第8課提高系統協調性的發明原理提高系統協調性的發明原理【案例導入】相同的發明原理解決不同的發明問題圖8-1問題不同，但解決問題用到的原理類似目錄8.1分割原理（1）8.2局部質量原理（3）8.3不對稱原理（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重量補償原理（8）8.8柔性殼體或薄膜原理（30）8.9多孔材料原理（31）1.分割原理（1）分割原理（1）分割原理是指這樣一種過程：以虛擬或真實的方式將一個系統分成多個部分，以便分解（分開、分隔、抽取）或合并（結合、集成、聯合）一種有益的或有害的系統屬性。在多數情況下，會對分隔后得到的多個部分進行重組（或集成），以便實現某些新的功能，并（或）消除有害作用。隨著分割程度的提高，技術系統逐步向微觀級別發展。指導原則：（1）將一個對象分成多個相互獨立的部分。（2）將對象分成容易組裝（或組合）和拆卸的部分。（3）增加對象的分割程度。分割原理（1）典型案例：（1）將輪船的內部空間分成多個彼此獨立的船艙。（2）宿舍樓中將同一層分成多個功能相同的小房間。（3）將學生分成不同的年級，不同的班級。（4）組合家具。（5）暖氣上的多個暖氣片。（6）在公司的組織結構上，使用模塊化的方法來實

現公司管理的柔性化。分割原理（1）分割原理（1）應用實例：如果系統因重量或體積過大而不易操縱，則將其分割成若干輕便的子系統，使每一部分均易于操縱。在管理學和心理學上，也可以對組織和觀念進行分割及組合。例8-1窗簾的發展演變是這樣的：一整塊布做的窗簾→左右兩塊布做的窗簾→百葉窗。可調節百葉窗是一個“提高系統的可

分性，以實現系統的改造”的實例。用可調

節百葉窗代替幕布窗簾，只要改變百葉窗葉

片的角度，就可以調節外界射入的光線。分割原理（1）課堂討論：請說一說其中蘊含的道理。①把一輛大型載重卡車分成車頭和拖車兩個獨立的部分。②將一個磁盤分成多個邏輯分區。③將書籍劃分為多個章節。2.局部質量原理（3）局部質量原理（3）局部質量原理是指：在一個對象中，特殊的（特定的）部分應該具有相應的功能或條件，能夠最好地適應其所處的環境，或更好地滿足特定的要求。指導原則：（1）將對象、環境或外部作用的均勻結構變為不均勻的。（2）讓對象的不同部分具有不同的功能或特性。（3）讓對象的不同部分處于完成各自功能的最佳狀態。局部質量原理（3）典型案例：（1）帶橡皮的鉛筆（橡皮的功能是擦除痕跡，鉛筆的功能是產生痕跡）。（2）圖釘一頭尖（便于刺入物體內），一頭圓（便于人手施加壓力）。（3）鍵盤上各個鍵的位置和大小各不相同，使用頻率較高的鍵位于最方便操作的位置，最常使用的鍵在體積上往往比其他鍵大（如

空格鍵和回車鍵）。（4）在食盒中設置間隔，在不同的間隔內放置不同

的食物，避免相互影響。局部質量原理（3）應用實例：對金屬表面進行滲碳處理可以增加材料表面的硬度，而金屬內部的特性并沒有改變，從而提高其耐磨性能。課堂討論：請說一說其中蘊含的道理。①瑞士軍刀（包含多種工具，如螺絲起子、尖刀、剪子等，其功能各不相同）。②羊角錘（一頭用來釘釘子，另一頭用來起釘子）。③將一個大房間用隔斷分成多個具有不同功能的小房間（廚房、衛生間、臥室、客廳、儲藏室等）。3.不對稱原理（4）不對稱原理（4）不對稱原理涉及從“各向同性”向“各向異性”的轉換，或是與之相反的過程。各向同性是指，無論在對象的哪個部位，沿哪個方向進行測量，都是對稱的。各向異性就是不對稱，是指在對象的不同部位或沿不同的方向進行測量，測量結果是不同的。通過將對稱的（均勻的）的形式（形狀、形態、外形）或結構變為不規則的（無規律的、不合常規的、不整齊的、不一致的、參差不齊的），可以增加不對稱性。指導原則：（1）將對象（形狀或組織形式）由對稱的變為不對稱的。（2）如果對象已經是不對稱的了，就增加其不對稱程度。不對稱原理（4）典型案例：（1）坦克裝甲的厚度，在不同部位是不同的。這種不對稱結構既可以保證重點部位的高抗打擊能力，又可以有效地減輕坦克的重量。（2）飛機機翼的上、下兩面的弧線是不同的，這種不對稱結構能在氣流作用下產生上升力。（3）計算機的內存條、聲卡、顯卡、網卡的插槽都采用不對稱結構，以保證這些設備的正確插接。不對稱原理（4）不對稱原理（4）應用實例：（故事：范蠡造秤）范蠡（前517—前448），字少伯，春秋戰國末期楚國宛（今河南南陽）人，是歷史上早期著名的政治家、軍事家和經濟學家、商人。他一生三遷，且“三至千金”，成為名聞遐邇的大富豪。后人稱之為“陶朱公”，民間稱之為“財神”，也稱為“商圣”。不對稱原理（4）相傳范蠡在經商中發現，人們在市場買賣東西，都是用眼估堆，很難做到公平交易，便產生了創造一種測定貨物重量的工具的想法。一天，范蠡在經商回家的路上，偶然看見一個農夫從井中汲水，方法極巧妙：在井邊豎一高高的木樁，再將一橫木綁在木樁頂端；橫木的一頭吊木桶，另一頭系上石塊，此上彼下，輕便省力。范蠡頓受啟發，急忙回家模仿起來：他用一根細而直的木棍，鉆上一個小孔，并在小孔上系上麻繩，用手來掂；細木的一頭拴上吊盤，用以裝盛貨物，一頭系一鵝卵石作為砣；鵝卵石搬動得離繩越遠，能吊起的貨物就越多。于是他想：一頭掛多少貨物，另一頭鵝卵石要移動多遠才能保持平衡，必須在細木上刻出標記才行。但用什么東西做標記好呢？范蠡苦苦思索了幾個月，仍不得要領。不對稱原理（4）一天夜里，范蠡外出小解，一抬頭看見了天上的星宿，便突發奇想，決定用南斗六星和北斗七星做標記，一顆星代表一兩重，十三顆星代表一斤。從此，市場上便有了統一計量的工具——秤。但是，時間一長，范蠡又發現，一些心術不正的商人，賣東西時缺斤少兩，克扣百姓。他想，怎樣把秤改進一下，杜絕奸商們的惡行呢？終于，他想出了改白木刻黑星為紅木嵌金屬星形，并在南斗六星和北斗七星之外，再加上福、祿、壽三星，以十六兩為一斤。目的是為了告誡同行：作為商人，必須光明正大，不能去賺黑心錢。就這樣，秤便一代一代地流傳了下來，并一直沿襲了兩千多年，直至今天。不對稱原理（4）不對稱原理（4）課堂討論：請說一說其中蘊含的道理。①從桿秤到天平的發展。②鎖及鑰匙運用增加不對稱性原理，來保證鍵合結構的唯一性。4.合并原理合并原理（5）合并既可以是空間上也可以是時間上的，其目的是將兩個或多個相鄰的對象（操作或部分）進行組合或合并。或者，在多種功能、特性或部分之間建立聯系，以便產生一種新的、想要的或唯一的結果。通過對已有功能的組合，可以生成新的功能。指導原則：（1）在空間上，將相似（相同、相關、接近、時間上連續）的對象加以組合（合并）。（2）在時間上，將相似的（相關的、同類的、接近的、相同的、時間上連續的）的操作或功能加以組合（合并）（最好是實現并行工作，以提高工作效率）。合并原理（5）典型案例：（1）利用網絡將多臺計算機聯結起來。（2）將多個單一插座集成到一起，組成插線板。（3）將多種機床按照特定產品的工藝規劃排列起來，形成一條流水線。應用實例：將多種單一功能的農業機械按照一定的順

序集成到一起，形成聯合收割機。合并原理（5）課堂討論：請說一說其中蘊含的道理。①將電視機、錄像機、收音機和錄音機的功能集成到一起，形成家庭影院。②將多種機床的功能“集成”到一起，形成加工中心。③冷熱水混合龍頭可同時放出冷水

和熱水，根據需求調節為所需的

溫度。5.多用性原理（6）多用性原理（6）多用性原理是指：將不同的功能或非相鄰的操作合并。使一個對象（例如，對象X）具備多項功能（例如同時具備功能A、功能B、功能C等），從而消除了這些功能（例如，功能B）在其他（相關）對象（例如，對象Y具有功能A、對象Z具有功能B）內存在的必要性（進而裁減對象Y、Z中承擔該功能的子對象），結果就是對象X可以實現多個對象（例如，對象Y、對象Z等）的功能，使對象具備多用性，可產生在其他情況下不存在的機會及協力優勢。指導原則：使一個對象能夠執行多種不同的功能，從而使其他只具有單一功能的對象成為多余的，進而可以將其他對象裁減掉。多用性原理（6）典型案例：（1）瑞士軍刀可以提供多種功能。（2）可調扳手是一種具有多用性的扳手（一把扳手可適合多種螺母）。應用實例：具備多種技能的操作人員屬于復合型人才。多用性原理（6）課堂討論：請說一說其中蘊含的道理。①家庭娛樂中心（具有錄音機、CD機、電視機、錄像機等功能）。②食品安全法也具有多功能性。它不僅能夠督促國內企業提高其產品質量，而且可以用來設置貿易壁壘，將別國的食品拒之門外。6.嵌套原理（7）嵌套原理（7）嵌套原理是指：通過遞歸地將一個對象放入另一個對象的內部，或讓一個對象通過另一個對象的空腔而實現嵌套。嵌套是指彼此吻合、彼此組合、內部配合的性質。嵌套原理的一個典型應用，就是俄羅斯套娃，因此，嵌套原理也被稱為套娃原理。嵌套的本質是彼此吻合、彼此組合或內部配合。指導原則：嵌套原理的應用指導原則是：（1）把一個物體嵌入另一個物體，然后將這兩個物

體再嵌入第三個物體，依此類推。（2）使一個對象穿過或處于另一對象的空腔。嵌套原理（7）典型案例：（1）收音機或電視機上的拉桿天線。（2）吊車的吊臂。（3）機場廊橋。（4）表格嵌套于軟件內部。在軟件開發的許多方面都存在嵌套的對象。（5）可將一些凳子相互疊放并使其彼此成45o角，從而實現嵌套（垂直及旋轉）。（6）特工人員隱藏于恐怖分子巢穴內部。（7）飛機起落架。起飛后起落架被收到飛機的機體內部。嵌套原理（7）嵌套原理（7）嵌套原理（7）應用實例：對一個系統進行評價，以確定如何基于嵌套原理來增加系統的價值。考慮不同方向上（如水平、垂直、旋轉或包容）的嵌套。在許多情況下，嵌套（包括空間的利用和包容被嵌套對象的重量）用來節省空間、保護對象不受損傷，以及使經過某個過程/系統變得輕松。通過將具有不同功能的

多個對象嵌套在同一個對象內，可以使該對象產

生多種獨特的功能。例如瑞士軍刀將多種功能嵌套于同一對象內部。嵌套原理（7）課堂討論：請說一說其中蘊含的道理。①廣告嵌套（藏身）于影視作品中（軟性廣告）。②“變形金剛”玩具是一種嵌套設計，在其中的一個嵌套取向上玩具變成一個汽車，在另一個取向上玩具變成一個機器人。③電子裝置埋置在動物皮革下面以進行跟蹤及鑒別。7.重量補償原理（8）重量補償原理（8）重量補償原理是指：通過用一個相反的平衡力（浮力、彈力或類似的力）來阻遏（抵消）一個不良的（不希望有的）力。指導原則：（1）將對象與另一個能提供上升力的對象組合，以補償其重量。（2）通過與環境的相互作用（利用空氣動力、流體動力等）實現對象的重量補償。重量補償原理（8）典型案例：（1）飛艇利用浮力來補償人和貨物的重量。（2）用氫氣球懸掛廣告條幅（利用氫氣球提供的上升力來補償條幅的重量）。（3）直升機的螺旋槳與空氣發生相對運動時，

可以提升上升力。應用實例：飛機機翼在空氣中運動的時候，機翼上方空氣

密度減小，下方空氣密度增加，產生升力。重量補償原理（8）課堂討論：請說一說其中蘊含的道理。①在一捆原木中混雜一些泡沫材料，從而使原木捆更容易漂浮。②水翼船的水翼與水發生相對運動時，可以為船提供向上的力。③利用環境中相反的力（或作用）來補償

系統的消極的（負面的）屬性。例如：

利用船體周圍的海水來冷卻油輪中裝載

的易揮發液體。8.柔性殼體或薄膜原理（30）柔性殼體或薄膜原理（30）柔性殼體或薄膜原理是指：利用柔性殼體或薄膜來代替傳統的結構，或利用柔性殼體或薄膜將一個對象與其所處的外界環境隔離開。指導原則：（1）使用柔性殼體或薄膜代替傳統的結構形式。（2）使用柔性的殼體或薄膜將對象與其所處的外界環境隔離開。柔性殼體或薄膜原理（30）典型案例：（1）網狀結構（例如蜘蛛網、漁網、網式吊床、網兜）。（2）用布衣柜代替木制衣柜。（3）帳篷、雨傘、皮包、氣球、潛水服、游泳帽、塑料浴帽。（4）膠囊（易于吞咽，便于藥物的緩釋）。（5）茶葉包、鞋盒中的干燥劑包。（6）用塑料大棚或地膜代替溫室，降低成本。應用實例：化妝品、指甲油、防曬霜可以提供保護并美化外貌。柔性殼體或薄膜原理（30）課堂討論：請說一說其中蘊含的道理。①衛星的太陽翼板是由很薄的金屬板