§3. Первые технические науки как прикладное естествознание.

Первые технические теории формировались как приложение физических теорий к конкретным областям инженерной практики. Их формирование проходило две фазы.

1.Первая - образуется новое прикладное исследовательское направление и формируются новые частные теоретические схемы,

2 Вторая - развертываются обобщенные теоретические схемы и математизированная теория.

При этом из базовой естественной науки сначала транслируется исходная частная теоретическая схема, из смежной технической науки - структурная теоретическая схема (или она разрабатывается заново), а из математической теории - функциональная схема. Затем производится адаптация этих схем к новому эмпирическому материалу и их модификация за счет конструктивного введения новых абстрактных объектов.

На первой фазе осуществляется переработка заимствованных из базовой естественнонаучной теории схем экспериментальных ситуаций в структурные схемы конкретных технических устройств, совершенствование и модификация их конструкции. Объект исследования и проектирования рассматривается в этом случае лишь как разновидность объекта исследования базовой естественнонаучной теории.

Например, после проведенных Генрихом Герцем (1857—1894) экспериментов с изобретенной им антенной-вибратором он на практике доказал существование электромагнитных волн, подтвердив теоретические положения уравнений Максвелла.

После этого можно было перейти к их сознательному использованию в практических технических устройств. Однако разработанная Герцем в ходе экспериментов аппаратура была еще недостаточно совершенна.

Поэтому после публикации результатов Герца развернулись исследования, целью которых было усовершенствование экспериментального оборудования и разработка новых схем экспериментально-измерительных ситуаций, позволяющих найти более простые и надежные способы получения и регистрации электромагнитных волн. Эти работы фактически еще не выходили за пределы экспериментальной деятельности в естественной науке, но вели одновременно к техническому использованию электродинамики. Именно эта деятельность и сделала возможным появление первых радиопередающего и радиоприемного устройств.

Вторая фаза связана построения технической теории. Чаще всего эта схема транслируется из смежных областей или из базовой естественнонаучной теории. Однако если в базовой естественнонаучной теории нет соответствующего раздела, то он строится заново, что является специальной задачей. В технической теории вводятся однородные абстрактные объекты, состоящие из типовых и иерархически организованных идеальных элементов и связей между ними (правила сборки и разборки этих элементов), которые обязательно ставятся в соответствие конструктивным элементам реальных технических систем, т.е. вводится процедура анализа и синтеза теоретических схем. Если к этому моменту конкретная область инженерной деятельности уже сложилась, то возможна ее перестройка под теоретическую модель (подведение конструктивных элементов под идеальные элементы абстрактных объектов). На этом этапе производятся попытки спроецировать обобщенную теоретическую схему на класс гипотетических технических систем, что приводит к необходимости создания математизированной теории.

Например, развитие статистической радиолокации заключалось как раз в разработке такой обобщенной теоретической схемы. Потребность в создании теории радиолокации, которая устанавливала бы основные закономерности и критерии качества любых радиолокационных станций С), привела к развитию вероятностного подхода к решению ее задач, к разработке на ее основе новых методов обработки и синтеза сигналов. Задача выделения сигнала в шумах является статистической и может быть решена только методами теории вероятностей. Прием сигналов стал рассматриваться как статистическая задача сначала в радиолокации, а затем и в радиотехнике. Таким образом, в теоретической радиолокации сформировались два слоя взаимноскоррелированных теоретических схем, отражающих соответственно электродинамические процессы и их статистические модели (функциональные схемы).

Взаимодействие теоретической науки и технической мысли блестяще представлено деятельностью ученых-естественников Нового времени. В этой деятельности на основании полученных научных знаний и технических изобретений заново создаются новые принципы действия, способы реализации этих принципов, конструкции технических систем или отдельных их компонентов.

Образцы такого рода деятельности продемонстрировали многие ученые-естествоиспытатели, совершенствуя конструкцию экспериментальной техники, разрабатывая и проводя новые эксперименты.

Например, Христиан Гюйгенс (1629 —1695), нидерландский механик, физик и математик, создатель волновой теории света. придумал конструкцию часов, которая осуществила движение центра тяжести маятника по циклоиде - так, чтобы время его качания не зависело от величины размаха.

И. Ньютон (1643 —1727), изобрел телескоп совершенно новой конструкции. "Но на пути создания отражательного телескопа возникли трудности технического порядка... Ньютон придумал способ полировки металлической поверхности, занялся поисками подходящих сплавов для зеркала и добился успеха".

А.Эйнштейн (1879 — 1955) всю свою жизнь уделял большое внимание конструкторско-изобретательскому творчеству. Его можно считать одним из изобретателей магнитодинамического насоса для перекачки жидких металлов, холодильных машин, гигроскопических компасов, автоматической фотокамеры, электрометров, слухового аппарата и т.п. "На счету у Эйнштейна было около двадцати оригинальных патентов, в которых нашла свое отражение его способность умело комбинировать известные методы или физические эффекты для разрешения конкретных задач, выдвигаемых запросами промышленности или повседневной жизни, проявились остроумие и изящество - эти неотъемлемые составляющие недюжинного изобретательского таланта". Однако для многих инженеров-практиков изобретательство было не побочной, а основной или даже единственной деятельностью.

Соотношения теоретического и эмпирического в технических науках.

Эмпирический уровень технической теории образуют конструктивно-технические и технологические знания, являющиеся результатом обобщения практического опыта при проектировании, изготовлении, отладке и т.д. технических систем. Это - эвристические методы и приемы, разработанные в самой инженерной практике, но рассмотренные в качестве эмпирического базиса технической теории.

Теоретический уровень научно-технического знания включает в себя три слоя, теоретических схем: функциональные, поточные и структурные.

Функциональная схема фиксирует общее представление о технической системе, независимо от способа ее реализации, и является результатом идеализации технической системы на основе принципов определенной технической теории. Функциональные схемы совпадают для целого класса технических систем. Блоки этой схемы фиксируют только те свойства элементов технической системы, ради которых они включены в нее для выполнения общей цели. Каждый элемент в системе выполняет определенную функцию.

Например, функциональные схемы в теории электрических цепей представляют собой графическую форму математического описания состояния электрической цепи. Каждому функциональному элементу такой схемы соответствует определенное математическое соотношение, - скажем, между силой тока и напряжением на некотором участке цепи или вполне определенная математическая операция (дифференцирование, интегрирование и т.п.). Порядок расположения и характеристики функциональных элементов адекватны электрической схеме.

ФУНКЦИОНАЛЬНАЯ СХЕМА

Схема загоризонтной радиолокации

Поточная схема, или схема функционирования, описывает естественные процессы, протекающие в технической системе и связывающие ее элементы в единое целое. Блоки таких схем отражают различные действия, выполняемые над естественным процессом элементами технической системы в ходе ее функционирования. Такие схемы строятся исходя из естественнонаучных (например, физических) представлений.

Например, поточная схема электрических цепей представлена сравнительно небольшим количеством идеальных элементов и их соединений. К таким элементам относятся прежде всего емкость, индуктивность, сопротивление, источники тока и напряжения. Для применения математического аппарата требуется дальнейшая идеализация: каждый из перечисленных выше элементов может быть рассмотрен как активный (идеальные источники тока или напряжения) или пассивный (комплексное - линейное омическое и нелинейные индуктивное и емкостное - сопротивления) двухполюсник, т.е. участок цепи с двумя полюсами, к которым приложена разность потенциалов и через которую течет электрический ток. Все элементы электрической цепи должны быть приведены к указанному виду. Причем в зависимости от режима функционирования технической системы одна и та же схема может принять различный вид. Режим функционирования технической системы определяется прежде всего тем, какой естественный (в данном случае физический) процесс через нее протекает, т.е. какой электрический ток (постоянный или переменный, периодический или непериодический и т.д.) течет через цепь.

ПОТОЧНАЯ СХЕМА

Схематическое изображение нейрона (слева), его модели (в середине) и электрическая схема искусственного нейрона (справа): 1 — тело клетки; 2 — дендриты; 3 — аксон; 4 — коллатерали; 5 — концевое разветвление аксона; Pn, Pi, P2, P1 — входы нейрона; Sn, Si, S2, S1 — синаптические контакты; Р — выходной сигнал; К — пороговое значение сигнала; R1 — R6, Rm — сопротивления; C1 — C3, Cm — конденсаторы; T1—T3 — транзисторы; D — диод.

Структурная схема технической системы фиксирует те узловые точки, на которые замыкаются потоки (процессы функционирования). Это могут быть единицы оборудования, детали или даже целые технические комплексы, представляющие собой конструктивные элементы различного уровня, входящие в данную техническую систему, которые могут отличаться по принципу действия, техническому исполнению и ряду других характеристик. Такие элементы обладают кроме функциональных свойств свойствами второго порядка, т.е. теми, которые привносят с собой в систему определенным образом реализованные элементы, в том числе и нежелательными (например, усилитель - искажения усиливаемого сигнала). Структурная схема фиксирует конструктивное расположение элементов и связей (т.е. структуру) данной технической системы и уже предполагает определенный способ ее реализации. На структурных схемах указываются обобщенные конструктивно-технические и технологические параметры стандартизированных конструктивных элементов (резисторов, катушек индуктивности, батарей и т.д.), необходимые для проведения дальнейших расчетов: их тип и размерность в соответствии с инженерными каталогами, рабочее напряжение, способы наилучшего расположения и соединения, экранировка. Для теории электрических цепей подобные схемы являются исходными: они берутся готовыми из других, более специализированных электротехнических дисциплин и подвергаются в ней теоретическому анализу. При этом следует отличать структурную теоретическую схему от различного рода изображений реальных, встречающихся в инженерной деятельности схем, например, монтажных схем, описывающих конкретную структуру технической системы и служащих руководством для ее сборки на производстве. Главные элементы структурной схемы в теории электрических цепей - источник электрической энергии, нагрузка (приемник электрической энергии) и связывающие их идеализированные конструктивные элементы, абстрагированные от многих параметров реальных конструктивных элементов, входящих в инженерные каталоги.

СТРУКТУРНАЯ СХЕМА

Рис. 7. Кварцевые наручные часы с цифровой индикацией на жидких кристаллах: а — блок-схема:К — кристалл кварца; Г — генератор электрических колебаний; С — триммер; f — частота колебаний; Дш — дешифратор.

Особенности идеальных объектов технической теории.

Абстрактные объекты, входящие в состав теоретических схем математизированных теорий представляют собой результат идеализации и схематизации экспериментальных объектов или более широко - любых объектов предметно-орудийной (в том числе инженерной) деятельности. Понятие диполя, вибратора, резонатора и соответствующие им схематические изображения, введенные Герцем, были необходимы для представления в теории реальных экспериментов. В настоящее время для получения электромагнитных волн и измерения их параметров используются соответствующие радиотехнические устройства, и следовательно, понятия и схемы, их описывающие, служат той же цели, поскольку по отношению к электродинамике эти устройства выполняют функцию экспериментальной техники.

Абстрактные объекты технической теории являются "однородными" в том смысле, что собраны из некоторого фиксированного набора блоков по определенным правилам "сборки".

Например, в электротехнике таковыми являются емкости, индуктивности, сопротивления; в теоретический радиотехнике - генераторы, фильтры, усилители и т.д.; в теории механизмов и машин - различные типы звеньев, передач, цепей, механизмов.

Так, немецкий ученый и инженер Франц Рело (1829 — 1905) поставил перед собой задачу создать техническую теорию, которая позволила бы не только объяснить принцип действия существующих, но и облегчить создание новых механизмов. С этой целью он провел более детальное, чем его предшественники, расчленение на части механизма, взятого в качестве абстрактного объекта технической теории. Рело построил представление о кинематической паре, а составляющие ее тела он называл элементами пары. С помощью двух таких элементов можно осуществлять различные движения. Несколько кинематических пар образуют кинематическое звено, несколько звеньев - кинематическую цепь. Механизм является замкнутой кинематической цепью принужденного движения, одно из звеньев которой закреплено. Поэтому из одной цепи можно получить столько механизмов, сколько она имеет звеньев.

Подобное строение абстрактных объектов является специфичным и обязательным для технической теории, делая их однородными в том смысле, что они сконструированы, во-первых, с помощью фиксированного набора элементов и, во-вторых, ограниченного и заданного набора операций их сборки. Любые механизмы могут быть представлены как состоящие из иерархически организованных цепей, звеньев, пар и элементов. Это обеспечивает, с одной стороны, соответствие абстрактных объектов конструктивным элементам реальных технических систем, а с другой создает возможность их дедуктивного преобразования на теоретическом уровне. Поскольку все механизмы оказываются собранными из одного и того же набора типовых элементов, то остается задать лишь определенные процедуры их сборки и разборки из идеальных цепей, звеньев и пар элементов. Эти идеализированные блоки соответствуют стандартизованным конструктивным элементам реальных технических систем. В теоретических схемах технической науки задается образ исследуемой и проектируемой технической системы.⁵⁸

Соотношение перцептуального, концептуального и объективно-реального в технической теории.

►Перцептуальное (данное в ощущении) – непосредственно наблюдаемые процессы, субъекты и объекты деятельности, производительные силы и т.п., в отношени которых строится определенная техническая теория.

►Концептуальное – сама техническая теория, представленная функциональ-ными, поточными и структурными схемами, формулами, математическими моделями и отражающая определенный «срез» объективной технической реальности.

Например, теория обработки металлов резаньем, теория радиопередающих устройств, теория судостроения…

►Объективно-реальное ─ те моменты технической теории, которые адекватно отражают объективные законы и тенденции (физические, химические, биологические, социальные), сознательно используемые в технических устройствах и процессах. Иначе говоря, объективно-реальное – есть истинное в технической теории. И это то, что связывает техническую теорию с фундаментальными науками.

Теоретик в области технической теории не знакомый с основными выводами фундаментальной науки, обречен либо на неудачу

(проекты вечного двигателя Кулибина), либо на необходимость открыть (заново открыть) фундаментальные объективные законы.