Машина Рута Голдберга как объект анализа

Машина Руба Голдберга как объект анализа

                       

 

                            

 

                                              Логвинов С. А.

                                                         Лебедев Ю. В.

                                                                                               

 

Введение

Машина Голдберга (МГ), по определению - это устройство, которое выполняет простое действие сложным образом (см., например,[[1]]).

По условию, выполняемое действие должно быть полезным. Однако, процесс, приводящий к полезному результату, должен быть организован максимально сложным образом. Широко известно «искусство для искусства», приводящее в экстаз высоких ценителей, но вовсе не предназначенное для широкой публики (например, [[2]]).Точно также МГ является воплощением инженерного искусства, предназначенного для своих, но вовсе не для удовлетворения прикладных потребностей [[3]], которые являются при этом вторичными. Любопытно, что, несмотря на явную нелепость, многие МГ воспринимаются инженерами как «красивые». Аналогично воспринимается красота современных самолетов, скоростных судов и стрелкового оружия. Однако, имеется существенное отличие. Красота самолета – это «красота конструкции». Красота МГ – это «красота процесса».

Таким образом, МГ есть в чистом виде «штука инженерии», не замутненная требованиями прикладной тематики. И именно поэтому представляет специальный интерес инженерный анализ такой машины.

В терминах ТРИЗ основная цель развития МГ заключается в минимизации идеальности выполнения ГФ, при сохранении функциональности системы выше нуля.

При этом МГ со всех точек зрения является типичной технической системой, сохраняющей все признаки ТС. В частности, любая действующая МГ должна подчиняться закону полноты частей системы:

Известны попытки анализа МГ с точки морфологической [[4]]:

     

структурной [[5]]:

   

и конструкторской [[6]]

    

точек зрения.

При этом системный и функциональный анализ до сих пор игнорировали этот важный класс технических систем.

Теоретическое описание

С точки зрения функционального подхода все множество МГ может быть разделено на несколько подмножеств.

Машина Голдберга первого рода или истинная машина Голдберга

Будем называть машиной Голдберга первого рода (МГ1) машину, как ее придумал сам Руб Голдберг. Именно поэтому ее можно назвать также «истинная машина Голдберга» (ИМГ)

С функциональной точки зрения такая машина является каскадом из k элементарных машин, причем, рабочий орган n-ной машины является системой управления (n+1)-ой машины:

Типичные примеры приведены, например, в [[7]].

Соответственно, каскад может составляться из типовых звеньев, почти не связанных друг с другом. Существуют и наборы таких каскадов, которые можно использовать для создания МГ модульным методом. Например, [[8]].

Особый интерес представляют попытки полезного использования МГ без нарушения основного ограничения МГ (минимальная функциональность). Здесь возникает очень своеобразное противоречие: МГ должна быть функциональна по условиям задачи, но мало функциональна по определению МГ. В [[9]] МГ использована для демонстрации некоторых красивых механических эффектов. Противоречие разрешено за счет того, что удовольствие от такой демонстрации получат именно инженеры, а не широкая публика.

Машина Голдберга второго рода или псевдо машина Голдберга

Будем называть машиной Гольдберга 2-го рода (МГ2) каскад из k последовательных преобразователей энергии.

В этой машине имеется последовательная цепочка преобразователей энергии. Каждый n-й преобразователь можно рассматривать как источник энергии для (n+1)-го звена, а также как рабочий орган (n-1)-го звена каскада. Носителем энергии, как правило – механической, является чаще всего шарик или какая-то колесная игрушка-автомобиль. Например, [[10]].

Нетрудно заметить, что МГ2 является, по существу, развернутым звеном каскада МГ1 и в качестве такового может быть встроена в нее. Поэтому МГ2 резонно называть также псевдо машина Голдберга (ПМГ).

Другое важное отличие (и одновременно – обоснование обозначения этого типа машин как «псевдо») заключается в существовании практически важных прототипов, существующих и широко использующихся в практической деятельности. Например, механические часы построены именно по такому принципу:

Но именно практичность выводит механические часы из определения МГ («зачем просто, когда можно сложно»). В частности, нарушает требование минимизирования идеальности. Поэтому следует различать просто сложные конструкции с каскадом преобразователей и МГ2.

Интересным частным случаем МГ2 является известный эффект домино, например, [[11]], [[12]].

Причем, в системах [[13]] (начиная со второго эпизода) и [[14]] использование других звеньев каскада показывает однозначную связь домино с МГ2 и МГ1

Объединение МГ1 и МГ2

Выше было указано, что МГ2 одновременно является и собственно МГ, и может выступать как звено МГ1. Это привело к появлению многочисленного подмножества таких машин (МГ1+2). Например,[[15]].

Собственно говоря, практически всегда при составлении МГ1 в нее встраиваются звенья МГ2 в большей или меньшей степени. Особенно часто встраиваются именно звенья домино.

 

Машина Голдберга третьего рода или процесс Голдберга

 

 

Осмысление упомянутой выше «красоты МГ» позволяет рассмотреть МГ с точки зрения функционального моделирования процессов и идентифицировать еще один тип МГ.

Машиной Голдберга третьего рода (МГ3) будем называть устройство, последовательно выполняющее несколько полезных функций над одним ОГФ. Каскад функционально полных машин объединен общим источником энергии и общим ОГФ:

Функции выполняются последовательно, одна за другой в рамках одного «технологического» процесса. Поэтому такую машину можно также называть процессом Голдберга (ПГ). МГ3  гораздо меньше распространена, чем первые две, но тоже встречается, например, [[16]].

Нужно сказать, что МГ3 также имеет множество прототипов в практической деятельности человечества. Достаточно сказать, что именно по этому принципу были устроены почти все мануфактуры эпохи первой промышленной революции: единый двигатель через сложную систему параллельных (а частично - последовательных) трансмиссий приводил в действие значительное количество рабочих органов, последовательно обрабатывающих полуфабрикат. В сильно измененном виде именно такая система характерна и для нынешнего промышленного производства в виде единых для всего производства систем инженерных коммуникаций. Поэтому для данного типа машин особенно важно требование избыточности решений и минимальности полезной функции.

Особый класс таких машин составляют машины без «материальной» полезной функции («абсолютная МГ»). Хотя они и нарушают требование ненулевой функциональности, но зато являются чистым инженерным решением, полностью свободным от меркантилизма. Например, [[17]].

Обсуждение результатов и выводы

Анализ МГ как инженерной системы позволяет сделать несколько любопытных обобщений:

  1. Обращает на себя внимание, что в МГ используется, как правило, только механическая энергия. Вместе с тем, использование остальных видов полей, хотя бы из списка МАТХЭМ, может значительно увеличить разнообразие звеньев как МГ1, так и МГ2.Еще более перспективным представляется использование стандартов подкласса 1.1 (Синтез веполей) и, особенно, подкласса 2.1 (Переход к сложным веполям). Впрочем, большой интерес представляет весь Класс 2  

 

  1. Также очевидно, что потенциальное разнообразие классов МГ не ограничивается описанными выше. Например, вполне представимы комбинации МГ1+3 и МГ2+3. Однако, таких машин найдено не было и, соответственно, они не были включены в приведенную классификацию. Точно также, совершенно недостаточно проработаны богатые возможности использования систем управления, как существенного компонента функционально полной ТС.

И уж совершенно никак не задействован в практике построения МГ объект главной функции, хотя применение его хотя бы в качестве компонента СУ могло бы значительно обогатить множество МГ.

  1. Помимо общеметодологического значения анализ машины Голдберга может иметь и важное прикладное значение как инструмент анализа решений и вторичных недостатков: в инженерной практике имеется достаточно много решений, обладающих значительной избыточностью. Часто такая избыточность появляется как раз в ходе решения вторичных задач, когда вторичные недостатки устраняются последовательным введением дополнительных функций и выполняющих их компонентов.

 

  1. Анализ особенностей МГ позволяет также сформулировать очень интересную гипотезу. Г.С. Альтшуллер настоятельно рекомендовал при использовании Системного оператора рассматривать не только развитие системы, но и развитие антисистемы [[18]].При этом понятие антисистемы четко не определялось.

С развитием функционального подхода появились как минимум два способа определения антисистемы. Первый – антисистема определяется как система, влияющая на тот же параметр объекта, но в другую сторону. Например, если системой является нагреватель, антисистемой будет охладитель.

Второй способ определения антисистемы – система, реализующая ту же функцию, но в отношении инструмента (исходной системы). Например, резец токарного станка режет заготовку (изменяет ее форму), но при этом сам теряет форму. Операция заточки резца будет осуществляться некой антисистемой.

Теперь - собственно гипотеза. Можно ли в качестве антисистемы рассматривать систему с такой же главной функцией, но с очень низкой идеальностью (т.е. МГ)? Точнее, рассматривать-то можно, но что даст такое рассмотрение? Обычно антисистема представляет интерес как потенциальный «донор» системных свойств, а МГ, в силу «бесполезности»,  вряд ли обладает такими свойствами.

Но давайте вспомним Примечание 3 к тексту АРИЗ-85В: «Технические противоречия составляют, записывая одно состояние элемента системы с объяснением того, что при этом хорошо, а что - плохо. Затем записывают противоположное состояние этого же элемента, и вновь - что хорошо, что плохо.Иногда в условиях задачи дано только изделие; технической системы (инструмента) нет, Поэтому нет явного ТП. В этих случаях ТП получают, условно рассматривая два состояния (изделия), хотя одно из них заведомо недопустимо… Условия задачи, казалось бы, заведомо исключают рассмотрение ТП-2: изделие менять нельзя! Действительно, в дальнейшем мы будем исходить (в данном случае) из ТП-1, но ТП-2 даст дополнительные требования к изделию: маленькие частицы, оставаясь маленькими, должны стать большими...»[[19]].

С учетом этого примечания рассмотрение МГ перестает быть бессмысленным. Она является типичной системой, вполне справляющейся с главной функцией, но имеющей слишком низкую для практического применения идеальность. А рассмотрение такой системы как антисистемы может помочь преодолеть психологическую инерцию.

Можно привести и еще один аргумент. Немало полезных эффектов удается получить введением в систему пустоты. МГ является неким аналогом пустоты в смысле ее функциональности (ее идеальность близка к нулю). Поэтому рассмотрение МГ как альтернативной системы в некоторых ситуациях может представлять  интерес.

 

Алфавитный указатель: 

Рубрики: 

Subscribe to Comments for "Машина Рута Голдберга как объект анализа"