物质和场的概念
1.物质要素
物质是指技术系统实现功能的物质实体或者工艺流程,它可以是整个系统,也可以是系统内子系统或单个系统的组成,甚至可以是环境工艺流程等。两种物质中,提供功能的物质称为“工具”,功能作用对象称为“作用对象”。这种定义方式和TRIZ功能模型分析中的功能定义是一致的,只是名称上有所区别而已。
物场分析中物质概念远比物理学定义的更为宽泛,这里的物质可以是一种与任何结构,功能、形状、大小、材质有关的实物;可以是复杂的实物,汽车、轮船、计算机等;可以是简单实物,杯子、铅笔、雨伞;可以是体积大的实物,太阳、地球;也可以是体积小的原子、分子、基本粒子,以及材料、工具、零件、人或环境。
从物质呈现出的状态看,典型的物理状态有真空态、等离子态、气态、液态、固态。还有大量的中间态和混合态,比如烟雾、泡沫、粉末、凝胶、气溶胶、沸石等。这些状态的物质有各自特性,如热学、电学、磁学、光学以及其他特性(热绝缘、半导体、铁磁性、发光体等等)。
物场分析中使用物质来定义作用主体和作用对象,涉及从宏观到微观不同的客观层面,如果分析的是宏观层面的问题,物质一般是宏观的,但是如果问题的原因涉及微观层次,也可以在微观层次建立物场模型。如果问题就是微观层次上发生的,如化学反应,那么为了深层次解决问题,应该以微观粒子为物质建立物质-场模型。甚至在某些问题中,“虚无”也可以直接作为物质出现,如房屋的裂缝导致水能通过。
物质的代号是S(Substance首字母),对一个系统中的多种物质,可以利用字母后面加数字加以区分,如S1、S2、S3等。
2.场要素
场是物质存在的一种形式,在空间中以连续的形式存在,场的每一个点都对应一定大小的标量和矢量,其作用是充当传递实物之间相互作用的媒介。如电场就是带电体在其周围产生的场,它是传递两个带电体之间电力作用的媒介。
也就是说,场是指工具和对象之间的相互作用所需的能量,两种物质依靠场去连接,场的存在必须依赖于某种物质的存在,物质是场的来源。与物质一样,场是完成某种功能的方法或手段。
现代物理学中,常见的有四种场:引力场、电磁场、弱核力场和强核力场。显然,这种场的分类不合适求解技术系统的解决方案,TRIZ将场的概念与范围扩大,并认为物质之间的相互作用如果出现了能量的产生吸收或转换,这种相互作用以及能量转换就是“场”,场的类别就是相互作用的类别。如果两种物质之间发生机械作用,就是机械场;如果发生了化学作用,就是化学场,以此类推,TRIZ中的场分类见表7-1。
表7-1 TRIZ涉及的各种场的分类表
场的分类具体描述如下:
(1)机械场:包括所有有关机械与工程的作用,机械场在我们生活中随处可见。引力和重力是物体之间自发产生的,重力是一种典型的机械场。
振动、共振、冲击、波(不包括声波),这些形式的振动都有自己的固有频率,我们应该合理的利用振动的机械场。
变形、混合、添加(不包括化学添加剂)、嵌入、移动、附着等等有关的作用,各种机械加工方法都是利用了机械场。例如,广泛使用的复合材料,复合材料使飞机变得更轻,而混凝土却使建筑更加坚固。
爆炸是一种能量突然释放的现象,同样也是可以利用的机械场。
(2)声场:一种小范围内的机械场振动的特殊表现。
声波作为一种机械波,把其从机械场中分离出来,目的是为了突出声波的“动态、谐波、振动”的特性,强调有关声音的特性,包括可听到的声波和听不到的超声波、次声波。人耳可以听见的声波频率是20赫兹到15 000赫兹,在不同介质中传播的声波可以为人们所用,例如,在医院中利用超声波对人体进行检查,在工业上超声波常用于无损探伤。
(3)热场:热的传递过程描述为热场。
普通的热和冷,吸热和放热反应,这些都每天发生在我们家中的厨房里。
热辐射、对流、热传导、绝热:靠近火炉取暖,穿衣服保暖等。
状态的改变(包括固体、气体、液体状态的变化),在状态变化的同时都伴随着热量的变化。
火、燃烧的利用:火的利用伴随着人类文明的发展。
(4)化学场:包括各种化学反应和化学变化,利用两种及两种以上的物质发生反应产生新的物质并伴随能量变化的过程。
常见的化学反应、化合物的溶解、结晶、聚合等。
使用催化剂、抑制剂、指示剂等:可以改变反应速率,改变气味、味道,改变颜色、p H值等等。
化学领域其实是非常广泛的,例如,化学反应发光,化学吸收作用,化学平衡等作用都可以被利用。
(5)电场:在物质-场分析中所有与电有关的现象都有电场参与。
放电、导电、绝缘、电离、电火花、压电效应等等。电已经应用于几乎全部领域。电火花加工广泛应用于工业领域,压电效应是一类重要的工业产品特性。
(6)磁场:在物质-场分析中所有与磁有关的现象都可以引入磁场。磁场和电场是密切相关的,电子的移动导致了磁场的产生,而变化的磁场又可以产生电场。
磁场、磁力、磁粒子、磁传导、磁性材料、电磁波(无线电波、微波、红外线、紫外线、X线、γ线)等,可见光也是一种电磁波(包括影像和颜色)。磁带、电视、CD/VCD等都是对磁场的应用。
日常生活中也是随处可见磁场的应用。比如电机的线圈、手机信号、微波等等。
(7)分子力场:分析亚原子状态层面的作用力,主要考虑强核力和弱核力两种基本力和亚原子微粒。其中包括:原子反应、放射、融合、激光、原子级别的表层效应、逸散、毛细作用等等。尽管分子力不太为人们所熟知,但实际上也是被广泛应用的,比如在医疗方面和考古方面。
(8)生物场:生物学是研究自然的科学,生物场是生态系统内的作用。生物场可以联系到地球上现有的各种动物、植物和微生物活动及生物作用,例如,生物合成、转基因生物、细胞分裂等等。
需要明确的是,一个技术系统可能要依靠多个场的综合作用才能建立。多种场的共存是很自然的,在很多情况下无法清晰地独立表述,所以场可能是相互影响、相互作用的。