第8课 提高系统协调性的发明原理

第8课提高系统协调性的发明原理提高系统协调性的发明原理【案例导入】相同的发明原理解决不同的发明问题图8-1问题不同，但解决问题用到的原理类似目录8.1分割原理（1）8.2局部质量原理（3）8.3不对称原理（4）8.4合并原理（5）8.5多用性原理（6）8.6嵌套原理（7）8.7重量补偿原理（8）8.8柔性壳体或薄膜原理（30）8.9多孔材料原理（31）1.分割原理（1）分割原理（1）分割原理是指这样一种过程：以虚拟或真实的方式将一个系统分成多个部分，以便分解（分开、分隔、抽取）或合并（结合、集成、联合）一种有益的或有害的系统属性。在多数情况下，会对分隔后得到的多个部分进行重组（或集成），以便实现某些新的功能，并（或）消除有害作用。随着分割程度的提高，技术系统逐步向微观级别发展。指导原则：（1）将一个对象分成多个相互独立的部分。（2）将对象分成容易组装（或组合）和拆卸的部分。（3）增加对象的分割程度。分割原理（1）典型案例：（1）将轮船的内部空间分成多个彼此独立的船舱。（2）宿舍楼中将同一层分成多个功能相同的小房间。（3）将学生分成不同的年级，不同的班级。（4）组合家具。（5）暖气上的多个暖气片。（6）在公司的组织结构上，使用模块化的方法来实

现公司管理的柔性化。分割原理（1）分割原理（1）应用实例：如果系统因重量或体积过大而不易操纵，则将其分割成若干轻便的子系统，使每一部分均易于操纵。在管理学和心理学上，也可以对组织和观念进行分割及组合。例8-1窗帘的发展演变是这样的：一整块布做的窗帘→左右两块布做的窗帘→百叶窗。可调节百叶窗是一个“提高系统的可

分性，以实现系统的改造”的实例。用可调

节百叶窗代替幕布窗帘，只要改变百叶窗叶

片的角度，就可以调节外界射入的光线。分割原理（1）课堂讨论：请说一说其中蕴含的道理。①把一辆大型载重卡车分成车头和拖车两个独立的部分。②将一个磁盘分成多个逻辑分区。③将书籍划分为多个章节。2.局部质量原理（3）局部质量原理（3）局部质量原理是指：在一个对象中，特殊的（特定的）部分应该具有相应的功能或条件，能够最好地适应其所处的环境，或更好地满足特定的要求。指导原则：（1）将对象、环境或外部作用的均匀结构变为不均匀的。（2）让对象的不同部分具有不同的功能或特性。（3）让对象的不同部分处于完成各自功能的最佳状态。局部质量原理（3）典型案例：（1）带橡皮的铅笔（橡皮的功能是擦除痕迹，铅笔的功能是产生痕迹）。（2）图钉一头尖（便于刺入物体内），一头圆（便于人手施加压力）。（3）键盘上各个键的位置和大小各不相同，使用频率较高的键位于最方便操作的位置，最常使用的键在体积上往往比其他键大（如

空格键和回车键）。（4）在食盒中设置间隔，在不同的间隔内放置不同

的食物，避免相互影响。局部质量原理（3）应用实例：对金属表面进行渗碳处理可以增加材料表面的硬度，而金属内部的特性并没有改变，从而提高其耐磨性能。课堂讨论：请说一说其中蕴含的道理。①瑞士军刀（包含多种工具，如螺丝起子、尖刀、剪子等，其功能各不相同）。②羊角锤（一头用来钉钉子，另一头用来起钉子）。③将一个大房间用隔断分成多个具有不同功能的小房间（厨房、卫生间、卧室、客厅、储藏室等）。3.不对称原理（4）不对称原理（4）不对称原理涉及从“各向同性”向“各向异性”的转换，或是与之相反的过程。各向同性是指，无论在对象的哪个部位，沿哪个方向进行测量，都是对称的。各向异性就是不对称，是指在对象的不同部位或沿不同的方向进行测量，测量结果是不同的。通过将对称的（均匀的）的形式（形状、形态、外形）或结构变为不规则的（无规律的、不合常规的、不整齐的、不一致的、参差不齐的），可以增加不对称性。指导原则：（1）将对象（形状或组织形式）由对称的变为不对称的。（2）如果对象已经是不对称的了，就增加其不对称程度。不对称原理（4）典型案例：（1）坦克装甲的厚度，在不同部位是不同的。这种不对称结构既可以保证重点部位的高抗打击能力，又可以有效地减轻坦克的重量。（2）飞机机翼的上、下两面的弧线是不同的，这种不对称结构能在气流作用下产生上升力。（3）计算机的内存条、声卡、显卡、网卡的插槽都采用不对称结构，以保证这些设备的正确插接。不对称原理（4）不对称原理（4）应用实例：（故事：范蠡造秤）范蠡（前517—前448），字少伯，春秋战国末期楚国宛（今河南南阳）人，是历史上早期著名的政治家、军事家和经济学家、商人。他一生三迁，且“三至千金”，成为名闻遐迩的大富豪。后人称之为“陶朱公”，民间称之为“财神”，也称为“商圣”。不对称原理（4）相传范蠡在经商中发现，人们在市场买卖东西，都是用眼估堆，很难做到公平交易，便产生了创造一种测定货物重量的工具的想法。一天，范蠡在经商回家的路上，偶然看见一个农夫从井中汲水，方法极巧妙：在井边竖一高高的木桩，再将一横木绑在木桩顶端；横木的一头吊木桶，另一头系上石块，此上彼下，轻便省力。范蠡顿受启发，急忙回家模仿起来：他用一根细而直的木棍，钻上一个小孔，并在小孔上系上麻绳，用手来掂；细木的一头拴上吊盘，用以装盛货物，一头系一鹅卵石作为砣；鹅卵石搬动得离绳越远，能吊起的货物就越多。于是他想：一头挂多少货物，另一头鹅卵石要移动多远才能保持平衡，必须在细木上刻出标记才行。但用什么东西做标记好呢？范蠡苦苦思索了几个月，仍不得要领。不对称原理（4）一天夜里，范蠡外出小解，一抬头看见了天上的星宿，便突发奇想，决定用南斗六星和北斗七星做标记，一颗星代表一两重，十三颗星代表一斤。从此，市场上便有了统一计量的工具——秤。但是，时间一长，范蠡又发现，一些心术不正的商人，卖东西时缺斤少两，克扣百姓。他想，怎样把秤改进一下，杜绝奸商们的恶行呢？终于，他想出了改白木刻黑星为红木嵌金属星形，并在南斗六星和北斗七星之外，再加上福、禄、寿三星，以十六两为一斤。目的是为了告诫同行：作为商人，必须光明正大，不能去赚黑心钱。就这样，秤便一代一代地流传了下来，并一直沿袭了两千多年，直至今天。不对称原理（4）不对称原理（4）课堂讨论：请说一说其中蕴含的道理。①从杆秤到天平的发展。②锁及钥匙运用增加不对称性原理，来保证键合结构的唯一性。4.合并原理合并原理（5）合并既可以是空间上也可以是时间上的，其目的是将两个或多个相邻的对象（操作或部分）进行组合或合并。或者，在多种功能、特性或部分之间建立联系，以便产生一种新的、想要的或唯一的结果。通过对已有功能的组合，可以生成新的功能。指导原则：（1）在空间上，将相似（相同、相关、接近、时间上连续）的对象加以组合（合并）。（2）在时间上，将相似的（相关的、同类的、接近的、相同的、时间上连续的）的操作或功能加以组合（合并）（最好是实现并行工作，以提高工作效率）。合并原理（5）典型案例：（1）利用网络将多台计算机联结起来。（2）将多个单一插座集成到一起，组成插线板。（3）将多种机床按照特定产品的工艺规划排列起来，形成一条流水线。应用实例：将多种单一功能的农业机械按照一定的顺

序集成到一起，形成联合收割机。合并原理（5）课堂讨论：请说一说其中蕴含的道理。①将电视机、录像机、收音机和录音机的功能集成到一起，形成家庭影院。②将多种机床的功能“集成”到一起，形成加工中心。③冷热水混合龙头可同时放出冷水

和热水，根据需求调节为所需的

温度。5.多用性原理（6）多用性原理（6）多用性原理是指：将不同的功能或非相邻的操作合并。使一个对象（例如，对象X）具备多项功能（例如同时具备功能A、功能B、功能C等），从而消除了这些功能（例如，功能B）在其他（相关）对象（例如，对象Y具有功能A、对象Z具有功能B）内存在的必要性（进而裁减对象Y、Z中承担该功能的子对象），结果就是对象X可以实现多个对象（例如，对象Y、对象Z等）的功能，使对象具备多用性，可产生在其他情况下不存在的机会及协力优势。指导原则：使一个对象能够执行多种不同的功能，从而使其他只具有单一功能的对象成为多余的，进而可以将其他对象裁减掉。多用性原理（6）典型案例：（1）瑞士军刀可以提供多种功能。（2）可调扳手是一种具有多用性的扳手（一把扳手可适合多种螺母）。应用实例：具备多种技能的操作人员属于复合型人才。多用性原理（6）课堂讨论：请说一说其中蕴含的道理。①家庭娱乐中心（具有录音机、CD机、电视机、录像机等功能）。②食品安全法也具有多功能性。它不仅能够督促国内企业提高其产品质量，而且可以用来设置贸易壁垒，将别国的食品拒之门外。6.嵌套原理（7）嵌套原理（7）嵌套原理是指：通过递归地将一个对象放入另一个对象的内部，或让一个对象通过另一个对象的空腔而实现嵌套。嵌套是指彼此吻合、彼此组合、内部配合的性质。嵌套原理的一个典型应用，就是俄罗斯套娃，因此，嵌套原理也被称为套娃原理。嵌套的本质是彼此吻合、彼此组合或内部配合。指导原则：嵌套原理的应用指导原则是：（1）把一个物体嵌入另一个物体，然后将这两个物

体再嵌入第三个物体，依此类推。（2）使一个对象穿过或处于另一对象的空腔。嵌套原理（7）典型案例：（1）收音机或电视机上的拉杆天线。（2）吊车的吊臂。（3）机场廊桥。（4）表格嵌套于软件内部。在软件开发的许多方面都存在嵌套的对象。（5）可将一些凳子相互叠放并使其彼此成45o角，从而实现嵌套（垂直及旋转）。（6）特工人员隐藏于恐怖分子巢穴内部。（7）飞机起落架。起飞后起落架被收到飞机的机体内部。嵌套原理（7）嵌套原理（7）嵌套原理（7）应用实例：对一个系统进行评价，以确定如何基于嵌套原理来增加系统的价值。考虑不同方向上（如水平、垂直、旋转或包容）的嵌套。在许多情况下，嵌套（包括空间的利用和包容被嵌套对象的重量）用来节省空间、保护对象不受损伤，以及使经过某个过程/系统变得轻松。通过将具有不同功能的

多个对象嵌套在同一个对象内，可以使该对象产

生多种独特的功能。例如瑞士军刀将多种功能嵌套于同一对象内部。嵌套原理（7）课堂讨论：请说一说其中蕴含的道理。①广告嵌套（藏身）于影视作品中（软性广告）。②“变形金刚”玩具是一种嵌套设计，在其中的一个嵌套取向上玩具变成一个汽车，在另一个取向上玩具变成一个机器人。③电子装置埋置在动物皮革下面以进行跟踪及鉴别。7.重量补偿原理（8）重量补偿原理（8）重量补偿原理是指：通过用一个相反的平衡力（浮力、弹力或类似的力）来阻遏（抵消）一个不良的（不希望有的）力。指导原则：（1）将对象与另一个能提供上升力的对象组合，以补偿其重量。（2）通过与环境的相互作用（利用空气动力、流体动力等）实现对象的重量补偿。重量补偿原理（8）典型案例：（1）飞艇利用浮力来补偿人和货物的重量。（2）用氢气球悬挂广告条幅（利用氢气球提供的上升力来补偿条幅的重量）。（3）直升机的螺旋桨与空气发生相对运动时，

可以提升上升力。应用实例：飞机机翼在空气中运动的时候，机翼上方空气

密度减小，下方空气密度增加，产生升力。重量补偿原理（8）课堂讨论：请说一说其中蕴含的道理。①在一捆原木中混杂一些泡沫材料，从而使原木捆更容易漂浮。②水翼船的水翼与水发生相对运动时，可以为船提供向上的力。③利用环境中相反的力（或作用）来补偿

系统的消极的（负面的）属性。例如：

利用船体周围的海水来冷却油轮中装载

的易挥发液体。8.柔性壳体或薄膜原理（30）柔性壳体或薄膜原理（30）柔性壳体或薄膜原理是指：利用柔性壳体或薄膜来代替传统的结构，或利用柔性壳体或薄膜将一个对象与其所处的外界环境隔离开。指导原则：（1）使用柔性壳体或薄膜代替传统的结构形式。（2）使用柔性的壳体或薄膜将对象与其所处的外界环境隔离开。柔性壳体或薄膜原理（30）典型案例：（1）网状结构（例如蜘蛛网、渔网、网式吊床、网兜）。（2）用布衣柜代替木制衣柜。（3）帐篷、雨伞、皮包、气球、潜水服、游泳帽、塑料浴帽。（4）胶囊（易于吞咽，便于药物的缓释）。（5）茶叶包、鞋盒中的干燥剂包。（6）用塑料大棚或地膜代替温室，降低成本。应用实例：化妆品、指甲油、防晒霜可以提供保护并美化外貌。柔性壳体或薄膜原理（30）课堂讨论：请说一说其中蕴含的道理。①卫星的太阳翼板是由很薄的金属板