История развития технических наук на примере теории механизмов

История развития технических наук

на примере теории механизмов

С О Д Е Р Ж А Н И Е

1.      Введение   ………………………………….…………….…………………3 стр.

2.      История развития технических наук на примере теории механизмов.…5 стр.

2.1             Предпосылки возникновения технической механики……………..5 стр.

2.2             Первые шаги в создании технической науки (по работам

Г. Монжа, Ж. Борньи, Ж. Кристиана, Р. Виллиса и др.)…….……6 стр.

2.3             Появление обобщенной теоретической схемы Ф. Релло………….9 стр.

              2.4              Полная теория машин  Л. Эйлера…...…………………..…………12 стр.

2.5              Создание системы кинематического анализа различных

механизмов Л.В. Ассуром……...………………………………..…13 стр.

              2.6              Математизированная теория механизмов И.И. Артоболевского..15 стр.

3.      Заключение...…………………………………………..……….……….…17 стр.

4.      Список используемой литературы...………………..…….….…………..19 стр.

1. Введение

Технические науки, которые формировались, прежде всего, как приложение различных областей естествознания к определенным типам инженерных задач, к середине XX в. образовали особый класс научных дисциплин, отличающихся от естественных наук как по объекту, так и по внутренней структуре, но также обладающих дисциплинарной организацией. Инженеры, провозглашая ориентацию на науку, в своей практической деятельности первоначально руководствовались ею незначительно. Лишь после многих веков разделения наука и техника соединились в XVII в. Однако только к XIX в. это единство приносит свои первые плоды, а в XX в. наука становится главным источником новых видов техники и технологии. Именно начиная с этого времени можно с полным правом утверждать, что в технических науках происходит теоретическое обобщение отдельных областей технического знания в различных сферах техники. Такое обобщение становится необходимым, прежде всего, в целях научного образования инженеров и происходит при определяющей ориентации на естественнонаучную картину мира [8].

Научная техника первоначально означала применение к технике лишь естествознания. Именно на этой естественнонаучной основе наука и техника соединились в начале научной революции. В период зарождения технических наук, начиная со второй половины XVIII в. до 70-х гг. XIX в., инженеры постоянно обращаются к естествознанию и математике для решения стоящих перед ними технических задач. Однако лишь к концу XIX в. происходит формирование корпуса научно-технических знаний на основе регулярного использования в инженерной практике знаний естественных наук и осуществляются попытки его систематизации, в том числе и в первую очередь в целях инженерного образования. Следствием этой кропотливой работы и было появление первых технических наук. Этот процесс в новых областях практики и науки происходит, конечно, и теперь, однако первые образцы такого способа формирования научно-технических знаний относятся именно к данному периоду. Классический период формирования и развития технических наук, простирающийся примерно до середины XX в., характеризуется построением целого ряда технических теорий.

Описать историю развития отдельных технических наук, либо кратко изложить даже самые общие вехи их развития является непосильной задачей для одного автора. Поэтому единственный общепринятый способ изложения истории технических наук - это ее рассмотрение на отдельных методологически обработанных и исторически показательных образцовых примерах (то, что в англоязычной литературе получило название Case Studies). В качестве такого образцового примера в своем реферате я выбрал теорию механизмов - как образцовый пример развития технической теории от инженерной практики к естественной науке [4].

2. История развития технических наук на примере теории механизмов

2.1. Предпосылки возникновения технической механики

Идея теоретического исследования механизмов и машин с целью их усовершенствования восходит к Античности. Механика, однако, не принадлежала тогда к естествознанию. Естественные движения и изменения рассматривались в качестве предмета исследования физики, механика же изучала простые машины (наклонная плоскость, блок, винт, рычаг, полиспаст) и составленные из них механизмы с использованием математических методов. Галилей открыл для математики путь к исследованию естественных, физических процессов во Вселенной, созданной Богом в виде огромного механизма, -небесной механики. Еще одной сферой успешного применения математики к механике становится область создания научных инструментов. Таким образом, идея необходимости соединения математики и механики к XVIII столетию стала очевидной [3].

Сформировавшаяся к этому времени профессия сначала военного, а затем и гражданского инженера стала занимать престижное место и означала серьезную научную и техническую подготовку. Постройка машин, водяных и ветряных мельниц вместе с механизмами и орудиями вменялась в обязанность, однако, не этим инженерам, а строителям мельниц, умелым практикам, известным под именем «мельничный врач» или «механик». К ним причислялись также изготовители астрономических, математических и физических аппаратов и инструментов, что требовало уже определенных математических и естественнонаучных познаний. Таким инженером-механиком был, например, Я. Леопольд, опубликовавший, в середине XVIII в. почти исчерпывающее эмпирическое описание существовавших машин и механизмов. Он различает механика-теоретика, механика-практика, действительно знающего, как конструировать машины, и механика-эмпирика, ремесленника, создающего и эксплуатирующего различные механизмы и машины. Самого себя он относит к механикам-практикам постольку, поскольку занимался точной механикой, созданием научных измерительных инструментов. Для многих изобретателей этот каталог служил отправной точкой для практической инженерной работы, что говорит о важности проведенной Леопольдом систематики машин и механизмов. Именно разработка разнообразных машин - подъемных, паровых, прядильных, ткацких, мельниц, часов, станков и т.п. - постепенно становится самой развитой областью инженерной деятельности. Однако их описание основывалось первоначально на теории простых машин - идеальных объектов, с которыми были связаны типовые расчеты. Многочисленные машины, практически построенные к этому времени, не укладывались в такого рода теоретическую схему. От них требовалось осуществить передачу движения с изменением его характера, направления и скорости, что было обусловлено особенностями машинного производства, где множество станков должны были приводиться в движение одной машиной-двигателем [5].

2.2. Первые шаги в создании технической науки

(по работам Г. Монжа, Ж. Борньи, Ж. Кристиана, Р. Виллиса и др.)

Первым сделал решающий шаг от чистой математики к описанию конкретных машин Г. Монж, разработавший начертательную геометрию, которую он определил как искусство представлять на листе бумаги предметы, имеющие три измерения. Начертательная геометрия давала инженерам математически точную систему графических изображений, позволяющую схематизировать пространственные структуры в виде плоскостного изображения, проводить на нем необходимые расчеты с помощью стандартных математических преобразований плоских фигур, а затем переносить полученные результаты на реальные машины. Поэтому курс построения машин был включен составной частью в курс начертательной геометрии. Машина стала рассматриваться не с точки зрения равновесия ее частей, а с точки зрения движения частей в соответствии с требованиями инженерной практики, а элементарные части машины стали описываться как приспособления, с помощью которых можно получить из движений одного вида движения другого вида. Однако первоначально еще характерна неоднородность изображения машин. Для наиболее теоретически разработанных областей, например теории зубчатых колес, изображение является последовательной реализацией исходного теоретического принципа, представляя собой абстрактную схему, позволяющую решать инженерные задачи с применением прикладной математики и теоретической механики. Но чаще всего это только рисуночное изображение и объемные эскизы конкретных машин, не подвергнутые теоретической обработке. Деление машин на части по единому теоретическому принципу пока не удавалось, поскольку первоначальное разложение машин на элементы еще было тесно связано со стихийно сложившимися в инженерной практике изображениями частей машин. Кроме того, к этому времени был накоплен обширный новый эмпирический материал [4].

Ж. Борньи в книге «Полный курс механики в приложении к технике» попытался дать теоретическое описание любой машины, разложив ее на шесть порядков частей в соответствии с их назначением — приемник, передача, модификатор, основание, оператор и регулятор, задача которого заключается в исправлении неравномерности движения. Ж. Кристиан в «Курсе индустриальной механики», исследуя сущность механической операции, отмечает, что первая группа элементов, составляющих машину, применяется исключительно для восприятия движения, полученного от двигателя, вторая предназначена для переноса в разных направлениях и для самых различных преобразований этого движения, а третья необходима для выполнения действий над материалом. Таким образом, выделяются три части всякой машины: двигатель, передаточный механизм и орудие. Главное внимание впредь уделяется специальному рассмотрению именно передаточных механизмов, поскольку остальные части машины, например двигатели, были еще не развиты, изготовлялись на уровне ремесла или брались готовыми, как «живые двигатели». Передаточный механизм — это именно та часть любой машины, которая может быть подведена под данную теоретическую схему, — объект исследования формирующейся теории механизмов. Предметом же ее исследования становится кинематика механизмов, изучение характера движения их частей.

Английский ученый Р. Виллис продвинулся еще на один шаг, введя различение «конструктивного» и «чистого» механизмов, последний из которых представляет собой теоретическую схему механизма, необходимую для проведения кинематических расчетов. Кроме того, он дает понятие машины, которая конструируется с целью выполнения определенных механических операций и располагается между силой и работой для того, чтобы приспособить одну к другой, и четко расчленяет ее на части: приемник, передаточный механизм и ору­дие. Принципы, на которых основаны конструкция и устройство этих частей, различны. Приемники рассматриваются с точки зрения источника силы, рабочие части — с позиций выполняемой работы, а механизм необходимо исследовать без ссылки на силу и работу. Механизм, расположенный между приемником силы и множеством рабочих частей, может быть изменен многими способами и должен быть рассмотрен как самостоятельный объект исследования и проектирования. Виллис предлагал исследовать механизмы, исходя исключительно из геометрических принципов, без рассмотрения сил. Тем самым подводится итог процессу адаптации исходной теоретической модели, поскольку в сфере инженерной практики выделяются те части машины, которые могут быть наиболее эффективно описаны с ее помощью.

На данном этапе формирования технической теории проблема состоит в том, чтобы дать функциональное описание всех существующих технических систем данного типа машин. Это позволит текстуально закрепить принципы их действия. Поскольку к этому времени количество таких реально созданных технических систем уже довольно велико, то это описание должно быть достаточно общим. Простое перечисление переходит в теоретическую классификацию. В ней Виллис выделяет три класса простых механизмов и пять групп. Рассматривая механизм как систему жестких звеньев, он различает ведущее и ведомое звенья, которые описывает, исходя из принципа отношения скоростей и направлений, а кинематическая задача сложных механизмов — сложение направлений и скоростей — решается им по­средством комбинации простых механизмов. Виллис последовательно разворачивает исходные теоретические представления при помощи таких понятий, как покой, движение тела, траектория точки, направление, скорость, оборот, период, цикл, фаза, попеременное движение, круговое вращение и т.д. Однако он не задает еще единого теоретического поля, в котором можно было бы не только описывать существующие механизмы, но и строить новые, его классификация не дает возможности применить к их исследованию общие методы и оказалась неполной даже для многих существующих механизмов.

Еще в лекциях в Кембриджском университете Виллис делает упрек школе Монжа в том, что предлагаемая им система годится только для перечисления и описания элементов машин, но ничего не дает для расчета этих элементов, кинематика же, по его мнению, должна быть не описательной, а расчетной наукой. Сам он не только строит методики расчетов, но и специально доказывает теоремы, например теорему, связывающую характеристику профилей зацепляющих поверхностей с законами изменения угловых скоростей, а разработанная им детально теоретически и применимая практически теория зацеплений может быть рассмотрена как частная теоретическая схема теории механизмов [4].

2.3.           Появление обобщенной теоретической схемы Ф. Релло

Для того чтобы создать обобщенную теоретическую схему этой развивающейся технической науки, Ф. Рело использовал достаточно развитую к этому времени графическую статику, опиравшуюся на методы проективной геометрии и направленную на решение физических и инженерных задач. На этой основе Рело строит «кинематическую геометрию» и проводит более детальное расчленение механизма на части, которое приобретает характер иерархического описания механизма, состоящего из цепей, звеньев, пар и элементов. В итоге Рело формулирует задачи анализа и синтеза кинематических схем в теории механизмов и машин. Однако, несмотря на явные достижения, Рело и его школа так и не смогли завершить работу, намеченную Виллисом, — создать теорию механизмов. Как реакция на «теоретичность» кинематической школы Рело наметилась более жесткая ориентация на инженерную практику. В результате широкой дискуссии было констатировано, что разработать расчетную математизированную теорию не удалось, но еще более отчетливо была сформулирована необходимость создания единой теории механизмов с применением математических средств [9].

Именно в это время формируется представление о разграничении двух различных дисциплин под названием «механика» — теоретической и технической механики. Теоретическая механика концентрируется на строгом и систематическом описании с помощью математических средств естественных процессов, техническая же механика отталкивается от практических, технических проблем и пытается решать их любыми доступными средствами. Однако техническая механика, отмечает Рело, так же как и теоретическая механика, рассматривает машинную систему в качестве любого природного объекта с целью исследования причинной зависимости явлений в этой системе, но имеет методическую направленность, т.е. вырабатывает методы исследования движения различных систем, которые могут быть затем использованы в практике машиностроения. Еще Ньютон различал в предисловии к своим «Началам» рациональную (умозрительную) механику, развиваемую точными доказательствами, и практическую, к которой относятся все ремесла и производства, именуемые механическими. Однако в XIX столетии это разделение получило несколько иное звучание, поскольку рациональная, теоретическая механика значительно отдалилась от самых простых и обыкновенных приложений, а получаемые из теории выводы были не согласованы с технической реальностью. Инженерная практика развивалась быстрее, чем теоретическое осмысление связанных с ней задач. Важно было приблизить теорию к практике, изменив сам характер теоретических идеализации и схем. Например, в рациональной механике рассматриваются совершенно упругие и совершенно твердые тела, но ни те ни другие не существуют в природе и тем более в искусственных сооружениях. Техническая механика и должна была восполнить образовавшийся пробел, соединив глубокие теоретические сведения с обширной инженерной практикой [7].