Der Zusammenhang von technischen und physikalischen Widersprüchen

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1 Der Zusammenhang von technischen und physikalischen Widersprüchen Dipl.-Ing. Horst Th. Nähler c4pi - Center for Product-Innovation naehler@c4pi.de Jedem technischen Widerspruch liegt mindestens ein physikalischer Widerspruch zugrunde und bildet damit die Ursache für den technischen Widerspruch. Das heißt, daß jeder technische Widerspruch in einen physikalischen umgewandelt werden kann. Die Umwandlung erfolgt dabei auf systematische Weise durch Identifikation eines Kontrollparameters, der beide Parameter des technischen Widerspruchs beeinflußt. Der Kontrollparameter muß in der einen Ausprägung vorhanden sein, weil dadurch Parameter A positiv beeinflußt bzw. ermöglicht wird, andererseits muß er in der gegensätzlichen Ausprägung vorhanden sein, um damit Parameter B zu ermöglichen (nach /Ide96a/). Parameter A Ausprägung beeinflußt Parameter A Kontroll-Parameter C (Anforderung und ) Widerspruch Parameter B Ausprägung beeinflußt Parameter B Ein Beispiel soll diese Zusammenhänge verdeutlichen. Bei einem Flugzeug sorgt das Tragflächenprofil dafür, daß beim Erreichen einer bestimmten die Strömungsverhältnisse um das Flächenprofil einen Auftrieb erzeugen. Bei dieser strömt die Luft über dem Flächenprofil schneller als unter dem Flächenprofil. Aufgrund des Bernoullischen Gesetzes entsteht durch die höhere Strömungsgeschwindigkeit ein Unterdruck über dem Tragflächenprofil, unter dem Flügel entsteht ein Überdruck (siehe Abb. 0.1). Als Resultat wird eine erzeugt, die das Flugzeug in die Luft hebt. Abb. 0.1: Umströmung und Druckverteilung an einem Tragflächenprofil /Kas88/ Um ein Flugzeug jedoch in der Luft halten zu können, darf eine bestimmte Mindestgeschwindigkeit nicht unterschritten werden, da es sonst zu einem Strömungsabriss kommt und die nicht mehr ausreicht, um das Flugzeug in der Luft zu halten.

2 Die wesentlichen Faktoren, die die beeinflussen, sind die der umströmenden Luft, die sich aus der Eigengeschwindigkeit des Flugzeugs und der Windgeschwindigkeit zusammensetzt, sowie dem Profil des Flügels. Das Flügelprofil wird dabei durch die Wölbung sowie die Fläche bestimmt, wobei eine größere Wölbung und größere Fläche einen höheren Auftrieb erzeugt. Als negative Auswirkung entsteht aber mit höherer Wölbung und Fläche auch ein höherer Luftwiderstand, wodurch die des Flugzeugs abnimmt. Diese Situation ist ein klassischer technischer Widerspruch, der wie folgt definiert werden kann: Bei einem Tragflächenprofil muß ein Kompromiß zwischen Auftrieb und geschlossen werden. Dabei muß das Tragflächenprofil so ausgelegt sein, daß die Wölbung und Fläche des Profils ausreichend groß ist, um genügend Auftrieb zu erzeugen. Andererseits muß sie klein sein, um einen geringen Luftwiderstand für eine ausreichende zu erzielen. a) b) c) Abb. 0.2: Kompromissbildung - a) keine Wölbung: geringer Auftrieb, geringer Widerstand b) große Wölbung: hoher Auftrieb, hoher Widerstand c) Kompromiß: etwas gewölbt, dadurch etwas weniger Auftrieb und etwas weniger Widerstand Zwei Anforderungen werden also gestellt: Der Auftrieb soll möglichst groß werden, die darf darunter nicht leiden. Mit diesen Angaben lassen sich die entsprechenden technischen Parameter in der Widerspruchsmatrix indentifizieren: Zu verbessern ist die, repräsentiert durch den Parameter 10, Kraft. Dadurch verschlechtert sich eigentlich Parameter 9, die. Im Schnittpunkt der beiden Parameter innerhalb der Matrix sind folgende innovative Grundprinzipien (IGP) zur Überwindung des Widerspruchs zu finden: IGP 13: Prinzip der Funktionsumkehr a.) Statt der Wirkung, die durch die Bedingungen der Aufgabe vorgeschrieben wird, ist die umgekehrte Wirkung zu erzielen. b.) Der bewegliche Teil des Objektes oder des umgebenden Mediums ist unbeweglich, und der unbewegliche ist beweglich zu gestalten. c.) Das Objekt ist auf den Kopf zu stellen bzw. umzukehren. IGP 28: Prinzip des Ersatzes mechanischer Wirkprinzipien a.) Elektrische, magnetische bzw. elektromagnetische Felder sind für eine Wechselwirkung mit dem Objekt auszunutzen. b.) Von unbeweglichen Feldern ist zu bewegten Feldern, von konstanten zu veränderlichen, von strukturlosen zu strukturierten Felder überzugehen. c.) Die Felder sind in Kombination mit Ferromangetteilchen zu benutzen.

3 IGP 15: Prinzip der Dynamisierung a.) Die Kennwerte des Objektes (oder des umgebenden Mediums) müssen sich so verändern, daß sie in jeder Arbeitsetappe optimal sind (Anpassung). b.) Das Objekt ist in Teile zu zerlegen, die sich zueinander verstellen oder verschieben lassen. c.) Falls das Objekt insgesamt unbeweglich ist, ist es beweglich (verstellbar) zu gestalten. IGP 12: Prinzip des Äquipotentials Die Arbeitsbedingungen sind so zu verändern, daß das Objekt mit konstantem Energiepotential arbeiten kann, z. B. nicht angehoben oder herabgelassen werden muß. Diese Prinzipien werden als Ausgangspunkt für die Entwicklung von Lösungskonzepten genutzt. Als Beispiel könnte das Prinzip 13 zu der Idee führen, die Triebwerke vor dem Tragflügel anzuordnen und den Schub gegen das Tragflächenprofil zu leiten, um die Strömungsgeschwindigkeit der Luft künstlich zu erhöhen und damit einen höheren Auftrieb zu erzeugen. Die Funktionsumkehr besteht dabei darin, daß das (vergleichsweise) unbewegliche Medium, nämlich die umgebende Luft, beweglich ausgeführt wird, der Tragflügel als Teil des beweglichen Objektes Flugzeug jedoch wird quasi zum statischen Bestandteil. Natürlich muß die technische Ausführung, Wirksamkeit und Wirtschaftlichkeit durch entsprechende Spezialisten überprüft und ausgearbeitet werden. Um aus dem technischen Widerspruch physikalische Widersprüche abzuleiten, werden nun Eigenschaften gesucht, die beide technischen Parameter beeinflussen und somit in zwei gegensätzlichen Ausprägungen vorhanden sein müssen. Wie schon in der Aufgabenstellung erläutert, ist ein Parameter zur Beeinflussung sowohl des Auftriebs als auch des Widerstandes die Wölbung des Profils: Die Wölbung muß möglichst groß sein, um einen hohen Auftrieb zu erzeugen, sie muß aber auch gering sein, um durch geringen Luftwiderstand eine hohe zu erreichen. Eine große Wölbung Kontroll-Parameter: Tragflächen-Wölbung Widerspruch: Das Flächenprofil muß stark gewölbt sein, es darf aber nicht gewölbt sein. Eine Geringe Wölbung

4 Ein weiterer möglicher Parameter wäre die Länge des Tragflügels als Einflußgröße auf die Flügelfläche: Ein langer Flügel erzeugt einen hohen Auftrieb, aber dadurch wird auch der Luftwiderstand erhöht. Die Anforderung kann also auch lauten: Der Flügel muß möglichst lang sein, er muß jedoch auch kurz sein. Eine langer Flügel Kontroll-Parameter: Tragflächen-Länge Widerspruch: Die Tragfläche muß lang sein, sie muß aber auch kurz sein. Ein kurzer Flügel Die gegensätzlichen Anforderungen können jetzt mit Hilfe der Separationsprinzipien voneinander getrennt werden, wodurch beide Ausprägungen des Parameters erfüllt werden können. So wird zum Beispiel überprüft, ob die Ausprägungen eventuell nur zu bestimmten Zeiten erfüllt werden müssen (Separation in der Zeit), oder ob man durch Änderung der Arbeitsbedingungen beide Ausprägungen ermöglichen kann. Bekannte Lösungen für das dargelegte Problem spiegeln sowohl die Grundprinzipien als auch die Separation der Anforderungen sehr gut wider: Technische Lösung 1: Der Tragflügel wird verstellbar bzw. beweglich ausgeführt, dadurch kann ein Teilbereich des Flügelprofils ausgefahren und abgewinkelt werden, wodurch sich das Flügelprofil ändert und nach Bedarf der Auftrieb wesentlich erhöht werden kann (Landeklappen). Das Lösungsprinzip ist hier IGP 15, das Prinzip der Dynamisierung: Das Objekt ist in Teile zu zerlegen, die sich zueinander verstellen oder verschieben lassen. Weiterhin ist hier auch die Separation in der Zeit wiederzufinden, da das Profil nur verändert wird, wenn es erforderlich ist, also nur zum Start oder bei der Landung. Abb. 0.3: Verschiedene Klappenausführungen zur Erhöhung des Auftriebs /Böl90/

5 Technische Lösung 2: Die Flügellänge wird je nach Anforderung variabel gestaltet, indem entweder Teleskopstrukturen angewendet werden (Teleskopflügel) oder aber die Flügel schwenkbar ausgeführt sind. Auch hier kommt das Prinzip der Dynamisierung und die Separation in der Zeit zum tragen. Abb. 0.4: Schwenkflügelflugzeug /Böl90/ Quellen und Literatur /Alt84/ Altshuller, Genrich Saulowitsch: Erfinden Wege zur Lösung technischer Probleme, limitierter Nachdruck der 2. Auflage, Herausgeber: Prof. Dr. Martin G. Möhrle, Cottbus, Planung und Innovation 1998 /Böl90/ Bölkow, Ludwig (Hrsg.): Ein Jahrhundert Flugzeuge, Düsseldorf, VDI-Verlag 1990 /Her00/ /Ide96a/ /Kas88/ Herb, Rolf; Herb, Thilo; Kohnhauser, Veit: TRIZ. Der systematische Weg zur Innovation, Landsberg/Lech, mi, Verlag Moderne Industrie 2000 Ideation International (Hrsg.): An Introduction to TRIZ, Southfield/MI, Ideation International 1996 Kassera, Winfried: Flug ohne Motor, 10. überarbeitete Auflage, Stuttgart, Motorbuch Verlag 1988