В Ы В О Д Ы
С глубокой древности на Руси решались оригинальные технические проблемы, связанные со строительством, развитием металлургических процессов (изготовление металлов, литье колоколов, пушек и т.д.), другими сложными технологиями.
На первом этапе – до конца XVIII века инженерное дело развивается в соответствии с потребностями становления хозяйственной деятельности. Первые шаги отечественного инженерного дела были весьма робкими по сравнению с Западной Европой.
Инженерное искусство получает мощный импульс вследствие реформирования российского государства Петром І. Однако этот процесс идет с помощью иностранных специалистов, западных идей, новшеств и некоторого развития собственных возможностей.
На этапе становления инженерной профессии в России возникает специальное высшее образование, появляется промышленное законодательство и его институты в виде мануфактур, коллегий и других учреждений, проводивших техническую политику и отчасти регулировавших деятельность инженеров; происходит выделение инженеров в особый род войск; появление гражданской инженерной специальности, связанной с развитием промышленного производства.
Происходит определенный перелом в развитии инженерного дела, возникает инженерная профессия и первые профессиональные учебные заведения, что ускоряет становление профессии инженера в России.
Тема VI. ВКЛАД ОТЕЧЕСТВЕННЫХ УЧЕНЫХ
В СТАНОВЛЕНИЕ И РАЗВИТИЕ ИНЖЕНЕРНЫХ НАУК
Инженерные науки вооружают инженеров, техников знанием и умением решать сложные задачи создания станков разного плана и назначения, возведения различных сооружений, позволяют рассчитывать силы водяных и газовых потоков, движущих турбин или обтекающих корабли и самолеты, летательные космические аппараты. Неcомненно, основой инженерных наук является механика. Знание механики как основы инженерных наук крайне необходимо строителям и зодчим. Они возводят наши жилища, корпуса заводов и фабрик, здания школ и больниц, театров и музеев, воздвигают башни и арки, строят мосты, метрополитены и многое другое.
В настоящей лекции идет речь о вкладе отечественных ученых, строителей, конструкторов в становление и развитие инженерных наук.
1. Cтановление отечественных инженерных наук.
2. Вклад отечественных ученых в инженерные науки.
Еще в глубокой древности Русь славилась своими умельцами – литейщиками, оружейниками, ювелирами, строителями ветряных и водяных мельниц. Материалы археологических раскопок показывают, что уже в VІІІ веке наши предки применяли токарную обработку. В период Киевской Руси еще совершеннее становится техника ремесел. Славилась, в частности, своей добротностью проволока, изготовленная мастерами искусно владевшими техникой волочения.
Средневековые русские мастера умели делать сложные механические устройства – часы, хитроумные замки, сверлильные и токарные станки, станки для чеканки монет, ткацкие станки, самопрялки, копры для забивания свай, подъемные сооружения, лесопильни. Русские мастера искусно поднимали на высокие башни огромные колокола.
Опыт, накопленный русскими ремесленниками, создал благодатную почву для развития теории, накопления практических знаний.
Отечественные ученые внесли много ценного в разработку теории машин, механизмов, строительных конструкций. В отечественных древних книгах на эту тему излагались знания, накопленные русскими и иностранными мастерами в практической деятельности. Можно упомянуть, например, вышедшее на рубеже XVI–XVII веков руководство по бурильной технике «Роспись, как зачат делат новая труба на новом месте» (1620 г.) Много ученых сведений по технике содержал знаменитый «Устав ратных, пушечных и других дел, касающихся воинской науки». Автором этой книги был выдающийся деятель русской техники XVII века Онисим Михайлов (предшественницей «Устава» была «Воинская книга», напечатанная Михаилом Юрьевым и Иваном Фоминым). Большая часть книги посвящена артиллерии и фортификации. Однако в «Уставе» разбирается и много общетехнических вопросов. Замечательно, что в книге изложение технических вопросов основано на данных математики. Много сочинений, посвященных технике, появилось во второй половине XVII века.
В начале XVIII века в России стали появляться сочинения, написанные уже специалистами-учеными. Одним из таких ученых был Г.Г.Скорняков-Писарев, выпустивший в 1722 г. книгу «Наука статическая, или механика» – первый русский труд, посвященный специально механике. В 1738 г. вышла в свет книга «Краткое руководство к подписанию простых и сложных машин, сочинение для употребления российского юношества». То был перевод с латинского языка (на котором в те времена писались научные труды) сочинения петербургского академика Крафта. Перевод был сделан адъюнктом Академии наук В.Е. Адодуровым. Книга эта послужила источником знаний для нескольких поколений русских механиков. Примечательна эта книга еще тем, что в ней впервые шла речь о машиноведении как об отдельной науке, а не только как о разделе физики.
Во второй половине XVIII в. появляется новый оригинальный учебник механики, написанный русским автором. Эта книга, изданная в 1764 г. Яковом Козельским, называлась «Механические предложения для употребления обучающегося при Артиллерийском и Инженерном шляхетном кадетском корпусе благородного юношества». Ценные учебники по механике и сопрадельным научным дисциплинам написали Д. С. Аничков, Н. Г.Курганов, Е. Д. Войтяховский.
Русскими учеными и исследователями были решены важные вопросы машиностроения. Так, Леонард Эйлер выводит знаменитую формулу (1765 г.), которая дает возможность по коэффициенту трения определить основные конструктивные элементы механизма с гибкими звеньями. Эта формула является только составным звеном общей теории трения. Эйлер занимался изучением трения в течение многих лет, продолжая исследования трения в машинах и механизмах. Первый труд, посвященный трению в машинах и механизмах был издан в Петербурге в 1727 году. Л.Эйлер необычайно углубил теорию трения и придал ей математически совершенный вид. В своем классическом сочинении «Механика» он успешно решил вопросы механики методом математического анализа. От этой книги идут, как признают ученые, пути дальнейших поисков в области аналитической механики.
В 1760 году Эйлер выпустил в свет труд «О движении твердого тела». В этом сочинении, как писал академик А.Н.Крылов, «вопрос о составлении дифференциональных уравнений получил полное и окончательное решение, которым пользуются и до сих пор».
Следует еще раз сказать, что в богатом наследии Эйлера – им оставлено 865 трудов – многое посвящено механике. Эйлер был не только ученым-теоретиком, но занимался и чисто инженерными делами, проверкой качеств насосов и чувствительности весов для взвешивания монет, принимал участие в экзаменах «машинных дел подмастеров».
Говоря о вкладе отечественных ученых в развитие и становление механики, инженерного дела нельзя не остановиться на вкладе М.В.Ломоносова в решение названных выше проблем. Исходим мы здесь не из традиционного подхода оценки Ломоносова как величайшего русского ученого, а из его конкретного вклада в механику, в инженерное дело.
Понимая огромную важность «приборного искусства» для создания машин и механизмов, Ломоносов изобрел ряд специальных устройств и приборов: машины для испытания материалов на твердость, инструмент «для раздавливания и сжимания тел», с помощью которых он исследовал прочность различных материалов. В лаборатории Ломоносова родился первый вискозиметр – прибор для определения вязкости жидкостей. Такими приборами пользуются машиностроители для правильного подбора смазочных материалов.
Ломоносов оставил ряд интереснейших исследований часовых механизмов, высказал мысль об использовании в часах хрусталя и стекла для уменьшения трения. Ученый выступал не только как теоретик, но и как конструктор. Им были построены токарный и лобовые станки, созданы проекты коленчатых валов, водяных помп, лесопильных мельниц.
Заслуга М.В.Ломоносова перед механикой состоит и в том, что под его руководством работали мастерские Академии наук, ставшие одним из центров русской технической мысли. После смерти М.В.Ломоносова они пришли в упадок и только после того как в 1769 г. во главе мастерских становится Иван Петрович Кулибин, они занимают то место, которое занимали при Ломоносове.
Многочисленные изобретения Кулибина свидетельствуют, что он был инженером в современном смысле слова. Об этом говорят факты. Он строил свои творческие замыслы на прочной основе строгих расчетов и тщательных исследований. В частности, задумав мост через Неву, Кулибин воплотил его в точные и подробные чертежи. К 1776 г. изобретатель закончил проект, доныне удивляющий нас замечательной глубиной инженерного решения, красотой и изяществом конструкций. Интересен метод, при помощи которого Кулибин провел предварительную проверку возможностей сооружения. Натянув веревку и подвешивая к ней в определенных местах грузики, изобретатель воспроизвел как бы подобие своего моста и сил, действующих на мост. Построил Кулибин и специальную испытательную машину, с помощью которой он проверял свои расчеты.
Создав подобие моста и определив нагрузки, которые способна выдержать модель, Кулибин мог совершенно точно установить и наибольшую нагрузку, которую сможет вынести его мост-гигант. Таким образом, знаменитый российский механик внес важное решение: как в модели воспроизвести точное механическое, а не только геометрическое, внешнее подобие крупного сооружения.
Следует заметить, что Эйлер тщательно проверил расчеты Кулибина и, убедившись в их абсолютной правильности, дал о них восторженный отзыв. Эйлер облек теоретическое открытие Кулибина в математическую форму. Метод подобия вошел в технику как одно из мощнейших ее средств. В практике ни одно ответственное сооружение не строится, прежде чем его маленькое подобие – модель – не пройдет всесторонних испытаний.
Неустанно работала отечественная мысль над развитием теории механики. Так, продолжая дело Ломоносова и Эйлера, академик С. Котельников в 1774 г. выпустил книгу, содержащую учение о равновесии и движении тел. Особенно активизировались поиски решения технических проблем после открытия в 1755 г. Московского университета. В начале ХІХ века академик С. Е. Гурьев опубликовал несколько работ по теории машин и механизмов, в том числе «Основы механики» и «Главные основания динамики». С особенно пристальным вниманием ученый разбирал «общее правило равновесия с приложением оного к «махинам».
Вопросы механики занимают большое место в «Начальных основаниях общей физики», выпущенных в 1801 г. профессором Московского университета П. И. Страховым.
Трудно перечислить все имена выдающихся деятелей российской науки и техники. Имена многих из них стали гордостью всего передового человечества. Одним из таких людей был гениальный математик и механик Михаил Васильевич Остроградский (1801–1862), который был учеником известного математика Огюстена Коши (преподавал в Политехнической школе и Сорбонне). Принцип Остроградского–Гамильтона – жемчужина теоретической механики. Все механические системы подчиняются этому принципу. Руководствуясь им, можно в математических уравнениях отобразить механические процессы. Уравнения, основанные на принципе Остроградского-Гамильтона подсказывают инженерам пути наилучшего разрешения стоящих перед ними задач.
Остроградский занимался теорией волн, теорией теплоты, изучал упругие колебания тел, вопросы равновесия и движения твердых тел, вековые неравенства в движении планет. Большое внимание он уделял педагогической работе. Кстати, прикладная механика была высоко поставлена в петербургских высших школах. В определенной мере это было заслугой А.Бетанкура (1758–1824), который приехал в Россию в 1808 г. Он принимал участие в организации службы путей сообщения, построил ряд заводов и зданий (в частности, по его проектам был построен Манеж в Москве и заложен фундамент Исакиевского собора), руководил застройкой Петербурга, в Нижнем Новгороде построил ансамбль ярмарочных зданий, с 1818 г. был генеральным директором путей сообщения. А.Бетанкур являлся одним из учредителей и руководителей первого в России высшего учебного заведения нового типа – Петербургского института путей сообщения, открытого в 1809 г. Именно он привлек к преподаванию несколько выдающихся механиков, выпускников Политехнической школы, воспитал в Институте путей сообщения русских ученых – прикладников. Из профессоров этого института важный вклад в механику внесли Габриэль Ламе (1795–1870) и Бенуа Поль Эмиль Клапейрон (1799–1864).
В связи с задачами строительства железных дорог в 30-х годах ХІХ в. активизируется работа над созданием строительной механики и теории сооружений. Важную работу в этом направлении выполнили воспитанники института путей сообщения. Станислав Кербедз (1810–1893), профессор прикладной механики, который спроектировал и построил первый в России металлический мост через Неву. Мост имел семь прочных чугунных пролетов по 32–48 м. длиной каждый, восьмой пролет был разводным. Его строительство было окончено в 1850 г. При расчете моста впервые был применен кинематический метод. Герман Егорович Паукер (1822–1889) исследовал устойчивость сводов и пришел к соответствующим теоретическим выводам. При этом пользовался статистическими и кинематическими методами и получил идентичные результаты.
Многим обогатил механику замечательный мостостроитель Дмитрий Иванович Журавский (1821–1891). Достаточно сказать, что именно он спроектировал и построил большинство мостов железной дороги между Петербургом и Москвой, прокладка которой началась в 1843 г. Следует заметить, что опыт предшественников – создателей мостов обычного назначения – мало годился для проектирования железнодорожных мостов, которые должны были выносить значительно большие динамические нагрузки. Известные в ту пору мосты, составленные из форм системы инженера Ф. Х. Гау, не обладали надежной прочностью. Ф. Х. Гау строил мостовые фермы, элементы которых были совершенно одинаковы по всей длине, как близ «опор, так и в средней части. Журавский подверг тщательному исследованию ферму Ф. Х. Гау. Построив модель ее, русский инженер заменил в ней болтовые соединения проволоками. Нагрузив модель и заставлял скрепляющие ферму проволоки колебаться, как струны, он обнаружил, что они в разных частях фермы издают звуки разных типов. Предвидения Журавского оправдались: нагрузка в разных частях фермы оказалась неодинаковой. Так изящным опытом Журавский установил серьезный недостаток мостов конструкции инженера Ф. Х. Гау. Исследование его ошибки послужило Журавскому отправной точкой для создания научно обоснованых методов мостостроения. Применив свой метод раскосных ферм, Журавский в 1855 г. построил Веребьинский мост длиной более чем в полкилометра. Имя русского инженера получило известность во всем мире. Ни одной катастрофы не случилось с мостами, построенными Журавским, хотя часть их приходилось строить из дерева. Способности Журавского к научному осмысливанию задач строительной практики ярко проявилось и тогда, когда ему пришлось заняться проектированием и постройкой металлического штиля для собора Петропавловской крепости. Опыты над моделями и методические расчеты, которые Журавский производил во время конструирования шпиля, позволили открыть очень важные для техники методы расчета двутавровых балок.
Такие балки – необходимый элемент мостов, перекрытий зданий, железных каркасов заводских цехов – словом, всякого крупного сооружения. Тогда же Журавским была разработана и общая теория проектирования сквозных пирамидальных сооружений, заложены основы теории сопротивления материалов и конструкций.
Последователь Журавского Николай Аполлонович Белелюбский (1845–1922) вошел в историю техники как создатель большого числа замечательных мостов, пришедших на смену деревянным. Более пятидесяти сооружений спроектировал Белелюбский. Так, Сызранский мост через Волгу, построенный им в 1875–1881 гг, долгое время не имел равных в Европе по величине и оригинальности конструкций (13 пролетов по 111 метров каждый). Огромен и мост через Днепр из 15 пролетов по 71,3 метра, созданный им в 1881 году. Белелюбский был инициатором широкого применения в железнодорожном строительстве научных методов испытания материалов, для чего он создал специальную лабораторию, равной которой не было за границей.
Богатейшее наследство оставил в механике Пафнутий Львович Чебышев. Великий теоретик, прославивший себя блестящими открытиями в математике, с увлечением решал насущные задачи промышленной практики, как математик нередко предлагал оригинальные решения инженерных задач. Интересен факт решения им проблемы выпрямляющего механизма (или параллелограмма Уатта). Выпрамляющий механизм Уатта, названный по имени изобретателя, был предназначен для превращения кругового движения в прямолинейное, выполнял свою задачу не совсем удовлетворительно. Движение только в грубом приближении можно было считать прямолинейным. А из-за такого несовершенства параллелограмма Уатта в машинах возникали вредные сопротивления. Чебышев разрабатывает метод теоретического расчета выпрямляющих механизмов, то есть механизмов, способных «выпрямлять» вращательное движение, превращать его в прямолинейное. Подобные механизмы стали основой многих совершенных конструкций. Следует заметить, что работа над выпрямляющим механизмом была для Чебышева отправной точкой в его деятельности по созданию теории механизмов и машин. Проявляя незаурядные инженерные способности, Чебышев создает и разнообразнейшие механизмы, способные точно воспроизводить движения, работать с остановками, превращать непрерывное движение в движение прерывное. Он строит свою знаменитую переступающую машину, точно воспроизводящую движение идущего животного, создает гребной механизм, повторяющий движение весел, самокатное кресло, модель новой сортировальной машины.
Чебышев изобрел и автомат для вычислений. Созданный в 1881 году, он явился как бы продолжением его работы над совершенствованием оригинальной суммирующей машины, которую Чебышев изобрел тремя годами раньше. Здесь уместно указать, что арифмометр построен в 1874 г. петербургским изобретателем В.Т.Однером. Это прототип арифмометров, которыми пользовались длительное время в ХХ веке и кое-где пользовались донедавно. В отличие от других счетная машина Чебышева могла работать в быстром темпе, превышающем 500 вычислений в час. Поэтому принцип, положенный Чебышевым в конструкцию счетного автомата, привлекал и привлекает к себе внимание многих инженеров. К сожалению, данная модель распространения в России не получила и очутилась в Париже, в музее искусств и ремесел.
Инженеры и ученые черпают в трудах Чебышева методы, формулы, идеи. Когда нужно узнать, при каких условиях проектируемая система рычагов, шарниров, колес может стать цельным механизмом, обращаются к знаменитой структурной формуле Чебышева. Это одна из необходимейших формул для инженеров. Важным достижением русского ученого было и доказательство знаменитой теоремы трехшарнирных четырехзвенников, расписывающих одну и туже шарнирную крутую. Являясь основателем и руководителем петербургской математической школы, он впервые вводит в теорию механизмов (т.е. в прикладную кинематику) математические методы (работа «Теория механизмов», известных под названием параллелограммов).
По совету Чебышева кинематикой механизмов занимались Джеймс Джозеф Сильвестр и ряд английских ученых, которые работали над вопросом о воспроизведении математических зависимостей при помощи механических средств.
Идеи Чебышева получили развитие в работах его учеников. Перу ученика Чебышева – Александра Михайловича Ляпунова, гениального математика и механика, принадлежит изложение теории устойчивости движения. Всякая система, механическая или электрическая, во время работы испытывает ряд внешних и внутренних воздействий. Зачастую эти воздействия нарушают согласованность работы отдельных частей системы. Она при этом теряет устойчивость движения, «разлаживается». Возникают вредные вибрации, толчки, усилия.
Теория Ляпунова, рассматривающая условия устойчивости движения, стала основой научного проектирования самых разнообразных машин и устройств. Вся ценность этой теории выявилась лишь позже, в дни техники больших скоростей, реактивной авиации, автоматики, телемеханики, радиотехники. Конструкторы сложнейших механических и электрических устройств проверяют методом, созданным Ляпуновым, будет ли устойчива, надежна в работе созданная ими система.
Новую теорию пространственных зубчатых механизмов создал другой ученик Чебышева – Х. И. Гохман. Над теорией структуры плоских и пространственных механизмов успешно работал П. И. Сомов.
Во второй половине ХІХ в., когда в промышленности все шире и шире стали распространяться первые двигатели. Перед инженерами встал вопрос о создании надежно работающих регуляторов, способных точно и безотказно реагировать на малейшие изменения нагрузки на паровую машину. К плеяде выдающихся ученых-механиков принадлежит Иван Алексеевич Вышнеградский (1831–1895). Именно он положил начало теории автоматического регулирования. Этот труд явился ответом русского ученого на настоятельные требования инженерной практики. Дело в том, что от качества точности изготовления регулятора, его расчета и исполнения зависела работа машины. Неоднократные попытки создать методы предварительного расчета регулятора не давали результатов. И. А. Вышнеградскому удалось решить эту важнейшую научную и техническую задачу. Вышнеградский, в отличие от своих многочисленных предшественников рассматривал движение регулятора не изолированно, а во взаимодействии с движением самой машины. Он вывел ряд математических уравнений и блестяще их проанализировав, создал знаменитые «неравенства Вышнеградского».
Выводы русского ученого имели первостепенное значение для практики. «Неравенства» и «диаграммы Вышнеградского» стали основой расчета чувствительных, безотказно работавших в свое время регуляторов. Работа И. А. Вышнеградского «О регуляторах прямого действия» была сразу же переведена на несколько иностранных языков. С развитием техники значение ее раскрывалось все шире и шире. Все позднейшие изыскания в области автоматического регулирования опирались на эту работу. И сегодня теория созданная Вышнеградским, помогает инженерам создавать различные автоматические устройства.
Крупные успехи были достигнуты российскими исследователями и в изучении трения в машинах. Борьба с трением, правильно разработанный режим смазки имеют огромное значение в технике.
В конце ХІХ в., когда промышленность развивалась особенно бурно, от правильного решения этих проблем зависел дальнейший прогресс техники, успех борьбы за высокие скорости и большие мощности. Русский ученый Николай Павлович Петров (1836–1920), впоследствии почетный академик, опубликовал в 1883 г. в «Инженерном журнале» работу о трении в машинах. Он осветил одно из самых «темных» мест механики. Большое внимание ученый уделил проблеме смазывания трущихся поверхностей.
Н. П. Петров доказал, что правильно смазанные твердые поверхности не приходят в соприкосновение: их разделяет жидкая пленка. «Если же, – писал он – жидкий слой, смазывающих два твердых тела – вполне отделяет их одно от другого, то непосредственного трения твердых тел уже, очевидно, не может быть. Таким образом, трение в смазанном подшипнике имеет иную природу, нежели трение «сухое»; оно складывается из трения между твердым телом и жидкостью и трением, возникающим при вращении в слоях самой жидкости».
Труд Петрова «Трение в машинах» положил начало классической гидродинамической теории трения. Развитию и углублению этой теории ученый посвятил множество работ, вошедших в золотой фонд современной механики. Формула Петрова, позволяющая определить силу трения в зависимости от качеств смазочной жидкости, скорость движения и давления на единицу трущейся поверхности, – одна из важнейших инженерных формул, которой пользуются механики.