Текст книги "Что такое механизм"

Игорь Анатольевич Луценко
Что такое механизм. Электронная монография

© И. А. Луценко, 2018

Введение

Представим себе, что по горной тропинке, среди залежей гранитных глыб и камней идет путник. Что представляют собой для этого путника гранитные глыбы и камни?

Конечно, это часть природы.

Но вот путник подумал о том, что голоден, и решил расколоть грецкий орех.

Оглядываясь по сторонам, он замечает подходящего размера гранитный камень, помещает орех на плоскую платформу низко лежащей гранитной плиты и с помощью гранитного камня разбивает скорлупу ореха.

На наших глазах происходит превращение объектов природы в элементы системы дробления ореха. В элементы, потому что гранитная плита и камень – это не все, что нужно для того, чтобы разбить орех. Часть функций выполняет путник.

Он укладывает орех на плиту, поднимает камень, увеличивая его потенциальную энергию за счет расхода своей энергии, определяет траекторию движения опускаемого камня, дозирует энергию удара и забирает расколотый орех.

После того как путник пошел дальше, плита и камень снова теряют свой статус элементов системы и переходят в разряд объектов природы.

Этот пример говорит о том, что объект природы может переходить в категорию «элемент системы дробления» [1] и снова в категорию объектов природы только на том основании, что изменилось наше представление о возможности полезного использования природного камня.

То есть система – это одно из абстрактных понятий, с помощью которого мы разделяем окружающие нас объекты на разные категории.

Если мы решили, что камень очень красив, а следовательно, представляет собой ценность, то можем его забрать для того, чтобы продать или обменять. В этом случае камень переходит в категорию «продукт».

Как предмет, усиливающий наши возможности в колке орехов, камень – это предмет, который имеет ценность как орудие труда или элемент системы.

Камень и плита понадобились человеку для того, чтобы повысить уровень своих возможностей. Но еще очень давно люди заметили, что повышать свои возможности можно, не принимая непосредственного участия в процессе дробления, нагрева, перемещения…

Все, что для этого нужно, – это заменить свои усилия усилиями специально созданных для этого объектов физической природы. Называют такие объекты по-разному: машины, роботы, автоматы… Но если мы начнем разбирать все эти агрегаты на более мелкие, функционально одинаковые структуры, то неизбежно придем к тому, что в их основе находятся технологические механизмы дробления, нагрева, перемещения…

Давайте разберемся, зачем человечеству понадобилось вводить понятие «механизм» и что это вообще такое.

Но вначале нужно разобраться с тем, что такое действие.

Действие как признак неделимости

Предположим, нам нужно перенести книгу для чтения из книжного шкафа, для того чтобы почитать ее за журнальным столиком.

Мы берем книгу из шкафа, несем ее к журнальному столику. Теперь можем положить ее на журнальный столик и приняться за чтение.

Попробуем весь процесс, связанный с получением книги для чтения, разделить на различные действия. Для этого будем вводить персонажей, каждый из которых может выполнять минимальное количество разных действий.

Например, Антон просит Евгения принести ему книгу, а Евгений просит Константина подать ему нужную книгу из шкафа (рис. 1).

Рис. 1. Выделение видов действий с использованием введения дополнительных персонажей: К – книга; ПК – принеси книгу; ДК – дай книгу

Константин достает книгу из шкафа и передает ее Евгению.

Евгений переносит книгу и передает Антону.

Антон использует книгу по назначению.

Каждое действие или цепочку из одинаковых действий обозначим глаголами. Тогда можно сказать, что Константин выдает книгу Евгению. Евгений получает книгу, несет книгу и передает ее Антону. Антон – получает книгу.

Больше всего разных действий выполняет Евгений, потому что он является центральным звеном в этой цепочке.

Если бы центральным звеном был Константин, то он выполнял бы большее количество разных действий: принять книгу, положить в шкаф, выдать книгу.

Разделить действия Евгения на более простые и ввести в эту цепочку дополнительных персонажей не получится.

Если между Константином и Евгением ввести, например, Александра, то мы не сможем передать ему одно из действий Евгения.

Если действие «получить книгу» отдать новому персонажу Александру, то действие передачи книги Евгению все равно останется.

Это означает, что действия «получает», «несет» и «передает» являются одним целым.

Но что означает фраза «Принести книгу»?

Эта фраза выражает специфику действий Евгения, направленных на перемещение книги. Эту специфику удобнее выражать с использованием понятия «функция», или «функциональные возможности».

Функциональные возможности

Слово «функция» как отражение функциональной возможности удобнее не только тем, что с его помощью можно охарактеризовать серию действий. С помощью этого понятия можно определять как специфику действий человека, так и возможности машин и автоматов.

Мы ведь не говорим о возможности электрочайника нагревать жидкость как о действии чайника. Мы говорим, что чайник нагревает жидкость, или выполняет функцию нагрева.

Здесь использование слова «функция» лексикологически эффективнее использования слова «действие». Если каждый шаг человека – это действие, то функция перемещения характеризует этот процесс более емко.

Давайте посмотрим, как можно охарактеризовать функции Евгения, которые он не может никому передать.

Анализ показывает, что одна из этих функций является простой. Это функция получения книги. Все, что нужно для ее выполнения, – это удерживать книгу.

Вторая функция Евгения является сложной. Для выполнения этой функции Евгению нужно удерживать книгу и одновременно перемещать ее.

Третья функция также сложная. При ее выполнении нужно выдавать книгу. То есть, с одной стороны, удерживать, но усилие удержания должно ослабевать.

Представьте, что Евгений удерживает книгу на одной руке. В процессе передачи вторая рука сталкивает книгу в руки Антона.

Вот откуда две функции в процессе выдачи книги.

Таким образом, у нас есть неделимая функция Евгения, которая, в свою очередь, состоит из трех связанных функций.

Центральная функция перемещения книги является базовой функцией.

Простая функция приема книги и функция выдачи книги являются сервисными функциями.

Функцию, которую нельзя разделить между персонажами, определим понятием «комплектная функция».

Функция, которая требует комплексного воздействия на тот или иной продукт, назовем комплексной функцией. Базовая и сервисная функции выдачи книги являются комплексными функциями (рис. 2).

Рис. 2. Виды функций

Теперь можно сказать, что Евгений выполняет комплектную функцию перемещения книги [2].

Эта комплектная функция требует выполнения простой сервисной функции приема книги, базовой комплексной функции перемещения и сервисной комплексной функции выдачи книги.

Именно по имени базовой функции определяют комплектную функцию.

То есть если базовой функцией является функция перемещения, то и комплектная функция – это функция перемещения.

Если мы возьмем любую другую неделимую функцию, то она также будет состоять из базовой и сервисных функций.

Возьмем, к примеру, калькулятор.

Если нужно умножить одно число на другое, то от вычислительной системы нам потребуется выполнение комплектной функции умножения.

Перед началом нужно ввести в память калькулятора два числа. Здесь реализуются сервисные функции получения чисел.

При нажатии на клавишу «=» реализуется базовая функция умножения и сервисная функция выдачи результата на дисплей.

Продукты, операция и системные функции

Функциональная возможность – это способность биологического организма или машины-автомата выполнять определенную задачу. Но задача будет выполнена только тогда, когда есть полезный результат функционального воздействия.

Например, книга, полученная Евгением от Константина, является продуктом, на который направлено функциональное воздействие Евгения.

Говорят, что книга является входным продуктом операции перемещения.

Книгу, которую Евгений передает Антону, называют выходным продуктом операции перемещения.

В процессе движения Евгения книга перемещается по своеобразному каналу между Константином и Антоном.

Продукт, который перемещается между системой его подачи и системой потребления, определим понятием «канализируемый продукт».

В том случае, когда Евгений идет к Константину без книги, он сам является входным и выходным продуктом операции перемещения.

Но для того чтобы осуществить операцию перемещения, Евгений получает и выдает так же и другие – информационные продукты.

Он контролирует процесс получения и выдачи книги, определяет маршрут и скорость перемещения, получает задание от Антона и выдает задание Константину.

Все, что необходимо для выполнения функций операции перемещения, Евгений выполняет сам. В таком случае Евгений выполняет все системные функции перемещения. Это сами функции перемещения (технологические функции) и функции, необходимые для выполнения этих функций (функции управления) (рис. 3).

Рис. 3. Модель операции перемещения книги как процесс системного функционального воздействия на продукты операции

Момент начала получения сигнала «принеси книгу» и момент завершения выдачи книги Антону определяют продолжительность системной операции.

Продукты на входе и выходе системной операции называются системными продуктами.

Подведем итоги.

Все множество функциональных воздействий, которые приходится выполнять объекту для выполнения операции перемещения, определяют понятием «система перемещения».

Книга на входе и книга на выходе операции являются технологическими продуктами системной операции перемещения книги.

Информационные сигналы являются продуктами управления.

Для того чтобы выполнить комплектную функцию перемещения книги, Евгений выполняет множество других комплектных функций.

Все они являются системными функциями.

Те системные функции, которые непосредственно связаны с технологическим продуктом – перемещаемой книгой, – называют технологическими функциями.

Та технологическая функция, название которой определяет название соответствующей системы, определим понятием «базовая технологическая функция».

Например, в системе нагрева базовая технологическая функция – это комплексная функция нагрева.

Системные функции Евгения – это технологические функции и функции управления.

Несмотря на то, что Евгений выполняет множество функций, говорят, что он выполняет системную функцию перемещения или просто – функцию перемещения.

То есть Евгений выполняет функцию системы перемещения.

Название базовой технологической функции перемещения выносится также и в название всего комплекта системных функций.

Определение 1. Функциональная возможность — способность биологического организма или механизма оказывать предопределенное направленное воздействие на канализируемые продукты.

Определение 2. Продукт — объект внешнего мира, находящийся в отношении принадлежности к субъекту, обладающему по отношению к этому объекту правом имущественной собственности; как следствие, имеющий ценность для этого субъекта.

Определение 3. Продукт направленного воздействия – входной продукт, предназначенный для оказания на него системных воздействий с целью получения выходного системного продукта с более высокими потребительскими свойствами.

Определение 4. Канализируемый продукт – продукт, подвергающийся функциональному воздействию со стороны системных объектов.

Как работают системы

Благодаря нашим функциональным возможностям мы изменяем наш мир. Но возможности человека ограничены.

Например, человек не может своим теплом нагреть воду до температуры выше температуры собственного тела. Для того чтобы повысить уровень возможностей в этом направлении, люди создали механизмы нагрева.

Таким образом, возможности системы нагрева были расширены, но не за счет расширения возможностей человека, а за счет функциональных возможностей специально созданных механизмов.

Наблюдая за тем, как в системе нагрева функции человека заменяются функциями механизмов, мы сможем ответить на множество вопросов, связанных с тем, что такое механизм.

На рис. 4 изображено несколько систем, связанных с подачей, нагревом и потреблением нагретой жидкости. Каждая система выполняет одну простую технологическую функцию.

Система Константина выполняет функцию буферизации холодной жидкости, система Руслана – функцию производства электроэнергии, система Евгения – функцию нагрева, а система Антона использует нагретую жидкость.

Рис. 4. Модель взаимодействия управляемых систем: 1 – канал для подачи холодной жидкости; 2 – емкость; 3 – нагреватель; 4 – кабель подвода электроэнергии; 5 – термометр; 6 – жидкость; 7 – вентильная задвижка; 8 – канал выдачи нагретой жидкости

Для того чтобы сосредоточиться на системе нагрева, мы будем рассматривать только сервисные функции выдачи и получения систем Константина, Руслана и Антона.

Определение 5. Система – это функционально взаимосвязанное множество объектов, процессы которых направлены на качественное и максимально эффективное выполнение базового функционального воздействия на канализируемый продукт.

Прежде чем мы обратим внимание на внутреннюю структуру системы Евгения, рассмотрим, как системы взаимодействуют между собой.

Когда Антону нужна нагретая жидкость, он говорит об этом Евгению.

Узнав о потребности Антона, Евгений просит Константина налить в емкость 2 холодную жидкость. Когда жидкость налита, Евгений просит Руслана подать электроэнергию.

С момента подачи электроэнергии начинается процесс нагрева жидкости.

С помощью термометра 5 Евгений контролирует температуру нагрева, и когда она достигает заданного значения, просит Руслана отключить подачу электроэнергии.

После этого Евгений открывает вентильный кран 7 и передает нагретую жидкость Антону.

Для выполнения функций нагрева использовалось самое разнообразное оборудование: емкость, трубы, электронагреватель, термометр и вентильная задвижка.

Как разобраться с тем, что здесь является механизмом, а что нет?

Простой, комплексный и комплектный механизмы

Кибернетическим терминам не повезло. Функция, механизм, продукт, система, операция – все эти слова сначала стремительно вошли в нашу жизнь и получили множество значений, и только потом ученые занялись поиском определений того, что они обозначают.

Корни категории «механизм» берут начало от греческого mechane – «машина». То есть в начальном представлении механизм – это объект, который выполняет функции, полезные для человека.

В БСЭ механизм определен как «система тел, предназначенная для преобразования движения одного или нескольких тел в требуемое движение других тел» [3].

Однако как быть, когда мы говорим «механизм перемещения», «механизм дробления», «механизм нагрева»?

Вакуум в области абстрактных понятий, связанный с определением объектов, выполняющих самые разнообразные технические функции, привел к стремительному расширению использования категории «механизм» [4].

Так, мы говорим «механизм финансового контроля», «механизм обеспечения прав и свобод», «экономический механизм», «народнохозяйственный механизм»… Но каждое понятие должно опираться на некоторую концепцию и иметь логически четкое определение. При этом последующие определения объектов, которые построены с использованием базового определения, не должны вступать между собой в противоречие.

Давайте, к примеру, в качестве основы для определения простого механизма воспользуемся понятием «функциональная целостность».

Понятно, что каждый механизм предназначен для того, чтобы оказывать функциональное воздействие на определенный продукт или продукты. Но это функциональное воздействие не должно требовать, например, участия человека, для того чтобы функция механизма была реализована.

Например, закрытая емкость самостоятельно выполняет полезную функцию удержания определенного объема жидкости.

Электронагреватель самостоятельно выполняет полезную функцию преобразования потока электроэнергии в поток тепловой энергии.

А вот узел выдачи нагретой жидкости (рис. 4) самостоятельно не обеспечивает реализацию функции выдачи, поскольку для этого требуется дополнительное функциональное усилие человека, чтобы поворачивать вентильную задвижку.

Для того чтобы налить воду в емкость электронагревателя или подать электрическую энергию в электронагреватель, тоже нужны функциональные воздействия. Но эти воздействия направлены на то, чтобы обеспечить подачу продуктов на входы механизма. Все остальное электронагреватель выполняет сам.

Для того чтобы дать названия механизмам, воспользуемся названиями, которые мы дали функциям.

Введем понятие «простой механизм».

Определение 6. Простой механизм – технический объект, который выполняет одну полезную функцию без использования возможностей человека или другого биологического организма.

Так, замкнутая емкость, термометр и электронагреватель являются простыми механизмами.

Например, емкость принимает поток входящей жидкости. Полезным результатом функционального воздействия емкости на входной поток жидкости является ее получение и удержание накапливаемой жидкости (рис. 5).

а)

б)

в)

Рис. 5. Процесс приема потока жидкости: а) наполнение емкости жидкостью; б) входной поток жидкости; в) модель процесса приема жидкости

В этом проявляется сервисная функция емкости – функция приема потока жидкости.

Для того чтобы емкость самостоятельно выполнила свою полезную функцию, достаточно подать на ее вход поток жидкости.

Для выполнения комплексной функции нагрева жидкости нужно использовать несколько функционально связанных простых механизмов.

Например, после погружения электронагревателя и термометра в емкость с жидкостью комплексный механизм нагрева может самостоятельно выполнить свою функцию нагрева жидкости (рис. 6).

а)

б)

Рис. 6. Модель механизма нагрева а) и временные диаграммы нагрева б)

Для того чтобы комплексный механизм нагрева жидкости выполнил свою функцию, на его вход условно передается удерживаемая жидкость и поток энергии. Результатом функционального воздействия механизма нагрева является нагретая жидкость.

Определение 7. Комплексный механизм – агрегированный механизм, одновременно выполняющий функцию канализации и энергетического воздействия на канализируемый продукт.

Теперь нагретую жидкость нужно выдать потребителю. Эту функцию выполняет сервисный механизм выдачи (рис. 7).

а)

б)

Рис. 7. Модель комплектного механизма нагрева а) и временные диаграммы выдачи нагретой жидкости б)

Входными продуктами сервисного механизма выдачи нагретой жидкости являются нагретая жидкость и поток электроэнергии. Продуктом функционального воздействия является выходной поток нагретой жидкости.

Определение 8. Комплектный механизм – агрегированный механизм, выполняющий сервисную функцию получения канализируемого продукта, базовую функцию воздействия и сервисную функцию выдачи канализируемого продукта.

Продукты механизма

Пример с нагревом жидкости показал, что механизм предназначен для того, чтобы оказывать функциональное воздействие на определенный продукт. Определим такой продукт понятием «продукт направленного воздействия» (ПНВ).

После начала функционального воздействия механизма на ПНВ этот продукт переходит в класс канализируемых продуктов. Так происходит потому, что процесс функционального воздействия требует временной буферизации или перемещения внутреннего продукта со входа на выход механизма. Поэтому канализируемый продукт описывает определенную траекторию, буферизируясь или перемещаясь по сквозным каналам механизма.

За исключением механизмов, реализующих функции получения и удерживания, для реализации функционального воздействия все остальные механизмы требуют подачи энергетического продукта.

Завершение процесса функционального воздействия приводит к получению нового свойства канализируемого продукта.

На выходе сервисного механизма выдачи в общем случае формируется основной продукт, сопутствующий продукт и побочный продукт функционального воздействия механизма.

Проблемы терминологии

Обычно получается так, что люди вначале интуитивно подбирают подходящие слова, которые помогают выражать мысли, и только затем начинают выяснять их смысл.

Если принять определение механизма, которое дано в БСЭ («система тел преобразования движения одного или нескольких тел в требуемое движение других тел»), возникает множество вопросов.

Например, что считать телом? Что такое система? Что означает система тел и где границы этой системы?

В нагревателе, например, не передается движение от одного элемента нагревателя к другому. Так что, говорить «механизм нагрева» неправильно?

Размышляем дальше.

Существует ли самый большой механизм в смысле его сложности? Если да, то как назвать этот механизм? И что будет, если делить механизм на части?

Можно ли добраться до самого маленького объекта, который можно называть механизмом?

Если да, то и самый маленький, и самый большой механизмы должны иметь признаки, которые их объединяют. С другой стороны, большой и маленький механизмы, выполняющие одну и ту же базовую функцию, должны как-то отличаться названиями.

Чем больше механизм, тем больше дополнительных функций он выполняет.

Для того чтобы расширять свои возможности, человек создал множество самых разных технических устройств. Называют их по-разному: приспособление, инструмент, механизм, оборудование, машина, автомат.

Категория «механизм» особенная. Она охватывает весь спектр специальных объектов искусственного происхождения, предназначенных для оказания самостоятельного функционального воздействия объекта на определенные продукты.

Для того чтобы их отличать друг от друга, мы используем классификацию, которая основана на агрегирующем признаке механизмов [2].

Агрегирование – это объединение нескольких элементов в единое целое.

После первой попытки разобраться с тем, что такое механизм, можно сделать первые выводы и дать первые определения.

Определение 9. Механизм – это технический объект, который обеспечивает функциональное воздействие на канализируемые продукты при упорядоченной подаче на его входы продуктов определенного вида. При этом операции подачи входных продуктов механизма воздействиями не считаются.

Поскольку комплектная функция механизма предполагает подачу основного продукта на вход последующего комплектного механизма, можно определить простой пассивный механизм. Это всегда механизм буферизации.

Простой активный механизм осуществляет функциональное воздействие на энергетический продукт. При этом происходит преобразование энергетического продукта одного вида в энергетический продукт другого вида.

Например, электрический нагреватель преобразует электрическую энергию в тепловую энергию.

Комплексный механизм получается в результате агрегирования простого пассивного и простого активного механизма.

Комплектную функцию воздействия на канализируемый продукт всегда реализует комплектный механизм. Это сервисная функция получения ПНВ, функция базового воздействия и сервисная функция выдачи основного, сопутствующего и побочного продуктов.

Когда речь идет о комплектной функции, определенной в названии системы, например о функции нагрева, то это означает, что мы говорим о технологической комплектной функции нагрева.

Но технологическая функция нагрева – это не единственная функция, которая нужна для того, чтобы жидкость была нагрета. Попробуем расширять область использования механизма до тех пор, пока свойство функциональной целостности не будет нарушаться.

Обратим внимание на фразу «механизм оказывает функциональное воздействие на канализируемый продукт при подаче на его вход или входы определенных продуктов».

Это справедливо для простого, комплексного, комплектного или для любого, более крупного механизма.