Các quy luật phát triển của các hệ thống kỹ thuật

05:32 CH @ Thứ Ba - 19 Tháng Tư, 2005

Tuy các hệ thống kỹ thuật do con người làm ra nhưng chúng phát triển theo những quy luật riêng, không phụ thuộc vào ý muốn của con người cụ thể. Thực tế cho thấy, người ta chỉ có thể chủ động thu được các kết quả ở một lĩnh vực nào đó bằng cách phát hiện, nắm vững và vận dụng tốt các quy luật chi phối lĩnh vực đó. Những việc làm trái quy luật chắc chắn dẫn đến thất bại, phải trả giá đắt, và nhiều khi để lại những hậu quả xấu, khó khắc phục. Nhà sáng chế, nếu sử dụng tốt các quy luật phát triển của các hệ kỹ thuật sẽ định hướng qua trình suy nghĩ sáng tạo, phát hiện và giải một cách có ý thức các bài toán, đưa ra sáng chế có triển vọng áp dụng lớn, dự báo khá tin cậy các vấn đề kỹ thuật nảy sinh trong tương lai và cách giải quyết chúng...

Dưới đây trình bài các quy luật đó.

1.Quy luật về tính đầy đủ của các hệ thống kỹ thuật

Một hệ kỹ thuật hoạt động tự lập phải bao gồm động cơ, bộ phận truyền động, bộ phận làm việc và bộ phận điều khiển. Trong đó mỗi bộ phận phải có khả năng làm việc tối thiểu và ít nhất phải có một bộ phận điều khiển được.

Thí dụ, chiếc máy tiện có đầy đủ các bộ phận này : động cơ để cho máy hoạt động; các trục, các bánh xe răng cưa, các khớp nối đóng vai trò truyền động; bộ phận làm việc là lưỡi dao tiện; các tay vặn, nút bấm, các tay đòn thực hiện chức năng điều khiển. Ở đây, bộ phận điều khiển còn ""yếu"" nên cần sự tham gia của người thợ tiện. trong các máy tiện tự động hoá cao, bộ phận điều khiển hoàn thiện hõn, người thợ chỉ còn làm công việc lắp ráp, chỉnh và theo dõi hoạt động của máy.

Quy luật vừa nêu cho thấy khuynh hướng hệ kỹ thuật thay thế dần một số chức năng của con người. Sự hình thành một hệ kỹ thuật thực hiện chức năng mới thường bắt đầu từ sự nảy sinh bộ phận làm việc. các bộ phận còn lại do con người hoặc môi truờng bên ngoài đảm nhiệm cho đến khi được thay thế bởi các bộ phận kỹ thuật tương ứng.

Chiếc xe đạp ban đầu chỉ gồm hay bánh xe ( bộ phận làm việc ) và thanh ngang nối chúng. Các phần còn lại, người đi xe tự làm lấy : dùng chân đạp xuống đường ( động cơ ), dùng thân mình để truyền chuyển động cho bánh xe và phải dùng sức để nghiêng xe đi ( lái ) khi đến chổ quẹo. sau đó, pedal, đĩa, xích được sáng chế ra để thực hiện chức năng truyền động từ thân người đến bộ phận làm việc. tay lái (ghi đông ) xuất hiện làm công việc điều khiển trở nên dễ dàng hơn. Động cơ lắp vào xe đạp ( xe gắn máy ) giải phóng người đi xe, khỏi phải sử dụng sức lực cơ bắp.

Quy luật này cho thấy, nếu ở đâu đó, nhà sáng chế còn bắt gặp máy móc chưa có đầy đủ các bộ phận nói trên, không chần chờ gì nữa, hãy làm cho chúng trở thành các hệ kỹ thuật tự lập.

2. Quy luật về tính dẫn năng của các hệ thống kỹ thuật

Bất kỳ hệ kỹ thuật nào cũng là hệ tiêu thụ và biến đổi dạng năng lượng nào đó, cho nên cần có sự thông suốt về mặt năng lượng từ động cơ qua bộ phận truyền động đến bộ phận làm việc. Để tăng tính điều khiển của hệ còn cần phải bảo đảm sự thông suốt năng lượng mang thông tin giữa bộ phận điều khiển và các bộ phận khác của hệ.

Nhà thiết kế, nếu không tính đến quy luật này, có thể mắc những sai lầm như : hoặc năng lượng bị tích tụ thừa tại các chi tiết nào đó và làm mau hỏng chúng, hoặc do sự dẫn năng kém mà phải sử dụng động cơ có công suất lớn hơn mức cần thiết, gây lãng phí. Mặt khác, biết quy luật này, người ta ý thức được việc chế tạo các chốt an toàn, các cầu chì để ngắt dòng năng lượng nếu chúng vượt qua giới hạn cho phép, có thể làm hỏng máy.

3. Quy luật về tính tương hợp các phần của hệ

Điều kiện cần để cho một hệ kỹ thuật có sức sống, về mặc nguyên tắc, phải có sự tương hợp giữa các phần của hệ theo các thông số sau: dạng năng lượng và cách truyền tãi, vật liệu, trạng thái vật lý của vật chất, thời gian, không gian, cách tương tác giữa các phần của hệ...Mức độ tương hợp càng cao thì khả năng làm việc của hệ kỹ thuật càng lớn. Sự hoàn thiện bất kỳ hệ kỹ thuật nào, ở mức độ này hay mức độ khác, đều liên quan đến việc nâng cao tính tương hợp giữa các phần của hệ và sau đó là với môi truờng bên ngoài.

Thí dụ, các nhà xây dựng khi đóng cọc công trình, chọn tần số búa đập phù hợp với tần số riêng của cọc ( tạo cộng hưởng) làm công việc trở nên dễ dàng hơn. Khi ghép, nối các chi tiết máy móc cần để ý lựa chọn vật liệu trung gian sao cho tương hợp với các chi tiết đó, nếu không, mối hàn, ghép hay dán sẽ không cho độ tin cậy và tuổi thọ như ý muốn.

4.Quy luật tăng tính lý tưởng của hệ kỹ thuật

Các hệ thống kỹ thuật phát triển theo hướng làm tăng mức độ lý tưởng của hệ.

Hệ kỹ thuật ra đời không phải là mục đích tự thân mà là phương tiện để thực hiện một công việc xác định. Lúc đầu, hệ kỹ thuật còn “xấu xí”, hoạt động chưa thật hiệu quả và nhiều khuyết tật. Dần dần, người ta hoàn thiện và mở rộng khả năng của nó, nói cách khác, đưa hệ dần đến mẫu lý tưởng. Mẫu lý tưởng là mẫu mang tính quy ước, được hiểu : không có hệ mà chức năng của hệ vẫn được thực hiện. Tất nhiên, trên thực tế không có chuyện như vậy, và các hệ kỹ thụật chỉ tiến gần đến mẫu lý tưởng chứ không bao giờ đạt đến cả.

Giải pháp kỹ thuật được coi là tiến đến gần mẫu lý tưởng nếu có một hoặc vài tính chất sau :

  1. Các kích thước của hệ kỹ thuật tiến gần hoặc trùng với kích thước của chính sản phẩm mà nó phải chế tạo, xử lý hoặc vận chuyển. Khối lượng của hệ kỹ thuật nhỏ hơn rất nhiều khối lượng của sản phẩm.
  2. Khối lượng và kích thước của hệ kỹ thuật hoặc của các phần chức năng chính tiến dần đến zero ( trong trường hợp giới hạn bằng zero ).
  3. Thời gian chế tạo, xử lý sản phẩm của hệ kỹ thuật tiến tới zero hoặc bằng zero.
  4. Hiệu suất của hệ kỹ thuật tiến tới một hoặc bằng một, còn chi phí năng lượng tiến tới zero hoặc bằng zero.
  5. Tất cả các phần của hệ kỹ thuật luôn luôn thực hiện công việc có ích một cách đầy đủ theo khả năng thiết kế.
  6. Hệ kỹ thuật làm việc trong thời gian dài vô tận mà không cần phải sửa chữa hoặc dừng lại.
  7. Hệ kỹ thuật làm việc không cần có người hoặc với sự tham gia tối thiểu của con người.
  8. Hệ kỹ thuật không có bất kỳ ảnh hưởng xấu nào đối với con người và môi trường.
  9. Hệ có thể thực hiện nhiều chức năng.
  10. Giảm số lượng các chi tiết của hệ kỹ thuật dần đến zero mà không ảnh hưởng đến chức năng của hệ.
  11. Giá thành sản phẩm tiến dến zero.

Quy luật tăng tính lý tưởng của hệ kỹ thuật đóng vai trò rất quan trọng trong tư duy sáng tạo kỹ thuật. Quy luật này giúp nhà sáng chế định hướng một cách khách quan suy nghĩ để tập trung những nổ lực cần thiết về phía đúng đắn nhất. Ở đây, hệ kỹ thuật đóng vai trò như ngọn hải đăng dẩn đường : mọi sáng chế không có tác dụng đưa hệ kỹ thuật về hướng lý tưởng sẽ nhanh chóng bị “lão hoá” và bị đào thải, thậm chí không được đưa ra áp dụng.

5. Quy luật về tính không đồng đều trong sự phát triển các phần của hệ kỹ thuật.

Các phần của hệ phát triển không đồng đều, hệ càng phức tạp thì tính không đồng đều càng lớn.

Sự phát triển không đồng đều giữa các phần của hệ là một trong những nguyên nhân phát sinh mâu thuẫn trong hệ kỹ thuật – các bài toán sáng chế mới. Giải quyết thành công các bài toán này ( khắc phục được các mâu thuẩn) là động lực thúc đẩy các hệ kỹ thuật phát triển. Thí dụ, khi trọng tải của các tàu thủy chở hàng bắt đầu tăng mạnh, công suất các động cơ cũng tăng nhanh theo, nhưng phương tiện hãm không thay đổi. Kết quả nảy sinh bài toán : làm thế nào hãm tàu chở dầu có trọng lượng choán nước 200,000 tấn ? bài toán này còn chưa có lời giải hữu hiệu, từ lúc bắt đầu hãm đến khi dừng hẵn, những con tàu lớn còn có thể đi thêm được vài hải lý.

6. Quy luật chuyển sang hệ trên

Khi đã cạn khả năng phát triển, hệ chuyển sang hệ trên với tư cách là một phần của hệ trên, và sự phát triển sẽ diễn ra tiếp tục ở mức hệ trên.

Thí dụ: trước kia, khi trình độ phát triển thấp, mỗi nhà đều dùng nước giếng hoặc nước sông. Sau đó, ở mức phát triển cao hơn, cùng với sự hình thành các khu dân cư tập trung, việc dùng nước theo kiểu cũ dẩn đến nhiều sự bất tiện, không lợi về mặc thời gian và kinh tế ( thử tưởng tượng mỗi nhà trong thành phố có một hay vài giếng nước cùng gàu, xô, máy bơm, cái lọc nước, khử trùng ..). hệ thống cung cấp nước chung cho cả thành phố được hình thành và sự phát triển tiếp theo xảy ra chính ở mức hệ trên này.

7. Quy luật chuyển hệ kỹ thuật từ mức vĩ mô sang mức vi mô.

Các bộ phận làm việc của hệ lúc đầu phát triển ở mức vĩ mô, sau đó chuyển sang phát triển ở mức vi mô.

Cho đến hiện nay, các hệ kỹ thuật có bộ phận làm việc là các “khối vật chất” kích thước vĩ mô còn chiếm số đông : cánh quạt máy bay, chân vịt tàu thủy, bánh xe ô tô, lưỡi dao tiện, gầu máy xúc...các sáng chế có thể tiếp tục hoàn thiện các “khối” vĩ mô này. Nhưng đến một lúc nào đó, giải pháp kỹ thuật hữu hiệu chỉ có thể đạt được khi chuyển các bộ phận làm việc sang mức vi mô, sử dụng trực tiếp các phân tử, nguyên tử, ion, điện tử..., được điều khiển bằng các loại trường như điện, từ, điện từ trường, nhiệt độ... cánh quạt máy bay được thay thế bằng các dòng khí của động cơ phản lực, xuất hiện các tàu thủy, xe chạy trên đệm không khí, điện từ. Tia lazer là công cụ đắc lực dùng trong thông tin liên lạc, gia công kim loại, chữa bệnh, chùm tia điện tử trong máy thu hình vẽ trên màn hình nhanh hơn bất kỳ cây bút vẽ thông thường nào.

8. Quy luật tăng tính điều khiển của hệ kỹ thuật

Hệ kỹ thuật phát triển theo hướng tăng tính điều khiển và tăng sự ảnh hưởng lẫn nhau giữa vật chất và các trường năng lượng có trong hệ thống.

Điều này được thực hiện bằng cách chuyển từ các trường cơ học sang các trường điện, từ và trường điện từ, tăng tính phân tán của vật chất và tăng số lượng các mối liên kết giữa các yếu tố của hệ thống, tăng tính nhanh nhạy của hệ thống.

Thí dụ, để nâng cao chất lượng đúc cần phải khuấy thép đang nguội dần trong khuôn. Đến thời gian gần đây,người ta còn cố gắng làm điều đó bằng cách xử dụng các máy khuấy cơ học, máy rung. Hiện nay,người ta chuyển sang dùng khuấy điện từ trong công nghệ đúc thép để khuôn liên tục. Máy bay cũng ngày càng trở nên linh động hơn : tùy theo chế độ bay mà máy bay có thể thay đổi dạng hình học của cánh, thân và hướng động cơ. Người ta cũng tạo điều kiện tối ưu cho các quá trình công nghệ như thành lập những phân xưởng đặ biệt xử lý các vật liệu bị ôxy hoá mạnh, ở đó không khí được thay bằng khí trơ.

Trên đây là một số quy luật phát triển của các hệ kỹ thuật đã được tìm ra. Những quy luật này giúp nhà sáng chế giảm một cách đáng kể số lượng các phép thử không cần thiết, và tập trung suy nghĩ về hướng những lời giải có khả năng áp dụng cao do gần với những hệ kỹ thuật lý tưởng. Nhờ những quy luật này, nhà sáng chế còn chủ động phát hiện các bài toán và giải chúng một cách có ý thức, không chờ đợi. Điều này quan trọng vì với tốc độ phát triển của xã hội loài người như hiện nay, khi bài toán xuất hiện mà không giải quyết được trong khoảng thời gian nhất định ( thời gian này sẽ ngày càng ngắn lại ) thì có thể nảy sinh nhiều tai hoạ với những hậu quả khó lường hết được. Thực tế với những vụ tràn dầu ra biển, sự phá hũy tầng ozon, thảm hoạ Trecnôbưn, bệnh AIDS, virut máy tính… cảnh tỉnh nhân loại về điều đó.

Với thời gian, người ta sẽ phát hiện thêm nhiều quy luật nữa và từng quy luật cũng được sẽ được cụ thể hoá hơn cho mỗi nghành kỹ thuật. Hiểu biết và vận dụng tốt các quy luật phát triển của các hệ thống kỹ thuật nói riêng, các hệ thống nói chung, giúp tăng tính điều khiển tư duy sáng tạo.

Cập nhật lúc:

Nội dung liên quan

  • Altshuller - cha đẻ của phương pháp luận sáng tạo

    11/02/2003Genrich Saulovich Altshuller (1926-1998) là người khai sinh ra phương pháp luận sáng tạo TRIZ (giúp canh tân, sáng chế sản phẩm mới trong khoảng thời gian ngắn nhất), là một trong những nhà bác học kiệt xuất nhất của thế kỷ 20.

Nội dung khác