举例说明:
举例1:古代的石拱桥,不需要科学知识,凭直觉就能想到
当时的人并没有科学知识,不知道石头受压强度高,受拉强度低,但凭直觉就知道要把桥洞建成上弓形,这样才能不塌。
举例2:电梯导轨固定支架的选择,不需要科学,用实验和经验选择。
电梯上下运行需要导轨,防止晃动和擦墙,导轨的受力大小与箱体的重量,速度和不平衡有关,所以把导轨固定在墙壁上的支架也要有大小,如何选择支架的大小,如何选择固定的方式,完全凭直觉无法判断。先考虑理论计算,稍微思考下就会发现,考虑的因素太多,有点复杂:极端平衡情况,转为到导轨的压力,压力转移到支架上的剪切力,支架弯曲强度,轿厢允许最大位移等。如果这样计算下来,头都大了。一般这种情况,没人会通过计算来决定支架的大小。通常的做法是做实验,在轿厢极端不平衡时,观察支架的弯曲程度,轿厢的稳定程度,感觉足够舒适即可,然后选择不小于临界尺寸的支架。更简单的办法是,直接凭经验,选择足够大的支架。
举例3:原子弹的材料U235的分离,需要科学知识推导
铀矿中U235和U238总是混在一起,原子弹只需要U235,怎样分离出来呢?这就需要科学知识推理。因为是同位素,就导致没有化学方法能分离,只能利用物理差异。同位素的唯一区别就是原子量不同,从而密度不同。密度不同就可以利用沉淀的方法分离,把铀矿变成液态或气态,然后利用其浮力不同导致分离。为了加快分离速度,就必须加大浮力差,根据浮力定律,要提高浮力差只能把重力加速度加大,离心力等效于重力,所以就用高速旋转的容器分离,即高速离心机。离心加速度的数值可以利用科学知识精确计算出来,但旋转速度,液体温度,分离速度和轴心附近的U235纯度,这些关键因素间的数量关系,无法用科学理论计算,只能是通过实验测量,实际的操作,这些实验数据也只是参考,工人会根据经验来操作。除了这些,还需要具体设计旋转系统,分离系统,温度控制系统,进料系统等,然后组合在一起。
可以想象出,复杂的功能实现,一般都会需要科学的指导,后期操作都需要实验和经验。为了能让技术研发变得容易,可以多人分工合作,就必须要把功能分解,形成多个模块,每个人只负责一个模块研发,这些模块要做到物理上可单独实现,设计和制造上容易做到,通过接口可以和其他系统组合。
下面具体讲述下技术研发的步骤:
步骤:
1,明确问题,明确目标,会有哪些物理化学现象和属性,有哪些限制条件。
2,推导实现的方案
3,比较方案的优劣,分析各方案的经济性,可靠性,选择方案
4,方案分解,分层分模块,让每个模块能独立设计,易于设计,易于组合。
5,任务分配,每个人只做一个小模块设计。
举例:可燃冰开采
1,针对的问题:甲烷和泥沙冰以固态的形式储存在深部海底,需要把甲烷分离出来并输送到海面。
2,物理化学现象:可燃冰是甲烷和冰的化合物,不是混合物,以氢键结合,甲烷储存在水分子形成的笼子里,只要水分子由冰变成液态或气态,笼子就被破坏,甲烷就会以气态溢出。水分子从固态变成液体气态所需要的压力和温度有临界值。
3,限制条件:甲烷泄漏到大气中会造成严重的温室效应,必须防止泄漏。可燃冰是在至少500米以下的海底,上面只有上百米的沙土层,甲烷一旦气化,沙土层无法封闭甲烷。
4,根据上述知识推导解决方案:
方案一,把可燃冰直接从海底挖掘出来,然后加热液化冰,甲烷以气态分离出来,这种方案显然不可行,1000米以下的海底,挖掘和传送上来成本太高,更严重的是无法避免甲烷溢出到大气中。
方案二:把可燃冰变成液体泵出到海面,然后甲烷溢出。但泵出成本较大。
方案三,在海底液化冰把甲烷分离出来,然后通过管道让甲烷以气态流出。经济上可行,关键是防止泄露。
方案四,收集可燃冰下层的游离甲烷气体,降压,让可燃冰慢慢分解。成本最低,但必须有封闭的游离层,开采速度不能太快。
假如选择了方案三,然后就是功能分解:加热系统,收集系统,防泄漏系统,防砂系统,管道系统,检测系统,控制系统,钻探系统,定位系统,等等。每个系统还需要继续分解,直到容易设计和实现,容易多人分工合作为止。每个子系统的研发依然是上述的步骤,分析要实现的功能,选择方案。如加热系统实现手段:高温水,电加热,红外线,等等,高温水显然能效比较差。再详细分析其他实现手段的优劣势,最终作出选择。
其他系统也是一样的分析和选择过程。
通过这些分析和选择的步骤,逐步分解功能,找出实现的手段,大家分工合作,每个人只研究指定的子系统,然后组合,最终就会设计出可行的技术方案,制造出来复杂的设备。
对于一个机构,如果能够事先把系统分离,功能化,模块化,分别研发出各种功能的实现手段,设计标准,标准零部件,确定每种零部件的使用范围和选择参数,把这些知识制作成技术文件,供需要的人使用,这会大幅度提高研发效率,大幅降低研发难度。仍拿电梯公司举例,先把电梯模块化:曳引机,控制系统,箱体,配重,导轨,层门,箱体内装潢等,然后分别标准化设计,每种型号对应的参数,这样在研发新电梯时,只需按参数要求选择即可,普通研发人员不需要懂技术细节,只需要明确电梯的整体要求即可。这样就大幅提高研发效率,降低难度。高级研发人员可以集中精力研究具体细节技术,甚至可以把这些具体的技术研发外包,甚至直接外购零部件,更进一步提高效率,降低难度和成本。