С ЧЕГО НАЧИНАЕТСЯ МАШИНА
Герой Социалистического Труда, академик И. Артоболевский, и член-корреспондент АН СССР А. Боголюбов
В наши дни человек встречается с наукой на каждом своем шагу. Наука — это новые волокна, ткани, пластмассы, это изобилие света и тепла в наших домах, это чудеса радио и телевидения, это сокращенные до нескольких самолетных часов тысячекилометровые расстояния и новые эффективные лекарства, надежный щит самой нашей жизни.
И, конечно же, наука — это бессчетные наши помощники машины. Те, что много кубовыми стальными ладонями выбирают землю, роют каналы, заменяя сотни землекопов и те, что собирают сложнейшие электронные схемы размером с песчинку или одним ударом выдавливают из стального листа чуть ли не целый кузов автомобиля.
Если первые машины от начала до конца создавались руками и смекалкой мастера-умельца, то машины нашего времени, эти сгустки точнейшей механики и электроники, гидравлики и электротехники, создаются большими коллективами конструкторов, технологов, рабочих. И на всем пути, по которому приходят к нам машины, в их создании участвует наука — одна из главных движущих сил современного машиностроения.
Мы живем в мире машин. Они работают вместе с нами, работают на нас роют землю, перевозят грузы, шьют одежду и обувь, сортируют письма, помогают возводить здания и строить новые, все более совершенные машины. Машины ловкие, сильные, а теперь уже и умные.
Пути, по которым приходят к нам разные машины, очень похожи. На каждом машиностроительном заводе есть цеха, в которых создаются заготовки, рождаются, вырабатываются детали машины, есть цеха, в которых производится окончательная обработка и проверка этих деталей, цеха для сборки агрегатов, цеха, в которых из агрегатов собираются машины, где, наконец, производится окраска и испытание машин перед тем, как они отправляются на работу в большой мир.
Но, конечно же, машина начинается не в цехах завода. Она приходит туда из конструкторских бюро, где разрабатываются проекты новых машин и улучшаются старые модели.
А в конструкторские бюро машина приходит из институтов и лабораторий, где ученые - теоретики и экспериментаторы — строят научный фундамент машиностроения. Где создают новые механизмы, разрабатывают новые материалы, где на основе сложнейших теоретических исследований создаются простые и удобные пособия, руководства, справочники для конструкторов и технологов, для всех создателей машин. Одним словом, машины начинаются с большой науки о машинах, с глубокой теории. И именно достижения науки о машинах в значительной степени определили те замечательные успехи, которых сегодня добились машиностроители.
Чтобы увидеть эти успехи, достаточно просто посмотреть по сторонам, посмотреть на всю эту огромную армию наших стальных помощников. На автомобили, экскаваторы, прокатные станы, магнитофоны, луноходы, океанские лайнеры.
А еще для того, чтобы увидеть успехи современного машиностроения, его масштабы и динамизм, очень полезно хотя бы мельком оглянуться назад, бегло перелистать страницы истории науки о машинах.
Простые машины появились несколько тысяч лет тому назад. Это те машины, которые пришли на помощь человеку, увеличив, по сути дела, его физическую силу, силу мускулов. Намного моложе машины, которые смогли, образно говоря, заменить руку человека, его умение выполнять сложные, тонкие операции. Таким машинам всего 250-200 лет. Полтораста лет тому назад пошли по рельсам первые поезда. И нет еще даже ста лет, как на дорогах появились автомобили, в воздух поднялись аэропланы - летательные аппараты тяжелее воздуха. И, наконец, совсем уже недавно начали появляться машины совершенно нового класса — управляющие, логические и кибернетические, которые могут заменить не только физическую силу человека, не только его профессиональную ловкость. В этих машинах мы уже видим то, что можно смело называть элементами искусственного интеллекта.
Для создания первых простейших машин, облегчающих физический труд человека, таких, например, как водяные мельницы, элементарные строительные механизмы, водоподъемные устройства, особой науки, конечно, не требовалось. Достаточно было знать несколько правил, из которых главным было правило рычага, знать основные свойства материалов, чтобы обеспечить надежную работу и долговечность таких машин. Кстати, бывало, что простейшие древние машины работали десятки и даже сотни лет, пока не разрушались от ветхости или пока они не сгорали при пожарах строились машины главным образом из дерева.
Но чем сложнее, чем совершеннее становились машины, тем больше знаний требовалось для их создания. Тем большая потребность возникала в науке, которая обобщила бы накопленный опыт. В науке о машинах.
В начале восемнадцатого века была изобретена механическая прялка. Это событие, как писал Карл Маркс, знаменовало собой начало промышленного переворота. Вслед за появлением первой машины, работавшей «без помощи пальцев», очень быстро механизируются многие сложные операции в разных областях промышленности. А через, каких-то 30 лет появляется и паровая машина, и промышленность получает универсальный двигатель. Затем начинается производство машин — промышленная революция вступает в завершающую фазу.
Промышленный переворот происходил в Европе не одновременно. Он постепенно охватывал все более отсталые в промышленном отношении страны и, шествуя с запада на восток со скоростью около пятнадцати километров в год, к середине прошлого века добрался до России.
Это относится к окончанию промышленного переворота, его отдельные проявления наблюдались в разных странах еще и в восемнадцатом веке. Так, в России в это время было изобретено много металлообрабатывающих станков, были изобретены новые машины для текстильной промышленности и иных областей. Достаточно вспомнить великого самоучку И. И. Ползунова, который изобрел и построил промышленную паровую машину, заставил ее работать. Однако в крепостнической России того времени не было предпосылок для промышленного переворота и замечательное изобретение Ползунова, как и немало других, просто погибло. Через три года после того, как была пущена в ход машина Ползунова, он умер, а его творение вскоре разобрали на лом за ненадобностью. За ненадобностью!..
Кое в чем, правда, Россия не уступала передовым промышленным странам. В частности, русская наука, начало которой было положено в том же восемнадцатом веке, очень быстро вышла на одно из ведущих мест в мире. Многие ученые, члены русской академии, открыли новые направления в науке.
К таким основоположникам науки принадлежал величайший математик Леонард Эйлер. Швейцарец по происхождению, он молодым человеком приехал в Россию, вырос здесь, как ученый, прославился сам и своими трудами прославил Российскую академию. Правда, из-за беспорядков, царивших в академии, с которыми, кстати, боролся М. В. Ломоносов в 1741 году, Эйлер выехал из России, сохранив, однако, за собой звание академика и право печатать свои труды в академическом журнале. Лишь через 25 лет Эйлер вернулся в Россию, которая стала его второй родиной и родиной его семьи. Здесь он, и скончался в 1783 году, не окончив своей последней работы, перестал «вычислять и жить» (Дети, внуки Леонарда Эйлера были уже русскими. Один из его сыновей был принят в Запорожскую Сечь, а праправнук математика мичман Эйлер сражался в составе героического экипажа славного крейсера «Варяг»)
Эйлер первым заметил ту важную роль, которую в его время начали играть машины. В двух мемуарах «О машинах вообще», и «Принципы теории машин», опубликованных в «Новых комментариях». Петербургской академии наук, соответственно за 1753 и за 1763 годы, он, в сущности, сформулировал все основные вопросы науки о машинах. Он указал, что машину нельзя рассматривать в статике, что самое важное в машине - это движение. И что поэтому машину следует изучать не в состоянии покоя, а в состоянии движения. Он показал также, как следует изучать машину.
Так в России родилась наука о машинах.
События промышленного переворота с особой силой привлекли внимание ученых к машинам. Замечательный математик и видный деятель революционной Франции Гаспар Монж наметил принципы изучения машин. Эти принципы развил и перевел на язык практики знаменитый испанский инженер, генерал русской службы, главный директор путей сообщения России Августин Бетанкур. В 1823 году академик Российской академии наук Д. С. Чижов написал «Записки о приложении начал механики к исчислению действия некоторых машин, наиболее употребительных», пожалуй, лучший из учебников своего времени по теории машин.
Так возникла наука о машинах — механика машин, от которой, в сущности, впоследствии отпочковались все другие науки, изучавшие машину. Механика машин сначала была описательной наукой. Но уже в начале второй половины прошлого века к ее задачам начинают прилагать математические методы. В этом направлении пионером стал основоположник петербургской математической школы академик Пафнутий Львович Чебышев.
Чебышев не только первым применил к науке о машинах математические методы, он обосновал решение главной задачи этой науки — задачи синтеза механизмов. Работая над совершенствованием основного двигателя того времени — паровой машины, он создал весьма действенный математический метод - теорию приближения функций полиномами, наименее отклоняющимися от нуля. Эта, казалось бы, абстрактная математическая работа появилась в ответ на совершенно конкретные требования практики - она должна была помочь в поисках наиболее совершенных механизмов, преобразующих поступательное движение во вращательное.
К началу нынешнего века сформировалась теория механизмов (в свое время у этого названия было немало конкурентов «наука о построении машин», «индустриальная механика», «кинематика механизмов», «практическая механика», и другие) — наука, способная уже решать многие важные и сложные задачи построения машин. Однако эти задачи решались каждая в отдельности, общего метода создано не было и для каждой задачи приходилось подыскивать наиболее подходящий способ решения.
Предстояло объединить все эти разрозненные методы и методики. Важные работы в этом направлении были выполнены учениками П. Л. Чебышева и учениками Н. Е. Жуковского, «отца русской авиации». Теория механизмов — наука о создании машин - лежала в поле интересов Жуковского и недаром он сам и его ученики Л. В. Ассур, Н. И. Мерцалов, В. П. Горячкин, Д. С. Зернов, Д. П. Рузский, Г. Ф. Проскура решили целый ряд фундаментальных задач этой теории.
Но, как ни интересны были работы русских ученых, в частности в области теории машин и механизмов, масштабы исследований были явно намного меньше их возможностей. И это вполне понятно во всей стране до революции было всего несколько небольших лабораторий и музеев, наука не получала ни необходимой материальной поддержки, ни не менее необходимого общественного внимания.
Разительным контрастом этому стало отношение к науке в молодой Советской республике. Особое внимание было сразу же обращено на машиностроение — оно должно было сыграть ведущую роль в восстановлении разрушенного народного хозяйства страны, прежде всего ее тяжелой промышленности и внести тем самым свой вклад в становление первого в мире социалистического государства. «Без спасения тяжелой промышленности, — писал Владимир Ильич Ленин, — без ее восстановления мы не сможем построить никакой промышленности, а без нее мы вообще погибнем, как самостоятельная страна»
Ученые-машиноведы ответили делом на внимание партии и государства, на их призывы. В 20-х годах академик Василий Прохорович Горячкин создает свою земледельческую механику — первую в мировой научной литературе теорию технологических машин, или, проще говоря, машин-орудий, рабочих машин. Его работа имела не только методическое, но и методологическое значение. Она явилась образцом для создания учения о технологических машинах и легла в основу многих направлений современного машиностроения. Созданная В. П. Горячкиным теория резания грунтов и теория отвала плуга понадобились не только для конструирования земледельческих машин, плугов и культиваторов. Все современные экскаваторы, дорожные машины, скреперы и многие другие имеют рабочие органы, в основе расчета которых лежит теория Горячкина. Под влиянием Горячкина Тимирязевская сельскохозяйственная академия, которой он руководил в двадцатых годах, стала крупным центром исследовательской работы в области теории механизмов.
Советская школа теории механизмов и машин явилась современницей первых наших пятилеток, ее становление совпало с мощным взлетом советского машиностроения. Ученым-машиноведам приходилось в эти годы решать не только теоретические, но и многие практические задачи, причем часть этих задач решать буквально «на ходу».
В 1936 году в составе Академии наук СССР было открыто отделение технических наук. С этого времени вся фундаментальная исследовательская работа в области науки о машинах концентрируется в Академии наук. Вначале в ней была организована комиссия по машиноведению, а в 1937 году на базе этой комиссии в составе академии был создан Институт машиноведения. При институте начал работать семинар по теории механизмов и машин, постепенно объединивший усилия всех советских специалистов в этой области. Сегодня у этого семинара 19 филиалов — 19 семинаров, работающих в крупных научных центрах страны.
Перелистывая страницы истории науки о машинах, можно найти примеры того, как теория участвовала в решении практических задач, определяла пути развития практического машиностроения, его успехи.
Вот лишь три из огромного множества примеров.
На протяжении всего девятнадцатого века главным промышленным и транспортным двигателем была паровая машина. Для того, чтобы сделать вращение коренного вала машины более равномерным, на него начали ставить маховик. Но маховик, подбираемый интуитивно, часто оказывается недостаточно тяжелым или, наоборот, слишком большим. Бывало, что он не только не помогал, но даже мешал работе машины. Проблема выбора маховика просто перестала существовать после того, как ею занялись теоретики. Они создали расчетные методы, с помощью которых можно было определить нужные размеры маховика для каждого конкретного случая.
Другой пример. По мере того, как возрастали скорости машин, и. стационарных и транспортных, силы инерции начали показывать себя, мягко говоря, с нежелательной стороны. Сходят с рельсов поезда, разрушаются корпуса судов и суда тонут, разрываются вращающиеся части машин, что иногда влечет за собой большие беды. За изучение сил инерции берутся машиноведы и показывают, как в каждом конкретном случае можно их уравновесить, свести тем самым на нет их опасное действие. Анализ, расчет сил инерции, создание машин, в которых эти силы точно учитываются, используются или компенсируются, — эта старинная проблема сегодня, кстати, является одной из центральных в теории механизмов и машин.
И последний пример, он касается зубчатых зацеплений. Зубчатые колеса известны давно. Они были изобретены одновременно с первыми машинами, но так, как скорости были ничтожными, то, и колеса делались, как говорят, из-под топора. Не только в переносном, но и в буквальном смысле слова - до восемнадцатого века шестерни делали почти исключительно из дерева. Высокие скорости машин заставили обратить серьезное внимание на зубчатые колеса они должны были стать прочными, передавать движение с наименьшими потерями и искажениями, зубья должны были служить длительное время, не срабатываясь. На решение этих задач ученые-машиноведы затратили немало усилий и в результате конструкторы получили широкий ассортимент самых разных зубчатых зацеплений, в которых наилучшим образом удовлетворяются те или иные конкретные технические требования.
Время идет и перед наукой о машинах ставятся все новые и новые задачи. Много новых задач возникает в теории зацепления, в теории кулачковых механизмов. Появляются автоматы - нужно разработать их теорию. Ставится задача синтеза механизмов, над которой работал еще Чебышев и над которой продолжали работать в конце девятнадцатого и в начале двадцатого века. Теперь решение этой задачи значительно продвигается вперед благодаря тому, что были решены, причем в значительной мере силами советской школы теории механизмов и машин, проблемы структуры и классификации механизмов и проблема их анализа. Бее механизмы — эти «кубики», блоки, из которых складываются машины, - были «разложены по полочкам», стало возможным разработать для них общие методы расчета. Число механизмов выросло многократно если в начале прошлого века их было известно около 150, то в наши дни основные механизмы исчисляются уже тысячами. Из огромного множества следовало выбрать именно те механизмы, которые могут наилучшим образом выполнить требуемый закон движения, обладают наилучшими техническими и экономическими характеристиками. Эта задача также в значительной степени была продвинута трудами советских машиноведов.
Современная научно-техническая революция поставила перед машиноведами еще более сложные задачи.
Буквально на наших глазах меняется само понятие «машина», выработанное на протяжении столетий. Еще совсем недавно в состав машин входили двигатели, преобразователи движения, исполнительные механизмы. Теперь в состав машины входят еще и агрегаты контроля и управления, логические, кибернетические элементы, элементы памяти. Одним словом, появляются у машин совершенно новые функции они уже не только работают, не только, что-то делают, но все в большей степени управляют своей работой, контролируют ее.
Все это имеет непосредственное отношение к теории механизмов и машин расширяется круг проблем, которыми занимается эта теория, она решает новые, можно даже сказать, принципиально новые задачи, о которых никто из специалистов и не думал еще несколько десятков лет назад. Достаточно вспомнить, что теория механизмов уже имеет «общие территории» с теорией автоматов, с теорией следящих систем, с теорией информации.
При исследовании машин теоретики пользуются теперь всем мощным арсеналом приборов и оборудования, которым располагает современная техника эксперимента. А в связи с этим зачастую меняется сам подход к решению теоретических задач. Если раньше искали общее решение, абстрагируясь от частностей, то теперь появляется возможность исследовать машину в реальных условиях работы, с помощью совершенной электронной аппаратуры исследовать самые тонкие процессы, происходящие в машине, строить теорию на прочном экспериментальном фундаменте. И в то же время постоянно совершенствуется аппарат теории механизмов и машин. Она широко пользуется теперь новейшими достижениями прикладной и чистой математики, использует замечательные возможности современной вычислительной техники.
Проблемы создания машин автоматического действия и исследование машин в реальных условиях потребовали прочного союза науки о машинах с теорией упругости, с теорией колебаний, с нелинейной механикой, с гидро и аэродинамикой. Приходится обращаться и к биомеханике, к бионике, к биологии, к физиологии, к инженерной психологии. Для иллюстрации достаточно назвать лишь две проблемы, над которыми в настоящее время работают ученые. Это теория роботов и теория манипуляторов. Обе эти теории тесно связаны с вопросами теории машин автоматического действия и в то же время имеют свои характерные особенности.
Появление проблемы роботов связано с существованием предела возможности для человеческого труда. Например, сборочный конвейер имеет предельную скорость и если превысить ее, то оператор просто не сможет выполнять своих операций. Далее, существуют и граничные размеры объектов труда оператор не сможет работать на конвейере, по которому идут слишком мелкие детали. И в том и в другом случае оператора может заменить робот.
Проблема манипуляторов также связана с пределом человеческих возможностей, однако здесь дело не только в скорости и величине деталей. Некоторые технологические процессы происходят в среде, опасной для жизни человека, причем процессы, в которых заменить человека роботом в данное время не представляется возможным. В этих случаях, как раз и можно ожидать помощи от применения манипуляторов. Они должны, как бы удлинить руку человека и с определенной точностью повторить ее движения. Но человеческая рука имеет очень много степеней свободы, а сам человек, работающий в пространстве, — еще больше. Поэтому для того, чтобы хотя бы в, какой-то степени имитировать движения человека, нужно строить механизмы с очень большим числом степеней свободы. Подавляющее большинство механизмов, входящих в состав машин, имеет одну, очень редко две, еще реже три степени свободы. Здесь же речь идет о создании таких механизмов, которые имели бы семь степеней свободы и даже более. Поэтому новое значение получают исследования в области теории структуры механизмов и значительно расширяется проблема кинематического синтеза.
В эпоху промышленного переворота в восемнадцатом веке над созданием новых машин трудилась целая армия изобретателей. Среди них были кузнецы, ткачи, парикмахеры, торговцы, священники. Ученые-механики главным образом пытались разобраться в машинах, понять их действие, найти законы их работы. И были * лишь единичные случаи научного подхода к созданию новых машин.
В прошлом веке примеры активного участия ученых в создании машин и механизмов умножаются.
Положение резко меняется в двадцатом веке и особенно к концу сороковых годов. Развитие машиностроения и связанных с ним областей производства резко убыстряется. Ждать, когда тот или иной изобретатель найдет остроумное, быть может, решение того или иного вопроса, некогда и создание машин прочно становится на научную основу. Это совершенно закономерный процесс машины меняются, усложняются, а кроме того, по крайней мере некоторые из них, быстро морально стареют. Новые машины, приходящие им на смену, должны быть не только более совершенными - зачастую они должны быть построены на совершенно ином принципе.
Современная машина начинается с науки. Но сегодня создание машин уже не под силу отдельным лицам, какими бы талантливыми они ни были, — создают их большие коллективы ученых, конструкторов, рабочих и замыслы, которые возникли у кого-либо из членов этих коллективов, только благодаря слаженным совместным действиям сотен, тысяч людей находят свое воплощение в металле.
Машина начинается с науки и сегодня к этой науке приобщены все создатели машин. Ученым смело можно назвать современного конструктора и не случайно среди членов Академии наук мы встречаем имена выдающихся конструкторов, создателей авиационной и космической техники. К науке о машинах приобщены и рабочие-машиностроители и те, кто работает с машинами, эксплуатирует их. Профессиональной образованности, уровню знаний современного рабочего, несомненно, позавидовали бы многие специалисты еще не очень далекого прошлого. И когда думаешь о будущем машиностроения и машинопользования, то видятся не только машины, помогающие людям во все большем числе дел и в делах все более сложных. Видятся и сами люди, те, для кого создаются шедевры техники и технологии и те, кто их создает. Люди с рациональным, научным складом мышления, люди высочайшей культуры и образованности. Люди нашего коммунистического завтра.
Читайте в любое время
