С целью исследования причин бурного развития техники за последние сто-двести лет в работе кратко излагается история её развития с древнейших времён и приведено краткое описание логики развития техники.
Техника (от греч. téchne — искусство, мастерство, умение), совокупность средств человеческой деятельности, создаваемых для осуществления процессов производства и обслуживания непроизводственных потребностей общества [1].
В технике материализованы знания и опыт, накопленные человечеством в ходе развития общественного производства. Основное назначение техники ранее было – частичная или полная замена производственных функций человека с целью облегчения труда и повышения его производительности, в настоящее время – создание и совершенствование т.н. техносферы, отражающей материально-техническую культуру жизни и научно-производственного процесса. Техника позволяет на основе познания законов природы существенно повысить эффективность трудовых усилий человека, расширить его возможности в процессе целесообразной трудовой деятельности; с её помощью рационально (комплексно) используют природные ресурсы, осваивают недра Земли, Мировой океан, воздушное и космические пространства.
Показана важная роль в этом процессе появлений теорий, как таковых. Приведены понятия и основные признаки теорий, гипотез и других логических конструкций, на основе которых развиваются науки и как результат обогащается материальная культура человечества.
Как пример современного развития взята одна из областей науки и техники: рассматривается история ракетной техники и, в частности, создание и развитие математических моделей движения ракет-носителей и космических аппаратов.
Работа завершается выводами в разделе «Заключение».
1. Развитие техники в древности
Разум растет у людей в соответствии с мира познаньем…»
Эмпедокл
(древнегреческий философ, врач, политический деятель 5 в. до н.э.)
Начальный период предыстории человечества называется палеолитом (греч. lithos — камень) – древним каменным веком [2].
Но это только так говорится, на самом деле на этот «век» приходится 98% всего времени существования человека (начиная с homohabilis – человек искусный, умелый – появившийся около 2 млн. лет назад).
В некоторых уголках Земли этот «век» продолжается до сих пор.
Орудия труда человека той эпохи довольно однообразны: куски камня, слегка обработанные с одной, редко с двух сторон, для придания им режущей или колющей формы. Эти орудия употреблялись для самых различных целей, т.е. они были универсальными.
Эмбриональное развитие человека
... зародыша составляет 40 мм, а масса около 5 г. В курсе эмбриологии человека, изучаемом на кафедре гистологии и эмбриологии, основное внимание уделяется особенностям половых клеток человека, оплодотворения и развития человека ... осевых органов и зародышевых оболочек, гистогенез и органогенез, а также взаимодействия в системе мать — плод. Процессы формирования систем органов у плода подробно ...
Человеческая техника развивалась чрезвычайно медленно. Проходит не одно тысячелетие, прежде чем в отделке каменных орудий замечается какой-либо прогресс. В [2] высказана версия о том, что медленный прогресс связан с тяжёлыми условиями жизни и окружающей среды. Однако, это объяснение является сомнительным, учитывая наличие в некоторых областях Южной Америки, Африки и Австралии племен людей, живущих в благоприятных климатических условиях и имеющих развитие близкое каменному веку. Скорее наоборот, дефицит средств для выживания и экстремальные условия жизни стимулируют развитие. Медленное развитие орудий труда в эпохи палеолита объясняется, возможно, развитием человечества в других областях. Например, при объединении людей в сообщества (с целью выживания) возникает необходимость в формировании и совершенствовании общественных взаимоотношений (т.е. духовных и психических установках, необходимых для устойчивости и жизнестойкости коллектива), а также обмена информацией – языка.
За палеолитом следует неолит – новый каменный век – период, когда каменные орудия подвергаются всё более тщательной обработке в зависимости от их назначения этот «век» длился около 10-12 тыс. лет.
Первобытные люди учились у природы, подражали ей, не вникая в причины происходящих механических явлений. Случайно отогнутая ветка дерева, стремительно возвращавшаяся в своё исходное положение (лук, катапульта и т.д.); сваленное бурей катящееся дерево (катки, колесо, инерционная ловушка для зверя); опасность которую таит в себе яма, прикрытая листвой (западня).
Известные ловушки первобытных народов были весьма разнообразны и современным учёным не всегда удаётся понять принципы работы остроумных ловушек, а порой и сомневаться в своих знаниях механики [2].
По конструктивным и механическим принципам эти ловушки разделяют на четыре основные группы: западня; ловушки, основанные на применении силы тяжести; пружинные ловушки; крутильные ловушки.
Иногда они представляют собой довольно сложный механизм. Индейцы монтанье и наскапи на Лабрадоре, например, строят медвежьи западни, которые обрушивают на животное четыре-пять тяжелых древесных стволов, но для немедленного приведения западни в действие достаточно лёгкого прикосновения медвежьего носа, обнюхивающего приманку.
Пожалуй, нет лучшего способа проверить технические возможности первобытного мастера, как воспользоваться его же орудиями труда. Попробовали срубить каменным полированным топором дуб диаметром 20 см. Лезвие совершенно не пострадало. Провели сравнительный анализ рабочих качеств тесанного и полированного топоров (появившегося тысячелетия спустя): последний оказался лучше. Сосну диаметром 17 см тёсанным топором свалили за 7 минут, такое же дерево полированным топором за 5 минут. Учёные лаборатории первобытной техники Ленинградского института археологии АН СССР провели аналогичный эксперимент на берегах Ангары. Сосну диаметром 25 см срубили каменным топором за 75 минут непрерывной работы, а медным за 25 минут. Так выяснили, что медный топор рубит в три раза быстрее твердокаменного.
Появление металлических орудий в бронзовом веке позволило резко увеличить производительность труда. Опыты показали, что медным ножом можно обстругать сук в 10 раз скорее, чем каменным , медным сверлом просверлить берёзовое полено в 22 раза быстрее , преимущество медных пил также явное – в 15-20 раз быстрее!
История развития подводной сварки
... Германии проведены первые успешные опыты по кислородной подводной резке. В России газовая сварка получила развитие в период Первой мировой войны. Начиная с ... в более крупные заготовки. Из полученных заготовок кузнечной сваркой изготовляли орудии труда, оружие, а также решались некоторые архитектурные задачи. Готическая ... Новокузнецк 2011 История сварки Люди уже в древности с особым интересом ...
В позднем мезолите (эпоха каменного века, переходная между палеолитом и неолитом) произошло событие крупнейшего исторического масштаба, которое и разделило палеолит с неолитом. В Передней Азии люди сделали решающий шаг к освоению земледелия и скотоводства. В неолите уже не только на Ближнем Востоке, но и в Египте обработка земли и разведение домашних животных стали основой экономики [2].
Эволюция обществ, перешедших от присваивающего хозяйства к производящему, была стремительной, абсолютно не сравнимой с медленным развитием племён, по-прежнему занимающихся охотой и рыболовством.
Однако мотыга и плуг были созданы не в одночасье. Их предшественником было орудие, названное учёными «бороздовой палкой». Это простая длинная палка с острым сучком на одном конце. Такой палкой можно было не только ковырять землю, добывая для пропитания «дары природы», но и прокладывать борозды, отделяющие гряды одну от другой. Иногда эта палка имела плоский конец. Отсюда ведёт своё происхождение заступ или лопата. Только постепенно на протяжении многих столетий совершенствуется эта палка в мотыгу или кирку – орудия одинаково распространенные и в Африке, и Азии, и в Северной Америке. Ещё в начале XX века на Алтае сохранялось подобное орудие, называемое «обыл», и простейшая лопата – озуп.
Около 7 тыс. лет назад возникают первые цивилизации на берегах Нила, Тигра, Евфрата, несколько позже – на берегах Инда и Желтой реки.
Земля Шумера была расположена примерно в пределах южной части современного Ирака. Это плоская равнина наносного происхождения с чрезвычайно жарким и засушливым климатом. Невозделываемые земли, обдуваемые ветрами, в большинстве своём засушливы и бесплодны. Это была «богом проклятая земля», казалось бы, обречённая на нищету и запустение. Однако люди, населявшие эту страну и называвшиеся с III тыс. до н.э. шумерами, были наделены способностью к созиданию и практическим складом ума.
«Они сделали замечательные технические изобретения и умели настойчиво упорно трудиться, добиваясь удовлетворения всех своих нужд», – пишет американский профессор Сэмюэль Н. Крамер, родившийся в России, в книге «История начинается в Шумере». Несмотря на неблагоприятные природные условия, они превратили Шумер в истинный «сад Эдема». При помощи ирригационных каналов они направляли во время разлива рек Евфрата и Тигра их богатые илом воды на поля и сады, орошая и удобряя землю. За неимением камня шумеры научились изготавливать из обожённой речной глины, запасы которой были неисчерпаемы, серпы, горшки, тарелки и кувшины. Восполняя недостаток дерева, они начали сооружать хижины и загоны для скота из высушенного болотного тростника, связывая его в вязанки или сплетая из него циновки, которые затем скрепляли глиной.
Они изобрели парусную лодку, научились возводить арки, сводчатые постройки и купола, изготавливать литьё из бронзы, освоили пайку металлов, резьбу по камню, гравировку и инкрустацию.
Уровень материальной культуры и технических знаний древних шумеров, явившейся основой для Вавилоно-Ассирийской культуры, исследователи, естественно, определяют на основании многочисленных предметов и орудий, найденных при археологических раскопках. Однако, благодаря возникновению подлинной письменности – клинописи, немало сведений почерпнуто из шумерской художественной литературы, которая состоит из мифов, эпических поэм, гимнов, надгробных плачей, летописей и поучений.
Паровой двигатель и становление термодинамики в xix в
... трехколесным автомобилем с паровым двигателем, который был построен им в 1897 г. Двигатель установлен спереди и имеет привод на заднее колесо. Паровые турбины сразу преобразуют энергию пара во вращательное движение. В XIX в некоторые изобретатели ...
Там же в Месопотамии с середины IV тыс. до н.э. известно колесо – величайшее изобретение в истории человечества [2].
Прародителем колеса был каток, который также имеет свою историю создания. Его прообразом, вероятно, было упавшее и покатившееся с горы дерево. Дерево превращали в каток, подкладывая под тяжёлые стволы других деревьев, лодки или камни, когда их перетаскивали. Найденный при раскопках в Месопотамии усовершенствованный каток выглядит следующим образом. Путём простого обжига его средняя часть сделана тоньше для уменьшения трения. Такой каток получил название «скат». Средняя часть могла быть вытесана каменным топором. Археологи установили, что скат был известен людям V-VI тыс. лет тому назад.
Первоначально колесо представляло собой диск, насаженный на ось. Первые, изготовленные отдельно колеса были сплошные и тяжёлые – «отрезанные» от ствола дерева. Во II тыс. до н.э. конструкция его совершенствуется: появляется колесо со спицами, ступицей и гнутым ободом.
Самым древним считают колесо, найденное при раскопках в Малой Азии. Его относят приблизительно к 2700 г. до н.э. Над совершенствованием колеса люди трудились тысячелетиями. На преобразование ската в колесо (расцепление дисков с осью, облегчение его за счёт ступицы, спиц и обода) ушло ни много ни мало около трёх тысяч лет. Достойно изумления, что народ майя, оставивший удивительные архитектурные сооружения, свою систему письменности и счёта, так и не изобрёл колеса.
Изобретение колеса также способствовало развитию и совершенствованию ремёсел. Оно было применено в гончарном круге, мельнице, прялке, токарном станке.
У древних народов до VI века до н.э. уже были определённые познания из области механики. Пользуясь современной терминологией, они сводятся к элементам гидравлики, строительной механики, статики, динамики и небесной механике. Тем не менее, техническая мысль человечества ещё не достигла возможности логического осмысления накопленных технических знаний выраженного в виде письма. Однако прорыв в этом направлении назревал.
Среди наивно реалистических толкований природных процессов можно встретить и технические иллюстрации, фигурирующие в самых ранних философских системах. Например, у Анаксимандра встречается любопытная «механическая модель». О ней упоминает Аэций: «По Анаксимандру, кольцо Солнца в 28 раз больше Земли. Оно подобно колесу колесницы, имеющему обод, наполненный огнём. Этот огонь обнаруживается сквозь отверстие в некоторой части обода как бы разрядами молнии. Это и есть Солнце … лунное кольцо в 19 раз больше Земли. Оно подобно колесу колесницы, имеющему обод, наполненный, как и кольцо Солнца, огнём. Оно также лежит наискось и имеет одно испускание, и это как бы разряды молнии … лунное затмение бывает, когда отверстие на поверхности лунного кольца закрывается». Интересно, что Анаксимандр для объяснения природы затмения уже не прибегает к богам, в то время как у Гомера это исключительно дело богов.
Плутарх в «Сравнительных жизнеописаниях» заметил: «Знаменитому и многими любимому искусству построения механических орудий положили начало Эвдокс и Архит … механика полностью отделилась от геометрии и, сделавшись одною из военных наук, долгое время вовсе не привлекала внимание философии».
Паровые и водогрейные котлы
... фиксированной границей раздела между паром и водой. Важным шагом в развитии конструкций паровых котлов явилось изобретение прямоточных котлов (рис. 2.1, д). Прямоточное движение рабочей среды в паровых котлах предложено в конце XIX ...
Диоген Лаэртский об Архите сообщает: «Он первый упорядочил механику, приложив к ней математические основы, и первый свёл движение механизмов к геометрическому чертежу».
Первой попыткой теоретического осмысления действия различного рода механизмов считают трактат «Механические проблемы», ранее приписывавшийся Аристотелю и до сих пор включаемый в свод его сочинений. На самом деле он написан в более позднюю эпоху, скорее всего, в Александрии в III или ii век до н.э. Этот трактат для историков механики представляет значительный интерес.
Едва ли не больше всех античных учёных написал по вопросам механики Герон Александрийский. Его перу принадлежали «Механика», «Книга о подъёмных механизмах», Пневматика», «Книга о военных машинах», «Театр автоматов» и ряд других. Основное научное сочинение Герона «Механика» дошло до нас в арабском переводе. Оно состоит из трёх книг. Здесь он описывает простые машины и их комбинации. При этом он использует понятие момента, но неизвестно, принадлежит ли оно ему или он заимствовал его у других учёных. Кроме простых машин, он описывает также и некоторые механизмы: системы зубчатых колёс, системы блоков, полиспасты. Ему известно влияние силы трения, и он рекомендует при работе со сложными механизмами несколько увеличивать прилагаемые к машинам силы по сравнению с расчетными. Однако численно силу трения не определяет.
Герон Александрийский создал большое количество машин и механизмов, которые сопровождались не меньшим количеством изобретений. В предисловии его трактата по пневматике некоторые изобретения характеризуются как «пригодные для повседневного употребления», другие – как имеющие «достаточно замечательные результаты». Похоже, что паровой двигатель попал у Герона во вторую категорию и характеризовался, судя по описанию, как новое изобретение.
Эолипил – прообраз паровой турбины – относят к наиболее известным изобретениям Герона. Здесь впервые для вращения используется реактивное действие струи пара.
Итак, изобретение парового двигателя, вызвавшего революцию в транспорте и промышленности в XVIII в., на самом деле было известно две тысячи лет назад, если не в прямом виде, то уж точно как понимание потенциала энергии пара.
Изобретателем паровой машины был Герон Александрийский , который детально описал первый работающий паровой двигатель – эолипил , названный им «ветряной шар», или, как называют историки – Геронов шар.Это пневмогидравлический прибор, основанный на действии сжатого воздуха на поверхность воды. Его конструкция гениально проста. Широкий свинцовый котёл с водой помещался над источником тепла, скажем, над горящим древесным углём. По мере закипания воды в две трубы, загнутые в противоположных направлениях, в центре которых вращался полый шар, поднимался пар. Струи пара били через два отверстия в шаре, заставляя его вращаться с большой скоростью. Шар вращался благодаря реактивной или противодействующей силе вытекающего наружу пара. Такой же принцип лежит в основе современного реактивного движения.
Ещё один пневмогидравлический прибор – Геронов фонтан. Герон знал, какое применение могут иметь различные источники энергии. Например, он сконструировал небольшую ветряную мельницу, заставлявшую звучать музыкальный орган.
Прошли тысячелетия, и специалист по Античности доктор Дж. Лэнделс из университета в Рединге с помощью специалистов инженерного факультета сделал точную модель двигателя по описанию Герона. Он обнаружил, что модель развивала большую скорость вращения – не менее 1500 оборотов в минуту. Учёный заявил: «Шар Герона, возможно, был самым быстровращающимся предметом того времени». Тем не менее у Лэнделса возникли трудности при подгонке соединений между вращающимся шаром и паровой трубой, что не позволяло сделать приспособление эффективным. Возможно, для Герона это было как бы само собой разумеющимся, или он просто «забыл» описать эту «незначительную» деталь. Свободный шарнир у шара позволял ему быстрее вращаться, но тогда быстро улетучивался пар; тугой шарнир, напротив, означал, что энергия пара расходовалась на преодоление трения. Лэнделс не позволяя себе что-либо прибавлять к известным описаниям посчитал, что эффективность механизма Герона, возможно, была ниже 1%. Это значит, что энергия затрачиваемая на работу машины была значительно больше полезной энергии, и она не нашла бы практического применения. Но «теория» была важнее.
«Машина есть система связанных между собой частей из дерева, обладающая наибольшей мощностью для передвижения тяжестей, – писал конце I в. до н.э. римский архитектор Марк Витрувий Поллион в своём знаменитом трактате «Об архитектуре». – Сам же этот механизм приводится в действие посредством круговых вращений искусным приёмом …».
Первый экземпляр трактата «Об архитектуре» был найден в библиотеке монте-кассинского монастыря; первое его издание появилось в Венеции в 1497 г., т.е. через полторы тысячи лет после того как трактат был написан. Книга X этого трактата посвящена теоретической и прикладной механике, описанию машин и механических приспособлений и их действию. Витрувий рассматривает подъёмные машины, применяемые в строительстве, водоподъёмные машины, водяную мельницу.
По представлениям того времени первый род механизмов – это чисто подъёмный; второй – духовой (давлением воздуха); третий род – механизмы тяги.
Античные архитекторы обладали значительными познаниями в практической механике. Историк архитектуры Огюст Шуази (XIX век) вычислил допущенное напряжение в камнях храма в Карнаке (Египет): в потолочных плитах оно составляет 4 кг/см 2 , в архитравах – 5 кг/см2 . На допуск таких напряжений не решаются и в наше время.
Инженер А.И. Сидоров в 1925 г. писал: «Многие египетские обелиски опрокинуты и разрушены людской злобой, но ни один из них не опрокинут бурей, и некоторые стоят до сих пор. Следует заметить, что обелиск стоит на своём цоколе совершенно свободно, не будучи прикреплён фундаментальными болтами, которых египтяне не знали, без всякого раствора и т.п. … Я произвёл расчёт некоторых обелисков на опрокидывание сильнейшей бурей и нашёл коэффициент устойчивости от 2,5 до 2, как раз то, что мы допускаем теперь».
Египетские и греческие колонны строились высотой не более девяти диаметров. Сейчас мы знаем, что за этим пределом начинается опасность продольного изгиба. Древние архитекторы соблюдали это условие. По-видимому, тоже не случайно.
Теоретические труды Ктесибия до нас не дошли, но сведения о его изобретениях содержатся в сочинениях других авторов – Филон, Витрувия, Афинея, Плиния и Герона. Из этих источников мы узнаём ,что Ктесибий был изобретателем двух цилиндрового водяного насоса, снабжённого всасывающими и нагнетательными клапанами; водяного органа, управление которым осуществлялось с помощью сжатого воздуха; водяных часов, отличавшихся от древней клепсидры тем, что в них имелся поплавок, движение которого передавалось фигурке, указывавшей время на специальной шкале, и некоторых других устройств. В военных метательных машинах, изобретённых Ктесибием, использовалась сила сжатого воздуха.
Великий учёный Архимед (III в. до н.э.) был и гениальным механиком. Историки пишут о том, что он был кем-то вроде военного инженера (на самом деле достижения Архимеда в области инженерного дела не сводились к одним лишь военным машинам) при дворе сиракузского царя Гиерона, который, кстати, приходился ему родственником. Подобно Платону, он считал недостойным философа использование науки в практических целях и тем не менее изобрёл несколько исключительно полезных машин. Из них наиболее известен «архимедов винт», который широко применялся для удаления воды из корабельных трюмов и для дренажа полей в Египте после ежегодных паводков. Архимед изобрёл несколько катапульт, благодаря которым длительное время удавалось отражать осаду Сиракуз римским флотом.
В математике Архимед дошёл до изобретения интегрального исчисления, намного опередив своё время. Он проверил и создал теорию пяти механизмов, известных в его время и именуемых «простые механизмы»: рычаг клин, блок, бесконечный винт и лебёдка. Впрочем, бесконечный винт, возможно, он не изобрёл, а усовершенствовал гидравлический винт, который служил египтянам для осушения болот. Сегодня «архимедов винт» используется, например, в обыкновенной мясорубке. Изобретение бесконечного винта привело Архимеда к другому важному изобретению, пережившему тысячелетия, а именно к изобретению болта, сконструированного из винта и гайки.
В своей «Механике» Архимед дал математическое определение центров тяжести простых тел и равновесия системы рычагов.
Есть легенда, что Архимед, фокусируя слабые солнечные лучи с помощью зеркал, сжёг римский флот, осаждавший Сиракузы. Во всяком случае, он оставил книгу «О зажигательных стёклах». От несохранившихся трактатов Архимеда дошёл ряд фрагментов, цитируемых Героном (в «Механике»), Паппом (в «Механической библиотеке») и другими авторами. Герон приводит длинный отрывок из раннего сочинения Архимеда – «Книги опор». Исследователи отмечают, что в нём ещё нет строгости, присущей зрелым трудам великого сиракузца, и содержится ряд ошибок, относящихся к распределению опорных реакций и показывающих, что в период написания этой книги Архимед ещё не знал, что вес тела можно считать сосредоточенным в его центре тяжести.
Последним, возможно, предсмертным трудом Архимеда был трактат «О плавающих телах», заложивший математические основы новой науки – гидростатики. Не исключено, что его написание стимулировано популярной историей с короной царя Гиерона.
Таким образом, средства производства постепенно превращались, по словам К. Маркса «из орудия … в машину» (т.23, с. 382).
В XII в. понятие «инженер» уже бытовало в Западной Европе. Правда, оно ещё обозначало строителя военных машин и фортификаций (т.е. специалиста, которого в эпоху эллинизма называли «механиком»), так как все технические средства по части ведения военных операций и обороны назывались «ingenia». С XV века в Италии инженерами называют также строителей каналов.
Достижения технической мысли в эпоху эллинизма явились основой для дальнейшего развития материально-технической культуры человечества особенно в эпоху Возрождения.
Возрождение в истории культуры стран Западной и Центральной Европы эпоха, переходная от средневековой культуры к культуре нового времени (приблизительные хронологические границ: в Италии – 14÷16 вв., в других странах – конец 15÷16 вв.) [1, ст. «Возрождение»].
В 15 в. благодаря учёным, эмигрировавшим из Византии в Италию, были впервые переведены почти все древнегреческие поэты (в том числе Гомер) и философы (в том числе большинство диалогов Платона).
Тексты античных произведений, известных и средневековой Европе, уточнялись, освобождались от средневековых наслоений и ошибок и переосмысливались.
книгопечатания
Культура Возрождения отразила в себе специфику переходной эпохи. Старое и новое нередко причудливо переплеталось в ней, представляя своеобразный, качественно новый сплав.
Великие географические открытия
Ряд открытий был сделан в математике, в частности в алгебре: найдены способы решения общих уравнений 3-й и 4-й степени ( итальянские математики Дж. Кардано, С. Ферро, Н. Тарталья, Л. Феррари ), разработана современная буквенная символика (французский математик Ф. Виет), введены в употребление десятичные дроби (голландский математик и инженер С. Стевин) и др. Дальнейшее развитие получает механика (Леонардо да Винчи, Стевин и др.).
Изобретательский гений Леонардо был подкреплён обширными техническими знаниями [2].
Он знал практически все разновидности зубчатых зацеплений, кулачковые, гидравлические и винтовые механизмы, передачи с гибкими звеньями …
Он изобрёл несколько типов экскаваторов и придумал организацию земляных работ одновременно на нескольких горизонтах. Он изобрёл несколько гидравлических машин разных конструкций, в том числе тангенциальную турбину, прядильный и волочильный станки, станок для насечки напильников, приспособления для нарезки резьбы, прокатный стан, станок для свивки канатов, крутильный станок и несколько веретен, машину для шлифовки оптических стёкол, камерные шлюзы.
Некоторые из его изобретений настолько опередили своё время, что остались недоступными для техники той эпохи. Например, центробежный насос, гидравлический пресс, огнестрельное нарезное оружие. Он изобрёл также летательный аппарат тяжелее воздуха и пришёл к выводу, что такой аппарат летать без двигателя не может. В своих записных книжках и рукописях (около 7 тыс. листов) Леонардо оставил наброски изобретений, которые не могли быть поняты в его время, в частности, аэроплан, подводная лодка.
Растет объём знаний и в других областях науки [1].
Так, Великие географические открытия дали огромный запас новых фактов не только по географии, но и по геологии, ботанике, зоологии, этнографии; значительно вырос запас знаний по металлургии и минералогии, связанный с развитием горного дела ( труды немецкого учёного Г. Агриколы, итальянского учёного В. Бирингуччо), и т. д.
2. Становление экспериментальной науки и динамика развития техники
экспериментальной науки
Таким образом, к XVIII веку были созданы предпосылки качественно новой эпохи в развитии техники, впрочем, как и всего человечества. При производстве предметов материальной культуры люди перешли от сложных орудий труда и машин, приводимых в движение естественными силами природы (водой, ветром, ручной тягой и т.д.), к орудиям труда, действующим при помощи двигателя. Однако и здесь не обошлось без переходных форм. Например, первая изобретенная производственная машина (прядильный станок Джона Уайета в 1735 г.) приводилась в движение с помощью запряжённого осла [2].
Итак, к XVIII веку возникла проблема создания технологических машин, в первую очередь для текстильного производства. Переход к машинной технике требовал создания двигателей, не зависящих от местных источников энергии (воды, ветра).
Первым двигателем, использующим тепловую энергию топлива, была поршневая пароатмосферная машина прерывистого действия, появившаяся в конце XVII – начале XVIII вв.: проекты французского физика Д. Папена и английского механика Т. Севери, усовершенствованные в дальнейшем Т. Ньюкоменом в Англии и М. Тривальдом в Швеции. В 1760 г. хозяин прядильной мануфактуры в Серпейске Калужской губернии Родион Глинков построил 30-веретёную машину для прядения льна с приводом от водяного колеса и мотальную машину, заменившую 10 человек.
Проект универсального парового двигателя был предложен в 1763 г. механиком Колывано-Воскресенских заводов Иваном Ивановичем Ползуновым, который сдвоил в своей машине цилиндры, получив двигатель непрерывного действия.
Вполне развитую форму универсальный тепловой двигатель получил в 1784 г. в паровой машине английского изобретателя механика Джеймса Уатта. В 1785 г. паровая машина впервые была поставлена для привода текстильного предприятия, а к концу века в Англии и Ирландии работало уже более трёхсот машин. В России в 1798-1799 гг. паровые машины были установлены на Александровской мануфактуре в Петербурге и на Гумешевском заводе на Урале.
Во второй половине XIX в. в процессе дальнейшего совершенствования энергетической базы производства были созданы два новых типа теплового двигателя: паровая турбина и двигатель внутреннего сгорания. Параллельно с развитием тепловых двигателей совершенствовалась конструкция первых гидравлических двигателей, особенно гидротурбин: проекты французского инженера Б. Фурнерона, американского А. Пелтона, австрийского В. Карплана. Создание мощных гидротурбин позволило строить гидроэнергетические агрегаты большой мощности (до 600 МВт) и создавать крупные ГЭС в местностях, где имеются большие реки, водопады.
Важнейшие сдвиги в развитии энергетической базы промышленного производства были связаны с изобретением двигателей электрических. В 1831 г. английский физик М. Фарадей открыл явление электромагнитной индукции, а в 1834 русский учёный Якоби создал первый электрический двигатель постоянного тока, пригодный для практических целей. В 1888-1889 гг. инженер М.О. Доливо-Добровольский создал трёхфазную короткозамкнутую асинхронную электрическую машину.
В первом учебнике по механике были учтены только 134 различных механизма, хотя их число на начало XIX в. было около 200, из которых почти половина было изобретено в XVIII в.
И.И. Артоболевский в своём знаменитом справочнике «Механизмы в современной технике», получившем мировое распространение, учёл на конец третьей четверти XX в. 4746 механизмов.
Таким образом, подчёркивает А.Н. Боголюбов, за 170 лет (с 1800 по 1970 гг.) количество механизмов возросло почти в 24 раза, в то время как с XVII по XIX вв. оно всего лишь удвоилось.
В первой половине XX в. были созданы новые типы практически пригодных двигателей – газовая турбина, реактивный двигатель, ядерная силовая установка.
К сегодняшнему дню техника стремительно развивается. Очень быстро после создания первого двигателя человечество вступило в фазу интенсивного развития автоматического производства, дальнейшего проникновения в закономерности построения и взаимодействия органической и неорганической материи, освоения околоземного пространства, создания искусственного интеллекта.
Ниже приводятся две таблицы [2], которые в некоторой степени отражают динамику развития научно-технических достижений.
| Открытие | Воплощение в жизнь, годы | Количество лет |
|
Фотография Телефон Радио Телевидение Радар Атомная бомба Транзистор Мазер |
1727-1839 1820-1876 1867-1902 1922-1934 1925-1940 1936-1945 1948-1953 1956-1961 |
112 56 35 12 15 6 5 5 |
| Удалось предвидеть | Не удалось предвидеть |
|
Автомобили Летательные аппараты Паровые двигатели Подводные лодки Космические корабли Телефоны Роботы Лучи смерти Искусственную жизнь |
Рентгеновские лучи Ядерную энергию Электронику Звукозапись Квантовую механику Теорию относительности Сверхпроводники Спектральный анализ Геологические часы |
Имеются, однако, и печальные факты в истории развития техники. К ним относятся потери некоторых замечательных знаний или произведений рук человеческих. Это происходило когда человек или сообщество людей уничтожали информацию и произведения либо намеренно, либо с целями разрушения и наживы. К наиболее известным примерам утраты знания являются секреты:
-Особого способа изготовления булатной стали, отличающейся своеобразной структурой и видом («узором») поверхности, высокой твёрдостью и упругостью [1, ст. «Булат» (от перс. пулад — сталь)]. Узорчатость, связана с особенностями выплавки и кристаллизации. С древнейших времён (упоминается Аристотелем) идёт на изготовление холодного оружия исключительной стойкости и остроты — клинков, мечей, сабель, кинжалов и др. Литой булат, полученный в 40-х годах XIX в. на Златоустовском заводе П. П. Аносовым уступает лучшим старинным восточным образцам.
- Приготовления очень прочных и стойких к действию кислот чёрного и красного лаков, которые служили главными цветами в античной вазописи.
Кроме того, утрачены книжная сокровищница сгоревшей Александрийской библиотеки; большая часть «семи чудес света» и т. д.
Имеются примеры и другого характера, отражающие влияние отдельных личностей на уровень развития общества. К ним относится вышеприведённый факт, что одна из величайших цивилизаций древности – цивилизация майя не имела человека, который изобрел бы колесо.
3. Причины, побуждающие развитие техники, Великих географических открытий
Здесь затронут вопрос внутренних взаимоотношений общества. Человек отдельно, также как и человеческое сообщество являются сложнейшими системами и для их развития в полной мере справедливы основные законы диалектики.
Всё человечество мысленно можно представить в виде планеты, на которой каждый занимает своё положение в соответствии с его жизненными ценностями. При этом кто-то будет на полюсах, кто-то в разных местах экватора, а кто-то между ними. Для одного полюса характерны только духовные ценности: гармония человека с самим собой, обществом, природой; познание мира ради истины и овладение новыми тайнами природы на благо человечества. Для другого полюса характерны только материальные ценности: удовлетворение всех желаний (философия Ницше), достижения в области комфорта и наслаждений, всё остальное интересует только постольку, поскольку оно способствует приобретению предыдущего перечисленного.
Однако, несмотря на полную противоположность полюсов, всё в совокупности представляет собой целостную жизнеспособную систему. Ведь помимо борьбы между этими полюсами за свои взгляды на этот мир существует ещё и их единство. Оно выражается в зависимости друг от друга. В части техники одни способны постичь тайны природы и максимум создать лишь опытные образцы изобретений, но не могут полноценно внедрить их в жизнь; другие отличаются большей активностью и в борьбе за материальные блага (а иногда за выживание ), имея определённую власть, в силу своего менталитета, могут стимулировать деятельность первых, однако сами, как правило, не способны к созданию нового из-за разрозненности знаний, связанной отсутствием системного взгляда. Такой человек, даже будучи от природы талантливым, в совершенстве может освоить какие-либо разделы человеческого знания, однако, не способен воспринимать это знание в совокупности, как систему, что не позволяет ему прогнозировать дальнейшее развитие интересующих его процессов (и в том числе предвидеть отрицательные для него же последствия).
В результате такого взаимодействия развитие техники и вообще материальной культуры идёт не просто быстро, а иногда с ускорением. Т.е. стимулируется развитие в основном материальной культуры.
4. Сопоставление духовной и материальной культур
полноправными членами
Примеры этой храбрости мы видели совсем недавно в Африке. Кафры-зулусы несколько лет тому назад, как и нубийцы, несколько месяцев тому назад – племена, у которых родовые учреждения ещё не исчезли, – сделали то, на что не способно ни одно европейское войско. Вооруженные только копьями и дротиками, не имея огнестрельного оружия, они под градом пуль заряжающихся с казённой части ружей английской пехоты – по общему признанию первой в мире по боевым действиям в сомкнутом строю – продвигались вперёд на дистанцию штыкового боя, не раз расстраивали ряды этой пехоты и даже опрокидывали её, несмотря на чрезвычайное неравенство в вооружении, несмотря на то что они не отбывают никакой воинской повинности и не имеют понятия о строевой службе. О том, что в состоянии они выдержать и выполнить, свидетельствуют сетования англичан по поводу того, что кафр в сутки проходит больше чем лошадь, и быстрее её. У него мельчайший мускул, крепкий, как сталь, выделяется словно плетёный ремень, – говорит один английский художник».
5. Теория – основа технического развития, …Важный шаг в изучении природы – это всегда
только приближение к истине. Всё, что мы узнаём –
это какое-то приближение… Всё изучается лишь для
того, чтобы снова стать непонятным или, в лучшем
случае, потребовать исправления …»
Р. Фейнман
Даже краткий обзор истории развития техники показывает поразительный факт лавинообразного развития современных науки и техники в масштабах истории всего человечества.
Если на переход человека от каменных орудий труда к металлу занял около 2-х миллионов лет; усовершенствование колеса от сплошного деревянного до колеса, имеющего ступицу, спицы и обод заняло около трех тысяч лет, то за последние «каких-то» 150 лет транспорт изменился от лошадей и деревянных кораблей до современного состояния, о чём, кстати, красноречиво пел Леонид Утёсов в песне «Только глянет над Москвою утро вешнее …».
Причинами этого явления является целый комплекс факторов, основные из которых следующие:
адекватно
2) неразрывно с развитием теории развивался инструментарий исследования природных процессов и к середине XX века достиг высочайшего уровня;
3) число сообществ (научно-производственные объединения), вооруженных теорией и инструментарием и производящих новые знания и технику в условиях противоборства различных политических систем необычайно возросло.
Два последних фактора являются производными от первого, так как только знание является началом , отправной точкой для создания нового .
Представляет интерес история развития «адекватного» мысленного взгляда на материальный мир, каковым является история развития и создания теоретических моделей основных природных процессов: взаимодействия тел различной природы (твердых, жидких и газообразных тел, плазмы); а также структуры и внутренних взаимодействий вещества. Эта тема не является предметом данной работы, однако некоторые положения необходимо рассмотреть.
В частности, известны претензии современных «прочнистов» к Микеланджело, который, наблюдая за процессом откалывания частей своих скульптур, сделал предположение о том, что продольные напряжения в сечении балки распределяются так, как показано на рисунке 1, в то время как реально они распределяются так, как показано на рисунке 2. Тем самым он существенно задержал развитие дисциплины «Сопротивление материалов».
 |
 |
Рисунок 1. Рисунок 2.
История развития теоретического описания материального мира и процессов, происходящих в нём, неразрывно связана с историей развития техники и не только интересна, но сложна и драматична.
Опираясь на знание, полученное в теории, человек способен создавать то, что не существует в налично данной природной и социальной действительности, но возможно с точки зрения открытых теорией объективных законов [1].
Вообще процесс движения к истине, к познанию человеком мира, своего места в нём и самого себя, наверное, будет длиться пока человек существует. Не случайно древнегреческий философ Сократ говорил: «Я знаю только то, что я ничего не знаю». Тем не менее, факт совершенствования мысленной модели как мира, так и его частей, неоспорим, т.е. мир познаваем и даже может преобразовываться человеком в соответствии с его волей и возможностями, материальной и духовной культурой. Аспект духовной культуры оказался непредсказуемо важным, так как планете и её биосфере реально угрожают антропогенные (вызванные человеческой деятельностью) катастрофы.
Итак, первая теоретическая модель мира, созданная человеком созерцающим, объясняла всё «божественным» происхождением. Однако по мере того как приобретался опыт выживания и совершенствовались мысленные конструкции, что-то удавалось объяснять, пока на самом низком уровне. Например, после создания опытным путем оперения стрел можно было сказать: «Стрела лучше поражает в цель, потому что на другом конце неё есть оперение, а наконечник тяжелее и острее».
В античную эпоху философы высказали мысль о том, что мир весь целиком познать нельзя, но можно по частям. В результате другие философы разделили мир на разные области исследования и назвали эти области науками. Это был важнейший шаг на пути поиска истины, адекватного взгляда на мир. Создавалось бесчисленное множество теорий, достоинства которых наполняли науки жизненной силой. Однако прежде чем произошло появление первой достаточно строгой в современном понимании теории, выполняющейся в заданных определённых рамках и не зависящей от политических систем и т.п., прошло более двух тысяч лет. Логически мыслящие люди упражнялись и перебирали огромное число вариантов построения умозрительных конструкций, о чём красноречиво говорит известное ироничное высказывание Декарта: «Нельзя представить себе ничего настолько абсурдного или неправдоподобного, чтобы не быть доказанным тем или иным философом». Однако к строгой в современном понимании теории эти слова, конечно, не имеют отношения.
Но в первую очередь, чем осознанно или неосознанно занялись люди это создание «Теории теорий», т.е. познаваем ли мир вообще; правилами и методами как надо познавать, исследовать объект; логические конструкции; разработка формального (т.е. независимого от чего бы то ни было) языка математики, которым можно описывать всё. Большинство из этих вопросов рассматривает «Теория познания».
Теория познания(гносеология, эпистемология) – раздел философии, в котором изучаются проблемы природы познания и его возможностей, отношения знания к реальности, исследуются всеобщие предпосылки познания, выявляются условия его достоверности и истинности. В отличие от психологии, физиологии высшей нервной деятельности и других наук, теория познания как философская дисциплина анализирует не индивидуальные, функционирующие в психике механизмы, позволяющие тому или иному субъекту прийти к определённому познавательному результату, а всеобщие основания, дающие возможность рассматривать этот результат как знание, выражающее реальное, истинное положение вещей … Ставилась задача отыскания абсолютно достоверного знания, которое было бы исходным пунктом и вместе с тем предельным основанием всей остальной совокупности знаний по степени их ценности… Теория познания определяется тем, что её развитие осуществляется на основе … тезиса о единстве диалектики, логики и теории познания [1].
Первым и главным учителем человека в теории познания была и остаётся сама природа, так как при наблюдении за нею пытливый ум обнаруживает закономерности, которые затем формализует в законы, математические зависимости и реализует в искусственные произведения (художественные, математические, технические и т.д.).
Приведём несколько примеров выявления истины.
независимо от их природы
О симметрии
внутренней стройности, гармоничности и единстве
Одним из удивительных отражений симметрии в природе является изоморфизм (подобие строения и математического описания) звездных и планетных систем к структуре атома. Это явление было обнаружено и показано в работах Ф.А. Гареева [5], и Б.И. Рабиновича [6], когда он исследовал динамику планетного вещества для объяснения сложной структуры колец планеты Сатурн.
Ярким примером поиска закономерности (необходимой для создания полуэмпирической теории обтекания жидкостью и газом острых твердых тел) на основе логического сопоставления различных процессов (это также одно из проявлений симметрии в природе) продемонстрировал В.А. Бужинский [7].
внешнее сходство…
В предисловии к учебнику [8] авторы изложили свои взгляды, по которым можно оценить степень понимания предмета человеком-исследователем: «Степень глубины физического понимания характеризуется умением применять для анализа различных явлений наиболее общие, фундаментальные законы. При анализе конкретных примеров и задач в разных разделах книги показывается, как, например, применение закона сохранения энергии позволяет решить задачу проще, взглянуть на неё с более общих позиций и, что особенно важно, часто даёт возможность, найти ответ на некоторые вопросы, касающиеся тех явлений, для которых нам не известны описывающие их конкретные законы. Для глубокого понимания физики необходимо чёткое осознание степени общности различных физических законов, границ их применимости, их места в общей физической картине мира.
Книга не перегружена формулами. Там, где это возможно и не идёт в ущерб строгости изложения, авторы стремились максимально использовать качественные соображения. По мнению одного из величайших физиков Э. Ферми, «…физическая сущность действительно понимаемого вопроса может быть объяснена без помощи сложных формул». В умении объяснить сущность вопроса «на пальцах» и заключается истинное понимание уравнений, выражающих физические законы».
Несмотря на то, что приведены современные примеры проникновения в тайны природы общий подход, видимо, был всегда один и тот же.
На сегодняшний день, прежде чем некоторую логическую систему умозаключений научное сообщество признает, как строгую теорию, она должна пройти комплексную проверку, как с точки зрения полномасштабного экспериментального подтверждения, так и с точки зрения отсутствия логической противоречивости и согласованности с имеющимся общепризнанным научно-техническим материалом.
5 .1. Гипотеза — предшественник теории
Предшественником строгой теории является гипотеза. Необходимость в гипотезе возникает, как правило, в проблемной ситуации, когда обнаруживаются факты, выходящие за пределы возможностей объяснения существующей теорией.
Гипотеза (греч. hypothesis – основание, предположение, от hypó – под, внизу и thésis – положение то, что лежит в основе, – причина или сущность), научное допущение или предположение, истинное значение которого не определено.
И сама гипотеза не возникает сразу, а проходит определенные стадии формирования. Первоначально это весьма предварительное предположение, догадка, вытекающая из наблюдения новых явлений, но это еще не гипотеза в собственном смысле слова.
Догадка может носить зыбкий, неустойчивый характер, подвергаться модификациям, переборам различных вариантов допущений.
В результате формируется сама гипотеза как наиболее вероятное предположение. Затем осуществляется проверка сделанных допущений путем наблюдения, эксперимента, что или подтверждает гипотезу, поднимая ее на пьедестал теории или опровергает ее целиком либо частично. Гипотеза может не только подтверждается или опровергается, но и уточняться или исправляться.
В части верификации (подтверждения) гипотезы исключительно важным методом научного исследования в наши дни становится метод моделирования, который предполагает изучение объекта по его модели.
Особенность моделирования заключается в том, что оно осуществляется и на эмпирическом и на теоретическом уровне познания и при переходе одного уровня к другому. Моделирование имеет своим объективным основанием принцип отражения, подобия, аналогию и относительную самостоятельность формы.
Моделью называется некоторая материальная или мысленная система, которая сходна с объектом исследования и способна заменять его в познавательном процессе.
Когда модель имеет с оригиналом одинаковую физическую природу, то мы имеем дело с физическим моделированием (физическая модель – сходство физических свойств).
Когда явление описывается системой уравнений, то такое моделирование называется математическим. Знаково-логическим моделирование называется, если некоторые стороны моделируемого объекта мы представляем в виде формальной системы с помощью знаков, которая затем изучается с целью переноса полученных сведений на сам моделируемый объект.
Обоснование и доказательство гипотезы, прежде чем она переходит ранг теории, осуществляются путем анализа накопленного знания, сопоставления его с уже известными эмпирическими фактами, с установленными новыми фактами и с теми фактами, которые прогнозируются и могут быть установлены в будущем.
Кроме того, гипотеза часто имеет вспомогательное, но исключительно большое эвристическое значение; она помогает делать открытия. Как правило, построение гипотез – наиболее трудная часть работы теоретической мысли.
До сих пор не найдено ни одного метода, который сделал бы возможным выдвижение гипотез по определенным правилам – это порождения интуиции ученого, его воображения, а иногда фантазии. Здесь уместно вспомнить ироничное, но не лишённое «рационального зерна», высказывание Нильса Бора: «Теория должна быть достаточно безумной, чтобы быть правильной».
Часто, в том числе и в литературе можно встретить выражение типа теория оказалась неправильной, теория «лопнула» и т.д.
Однако к строгой теории в современном понимании такие высказывания не применимы, потому что в такой теории всегда оговариваются рамки её действия (в допущениях) и в этих рамках основные положения доказываются и экспериментально и логически.
Т.е. теория, к которой аргументировано применено выражение, что она «лопнула» на самом деле является либо надуманной лжетеорией, либо неудачной гипотезой.
Первая действительно строгая теория, описывающая движение механических объектов в известных рамках – «Механика Ньютона», явилась беспрецедентным толчком не только для технического прогресса, но и для дальнейшего совершенствования теорий в других областях знания.
5.2. Теория – высшая форма организации научного знания
Теория (греч. theoría, от theoréo — рассматриваю, исследую ), в широком смысле – комплекс взглядов, представлений, идей, направленных на истолкование и объяснение какого-либо явления; в более узком и специальном смысле – высшая, самая развитая форма организации научного знания, дающая целостное представление о закономерностях и существующих связях определённой области действительности – объекта данной теории [1].
В современной методологии науки принято выделять следующие основные компоненты теории: 1) исходную эмпирическую основу, которая включает множество зафиксированных в данной области знания фактов, достигнутых в ходе экспериментов и требующих теоретического объяснения; 2) исходную теоретическую основу — множество первичных допущений, постулатов, аксиом, общих законов, в совокупности описывающих идеализированный объект; 3) логику теории – множество допустимых в рамках теории правил логического вывода и доказательства; 4) совокупность выведенных утверждений с их доказательствами, составляющую основной массив теоретического знания [1].
Возвращаясь к тому факту (симметрия, подобие), что многие явления и создания природы, казалось бы, никак не сопоставимые друг с другом (например, орбиты планет и электронов; колебания пружины, волны и электромагнитной волны и т.д. ) имеют некую общую взаимосвязь, необходимо отметить, что многие учёные ставили перед собой цель отыскания универсального закона объединяющего все явления и предметы.
В частности известно, что А. Эйнштейн в последние годы жизни много работал над созданием единой теории поля [2].
Её смысл главным образом заключается в том, чтобы с помощью одного-единственного уравнения описать взаимодействие трёх фундаментальных сил: электромагнитных, гравитационных и ядерных…
Как один из примеров создания новой техники в следующем разделе более подробно рассмотрен процесс появления и совершенствования космических ракетных носителей, и в частности остановимся на проблемах устойчивости их движения.
6 . Теория движений изделий космической техники
«Человечество не останется вечно на Земле,
но в погоне за светом и пространством сначала
робко проникнет за пределы атмосферы, а затем
завоюет себе всё околосолнечное пространство»
К.Э. Циолковский
6 .1. Краткая история развития космонавтики
Многие историки науки и техники считают, что первые предшественники ракеты были «огненные стрелы», изобретенные в Китае. Однако не говорится о том, что их прообразами явились стрелы обыкновенные. И действительно, одними из первых «искусственных» предметов запущенных человеком в воздух были не только камни, но затем копья, а в последствии стрелы. Другое дело, что движущей силой для них являлись на первых порах рука человека и упругая тетива лука.
Далее с изобретением в Китае в IX веке пороха появилась мысль об управляемом взрыве, а точнее горении (также как в последствии об управляемой ядерной цепной реакции), и появились т.н. стрелы Хо-Цзян – «огненные стрелы».
Российский историк В. Сокольский описывает, что они представляли собой обычную стрелу, к древку которой прикреплялась бамбуковая или бумажная трубка. Трубка наполнялась порохом или аналогичным составом, который поджигался при помощи фитиля [2].
Твёрдотопливные пороховые ракеты появились в Китае в 10 в. н. э. На протяжении сотен лет такие ракеты применялись сначала на Востоке, а затем в Европе как фейерверочные, сигнальные, боевые.
Немецкий историк ракетной техники Вилли Лей считал, что начало применения ракетной техники в Китае относится к 1232 г. – времени обороны Пекина от монголов.
О превращении зажигательных стрел в простейшие ракеты свидетельствуют рисунки, на которых стрелы выпускают сразу по 15-20 штук из корзин, официально названных историками многозарядными пусковыми установками.
Известно о попытке китайца Ван Ху в 1500 г. подняться в воздух с помощью ракет. Все 47 фейерверочных ракет, размещённых под сиденьем летательного аппарата, подожженные одновременно 47 слугами, взорвались одновременно. Изобретатель погиб.
Устройство фейерверочных ракет дошло до нас в описаниях Конрада Хасса, Леонгардта Фронспергера, а Иоганн Шмидлап приводит рисунок многоступенчатой фейерверочной ракеты, использовавшейся не для скорости и дальности полёта, а для достижения большего эффекта. Таким образом, принцип многоступенчатости в ракетной технике известен, по крайней мере, с XVIвека.
В начале XIX века в результате массированной ракетной атаки (около 25000 зажигательных ракет) сгорела большая часть Копенгагена, применение зажигательных ракет решило исход боя под Лейпцигом и в Гданьске. Максимальная дальность ракет Конгрева к этому времени достигала 2700 м, заряд содержал 3,2 кг взрывчатого вещества. Его ракетами оснащались армии Дании, Франции, Испании, Швеции [2].
В 1903 К. Э. Циолковский в работе «Исследование мировых пространств реактивными приборами» впервые в мире выдвинул основные положения теории жидкостных ракетных двигателей и предложил основные элементы устройства РД на жидком топливе.
Немецкий учёный Герман Оберт (1894 – 1989) развил эти идеи. Он является создателем теории космического полёта, автором первого в мире проекта многоступенчатой космической ракеты, конструктором первого в Европе успешно работавшего жидкостного ракетного двигателя. Будучи гимназистом, он вывел уравнение движения ракеты и разработал первую схему реактивного летательного аппарата на несколько человек. В 1917 году он представил в Министерство вооружений Германии проект одноступенчатой ракеты дальнего действия, которая не только внешним видом, но и конструкцией походила на современные баллистические ракеты.
В головной части 25-метровой ракеты должен был размещаться заряд взрывчатого вещества массой 10 т, в качестве топлива предполагалось использовать этиловый спирт и жидкий кислород. К 1923 г., окончив Клаузенбургский университет, он получил диплом профессора физики и математики и разработал полную теорию космического полёта, предложил два проекта двухступенчатой ракеты для достижения космических скоростей и лунной ракеты, способной совершить перелёт на другое небесное тело[2].
За десять лет до Оберта проект лунной ракеты предложил французский теоретик космонавтики Робер Энсо-Пельтри, но полагал, что для космических перелётов должно использоваться атомное топливо, т.е. относил начало практического освоения космоса в туманные перспективы.
Первый в мире запуск ракеты на жидком топливе (жидкий кислород и газолин) произошёл в 1926 г. Автором проекта был американский учёный, один из пионеров ракетной техники Р. Годдард (1882-1945) .
Первые советские жидкостные ракетные двигатели – ОРМ, ОРМ-1, ОРМ-2 были спроектированы В. П. Глушко и под его руководством созданы в 1930—31 в Газодинамической лаборатории (ГДЛ).
Впервые электротермический РД был создан и испытан Глушко в ГДЛ в 1929÷1933 [1].
Первые реактивные ракеты «Фау-1» (конструкции В. фон Брауна) были выпущены немецким вермахтом летом 1944 г. по целям в Англии, они несли заряд взрывчатого вещества со скоростью 650 км/ч.
Следующая модель, «Фау-2» (14 т), была первой настоящей ракетой. Она летела со скоростью 6000 км/ч; 3 октября 1942 г. впервые в истории техники была преодолена скорость звука. Осенью 1944 г. немцы успели выпустить по югу Англии 1100 ракет «Фау-2», пока военные силы союзнических держав не захватили пусковые установки в Голландии.
Основоположником практической космонавтики является С. П. Королев. К 1957 под его руководством был создан ракетно-космический комплекс, позволивший запустить первый искусственный спутник Земли, а затем был осуществлен вывод на околоземные орбиты ряда автоматически управляемых космических аппаратов; к 1961 был отработан и запущен космический корабль «Восток», на котором совершил первый полёт Ю. А. Гагарин.
Начало космической эры – 4 октября 1957, дата запуска в СССР первого искусственного спутника Земли. Вторая важнейшая дата космической эры – 12 апреля 1961 – день первого космического полета Ю. А. Гагарина, начало эпохи непосредственного проникновения человека в космос.
Третье историческое событие – первая лунная экспедиция 16-24 июля 1969, выполненная Н. Армстронгом, Э. Олдрином и М. Коллинзом (США).
Современный этап развития космонавтики характеризуется активным освоением околоземного пространства и изучением планет солнечной системы космическими аппаратами.
Остановимся на интересующей автора проблеме математического описания движения изделий ракетно-космической техники (РКТ).
6.2. О развитии теории движений изделий РКТ
«Медленно, как ей и положено, ползёт стрелка указателя скорости. Удерживаю её на несколько секунд в одном положении – очередная «ступенька» – и снова мягким увеличением нажима на штурвал посылаю чуть-чуть вперёд.
И вдруг – будто огромные невидимые кувалды со страшной силой забарабанили по самолёту. Всё затряслось так, что приборы на доске передо мною стали невидимыми, как спицы вращающегося колеса. Я не мог видеть крыльев, но всем своим существом чувствовал, что они полощутся, как вымпелы на ветру Грохот хлопающих листов обшивки, выстрелы лопающихся заклёпок, треск силовых элементов конструкции сливались во всепоглощающий шум. Вот он, флаттер!»
Приведённая цитата заимствована из книги заслуженного лётчика-испытателя СССР, Героя Советского Союза, д-ра техн. наук М.Л. Галлая «Через невидимые барьеры», который провёл в тридцатые годы уникальные летные испытания на флаттер одного из отечественных самолётов.
Явление, получившее это звучное название, представляет собой одну из разновидностей динамической неустойчивости, в данном случае – динамическую неустойчивость крыла в потоке воздуха, наступающую при превышении некоторой критической скорости полета, когда частота срывающихся с крыла вихрей совпадает с собственной частотой его колебаний.
Теория этого сложного вопроса, разработанная академиком М.В. Келдышем, проф. Е.П. Гроссманом и многими другими отечественными и зарубежными учеными, представляет собой замечательный пример проникновения в «связь явлений» [11].
Приведенный эпизод успешно завершившейся борьбы человека с грозным явлением – резонансом (совпадения собственной и вынуждающей частот) является одним из многочисленных эпизодов покорения природной стихии с помощью познания её законов и стремления человека «за светом и пространством», как выразился К.Э. Циолковский (см. эпиграф).
Чтобы проследить эту череду небольших и крупных побед на пути достижения стабильного движения изделий РКТ воспользуемся книгой [12].
Часть этой книги построена в виде вопросов автора к профессору Б.И. Рабиновичу, который относится к плеяде учёных внёсших существенный вклад в достижения отечественной космонавтики, перечисленные выше и многие другие.
«(Вопрос проф. Рабиновичу. – прим. автора) Ещё в 50-е годы при создании первой отечественной баллистической ракеты Р-1 возникла проблема динамической неустойчивости, обусловленной колебаниями жидкого топлива («Fuelsloshing» по американской терминологии) в баках. То же явление наблюдалось и на Р-2. Над решением этой проблемы, в том числе и для ракет, созданных в последующие десятилетия, бились многие научные коллективы. Когда она, а также проблема влияния упругости элементов конструкции ракет на их устойчивость, впервые дали о себе знать? Сыграли ли в этом какую-либо роль трофейные немецкие материалы (ведь не секрет, что и советском и в американском ракетостроении присутствует «немецкий след»)?
(Ответы на этот и др. вопросы проф. Рабиновича. – прим. автора) Решение тонких задач динамики, о которых Вы говорите, действительно потребовало долгих лет работы и усилий целых коллективов. Однако сама постановка задач динамики ракет как деформируемых тел, с учётом, в первую очередь, подвижности жидких компонентов топлива в баках, и первые строгие решения этих задач, определившие направление всех последующих исследований, принадлежат Г.С. Нариманову. Он внёс фундаментальный вклад в решение как линейных, так и нелинейных задач динамики ракет и космических аппаратов (КА) с жидким топливом, и наметил пути учёта в соответствующих математических моделях и такого фактора, упругость элементов конструкции. Что касается влияния подвижности компонентов топлива в баках на динамику и устойчивость ракеты, то эта проблема оказалась чрезвычайно актуальной … и во многом определила направление моей исследовательской деятельности на много лет вперёд. Нариманов был первым, кто высказал предположение, что причиной незатухающих колебаний на частоте порядка 1 Гц, наблюдавшихся при каждом запуске ракет Р-1, является подвижность жидкости, находящейся в баках. Мысль эта, конечно, возникла не сразу, а после того, как были исчерпаны другие возможности объяснить несовпадение результатов математического моделирования с картиной того, что происходило в полёте, которую мы систематически наблюдали на плёнках телеметрии…
Анализ телеметрии, относившийся к пускам трофейных ракет А-4 (немецкие «Фау-2». – прим. авт.), показал точно такие же колебания, так что они были явно органическим свойством данной конструкции, а не следствием каких-то индивидуальных Р-1…
Первый успех был достигнут, когда Нариманов, при вполне оправданных допущениях (кинематическое граничное условие на свободной поверхности жидкости, отождествлявшее её с плоскостью, совершающей малые угловые колебания), получил впервые приближённую математическую модель ракеты, учитывающую подвижность жидкости в баках…
Для всех участников группы предложенная Наримановым новая математическая модель явилась мощным стимулом для продолжения работы в том же направлении. Вдохновлённый работой Георгия Степановича, я поставил перед собой задачу попытаться согласовать наблюдаемую в полёте картину с законами механики, исходя из решения обратной задачи динамики: по заданному движению системы найти действующие на неё силы. Мне удалось решить эту задачу в строгой постановке – с динамическим граничным условием на свободной поверхности жидкости, т.е. с полным учётом волновых движений.
…Соответствующие дополнительные силы, которые мы теперь учли, превышали сумму всех прочих сил (аэродинамических и управляющих), которые принимались во внимание до этого. Стало понятным, почему баланс сил у нас раньше не сходился… Нариманов на новом уровне вернулся к той же проблеме и впервые получил адекватный инструмент для решения прямой задачи динамики, а именно полную математическую модель системы «корпус – жидкость в баках».Результаты моделирования оказались следующими: практически точно в той области активного участка, на котором наблюдались в полёте незатухающие колебания, система оказалась динамически неустойчивой «в малом», причём на частотах, очень близких к экспериментальным, а вне этой области – устойчивой. На основе этой работы я защитил кандидатскую диссертацию.
Это был настоящий триумф, который был должным образом оценен специалистами, но не вызвал особого энтузиазма в некоторых других сферах, общее отношение которых к выявленному новому эффекту сводилось к формуле: «ну и что?». Смысл этого «ну и что?» был в том, что ракета летает , и слава Богу! Колебания имеют сравнительно малую амплитуду и никому не мешают.
От наших предупреждений, что на новых объектах всё может оказаться значительно хуже и с этим явлением надо бороться уже сейчас, просто отмахнулись. Это «ну и что?» было потом оплачено дорогой ценой.
В отношении «немецкого следа» – никаких намёков на то, что разработчики ракеты А-4 и её модификаций знали о влиянии жидкого заполнения (не говоря уж об упругости корпуса) на динамику и как-то эти факторы учитывали, мы в трофейных материалах не обнаружили, несмотря на их тщательное изучение.
Ракета Р-2 была уже полностью отечественная баллистическая ракета с дальностью полёта, вдвое превышающей аналогичную характеристику для Р-1. Создание ракеты Р-2 стало в каком-то смысле экзаменом на зрелость всех многочисленных коллективов разработчиков, к ней причастных.
Получив много лет спустя доступ к работам, проводимся в США, мы с удивлением обнаружили, что американские учёные и разработчики шли путём, поразительно близким к нашему…
Дальнейшее совершенствование теории динамики баллистических ракет связано с именем М.С. Хитрика (прим. авт.).
Именно он обратил моё внимание на две актуальные проблемы, решение которых потребовало интенсивной работы, которая началась в ИМ АН УССР и продолжалась в течение ряда лет в НИИ-88 после моего перехода туда.
— Учёт реальной геометрии баков (цилиндрические и конические обечайки, полусферические днища, чечевицеобразные, сферические и тороидальные конфигурации и т.д.).
В то время мы умели решать гидродинамические задачи только для баков в форме прямых круговых цилиндров с плоскими днищами.
- Учёт вязкости жидкости, т.е. соответствующее уточнение традиционных математических моделей, в которых компоненты топлива в диапазоне реальных для рассматриваемой проблемы чисел Рейнольдса считались идеальной жидкостью.
Он первым применил для решения задачи о свободных колебаниях жидкости в полости вращения вариационный метод Ритца-Трефтца и сумел получить с вполне приемлемой для техники точностью решение для сферического бака.
И.А. Луковский вырос в крупного специалиста в области динамики твердых тел с жидким заполнением, решил целый ряд сложных задач, включая нелинейные, обобщив результаты Г.С. Нариманова. Он успешно защитил сначала кандидатскую, а потом докторскую диссертацию и был избран членом-корреспондентом АН УССР.
С благодарностью вспоминаю климат, который существовал в ИМ АН УССР, особенно в сфере деятельности И.М. Рапопорта, способствовавший творческой активности сотрудников.
Судьба ракеты Р-16 поначалу сложилась трагически. При подготовке первому запуску на стартовой площадке произошла тяжелейшая катастрофа, унесшая более сотни человеческих жизней (включая Главнокомандующего ракетными войсками стратегического назначения Главного маршала артиллерии М.И. Неделина).
Это случилось 24 октября 1960 года уже на новом полигоне, не носившем ещё тогда названия Байконур. Не буду вдаваться в причины катастрофы, не имевшей отношения к рассматриваемым проблемам (они теперь подробно описаны в литературе).
Речь пойдёт о первом лётном испытании ракеты с восстановленной стартовой позиции, когда потеряла устойчивость вторая ступень (первая отработала успешно, и это, само по себе, было уже большим достижением).
Динамики НИИ-88, среди которых был и Ваш собеседник, едва взглянув на телеметрическую информацию, пришли к выводу, что причиной неустойчивости второй ступени, приведшей к потере объекта, было пренебрежение подвижностью жидкости в баках при проектировании системы управления (вспомните высказывание «ну и что?» по отношению к колебаниям, отмечавшимся на первых баллистических ракетах Р-1 и Р-2).
Мы увидели на плёнках телеметрии классическую картину колебаний с нарастающей амплитудой в каналах тангажа и рыскания на частоте порядка 1,5 Гц, близкой к частоте собственных колебаний жидкости в баках.
Интересно, что полная потеря устойчивости объекта наступала не в каналах тангажа и рыскания, а в канале крена после достижения предельно допустимого угла прокачки гироскопов, причём на значительно более низкой частоте – порядка 0,3÷0,5 Гц, характерной для этого канала. Здесь явно имело место то, что на управленческом сленге называется потерей устойчивости из-за забивания канала высокочастотной помехой. Следует подчеркнуть, что амплитуда колебаний была в несколько раз выше, чем наблюдавшаяся на ракетах Р-1, Р-2, Р-12 и других известных нам объектах. Природа явно преподнесла нам суровый урок…
Игорь Сидоров со своим коллективом обнаружил, исследуя математическую модель второй ступени Р-16 с учётом конкретного закона управления, новое явление, которое мы потом назвали «нестабилизируемостью», – невозможность обеспечить в рассматриваемом случае динамическую устойчивость замкнутой системы «корпус-жидкость-автомат стабилизации». Важную роль в этом необычном свойстве системы играло наличие именно двух топливных баков с почти равными частотами первого антисимметричного тона собственных колебаний жидкости.
Г.Н. Микишев напал к этому времени на идею механического демпфера колебаний жидкости в баке, имеющего форму нескольких радиальных рёбер, ширина которых составляла 20÷30% радиуса цилиндрического бака. Идея оказалась чрезвычайно плодотворной и, главное, допускавшей простую конструктивную реализацию. Результаты превзошли все ожидания и подтвердили правильность как диагноза, так и прописанного средства.
Никакой самый искусный теоретический расчёт не может, к сожалению, даже в настоящее время определить динамические характеристики корпуса ракеты или КА с необходимой полнотой и точностью, потребными для проектирования системы управления. Конструктивно подобные модели (КПМ) доставляют в этом смысле бесценную информацию. Сами эти модели являются настоящими шедеврами инженерного искусства. В них воспроизводится не только материал и геометрия элементов конструкции реального объекта, но и целый ряд тонкостей технологии, что обеспечивает в совокупности максимально возможное удовлетворение критериев подобия. Надо сказать, что сама теория подобия применительно к КПМ является сложной самостоятельной наукой, в развитие которой внёс большой личный вклад Г.Н. Микишев. Модели таких сверхтяжёлых носителей как Сатурн-5 и Н-1, выполненные в масштабе 1:10, имели размеры порядка 10 м в высоту и больше метра в диаметре, что сопоставимо с размерами наших первых баллистических ракет Р-1 и Р-2!
Цикл динамических испытаний КПМ занимал несколько месяцев, а для наиболее сложных объектов доходил до года. Следует подчеркнуть, что есть важный класс параметров, которые вообще практически не поддаются расчёту, а могут быть определены только экспериментально – это коэффициенты демпфирования, соответствующие доминантным формам собственных колебаний конструкции.
Не следует, однако, думать, что сами по себе динамические испытания доставляют исчерпывающую информацию, необходимую для проектирования сложных объектов. Адекватная расшифровка и интерпретация результатов динамических испытаний КПМ невозможна без непрерывного проведения обширного комплекса теоретических исследований».
Рамки данной работы, к сожалению, не позволяют достаточно полно осветить основные проблемы, логику их возникновения и решения, замечательные имена отечественных учёных, посвятивших себя этой деятельности. Многие достижения отечественной космонавтики существенно опередили аналогичные исследования учёных и разработчиков других стран.
Заключение
Изучение и знание истории техники (впрочем, как и любой другой истории) в немалой степени формирует в человеке пространство его взглядов на мир, поэтому необходимо стремиться к максимальной объективности этой очень важной информации.
В результате проведённого исторического обзора развития как техники, так и частично методологии получения теоретических знаний, необходимых для такого развития, в общих чертах сформирована картина создания материальной культуры человечества.
Почти очевидным является факт того, что практически нет предела проникновения человека в тайны природы, на основе чего создаются новые технологии, инструментарий исследований.
Не исключено, что на очереди стоит реализация фантастических идей «искусственного интеллекта», «машины времени» и мгновенного перемещения в пространстве.
Сегодня для учёных уже является аксиомой утверждение, что искривлённое пространство, замкнутое в гравитационный коллапс, образует т.н. «сферу Шварцшильда», или «чёрную дыру» в которой может быть заключена вся вселенная. Академик А.Д. Сахаров, как и Эйнштейн, многие свои работы посвятил космологии. Но такие его работы, как «Многолистная модель Вселенной» (читай как наличие многих измерений пространства, — авт.), опубликованная в 1969 г. очень малым тиражом, и другие статьи, посвящённые свойствам искривлённого пространства, практически недоступны широкому кругу читателей. И немало учёных утверждает, что возможно перемещение в пространстве не покидая Земли, «проколов» пространства мощным энергетическим воздействием [2].
Те возможности науки и техники, которыми обладает и будет обладать человечество в будущем, накладывают на него большую ответственность. Это обстоятельство, по мнению автора, делает необходимым разработку как комплекса правил и ограничений по использованию важнейших достижений, так и духовной философии для людей имеющих доступ к стратегическим знаниям, подобно тому, как подавляющую часть времени обучения и воспитания буддистских монахов, владеющих знанием боевых искусств, занимает духовное совершенствование.
Литература
[Электронный ресурс]//URL: https://inzhpro.ru/referat/razvitie-tehniki-v-kamennom-veke/
1. Большая Советская Энциклопедия. (В 30 томах).
Гл. ред. А.М. Прохоров. Изд. 3-е. М., «Советская энциклопедия», 1970÷1977 гг.
2. Черняк В.З. История и философия техники: пособие для аспирантов. – М.: КНОРУС, 2006. – 576 с.
3. Гребенников Е.А., Тюлина И.А.. Николай Дмитриевич Моисеев 1902 – 1955. Отв. Ред. чл.-кор. РАН В.В. Белецкий. – М.: Наука. 2007. 136 с.: ил.
4. Мякишев Г.Я., Синяков А.З. Физика: Колебания и волны. 11 кл.: Учеб. Для углублённого изучения физики. – 2-е изд. Стереотип. Москва.: Дрофа, 2002.- 288 с.: ил.
5. Гареев Ф.А. Геометрическое квантование микро- и макросистем. Планетарно-волновая структура адронных резонансов // Сообщения Обьединенного Института Ядерных Исследований. Дубна, 1996. Р. 296-456.
6. Рабинович Б.И. Суперэлитные плазменные кольца и орбиты планет и спутников, изоморфные орбитам электронов в водородоподобных атомах.. – М.: Институт космических исследований (ИКИ) РАН, 2005.- 33 с.
7. Бужинский В.А. Колебания тел с острыми кромками в несжимаемой маловязкой жидкости и некоторые задачи гидродинамики космических аппаратов. Дисс. д.ф.-м.н. по спец. Механика жидкостей, газа и плазмы. Королёв.: ЦНИИМАШ, 2003. –279 с.: ил.
8. Бутиков Е.И., Быков А.А., Кондратьев А.С. Физика для поступающих в ВУЗы. – М.: изд. Наука, 1979. – 608 с.: ил.
9. Ф. Энгельс. Происхождение семьи, частной собственности и государства. В связи с исследованиями Льюиса Г. Моргана. – М.: Политиздат, 1985. –238 с.
10. Рабинович Б.И. Прикладные задачи устойчивости стабилизированных объектов. – М.: Машиностроение, 1978. – 232 с., ил.
11. Брусиловский А.Д. От Р-1 до Н-1. Беседы с профессором Борисом Рабиновичем. Изд. второе, испр. и доп. Королёв.: ЦНИИМАШ, 2005. –240 с.: ил.яя
