисунок 3.44 Плавкий предохранитель

Пример на использование  фазового перехода второго рода, также  приводящего к мгновенному изменению свойств - расширитель для сосудов, изготовленный из сплава с памятью формы (Рисунок 3.45):

Рисунок 3.45 Сплав с памятью формы

Его вводят через небольшой надрез в компактном виде, а затем под действием тепла человеческого тела происходит перестройка кристаллической решетки, и изделие само приобретает заданную форму.

3. Закономерность развития технических систем, заключающаяся в том, что в процессе развития происходит переход от одноуровневой к многоуровневой динамизации структуры

Пример - химический лазер (Рисунок 3.46):

Рисунок 3.46 Химический лазер

В таком лазере процессы идут сразу на двух уровнях структуры: на уровне молекул протекает химическая реакция, а на уровне электронных оболочек атомов - возбуждение электронов и излучение квантов света.

4. Закономерность развития технических систем, заключающаяся в том, что в процессе развития происходит динамизация функций системы

Динамизация функций  обычно проходит в несколько этапов:

5. Закономерность развития технических систем, заключающаяся в том, что в процессе развития происходит динамизация функций системы по их количеству

Происходит переход  от однофункциональных систем к многофункциональным.

Пример - трактор (Рисунок 3.47):

Рисунок 3.47 Трактор

Он может выполнять  функции экскаватора, бульдозера, погрузчика и тягача.

6. Закономерность развития технических систем, заключающаяся в том, что в процессе развития происходит динамизация функций системы по их объектам