Ein technisches System ist eine Gesamtheit von Elementen, die durch Beziehungen verbunden sind und zusammen eine Aufgabe erfüllen. Die Systemgrenze trennt es von der Umgebung. Über diese Grenze gehen Eingangsgrößen (Input) hinein und Ausgangsgrößen (Output) heraus. Sie gehören einer von drei Arten an: Stoff (Material, Wasser, Bohnen), Energie (Strom, Wärme, Bewegung) oder Information (Signale, Daten, Befehle).

Die Struktur eines Systems sind seine Elemente und deren Verbindungen. Die Funktion ist der Zusammenhang zwischen Input und Output, also das, was das System aus dem Input macht. Beim Kaffeevollautomaten sind Wasser, Bohnen, Strom und Tastendruck der Input. Kaffee, Kaffeesatz, Abwärme und Anzeige sind der Output.

Ein System kann Stoff, Energie oder Information wandeln, transportieren oder speichern. Daraus entsteht eine Tabelle mit neun Feldern, die 9-Felder-Matrix. Sie ordnet Systeme nach ihrer Hauptaufgabe ein.

Viele Geräte gehören in mehrere Felder. Ein Smartphone wandelt, transportiert und speichert Information. Man wählt dann das Feld der Hauptaufgabe.

Die Systemtheorie beschreibt Systeme allgemein durch Elemente, Beziehungen, Input und Output. So lassen sich Maschinen, Betriebe und Lebewesen mit denselben Begriffen untersuchen. Ist nur das Verhältnis von Input und Output bekannt, aber nicht der innere Aufbau, spricht man von einer Black-Box: Man misst Input und Output und schließt auf die Funktion. Ist die Struktur bekannt, ist es eine White-Box.

Bei einer Rückkopplung wirkt der Output auf den Input zurück. Eine Gegenkopplung wirkt dem Ergebnis entgegen und stabilisiert: Der Thermostat schaltet die Heizung ab, sobald die Raumtemperatur den Sollwert erreicht. Eine Mitkopplung verstärkt das Ergebnis: Das Mikrofon nimmt das Pfeifen aus dem Lautsprecher auf und verstärkt es weiter.

Für die Analyse eines einzelnen Systems stellst du fünf Fragen:

• Historische Einordnung: Wann entstand das System, welches Problem löste es, welche Vorgänger gab es?
• Prozessabläufe: Welche Schritte durchläuft der Input bis zum Output?
• Gesetzmäßigkeiten: Welche physikalischen oder technischen Gesetze bestimmen das Verhalten, zum Beispiel Energieerhaltung oder das Ohmsche Gesetz?
• Betrieb oder Simulation: Wie verhält sich das System im Einsatz? Ist Messen zu teuer oder zu gefährlich, rechnet man das Verhalten an einem Modell am Rechner nach. Das heißt Simulation.
• Betriebskennwerte: Zahlen, die das Verhalten beschreiben, etwa Leistung, Durchsatz (Stück je Stunde), Verfügbarkeit (Anteil der Zeit, in der das System betriebsbereit ist) und der Wirkungsgrad, der angibt, welcher Anteil der zugeführten Leistung als Nutzleistung ankommt.

Die Montage fügt Teile in einer festgelegten Montagefolge zu Baugruppen und zum fertigen System zusammen. Die Demontage zerlegt ein System wieder. Sie dient der Analyse (Aufbau und Aufgabe der Teile verstehen), der Reparatur und dem Recycling.

Lösbare Verbindungen wie Schrauben lassen sich zerstörungsfrei trennen. Unlösbare Verbindungen wie Schweißen oder Kleben lassen sich nur durch Zerstören trennen. Wer später reparieren oder recyceln will, wählt nach Möglichkeit lösbare Verbindungen.

Optimieren heißt, einen Prozess hinsichtlich einer Zielgröße zu verbessern und dabei vorgegebene Randbedingungen einzuhalten. Zielgrößen sind zum Beispiel Durchlaufzeit, Energieverbrauch, Ausschuss oder Kosten. Das Vorgehen: Zielgröße festlegen, messen, den Engpass suchen, dort ändern und erneut messen. Der Engpass ist die Stelle, die den Durchsatz des Gesamtablaufs begrenzt. Eine Verbesserung an anderer Stelle erhöht den Durchsatz nicht.

Viele Systeme arbeiten nicht allein. Im Verbundbetrieb wirken mehrere Systeme zusammen, um eine Gesamtfunktion zu erfüllen. Das Stromnetz mit Kraftwerken, Speichern, Leitungen und Verbrauchern ist ein Beispiel. Man zerlegt das Gesamtsystem in Subsysteme, die selbst Systeme mit eigener Struktur sind. Ein Auto hat zum Beispiel Antrieb, Fahrwerk, Karosserie und Bordelektronik.

Die Struktur des Verbunds zeigt, welches Subsystem mit welchem verbunden ist. Man modelliert sie als Blockschaltbild: Jedes Subsystem ist ein Kasten, Pfeile zeigen Stoff-, Energie- und Informationsflüsse. Das Modell lässt Einzelheiten weg und zeigt nur, was für die Frage wichtig ist. Die Verbindungsstellen heißen Schnittstellen. Sie legen fest, was in welcher Form ausgetauscht wird: Stecker und Maße, Spannung und Strom, Datenformat. Klare Schnittstellen erlauben es, Subsysteme einzeln zu entwickeln und auszutauschen.

Nur im Leistungskurs (erhöhtes Niveau). Ein Modell ersetzt ein reales System durch ein einfacheres, das für die Frage genügt. Ein Ersatzschaltbild stellt ein elektrisches Bauteil als Schaltung aus idealen Elementen dar. Eine reale Batterie hat einen Innenwiderstand $R_i$. Ihr Ersatzschaltbild ist eine ideale Spannungsquelle $U_0$ in Reihe mit $R_i$.

Beispiel: $U_0 = 9\,\text{V}$, $R_i = 2\,\Omega$, angeschlossen ist ein Verbraucher mit $R = 16\,\Omega$. Der Strom ist $I = U_0 / (R_i + R) = 9\,\text{V} / 18\,\Omega = 0{,}5\,\text{A}$. Die Klemmenspannung ist $U = I \cdot R = 8\,\text{V}$. Ein Volt fällt am Innenwiderstand ab.

Der Freischnitt ist das entsprechende Modell der Mechanik: Man denkt sich ein Bauteil aus dem System herausgeschnitten und ersetzt alles, was es hält oder belastet, durch Kräfte. So lassen sich die Kräfte an diesem Teil getrennt untersuchen. Die Berechnungen selbst gehören zur technischen Mechanik.