第六章物理矛盾及解决方法

我们首先来看阿奇舒勒的矛盾矩阵。

阿奇舒勒矛盾矩阵由39个通用工程参数和40个创新原理构成，矛盾矩阵第一列表示改进的参数，第一行表示恶化的参数，共有39*39个小格子，每一个小格子代表一个工程矛盾（具体说明），非对角线上小格子所表达的矛盾为技术矛盾。该矛盾由对应小格子里所提供的创新原理解决（具体说明）。

需要说明：

1、不同的矛盾提供原理数不一样（1、

2、

3、4），尽可能应用所提供的创新原理解决问题，否则你定义的矛盾有问题；

2、如果非对角线上小格子里面没有数字，表明该矛盾在实际工程中不存在；

3、对角线上小格子里面没有数字，并不表示不存在矛盾，而是另一类矛盾。

我们知道，技术矛盾是两个参数之间形成的矛盾，即当一个参数改进时，引起另一个参数的恶化；当我们用同样的方式描述对角线上小格子所表达的矛盾时，应该是“当一个参数改进时，又引起该参数的恶化”，也就是说，对角线上小格子对应的正反两个参数是一个参数，说明这些参数自身产生了矛盾，这样的矛盾称物理矛盾。例如，笔记本携带时应该小点，使用时应该大点，对笔记本的尺寸相反的要求就构成了物理矛盾。本章研究物理矛盾及其解决方法。

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§1 物理矛盾的定义

?物理矛盾的定义：

?当一个技术系统中对同一个参数具有相互

排斥(相反的或是不同的)需求时，所产生的

矛盾称为物理矛盾。

对于技术系统的元素，物理矛盾有以下三种情况：

第一种情况，这个元素是通用工程参数，不同的设计条件对它提出了完全相反的要求，例如：对于建筑领域，墙体的设计应该有足够的厚度以使其坚固，同时墙体又要尽量薄以使建筑进程加快并且总重比较轻。建筑结构的材料密度应接近零以使其轻便，同时材料密度也应该足够高以使其具有一定的承重能力。另外还有：温度既要高又要低；尺寸既要长又要短；材质既要软又要硬等等。

第二种情况，这个元素是通用工程参数，不同的工况条件对它有着不同(并非完全相反)的要求，例如：灯泡的功率既要是25瓦，又要是100瓦；一个工件的形状，既要是直的，又要是弯的等等。

第三种情况，这个元素是非工程参数，不同的工况条件对它有着不同的要求，例如：冰箱的门既要经常打开，又要经常保持关闭；道路上既要有十字路口，又要没有十字路口。

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§1 物理矛盾的定义

物理矛盾的类型

根据参数的性质不同，物理矛盾可从几何、材料及能量、功能3个具体角度进行描述幻灯片6

§1 物理矛盾的定义

物理矛盾举例：

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§1 物理矛盾的定义

物理矛盾举例：

?冰箱的门既要经常打开，又要经常保持关闭；

§1 物理矛盾的定义

物理矛盾举例：

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相对于技术矛盾，物理矛盾是一种更尖锐的矛盾，也是更本质的矛盾。从哲学的角度看，物理矛盾的矛盾双方是对立统一的关系，矛盾的双方存在于同一客体中，因此就必然不可避免地产生冲突。要解决物理矛盾就要打破这种关系，通过将矛盾双方分离，破坏其统一关系，使其不再存在于同一客体中矛盾双方也就不再存在对立关系了，此时物理矛盾就得到了解决。

解决物理矛盾的分离原理有四个：

空间分离原理、时间分离原理、基于条件的分离原理、整体与部分的分离原理

其中空间和时间分离可以解决70%的物理矛盾。

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使用空间分离原理，先确定矛盾的需求在整个空间中是否都在沿着某个方向变化，如果在空间的某一

处，矛盾的一方可以不按一个方向变化，则可以使用空间分离原理解决问题，也就是说，当系统或关键子系统的矛盾双方在某一个空间只出现一方时，就可以进行空间分离。

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声纳

例如，轮船测量海底时，将声呐探测器安装在船上某一部位，而轮船上的各种干扰影响测量精度，如将声呐探测器单独置于船后千米之外，用电缆连接，使声呐探测器和轮船内的各种干扰在空间上得以分离，可大大提高测试精度。

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使用时间分离原理，先确定矛盾的需求在整个时间段上是否都在沿着某个方向变化，如果在时间段的某一段，矛盾的一方可以不按一个方向变化，则可以使用时间分离原理解决问题，也就是说，当系统或关键子系统的矛盾双方在某一个时间段中只出现一方时，就可以进行空间分离。

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例如飞机在起飞时，要求升力大，因此机翼面积

要加大，而正常航行时则相反，要求阻力小，理

想的方案是设计能调节机翼面积的活动机翼，以

适应在不同时间段飞行的不同要求。

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使用条件分离原理，先确定在各种条件下矛盾的需求是否都在沿着某个方向变化，如果在某种条件下，矛盾的一方可以不按一个方向变化，则可以使用条件分离原理解决问题，也就是说，当系统或关键子系统的矛盾双方在某一种条件下只出现一方时，就可以进行条件分离。

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例如，水射流可以当作软质物质，用于洗澡时按摩；

也可以当作硬质物质，以高压、高速射流用于加工

或作为武器使用，这取决于射流的速度条件或射流

中有无其他物质。

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当矛盾双方在系统、子系统、超系统的层次只出现一方，而该方在其他层次不出现时，则可以进行系统级别分离。

标准空气过滤器含有一层多孔过滤材料。当气流通过过滤材料时，它的气孔可将灰尘颗粒吸附。

如果孔的直径过小，尽管可以很好地将灰尘吸附，但会将过滤器早早地堵塞。如果孔的直径过大，虽不能将过滤器早早地堵塞，但不能很好地将灰尘吸附。

物理矛盾可简单地表述如下：

“过滤器材料的孔径应小些，同时，过滤器材料的孔径也应大些。”

解决方案：采用静电过滤器

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静电过滤器工作原理

静电过滤器的滤芯是一组平板电极。在相邻的电极间有小的空气间隙，每个电极与其他的电极相绝缘。相互间隔的电极与高压直流电源的正负极相连接。要过滤的气流沿着电极表面通过间隙。电极间的静电场使灰尘颗粒分子极化，并形成它们自己的电极。极化后的灰尘颗粒的分子使其正极与负电极的表面相吸，使其负极与正电极的表面相吸。从而，灰尘吸附在电极的表面而将其从空气中除去。

静电过滤器电极间的空气通道将起到大直径孔的作用,灰尘堵塞通道会很慢，同时，静电场将起到小直径孔的作用，静电场将拦住小的灰尘颗粒使其落在电极的表面上。

如何实现矛盾双方的分离，是解决物理矛盾的关键。为了让同学容易理解物理矛盾的产生和解决过程，这里给同学举几个例子。

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§2 解决物理矛盾的分离原理

土地爷的哲学

【例1】土地爷的哲学

古时候的一个神话故事说，有一次土地爷外出，临行前嘱咐他的儿子替他在土地庙“当值”，并且一定要把前来祈祷者的话记下来。他走后，前前后后来了四个祈祷者——一位船夫祈祷赶快刮风，以便乘风远航；一位果农祈祷别刮风，以避免把快成熟的果子给刮下来；一位种地的农民祈祷赶紧下雨，以免耽误了播种的季节；一位商人祈祷千万别下雨，以便趁着好天气带着大量的货物赶路。这一下子可难住了土地爷的儿子，他不知该怎么办才能满足这些人的彼此不同的要求，只好把所有祈祷者的话都原封不动地记了下来。很快，土地爷回来了，看了儿子的记录，哈哈一笑说，别愁眉苦脸了，照我的办法做就是了，肯定能满足他们各自的要求。土地爷提笔在上面批了四句话：“刮风莫到果树园，刮到河边好行船；白天天晴好走路，夜晚下雨润良田。”如此一来，四个不同的祈祷者都如愿以偿、皆大欢喜。

其实，土地爷的前两句话说的是风的“空间分离”，后两句话说的是雨的“时间分离”。

§2 解决物理矛盾的分离原理

伞的发明

【例2】伞的发明

伞，再熟悉不过的晴雨用具，家家必备，人人都用。伞的发明，也与解决物理矛盾有关。

鲁班是生活在2000多年前春秋末年时期的一位土木建筑工匠，他心灵手巧，发明了世界上第一把锯子，发明了亭子，发明了榫卯结构等。

鲁班的妻子云氏也是一个才思敏捷的人。她看到鲁班长年在外做工，日晒雨淋，很是辛苦，受到了鲁班发明亭子的启发，便想给鲁班做一个“活动的亭子”，让鲁班能够随身带着，一旦太阳暴晒或阴雨来临，可以有个遮阳避雨的物件。

可是，亭子虽然能遮阳避雨，但是体积太大了，不便于携带。如何让这个“活动的亭子”用的时候大，不用的时候小?

经过长时间的摸索和尝试，云氏终于成功了：她把竹子劈成一根根细条，中间用一根竹棍当柄，将那些细条聚合起来，捆扎在竹棍的一端，再在细条上蒙上牛皮，使之“收拢如棍，张开如盖”。一个缩小了的可以随身携带的“活动的亭子”——伞，就这样被发明了出来。后来，人们在云氏伞的基础上又不断加以改进，把牛皮换成丝绸；到宋代又用油纸代替丝绸，制成了油纸伞。

“收拢如棍，张开如盖”，用空间分离的原理很好地解决了伞盖在“用的时候大，不用的时候小”的物理矛盾。再到了现代，人们又把伞改进成了体积更小的折叠伞。

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§2 解决物理矛盾的分离原理

一个欧洲鞋业公司遇到的难题

【例4】一个欧洲鞋业公司遇到的难题

某欧洲鞋业公司生产一种知名品牌的运动靴。由于其运动靴的质量非常好，因此订货的主要客户都是

欧美比较大的运动超市。为了节约生产成本，这个欧洲鞋业公司把生产地点转移到了东南亚某个国家。

在靴子的生产过程中，生产工艺和质量控制得非常严格，一切似乎都很顺利。但是没有过多久,问题出现了：管理者很快发现少数当地工人有偷靴子的行为。管理者曾经多次公开警告，包括使用降薪、开除等管理手段，但是始终难以奏效，因为这个牌子的运动靴太有名气了，对当地的某些“鞋迷”来说吸引力很大。

我们现在来分析一下这个欧洲鞋业公司遇到的问题：生产过程需要降低人工成本，因此需要让东南亚国家的当地工人生产靴子，但是因为有当地工人偷靴子，所以又不能让当地工人生产靴子。在这里，在“既要”又“不要”让当地工人生产靴子的矛盾出现了，这是一个典型的物理矛盾。

解决这个矛盾的资源，实际上就在这双靴子的本身——你想到了解决方案了吗?

在咨询了技术创新专家以后，最后这个欧洲鞋业公司选择了如下的生产方案：生产地点还是选择在东南亚，但是，在某个国家生产左靴子，在另外一个国家生产右靴子，在第三个国家生产靴带子——对于生产地点来说，应用的是空间分离原理；对于靴子来说，应用的是整体与部分的分离原理——从此以后，工厂里丢靴子的现象基本上就杜绝了。

同样地，在生产诸如枪械等军工产品的时候，也常常采用把枪栓、撞针等零部件异地生产的方法，以避免在某一地枪支零部件丢失以后被窃贼组装成整枪的危险。

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§2 解决物理矛盾的分离原理

为了建设城市交通路网，必须在道路上设置许多交叉的十字路口。设计十字路口遇到的问题让人感到左右为难——道路应该有十字路口，以便让车辆驶向目的地；道路又不得有十字路口，以避免车辆相撞。那么，怎样设计十字路口才能兼顾两方面的需求呢?让我们看看如何利用四个分离原理来解决这个难题。幻灯片24

§2 解决物理矛盾的分离原理

(1)运用空间分离解决十字路口问题：采用高架桥、深槽路和地下通道(消除十字路口) 。

(2)运用时间分离解决十字路口问题：使用红绿灯，让车辆分时通过。

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§2 解决物理矛盾的分离原理

(3)运用基于条件的分离解决十字路口问题：

在十字路口中心使用转盘，四个方向的车流到达路口后，均进入转盘，形成减速和分流。其所遵循的条件是，遇到该去的路口就右转弯，否则就逆时针绕着转盘行驶；

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§2 解决物理矛盾的分离原理

(4)运用整体与部分的分离解决十字路口问题：

将十字路口设计成两个丁字路口，延缓一个方向的行车速度，加大与另外一个方向的避让距离。

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§2 解决物理矛盾的分离原理

空间分离原理举例

?如铅笔，既要写黑色，又要写红色，出现

了两头双色笔。同样还有双色、三头圆珠

笔等。

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§2 解决物理矛盾的分离原理

空间分离原理举例

炮弹筒的设计

工作原理：利用炸药推动炮弹(石头)攻击敌人。对早期的炮弹筒进行改进,增大其威力，让它能推动更大的石头，－增大孔径.但导致炮弹射程变短(炸药爆炸所产生气体需要填充较大空间，造成气体压力减小，加上石头重量增加，致使炮弹的瞬时爆发速度降低)

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§2 解决物理矛盾的分离原理

空间分离原理举例

?炮弹筒直径既要

希望大，又小。

－如何应用空间

分离原理解决？

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§2 解决物理矛盾的分离原理

空间分离原理举例

将炮弹头装填炸药的地方直径变小(可

以获得较大力，保证速度)，炮弹的通

道直径变大(可以装填直径较大的石

头)。两个不同的空间满足了两个不同

的要求。

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§2 解决物理矛盾的分离原理

舰载机机翼的设计

对于舰载机的机翼来说，为了具有更好的承载能力，以提供更大的升力，我们希望他大一些，但是，为了在航空母舰有限的面积上多放些飞机，我们有希望他小一些，用时间分离原理，解决这一物理矛盾：在航空母舰上停放时，机翼（前翼、尾翼）可以折叠存放，而在飞行时，飞机机翼打开。

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§2 解决物理矛盾的分离原理

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§2 解决物理矛盾的分离原理

整体与部分分离－物理矛盾的两个要求在两个不同层次上得到满足。

如自行车链条、铁链锁－在微观层面上是刚性的(可以实现特定的硬度、刚度要求)，宏观层面上是柔性的(可以实现软的要求－如形状的改变)。

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折叠自行车

行走时体积较大，存放时希望体积要小，采用时间分离原理解决

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首先通过物理矛盾定义步骤，准确的描述出物理矛盾，然后利用4大分离原理恰当的解决问题。

技术系统包含两类矛盾——技术矛盾、物理矛盾，研究发现他们可以相互转化，一般情况将技术矛盾转化为物理矛盾更便于问题的解决。

由于技术矛盾、物理矛盾可以相互转化，因此创新原理与分离原理之间必然存在一定的关系，找到这种关系更有利物理矛盾的解决。

现把这种关系提供给大家

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例如，在吃火锅的时候，有人喜欢吃辣的，有人不喜欢吃辣的，因此无法使用同一个火锅。解决问题的办法可以使用“鸳鸯火锅”。鸳鸯火锅就是使用了[创新原理1：分割]，即在同一个火锅中把不同口味的火锅汤做了空间分离；进一步分割的方式就是让每位食客各自使用一个小火锅。

例如，教师讲课用的教鞭，在使用时希望它长，而在讲完课后又希望它短，能放到书包里带走。人们使用了[创新原理7：嵌套]来比较好地解决了这个问题，让教鞭能够呈嵌套形状，自由伸缩。

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例如，对于前面讲过的鲁班的妻子云氏发明伞的例子，现代人感到伞虽然“收拢如棍”，但是伞收拢以后还是有点儿长，能否把伞再收缩得更小一些?于是，人们利用了[创新原理7：嵌套，创新原理15：动态特性]，又把伞改进成了体积更小的折叠伞，进一步体现了“用时大，不用时小”的要求。

例如：自行车在使用的时候体积要足够大，以便载人骑乘，在停放或携带其乘坐其他公共交通工具的时候体积要小，以便不占用空间。于是，人们利用了[创新原理15：动态特性]，解决方案就是采用单铰接或者多铰接车身结构，让刚性的车身变得可以折叠，形成了当前比较流行的“折叠自行车”。

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例如，船在水中高速航行，水的阻力是很大的。作为水运工具的船，必须在水中行进；而为了降低水的阻力、提高的船的速度，船又不应该在水中行进(例如在空气中行进阻力就会小很多)。利用[创新原理35：物理或化学参数改变]，可以在船头和船身两侧预留一些气孔，以一定的压力从气孔往水里打人气泡，这样可以降低水的密度和黏度，因此也就降低了船的阻力。

例如，运动员在高台跳水时所遇到的物理矛盾是：游泳池里的水应该硬，以便能够“支撑”住运动员的身体而不会撞到池底；游泳池里的水又应该足够软，这样才不容易伤害到高速入水的运动员。解决的方法是利用[创新原理35：物理或化学状态改变]，在游泳池的水里打人气泡，让水的平均密度低一些，变得更“柔软”一些。

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例如，电话的物理矛盾是，为了能保持通话，所以话机必须与电话机身连在一起，为了在房间里任意地方接听电话或者接电话时可以随时走动，话机又不应该与电话机身连在一起。于是应用[创新原理28：机械系统替代]，人们发明了无绳电话，用电磁场连接替代了话机与机身之间电线的连接。

例如，在诸如轮胎／塑胶模具、金属压铸模具等型腔表面的在线清理污垢，以及涡轮机叶片(不拆卸)清理除垢的过程中，经常使用喷砂处理。在去除了污垢以后，由于细砂难以完全清除干净，因此细砂形成了二次污染。所以喷砂工艺的物理矛盾是：模具需要喷砂，以便清除污垢；模具不能喷砂，以避免形成二次污染。解决这个物理矛盾的方法是，把细砂换成干冰颗粒(由二氧化碳在极低的温度下形成)，在压缩空

气作用下，喷射向模具表面，使其表面污垢急剧冷冻至脆化及爆裂(物理与化学状态变化原理)。当干冰颗粒钻进污垢的裂缝后，随即汽化消失(相变原理)，其体积膨胀近600倍，从而把污垢从模具表面彻底分离。有效地避免了二次污染。

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§3 分离原理与创新原理的综合运用

分离原理与发明原理之间关系列表