物理矛盾與四大分離原理

顏惠庚 李 弘

（常州市技術(shù)創(chuàng)新方法研究會，江蘇 常州 213031）

矛盾理論是TRIZ 九大經(jīng)典理論之一。TRIZ 創(chuàng)始人阿奇舒勒認為：“每個偉大發(fā)明的結(jié)果就是解決一個或多個矛盾”。因此，從某種意義上來講，技術(shù)創(chuàng)新的本質(zhì)就是發(fā)現(xiàn)并解決技術(shù)系統(tǒng)中存在的矛盾。

前兩講中已經(jīng)介紹過，阿奇舒勒將技術(shù)系統(tǒng)中的矛盾分為技術(shù)矛盾和物理矛盾兩大類。在技術(shù)系統(tǒng)中，兩個不同參數(shù)之間產(chǎn)生的矛盾叫技術(shù)矛盾，同一個參數(shù)有不同的要求而產(chǎn)生的矛盾叫物理矛盾。之所以這樣分類，是因為解決這兩類矛盾的途徑和方法有所不同。

本講將著重討論物理矛盾的解決方法。

1 常見的物理矛盾

在國防、日常生活和工農(nóng)業(yè)生產(chǎn)活動中，物理矛盾幾乎無處不在。例如：偵察機應(yīng)飛行得很快，以便盡快離開被偵察的地區(qū)，但在被偵察的地區(qū)上空又應(yīng)飛行得很慢，以便多收集資料。

飛機的機翼應(yīng)有大的面積以便起飛與降落，但又要較小以便高速飛行。

飛機發(fā)動機罩既應(yīng)該加大直徑，以便吸入更多的空氣，但又應(yīng)該減小直徑，以增加該罩與地面的距離。

汽車應(yīng)該盡量減少自重，這樣既能減少油耗又能提高速度，但是這樣做，汽車自身的安全性能又會降低。

釣魚桿應(yīng)該足夠長，以滿足使用要求，但最好也要足夠短，以方便攜帶。

咖啡應(yīng)盡可能熱，以保持其味道，但又不能太熱，以防止燙傷飲用者。

鋼筆的筆尖應(yīng)該細，以使鋼筆能夠?qū)懗鲚^細的文字，同時鋼筆的筆尖又應(yīng)該粗，以避免鋒利的筆尖將紙劃破。

根據(jù)物理學(xué)中常用的參數(shù)，物理矛盾又可以從幾何類、材料及能量類、功能類三個角度進行表述，如表1 所示。

表1 常見物理矛盾的具體參數(shù)

2 物理矛盾的解決途徑

相對技術(shù)矛盾而言，物理矛盾是一種更為尖銳、更為本質(zhì)的矛盾。如圖1 所示，解決物理矛盾的核心思想是實現(xiàn)矛盾雙方的分離。TRIZ 理論在總結(jié)解決物理矛盾的各種研究方法的基礎(chǔ)上，提出了四大分離原理，即空間分離、時間分離、條件分離、整體與部分分離。

圖1 物理矛盾的解題模式與流程

分離原理是TRIZ 針對物理矛盾的解決而提出的，其核心思想就是將矛盾雙方進行分離，分別構(gòu)成不同的技術(shù)系統(tǒng)，以系統(tǒng)與系統(tǒng)之間的聯(lián)系代替內(nèi)部聯(lián)系，將內(nèi)部矛盾外部化。

當分離原理確定后，還是必須借助40 個發(fā)明原理來為我們提供解決問題的思路，表2 列出了四大分離原理與40 個發(fā)明的關(guān)系。

表2 分離原理與發(fā)明原理關(guān)系

3 應(yīng)用分離原理解決物理矛盾

3.1 空間分離原理

空間分離的應(yīng)用條件：系統(tǒng)的某個參數(shù)出現(xiàn)相反（或不同）的要求，但又并不出現(xiàn)在同一個空間。這時，可以將矛盾雙方在不同的空間上分離開來，以獲得問題的解決或降低問題的解決難度。

案例5-1：玻璃杯。

玻璃杯中的水要熱，以使茶葉的色香味得到充分展現(xiàn)，但又不能熱，否則會導(dǎo)致手指燙傷，如圖2 所示。

圖2 玻璃杯

設(shè)問：何處要熱——杯子內(nèi)，何處要冷——杯子外。

判斷：空間不重迭，符合空間分離的條件。

發(fā)明原理：03 局部質(zhì)量原理 杯體加裝隔熱層

07 嵌套原理 真空保溫杯

案例5-2：立交橋。

為防止交通事故的產(chǎn)生，就必須解決道路交通中車輛有序通行的問題，保證東西方向的道路和南北方向的道路都能暢通無阻。

設(shè)問：何處需要通行——東西方向的道路，何處需要停止——南北方向的道路。

判斷：空間不重迭，符合空間分離的條件。

發(fā)明原理：17 空間維數(shù)變化原理

根據(jù)這一原理，設(shè)計了立交橋，如圖3 所示。類似的案例還有鴛鴦火鍋、電冰箱、快餐盒等。

圖3 立交橋

3.2 時間分離原理

時間分離的應(yīng)用條件：系統(tǒng)的某個參數(shù)出現(xiàn)相反（或不同）的要求，但又并不是同時出現(xiàn)。這時，可以將矛盾雙方在不同的時間上分離開來，以獲得問題的解決或降低問題的解決難度。

案例5-3：折疊式自行車。

在騎自行車的時候，希望自行車體積要大，以便能夠載人或者載物，但是在停放自行車的時候，又希望自行車體積要小，以便節(jié)省停車場的空間。

設(shè)問：何時要大——騎行時，何時要小——停放時。

判斷：時間不重疊，符合時間分離的條件。

發(fā)明原理：01 分割原理

根據(jù)這一原理，折疊式自行車解決了這一物理矛盾，在使用的時候展開自行車，在停放或攜帶的時候，折疊起來，如圖4 所示。

圖4 折疊式自行車

案例5-4：狂風(fēng)超音速戰(zhàn)斗機。

對于飛機的機翼而言，為了具有更好的承載能力，以提高更大的升力，我們希望它大一些，但是為了在航空母艦有限的面積上多放飛機，我們又希望它小一些。矛盾集中在幾何尺寸的既想大又想小的物理矛盾上。

設(shè)問：何時要大——飛行時，何時要小——停放時。

判斷：時間不重疊，符合時間分離的條件。

發(fā)明原理：01 分割原理

采用折疊式機翼可以實現(xiàn)機翼面積的時間分離，用以解決這一物理矛盾。飛行的時候展開機翼，停放的時候讓機翼折起來，如圖5 所示。

圖5 狂風(fēng)超音速戰(zhàn)斗機

該飛機能夠得到平直翼和三角翼的優(yōu)良飛行特性，極大地節(jié)約了在起飛、降落過程和高速飛行過程中的能量消耗。

案例5-5：交通信號燈（紅綠燈）。

城市交叉路口為防止交通事故的產(chǎn)生，就必須解決道路交通中車輛有序通行的問題，保證東西方向的車輛和南北方向的車輛都能有序通行。

設(shè)問：何時可以通行——其他車輛停止時，何時需要停止——其他車輛通行時。

判斷：時間不重迭，符合時間分離的條件。

發(fā)明原理：19 周期性作用原理

根據(jù)這一原理，設(shè)計采用紅綠燈，如圖6 所示。

圖6 紅綠燈

類似的案例還有：釣魚桿、露營帳篷、折疊傘等。

3.3 條件分離原理

條件分離的應(yīng)用條件：系統(tǒng)的某個參數(shù)出現(xiàn)相反（或不同）的要求，而且時間和空間有交叉但無法使用時間分離或空間分離來解決物理矛盾時，應(yīng)該考慮采用條件分離的手段。

條件分離是將矛盾雙方在不同的條件下分離開來，以獲得問題的解決或降低問題的解決難度。

案例5-6：跳水池。

跳水池里的水要軟，以減輕水對運動員的沖擊傷害，但又要求水必須硬，以支撐運動員的身體，水的軟硬取決于跳水者的入水速度。

設(shè)問：什么情況下需要硬——入水時，什么情況下需要軟——入水時。

判斷：由于時間和空間都重迭，不符合時間、空間分離的條件，所以考慮采用條件分離原理。

發(fā)明原理：03 局部質(zhì)量原理

35 物理或化學(xué)參數(shù)改變原理

解決的方法是采用局部充滿氣泡的跳水池，以解決這一物理矛盾，實現(xiàn)條件上的分離，如圖7 所示。

圖7 跳水池

案例5-7：交通環(huán)島。

城市交叉路口采用紅綠燈，固然可以解決交通安全的問題，但這是在犧牲一定的通行效率的前提下獲得的，是否可以采用別的更高效的辦法？

設(shè)問：什么情況下需要通行——同一地點的任何時間，什么情況下不能通行——同一地點的任何時間。

判斷：由于時間和空間都重迭，不符合時間、空間分離的條件，所以考慮采用條件分離原理。

發(fā)明原理：14 曲面化原理

根據(jù)這一原理，人為設(shè)置所有車輛必須逆時針方向進入環(huán)島和條件，從“面”實現(xiàn)了車輛的分離，如圖8 所示。

圖8 交通環(huán)島

類似的案例還有：汽車安全帶、混合液體的蒸餾（或分餾）、高速公路超速監(jiān)測、不合格產(chǎn)品的檢測等。

3.4 整體與部分分離原理（也稱系統(tǒng)級別分離）

所謂整體與部分分離原理，是將矛盾雙方在不同的層次分離，以解決問題或降低解決問題的難度。當矛盾雙方在關(guān)鍵子系統(tǒng)的層次只出現(xiàn)一方，且該方在子系統(tǒng)、系統(tǒng)或超系統(tǒng)層次內(nèi)不出現(xiàn)時，可以進行整體與部分分離。

案例5-8：輪船與聲吶探測器的分離。

在利用輪船進行海底測量工作時，早期是把聲吶探測器安裝在輪船上的某個部位，這樣在實際測量時，輪船本身就會成為干擾源影響到測量的精度和準確性。

當物理矛盾無法用時間、空間、條件達到分離目的時，應(yīng)當考慮采用整體與部分分離原理。對應(yīng)問題：需要及不需要狀況下，是否可以將系統(tǒng)與子系統(tǒng)分開？

設(shè)問：需要聲納作為海底測量的部件，但輪船本身并不需要此部件，則部件與輪船可以分離嗎？

判斷：可以分離。

發(fā)明原理：02 抽取原理

一種解決方法是輪船利用電纜拖著聲吶探測器，以在黑暗的海洋中感知外部世界的信息，如圖9 所示。因此，被拖拽的聲吶探測器與產(chǎn)生噪聲的輪船之間在空間上就處于分離狀態(tài)，互不影響，實現(xiàn)了矛盾雙方的分離。

圖9 聲吶探測器

案例5-9：交通樞紐大型立交橋。

在交通流量巨大的交通樞紐地區(qū)，要保證車輛不積壓、不造成交通阻塞，就必須將各方向的車輛進行分流。

設(shè)問：道路上的車輛總是需要轉(zhuǎn)向、掉頭，但并不是所有車輛都在同一地點、同一時間需要轉(zhuǎn)向、掉頭，可以分離嗎？

判斷：可以分離。

發(fā)明原理：02 抽取原理

12 等勢原理

17 空間維數(shù)變化原理

在大型立交橋的設(shè)計中，可以把各個方向上所有的轉(zhuǎn)向、掉頭都從主干道上作為子系統(tǒng)分離出去，如圖10 所示。

圖10 大型立交橋

類似的案例還有：空中加油機、分體式空調(diào)機、電腦移動硬盤（U 盤）、電腦鼠標等。

通過以上四大分離原理及其案例的介紹，我們可以知道解決物理矛盾的基本邏輯是：首先要確認問題是否屬于物理矛盾（同一個工程參數(shù)出現(xiàn)相反或不同的要求），其次判斷適用哪種分離原理，然后選擇適當?shù)陌l(fā)明原理進行思考，最后形成概念解。

4 其他案例

接下來，將通過案例5-10，進一步介紹如何應(yīng)用分離原理解決實際問題。

案例5-10：打樁問題。

在把混凝土樁打入地基的過程中，人們希望樁頭比較鋒利，以便使樁容易進入地面，同時又不希望樁頭過于鋒利。因為，在樁到達指定的位置后，過于鋒利的樁頭，不利于樁承受較重的負荷而保持穩(wěn)定。

應(yīng)用空間分離原理解決混凝土打樁的問題，如圖11 所示。在樁的上部附加一個錐形的圓環(huán)，并將該圓環(huán)與樁牢牢地固定在一起，從空間上將矛盾進行分離。這樣一來，既保證了混凝土樁容易打入地基，同時又可以使混凝土樁能夠承受較大的載荷。

圖11 應(yīng)用空間分離原理解決打樁問題

應(yīng)用時間分離原理解決混凝土打樁的問題，如圖12 所示。在混凝土樁的導(dǎo)入階段，采用鋒利的樁頭將樁打入地面，當樁到達指定的位置后，將樁頭分成兩半或者采用內(nèi)置的爆炸物破壞樁頭，使得樁頭有較大的面積而可以承受較大的載荷。

圖12 應(yīng)用時間分離原理解決打樁問題

應(yīng)用條件分離原理解決混凝土打樁的問題，如圖13 所示。在樁身上增加一些螺紋結(jié)構(gòu)，當把樁旋轉(zhuǎn)起來時，樁就向下運動；如果樁不旋轉(zhuǎn)，樁就保持靜止，從而解決了方便導(dǎo)入樁與樁承受較大載荷之間的矛盾。

圖13 應(yīng)用條件分離原理解決打樁問題

應(yīng)用整體與部分分離原理解決了混凝土打樁的問題，如圖14 所示。將原來一根較粗的樁，用一組較細的樁來代替，從而方便地解決了導(dǎo)入樁與樁承受較重載荷之間的矛盾。

圖14 應(yīng)用整體與部分分離原理解決打樁問題

5 技術(shù)矛盾轉(zhuǎn)換為物理矛盾

技術(shù)矛盾是技術(shù)系統(tǒng)中兩個參數(shù)之間存在的相互制約，物理矛盾是技術(shù)系統(tǒng)中一個參數(shù)無法滿足系統(tǒng)內(nèi)相互排斥的需求。然而，無論是物理矛盾還是技術(shù)矛盾，都反映的是技術(shù)系統(tǒng)的參數(shù)屬性。因此，它們之間又是相互聯(lián)系的。

例如：為了提高技術(shù)系統(tǒng)中一個參數(shù)A 的效率，需要對系統(tǒng)中這個參數(shù)A 進行加熱，但是加熱會導(dǎo)致技術(shù)系統(tǒng)中另一個參數(shù)B 由于溫度太高而降低功能，因此這是一對技術(shù)矛盾。同樣，這樣的問題還可以用物理矛盾描述為既希望溫度高又希望溫度低。溫度高可以提高A 的效率，但是惡化了B 的功能；而溫度低又無法提高A 的效率，但是也不會惡化B 的功能。因此，技術(shù)矛盾和物理矛盾之間是可以相互轉(zhuǎn)化的。

因此，在作為技術(shù)矛盾出現(xiàn)的問題沒辦法解決時，可以轉(zhuǎn)化為物理矛盾，也許這樣能解決問題。接下來將通過案例5-11 來介紹如何將技術(shù)矛盾轉(zhuǎn)換為物理矛盾。

案例5-11：安瓿瓶的密封問題。

制藥企業(yè)生產(chǎn)液體針劑較多采用如圖15 所示的安瓿瓶作為定制包裝，當藥液裝入安瓿瓶后，需要通過高溫迅速將安瓿瓶進行封口。

圖15 安瓿瓶

這里產(chǎn)生的矛盾表現(xiàn)為一個典型的技術(shù)矛盾，即：我們希望通過較高的溫度使安瓿瓶口快速熔融密封（優(yōu)化參數(shù)A：生產(chǎn)率），但高溫產(chǎn)生的熱量會通過瓶體傳導(dǎo)給藥液，對藥物產(chǎn)生有害影響（惡化參數(shù)B：物體產(chǎn)生的有害因素）。

現(xiàn)在需要尋找一個控制參數(shù)C，并要求參數(shù)C 必須要高，同時參數(shù)C 還要低；或者參數(shù)C 必須存在，而且參數(shù)C 不能存在，如圖16 所示。

圖16 尋找控制參數(shù)C

將該問題轉(zhuǎn)變成為物理矛盾，選溫度作為控制參數(shù)C。物理矛盾可描述為：溫度C 增加，生產(chǎn)率A 提高，產(chǎn)生的有害因素B 增加；反之，生產(chǎn)率A 降低，有害因素B 減少；溫度既應(yīng)該高，以提高生產(chǎn)率；又應(yīng)該低，以減少有害因素的產(chǎn)生。

至此，我們就將一個技術(shù)矛盾完全轉(zhuǎn)化成了一個物理矛盾。至于如何解決這個物理矛盾，當然是用四大分離原理、再用發(fā)明原理來提供解決思路。