В. Морозов - История инженерной деятельности

• Название: История инженерной деятельности
• Автор: В. Морозов
• Жанр: Техническая литература

В. В. Морозов, В. И. Николаенко

ИСТОРИЯ ИНЖЕНЕРНОЙ ДЕЯТЕЛЬНОСТИ

Министерство образования и науки Украины

Национальный технический университет

«Харьковский политехнический институт»

Курс лекций для студентов всех специальностей дневного и заочного обучения

УТВЕРЖДЕНО редакционно-издательским советом университета

Харьков 2007

В учебном пособии анализируется содержание инженерной деятельности, рассматривается развитие с древнейших времен для нашего времени.

Пособие предназначено для студентов дневной и заочной форм обучения, а также всех, кто интересуется историей развития техники.

Історія інженерної діяльності.

Курс лекцій для студентів усіх спеціальностей денного та заочного форм навчання – В.В.Морозов, В.І.Ніколаєнко – Харків: НТУ “ХПІ”, 2007. – 336 с. – Рос.мовою.

В учбовому посібнику аналізується зміст інженерної діяльності, розглядається розвиток техніки з найдавніших часів до сучасності.

Посібник призначено для студентів денної та заочної форм навчання, а також для усіх, хто цікавиться історією розвитку техніки.

© В.В.Морозов, В.І.Ніколаєнко, 2007 р.

---

Необходимо отметить, что при решении различных вопросов механики ученые свои рассуждения подкрепляли примерами из животного мира. Это относится и к Галилею, и к Леонардо да Винчи и др. С другой стороны, успехи механики побудили ученых-медиков искать применение ее законов к решению задач физиологии. Так, выдающийся физиолог и врач Уильям Гарвей (1578-1657), открывший кровообращение в теле, в 1628 г. пробовал количественно оценить объем крови в нем. Это учение, объясняющее физиологические процессы с точки зрения механики, получило название ятромеханики. Виднейшим представителем его был соученик Торричелли, медик и математик Джованни Альфонсо Борелли (1608-1679), профессор Мессинского университета, член Академии дель Чименто. Последователи ятромеханики, возникшей на стыке физиологии и механики и признающей возможность объяснения физиологических явлений с помощью механических аналогий, в дальнейшем смогла разработать и реализовать рабочие механизмы, которые заменили в производстве функции руки человека, а также создать роботы и манипуляторы.

В ХVI-XVII вв., когда набирала силу научная революция, в некоторых странах делались попытки объединить усилия ученых, обменяться определенной информацией. Так, важнейшую роль в объединении ученых сыграл Марен Марсенн (1588–1648), школьный товарищ Декарта, крупный математик, естествоиспытатель и философ. Он был знаком едва ли не со всеми выдающимися учеными того времени - Декартом, Кавальери, Ферма, Паскалем, Робервалем, Торричелли. Именно благодаря Марсенн в 1634 г. на французском языке была издана «Механика» Галилея. Сам Марсенн много занимался этой наукой: исследовал колебания, ставил опыты по гидравлике и гидродинамике, писал о судах, плавающих под водой и многое другое. Владея ценнейшей информацией того времени, Марсенн оказался в центре обмена научными новостями и создал кружок ученых, который уже после его смерти получил правительственный статут (1666 г.) и был преобразован в Парижскую академию наук.

Почти одновременно с Мароном Марсенн в 1645 г. епископ Честерский Джон Уилкинс объединил вокруг себя группу ученых в Лондоне. В 1660 г. этот кружок получил наименование королевского общества и таким образом фактически стал высшим научным учреждением Англии (Оксфорд), в Уставе которого подчеркивалось, что занятия богословием, метафизикой, этикой, политикой, грамматикой, риторикой и логикой для общества нежелательны. Насколько серьезны были задачи этого общества в области естественных наук, создания машин, развития мануфактур!

Эпоха научной революции богата на имена мыслителей, философов, ученых чей вклад в механику не только значителен, но и поучителен. Одним из самых крупных в этой плеяде был Рене Декарт (1596-1650) – философ, физик, математик, физиолог, создатель учения «О картезианстве», которое в значительной степени определило дальнейшее развитие естественных наук. Декарт сделал вклад в рассмотрение понятия силы, дал оценку движения, изучил качение маятника и теорию удара.

Нельзя не назвать и великого ученого из Голландии Християна Гюйгенса (1629-1695), прозванного «гениальным часовщиком всех времен». Особое значение для развития механики имел его трактат «Колебания в часах, или Геометрическое доказательство движения маятников в их применении к часам», опубликованный в Париже в 1673 г. Трактат имел пять частей. В первой части приведено описание новой конструкции маятниковых часов, в которой центр тяжести маятника движется по циклоиде. Вторая посвящена падению тяжелых тел и их движению по циклоиде. В третьей изложена математическая теория эволют и эвольвент, которая, имела не только практическое значение для часового дела, но и фундаментальное для математики и механики: вместе с работами Марсенна и Паскаля по теории рулетты теория Гюйгенса была положена в основу кинематической и дифференциальной геометрии. Четвертая содержит учение о центре качания. Пятая посвящена теории центробежной силы. Гюйгенсу принадлежат многие практические изобретения и глубокие теоретические исследования. Много внимания он уделял проблеме создания универсального двигателя. Вместе с Дени Папеном (1647-1712) работал над сооружением пневматических и гидравлических машин, устройством фонтанов, насосов и многого другого.

К кружку Марсенна принадлежали два французских ученых, очень различных по характеру и складу ума, способствувавших развитию механики. Это были Паскаль и Роберваль. Блез Паскаль (1623-1662) создал счетную машину. Считается, что это была вторая попытка в истории мировой науки. Проект первой счетной машины был разработан в 1624 г. профессором Тюбингенского университета Вильгельмом Шиккардом (1592-1635), но он не был реализован. Паскаль сконструировал и построил свыше 50 моделей, пока не добился положительного результата. Машина была суммирующей и состояла из системы зубчатых колес. Существенным вкладом Паскаля в развитие механики стали его работы в области гидростатики. Он также проводил экспериментальные исследования веса и давления воздуха, разработал теорию кривых.

Изучением кривых, в частности, циклоиды, занимался и профессор математики Роберваль (1602-1675). Одновременно с Торричелли ему удалось сформулировать кинематический метод проведения касательной к кривой. С помощью этого метода он построил касательные к большому числу кривых. Одновременно с итальянским математиком Бонавентурой Кавальери (1598-1647) Роберваль разработал так называемый метод неделимых, развитие которого привело к созданию анализа бесконечно малых. Следует сказать, что именно ему принадлежит едва ли не первое в истории механики определение силы. По его словам, сила «есть качество, посредством которого тело стремится перемещаться в другое место, будет ли это место внизу, сбоку или сверху и независимо от того, присуще ли это качество самому телу или сообщено ему извне».1 Роберваль изобрел несколько приборов, в частности, ареометр и «весы Роберваля», проводил он и исследованиями маятниковых часов.

В кружке Мерсенна принимал участие физик Эдм Мариотт (1620-1684), который стал затем одним из первых членов Парижской академии. Это был механик очень широкого диапазона: изучал механику твердого тела, механику жидкостей и газов, построил теорию удара, много экспериментировал. Результатом его опытов с газом (воздухом) стал известный закон Бойля – Мариотта. Изобрел Мариотт и баллистический маятник. В ходе проектирования водопровода для дворца в Версале Мариотту пришлось заняться теорией изгиба балок. Он убедился при этом, что теория Галилея неверна, посколькунапряжения при изгибе распределяются по сечению неравномерно: верхние волокна балок растягиваются, а нижние – сжимаются. Он установил также, что балка с заделанными концами выдерживает вдвое большую нагрузку, чем свободно лежащая на опорах. Исследовал он и прочность труб на разрыв под действием внутреннего давления.

Значительный вклад в становление механики как науки – основы инженерной деятельности внес один из основателей Королевского общества Роберт Бойль (1627-1691), который был физиком, механиком и химиком. Независимо от Мариотта он открыл закон изменения объема газа в зависимости от изменения давления. Все явления, включая и химические, Бойль объяснял с точки зрения механики.

Нельзя не упомянуть и о Роберте Гуке (1635-1703) – крупнейшем английском ученом конца ХVII в. С ним тесно сотрудничал Р. Бойль (усовершенствование воздушного насоса). Гук занимался физикой, механикой, биологией, геологией, физиологией, астрономией, был практикующим врачом и профессором геометрии. Среди его многочисленных изобретений немало относятся к механике: анкерный ход часов, пружина баланса, насосы, приборы для испытания материалов, часовой привод телескопа, «Шарнир Гука». Важнейшим его теоретическим достижением считается разработка доктрины всемирного тяготения. Впервые он высказал соображения относительно гравитации в очень коротком сообщении, прочитанном в королевском обществе весной 1666 г. Гук объяснил движение планет совместным действием гравитации и силы инерции, поставил проблему происхождения гравитации и предложил ее колебательный характер. К 1670 г. Гук установил универсальный характер тяготения. За исключением, быть может, Ньютона, он был единственным мыслителем, который ясно и отчетливо сформулировал эту доктрину. Очевидно, между 1675 и 1679 г. Гук разрабатывал и ее математическую часть. Другим его открытием, также своевременно не оцененным, было объяснение света как «весьма коротких колебательных движений, совершающихся в поперечных направлениях к линии распространения света». Гук установил и закон пропорциональности между значением сил и размером производимых ими деформаций, носящий его имя.

Бессомненно велик и неизмерим вклад в развитие механики английского ученого Исаака Ньютона (1642-1727), члена Королевского общества (с 1672 г.), долголетнего президента этого общества (с 1703 г.). Его труд «Математические основания натуральной философии» (1687 г.) стал основой для создания не только ньютоновской механики, но и нового миропонимания. Его работа как бы завершила научную революцию. Вплоть до разработки теории относительности А.Ейнштейном ньютоновская механика была единственной теорией всех земных и небесных движений; ее значение для техники остается непоколебимым. Ньютон сформулировал закон всемирного тяготения, по-видимому, независимо от Гука и в значительно более общей форме. Им были установлены три знаменитых «аксиомы, или закона движения».