理论教育 经典物场概念讨论: TRIZ进阶及实践

经典物场概念讨论: TRIZ进阶及实践

时间:2023-08-03 理论教育 版权反馈
【摘要】:值得注意的是,在本章第一节中从《创》书中所摘录的阿奇舒勒对物场的阐述中,有几个问题需要做稍微深入一些的讨论。“最小技术体系(系统)”《创》书指出物场是一种“最小技术系统”,该说法已经约定俗成地使用多年,但是作者认为这是一个不准确的、应该讨论和修订的概念。显然,仅用一个“最小技术系统”来一般化地描述物场的特性是有一定局限性的。

经典物场概念讨论: TRIZ进阶及实践

值得注意的是,在本章第一节中从《创》书中所摘录的阿奇舒勒对物场的阐述中,有几个问题需要做稍微深入一些的讨论。

(1)“最小技术体系(系统)”

《创》书指出物场是一种“最小技术系统”,该说法已经约定俗成地使用多年,但是作者认为这是一个不准确的、应该讨论和修订的概念。实际上,阿奇舒勒本人也曾经意识到了这个问题,多年后他在《寻》一书中写道,“下面我们来研究最小问题。有两种初步意见:第一,‘最小’并不意味着是‘小的’、‘不大的’,只不过是在解决该问题时,需要在最少改变现有系统的条件下获得结果。……第二,在相同的情境中可以得到许多不同的最小问题。”由此看来,阿奇舒勒也试图在补充“最小”一词的不准确性,但是没有提出更好的替代词汇。

作者认为,物场并非是一种“最小技术系统”,更恰当的描述是一种“最简约技术系统”,或者是“组件最少的技术系统”,因为这可以反映出阿奇舒勒的物场定义的本意,即物场是一个“组件最少的技术系统”:只有两个物质和一个场(或“两个场,一个物质”)。

“最小”和“最少”是描述事物不同特性的限定词。通常对“最小”的认知是指“在相对尺度上最小”,与“最大”的词义相反;通常对“最少”的认知是指“在相对数量上最少”,与“最多”的词义相反。在较为严谨的语境情况下,二者并不能随意相互替代使用。如果不加说明地引用“最小技术系统”这一术语的话,容易引发读者“在尺度上最小”的思维惯性,不利于准确理解阿奇舒勒原著的本意。

例如,在物场模型中,金属锂原子核吸引一个外层电子的“核力场”相互作用模型,与地球吸引月球的“引力场”相互作用模型,是完全相似的“充分、有效的物场模型”。在彼此相互作用的界面/范畴上来考虑,二者都属于“组件最少的技术系统”,这是共性;在系统的尺度上,二者有天壤之别,这是差异。显然,仅用一个“最小技术系统”来一般化地描述物场的特性是有一定局限性的。

至此的问题是,如果以“组件最少的技术系统”来做叙述,字数较多不简洁,而去掉“组件”二字直接说“最少的技术系统”又会让人不知所云。

解决问题的办法是,应该找出一个兼有“最少”的意思,但是词语上又比较简洁,又可不局限于尺度的术语。那么“最简约”就是一个比较恰当的术语了,“简”即简化、简洁,就是“少”的意思,“约”有“约束”和“简洁”的意思。因此,“最简约技术系统”与“组件最少的技术系统”几乎完全同义,可以相互替代使用。

基于以上讨论,可以认为,已经普遍使用的“最小技术系统”一词,其原意本应是“最简约技术系统”,即解决发明问题时,要充分“聚焦于技术系统中实现相互作用的最简约的要素”,或“聚焦于实现技术系统基本功能的直接参与者”,即“两个物质,一个场”(或“两个场,一个物质”),而不要把不相关的事物牵扯进来。如果技术系统的结构和功能比较复杂,则可将技术系统的整体功能拆分成“子功能”(实现子功能的最简约结构),直至分解到最基本的“子子功能”(实现子子功能的最简约结构),然后再研究是哪些要素彼此之间相互作用的(有直接或间接的接触),由此而引导我们找到“最小问题区域”,并通过求解“最小问题”而快速、彻底地解决问题。

例如,汽车(技术系统1)在公路(技术系统2)上行驶,车轮有些打滑,请找出该问题情境中有直接或间接接触的最小问题区域,构建该问题的物场模型,如图5-13所示。

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图5-13 汽车在公路上行驶的相互作用图

功能分析的观点来看,汽车的行驶功能是依靠车轮与地面摩擦实现的。公路可以看作是汽车的超系统。分析该问题时,可把车辆和公路两个技术系统合并为一个问题系统考虑。并非所有的系统组件都参与了主要功能的实现。我们可以忽略问题系统中没有直接参与实现主要功能的组件,如汽车系统中的发动机、座椅、车漆、车窗等组件,公路系统中的护栏、车道标识线、提示牌、路基等组件,只把各自系统中有直接相互作用的系统组件(车轮与路面)画出来,形成“最小问题区域”,如图5-14所示。

如果把该“最小问题区域”中的组件作为物场模型的元素(图5-15)来考虑的话,所表达的就是“最简约技术系统”。最简约技术系统中有问题的组件就是物场中的元素“S1路面”和“S2车轮”,其组件之间的相互作用是摩擦。无论是停车时的静摩擦,还是行驶中的滚动摩擦,还是转弯时的横向摩擦等,都可转换为物场模型中的机械场(重力、驱动力、离心力)所形成的摩擦力。

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图5-14 车轮与路面的相互作用关系(www.daowen.com)

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图5-15 车轮与路面相互作用的物场模型

由以上例子可以看出:最小问题区域意味着所包含的参与实现主要功能的系统组件数量最少,一般是两个物质一个场。最小问题区域内的技术系统,是最简约技术系统。因此,对物场准确的理解和阐述是:物场是一种“最简约技术系统”。

(2)缺乏对功能的明确定义

在《创》、《寻》等阿奇舒勒的原著中,并没有对功能的定义。后来阿奇舒勒的学生对经典TRIZ做了一定的补充,给出了“两个物质的相互作用实现了技术系统的功能”这个功能的早期定义。该定义基本正确,但是显得不太全面、不够深入。

我们可以稍微深入一点提问:两个物质是怎么作用的?通过什么方式作用的?作用的机理是什么?显然阿奇舒勒没有给出详细阐述。他只是在《创》书大致地说,是场提供了能量,造成了相互作用:“场,它给出能量、力;就是保证物2对物1的作用(或它们的相互作用)。”他已经说到了相互作用,说到了场让物2发出动作,去作用在物1上,这几乎差一点点就给出了“两个物质的相互作用实现了技术系统的功能”的初步定义。

在阿奇舒勒时代,由于没有“功能载体”、“功能受体”(更没有功能分析)的概念,因此只能使用“物质之间的相互作用”、“场”这样的概念。可以说《创》书通篇都在追求对功能的改进,但是就是没有给出功能的定义,当然对功能的认识和定义是不够的。

对功能的认识是不断发展的。从早期经典TRIZ中给出的“两个物质的相互作用实现了技术系统的功能”的定义,发展到在现代TRIZ中所给出的“一个组件改变或保持了作用对象的某个参数,即为该组件所实现的功能”的定义,一直到USIT的功能模型指出:“两个物质的属性的相互作用,可以实现某个功能,并且该功能可以影响或激发第三个物质的某个属性。”形成了一个不断发展完善的过程。

作者的基本认识是:物场是一种最简约技术系统,其中物2对物1的有效作用的结果,会形成技术系统的设计目标——功能。两个物质属性的相互作用可以形成一种效应,效应施加在作用对象上就形成了功能。例如在前面提到的车轮与路面相互作用的例子,场就是摩擦力,相互作用的功能是改变了轮子的质心与地面的相对位置(参数),驱使车辆前行。车轮和路面的摩擦是一种物理效应,由载荷质量和表面粗糙性两个属性形成的,无论是载荷质量为零或者轮胎和地面的表面粗糙性趋于零,都会导致摩擦力趋于零,车轮在光滑的冰面打滑就是例证。

在物质属性方面,《创》书在描述解题过程中曾经提到,“场”反映了物质的某些效应方面的相互作用。场确实是物质的一种属性,经典TRIZ对场的属性研究比较到位,但是对其他更丰富的物质属性却没有涉及,当然也从未提到“属性”概念。

(3)对“场”的内容缺乏严谨的定义

《创》书中提出了一个广义的、物理学上并不完全存在的“技术场”的概念。阿奇舒勒认为:“在决定场的概念时,情况要复杂些。”物理学意义上的场只有四种,电磁场、引力场、强相互作用场、弱相互作用场。阿奇舒勒把“技术场”扩展为所有的“携带一定的标量或矢量的物质”,电场、磁场、热场、声场、机械场、化学场、光场、辐射场等,“都与‘合法的’物理学场同等看待”。至于“技术场”是什么,阿奇舒勒只有一句话,“它是一个空间。它的每一点,都对应着一定大小的标量或矢量。”至于场的能量是如何在这个空间内部传递的,是振荡的形式还是辐射的形式,能量的携带者实质是波还是粒子等,没有给出具体论述。

维基百科的“场(物理)”词条中对场做了比较详细、严格的阐述:在物理学里,场是一个以时空为变量的物理量。场可以分为标量场、矢量场和张量场等,依据场在时空中每一点的值是标量、矢量还是张量而定。例如,经典引力场是一个矢量场:标示引力场在时空中每一个点的值需要三个量,即为在每一个点的引力场矢量分量。更进一步地说,在每一范畴(标量、矢量、张量)之中,场还可以分为“经典场”和“量子场”两种,依据场的值是数字或量子算符而定。

场被认为是延伸至整个空间的,但实际上,每一个已知的场在够远的距离下,都会缩减至无法量测的程度。例如,在牛顿万有引力定律里,引力场的强度是和距离平方成反比的,因此在宇宙的尺度之下,地球的引力场会随着距离很快地变得不可测得。

定义场是一个“空间里的数”,这不应该减损场在物理上所有的真实性。“场占有空间。场含有能量。场的存在排除了真正的真空。”某些真空环境中可能没有物质,但并不是没有场,真空只是一定范围内的状态,即真空中的场形成了一个“空间的状态”;场必须由物质来实现,真空环境之外遥远的地方发出场的物质,支持了场的存在,代表了这些物质的基本属性。

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