Особенности формирования теории и механизмов и машин как отдельной науки

УДК 621.01:001

ОСОБЕННОСТИ ФОРМИРОВАНИЯ ТЕОРИИ И МЕХАНИЗМОВ И МАШИН КАК ОТДЕЛЬНОЙ НАУКИ

И.Н. Метлов, М.Н. Кирьянова

Выделены основные этапы развития инженерной мысли, приведшей к образованию теории механизмов и машин как науки. Рассмотрен период отделения теории механизмов и машин от теоретической механики, причины, особенности.

Ключевые слова: теория механизмов и машин, самостоятельная наука, исторический экскурс, причины, особенности, Международная федерация по теории механизмов и машин (ШТоММ).

Теория механизмов и машин (ТММ) как отдельная научная дисциплина, прежде чем оформиться в самостоятельное научное направление, а затем и в самостоятельную науку, прошла достаточно длинный путь исторического развития и становления. Свидетельством этому может послужить соответствующий исторический экскурс.

Интеллектуальное развитие человечества с самого начала его существования и во все последующие эпохи было сопряжено с изобретением различных орудий труда, которые, постепенно усложняясь, принимали вначале формы всевозможных механизмов, затем примитивных машин, которые эволюционируя вместе с человеком, обретали все более совершенные формы.

Принято выделять определенные периоды или этапы развития инженерной мысли, приведшей к образованию ТММ как науки (таблица).

Рассматривая таблицу, следует остановиться на 2-м и 3-м этапах развития. Именно в этот период времени происходит формирование ТММ как самостоятельной науки и ее окончательное «отпочкование» от теоретической механики.

Однако прежде заметим, что первые попытки в этой области совершил еще Леонардо да Винчи в эпоху Возрождения (таблица, 1-й этап). Несколько позже в своем трактате «О достоинстве и приумножении наук» Ф. Бэкон выдвинул идею о «желаемых науках», т.е. о науках, которых еще не существовало на тот момент, но в которых уже появилась необходимость. Среди них он поместил «теорию машин». После долгой паузы уже в XVIII веке появились теоретические труды Я. Лейпольда («Театр машин»), который, продолжая идеи Леонардо да Винчи, выделяет отдельные механизмы, уделяет особое внимание зубчатым зацеплениям и зубчатым редукторам.

История развития инженерной мысли в области механизмов и машин

Этап Специфика Достижения Персоналии

№ Период

1 До начала XIX века Эмпирическое машиностроение. Заложение основ теории Большое количество простых машин и механизмов; подъемники, мельницы, камнедробилки, ткацкие и токарные станки, паровые машины. Теорема об изменении кинетической энергии и механической работы, «золотое правило механики», законы трения, понятие о передаточном отношении, основы геометрической теории циклоидального и эвольвентного зацепления Архимед, Герон, Леонардо да Винчи, Дж.Кардано, И. И. Ползунов, Дж.Уатт, С.Карно, Ш. Кулон, Г. Амонтон, Л. Эйлер

2 Первая половина XIX века Начальное развитие, приведшее к появлению ТММ как науки Дальнейшие теоретические разработки: кинематическая геометрия механизмов; кинетостатика; расчет маховика; классификация механизмов по функции преобразования движения. Издаются: первые научные монографии по механике машин; первые учебники по ТММ. Читаются первые курсы лекций по ТММ Ж.Шарль, Т.Оливье, Г. Кариолис, Ж.В.Понселе, Г. Монж, Р.Виллис, А. Бориньи, А.Бетанкур, Д.С.Чижов, Ю.Вейсбах

3 Вторая половина XIX века -начало XX века Фундаментальное развитие ТММ Разработаны: основы структурной теории, теории регулирования машин, теории гидродинамической смазки, аналитической теории зацепления, графоаналитической динамики; структурная классификация и структурный анализ, метод планов скоростей и ускорений, правило проворачиваемости механизмов и др П.Л.Чебы-шев, М. Грюблер, П.И.Сомов, О.Г.Озол, И. А. Вышне- градский, Х.И.Гохман, Ф.Виттенбауэр, Н. И. Мерцалов, Л.В.Ассур, К.О.Мор, Ф.Грасгоф

4 С начала XX века до настоящего времени Интенсивное развитие всех направлений ТММ Работы в области структуры и кинематики механизмов, геометрии зубчатых передач, динамики машин и механизмов Л.П.Смирнов, Ф. Л.Литвин Х.Ф.Кетов, В.П.Горячкин, И. И.Артоболевский, Х. Альт, Г.Бегельзак и др.

Теперь обратимся непосредственно к рассмотрению 2-го этапа (первая половина XIX века), когда закладываются основы ТММ и делаются шаги к созданию теоретической базы новой науки. В этом важную роль сыграл Г. Монж. Он сумел поставить геометрию на службу инженерным наукам, создав начертательную геометрию. Ученый развил идею о механизмах как преобразователях движения отдельных звеньев. А.М. Ампер

158

сформулировал понятие «кинематика». Вопросы динамики машин (с учетом движущих сил, сил сопротивления, сил инерции и сил веса) изучал Ж.-В. Понселе. Это был, поистине, кумулятивный период, когда постепенно собиралась и накапливалась необходимая информация. Именно тогда ТММ под названием «Прикладная механика» стала отделяться от теоретической механики.

Следующий, 3-й этап (см. таблицу) начался с постепенного выстраивания всех накопленных в этой области знаний в стройную систему, с одновременно продолжающимися фундаментальными изысканиями. Здесь следует особо выделить имена трех ученых: П.Л. Чебышева, Р. Виллиса и Ф. Рёло.

П.Л. Чебышев установил аналитическую связь между числом звеньев и числом кинематических пар механизмов, т. е. он дал основы структуры механизмов. При этом русский ученый показал, каким совершенным и эффективным аппаратом выступает математика при решении задач анализа и синтеза механизмов. С появлением работы П.Л. Чебышева по математическим методам приближенного синтеза механизмов (1853) связывают рождение новой науки - теории механизмов и машин, а самого ученого называют основателем русской школы ТММ.

Р. Виллис составил наиболее полную по тому времени классификацию механизмов. Ф. Рёло создал механические модели механизмов и их элементов. В своем энциклопедическом по содержанию труде «Теоретическая кинематика» он ввел также такие понятия, как кинематическая пара, кинематическая цепь и кинематическая схема.

После публикации работ Р. Виллиса, П.Л. Чебышева, Ф. Рёло и ряда других ученых второй половины XIX века можно с уверенностью говорить о рождении новой науки - теории механизмов и машин, поскольку благодаря этим работам были созданы научные основы самостоятельной науки.

Следует отметить, что самостоятельная наука обладает собственной строгой научной систематикой и классификацией изучаемых объектов. Помимо этого, самостоятельная наука располагает в своем арсенале методами замены реального физического объекта той или иной абстрактной механической моделью, близкой по своим параметрам к физической природе изучаемого объекта. Только самостоятельная наука в состоянии дать математическое описание рассматриваемой модели, что, в свою очередь, позволяет провести с определенной достоверностью анализ свойств и явлений созданной модели.

Подытожим вышесказанное, заметив, что всякая вновь оформившаяся наука делает ряд типичных шагов, направленных на свое дальнейшее становление и упрочение собственных позиций. Любая новая наука начинается с решения определенного круга задач, которые невозможно решить средствами других наук. Затем новая наука начинает упорядочива-

ние и классификацию этих задач. С этой целью новая наука разрабатывает теории, методы и приемы, направленные на решение стоящих перед ней задач. Эти задачи условно можно назвать «внешними». Помимо них, присутствуют и задачи, так сказать, «внутренние», к которым относятся задачи структуры. Их решение и является основой существования и развития ТММ. Заметим, что все перечисленные действия ТММ успешно совершила на протяжения 2-го и 3-го этапов своего развития (см. таблицу).

Следует добавить, что любая самостоятельная наука должна обладать собственным понятийным аппаратом, а также присущей ей устоявшейся и принятой всеми терминологией. Этими атрибутами ТММ на момент своего появления уже в полной мере располагала.

Итак, на настоящий момент ТММ представляет собой науку, изучающую строение или структуру, кинематику и динамику механизмов в связи с их анализом и синтезом. Ее цель: анализ и синтез типовых механизмов и систем. Цель формирует задачи ТММ. Последние выражаются в разработке общих методов исследования структуры, геометрии, кинематики и динамики типовых механизмов и их систем.

В современной ТММ выделяют следующие разделы: 1) анализ механизмов (структурный, кинематический и динамический), что означает определение свойств механизмов по заданной схеме; 2) синтез механизмов (структурный, кинематический и динамический) или проектирование механизмов по заданным свойствам; 3) теория машин-автоматов, включая манипуляторы и промышленные роботы.

Убедившись в том, что ТММ еще в середине XIX века обрела статус самостоятельной науки, следует выявить причины, способствовавшие этому процессу. Они имеют ярко выраженную объективную природу и представляют собой результат действий различных законов природы и общества.

Выше уже упоминался выше такой процесс, как накопление информации. Любая наука проходит через этот период аккумуляции знаний в своей области. При этом происходит их одновременное расширение и углубление. Однако данный процесс в определенный, уточним, критический момент меняет свое плавное течение. Происходит качественный скачок, который в философии называется проявлением диалектического закона перехода количественных изменений в качественные. В этот период наука обретает другое качество, получая все параметры самостоятельности, а весь собранный и до того в какой-то мере разрозненный информационный массив превращается в стройную систему знаний. Происходит дифференциация научного знания. Такая дифференциация позволяет более тщательно и глубоко изучать специфические явления из круга интересов той или иной науки.

Помимо этого, наука претерпевает влияние общества, особенности его исторического развития. Человечество постоянно стремилось облегчить свое существование, изобретая и внедряя в производство всевозможные машины и механизмы. На ранних исторических стадиях развития такое производство ограничивалось мелкосерийными партиями различных изделий. Постоянный и неуклонно ускоряющийся рост промышленного производства требовал и лучшего технического обеспечения, что привело в конечном итоге к промышленной революции XVIII века. Она послужила толчком для развития науки вообще и технических наук в частности. Действительно, любой механизм или машину невозможно сконструировать без специальных знаний. Востребованность этих знаний создает предпосылки для научных изысканий в нужном направлении. Эта в некоторой степени схематичная и упрощенная картина достаточно четко отражает одну из закономерных причин зарождения теории механизмов и машин.

Рассмотрение последнего 4-го этапа в развитии ТММ (см. таблицу) указывает на то, что данная наука продолжала успешно развиваться на протяжении последующих десятилетий. Открытия, сделанные учеными в этот период времени в области ТММ, укрепили позиции науки, показали ее жизнеспособность и востребованность.

Именно в это время особенно активно развивалась отечественная наука, которая дала мировой науке целую плеяду талантливых ученых. Появились работы в области структуры механизмов А.И. Малышева, Л.П. Решетова, О.Г. Озола. Такие ученые, как Н.И. Колчин, Л.П. Смирнов и В. А. Зиновьев, опубликовали свои работы по кинематике механизмов. Тема геометрии зубчатых передач освещена в работах Ф.Л. Литвина, Х.Ф. Кетова, В. А. Гавриленко, М.Л. Новикова. Серия работ по динамике машин и механизмов была выполнена В.П. Горячкиным, С.П. Кожевниковым, М.З. Коловским. Вышел в свет ряд обобщающих теоретических работ И.И. Артоболевского, Н.И. Левитского, К.В. Фролова. Все их разработки, достижения и открытия продолжали закреплять за ТММ статус серьезной и очень важной инженерной науки.

Кстати, в это же время (1969) создается Международная федерация по теории механизмов и машин (IFToMM), призванная координировать усилия ученых разных стран, обеспечивать более быстрый и эффективный обмен знаниями в области ТММ. Особенно показательно то, что ее первым президентом долгие годы был наш соотечественник академик И.И. Артоболевский.

В заключение необходимо отметить, что дисциплинарная оформ-ленность ТММ как науки на настоящий момент также отнюдь не означает какой-либо стагнации. Напротив, строгость и четкость устоявшихся научных воззрений и их успешное практическое применение привлекают к себе, например, достижения в области кибернетики (компьютерное проектирование, имитационное моделирование). В этом проявляются современные

интегративные тенденции, когда классическая научная дисциплина привлекает к себе и входит в жизнеспособный симбиоз с неклассической научной дисциплиной. Данное явление приносит взаимную выгоду и пользу обеим наукам, а также открывает самые широкие перспективы для плодотворного сотрудничества разных наук. При этом ТММ продолжает оставаться важной инженерной наукой, обеспечивающей необходимыми базовыми инженерными знаниями специалистов самых разных областей.

Список литературы

1. Боголюбов А.Н. Теория механизмов и машин в историческом развитии ее идей. М.: Наука, 1976.

2. Багдасарьян Н.Г., Горохов В.Г., Назаретян А.П. История, философия и методология науки и техники: учебник и практикум для бакалавриата и магистратуры. Люберцы: Юрайт, 2016. 383 с.

3. История механики с конца XVIII до середины ХХ вв. / отв. ред. А.Т. Григорьян, И.Б. Погребысский. М.: Наука, 1972.

4. Трусделл К. Очерки по истории механики. М.: Ижевск: Институт компьютерных исследований, 2002. 316 с.

Метлов Илья Николаевич, студент, min3219@yandex.ru, Россия, Тула, Тульский государственный университет,

Кирьянова Мария Николаевна, канд. техн. наук, доц., ginger-libra@,mail.ru, Россия, Тула, Тульский государственный университет

THE SPECIFITY OF FORMA TION OF THE DISCIPLINE "THERY OF MECHANISMS AND MACHINES" AS A SEPARATE SCIENCE

I.N. Metlov, M.N. Kirianova

The basic stages of development of engineering thought that led to the formation of "theory of mechanisms and machines" as a science. Considered the period of the department "theory of mechanisms and machines" from theoretical mechanics, reasons, characteristics.

Key words: theory of mechanisms and machines, an independent science, history, reasons, features, International Federation for Theory of Machines and Mechanisms (IF-ToMM).

Metlov Ilya Nikolaevich, student, min3219@yandex. ru, Russia, Tula, Tula State University,

Kirianova Mariya Nikolaevna, candidate of technical sciences, docent, ginger-libra@,mail.ru, Russia, Tula, Tula State University