Розділ 2. Науковий напрямок у розвитку техніки

2.1. Механіка

Розвиток механіки йде в цю епоху у двох напрямках; розробляються й удосконалюються аналітичні методи механіки й заставляються основи так називаної прикладної механіки. Центром розвитку механіки в цей період стає Франція. Роботи французького вченого Ж. Лаграпжа (1736-1813), особливо його "Аналітична механіка" (1813 р). визначили аналітичний напрямок у цій науці. Одночасно у Франції формується й прикладна механіка (цей термін одержав загальне поширення в 30-х роках XIX в). У початковий період головну роль у розвитку прикладної механіки грали вчені, що групувалися навколо паризької Політехнічної школи. Насамперед це Г. Мопж (1746-1819), Л. Карло (1796-1832), Ж. Попселі (1788-1867) і ін.

Пізніше свій внесок внесли англійські вчені (Р. Виллис й ін). потім (у другій половині XIX в) росіяни вчені (П.Л. Чебишев) і, нарешті, німецькі (Ф. Рело).

Основним у прикладній механіці є поняття механічної роботи й рівняння руху машин. Важливим завданням було визначення коефіцієнта корисної дії машин, проблема забезпечення рівномірного руху машин, у зв'язку із чим досить важливої стала проблема стійкості руху й машинах (Навье, Попселе, Морен, Вишнеградський).

На перших етапах прикладна механіка включала й виклад почав гідравліки, теорії гідравлічних двигунів, теорії парових машин і парових казанів. Надалі ці розділи виділяються в самостійні науки. Уже в 30-х роках XIX в. у самостійну наукову дисципліну оформилися теорія пружності й опір матеріалів. Після появи водяних турбін виділяється в окрему науку гідравліка й теорія гідравлічних двигунів.

Хоча основні поняття кінематики були дані ще в попередній період Галилеем, Гюйгенсом, Ньютоном, Эйлером, все-таки кінематика як самостійний розділ механіки виникла тільки в першій половині XIX в. під впливом запитів машинної техніки й необхідності дослідження передачі рухів у механізмах. Найбільшу роль у цьому новому напрямку зіграла висунута Гаспаром Монжем ідея розробки кінематики механізмів. Пізніше на доцільність виділення кінематики в самостійну науку вказав французький фізик Амперів II 1834р. Він же запропонував саму назву - кінематика. Ідея Ампера була здійснена французьким механіком Характерною особливістю зазначених робіт, що заклала основи кінематики механізмів, є застосування геометричних методів. За допомогою цих методів вирішувалися завдання про наближені прямолінійно спрямованих механізмах у Бурместера. У класичній праці Рело дається розрахунок механізмів так називаним експериментальним методом, при якому рішення питання здійснюється за допомогою моделей механізмів, шаблонів окремих ланок, експериментально побудованої траєкторії крапок ланок і т.д.

Новий напрямок у теорії механізмів створив видатний російський математик і механік Пафнутій Львович Чебишев (1821-1894) своєю роботою "Теорія механізмів, відомих за назвою паралелограмів", Чебитев зацікавився механізмами, що забезпечують передачу руху, і особливо паралелограмами Уатта. Чебишев вирішував ці завдання аналітичним шляхом

Механізми й методи синтезу Чебишева, однак, не зіграли великої ролі в знос час і тільки в XX сторіччі дослідження Чебишева дуже вплинули на розвиток теорії механізмів і машин.

В області гідромеханіки, основи якої були закладені в XVIII в. роботами Э. Эйлера й Д. Бернуллі, у цю епоху виникає нова важлива область - гідромеханіка грузлої рідини. Вона розробляється в першій половині XIX в. у працях С. Пуансона, Л. Навье, Дж. Стокса, Навье в 1822р. уперше навів рівняння руху нестисливої грузлої рідини. У цьому ж напрямку працював й англійський фізик і механік Дж. Стоці. Його рівняння руху грузлої рідини, відоме за назвою рівняння Навье - Стокса, було важливим етапом у розвитку гідромеханіки. Роботи цих учених зіграли надалі важливу роль для розвитку машинобудування Велике значення для подальшого розвитку гідромеханіки мали дослідження англійського фізика Кельвіна Томсона (1824-1907) і німецького натураліста Германа Гельмгольца (1821 - 1894). Томсон і Гельмгольц поклали початок розробці теорії вихрового руху. Томсон установив важливу теорему про збереження циркуляції в ідеальній рідині, Гельмгольц; в 1858 р. заклав фундамент теорії вихрового руху рідини, що має найважливіше значення для розвитку гідродинаміки я аеродинаміки в XX в. радіотехніки, технічної акустики

Наприкінці XIX і початку XX в. одержують свій подальший розвиток як загальні розділи механіки - динаміка твердого толу, теорія стійкості руху, так і механіка рідин і газів. Ряд досліджень по механіці був відповіддю на практичні запити техніки, інші, випереджаючи запити практики, здавалися чисто теоретичними, відверненими, і тільки наш час показало їхнє практичне значення.

Прямий зв'язок із практичними питаннями мали теоретичні роботи але динаміку важкого твердого тіла. Дослідження цієї проблеми стимулювалося тім, що кінець XIX в. був періодом широкого поширення нарізних артилерійських систем. Треба було додати снаряду швидке обертання, що забезпечувало б йому необхідну стійкість у польоті. Рішення цього завдання механіки дали росіяни вчені артилеристи Н, В. Маиевский (1823-1892), Н.Л. Забудский (1853-1917). Пізніше лад цією проблемою працював А.Н. Крилов (1863 - 1945).

Проблема руху швидко обертового снаряда є часткою случаємо динаміки гіроскопа (вовчка). Дослідження снарядів викликало в механіків новий інтерес до проблеми руху гіроскопа. В 1888 р. С.В. Ковалевская (1850-1891) дала рішення питання про обертання важкого тіла навколо нерухомої крапки для випадку, коли центр ваги тіла не перебуває на осі симетрії.

Теорія гіроскопа тесло пов'язана з однієї з найбільш загальних проблем із проблемою стійкості рівноваги й рухи матеріальних систем. Загальне її рішення було дано А.М. Ляпуновым у роботі "Загальне завдання про стійкість руху" (1892 р). Великий внесок у загальну теорію стійкості руху тіл вніс французький учений А. Пуанкаре.

В останній третині XIX і початку XX в. одержує подальше розлиття механіка рідини. Німецький учений Г. Гельмгольц (1821-1894) розробляє навчання про вихри в рідині. У цей же період розвивається динаміка грузлої рідини. Гідродинамічну теорію тертя створив росіянин учений Н.П. Петров (1836-1920). Теоретичні дослідження Петрова по гідродинамічній теорії змащення були викликані потребами залізничного транспорту й пов'язані зі знаходженням способів збереження осей вагонів.

На початку XX в. у зв'язку із запитами авіації виникає новий розділ гідродинаміки - аеродинаміка.

Вирішальну роль у створенні аеродинаміки зіграв росіянин учений II.Е. Жуковський (1847-1921). В 1904 р. Жуковський зробив відкриття, що послужило основою всього подальшого розвитку сучасної аеродинаміки. У роботі "Про приєднані вихри", що була повідомлена в Московському математичному суспільстві 15 листопада 1905 р., Жуковський дав формулу для визначення піднімальної сили крила, що є основою всіх аеродинамічних розрахунків літаків.

В 1910-1912 р. з'явилися нові роботи Жуковського, у яких він провів розрахунок сили, що діє на крило, і вказав ряд теоретичних профілів крила. В 1912-1918 р. з'являються дослідження Жуковського, у яких він дав теорію повітряного гвинта.

До цього ж часу ставляться роботи німецького вченого Л. Прандтля, що в 1905 р. у праці "Про рух рідини при дуже малому терті" дав досить плідне для наступного розвитку механіки подання про прикордонний шар рідини, що прилягає до поверхні обтічного твердого тіла, пояснивши опір тіла, що рухається в рідині або газі, головним чином відривом прикордонного шару. Прандтль багато зробив для розвитку теорії крила.

В 1902 р. з'явилася робота російського вченого С.А. Чаплигина (1869 - 1942), озаглавлена "Про газові струмені", що поклала початок нової області механіки - газовій динаміці. У роботі був даний метод дослідження в струєвих рухах газу при будь-яких дозвуковых швидкостях. Величезне значення цього дослідженні виявився значно пізніше, коли розвиток швидкісної авіації привело к. вивченню сил, з якими повітря діє на літак, що летить зі швидкістю, що наближається до швидкості звуку.

Винятково велике значення для дослідження польоту ракет мав новий розділ механіки - динаміка перемінної маси, розроблений И.В. Мещорским (1859-1935) у його працях "Динаміка крапки перемінної маси" (1897 р) і "Рівняння руху крапки змінної маси" (1904 р).

Видатний росіянин учений К.Э. Ціолковський (1857-1935) створив теорію польоту ракети з урахуванням зміни її маси, математично довівши можливість застосування реактивних апаратів для міжпланетних повідомлень.

Розвиток машинної техніки, будівництво залізничних мостів і швидкохідних пароплавів, а також регулятор поставили, у центрі уваги вчені проблеми коливань і резонансу. Теорія змушених коливань і навчання про резонанс були логічним продовженням досліджень Лагранжа, викладених в "Аналітичній механіці" (1788 р). Особливо треба відзначити у цьому напрямку роботи німецького математика К. Вейерштрасса (1815-1897) і російського вченого О.И. Сомова (1815-1876).

Зі спеціальних областей теорії коливань важливе значення мало дослідження хитавиці корабля, проведене А. Н, Криловим. В XX в. починає розроблятися нова область теорії коливань, так називана теорія нелінійних коливань, викликана до життя розвитком електротехніки, Дослідження парових машин привело до розробки основних початків термодинаміки - науки, що вивчає закони теплової рівноваги й перетворення теплоти в інші види енергії.