Горин Ю.В. Об учебной программе "Инноватика". Монография.

 
1
Оглавление.
Введение. Сфера применения результатов исследования. 3
Глава 1. О сущности системного подхода в образовании. 4
Глава 2. Пути реализации. 10
2.1. О творчестве. 10
2.2. Структура креативной вертикали. 12
Глава 3. Обучение студентов физике. 17
Глава 4. Курс «История инноваций в технике». 22
Глава 5. Курс «АМРИЗ – алгоритмические методы решения инженер-
ных задач». 105
Глава 6. Курс «Современные методы инженерного творчества». 107
Заключение. Об универсальной программе «Инноватика». 111
Список использованной литературы 112
2
3
Введение. Сфера применения результатов исследования.
Ведущей тенденцией при совершенствовании всей вертикали профессио-
нального образования является переориентация на подготовку специалистов к
инновационной деятельности. Реализуется тенденция через обновление со-
держания и структуры профессионального образования и определение путей
совершенствования государственных образовательных стандартов. Сюда вхо-
дят как совершенствование имеющих заделов, так и разработка качественно
новых направлений.
Согласно современным представлениям об инновационном менеджменте,
инновациями материального и организационного характера могут заниматься
как профессиональные менеджеры, так и специалисты соответствующих про-
филей. В любом случае для достижения инновационных целей структура обра-
зованности участников инновационного процесса должна быть сформирована с
учетом их специализации. Таким образом, применительно к промышленному
производству на реализацию таких элементов инновационной деятельности,
как «управление исследовательскими процессами», «анализ спроса на научно-
техническую продукцию», «оценка эффективности инноваций», целесообразно
ориентировать студентов и специалистов по экономике и менеджменту. Спе-
циалистам с высшим техническим образованием и студентам соответствующих
специальностей предпочтительнее такие элементы, как создание и освоение но-
вых техники и технологий, а также управление этими процессами «создания и
освоения». Авторы работают в системе подготовки специалистов промышлен-
ных технологий. Поэтому в своих разработках они опираются на опыт работы
со студентами именно таких специальностей, неизменно придерживаясь сис-
темного подхода. Авторы полагают, что некоторые их идеи вполне применимы
и в подготовке работников в нетехнических областях.
Следовательно, модель «психолого-образовательного сопровождения»
должна включать:
4
- образовательное сопровождение: широкая образованность, включаю-
щая, наряду с профессиональными «знаниями, умениями и навыками» (ЗУН),
знание истории инноваций в технике и закономерности развития техники.
Иными словами, направляемое развитие личности от «индивидуума, погло-
щающего ЗУНы» (абитуриент, только что ставший студентом) к личности, спо-
собный своим интеллектуальным трудом создавать новации, устраняющие про-
тиворечия развития конкретного «дела»;
- психологическое сопровождение: совмещенное с обучением ЗУНам
формирование интеллекта, умения работать в коллективе и креативности, то
есть создания у студента уверенности в его способности освоить методологию
творческого труда.
Своего рода «креативно-компетентностная вертикаль» в образовании,
предназначенная для того, чтобы студент поверил в осуществимость и практи-
ческую эффективность диады «обучение плюс самосовершенствование». Ины-
ми словами, студент должен быть убежден в том, что усвоение ЗУНов необхо-
димо и полезно совмещать с непрерывным обучением методологии научного
поиска. Такое сочетание способно сделать из него востребованного специали-
ста. КОМУ ЭТО ПРЕДНАЗНАЧЕНО?
Как следует из вышеприведенного текста, данная работа предназначена
для специалистов, как инженеров, так и менеджеров, занимающихся обучением
инновационным подходам в практической деятельности и в образовании. Она
может быть полезной в качестве учебного пособия студентам технических спе-
циальностей, особенно магистров, специализирующихся в области технологии
машиностроения.
Глава 1. О сущности системного подхода в образовании.
В анализе эволюции понятие «система» играет существенную роль, по-
этому разберем чуть подробнее. У каждого человека свои представления о том,
что есть система. Уточним это понятие применительно к теме нашего иссле-
5
дования. Все системы неприродного происхождения создаются для выполне-
ния полезных функций. В первичном представлении это есть совокупность
элементов (частей, подсистем). Но совокупность будет системой при обяза-
тельном наличии нескольких признаков. Перечислим их.
1. Наличие главной полезной функции (ГПФ). Функции систем, создан-
ных человеком, в большинстве случаев очевидны. Например, система образо-
вания предназначена для негенетического наследования знаний и формирова-
ния творческих личностей, а стиральная машина – для отделения грязи от бе-
лья. Функции систем, созданных человеком, почти очевидны, в том числе
функции технических систем. Что касается чисто природных систем, то их
функции не очень очевидны, но они вполне реальны.
2. Наличие устойчивой упорядоченной структуры. В состав структуры
входят подсистемы - части, элементы системы, которые, в свою очередь, могут
также быть структурированы. Здесь главное – наличие порядка, обеспечиваю-
щего стабильную работу системы.
3. Наличие мощных внутрисистемных связей, то есть тех взаимодейст-
вий, которые объединяют набор элементов или подсистем в единое целое. Под-
системы и взаимосвязи образуют упорядоченную структуру системы.
4. Обязательное присутствие внешних связей со средой своего обитания.
Так называемых «замкнутых систем» в составе Вселенной нет, это всего лишь
абстрактная модель, используемая в научном познании. Своеобразный «бред»
физиков-теоретиков. Все системы обмениваются с «внешней средой» инфор-
мацией, энергией, веществом. Исключение пока что составляет лишь такая
сверхсистема, как Вселенная, ибо мы не знаем, чем и с кем она торгует.
5. Появление системного качества, иногда именуемого системным эф-
фектом. Это тот положительный эффект, который возникает сверх обычной
суммы качеств отдельных элементов. Для систем искусственного происхожде-
ния системное качество тесно связано с ГПФ системы, оно фактически пред-
ставляет то новое качество, которого нет у простого набора (конгломерата)
элементов. Например, системное качество самолета – способность летать.
6
Системное качество системы образования – передача по наследству непрерыв-
но умножаемого знания. Механизмы возникновения системного эффекта -
очень интересная область для размышления. Основа здесь – взаимное усиление
положительных качеств компонентов при их совокупном действии и взаимная
компенсация отрицательных свойств.
Системы зарождаются, развиваются, живут и исчезают по своим сис-
темным законам. Есть законы, управляющие структурообразованием при воз-
никновении систем. Любая упорядоченная структура возникает из хаоса эле-
ментов по законам синергетики. Далее в действие вступает группа законов, ре-
гулирующих внутренние (внутрисистемные) связи и внешние связи системы.
Для нашей работы самые существенные – это законы развития технических
систем (ЗРТС). На всякий случай уточним само понятие природного (не юри-
дического!) закона. Закон есть существенное, устойчивое, повторяющееся
отношение внутренних и внешних связей элементов системы. Действие за-
конов развития технических систем объективно; их знание необходимо для
целенаправленного использования в совершенствовании техносферы. А юри-
дические законы - это всего лишь правила с ограниченными ареалом и време-
нем действия.
Системный подход требует, чтобы «менеджеры» были бы компетентны в
теории современных (прогрессивных) технологий, а «инженеры» достаточно
основательно понимали бы основы инновационного менеджмента. Есть ещё два
компонента «инновационной образованности», которые обязательны для всех
участников инновационных процессов. Во-первых, это основательное знаком-
ство с законами РФ по охране интеллектуальной собственности. Минимум та-
кой «правовой компетентности» инженера составляет ознакомление с патент-
ным правом, в том числе с патентным законом РФ. Во-вторых, для более глу-
бокого понимания (осознания) сущности инновационной деятельности как сис-
темного явления в промышленных областях и тем, и другим необходимо осно-
вательное знакомство с современными технологиями творческого поиска но-
вых технических решений. Именно такие решения составляют материальную
7
основу практически всех инноваций. Необходимо это прежде всего для того,
чтобы специалист мог сам генерировать новые решения.
Реализация такого подхода будет способствовать осуществлению целена-
правленной кадровой политики, ибо в инновационных проектах особенно важ-
на творческая квалификация исполнителей всех уровней. Менеджер должен
понимать ученого-изобретателя. И инженеру, и менеджеру необходимо уме-
ние дать надежную оценку этапу развития данного вида новой техники. Спе-
циалист должен четко осознавать, что уже есть по исследуемой технической
проблеме: найден принцип действия, создана компоновочная схема, разработа-
на конструкция, созданы типоразмеры, созданная техническая система требует
оптимизации или шлифовки узлов и режимов. Или же предлагаемая идея вооб-
ще не нова.
Следовательно, в процессе подготовки современных специалистов, спо-
собных эффективно осуществлять инновационную деятельность, наряду с пе-
редачей основ фундаментальных и профессиональных знаний, необходимо
учить учащихся, студентов методам творческого мышления при решении
творческих задач. Такое обучение наверняка будет полезно и многим инжене-
рам, уже имеющим диплом о высшем техническом образовании. Введение в
учебный процесс вузов, техникумов и колледжей специализированных учебных
курсов наталкивается на сильные противоречия, связанные с сильнейшей пси-
хологической инерцией в деле формирования учебных планов и отсутствием
достаточного числа преподавателей, способных на высоком уровне препода-
вать творческие спецкурсы.
Применительно к высшему и среднему профессиональному образованию
суть проблемы состоит в следующем. Парадигма широкой образованности
предполагает формирование личности, владеющей научно обоснованной тех-
нологией творческого решения задач. Профессиональные ЗУНы в рамках
этой парадигмы трактуются не как цель, а лишь как необходимое средство
обеспечения творческой деятельности специалиста. Если рассматривать обра-
зованность выпускника как систему, то она должна содержать в себе ещё как
8
минимум четыре подсистемы. Это деловая профессиональная квалификация,
сформированное научное мировоззрение, потребность в познании и умение
познавать себя и окружающий мир, а также потребность и умение работать
творчески. Каждая из этих взаимообусловленных и взаимосвязанных подсис-
тем должна выступать не в виде желательной, то есть необязательной «добав-
ки», а в качестве необходимого и равноправного компонента системной об-
разованности, имеющей реальную опору на личностные качества будущего
специалиста. Отечественное профессиональное образование традиционно ус-
пешно реализует лишь одну из «подсистем» - обучение ремеслу в самом хоро-
шем смысле этого слова. Это огромное достоинство, и оно не должно быть
утеряно ни при каких перестройках и модернизациях. Отсюда вытекает потреб-
ность и необходимость внесения в структуру образованности личности каче-
ственных изменений и, следовательно, энергичной корректировки самой
структуры образовательного пространства и модернизации образовательных
технологий.
Анализ предпринимаемых неоднократных попыток корректировки дета-
лей показали, что в этой области имеются концептуальные противоречия,
имеющие характер факторов длительного действия. Рассмотрим проблему на
примере высшего технического образования применительно к формированию
творческой личности инженера. Принято считать, что для нормальной произ-
водственной деятельности по эксплуатации технических систем выпускнику
инженерного вуза достаточно освоить «базу данных». К этой базе относят все
то, что изложено в учебниках по специальности, сведены в справочники, инст-
рукции, руководящие указания, аккумулированные в опыте наставников. К не-
обходимым качествам инженера - производственника причисляют также уме-
ние профессионально ориентироваться в информационных массивах по спе-
циальности. Это и есть основы «инженерного ремесла». Но понятие «инженер»
произошло от латинского слова ingenium, что означает «способный изобре-
тать», то есть творить новое. Стержнем такой творческой инженерной квали-
фикации, основой создания новых технических решений является «база зна-
9
ний». Эта база содержится в учебной и научной литературе по целому спектру
наук. В техносфере основу всех технических систем и технологий составляют
естественные науки – физика, химия, биология. Именно в них заложено пони-
мание сущности реализуемых в технике явлений, эффектов и процессов. Имен-
но слабость «базы знаний», недостаточная естественнонаучная подготовка
специалиста (эксплуатационника, разработчика) не позволяет ему целенаправ-
ленно совершенствовать технические системы и непосредственно производст-
венные процессы. Естественные науки составляют содержательный костяк на-
учного мировоззрения инженера. Оно может базироваться только на системном
естественнонаучном кругозоре, который обеспечивает восприятие диады «лич-
ность – природа» как единой надсистемы. Естественнонаучное мировоззрение
служит фундаментом и для реализации потребности в познании мира, и для
осознанного приобщения к творческому труду, к созданию нового. Именно ес-
тественнонаучный компонент общего и профессионального образования лич-
ности должен служить системообразующим фактором её широкой образо-
ванности. Это положение относится ко всей вертикали профессионального
образования, от его начальных стадий до высшего.
Любая система, в том числе и образованность личности, должна по опре-
делению иметь главную полезную функцию (ГПФ). ГПФ образованности
включает в себя удовлетворение интересов и личности, и общества. Примени-
тельно к прагматическим интересам личности главное – обеспечить сочетание
высокой деловой квалификации со способностью адекватно адаптироваться к
быстроменяющемуся миру. В том числе – к нарастающим требованиям работо-
дателей, к потребностям рынка труда. Студенты значительно раньше некото-
рых деятелей от образования и преподавателей поняли и оценили значимость
широкой образованности. Это очень надежное средство, обеспечивающее их
собственную социально профессиональную адаптацию, то есть быструю реак-
цию на изменение внешних обстоятельств. И далее - возможность управлять
обстоятельствами в соответствии со своим потребностями и запросами. Ра-
нее считалось, что в обществе широкая образованность способствует повыше-
10
нию «культурного уровня» его членов. Само понятие «культурного уровня»
каждый трактует по-своему, в меру своей «испорченности». Ныне стало почти
очевидным, что системное образование и широкий кругозор создают фунда-
мент для более эффективной деятельности в сфере избранной профессии. Это
полезно и для личности, и для общества. Синтез интересов личности и общест-
ва предполагает, что образовательное учреждение формирует системно обра-
зованного специалиста, способного к дальнейшему самообучению, владею-
щего профессиональными познаниями и технологией творческого труда.
Глава 2. Пути реализации.
2.1. О творчестве.
В структуре всех государственных образовательных стандартов есть тре-
бование: «обеспечить устойчивое стремление к самосовершенствованию,
стремление к творческой самореализации». Этот императив продиктован необ-
ходимостью эффективного трудоустройства выпускников и их адаптации к
рынку труда. Вместе с тем действенных методик «обеспечения стремления к
творческой самореализации» в системе профессионального образования прак-
тически нет. Имеются только отдельные крупицы опыта подготовки обучаю-
щихся к реализации своего творческого потенциала. Здесь представляются
важными два аспекта: во-первых, специалисту, ориентированному на иннова-
ционную деятельность, необходимо умение видеть и формулировать творче-
ские задачи, т. е. умение выявлять противоречия в объекте исследования; во-
вторых, нужны готовность и умение преодолевать эти противоречия. Фак-
тически это означает овладение технологией организации мышления по преоб-
разованию проблемной ситуации в конкретные задачи, создание моделей задач,
исследование противоречий, их научный анализ с последующим преобразова-
нием модели в приемлемое решение. Всему перечисленному можно и нужно
учить.
11
Концептуальные основы методологии творчества заложены в методоло-
гии естествознания. Развитие когнитивных и креативных структур человека -
это две грани единого процесса эволюции человечества. Когда когнитивные
структуры человека развились до надлежащего уровня, возникла наука, в том
числе естествознание как её ведущая отрасль. На этом этапе сформировалось
наше умение задавать вопросы природе, иногда получать на них ответы и пра-
вильно их истолковывать на языке науки. Тем самым человек создал возмож-
ность управлять процессом познания. Аналогичный процесс «от наблюдения к
управлению» характеризует и эволюцию творчества. Известно, что творческие
способности самым непосредственным образом связаны с умственной деятель-
ностью человека, которая определяется как природными задатками и склонно-
стями, так и социально-воспитательной и предметной пространственной сре-
дой. Человек отказывается от ожидания «озарения свыше» в пользу научно
обоснованной подготовки собственной личности к генерации результативного
озарения при решении задачи.
С целью научить студентов технологии творческого решения задач одни
преподаватели предлагают использовать уникальный индивидуальный опыт
творческих личностей, другие вводят в преподавание своей дисциплины зада-
чи, требующие для решения хотя бы элементов творческого подхода. Этих
фрагментов явно недостаточно. Основной результат творчества как науки -
«озарение по заказу». Стержень подготовки составляют эвристические алго-
ритмы, выстроенные в соответствии с объективными законами развития объ-
ектов исследования, например технических систем. Ясно, что массовое введе-
ние обучения творческому решению задач должно быть научно обоснован-
ным. Применительно к инженерному творчеству теоретической базой такого
обучения может служить теория решения изобретательских задач (ТРИЗ).
Г. С. Альтшуллером была сформулирована концепция развития творческого
мышления при решении технических задач [1, 2]. Теория решения изобрета-
тельских задач включают в себя целостную систему средств, направленных на
продуктивную творческую деятельность, в том числе алгоритмы решения изо-
12
бретательских задач. Базируется эта система на логических, информационных и
психологических технологиях, обеспечивающих эффективную результатив-
ность целенаправленной деятельности. Практической базой является большой
опыт преподавания на семинарах для инженеров, факультативах для школьни-
ков и в системе высшего технического образования [3, 4].
2.2. Структура «креативной вертикали».
В Пензенской государственной технологической академии (ПГТА) созда-
на комплексная образовательная программа, целью которой являются разработ-
ка и внедрение в практику подготовки специалистов, ориентированных на ин-
новационную деятельность, технологий креативного образования. Такое обра-
зование предусматривает прежде всего формирование у будущего инженера
умения решать творческие задачи не по наитию, а посредством научно обосно-
ванных алгоритмических методик. Студенту очень полезно не только набрать
запас знаний, профессиональных умений и навыков, но и овладеть технологией
творческого решения инженерных задач. Идея программы [3, 4, 5] состоит в
том, что творческий компонент образованности инженера предполагает нали-
чие у выпускников технических специальностей вузов умений и навыков поис-
ка новых инженерных решений. Эта грань деловой квалификации инженера
требует, как минимум, двух обязательных компонентов в структуре образован-
ности специалиста с высшим техническим образованием: уверенного овладения
основами научной теории решения изобретательских задач и добротного зна-
ния «ремесла», т. е. наличия профессиональных знаний, умений и навыков.
Творчество возможно только на базе знаний, но профессиональные знания,
умения, навыки в этой трактовке рассматриваются не в качестве конечной цели
образования, а как фундамент и одновременно инструмент решения творческих
задач в области техники и технологий.
Анализ опыта, как нашего собственного, так и коллег из вузов России
[7,8,9], показал, что краткосрочные факультативы или отдельные лекции о
сущности и престижности творческого начала полезны для осведомления, но
13
не решают проблемы приобщения студентов к творчеству. Простого озна-
комления недостаточно для того, чтобы студент ощутил себя субъектом твор-
чества, генератором нового знания. Приоритет творческого начала в деятельно-
сти будущего инженера можно обеспечить только при совмещении обучения
творчеству со всем образовательным процессом, от первых лекций в вузе до
дипломной работы.
Первоначально необходимо было проверить саму возможность построе-
ния и работоспособности «креативной вертикали». Руководствуясь принципом
«не навреди», в структуру такой вертикали мы включили четыре дисциплины:
общую физику (1 и 2-ой курсы), историю техники (2-й курс), алгоритмиче-
ские методы решения изобретательских задач (АМРИЗ, 3-й курс), совре-
менные методы инженерного творчества (4-й курс). В становлении всей
программы приняли участие кафедра физики и выпускающая кафедра «Техно-
логия общего и роботизированного производства».
Стартовой основой вертикали служил четырех семестровый курс «Физи-
ка». Поскольку в качестве экспериментальных групп были определены потоки
будущих инженеров-механиков, то содержание курса должно было соответст-
вовать ГОС для специальности «Технология машиностроения». Особенностью
изложения курса является то, что в первые три семестра акцент переносится на
трактовку физики как научной основы техники и технологий. Примеры «физи-
ческих изобретений» из патентного фонда отбираются так, чтобы продемонст-
рировать мощь физического знания как эффективного инструмента решения
технических задач. Особое внимание уделяется функциональным техническим
возможностям изучаемых физических явлений и эффектов. На изучение в чет-
вертом семестре были отнесены мировоззренческие аспекты физики.
Курс «История техники» читается в четвертом семестре. Согласно про-
грамме этой дисциплины становление и развитие техники трактуется как про-
явление объективных законов развития технических систем. Ознакомление с
этими законами составляет первый раздел курса. Второй раздел – обзорные
лекции по становлению и развитию важнейших научно-технических отраслей
14
(энергетика, материаловедение, электроника, биотехнология, информатика). В
эволюции этих отраслей явно подчеркивается ведущая роль физики, химии,
биологии. Периоды «технических революций» сопоставляются с последова-
тельным формированием системных физических картин мира. В самостоятель-
ных творческих работах студентам предлагается проанализировать историю и
перспективы развития конкретных технических систем (станков, бытовой тех-
ники, компьютеров, устройств связи и т. п.). Третий раздел посвящен эволюция
технологий создания новых технических решений.
Учебный курс АМРИЗ вынесен на пятый-шестой семестры. Он состоит из
лекционных занятий и практики. Посвящен это курс обоснованию, структуре и
сущности эвристических алгоритмов, а также назначению и освоению отдель-
ных стадий таких алгоритмов. На практических занятиях с использованием
банка задач студенты получают практические навыки по реализации рассмот-
ренных на лекции положений.
Завершением «креативной вертикали» служит курс «Современные мето-
ды инженерного творчества». С 2005 г. этот курс построен на основе ТРИЗ. В
лекциях излагается суть этой науки, подчеркивается эвристическая значимость
технических и физических противоречий. Особенность курса заключается в на-
целенности его на методы синтеза технических систем. Достигается это путем
коллективного (в малых группах) и индивидуального решения учебных задач с
их последующей проекцией на производственные задачи. Разрешение техниче-
ских и физических противоречий опирается на использование физических эф-
фектов и явлений.
Системный эффект всей «креативной вертикали» подлежит последующе-
му обсуждению. Тем не менее, описываемый подход представляется перспек-
тивным. Во-первых, студент осваивает технологию творчества на младших
курсах, и она неминуемо должна «заработать» при изучении специальных дис-
циплин и в дальнейшем при выполнении дипломных работ. Во-вторых, физика
органически входит в структуру ТРИЗ, составляя основу информационного
фонда этой теории. На практических занятиях наряду с традиционными учеб-
15
ными задачами (закрепление материала) предусмотрены учебные творческие
задачи, решение которых связано с использованием физических эффектов и яв-
лений. Фонд таких задач базируется на патентных материалах. Лабораторный
практикум может быть поставлен как изучение системы физических моделей
реальных ситуаций в различных областях техники. Для учета успехов студен-
тов используется модульно-рейтинговая система. Анализ результатов и востре-
бованности «креативной вертикали» показал, что при наличии опытных препо-
давателей, владеющих ТРИЗ, обучение вполне эффективно. Студенты начина-
ют значительно выше оценивать свои творческие возможности, возрастают са-
мооценка и ценность учебного курса общей физики, формируется желание
продолжить занятия. Конечно, такие занятия на начальных стадиях работы
должны вести преподаватели, имеющие соответствующую подготовку и опыт.
При обсуждении возможных вариантов введения обучения творческому реше-
нию задач целесообразно заранее учитывать, что таких преподавателей в Рос-
сии пока относительно мало. Их надо готовить, поскольку ясно, что обучение
творчеству будет эффективным только при условии, если и сами методы твор-
ческого решения задач, и методика обучения этим методам станут достоянием
большинства преподавательского корпуса. Это очень сложная проблема, но ее
можно и нужно решать, поскольку формирование творческой личности - гене-
ральная задача современного профессионального образования. В идеале нали-
чие соответствующих компетенций должно быть предусмотрено квалификаци-
онными требованиями к преподавателям. В реальности до этого далеко, но уже
настало время для старта. Научные методики обучения творческому решению
задач нужно разрабатывать, апробировать, отбирать и вводить в учебный про-
цесс на базе имеющихся ресурсов и с тем составом преподавателей, который
есть и который мы сумеем подготовить в ближайшем будущем. Необходимы и
экспериментальные площадки, и центры методологии творчества, и, главное,
понимание того, что проблема подготовки специалистов, ориентированных на
инновационную деятельность, назрела и никто ее за нас не решит.
16
Идеальным результатом было бы формирование такой интегральной
компетенции, как профессиональная креативность. Под профессиональной
креативностью мы понимаем качество личности, способствующее комфортно-
му «вхождению» в профессию: способность специалиста оперативно находить
и эффективно применять нестандартные, оригинальные творческие решения
профессиональных проблем; самореализацию в профессии и удовлетворен-
ность ею; воспитание лидерских качеств личности. Данные умения, навыки и
отношения выступают в качестве базовых компонентов личности, выражая ве-
дущие характеристики процесса ее профессионального становления, отражая
универсальность связей с окружающим миром, инициируя способности к твор-
ческой самореализации, определяя эффективность инженерного труда. Таким
образом, степень сформированности исследовательских, креативных умений и
навыков должна служить важнейшим критерием готовности к творческой дея-
тельности и профессиональному совершенствованию будущего специалиста.
Что касается студентов, то мы констатируем, что ЗУНы по естественно-
научному блоку у абитуриентов оставляют желать много лучшего. Поэтому
преподавателю физики технического вуза всерьёз рассчитывать на школьные
знания первокурсников нельзя. Как правило, нет у них и навыков самостоя-
тельной работы, отсутствует системное мышление. В рамках креативной верти-
кали наряду с усвоением репродуктивных знаний студенты второго – третьего
курса соучаствуют в продуктивной работе. Им поручается создание «техпас-
портов физических явлений». Такая работа включает физическую картину яв-
ления, его природные проявления и примеры из действующей техники. Да-
лее излагаются технические и технологические возможности явления. На-
пример, краткий «техпаспорт» закона Архимеда: физическая сущность и про-
исхождение выталкивающей силы, плавание льдов и судов, понтоны, поплавки
иных назначений. Технологические возможности: регулирование плавучести
тел, компенсация веса объекта, сборка тяжелых или громоздких объектов, раз-
деление, сортировка, сепарация по плотности частиц, измерение уровней, изме-
рение плотности, вязкости и параметров магнитного поля. С этими работами
17
студенты участвуют в научно-технических конференциях студентов. Ряд их ра-
бот после редактирования включен в учебно-методическое пособие «Физиче-
ские эффекты и их применение в технике и технологиях».
Итак, креативная вертикаль в инженерном образовании есть, во-первых,
непрерывное приобщение к творчеству всех студентов. Во-вторых, обучение
одаренных студентов научно обоснованным технологиям творческого решения
инженерных задач. Цель проекта - разработка и внедрение в практику иннова-
ционных технологий креативного образования. Основу вертикали составлял
курс физики [10]. Физика как наука присутствовала в обучении фактически в
течение семи семестров, поскольку «История техники» трактовалась как исто-
рия применения физических знаний в создании новых технических систем и
технологий, а в АМРИЗ интенсивно использовался информационный фонд фи-
зических эффектах.. В рамках креативной вертикали у значительной части сту-
дентов формируется непреходящий интерес к инженерному творчеству и к тех-
ническим возможностям физических эффектов и явлений. В рамках этого про-
екта прослойке продвинутых студентов удается привить интерес к самостоя-
тельной работе по изучению физики и к решению технических задач с явным
использованием знаний по физике. Конечно, применительно к обучению бака-
лавров и магистров «вертикаль» придется основательно пересмотреть, но её
суть останется в числе инвариантов.
Глава 3. Обучение студентов физике.
В структуре образованности будущего инженера основным элементом ес-
тественнонаучного компонента выступает физика. Эта наука одновременно
фундаментальная и прикладная. Как учебная дисциплина она выполняет две
важнейшие функции - мировоззренческую и «техническую». Изучение физики
способствует формированию научного мировоззрения и методично создает
убежденность в том, что методология естествознания есть общенаучная мето-
дология [10]. Будущему инженеру необходимо понимать и осознавать, что фи-
18
зика есть научная основа всей современной техники и большинства промыш-
ленных технологий. Пытаясь совместить обе функции в едином курсе, мы
вступаем на путь компромиссов: немного того и немного другого плюс конгло-
мерат сведений об основных физических законах и их многочисленных прояв-
лениях в природе. Мировоззренческий аспект при этом тонет в потоке формул
и формулировок, а техническая направленность имеет иллюстративный харак-
тер, так как реализуется, как правило, в примерах использования законов фи-
зики в действующей технике.
Ясно, что такие технические системы, как люминесцентные источники
света, холодильники, телевизоры, компьютеры и др., построены на основе из-
рядного множества физических законов, явлений и эффектов. Однако тот факт,
что физика есть неиссякаемый источник новых творческих решений техниче-
ских задач, очень часто остается за рамками преподавания курсов физики. Сле-
дует отметить, что речь идет не только о самых современных достижениях фи-
зической науки, но и о традиционной, «классической», физике, которая по-
прежнему является научной основой большинства изобретений в области тех-
ники и технологий. Первые изобретения на основе нового физического откры-
тия делаются, как правило, исследователями, работающими в той или иной уз-
кой области физики. Эта группа людей достаточно малочисленна и, естествен-
но, часто даже не подозревает о наличии множества задач, решение которых
настоятельно требует применения открытого физического эффекта. В то же
время широкий круг инженеров, за редким исключением, не имеет информации
о сути нового открытия. Эти люди достаточно хорошо осведомлены о явлениях,
относящихся непосредственно к их области деятельности, но не знают откры-
тий, сделанных в смежных областях. Информация о физических эффектах раз-
бросана, как правило, в огромном числе сугубо специализированных изданий,
отслеживать её чрезвычайно сложно.
Удивительно, но инженеры и другие изобретатели зачастую не использу-
ют и хорошо известные физические эффекты и явления. Знание основ физики –
неотъемлемая часть современного высшего технического образования. Основы
19
физики преподаются и специалистам не совсем технических специальностей,
однако слишком часто эти знания лежат без применения. Иногда изобретатели
забывают или попросту не знают о существовании нужного для решения задачи
физического эффекта, иногда не решаются использовать эффект, относящийся
к «чужой» области.
Значительную роль играет и своего рода психологическая инерция: изо-
бретатели не привыкли видеть в применении физических явлений и эффектов
эффективного способа решения изобретательской задачи. С конца девятнадца-
того века задача получения высокого напряжения решалась с помощью стан-
дартного способа с применением двух обмоток трансформатора; и только
спустя очень много лет после возникновения потребности к решению этой за-
дачи было применено (Япония) явление пьезоэлектричества. Причина очевид-
на: пьезоэффект лежит в области, традиционно не имеющей отношения к тех-
нике высоких напряжений.
Конечно, далеко не все изобретательские задачи могут быть решены при-
менением того или иного явления или эффекта из физики или химии. Тем не
менее, изобретателю необходимо знать физические явления и эффекты, необ-
ходимо привыкнуть к мысли, что физические явления и эффекты представляют
собой достаточно мощные и универсальные «ключи» от многих хитрых замков
изобретений.
Как обучать физике?
В связи с вышеизложенным необходимо изменить парадигму в деле обу-
чения физике студентов технического вуза. Эволюция обучения физике обу-
словлена изменяющимися потребностями общества и его возможностями.
Переход к новой парадигме образования породил массу проблем, в том числе и
в методике обучения физике. Ныне принятое изложение курсов физики для
технических специальностей вузов сложилось примерно шестьдесят лет тому
назад и кардинально не обновлялось. Эта довольно жесткая схема в свое время
была весьма эффективной, но сейчас она не отвечает требованиям рынка труда.
Объемы информации растут, а время обучения либо не возрастает, либо убы-
20
вает. Кардинальное решение этой проблемы связано с переходом к концепту-
альным курсам с широким варьированием деталей. Для того, чтобы опреде-
литься с концепциями курса физики как для специалистов, так и для бакалав-
ров в техническом образовании, определим, какие компоненты нынешних кур-
сов не подлежат изменению.
1. Физика - естественная наука, то есть в структуре обучения должны
быть лекции, решение задач и выполнение лабораторных работ. Инженерам,
в том числе и бакалаврам, нужна ясная физическая картина явлений и умение
применять теорию к решению практических задач. Все три компонента учебно-
го процесса необходимо сохранить.
2. В основу группировки учебного материала должна быть, как и сейчас,
положена «физическая теория» - механика, термодинамика, электричество и
т.д.. Преимущества такого традиционного для российского образования по-
строения в том, что изложение соответствует этапам научного познания: нако-
пление и анализ фактов и их связей, абстрагирование с последующим построе-
нием и использованием моделей, получение и обсуждение конкретных выводов
и следствий, применение знаний к конкретным физическим явлениям в природе
и технике. Такое построение вполне эффективно и не требует переподготов-
ки преподавательского корпуса.
Эти два тезиса образуют инвариант. Что же можно и что целесообразно
изменять?
Первое концептуальное изменение: применительно к высшему техниче-
скому образованию при формулировке инноваций определяющей должна быть
мысль о том, что физика есть научная основа всей современной и будущей
техники и большинства технологий. На этом нужно акцентировать внимание
студентов с первой лекции по физике и до экзамена. Сейчас в школьных и ву-
зовских курсах физики мы излагаем сведения о сущности и способах описания
физических явлений, их взаимосвязи между собой. Это хорошо, но этого мало.
Огромные технические и технологические возможности физики не раскрываем.
21
Второе концептуальное изменение: мы знаем, что науку интересуют зна-
ния, а технологии – только результат. Поэтому для будущих инженеров (в ши-
роком смысле этого слова – технологов) целесообразно оперировать не только
техническими примерами, а техническими функциями физических явлений.
Известную схему изложения каждой темы: физическая сущность явлений, их
физическая модель, математическая модель, проявление в природе и техносфе-
ре, для студентов технических специальностей необходимо дополнить по-
строением функциональной модели возможного использования в производ-
ственных технологиях. Из «знаньевого компонента» инженерам нужны конеч-
ные рабочие формулы с точным физическим толкованием величин, в них вхо-
дящих. Вывод же многих формул можно исключить, пусть они составляют
«технологию» профессиональных физиков.
Третье концептуальное изменение: мировоззренческий аспект целесооб-
разнее всего сосредоточить в специальном цикле лекций, посвященных эволю-
ции естественнонаучных картин мира. Это три-четыре часа. Подобный цикл
хорошо воспринимается студентами. Пособие в виде «ЕНКМ для технарей» го-
тово к обсуждению.
Четвертое концептуальное изменение: для бакалавров от техники все
квантовые идеи, физику ядра и элементарных частиц свести в две обзорных
лекции, отразив в одной из них суть линейчатых спектров и теплового излуче-
ния.
В учебном плане бакалавров от техники в качестве «спец. глав физики»
целесообразно использовать курс «Физические эффекты и их применение в
технике и технологиях (ФЭПТТ)». Он же может быть использован и при под-
готовке магистров от техники. Курс опробован в течение ряда лет при обучении
инженеров-механиков. Он работоспособен и показал приличную эффектив-
ность. Учебное пособие подготовлено для обсуждения.
Обучение физике должно быть непрерывным, от второго до восьмого се-
местра. Это реализуется с помощью всей «креативной вертикали». Конечная
цель – формирование творческой личности инженера. Напомним, что сущность
22
креативной вертикали состоит в непрерывном приобщении всех студентов и
обучении одаренных студентов научно обоснованным технологиям творческо-
го решения инженерных задач. Осознание физики как основы техники базиру-
ется на создании убежденности в том, что физика есть неиссякаемый источ-
ник новых творческих решений технических задач.
Глава 4. Курс «История инноваций в технике».
История человечества – это процесс познания и преобразования мира.
История техники есть часть этого явления. В основе познания лежит эмпирика
– наш с вами человеческий опыт (empeiria – опыт). Основу эмпирики составля-
ют наблюдения, получение информации от внешнего мира через ощущения и
восприятия. Как именно это происходит, можно почитать в учебниках и моно-
графиях по психологии. Для нас важно следующее. Техника развивается, и со-
вершенствуют её люди – студенты, инженеры, изобретатели, работники науки.
Каждое новое техническое решение есть результат их индивидуальной творче-
ской деятельности. Явление субъективное и в какой-то степени случайное.
Но совершается оно тоже на основе эмпирического опыта. Хотя «озарение»
изобретателя возникает как сугубо личностное явление, но через цепи таких
случайностей пробивает дорогу объективная необходимость. Выживают те
новинки, что соответствуют генеральной линии развития техники. И в этом
смысле развитие техники, её история, история инноваций в технике есть про-
цесс объективный, то есть не зависящий от воли отдельных людей. Ну, а «гене-
ральная линия» определяется максимальным удовлетворением наших много-
численных потребностей, которые тоже не стоят на месте. Вот и сейчас мы по-
считали, что у студентов-механиков возникла потребность понять, как именно
надо совершенствовать технику. И поучаствовать в этом совершенствовании.
Первый шаг, как всегда, связан с оценкой того, что мы имеем, то есть с истори-
ей техники и с историей того, как именно развивалась и совершенствовалась
23
техника. Иными словами, с историей инноваций в технике. Этот курс разбит
на три раздела, всего 13 тем. Выглядит это так:
Раздел 1. Исторические этапы и объективные законы развития техниче-
ских систем и технологий.
Тема 1. Исторические этапы становления техносферы.
Определение техники и техносферы. Функциональное назначение техни-
ки в жизни человечества. Взаимосвязь эволюции человека, его потребностей и
уровня развития техники. Зарождение техники. Этап примитивных орудий
труда и инструментов. Понятие системы. Понятие технической системы.
Появление технических систем как неотъемлемый компонент развития любой
научно-технической отрасли. Техническая система как модуль техносферы.
Этап становления («самосборки») техносферы. Техносфера как высшая фор-
ма организации неживой материи и как новая среда обитания человечества.
Иерархия в техносфере.
1.1.Техника и техносфера.
Техника – совокупность средств производства и средств удовлетворе-
ния непроизводительных потребностей человечества. В зарождении, становле-
нии и развитии техники определяющую роль играют потребности человечества.
За сорок тысяч лет своего существования человек мыслящий («homo sapiens»)
заметно изменился физиологически, здорово прибавил в способности мыслить.
В процессе эволюции изменялись и продолжают изменяться его потребности.
Непрерывно растут материальные потребности, периодически происходят
всплески потребностей в познании, в последние столетия явно обозначился
рост потребностей в творчестве. Соответственно, совершенствуются средства
и способы удовлетворения этих потребностей. В части средств производства
человек прошел путь от каменных рубил до станков с ЧПУ. В части удовлетво-
рения непроизводительных потребностей – от зубил для вырубания рисунков
на скалах до телевизионных передач с космических объектов. Современный
этап эволюции определяется тем, что человечество создало глобальную техни-
ческую надсистему – техносферу. Своего рода свою «ТехноВселенную», пока
24
что на планете Земля и в её ближайших окрестностях. Коротко обозначим три
главных момента в понимании сути и роли техносферы. Первое - на настоящий
момент техносфера по сложности структуры и процессов в ней – самая высшая
форма организации неживой материи. Второй жизненно важный аспект оп-
ределяется тем, что техносфера стала неотъемлемой частью среды нашего
обитания, и эта часть создана людьми. Человечество медленно, но неуклонно
само создавало и продолжает совершенствовать новую среду своего обитания.
Без техники нам не выжить. Люди интенсивно используют технологии произ-
водства материальных благ, опробуют технологии интеллектуальной деятель-
ности и осознали необходимость освоения технологий творческой деятельно-
сти. Третье – техносфера как глобальная надсистема развивается по своим
объективным законам, не зависящим от нашей воли. Вся техносфера есть по-
рождение естествознания как единой науки о природе. Но: (!!!) - «сумма техно-
логий» принципиально отличается от науки. Наука, опираясь на факты, генери-
рует «мысли» (знания). Техника, опираясь на мысли, генерирует факты. Наука
определяет выбор путей к достижению результатов. Для технологий важен
только результат. Для нас с вами, физиков и технарей, техносфера ещё важна
тем, что мы в ней работаем, это наша с вами «жизненная ниша».
Техносфера как надсистема венчает иерархию уровней организации не-
живой материи. Есть уровень элементарных частиц, атомный уровень, молеку-
лярный уровень и уровень кооперативных состояний газы, жидкости, твердые
тела, плазма). Каждый уровень «вложен» в последующий; каждый последую-
щий - надсистема по отношению к более «элементарным», со своим системным
качеством. Высший уровень – техносфера (надсистема из технических уст-
ройств и технологий). Это очень упорядоченная система из хорошо упорядо-
ченной материи. Основные физические процессы в техносфере – это тесно свя-
занные между собой преобразования вещества, энергии и информации, ском-
понованные в сложнейшие комплексы. Это чисто природные явления. Но
техносфера от начала до конца создана и совершенствуется человеком. Веду-
щий мотив – удовлетворение своих материальных, познавательных и творче-
25
ских потребностей. Этот факт предопределяет её социальную значимость, в ча-
стности все возрастающую роль «технарей», инженерной элиты. Сложность
техносферы и её неотвратимое присутствие в нашей жизни составляют основу
трактовки этой надсистемы как высшего уровня организации неживой материи.
Надсистема это открытая, очень далекая от равновесия. Научное управление её
развитием возможно только на основе природных законов. Технику создают
люди, и в этом плане развитие отдельных технических отраслей зависит от
субъективного опыта. Но само развитие социума, вбирая в себя субъективные
действия огромного количества человеческих личностей, происходит по стати-
стическим законам эволюции, частью которых являются и закономерности тех-
ноэволюции. Жизнеспособными оказываются те технические творения, разви-
тие которых соответствует объективным законам эволюции.
Объективно появление и развитие техники спровоцировали и ныне опре-
деляют наши биологические и социальные потребности [11, 12]. Стартовым
этапам считают появление специализированных орудий для охоты, труда и
войн (рубила для дров и рубила для мяса, палица для охоты на мамонтов и то-
пор для войны с соседом и т.д.). Отбор и дальнейшая специализация со време-
нем превратили простейшие орудия в сложные технические объекты, в кото-
рых наметилось функциональное разделение элементов. Существенно, что в
любой отрасли техники на определенной стадии её развития появились тех-
нические систем (ТС). Здесь надо обратить внимание на одно важное обстоя-
тельство. Если у нас нет нужды в появлении ТС, то она никогда и не материа-
лизуется. Если же потребность есть, то соответствующая ТС обязательно поя-
вится. В этом отношении люди и их инженерная элита очень настырны, лишь
бы законы физики позволяли. Проанализируйте появление машиностроения во
всем его многообразии и создание пишущей машинки, становление химической
промышленности и появление телефона. Масштабы разные, но закономерности
одни и те же. Железные дороги, кухонные миксеры, реактивная авиация,
ядерная энергетика появились тогда, когда сформировалась потребность и
были созданы научные основы. Очевидно, что абсолютная новизна характерна
26
для пионерских систем. Например, генератор переменного тока. В 1867 г.
Уайльд построил генератор переменного тока, который из-за перегрева не мог
непрерывно работать сколько-нибудь длительное время. Толчок промышлен-
ным генераторам переменного тока дала электрическая свеча Яблочкова. Воз-
никла реальная потребность, и переменный ток вошел в систему освещения.
Последовал каскад изобретений. Затем возникла новизна нового характера.
Оказалось, что переменный ток очень подходит для передачи электрической
энергии на большие расстояния. Стартовало трансформаторостроение. Было
огромное количество патентов на генераторы и трансформаторы. Это период
интенсивного развития всех систем электропередачи. Медленно, но неотврати-
мо переменный ток вытеснял и механические системы передачи энергии (« ре-
менные трансмиссии»), и постоянный ток. При этом системы передачи посто-
янного тока не исчезли, они заняли свою нишу в электролизе и межсистемных
вставках. Вместе с тем, интенсивное развитие высоковольтных ЛЭП породило
новые противоречия. Это и экология – жить под ЛЭП опасно, и грозозащита
ЛЭП, и огромные гирлянды изоляторов. Они доживают свое последние десяти-
летия. Рано или поздно воздушные ЛЭП уйдут в романтическое забвение.
Спрогнозируйте – а что ещё мы захотим? Из того, что можем.
1.2. Системный подход – могучий способ познания и творчества.
В анализе эволюции техники понятие «техническая система» играют су-
щественную роль, поэтому разберем их чуть подробнее.
Если техническое устройство содержит все признаки системы, перечис-
ленные выше, то оно может претендовать на звание технической системы. Пре-
имущества системного подхода состоят в том, что мы можем, не теряя единства
представления, досконально проанализировать каждый признак и выявить пол-
ноту системы. Затем мы можем установить, по каким признакам целесообразно
совершенствовать систему.
Ещё раз зафиксируем в сознании: любая система характеризуется мини-
мально необходимым набором признаков: функциональностью, упорядочен-
ной структурой, внутрисистемными связями, открытостью (внешними
27
связями). Все вместе они порождают системное качество. Все эти признаки
неминуемо должны присутствовать и в ТС. Для нас особо важно то, что техни-
ческая система выполняет функцию «элементарной ячейки», модуля техно-
сферы. Системное качество ТС как системы - способность некоторое время ра-
ботать самостоятельно. Для этого в структуре ТС обязательно наличие четырех
функциональных подсистем:
-- Рабочий орган, непосредственно контактирующий с изделием.
-- Материальные каналы передачи энергии, вещества и информации
(«трансмиссии»).
-- Силовые устройства, обеспечивающие продвижение энергии, веще-
ства и информации («силовики, двигатели»).
-- Орган управления («технический менеджер»).
Это обязательный набор для моделей всех ТС. Этим ТС отличается от
инструмента. Они тоже очень важны и нужны, но их совершенствование про-
исходит по несколько иным закономерностям. Конкретные технические систе-
мы и их элементы наряду с главной полезной функцией (ГПФ) могут иметь и
другие функции; так, светильник может служить и украшением помещения, и
источником пожара. Для наглядности в таблице представлены две типичных
ТС и их обязательные подсистемы.
Технические системы входят как элементы в разные надсистемы. Струк-
тура техносферы иерархична. В ней есть множество подчиненных и соподчи-
ненных систем различного уровня. Исторически сложившаяся иерархичность
техносферы продуцирует многочисленные вертикальные и горизонтальные свя-
зи. Такое построение очень характерно для систем высокой сложности (в том
числе и систем образования). Иных построений, обеспечивающих эффектив-
ность, надежность и устойчивость систем, люди пока не придумали. Наря-
ду с преимуществами иерархия несет в себе и нежелательные особенности.
Первая из них – сильное влияние верхних уровней на нижние. Так, технические
системы для обработки почвы «диктуют» создание ровных полей. Это эконо-
мически выгодно, но уничтожает красоту ландшафта и усиливает ветровую
28
эрозию почв. Второй пример – дороги. Они есть продукт многовекового дикта-
та колеса как рабочего органа «экипажей», будь то колесница, электровоз или
автомобиль «Волга» . Распространение диктата технической системы на объект
её воздействия, то есть на изделие, есть признак низкого уровня техники и не-
корректных стратегий, реализуемых под давлением сиюминутных потребно-
стей или же узкоспециальных отраслей. Форма и режимы работы рабочего ор-
гана системы должны определяться прежде всего изделием. Реализация этого
приоритета возможна только на основе качественно новых результатов естест-
венных наук.
ТС→
Подсистема
Современная стиральная
машина
Электрический светильник с
люминесцентными лампами
Рабочий орган моющий раствор Свет
«трансмиссии»
трубки для подвода воды и
порошка, электрические
провода
газ в колбах, провода, кон-
такты.
«силовики»
активатор, электродвига-
тель.
электрическое напряжение
орган управле-
ния
программные средства,
устройства автоматики
управляемый выключатель,
стартер, дроссель.
системное каче-
ство (ГПФ)
отделение грязи от изделия
устойчивый, дешевый и
безопасный поток света.
Интересно рассмотреть вопрос об иерархии применительно к системе об-
разования. Кто есть «изделие»? Где аналог рабочего органа? И как влияет на
них диктат верхних уровней? Это очень интересная тема для семинара или се-
рии самостоятельных работ. Ведь и образование, как и экономика, и техносфе-
ра – очень сложные и, следовательно, иерархичные системы.
29
Тема 2. Основные тенденции и законы развития технических систем
(ЗРТС).
Объективность тенденций и ЗРТС. Источник ЗРТС. Стремление к иде-
альности. Понятие идеального конечного результата. Стремление к использо-
ванию вещественно-полевых ресурсов (ВПР) технических систем. Общая ха-
рактеристика блока законов развития технических систем. Группа общесис-
темных законов: полноты частей системы, динамизации, неравномерного
развития частей системы, перехода в надсистему, энергетической и инфор-
мационной проводимости, согласования ритмики, повышение степени веполь-
ности. Понятие технического и физического противоречий. Технические и фи-
зические противоречия как отражение действия объективных законов разви-
тия технических систем. Общетехнические законы развития технических
систем: согласования ритмики частей системы, перехода с макроуровня на
микроуровень, увеличения степени вепольности систем. Общая схема развития
технических систем. Этапы развертывания и свертывания. Пути свертыва-
ния.
2.1. Развитие технический систем – объективный процесс.
В развитии всех отраслей техносферы обязательно был ключевой момент
– появление технических систем. Их роль аналогична роли живой клетки в био-
сфере. Из клеток состоят все высшие биообъекты. Сама клетка состоит из воды
и макромолекул. Уникальность роли клеток определяется их способностью к
воспроизводству себе подобных, с наследование природных и благоприобре-
тенных свойств. С техническими системами та же ситуация. Создаются они из
узлов, деталей, которые состоят из веществ и полей. У них есть предрасполо-
женность к развитию с сохранением и усилением полезных функций. Эволюция
всей техносферы идет через развитие технических систем, тех «элементарных
кирпичиков», которые способны к самостоятельной реализации полезных
функций. Мысль о существовании объективных тенденций и закономерно-
стей в развитии технических систем впервые сформулирована
Г.С.Альтшуллером в работе [13 ] в 1956г. Эти законы были выявлены при ана-
30
лизе патентных фондов, в которых сосредоточена сжатая и новая на момент
своего появления информация обо всех продвижениях в эволюции технических
систем. Научное обоснование изложено в [15, 16], версия для нетехнических
специальностей в [12]. Часть из них носит общесистемный характер. Хотя вы-
явлены они были впервые в применении к техническим системам, оказалось,
что часть из них вполне справедлива для систем любого происхождения. Это
стремления к идеальности и максимальному использованию ресурсов, а
также законы полноты частей системы, динамизации систем, неравно-
мерности развития частей системы, закон энергетической и информаци-
онной проводимости, закон перехода в надсистему, закон согласования
ритмики. Второй блок – пока что чисто технический - использование вещест-
венно-полевых ресурсов, переход с макро- на микроуровень, веполизация
технических систем. Этот блок, скорее всего, также есть «проекция на техни-
ку» более общих законов развития систем, поиск которых интенсивно идет.
Для менталитета инженера-механика существенно следующее:
а). Все выявленные законы развития технических систем (ЗРТС) носят
статистический характер, как то и положено природным явлениям. Вероятно-
стная природа техносферной стрелы времени подтверждается наличием в ней и
тупиков, и решений, опережающих текущее время….
б). Массовое появление технических систем в ведущих отраслях техно-
сферы по времени явно коррелирует с осознанием очередных естественнонауч-
ных картин мира.
в). Развитие технических систем идет через преодоление противоречий. В
ТРИЗ ключевым служит понятие технического противоречия (Г. Альтшуллер,
1956г, работа [13].) В глубине ТП всегда лежит физическое противоречие (Ю.
Горин, 1973г, опубликовано в [16].). Суть технических противоречий (ТП) со-
стоит в «перенапряжении» внутрисистемных связей при попытке улучшить ха-
рактеристики одной из частей системы. Например, при попытках увеличить ин-
тенсивность света, излучаемого нагретыми телами (лампы накаливания), мы
упираемся в проблему перегрева. Генетически технические противоречия тесно
31
связаны с сутью закона неравномерного развития частей системы. В глубине
каждого ТП всегда лежит физическое противоречие (ФП). Суть этой антиномии
в том, что для идеальной реализации внутрисистемных связей требуется, чтобы
один и тот же элемент системы должен находиться во взаимоисключающих
физических состояниях. Для того, чтобы ярко светить, источник света должен
быть очень горячим; для того, чтобы не переводить зря энергию в тепло, све-
тящийся элемент должен быть холодным. Осознание этого ФП в свое время
привело к созданию люминесцентных ламп («светит, но не греет»).
Технические и физические противоречия служат прототипами для изу-
чения развития систем нетехнического происхождения. Там также действуют
системные законы развития, поэтому должны быть противоречия, связанные с
перенапряжением внутрисистемных связей. Есть и функциональные противо-
речия, связанные с необходимостью пребывания одной части системы в двух
противоположных состояниях. Объективные законы развития свойственны и
элементам системы образования. Например, введение ЕГЭ противоречит об-
щесистемному закону динамизации систем. В экономике этот закон проявляет-
ся как требование диверсификации (diversificatio — изменение, разнообразие).
Во всяком случае, аналоги технических и физических противоречий четко про-
сматриваются в действующей системе образования.
Применительно же к техносфере законы развития технических систем ра-
ботают как при создании принципиально новой техники, так и при совершенст-
вовании существующей. Ещё раз: науку интересуют знания, технологии –
только результат. С научной точки зрения электроскоп Георга Рихмана и
Большой адронный коллайдер – это технические средства одного ранга: они
предназначены для исследования свойств материи. Электроскоп сыграл свою
роль в создании научных основ электротехники и электроэнергетики; коллай-
дер тоже может стать родоначальником адронной энергетики. Создатели новой
техники всегда опирались на новые знания, добытые естествоиспытателями.
Именно новые знания позволяли преодолевать «непреодолимые» физические
противоречия. Изучение люминесценции и люминофоров дали возможность
32
создать источники света, которые светят, но не греют. Но для того, чтобы пе-
рейти к люминофорам, нужно было осознать физические пределы «горячих»
источников. Также обстоит дело и с совершенствованием существующей тех-
ники. Здесь законы развития помогают определить направление поиска, сразу
же отсекая тупиковые пути. Например, нынешние люминесцентные источники
света содержат ртуть, то есть вредны. Их неминуемо сменят светодиодные све-
тильники. И так далее. Конкретные же технические решения, преодолевающие
противоречия, базируются на использовании известных естественнонаучных
результатов – тех, что изложены в учебниках и монографиях по физике, химии,
биологии.
Техносфера есть хорошо организованная человеком совокупность при-
родных явлений. Взаимодействие электронов и атомных ядер дает устойчивые
системы – атомы. В них корпускулы вещества (В) связаны друг с другом элек-
тромагнитным полем (П). Атомы можно мыслить как элементарные «веполи»:
В-П-В. Макросистемы из веполей – макротела; взаимодействуют они также
через поля. Следовательно, макротела на кооперативном уровне организации
материи – это макровеполи. Все материалы, используемые в техносфере, со-
стоят из веществ. Из материалов мы создаем детали, узлы; из них конструиру-
ются технические системы. Иерархическое сообщество технических систем об-
разуют машины, агрегаты, подотрасли и отрасли техносферы. Как и положено
по природе, в сообществах действуют статистические закономерности. Эволю-
ция техники, от простейших веществ до могучей сверхсистемы, удивительно
напоминает эволюцию живого – от синтеза макромолекул до становления ра-
зума. Те же «вложенные» уровни структур и процессов, те же новые качества
на каждом системном уровне, и тот же результат. Две сверхсистемы – биосфе-
ра и техносфера. Различие лишь в происхождении: техносферу создал разум, а
сам разум возник как результат природной эволюции живой материи.
При изучении истории техники как истории инноваций мы будем опери-
ровать в основном с системами искусственного происхождения и с наиболее
четко организованными техническими системами.
33
2.2. Законы развития технических систем (ЗРТС).
В научной литературе известны разные подходы к классификации зако-
нов развития технических систем [14, 12]. Мы выделим сначала две общенауч-
ных тенденции, затем изложим цикл общесистемных законов и в заключение
изложим те закономерности, которые справедливы пока что исключительно
только в технике.
Эволюция всех систем искусственного происхождения подчиняется двум
генеральным закономерностям. Для человечества характерно вечное стремле-
ние к идеальности и неизменная тенденция к использованию имеющихся ре-
сурсов. Конечно, в становлении техносферы эти две генеральные тенденции
проявляются своеобразно, но обе они – неизменные компоненты развития всех
систем жизнеобеспечения.
Идеальность. Развитие всех систем направлено в сторону увеличения
степени идеальности. Самая идеальная ТС – та, функции которой безукориз-
ненно выполняются, но самой системы нет. Поскольку выполнять функции
могут лишь материальные объекты, то при исчезновении ТС эта миссия должна
быть передана чему-то материальному – новой системе, надсистеме, в которую
входит изменяемая нами ТС или же подсистеме (элементу) ТС. Таким образом,
есть два реальных пути реализации стремления ТС к идеальности.
Первый - миниатюризация системы, когда полезные, нужные нам функ-
ции сохраняются или усиливаются, а энергопотребление, размеры и масса
(ЭРМ) самой ТС стремятся к нулю. Вспомните, как развивались радиоприемни-
ки. Когда-то это были огромные ящики с блоками питания, механическими пе-
реключателями диапазонов, набором электровакуумных ламп и т.д. Сейчас ра-
диоприемник – горошина, пристроенная на батарейке, и все. Кстати, отметим,
что большие габариты аккумулятора свидетельствуют об отставании в развитии
гальванических источников тока. Второй путь предполагает, что ЭРМ остаются
примерно на одном уровне, но количество функций и качество их исполне-
ния непрерывно растут. Характерный пример – станки с ЧПУ, обрабатываю-
щие центры, бытовая стиральная машина. За последние полсотни лет габариты
34
«стиралки» не уменьшились, но количество функций возросло неимоверно.
Первые машины выполняли одну функцию – они вращали раствор вместе с
бельем. Все остальные функции по получению чистого белья (подогрев воды,
наполнение бака, регулирование времени стирки, отжим белья, его сушка) вы-
полнялись вне машины. Почитайте инструкцию к вашей домашней стиральной
машине и оцените, как она двигалась к идеальному конечному результату
(ИКР), и достигла ли она его. Ведь идеальный процесс – бельё само становится
чистым. Ещё более высокая степень идеальности – все, что запачкал наш орга-
низм, само заменяется на чистое, лучше – на новое. До этого идеала ещё дале-
ковато, но он вполне реален. Мы же не стираем столовые салфетки, как это де-
лали наши бабушки и ваши прабабушки.
Третий путь идеализации – исчезновение ТС с передачей функций над-
системе или принципиально новой ТС того же назначения. Так, на наших гла-
зах исчезает такая техническая система, как проводной телефон. Исчезли паро-
возы и колесные пароходы, пройдя замечательный путь развития.
Итак, три рабочих направления: миниатюризация, универсализация,
исчезновение. Все они реализуются, как правило, через увеличение ГПФ, со-
вмещение функций, обращение вреда в пользу. В реальности все эти пути редко
реализуются по отдельности. Они пересекаются, накладываются друга на друга.
Первый путь характерен для развития подсистем, второй характерен для круп-
ных ТС. Проанализируйте развитие металлообрабатывающих станков или до-
машних холодильников. Там есть и то, и другое. Но и тому, и другому ещё
очень далеко до «идеальной идеальности». Следовательно, работы у нас с вами
много.
Использование ресурсов. Ресурсный ИКР предполагает, что при совер-
шенствовании ТС разрешение противоречия осуществляется за счет ресурсов.
Следует иметь в виду следующее. В технических системах ресурсы – это ве-
щества и поля, неживая материя. В технике мы работаем с вещественно-
полевыми ресурсами - ВПР. По происхождению своему они могут быть разны-
ми, но по своей физической сути они есть «вещество + поле» («веполь»). И все.
35
Неживая («косная») материя. Свойства же живого вещества не сводятся к сум-
ме свойств составляющих его атомов или молекул, это новый уровень органи-
зации материи со своим системным качеством – способностью к воспроизвод-
ству себе подобных (этот аспект изучается в разделе «Естественнонаучная кар-
тина мира», которым завершается наш курс физики). Поэтому в биотехнологии,
например, в добавление к обычным «веполям», появляется новый тип ресурсов
– самовоспроизводство элементов системы (дрожжи сами растут!). Ещё слож-
нее дело с ресурсами систем, в структуре которых есть мыслящая материя.
Здесь появляются ресурсы интеллектуальные, информационные и, видимо, ещё
какие-то, которым мы пока не можем даже дать однозначное имя. Нет сомне-
ний в том, что студенты, освоив технологию решения задач технических, захо-
тят научиться решать и нетехнические задачи. Собственно, на нынешнем этапе
иного пути в интеллектуальную элиту общества нет. Кто не захочет – так и
останется жующей протоплазмой. Так что учтите – чем выше система по уров-
ню организации, тем она сложнее. Следовательно, и ресурсов у ней больше, но
организованы они тоже неизмеримо сложнее. Наш с вами объект – технические
системы - наиболее простые из всех систем, с которыми имеет дело человече-
ство. Врачи, например, работают с системами запредельно сложными.
Рассмотрим использование ВПР применительно к совершенствованию
технических систем [15]. В анализе исходной ситуации обязателен эвристиче-
ский шаг, на котором выявляются вещественно-полевые ресурсы той ТС, что
имеется. При этом надо учитывать, что ВПР бывают трех видов: внутрисис-
темные, внешнесистемные и надсистемные – то, что уже есть, и то, что мо-
гут легко получены или введены по условиям задачи. Внутри системы – это
ресурсы инструмента и изделия. Анализируя то, что есть в исходной системе,
надо помнить, что каждый материал обладает целым набором свойств – меха-
нических, тепловых, химических, электрических, магнитных, оптических.
Внешнесистемные ресурсы – это свойства элементов окружающей среды. Во
многих задачах – окружающий воздух или вакуум (пустота), гравитационное и
магнитное поля Земли. Надсистемные: Это та отрасль, в которую что «вхо-
36
дит» исследуемая система. Использовать надсистемные ресурсы часто бывает
сложно, но помнить о них – надо.
Иными словами, ВПР – это имеющиеся ресурсы, вещества и физические
поля и их свойства, все то, что есть в исходной ситуации. Часть из них уже за-
действована, но, как правило, это очень малая часть. При анализе полезно по-
думать, как можно управлять этими наличными свойствами? Как отмечено вы-
ше, в нетехнических задачах понятие «ресурсов» расширяется.
Итак, две генеральных тенденции: стремление к идеальности и опора
на имеющиеся ресурсы. Эти тенденции носят общесистемный характер. Пе-
рейдем к иным закономерностям. Их познание обеспечивает правильную на-
правленность наших поисков новых решений.
Закон полноты частей системы. Жизнеспособность технической сис-
темы возникает и обеспечивается при наличии и минимальной работоспособно-
сти основных частей системы. Иными словами – для того, чтобы система могла
бы сама некоторое время работать самостоятельно («выполнять свою ГПФ»), в
ней должны функционировать все четыре обязательных компонента: рабо-
чий орган, «трансмиссия», «силовик» и орган управления. В теории доста-
точно спорным остается вопрос – а должен ли быть в ТС источник энергии?
Ясно, что подвод энергии должен быть, но он может быть и внешним, напри-
мер, электрическая сеть. Исторические аспекты проще всего проследить, почи-
тав книгу [17]. Закон полноты частей системы на первый взгляд кажется оче-
видным, но десятки лет работали электрокипятильники, лишенные органа
управления. Сколько их сгорело, и сколько при этом произошло пожаров – ни в
сказке сказать, ни пером описать. Стиральные машины без таймеров, прицеп-
ные комбайны – все это плата за игнорирование закона, и она огромна. Факти-
чески закон стимулирует вытеснение человека, в том числе из сферы управле-
ния работой системы.
Динамизация технических систем. По Ю.Саламатову [18] закон дина-
мизации звучит так: «Жесткие системы для повышения их эффективности
должны становиться динамичными, то есть переходить к более гибкой, бы-
37
стро меняющейся структуре и к режиму работы, подстраивающемуся под изме-
нения внешней среды». Технические системы рождаются жесткими, нацелен-
ными на минимальное выполнение одной функции. Затем система начинает
адаптироваться к изменяющимся состояниям внешней среды и к нарастанию
потребностей. В механических системах появляются гибкие связи, шарниры,
упругие элементы – все то, что способствует либо усилению главной полезной
функции (ГПФ), либо к приобретению дополнительных функций. В [18] приве-
дено много технических примеров динамизации. Мы здесь ограничимся фун-
даментальными проявлениями закона. Во–первых, динамизация вещества.
Работает обобщенная схема: стержень – стержень с шарниром - один шарнир -
много шарниров - гибкое вещество – жидкость – газ - плазма. Связи становятся
подвижными, вплоть до молекулярного уровня. При этом динамизация вещест-
ва происходит в пространстве и во времени. Во-вторых, динамизация полей.
Она тоже имеет место быть в пространстве (поля однородные и неоднородные),
во времени (поля постоянные, переменные и импульсные).
Все эти действия предпринимаются в целях повышения управляемости,
адаптации ТС к изменяющимся условиям. Параметры, которые были постоян-
ными при рождении ТС, становятся переменными. Так, первый автомобиль
имел одну передачу, потом его снабдили коробкой передач. Попытайтесь сами
проследить цепочку преобразований коробки передач. В конструкциях появля-
ются сменные органы, как, например, сменные усилители на входе осцилло-
графов. Ещё наглядный пример - сменные объективы на фотоаппаратах, набор
которых со временем заменили трансфокаторами с автоматическим выбором
экспозиции. В ТС вводят обратные связи, что обеспечивает непрерывность
управления. Первые холодильники снабдили датчиками температуры и термо-
реле. Все эти процессы и есть необходимый процесс динамизации. Правило од-
но: чем жестче требования к ТС, тем быстрее она динамизируется.
Неравномерное развитие частей системы. Технические системы раз-
виваются дискретно, через последовательное развитие своих частей. Чем
сложнее система, тем неравномернее развитие её частей. Рассмотрим, на-
38
пример, эволюцию технических систем, предназначенных для передачи элек-
троэнергии на расстояние. Первые попытки передать энергию от гальваниче-
ских батарей из одной комнаты в другую были успешными. Протянули провода
– и все. Но дальше все пошло не так гладко. Закон Ома и Ленца-Джоуля рабо-
тали безукоризненно, поэтому уже при длине линии в 1-2 км стало проявляться
техническое противоречие: чем длиннее линия, тем больше потери. Ставить
толстые провода (у них сопротивление меньше) – это сотни килограммов меди
- дорого, да и технически сложно. Поскольку мощность есть произведение силы
тока и напряжения, то ток должен быть малым, а напряжение – большим. Тех-
нические устройства для трансформации постоянного тока оказались весьма
сложными. Стало ясно, что нужно использовать переменный ток. Стала бурно
развиваться строительство генераторов переменного тока и трансформаторов.
Но:! чем выше напряжение, тем сложнее изоляция. Началось бурное развитие
физики диэлектриков, производства керамических изоляторов и трансформа-
торных масел и т.п. Изоляция нужна и для электрических аппаратов, и для ли-
ний электропередачи. В каждом направлении и на каждом этапе возникали свои
сложности. При усилении одних свойств и соответствующем улучшении харак-
теристик возникали сложности как в других элементах ТС, так и в её связях с
другими подсистемами. Неравномерное развитие порождало ситуацию техни-
ческого противоречия (ТП) – получение выигрыша в одном давало непремен-
ный проигрыш в другом. Это есть проявление общего закона природы: повы-
шение упорядоченности (уменьшение энтропии!) в одной части неизбежно вы-
зывает более значительное усиление хаоса (увеличение энтропии!!) в другой
части или во всей надсистеме. Энтропия всей системы убывать не может! Раз-
вития без преодоления и генерации противоречий тоже быть не может.
Неравномерное развитие тесно связано с генерацией технических про-
тиворечий. Здесь важно ещё раз отметить: появление ТП – процесс законо-
мерный и неотменяемый. Усовершенствование любой подсистемы (части ТС)
есть устранение какого-то явного ТП. Но изменение неизбежно вызывает появ-
ление рассогласованности с другими частями или со «средой обитания» ТС.
39
Устраняя одно ТП, мы генерируем другое. Даже если новое ТП пока не видно
невооруженным взглядом, оно обязательно проявится. Классический пример.
Потребность в увеличении скорости самолетов с поршневым двигателем вы-
явило жесткое ТП: увеличение его мощности неизбежно требовало увеличения
массы (веса). Это противоречие привело к появлению реактивной авиации. Но
возросшие скорости породили новые противоречия. Обеспечение безопасности
при взлете и посадке потребовало новых аэродромов, новых средств слежения
и т.д. Итак, зафиксируем: совершенствование любой ТС всегда порождает ли-
бо сиюминутную, либо сильно отсроченную потребность в совершенствовании
других частей и связей в ТС.
Согласование ритмики частей системы. Техническая система стано-
вится жизнеспособной тогда, когда в ней появляется согласование или созна-
тельное рассогласование периодичности работы всех частей системы. Приме-
нительно к ТС значительная часть периодических процессов – это собственные
или вынужденные колебания частей системы, частоты которых необходимо со-
гласовывать (резонанс) или рассогласовывать (подавление резонансных явле-
ний). Напомним, что резонанс есть явление резкого увеличения амплитуды
колебаний тогда, когда частота вынужденных колебаний совпадает с час-
тотой собственных колебаний. Когда частоты близки, то амплитуда тоже
может быть значительной. Резонанс в технике – огромное количество изобре-
тений, постоянно пополняющееся новыми решениями. Очень наглядный при-
мер - резка стекла. При массовой резке после нанесения надреза на стекло вме-
сто проблематичного «постукивания» действуют акустическими колебаниями с
частотой, совпадающей с частотой собственных колебаний стекла. Полезный
резонанс. Вредные резонансы надобно подавлять или предотвращать. Элегант-
ный пример на подавление резонанса: зубья дисковых пил предложено выпол-
нять несколько разной величины, с малыми изменениями шага или отгиба от
плоскости резания. Такая пила не визжит при резке любых заготовок. Многим
системам наряду с наличием собственных колебаний свойственна периодич-
ность работы вообще. Важность согласования ритмики в этом случае лучше
40
всего могут осознать автомобилисты, знакомые с тем, какие явления возникают
при опережении или запаздывании зажигания искры. Для инженеров-
механиков нелишне напомнить, что наряду с механическими колебаниями в ТС
могут действовать и периодические или импульсные физические поля, прежде
всего электромагнитное. По а. с.865534 импульсами постоянного тока «успо-
каивают» нежесткую деталь, вибрирующую при токарной обработке. Эффек-
тивный технический прием: действие в паузах. Классический пример: на само-
летах с передней винтомоторной группой пулеметы стреляют через винт. Это
ещё в 1915 г реализовал инженер Антони Фоккер, заставив работать замковый
механизм пулемета в такт вращению вала винта с необходимым сдвигом по фа-
зе.
Энергетическая и информационная проводимость систем. Любая ТС
для выполнения своих функций должна обеспечивать сквозной проход энергии
и информации ко всем частям системы. И то, и другое должно поступать по
надежным каналам в том качестве и в том количестве, которые необходимы
для работы всех частей системы. Здесь все предельно ясно: части системы –
вещи материальные, и им необходима энергия. Части системы должны быть
управляемы, что невозможно без информации. Иногда эти два канала (энерге-
тический и информационный) бывают объединены. С точки зрения физики и
информатики все технические системы есть преобразователи энергии. Инфор-
мация есть весьма упорядоченная энергия. Нарушения закона в действующих
ТС, как объектах совершенствования, связаны с двумя факторами: недостатком
энергии (информации) или её избытком. Необходимо заранее осознавать, что
избыток вреден не менее чем недостаток. Избыток информации вызывает ин-
формационный шум, избыток энергии вызывает перегрев, да и зряшный расход.
Потери энергии очень нежелательны, поэтому надо стремиться к тому, чтобы
энергия и информация поступали бы в том виде, который нужен для работы
частей ТС. Так, японские коллеги добились шестикратного повышения эффек-
тивности системы для обогрева парников, присоединив выход ветросиловой
установки к компрессору, а не электродвигателю. Компрессор, сжимая воздух,
41
нагревает его до 170оС, горячий газ поступает в систему обогрева. Передача
энергии может осуществляться как с использованием вещества, так и через фи-
зические поля.
Информация и энергия – субстанции общесистемные. Наряду с ними в
некоторых ТС есть каналы передачи вещества. Но если бензопровод – это
транспортировка носителя энергии, то подвод и отвод смазочных масел – это
транспортировка вещества в чистом виде. Не исключено, что закон о проводи-
мости относится также и каналам транспортировки вещества, но подробные ис-
следования по этой части ещё не проведены. Особенно интересен вопрос о
транспорте вещества с помощью полей (гравитация, электростатика, магнито-
динамика).
Переход в надсистему. Все системы обязательно достигают предела сво-
его развития. «Запредельное» развитие неизбежно происходит в направлении
более высокого уровня обобщения, то есть на уровне надсистемы. Анализируя
уровень развития исследуемой ТС, важно определить, далека ли она «от насы-
щения». Иными словами, полезно понять, насколько исчерпаны её возможно-
сти и ресурсы. Если дальнейшее совершенствование наталкиваются на необхо-
димость изменить закон природы, то следует изучить надсистемные версии.
Путей перехода существует множество. Так, инженеры уже опробовали
создание надсистемы из однородных элементов. Это могут быть би- или поли-
системы, например, стерео и квадроаппаратура в звуковоспроизведении, ком-
пьютерные классы. Самый старинный классический пример – ножницы. Два
ножа, объединенные в «надсистему», дают новые функции, ножницами можно
сделать то, чего не могут два отдельных ножа. То же свойство использовано в
биметаллических пластинах, где небольшие различия в коэффициентах линей-
ного расширения дают большие перемещения при температурном изгибе биме-
таллических пластин. Надсистемы могут создаваться из конкурирующих сис-
тем. Пример тому – поочередный пропуск по одному трубопроводу щелочи и
пульпы. Щелочь дает осадок, который служит защитой от износа при пропуске
пульпы. Один поток создает осадок, другой его сдирает. Аналогичный эффект
42
дает поочередное пропускание щелочных и кислых потоков. Третий проверен-
ный путь – передача функций надсистеме. Электрические светильники для лу-
ноходов были сделаны без стеклянных колб, ибо бесплатный вакуум на Луне –
это свойство «надсистемы». Фактически переход в надсистему всегда потребен
при свертывании систем (проводные телефоны, наземные ретрансляторы, сме-
сители для приготовления травяных кормовых смесей и т.п.).
Далее мы рассмотрим две закономерности, относящиеся пока что только
к развитию технических систем. Вместе с тем, следует ещё раз отметить: эти
две закономерности, справедливые для ТС, скорее всего, также являются про-
екциями на техносферу каких-то общесистемных законов, сути которых мы
ещё ясно не видим.
Переход с макроуровня на микроуровень. Развитие ТС идет в направле-
нии последовательного перехода частей системы с макроуровня на микроуро-
вень. Эти два понятия каждый из нас понимает по-своему. Макро – это то, что
сравнимо с нами или нашими органами по размеру и, возможно, массе. Микро
– то, что заметно меньше. Представление хорошее, но для техники не очень
четкое. Сплошные конструкции заменяются слоистыми, идет переход к нитям,
шарикам, порошкам, молекулам, атомам. Так, на скоростных бронированных
самолетах (С.В.Ильюшин) вместо первично поставленных броневых листов в
35 мм сделали два тонких листа с воздушным промежутком. Это дало и эконо-
мию в весе, и повышение степени защиты от бронебойных пуль. Стеклопла-
стиковые удилища сделаны из сотен тысяч микронных стеклянных волокон, со-
единенных простым связующим. В [8] приведен пример эволюции вещества ав-
томобильных шин: шина из сплошного вещества, шина с воздушной полостью,
многокамерная шина, макропористые шины, шины из капиллярно-пористых
материалов, шины с полостью, заполненной пористыми полимерными части-
цами и гелеобразным веществом. Стремление к «микро» обозначено ясно. На
каждом этапе – какой-то выигрыш. Порошковые шины уже обсуждаются, до
молекулярных ещё не добрались, но доберемся. Нанотехнологии для широкой
публики пока что экзотика, но их время уже пришло. Проследите характер
43
съема материала при обработке металлов. Макрорезцы снимают макростружку,
а в станках электроэрозионной обработки микроискры снимают микрокласте-
ры. В ионных микроскопах геометрия острия формируется поатомным съемом -
атомы удаляют поштучно….
Увеличение степени вепольности. Развитие ТС идет в направлении
увеличения степени вепольности. Строго говоря, веполем в ТРИЗ называют
материальную систему, состоящую из вещества и физического поля ( В-П )
- электрон плюс его электрическое поле, магнит плюс его магнитное поле и т.п.
Это в идеале. В большинстве случаев нас интересует поведение вещества, по-
этому веполем мы будем называть и систему «вещество – поле – вещество»,
или В-П-В. Что касается понятие «вещество», то оно интуитивно знакомо всем.
Более четкое представление у вас возникнет после изучения четвертой лекции
или спецкурса «Материаловедение». Физических полей в природе пять: ядер-
ное (сильное), поле слабых взаимодействий, электрическое, магнитное, грави-
тационное. Поля сильных и слабых взаимодействий в техносфере работают
лишь в очень специфических видах техники, таких, как ядерные реакторы, ра-
диоактивные элементы. Поэтому оперировать мы будем с тремя знакомыми.
«Поля» температурные, тепловые, акустические, химические, запаховые и им
подобные есть не более чем способ описания, математические модели соответ-
ствующих процессов. Их мы рассматривать не будем.
Классификация физических полей весьма разнообразна. Различают поля
статические и переменные, поля импульсные - структурирование во времени.
По пространственной структуре поля бывают однородные и неоднородные. По
степени воздействия на вещество поля делят на сильные и слабые. «Сильные» -
это те поля, что одно вещество (одну фазу) превращают в другое. Например,
превращают электрически нейтральный газ в ионизованный, как при электри-
ческом пробое газа. Электрическое поле порождается электрическими зарядами
и воздействует на заряды. Магнитное поле возникает вокруг движущихся заря-
дов и воздействует на движущиеся заряды (электрический ток). Электростати-
ческое и магнитное поля поддаются экранировке. Гравитационное поле ничем
44
не экранируется, оно порождается массой («веществом!») и воздействует на
массу. Чрезвычайно интересно электромагнитное поле, в котором вихревые
электрическое и магнитное поля, поддерживая друг друга, спонтанно распро-
страняются в пространстве со скоростью света – электромагнитные волны вез-
десущи.
Как таковых, невепольных систем в природе не бывает. Во всех техни-
ческих элементах есть взаимодействие, и осуществляется оно через физические
поля. Но это микрополя – внутриатомные, внутримолекулярные, межионные.
Закон увеличения степени вепольности трактует не о них. В нем речь идет о тех
проявлениях электростатического, магнитостатического и электромагнитного
полей, которые мы можем выделить в макромасштабах. Есть вполне измери-
мые величины электрического заряда, они связаны с веществом В1 и могут
быть зафиксированы как неподвижные или как движущиеся с реальными ско-
ростями, порождая тем самым измеримые значения полей. А эти поля, в свою
очередь, действуют на частицы другого вещества. Такое прямое использование
взаимодействия В1→ П → В2 заметно повышает эффективность процесса. Ис-
торически первым промышленным процессом были попытки электроокраски.
Заряженное вещество хорошо управляется…. Затем были молниеотводы, элек-
тромагниты, электрофильтры, магнитная штамповка, электроворсование, ксе-
рография, магнитные жидкости, ферромагнитные порошки, и многое другое.
Примеров много, см. [19, 6] . Закон повышения степени вепольности утвержда-
ет, что технические системы развиваются в направлении прямого использова-
ния физических полей в структуре ТС. Сформировалась даже отдельное науч-
ное направление: электронно-ионные технологии. Физические поля позволяют
очень гибко управлять рабочим процессом, и в этом заключены их перспекти-
вы. Порой выстраиваются целые цепочки из веполей, «цепляющихся» друг за
друга.
Несколько слов о гравитационном поле. Оно вездесуще. Но гравитацион-
ные поля наших макромасс очень слабы. Поэтому на практике работают поля
тяготения очень больших масс (мегамасс) - планеты Земля, Солнца и планет
45
Солнечной системы. Вместе с тем, нам надо помнить, что человечество сфор-
мировалось в поле тяготения Земли, поэтому все, что падает, должно работать
на нас.
2.3. Общая схема развития технических систем.
В начале ХХ века было установлено, что в развитии природных, социаль-
ных и технических систем наблюдается качественное подобие. Зависимость от
времени какого-либо количественного или качественного показателя развития
системы всегда выглядит как S-образная кривая. Показателем может быть лю-
бая представительная характеристика анализируемой системы: численность ко-
лонии бактерий, масса плода, количество инженеров в отрасли, скорость само-
лёта и т.д.
В начале развития, при зарождении и становлении системы, показатель
медленно растёт, затем наступает быстрый лавинообразный рост, вслед за ко-
торым наступает стабилизация. Период от начала до выхода на насыщение
принято называть развёртыванием системы, затем идёт сочетание «развёрты-
вание – свёртывание», переходящее в свёртывание. «Свёртывание ТС» не все-
гда означает ликвидацию системы, чаще это упрощение при сохранении или
увеличении количества и/или качества полезных функций.
Наличие потребности в полезной функции ещё не гарантирует появления
новой технической системы, нужна научно-техническая возможность реализа-
ции этой функции. Если создание ТС на данном этапе человеческих познаний
неосуществимо, то осознание потребности стимулирует развитие соответст-
вующей области естественных и технических наук. Так было с разработкой
космического транспорта. Военно-стратегическая потребность вывода средств
доставки на внеатмосферные траектории вызвала очень быстрое по историче-
ским масштабам создание научных основ ракетостроения и работоспособных
носителей. Длительность периодов развёртывания – свёртывания ТС зависит
прежде всего от актуальности потребности и научных заделов, т.е. наличия фи-
зических идей и материалов с требуемыми свойствами.
46
На всех этапах существования ТС действуют тенденции к идеальности и
к использованию вещественно-полевых ресурсов. Отдельные закономерности
развития имеют этапы преимущественного действия. Так, закон полноты час-
тей системы работает в основном на этапе зарождения и становления ТС. Ди-
намизация начинается спустя некоторое время после рождения системы и очень
интенсивна во время быстрого роста ГПФ. Неравномерность развития частей
системы характерна для всего времени существования технических систем, по-
скольку их эволюция состоит из последовательного преодоления технических
противоречий. Переход в надсистему преимущественно происходит в период
свёртывания ТС, но может вступить в действие и на более ранних этапах. Так,
искусственные спутники сделали ненужными только что зародившиеся мачто-
вые ретрансляторы.
Группа «физических» правил фактически отражает естественнонаучный
механизм реализации системных законов. Интервал их действия в принципе не
ограничен, но поэтапная привязка также имеет место. Так энергетика системы
формируется чаще всего при становлении ТС и быстром возрастании ГПФ.
Технические решения по согласованию ритмики, вводу в ТС прямого взаимо-
действия «вещество – поле» и переходу на микроуровень обуславливают быст-
рый рост ГПФ и упрощение (свёртывание) системы.
Свёртывание системы практически невозможно без использования физи-
ческих, химических и биологических эффектов. В теории ТС рассматриваются
четыре варианта свёртывания.
1.Упрощение ТС по одной из её подсистем. Другие подсистем при этом,
как правило, объединяются, тяготея к рабочему органу, который и совершенст-
вуется.
2. Миниатюризация всех подсистем в составе данной ТС; уменьшаются
энергопотребление, масса и объём.
3. Из ТС вытесняется часть её подсистем с их последующим объеди-
нением в новые ТС на уровне надсистемы. Мы уже упоминали, что созвездие
искусственных спутников Земли вбирает в себя многие подсистемы наземной
47
телефонной сети; процесс свёртывания ТС «проводная телефонная связь» в
полном разгаре.
4. Замена технической системы идеальным веществом. Этот путь в
техносфере только намечается. Так, кобальт-самариевые постоянные магниты
успешно заменяют электромагнитные системы с габаритами на порядок выше.
Сплавы с эффектами памяти формы («нитинол» = никель плюс титан) способ-
ны выполнять функции значительно более сложных и громоздких ТС. Порис-
тые металлы, пропитанные испаряющимся веществом, за счёт самоохлаждения
могут длительное время пребывать в твёрдом виде при температуре выше тем-
пературы их плавления.
Анализируя общую схему развития ТС, необходимо чётко представлять,
что в силу иерархичности техносфры каждая ТС одновременно является и
надсистемой по отношению к своим частям, которые во многих случаях также
можно классифицировать как самостоятельные ТС. Следовательно, каждая ТС
является и подсистемой какого-либо системного образования более высокого
ранга. Это означает, что S-образная кривая для ТС является интегральной, оги-
бающей кривой, состоящей из таких же кривых для каждой из её подсистем. S –
образное развитие есть одна из линий развития, она характерна для многих тех-
нических систем «длительного пользования». Существенно, что развитие ТС
может задерживаться одной из подсистем, ресурсы которой или исчерпаны, или
не установлены. Так развитие АЭС тормозится сейчас двумя факторами: допо-
топным способом преобразований получаемой от реактора энергии и неясно-
стью вопроса о том, что делать с радиоактивными «отходами» - они и очень
ценны, и очень опасны.
Наряду с тем, что выход ТС на стабильные значения ГПФ означает нача-
ло свёртывания системы, он же свидетельствует о приближении ускоренного
развития других ТС с аналогичной, но значительно увеличенной полезной
функцией. Анализ эволюции техники показывает, что эти новые ТС практиче-
ски всегда используют новые физические принципы реализации набора полез-
ных функций, характерных для «старой» ТС. Оптические монохроматоры были
48
потеснены лазерами, полупроводниковые приборы почти полностью ликвиди-
ровали электронные лампы, релейная автоматика уступила место ЧПУ. Эти но-
вые принципы и технические идеи в эпоху становления техносферы (неотъем-
лемой части среды обитания человека!) возникают как следствие развития есте-
ственных наук и научной организации мышления.
Механизм создания технических решений включает в себя преодоление
«физического противоречия». Сущность этого понятия состоит в том, что при
попытках увеличения полезной функции какого-либо элемента ТС мы вынуж-
дены предъявить к физическому состоянию элемента или его части взаимоис-
ключающие, на первый взгляд, требования. Так, при электростатическом нане-
сении покрытий на металл гранулы полимера, направляемые электрическим
полем к подложке, должны иметь электрический заряд. Но когда они собира-
ются в тонкий слой на поверхности, усиливается кулоновское отталкивание,
что сильно замедляет наращивание слоя и снижает его прочность. Это и есть
типичное физическое противоречие: чтобы частицы управляемо поступали к
поверхности, они должны быть заряжены, чтобы слой был прочным и фор-
мировался без задержек, частицы не должны иметь заряда. Такие ситуации
требуют прямого использования физики; в примере с напылением покрытий
физическое противоречие преодолевается разделением в пространстве и во
времени. Покрытие формируется при периодической смене знака заряда на
частице. Частицы заряжены, когда они летят, но в слое заряд нейтрализуется; к
тому же из-за кулоновского притяжения прочность слоя возрастает. Физиче-
ские противоречия могут преодолеваться также разделением либо во времени,
либо в отношениях. Например, в механических колебаниях налицо и движение
с большой скоростью, и мгновенные остановки в крайних положениях. Анизо-
тропия по отношению к вариабельным внешним факторам в той или иной сте-
пени свойственна любому веществу. Расплавленный металл приобретает поли-
кристаллическую структуру при обычном охлаждении, но при сверхбыстром
отборе тепла тот же металл может стать аморфным, стеклообразным. Механизм
физических противоречий работает и при синтезе ТС, но он особенно значим
49
при свёртывании, когда система стабилизировалась и экстенсивные методы ни-
чего дать не могут.
Технический прогресс есть результат человеческой деятельности; человек
всегда действует в соответствии с объективными законами мира, часто не дога-
дываясь об этом, но иногда и вполне сознательно. Применительно к совершен-
ствованию технических объектов сознательность обеспечивается знанием ос-
новных закономерностей развития ТС. Объективный характер эволюции ТС и
техносферы в целом вовсе не исключает того, что отдельный человек может
интуитивно предугадать будущие потребности и создать техническое решение,
опережающее время. Именно такие факты стимулируют в обществе появление
специфических форм деятельности типа маркетинга или «воспитания потреби-
теля». Рассмотренные тенденции и закономерности выявлены из анализа разви-
тия и состояния действующих технических систем, находящихся на разных
этапах своего развития. Прагматическая ценность комплекса состоит прежде
всего в том, что он позволяет определить место конкретной ТС в техносфере и
оценить, на каком этапе своего развития она находится. Это создаёт возмож-
ность принятия обоснованного решения о целесообразности и направлении
развития анализируемой ТС.
Конкретные ТС рождаются и умирают в соответствии с общими законо-
мерностями их развития. Следовательно, знание объективных закономерностей
позволяет уже на стадии синтеза получить ТС более высокого уровня. Эти же
закономерности служат базой научных прогнозов развития ТС и техносферы, а
также методов организации мышления, инженерного творчества при синтезе и
совершенствовании объектов техники с максимальным использованием дости-
жений естественных наук.
Тема 3. Охрана интеллектуальной собственности в РФ.
Понятие патента. Авторские свидетельства СССР и патенты РФ.
Патентный фонд как источник законов развития технических систем. Основ-
ные положения патентного законодательства РФ.
50
Понятие «интеллектуальной собственности» очень широкое. Субъекты
«авторского права» - писатели, художники, режиссеры и другие представители
«творческих профессий». Для нас существенны содержательные и правовые
вопросы, касающиеся изобретений – инженерных новаций, созданных трудом
технической интеллигенции. В СССР понятие «патент» стало значимым
только в последние годы существования. В большинстве случаев изобретателю
(изобретателям) выдавалось авторское свидетельство (АС) на изобретение с
порядковым номером. А.С. СССР фиксировало авторство, объем изобретения,
дату приоритета. Собственником изобретения признавалось государство, кото-
рое платило и авторское вознаграждение, и гонорар за внедрение и экономию.
Оно же издавало «Бюллетень изобретений», в котором публиковались форму-
лы несекретных изобретений, и закупало соответствующие бюллетени ино-
странных государств. Однако большое число изобретений имело только номер
и гриф «Публикации не подлежит». Так оформлялись все изобретения, имев-
шие отношения к любым технологиям в производстве военной техники.
Суммарно многолетние подборки бюллетеней составляли мировой па-
тентный фонд. В различных странах патенты выдаются либо на объекты
(Германия и др.), либо на функции (США и др.). Но во всех странах мира вы-
дача патентных документов как средств юридической защиты предусматривала
наличие «мировой новизны» на момент подачи заявки. Следовательно, по па-
тентным документам можно проследить закономерности появления новых тех-
нических идей. Именно анализ патентных фондов помог выявить ЗРТС – зако-
ны развития технических систем.
Интеллектуальная собственность в РФ охраняется системой юридиче-
ских законов. Мы коротко ознакомимся с сущностью патентного законодатель-
ства РФ, осмыслим понятие патента и его технические возможности. Па-
тентоведение – весьма серьезная, сложная и громоздкая наука. Поэтому вна-
чале несколько советов, основанных на личном опыте и здравом смысле. При-
ступая к разработке какого-либо технического новшества, ознакомьтесь с тем,
что по этой части уже наработали изобретатели всех рангов. К соответствую-
51
щим разделам («классам») патентного фонда целесообразно обращаться после
того, как Вы сформулировали техническую задачу (первая стадия по АРИЗу).
Вы обнаружите огромное количество технических решений по вашей проблеме.
Примерно 90% из них – это «бумажные» изобретения, которые были осущест-
влены только в виде работоспособной модели в лабораторных условиях. Но
идеи запатентованы, то есть юридически защищены. Ещё 9% - это те, что про-
шли опытные испытания, но по тем или иным причинам не были реализованы в
производстве. Один процент изобретений добрался до промышленных цехов.
Если у вас возникли собственные идеи, то вы с удивлением обнаружите, что
почти все они уже есть в патентном фонде. Вероятность – не менее 99%. По-
этому реализовывать их в продукции, предназначенной на продажу, нельзя –
можно вляпаться в крупный скандал с большими финансовыми потерями («на-
рушение патента»), не идущими ни в какое сравнение с тем, что вы собирались
получить от внедрения. Здесь вам не обойтись без советов опытного патентове-
да или юриста, специализирующегося на вопросах обхода патентов. Иное дело
– текущие технологии. Здесь огромный полигон как для творчества, так и для
заимствований.
Юридическая сторона технического творчества регулируется Патентным
Законом Российской Федерации от 23.09.1992г., с дополнениями, внесенными
07.02.2003г. Этим законом регулируются отношения, возникающие в связи с
правовой охраной и использованием изобретений, полезных моделей и про-
мышленных образцов. Права на них подтверждаются соответствующими па-
тентами. Патент юридически удостоверяет приоритет (дату начала действия),
авторство и исключительное право на использование. Последнее может быть
уступлено (продано) иным лицам в виде различного рода лицензий. Объем
правовой охраны, предоставляемый патентом, определяется формулой на изо-
бретение. Мы здесь не будем обсуждать вопросов, связанных с патентованием
полезных моделей и промышленных образцов, этим занимаются соответст-
вующие юридические службы предприятий.
52
Итак, об изобретениях. Цитата из ст.4 патентного закона РФ: «В качестве
изобретения охраняется техническое решение в любой области, относящееся к
продукту ( в частности, устройству, веществу, штамму микроорганизма,
культуре клеток растений или животных) или способу (процессу осущест-
вления действий над материальными объектом с помощью материальных
средств). Изобретению предоставляется правовая охрана, если оно является
новым, имеет изобретательский уровень и промышленно применимо. Изо-
бретение является новым, если оно не известно из уровня техники. Изобрете-
ние имеет изобретательский уровень, если оно для специалиста не следует яв-
ным образом из уровня техники. Уровень техники включает любые сведения,
ставшие общедоступными в мире до даты приоритета изобретения….. Изобре-
тение является промышленно применимым, если оно может быть использовано
в промышленности, сельском хозяйстве, здравоохранении и других отраслях
деятельности». Курсив в цитате – авторов, запомните выделенные понятия.
Таким образом, на статус изобретения и соответствующую юридическую за-
щиту не могут претендовать научные открытия, научные теории и математи-
ческие методы, различного рода правила игр, программы для ЭВМ, сорта рас-
тений, породы животных, топология интегральных схем. В законе особо под-
черкивается, что изобретениями не признаются технические решения, противо-
речащие общественным интересам, принципам гуманности и морали. Что это
такое – соображайте сами.
Патенты выдаются автору (авторам), работодателю, правопреемникам
указанных лиц. Автором изобретения признается физическое лицо, творческим
трудом которого оно создано. Для получения патента должна быть подана за-
явка в Роспатент – федеральный орган исполнительной власти по интеллекту-
альной собственности. Заявителем может выступить лицо, обладающим правом
на получение патента. На мой взгляд, в нынешнее время целесообразно прибе-
гать к помощи патентного поверенного, особенно для изобретений, имеющих
шансы на промышленное внедрение. Квалификация патентного поверенного
подтверждается номерным сертификатом, выдаваемом правительством РФ. В
53
заявочный комплект в обязательном порядке входят заявление о выдаче патен-
та с указанием авторов, описание изобретения, формула изобретения, реферат.
Если необходимы, то прилагаются чертежи и иные материалы, необходимые
для понимания изобретения. И обязательно – документ, подтверждающий уп-
лату патентной пошлины, либо документ, подтверждающей основание для ос-
вобождения от уплаты. По дате поступления заявки в Роспатент устанавливает-
ся приоритет изобретения. Роспатент проводит формальную экспертизу и че-
рез восемнадцать месяцев при положительном результате публикует в своем
официальном бюллетене сведения о заявке. По ходатайству заявителя в тече-
ние трех лет Роспатент проводит экспертизу по существу и при выполнении
некоторых формальностей принимает решение о выдаче патента. Затем текст
патента (авторы плюс формула изобретений) публикуется в официальном бюл-
летене Роспатента. Материалы патента вносятся в Государственный реестр
изобретений РФ. За все юридически значимые действия взимаются патентные
пошлины.
Раздел 2. История развития и современное состояние важнейших научно-
технических отраслей техносферы.
Тема 4. Эволюция материаловедения.
Природные и искусственные материалы. Переход от «даров природы» к
созданию материалов с заранее заданными свойствами. Роль естественных
наук в развитии материаловедения. Основные свойства материалов. Механи-
ческие, тепловые, электрические и магнитные, оптические свойства мате-
риалов. Каналы и средства управления свойствами материалов. Композицион-
ные материалы. Перспективы развития.
В учебном плане инженеров-механиков есть дисциплина «материалове-
дение». Там рассматриваются классификации, качественные и количественные
характеристики материалов, применяемых в машиностроении. Поэтому здесь
мы рассмотрим в историческом плане обобщенные сведения о свойствах мате-
риалов. На заре становления техники люди использовали природные дары -
камень, дерево, глину, руды металлов. Но во все времена люди старались полу-
54
чить материалы с нужными им свойствами. Как принято говорить сейчас – ре-
шить проблему создания материалов с заранее заданными свойствами. Вначале
это были изыскания мастеров – умельцев. Работали металлурги, механики, ху-
дожники, строительные прорабы и др. Они сделали много, но все удачи были в
какой-то степени делом случая. Было много, очень много проб, почти столько
же ошибок и редкие удачи. Затем, где-то в конце 17-го – начале 18-го века, к
созданию материалов подключилось естествознание. Первой была химия.
Затем подключилась физика и многочисленные «дочерние науки» в виде тео-
рии прочности, физической химии, теории упругости и т.п. Количество проб не
уменьшалось, но количество удач резко возросло. К природным материалам
добавилось заметное количество искусственных, их свойства ближе к тем идеа-
лам, что нам нужны.
Коротко охарактеризуем наиболее важные свойства материалов. Практи-
ку и производство интересуют сотни свойств, специфических для той или иной
области техники. Например, стойкость к истиранию материала подошв, нали-
чие неприятных запахов для пищевой пластмассы и т.п. Но все они - производ-
ные от самых существенных, к которым мы отнесем свойства механические,
тепловые, оптические, химические, электрические и радиационные. Коли-
чественно они характеризуются значениями соответствующих физических ве-
личин, определения которых есть в учебниках.
К механическим свойствам относятся механическая прочность, твердость
и пластичность, упругость. В справочниках обычно приводят значения модуля
упругости, модуля сдвига, коэффициента Пуассона, а также различного рода
пределы (пропорциональности, текучести и др.).
К тепловым относят теплоемкость, теплопроводность, термостойкость. В
справочниках принято указывать также параметры фазовых превращений –
температуру и удельные теплоту плавления (размягчения) и отвердевания, тем-
пературу кипения вместе с удельными значениями испарения и конденсации.
55
Из оптических свойств очень важны прозрачность и поглощение в раз-
личных диапазонах электромагнитных волн, значения коэффициентов прелом-
ления и отражения, области аномальной дисперсии.
Химические свойства определяют реакционную способность или химиче-
скую инертность вещества в разных фазах и при разных температурах. К хими-
ческим свойствам принято относить также коррозионную стойкость в различ-
ных условиях.
Электрические и магнитные свойства различны для металлов, диэлек-
триков и полупроводников. Металлы характеризуют значениями удельного со-
противления (электропроводности), его зависимостью от температуры и при-
надлежностью вещества к парамагнетикам, диамагнетикам или ферромагнети-
кам. Для последних значимы такие величины, как коэрцитивная сила, магнит-
ная проницаемость и т.п. Диэлектрики характеризуются относительной ди-
электрической проницаемостью, значениями пробивной прочности и разного
рода утечками по объему или поверхности. Эти данные значимы как для актив-
ных диэлектриков (конденсаторы), так и для пассивных (электрическая изоля-
ция всех рангов). У полупроводников существенны тип проводимости, значе-
ния ширины запрещенной зоны, а также вид поверхности Ферми.
И, наконец, радиационная стойкость. Она очень важна для материалов, из
которых делаются ядерные реакторы. Но нужно учитывать, что это понятие
относится и к устойчивости к солнечной радиации. Так, многие полимеры по-
сле одного летнего сезона на солнечном освещении сильно изменяют свои
свойства, изменяются пластичность, хрупкость, прозрачность. Все это – следст-
вие конкурирующих процессов сшивания и разрыва связей. При орбитальных
полетах отмечались сбои в работе полупроводниковых приборов.
Каковы же «каналы управления» свойствами материалов? Они традици-
онны и неисчерпаемы. Это регулирование состава и структуры материалов.
Все конструкционные стали отличаются друг от друга химическим составом.
Их сотни, и каждый из них несет определенные достоинства, позволяющие ис-
пользовать их в специфических условиях, будь то химически агрессивная сре-
56
да или режим знакопеременных нагрузок. Так же обстоит дело и с применени-
ем полимеров в быту и машиностроении, медных и алюминиевых сплавов в
электротехнике и во всех остальных отраслях техносферы. И ещё одна тенден-
ция. Мы стремимся использовать материалы на грани их возможностей, в экс-
тремальных условиях. Если ранее в конструкции закладывались огромные «за-
пасы», то сейчас стремятся работать на грани, а иногда и за гранью допустимо-
го по физическим условиям эксплуатации. Соответственно, перед наукой стоят
проблемы исследования «экстремальных режимов». Это раз. Вторая тенденция
– использование всех ресурсов вещества. Та же сталь наряду с механической
прочностью обладают и магнитными свойствами также. И это используется. Но
редко. Аналогично обстоит дело и с регулированием структуры. Всем хорошо
известны процессы закалки (и отпуска) сталей, когда химический состав оста-
ется неизменным, а изменяется только тип кристаллической структуры. Все
большее внимание уделяется аморфным металлам, кристаллическим стеклам и
гелеобразным смазкам. Бывшая лабораторная экзотика становится обычной
практикой. Структурные особенности становятся решающими в нанотехноло-
гиях.
С точки зрения практики (наших потребностей!) очень перспективны
композиционные материалы. Строго говоря, сплавы – это тоже композицион-
ные материалы. Но так сложилось, что гомогенные (однородные) материалы
принято называть просто материалами сложного состава, а к разряду компози-
ционных принято относить материалы, состоящие, вообще говоря, из разных
фаз. Это, например, железобетон, стеклопластик, углепластик. Самым древним
композиционным материалом был, видимо, саман. Преимущества композитов
наглядно видны на примере железобетона. Железные прутья великолепно рабо-
тают на растяжение, но очень плохо – на сжатие вдоль оси. Бетон – наоборот,
прекрасно работает на сжатие и отвратительно – на растяжение и изгиб. Желе-
зобетон объединяет достоинства своих компонентов. Так же работает стекло-
пластик. Стеклянные волокна толщиной в десяток микрон великолепно держат
растяжение и изгиб, эпоксидное связующее обеспечивает согласованную рабо-
57
ту десятков тысяч стекловолокон. А в углепластике и волокна прочнее, и элек-
трический ток они проводят, то есть могут работать и как нагреватель, и как эк-
ран, поглощающий электромагнитные волны. И удилища из них очень изящ-
ные. Композиционные материалы позволяют объединить достоинства отдель-
ных компонентов и взаимно компенсировать недостатки. Именно это обеспечи-
вает их «идеальность» в конструкциях. Так что будущее в машиностроении – за
сплавами и композитами.
Тема 5. Эволюция энергетики.
Энергия в естествознании. Работа и энергия в техносфере. Виды энер-
гии. Потребление, передача и трансформация энергии в технике. Источники
энергии в техносфере. Исторические этапы развития энергетики. Понятие
обобщенного КПД. Энергетика как научно-техническая отрасль. Действие за-
конов развития технических систем в истории энергетики. Современное со-
стояние и перспективы развития энергетики.
Энергия есть универсальная, аддитивная, скалярная мера движения и
взаимодействия. Универсальная - определение справедливо во всем про-
странстве и во все времена. Аддитивная – энергию можно складывать, общая
энергия будет в точности равна сумме отдельных энергий. Скалярная – от на-
правления не зависит, складывать надо алгебраически (с учетом знака). Веро-
ятнее всего, суммарная энергия Вселенной равна нулю, поскольку положитель-
ная кинетическая энергия («мера движения») по модулю равна отрицательной
энергии гравитационного притяжения («мера взаимодействия). Единица энер-
гии в системе СИ – джоуль (Дж). В литературе встречаются также устаревшие
или специфические единицы: эрг, квт.-час, кГм, калория.
Все устройства техносферы есть преобразователи энергии. Закон со-
хранения энергии, являющийся следствием однородности времени, в обозри-
мой Вселенной выполняется безукоризненно. Традиционно энергию разделяют
на виды. Это энергия тепловая, механическая (кинетическая и потенциаль-
ная), электромагнитная. Последнюю часто подразделяют на энергию элек-
трическую и энергию электромагнитного излучения (свет, СВЧ и т.п.). Энерге-
58
тика как научно-техническая отрасль энергии не создает, она просто преобразу-
ет её из одного вида другого. Естествоиспытатели отыскивают природные за-
пасы энергии, энергетики превращают их в нужные нам виды энергии и через
передающие системы (ЛЭП, теплотрассы, волноводы) доставляют к потребите-
лю. Всего в техносфере получают из природных источников около 0,006.1024
Дж, что составляет около 0,5% всей энергии, получаемой поверхностью Земли
от Солнца (1,3.1024 Дж). В конечном счете, львиная доля техносферной энергии
превращается в обычное тепло, которое рассеивается в атмосфере. И величина
эта неизменно растет. Атмосфера пока терпит. Запас её терпения велик, но не
бесконечен.
Природные энергоресурсы: Солнце, биоресурсы, органическое топливо,
атомные ядра, гидроресурсы, энергия ветра. Вклад технической солнечной
энергетики в общее энергопотребления человечества пока что невелик. Но
именно с использованием солнечной энергии связывают близкое и далекое бу-
дущее энергетики. Причина тому – очень явные преимущества: солнечная энер-
гия экологически самая чистая, а запасы её при мыслимом энергопотреблении
на душу населения – практически бесконечны. Здесь надо отметить, что речь
идет о прямом использовании энергии солнечного излучения: обогреве, пре-
вращении её в электрическую и использовании для получения водорода из во-
ды. Технические средства по этому направлению сейчас очень интенсивно со-
вершенствуются. Косвенно Солнце создает и другие виды используемых нами
энергоресурсов. Так, кругооборот воды в природе поставляет энергию гидро-
электростанциям, энергия ветра по своему изначальному происхождению - это
тоже солнечная энергия, поскольку ветер возникает как следствие различного
нагрева участков атмосферы. Через продукты фотосинтеза возникает та энер-
гия, что запасается в биомассе планеты и обеспечивает функционирование био-
сферы планеты. Эта часть составляет около одного процента энергии, посту-
пающей к нашей планете от Солнца, она превышает ту энергию, что транс-
формируется во всей нашей техносфере. Внутри Солнца энергия выделяется
при термоядерных реакциях синтеза. Попытки смоделировать этот процесс на
59
Земле пока что привели только к термоядерным взрывам. Управляемой термо-
ядерной реакции осуществить не удалось, и даже неясно, возможна ли управ-
ляемая реакция в условиях Земли. Исследования продолжаются.
Энергия, потребляемая нами на собственные нужды и на нужды техно-
сферы, в настоящее время почти на 70% - это энергия, получаемая за счет сжи-
гания топлива (дрова, уголь, торф, нефть и нефтепродукты, природный газ).
Транспорт и теплоэлектростанции создают огромное количество экологических
проблем, например, насыщают атмосферу и водоемы соединениями серы.
Именно из-за экологических проблем «топливная энергетика» обречена на мед-
ленное умирание. Со временем от неё останутся только костры…. Но это со
временем. А сейчас люди, вынужденные использовать уже имеющиеся способы
и устройства, интенсивно разрабатывают различного вида очистные устройст-
ва, выводят серу из сырья, создают энергосберегающие технологии. И так будет
ещё лет 50-60, хотя прогнозы – дело весьма ненадежное.
До недавнего времени наиболее перспективной считалась ядерная энерге-
тика. Если не считать стоимости АЭС, то при получении энергии на АЭС нуж-
но затратить в сто тысяч раз меньше средств и труда, чем при извлечении энер-
гии из угля. 20 лет бурного развития (60 – 80-ые годы 20-го столетия) привели
к тому, что ядерная энергетика поставляет сейчас около 20 % всей электро-
энергии. В абсолютном исчислении это примерно 340 ГВт (Гига = 109). Авария
1986г. на Чернобыльской АЭС замедлила темпы развития ядерной энергетики.
Вместе с тем мы осознаем, что без ядерной энергетики на современном этапе
человечеству не обойтись. Почти 500 действующих реакторов и около 100
строящихся заменить нечем. Поэтому всерьез речь о судьбах ядерной энергети-
ки пойдет лет через 50 – 60, когда имеющиеся реакторы выработают свой срок
эксплуатации. Поживем – увидим.
Около 5 % энергии человечество получает от гидроэлектростанций. ГЭС
тоже создают множество проблем. Под водохранилища уходит много плодо-
родных земель, к тому же со временем водохранилища заиливаются. Да и стоя-
чая вода портится. Опять же – возможные катастрофы с обрушением плотин
60
могут принести такие беды, по сравнению с которыми тайфуны и цунами –
просто детские забавы. В 1960 году в Индии обрушилась маленькая плотина, но
вал воды унес свыше 15000 жизней. Так что ГЭС со временем тоже исчезнут,
плотины останутся только там, где они необходимы для регулирования стоков.
Или же там, где они не очень сильно изменяют природный режим существова-
ния биогеоценоза (приливные ГЭС).
Ветер – самый древний источник энергии. Достоинства ветроэнергетики
очевидны: постоянство ресурса, относительно невысокая стоимость энергии,
высокая экологическая безопасность. Но общие запасы весьма ограничены. Да
и безопасность относительна. Уже сейчас в некоторых городах Германии, ок-
руженных ветрогенераторами, отмечено накопление смога. Сейчас ясно, что
ветроэнергетика может играть вспомогательную роль в отдельных регионах с
регулярными и сильными ветрами. То же можно сказать и об энергетических
ресурсах океанических и морских волн. Правда, запасы здесь очень большие,
но и стоимость энергоустановок чрезмерно велика, пытаемся ли мы использо-
вать течения или же градиенты температур по вертикали. Пока что работоспо-
собных и выгодных идей нет.
Особняком стоит геотермальная энергия. Сейчас на геотермальных элек-
тростанциях мира получают энергию, эквивалентную продукции пяти блоков
АЭС. Но гейзеры есть только в редких районах, к тому же нет никакой уверен-
ности в том, что они будут работать постоянно.
В эволюции энергетики выделяют четыре этапа. Первый этап - мус-
кульная энергетика. Для производства полезной работы используется энергия
мускул человека и домашних животных. Оценка КПД дает 10-50 %, каких-
либо вредных отходов не наблюдается, все они прекрасно утилизуются при-
родными способами. Следующий этап – механоэнергетика. Это ветряные и
водяные технические устройства, преобразующие энергию ветра и падающей
воды в полезную работу. КПД механоэнергетики - около 5- 20 % , отходов ма-
ло, все они утилизуемы, но водохранилища уже изменили режим погоды в ме-
стности. Изменения ещё малы, они практически незаметны, но они уже есть.
61
Это вполне закономерно. Мельницы – это технические системы, а экологиче-
ски безопасной техники по определению быть не может. Далее следует
этап химической энергетики. Начался он с конца 18-го века, когда начали до-
бывать и сжигать каменный уголь. Затем подключили торф, нефть и газ. Обоб-
щенный КПД – около 1-5%. При подсчетах обобщенного КПД учитываются
все затраты, начиная с разведки и добычи горючих ископаемых. Неуклонное
снижение обобщенного КПД сопровождается усилением давления на внешнюю
среду, среду нашего обитания. Терриконы у шахт, выбросы ТЭЦ, химически
агрессивные и вредные выбросы двигателей транспортных средств – все это и
есть техногенное давление на внешнюю среду. Нас заставили притормозить не
гуманные соображения, а жесткая прагматика. Химическая энергетика расходу-
ет природные запасы горючих материалов, те запасы, которые природа созда-
вала тысячелетиями, и которые конечны. Это было страшно: что будем делать,
когда закончатся нефть, газ и даже уголь? Поэтому стартовал этап ядерной
энергетики, где горючим служили ядра некоторых химических элементов.
КПД здесь ещё ниже. А отходы все страшнее. Степени их полной опасности мы
не знаем до сих пор.
Соответственно этапам развивались и технические системы в производ-
стве, передаче и потреблении энергии. Если проследить, например, становление
и развитие электроэнергетики, то можно установить, что с самого рождения она
развивалась на основе научных достижений. Системы генерации, передачи и
потребления электроэнергии развивались в полном соответствии с законами
развития технических систем (ЗРТС).
Люди стали привыкать к тому, что каждый последующий источник энер-
гии более мощный. Этому способствовали и военные соображения. Ученые
раскрывают тайны материи, а прагматики всех видов пытаются сразу же соз-
дать устройства, извлекающие энергию из новых научных данных, не задумы-
ваясь о последствиях. Но сейчас люди уже поняли, что нужна «щадящая энер-
гетика». Уже намечены контуры солнечной энергетики. Она будет ведущей на
ближайшие столетия. Если, конечно, физики не найдут путей извлечения квар-
62
ковой энергии, использования энергии физического вакуума, «черных дыр» и
других глубинных состояний материи.
Энергетические балансы в природе и техносфере. Запасы энергии при-
нято делить на воспроизводимые (солнечная энергия и её производные: ветер,
вода) и невоспроизводимые (уголь и углеводороды). Цифры довольно интерес-
ные. Планета получает энергию от Солнца в количестве 5,6.1024 Дж в год. Ка-
кая-то часть отражается, но вполне заметная доля доходит до поверхности Зем-
ли, примерно 20-25%. В техносфере утилизуется примерно 1.1021 Дж в год, то
есть около 0,001 того, что дает Солнце. При этом 70 % приходится на химиче-
скую энергетику, 20 % дает ядерная энергетика и 5% - ГЭС и ветроэлектро-
станции и ещё примерно 5% - все остальное. Биосфера расходует примерно 0,2.
1021 Дж/год.
Структура потребления и накопления. Механическая энергия напря-
мую потребляется в машинах ударного действия и гидроэлектростанциях. Она
же служит переходным видом в производстве электрической энергии (энергия
вращения турбин и т.п.). Накопителями потенциальной энергии в технике слу-
жат упругие элементы и тела, поднятые над поверхностью земли (пружины, во-
да в водохранилищах). Химическая энергия расходуется в промышленной энер-
гетике и в химических реакторах. Сконцентрирована она в природных накопи-
телях (месторождения горючих ископаемых) и некоторых химических вещест-
вах искусственного происхождения, прежде всего во взрывчатых веществах.
Лучистый компонент электромагнитной энергии, наряду с освещением, напря-
мую используется в рентгеновском диапазоне, а также в устройствах, работаю-
щих на фотоэффекте (внешнем, внутреннем, вентильном). Где используется
электрическая энергия – легче назвать отрасли, где она не используется. Нако-
пители электрической энергии широко известны – это конденсаторы и аккуму-
ляторы разных типов и назначений. Тепловая энергия аккумулируется плохо,
имеющиеся устройства теплоизоляции либо примитивны, либо дороги (ваку-
умные «рубашки»). Поэтому в технике тепловую энергию предпочитают ис-
пользовать там, где её получают (котлы, горелки). Ядерная энергия стоит особ-
63
няком. Генерируется она в виде кинетической энергии быстрых частиц, кото-
рую нужно здесь же превратить в тепло. Что и делают на ядерных электростан-
циях.
По закону энергетической проводимости энергия должна подводиться к
элементам ТС в таком виде и в таком количестве, кои потребны для обеспече-
ния работоспособности. Это в идеале. На практике структура потребления во
многом зависит от способов передач (подвода) энергии. Имеющиеся устройства
передачи механической и тепловой энергии очень несовершенны. Наиболее
экономичны в настоящее время устройства передачи электрической энергии.
Поэтому структура потребления «привязана» к ЛЭП. Огромная часть техниче-
ских систем имеет либо электродвигатели, либо электронагреватели, либо уст-
ройства для электролиза.
Если оценивать перспективы большой энергетики, то надо отметить, что
нам не грозит тупиковая ситуация ни в отношении исчерпания природных
энергоресурсов, ни в плане серьезных экологических проблем. Опасность в
энергетике может представлять только чисто человеческие факторы: жадность,
корыстолюбие, тупость. Да и то только в случае их проявления на государст-
венном уровне. Энергетики уверены, что переходной период смены энергети-
ческих приоритетов скоро закончится, и мы будем пользоваться солнечной
энергией в свое удовольствие. Расходовать будем столько, сколько надо. Не
сколько хочется, а сколько надо, не подвергая опасности себя и планету. Итак,
ближайшие перспективы развития энергетики связываются сейчас с ядерной
энергетикой. Более отдаленные - с прямым использованием солнечной энергии.
И то, и другое базируется на самой современной науке. Но ядерные реакторы
возможности своего развития принципиально исчерпали. Возможны лишь усо-
вершенствования, связанные с повышением надежности и безопасности…...А
техника промышленного использования солнечной энергии сейчас только на-
чинает развиваться. Её можно преобразовывать в любой другой вид энергии в
полном соответствии с законом энергетической проводимости.
64
Тема 6. Эволюция электроники.
Понятие электронных состояний. Свободные и связанные электроны.
Электроны в вакууме. Использование электронных потоков (пучков, лучей) в
вакууме, силовые и информационные аспекты. Электроны в газах. Виды элек-
трических разрядов в газах. Электрические разряды в природе и технике. Ис-
тория электроразрядных технологий. Электроны в конденсированных средах.
Электронные состояния в кристаллах (диэлектрики, металлы и полупроводни-
ки). Микроэлектроника, оптоэлектроника. Лазеры и их использование в техни-
ке. Нанотехнологии. Перспективы развития.
Электроны как составная часть атомов входят в структуру всех веществ
в этом мире. В атомах твердых, газообразных и жидких диэлектриков электро-
ны находятся в связанном состоянии. Относительно свободные электроны есть
в структуре металлов, но выйти из него сами они не могут. Газ истинно свобод-
ных электронов может быть получен либо из плазмы, либо с использованием
различных видов электронной эмиссии из твердых тел в вакуум.
Электроны в вакууме. Электроны, эмитированные из твердого тела в ва-
куум, можно сформировать в пучок с помощью электрических и магнитных по-
лей. Так получают «электронные лучи». Технические применения электронных
лучей в вакууме базируется на трех достоинствах. Электронные лучи хорошо и
практически безинерционно управляются. Электроны хорошо разгоняются тем
же электрическим полем, то есть в электронном луче можно сосредоточить
большую энергию и направить её туда, куда надо. Попадая в вещество, которое
нужно обработать, электронный луч не вносит никаких загрязнений в это ве-
щество. Электронные пучки составляют основу многих информационных уст-
ройств (осциллографы, мониторы телевизоров и компьютеров, экраны РЛС и
др.). Второе применение – электронно-лучевые сварка, пайка и распыление ма-
териалов. Аппаратура сложновата (вакуум!), поэтому процесс дороговат, но
зато чистота процесса – абсолютная.
Электроны в газах. В нормальном состоянии все газы – диэлектрики,
даже пары серебра. Свободные электроны в них могут появиться либо из кос-
65
моса, либо в результате ионизации молекул или атомов газа. Космических
электронов очень мало, поэтому для генерации большого числа свободных
электронов применяют другие внешние ионизаторы – рентгеновские лучи, вы-
сокую температуру и др. При наложении внешнего электрического поля элек-
троны начинают упорядоченное движение – в газовом промежутке начинает
протекать электрический ток. Прохождение тока через газы принято называть
электрическим разрядом в газах. Иногда проще – газовый разряд. Если разряд
поддерживается за счет внешнего ионизатора, то такой разряд называют неса-
мостоятельным. В технике этот режим применяют иногда при накачке лазеров.
Но при повышении напряжения электроны разгоняются все сильнее, и при не-
которых условиях возникают электронные лавины и разряд начинает сам себя
поддерживать, воспроизводя электронов больше, чем их уходит на анод в еди-
ницу времени. Такие режимы объединяют общим названием – самостоятель-
ный разряд. Физические механизмы воспроизводства электронов зависят от
вида и давления газа, материала электродов, напряженности и конфигурации
электрического поля. В промышленных технологиях применяют разряды:
тлеющий, искровой, дуговой, коронный, барьерный, факельный.
Тлеющий разряд развивается при низких давлениях газов, порядка не-
скольких мм. рт. ст., или нескольких сотен паскалей. Напомним, что один
мм.рт.ст. эквивалентен примерно 133 Па. Механизм воспроизводства электро-
нов – так называемая электрон-ионная эмиссия, то есть выбивание электронов
при ударах ионов о катод. Наиболее известен тлеющий разряд в газосветных
рекламных трубках, там цвет свечения определяется выбором газа. В люминес-
центных лампах дневного света свечение самого разряда не видно, он развива-
ется в смеси аргона и ртутных паров. При высвечивании паров ртути генериру-
ется ультрафиолетовое излучение, которое заставляет светиться слой люмино-
фора, нанесенный на внутреннюю поверхность трубки. Спектр и преобладаю-
щий цвет свечения определяется выбором люминофора. Лампы дневного света
в 5 – 7 раз экономичнее по свету, чем лампы накаливания – они светят, но не
греют. Тлеющий разряд применяется для очистки металлических поверхно-
66
стей – поверхность избавляется не только от посторонних наслоений, но и от
адсорбированного газа. Технология великолепна по результатам, но дорога в
эксплуатации, поэтому применяется только там, где механические и химиче-
ские средства очистки не обеспечивают требований технологии, как, например,
при изготовлении интегральных схем.
Тлеющий разряд магнетронного типа служит основой многих промыш-
ленных устройств для распыления поверхности какой либо «мишени» и после-
дующего образования покрытий или тонких пленок из материала мишени. Са-
мо слово «магнетрон» означает, что явление происходит в скрещенных элек-
трическом и магнитном полях. В таких полях движение заряженных частиц
происходит по сложным спиралевидным траекториям. Физика явлений при
магнетронном тлеющем разряде очень сложна, ибо там изменяется большое
число параметров. Удовлетворительной физической теории пока что нет, есть
только качественные соображения и огромное число экспериментальных на-
блюдений. Основные элементы устройства: катод-мишень, анод и магнитная
система. Давление газа – от 10-2 до 1 Па и выше. Электрическое напряжение
200 – 700 вольт, плотности тока – несколько сотен мА/см2. Магнитное поле
имеет величину 0,03 - 0,1 Тл, его силовые линии замыкаются между полюсами
магнитной системы. Наиболее интенсивно распыляется поверхность мишени в
местах входа и выхода силовых линий. Эмитированные с катода электроны за-
хватываются магнитным полем, в результате чего совершают сложное циклои-
дальное движение по замкнутым траекториям у поверхности мишени. Электро-
ны оказываются в своего рода магнитной ловушке, они вращаются и медленно
дрейфуют к аноду, производя по дороге множество ионизирующих столкнове-
ний. Большая часть их энергии расходуется именно на ионизацию и возбужде-
ние, что в конечном счете приводит к значительному повышению концентра-
ции положительных ионов у поверхности катода. Интенсивность ионной бом-
бардировки поверхности катода возрастает в сотни раз по сравнению с разря-
дом при выключенном магнитном поле. Скорость распыления увеличивается,
что приводит к росту осаждения пленок. Ещё одно значительное технологиче-
67
ское преимущество – возможность нанесения пленок на подложки из материа-
лов с низкой термостойкостью, то есть не только на керамику, но и на полиме-
ры и ситаллы. Технология магнетронного нанесения пленок требует высокой
культуры производства, поскольку параметры разряда требуется поддерживать
с высокой точностью. Магнетронные системы применяются для формирования
контактов и пленок полупроводниковых схем, а также для нанесения фильт-
рующих, отражающих, защитных и теплосберегающих покрытий на стеклах
бытового и специального назначения. По нашему мнению, их возможности да-
леко не исчерпаны, особенно в технологиях создания наноструктур. В потоках
молекулярных газов возможна реализация тлеющего разряда при повышенных
давлениях [20]. Возможности этого вида разрядов, особенно в применении к
СО2 и СО-лазерам, ещё подлежат тщательному изучению.
Последовательность электронных лавин и их последствия иногда класси-
фицируют как отдельный вид разряда – искровой. Искра – явление очень не-
стационарное и неустойчивое. Она быстро формируется («вспыхивает») и так
же быстро гаснет. Искры используются в системах электрозажигания, в иссле-
довательских искровых камерах. Если после проскакивания искры в искровом
промежутке (в газе) остаются достаточно мощные ионные «следы», а источ-
ник обладает большим запасом электрического заряда, то по этим следам обра-
зуется мощный канал разряда. Вы все видели самую мощную искру в природе –
молнию. Борьба с последствиями ударов молнии составляет значительную
часть забот энергетиков при передаче электроэнергии по воздушным ЛЭП вы-
сокого напряжения. Такие же искры создают и для мгновенного разогрева ве-
щества в лабораториях, в этом случае разряжается не облако, а конденсаторная
батарея. В промышленности искры в специальном режиме используются в
электроискровых станках, где концентрация энергии позволяет осуществлять
съем материала малыми порциями.
Если искровой промежуток подсоединить к мощному источнику посто-
янного или переменного тока, то в промежутке может возникнуть электриче-
ская дуга. Температура газа в ней очень высока (до 7000 К), и электроны вос-
68
производятся за счет процесса термоионизации газа, в котором могут присутст-
вовать и пары материала электродов. Фактически в канале дуги вещество нахо-
дится в состоянии частично ионизованной плазмы. В промышленности элек-
трическая дуга как источник весьма высоких температур применяется в дуго-
вых источниках света, а также для сварки металлических деталей (дуговая
электросварка) и в промышленных электропечах для выплавки инструменталь-
ной стали и почти всех сталей специального назначения. Разработана аппарату-
ра для плазменно-дуговой резки.
В резко неоднородных электрических полях при давлениях газа, близких
к атмосферному, в газе возникает коронный разряд. Зона ионизации - это об-
ласть сильного поля вблизи электрода с малым радиусом кривизны – «чехол
короны». Коронный разряд возникает в виде святящегося ореола на остриях
(как корона монархов) или проводах [21] . В практическом применении корон-
ного разряда функционально можно выделить несколько направлений. Чехол
коронного разряда есть источник электронов и ионов (электрических зарядов) в
газе. Этот электрический заряд связан с частицами в коронном