История развития технических наук на примере теории механизмов

Под кинематикой в классификации наук, данной Ампером в «Опыте философии наук», изданном в 1834 г., понимается наука, в которой рассматривается движение само по себе. Ампер четко разделил предметы исследования кинематики, статики и динамики, которые являются частями механики как физико-математической науки. При этом кинематика должна изучать все, что относится к различным видам движения, независимо от сил, производящих эти движения, заниматься рассуждениями относительно путей, проходимых при различных движениях, времен, затрачиваемых на их прохождение, а также определением скоростей. Кинематика призвана изучать и различные приспособления (машины), при помощи которых можно преобразовать одно движение в другое, а именно направления и скорости заданного движения. То есть кинематика — это наука, в которой движения следует изучать сами по себе, такими, какими мы наблюдаем их в окружающих нас телах и, в частности, в приспособлениях, называемых машинами.

Рело также различал в кинематике исследования естественных (например, планет вокруг Солнца) и искусственных (например, колеса машины вокруг своей оси) движений. В первом случае движение происходит и сохраняется за счет таких внешних сил, как инерция, тяготение, центробежная сила, и в любое время может быть нарушено, например, влиянием других планет, комет и т.п., во втором - является принудительным, как движение колеса на твердо закрепленном валу. Рело пытается построить «чистую кинематику», описывающую различные приемы решения задач, которые разрабатываются им сначала для любых тел и лишь затем прилагаются к машинам. Определяя статус прикладной механики как самостоятельной науки, он подчеркивает, что она пользуется в своей области исследования научным методом и завоевывает свою самостоятельность, обособляясь от других наук. При этом важно отметить, что сначала кинематика возникла как прикладная наука, теоретическая же кинематика выделилась в теоретической и аналитической механике позже. Таким образом, к началу XX в. формируются механика как математическая и физическая наука о природе и механика как теоретическая основа техники.

2.4.           Полная теория машин Л.Эйлера

Пример развития кинематики как естественной науки дал Л. Эйлер, который, например, доказал теорему о том, что при сложении двух вращательных движений, оси которых проходят через одну точку, получается также вращательное движение вокруг оси, проходящей через ту же точку. Им исследовалось также вырождение винтового движения во вращательное или в поступательное движение. При этом многие вопросы кинематики твердого тела разрабатывались не только в связи с изучением небесной механики, но и с исследованием движений корабля или отдельных механизмов. Однако даже при кинематическом исследовании машин движения в них представлялись частным случаем движения твердого тела. Эйлер в работе «Полная теория машин, приводимых в движение водой», изданной еще в 1756 г., дает теоретическое описание общего движения идеальной несжимаемой жидкости в достаточно узких трубках двоякой кривизны, вращающихся вокруг оси, параллельно развивая новый математический аппарат, например векторное исчисление, доказывая теоремы и разрабатывая частные теоретические схемы вроде теории винтов, т.е. о возможности приведения любого движения твердого тела к винтовому движению. В середине же XX столетия возникли новые инженерные задачи, связанные с динамикой ракет, теорией прочности резервуаров, гидростроительством, теорией корабля и т.д., например проблема движения твердого тела с полостями, полностью или частично заполненными жидкостью, что породило и множество исследований в теоретической области. К ним можно отнести исследование линеаризованных уравнений движения с применением методов теории малых колебаний и спектральной теории операторов. Технические задачи стимулировали постановку и исследование естественнонаучных проблем, результаты которых были важны и использовались для инженерных разработок, хотя само это направление формировалось в контексте естественнонаучной теории [4].

2.5.           Создание системы кинематического анализа различных

механизмов Л.В. Ассуром

Развитие технической механики как теоретической основы техники - кинематики машин и механизмов шло по пути построения универсальной относительно различного рода механизмов теоретической схемы. В конце XIX столетия российский машиновед Л.В. Ассур, исходя из единых принципов структурной классификации, разработал систему общего кинематического анализа различных механизмов. В связи с этим он расширяет и понятие кинематической цепи, рассуждая о кине­матических цепях разных степеней изменяемости. Например, при неподвижном укреплении одного звена такой цепи образуется ферма. Такая схема давала возможность не только распределять механизмы на группы по общим признакам, но и применять общие методы решения задач, некоторые из которых были разработаны самим Ассуром, например методы «особых точек», другие же, разработанные учеными и инженерами ранее, включены в контекст его классификации. Дважды применив к описанию структуры механизмов процесс схематизации, Ассур приходит к схемам конкретных механизмов, над которыми, однако, можно производить некоторые формальные операции (см. рис. 1).

Метод планов скоростей заключается в следующем: «От некоторой предварительно выбранной точки, называемой полюсом плана скоростей, проводится вектор, изображающий скорость одной точки звена механизма, принятого за ведущее. Из конца этого вектора проводится прямая линия в направлении относительной скорости точки, принадлежащей соседнему звену механизма. Полная скорость этой точки проводится из полюса плана. Пересечение обеих линий и опре­деляет искомую точку плана. Таким образом, эта графическая ориентация приводит к изображению фигур, стороны которых перпендикулярны сторонам схемы механизма... она соответствует решению двух векторных уравнений, каждое из которых определяет направление некоторой прямой». Определение масштаба построения является второстепенным, поскольку существует отношение подобия «между конфигурацией механизма в данном мгновенном положении и картиной плана скоростей». Методика Ассура и служит для определения точек механизма каждого мгновенного его положения. При этом сам механизм рассматривается как некоторое физическое тело, в естественном, а не искусственном модусе рассмотрения.

Рис. 1. Пример изображения механизма в виде геометрической схемы

по Ассуру

Далее модифицируя эту научную проблему в математическую задачу, необходимо представить механизм и его движения уже не как движения физического тела, а как ряд геометрических фигур, каждая из которых соответствует определенному положению элементов механизма, причем его элементы рассматриваются теперь в виде математических точек, а силы, на них действующие, - в виде векторов. Ассур рассуждает следующим образом: «...пусть задано жесткое звено ABC и известны скорости трех его поводков... в концевых точках D, E, F. ...Требуется определить скорости вершин жесткого звена. Определим сначала проекции скоростей точек D, E, F на направления соответствующих поводков. Если направления двух поводков (например, 1 и 3) "пересекаются в точке S, то для этой точки, принадлежащей жесткому звену, по двум известным проекциям скорости определится полная скорость. Проектируя затем скорость точки S на направление SC, определим проекцию скорости точки С. Следовательно, можно по двум проекциям определить скорость точки С и, наконец, по известным двум скоростям точек S и С можно определить скорости точек А и D жесткой фигуры"» [2].

2.6              Математизированная теория механизмов И.И. Артоболевского

На базе такого рода универсальной для данного класса технических систем теоретической схемы и была создана И.И. Артоболевским математизированная теория механизмов, возникшая сначала как описательная наука. В последней четверти XIX столетия чрезмерное увлечение математическими упражнениями, оторванными от технической практики, привело к известному отчуждению техников от теоретиков. Редакции многих технических журналов даже не хотели принимать к публикации статьи математического содержания. Необходимость использования математических методов никогда не оспаривалась, но требовались методы, дающие средства решения практических технических задач. Однако именно математизация теории механизмов перевела ее из разряда прикладных в разряд фундаментальных наук. Дальнейшее развитие этой технической теории шло по пути разработки все более обобщенной теоретической схемы, ее развертывания в соответствии с заданными принципами. Она была распространена на новые типы конструктивных элементов — пространственные механизмы и жидкие звенья и т.д. Кинематическое представление — структурная схема теории механизмов - было распространено на двигатель и орудие, которые стали рассматриваться как двигательный и исполнительный механизмы, а методы и теоретические схемы динамики распространились на исследование передаточных механизмов. Теоретическая система позволила облегчить создание новых механизмов и вооружила конструкторов научно обоснованными методами их проектирования. Однако при синтезе новых механизмов нельзя ограничиваться лишь структурным синтезом на основе исследования возможных сочетаний кинематических пар, образующих такие вновь синтезированные цепи, а важно учитывать всевозможные конструктивные параметры и функциональное назначение механизмов. Для этих целей был привлечен и соответствующий математический аппарат теории приближенных функций, матрично-тензорный анализ, винтовое исчисление и другие разделы современной математики [2].

3. Заключение

Уже на рубеже XIX и XX веков, наука не только стала обеспечивать потребности развивающейся техники, но и опережать ее развитие, формируя схемы возможных будущих технологий и технических систем. Необходимо отметить, что в это время технические науки представляют собой сформировавшуюся область научного знания со своим предметом, особыми теоретическими принципами, специфическими идеальными объектами. Ряд дисциплин был уже обеспечен эффективным математическим аппаратом. Система технических наук приобретает устойчивые формы взаимоотношений с естественными науками. Важным механизмом возникновения новых научно-технических дисциплин становится отделение одних технических наук от других, т. е. происходит дифференциация технического знания. Ускоряются темпы математизации технических дисциплин [1].

Период от начала XX в. и до середины 50-х гг. XX в. является переходным от «классического» к «неклассическому» этапу развития естествознания. В то же время технические науки продолжали преимущественно находиться на этапе «классического» периода своего развития. Но именно в этот период развитие естествознания и автоматизации производства подготовили переход технических наук к современному состоянию своего развития, что проявилось в зарождении таких наук, как электроника, радиоэлектроника и др. На этом этапе все более нарастает поток, идущий от науки к технике, производству, сравниваясь с потоком, идущим в противоположном направлении; начался процесс единения науки и производства. С середины XX в. начинается «неклассический» этап развития.

На этом этапе в результате усложнения объектов инженерной деятельности, точнее усложнения проектирования такого рода объектов, формируются комплексные научно-технические дисциплины (технические науки неклассического типа) - эргономика, системотехника, дизайн систем, теоретическая геотехнология и т. д. [6].

Сложившиеся в науке внутридисциплинарные и междисциплинарные механизмы порождения знаний, как замечает В. В. Степин, обеспечили ее систематические прорывы в новые предметные миры. В свою очередь эти прорывы открывают новые возможности для технико-технологических инноваций в самых различных сферах человеческой жизнедеятельности [8].

Следует, однако, подчеркнуть, что в настоящее время научно-технические дисциплины представляют собой широкий спектр различных дисциплин от самых абстрактных до весьма специализированных, которые ориентируются не только на использование знаний естественных, но и общественных наук, включают в себя также разного рода комплексные «неклассические» научно-технические дисциплины.

4. Список используемой литературы

1.              Баранцев Р.Г. Методология современного естествознания. - М.: Гардарики, 2002. – 355с.

2.              Боголюбов А.Н., Артоболевский И.И., Ассур Л.В. 1878-1920. – М.: 1971. – 125с.

3.              Голубинцев В.О., Данцев А.А., Любченко В.С. Философия науки. – Ростов на Дону: Феникс, 2007. – 541с.

4.              Горохов В.Г. Основы философии техники и технических наук: учебник. - М.: Гардарики, 2007. – 335с.

5.              Канке В.А. Основные философские направления и концепции науки: Итоги ХХ столетия. - М.: Гардарики, 2000. – 420с.

6.              Кохановский В.П. и др. Основы философии науки: учебное пособие для аспирантов. – Изд. 2-е. – Ростов на Дону: Феникс, 2005. – 608с.

7.              Микешина Л.А. Философия науки: Учебное пособие. – 2-е изд., перераб. и доп. – М.: Издательский дом Международного университета в Москве, 2006. – 440с.

8.              Степин В.С. Философия науки. Общие проблемы: учебник для аспирантов и соискателей учёной степени кандидата наук. – М.: Гардарики, 2006. – 384с.

9.              Философия науки: учеб. Пособие для аспирантов и соискателей. – Ростов на Дону: Феникс, 2006. – 496с.

2