210

В. А. Волосухин, А. И. Тищенко

ИСТОРИЯ

ИНЖЕНЕРНЫХ ИСКУССТВ

Министерство сельского хозяйства Российской Федерации

ФЕДЕРАЛЬНОЕ ГОСУДАРСТВЕННОЕ ОБРАЗОВАТЕЛЬНОЕ УЧРЕЖДЕНИЕ

ВЫСШЕГО ПРОФЕССИОНАЛЬНОГО ОБРАЗОВАНИЯ

"НОВОЧЕРКАССКАЯ ГОСУДАРСТВЕННАЯ МЕЛИОРАТИВНАЯ АКАДЕМИЯ"

В. А. Волосухин, А. И. Тищенко

ИСТОРИЯ ИНЖЕНЕРНЫХ ИСКУССТВ

Учебное пособие

для студентов, обучающихся по направлению –

“Природоохранное обустройство территорий” и

“Водопользование”

Допущено Министерством сельского хозяйства Российской Федерации в качестве учебного пособия для студентов по техническим специальностям в области природообустройства и водопользования

Новочеркасск 2006

ББК 30.4

В 62

УДК 624.01

Рецензенты:

Козлов Д. В., д-р техн. наук, проф., ректор ФГОУ ВПО МГУП, Косиченко Ю.М., д-р техн. наук, проф., заслуженный деятель науки и техники РФ, зав. каф. гидравлики и инж. гидрологии НГМА, Циткилов П.Я., д-р истор. наук, проф., зав. каф. истории и культурологи НГМА, Николаева Л.С., д-р философских наук, проф., зав. каф. философии НГМА.

Волосухин В.А., Тищенко А.И.

История инженерных искусств: Учеб. пособие для студ. спец.:

В 62 280401 – “Мелиорация, рекультивация и охрана земель”, 280402 ‑ “Природоохранное обустройство территорий”, 280301 ‑ “Инженерные системы сельскохозяйственного водоснабжения, обводнения и водоотведения”, 280302 ‑ “Комплексное использование и охрана водных ресурсов”, 270104 ‑ “Гидротехническое строительство” – Новочеркасск НГМА, 2006. – 204 с. с ил.

ISBN 5-9292-0115-3

В пособии изложены основные факты истории развития механики, включающей в себя физику, теоретическую механику, сопротивление материалов, строительную механику, гидравлику с гидромеханикой, инженерные конструкции, природообустройство и водопользование. В пособии приведены некоторые биографические данные великих ученых, внесших большой вклад в становление и развитие классической механики.

УДК 624.01 В 62

ББК 30.4

ISBN 5-9292-0115-3

© Волосухин В.А., Тищенко А.И., 2006

© ФГОУ ВПО «НГМА». 2006

ВВЕДЕНИЕ

Главным рычагом интенсивного развития производительных сил на современном этапе и решающим средством движения к мировым параметрам производительности труда является научно-технический прогресс (НТП). Центральной фигурой НТП является инженер.

Проблемы характера труда, социальной функции, подготовки и престижа инженерных кадров сейчас имеют культурологический, социологический, психологический, науковедческий, техноведческий аспекты. Наряду с этим инженер должен иметь твердую профессиональную подготовку, в которой первостепенное значение имеют общетехнические дисциплины: физика, теоретическая механика, сопротивление материалов, строительная механика, гидравлика, инженерные конструкции и другие.

Следует отметить, что в последнее время вышли в свет замечательные учебные пособия по истории гидравлики и гидротехники. Проф. Д. В. Штеренлихт опубликовал учебное пособие “Очерки истории гидравлики, водных и строительных искусств” в четырех книгах. В этих очерках он привел сведения о становлении гидравлики как науки с древнейших времен и значении этой науки на современном этапе. Для студентов старших курсов, аспирантов и специалистов в области гидротехники ценные сведения приведены в учебном пособии проф. И. С. Румянцева “Страницы истории российской гидротехники”. В этом пособии автор показал исторический путь развития гидротехнического строительства, мелиорации и гидротехнического образования в России. Более того, на основе этого учебного пособия создан одноименный компакт-диск с электронной версией пособия, которая дала начало внедрению безбумажных технологий в учебный процесс.

Изучение общих законов механики обогащает исследователей – инженеров и ученых – плодотворными могущественными методами, помогая раскрывать истинное содержание многообразных явлений природы и технической практики. Исследования, проведенные в теории автоматического регулирования и управления, теории гравитации, динамики полета управляемых ракет и космических кораблей, квантовой механике и теории относительности, теории упругости и механике сплошных сред, теории расчета тонких оболочек и других, бесспорно, выявляют более глубокое и широкое значение общих закономерностей механического движения для современного НТП.

Широкое применение достижений математики и физики, технические приложения приводят к тому, что многие специалисты колеблются в определении места механики среди других наук, называя ее то прикладной математикой, то технической или математической физикой, то еще как-нибудь, в зависимости от специфики своей деятельности. Конечно, все эти аспекты механики важны, но не менее абстрактность и точность постановки задач в механике. Естественно, мир моделей механики проще, чем реальный мир, хотя модели постоянно расширяются и усложняются. Но уже и среди простых моделей немало полезных как для понимания естественных процессов движения, так и для техники.

Все исполнительные механизмы в орудиях труда и разнообразных машинах в подавляющем большинстве случаев создаются и действуют в строгом соответствии с законами классической механики. Совершенствование орудий труда на основе этих законов позволяет в наши дни осуществлять изменения поверхности Земли, по масштабу не уступающие геологическим потрясениям.

Так, французский физик Жан Пьер Вижье пишет: “Чтобы превзойти классическую механику надо сначала понять ее подлинное величие и ее историческое значение. Вся современная промышленность, включая и атомную, действует на этой основе. Классическая механика позволила человеку преодолеть чрезвычайно важный этап в овладении природой. Она послужила трамплином для современной науки”.

Действительно, начало классической механики послужило толчком к возникновению и развитию сопротивления материалов, строительной механики и других дисциплин инженерных искусств, которые базируются на ее основе.

Знать историю возникновения и развития инженерных искусств современному выпускнику высшей школы необходимо. Эти знания позволят будущему специалисту более глубоко понять роль общетехнических дисциплин в современных достижениях науки и техники, и применить свои знания целенаправленно в решении возникающих проблем.

Технический прогресс, непрерывный рост и совершенствование производства на базе новых достижений техники выдвигает новые неотложные задачи изучения механического движения. Наиболее важными разделами современной механики являются: механика тел переменной массы, теория автоматического регулирования и управления, теория устойчивости, теория упругости, теория тонких оболочек, теория оптимальных процессов, механика жидкости и газов, теория нелинейных колебаний, теория гироскопических приборов и другие.

Введение хотелось бы закончить словами А. А. Космодемьянского [1]:”Главная задача механики состоит в исследовании закономерностей механического движения в новых проблемах, выявлении объективных законов явлений наиболее адекватными методами и создании таких руководящих идей, которые помогают людям сознательно переделывать мир”.

Надеемся, что данное пособие поможет расширить кругозор будущего инженера и мобилизует все его способности к созданию более совершенных конструкций, сооружений и механизмов с использованием современного эстетического оформления.

Авторы

1. ОСНОВНЫЕ ВИДЫ ИНЖЕНЕРНЫХ ИСКУССТВ

Механика является научной базой многих разделов современной техники. На законах классической механики построены все современные расчеты, связанные с созданием совершенных технических устройств от пылесоса до новых летательных аппаратов. На ее основе развиваются вопросы устойчивости движения механических систем, изучаются закономерности колебаний и гироскопических явлений. Рациональные механические конструкции, соединенные с электронной аппаратурой расширяют возможности человека, позволяют увеличивать производительность умственного и физического труда.

Такие науки как физика, астрономия, внешняя баллистика и другие своим современным состоянием обязаны в основном механике. Ее законы не только объясняют многие явления в окружающем нас мире, но и способствуют дальнейшему развитию естествознания, выработке правильного материалистического мировоззрения.

Кем бы ни был будущий специалист: астрономом, геологом, врачом, космонавтом, трактористом, комбайнером, ученым-атомщиком и так далее, он в явной или неявной форме сталкивается и использует в своей деятельности законы механики. В большей степени применяет эти законы инженер – специалист, решающий проблемы проектирования, конструирования, функционирования, практического применения техники и технологии на научной основе.

О том, что собой представляет инженер, о его искусстве в прошлом и настоящем и пойдет речь в данной главе.

0. Об инженерном искусстве в прошлом и настоящем

Любая деятельность, основанная на определенных правилах, в древности понималась как искусство. Первоначально само инженерное искусство рассматривалось как одно целое. Разделение его на отражательную и деятельную стороны пришло позже. Первым кто разделил инженерное искусство на воспроизводящее и созидающее был Сократ. По его разделению к воспроизводящим искусствам относятся живопись и скульптура, которые повторяют то, что, создано природой. К создающим искусствам относятся архитектура, различные ремесла, которые создают то, чего, нет в природе. Диоген Лаэртский в своих трудах [2] отметил, что, разделяя предметы, Платон выделял искусства (науки) действенные, производительные и умозрительные. Зодчество и кораблестроение, представляющие по существу античную инженерную деятельность, он относил к искусствам производительным “…ибо их произведения видимы воочию” [2]. Наряду с этим Платон рассматривал технику и техническую деятельность как наиболее значительную часть инженерного искусства, так как они защищают людей от природы.

В своей “Политике” Платон разделял инженерные искусства на “серьезные” и “несерьезные”. К “серьезным” он относил архитектуру, кораблестроение, которые сотрудничали с природой. К “несерьезным,” по его разделению, относились живопись, поэзия (как “развлекательные”) искусства. Архитектуру и кораблестроение Платон не отождествлял с ремеслами, так как ремесла он разделял на три рода: добывающие, перерабатывающие и использующие [2, с. 178]. Переведя на современные понятия, можно отметить, что инженерное искусство Платон выделял обособлено.

Во времена греко-римской античности мыслители использовали понятие архитектуры в широком и узком смысле. В узком смысле понятие архитектуры совпадает с современным значением. В широком смысле древняя архитектура включала в себя создание искусственных форм предметного мира человека. Первый теоретик инженерного искусства Марк Полион Ветрувий считал, что инженер при созидании своего творчества должен обладать врожденными способностями, знанием и опытом [3]. Мыслители античности Платон, Аристотель, Гелен, Сенека, Квинтилиан, Цицерон, Плотин и другие, при классификации инженерных искусств, превалирующее место отводили архитектуре. При этом Плотин все искусства разделил на связи с “этим” и “тем” миром. Иначе говоря, на практические и теоретические. Так, например, архитектуру он относил к инженерному искусству “этого” (реального, практического) мира, так как она создает физические, ощутимые предметы. Геометрию Плотин относил к искусству “того”, высшего, духовного мира.

Во времена средневековой схоластики интерес к технической деятельности инженера практически отсутствовал. В средние века мировоззрение было преимущественно теологическим. В то же время, в период с XI по XIII века в Европе была построена сеть городов, представлявших собой центры технической культуры. Ф. Бэкон, в противоположность схоластике, на первое место поставил опытное знание, выдвинув тезис “знание – сила”. В своей работе “Послание о тайных действиях искусства и природы и ничтожество магии” он писал о ”практической геометрии”, ставшей прообразом технических наук и инженерной деятельности. Им предугаданы выдающиеся результаты инженерной деятельности (летательные аппараты, самодвижущиеся сухопутные и морские транспортные средства), которые можно построить с помощью “практической геометрии” [4].

Основные предпосылки современного инженерного искусства сформировались в эпоху Возрождения. Эта эпоха связана с именем Леонардо да Винчи, которого Ф. Энгельс назвал “великим математиком, механиком и инженером” [5]. Леонардо да Винчи видел смысл инженерной деятельности в доказательстве возможности практической реализации теоретических знаний в технике. Обобщив свой опыт в сфере живописи, скульптуры и инженерного дела, он сформулировал философский принцип детерминизма и положение об объективном характере законов природы. Вообще в эпоху Возрождения техника получила некоторый скачок в своем развитии. Например, Помпонацци в своем трактате о бессмертии души классифицировал разум на созерцательный (теоретический) и практический, состоящий из деятельного и действующего разума. При этом под действующим разумом он подразумевал техническую деятельность, выражающуюся в механических искусствах [6]. В дальнейшем механические искусства получили название инженерных искусств.

Ф. Бэкон по поводу инженерных искусств высказал следующий афоризм: “В действии человек не может ничего другого, как только соединять и разъединять тела природы. Остальное природа совершает внутри себя”[7]. Особо к технической и инженерной деятельности относились Р. Декарт, Г. В. Лейбниц, М. В. Ломоносов и другие мыслители XVII – XVIII веков. В Энциклопедии Дидро и Д-Аламбера инженеру и инженерным искусствам посвящена специальная статья.

С развитием капитализма существенно менялись взгляды на инженерную деятельность мыслителей прошлого. Так О. Конт [8] писал: “Как бы ни было, верно, что совокупность наших познаний о природе и совокупность выведенных из этих познаний приемов воздействия на природу в нашу пользу составляют две совершенно отдельные по существу своему системы, которые следует и рассматривать, и изучать совершенно независимо одна от другой”.

Конт высказал хотя и ошибочный, но распространенный до настоящего времени тезис о том, что инженер – это посредник между теорией и практикой. В этом смысле весьма характерно его следующее изречение [8]: “При таком развитии, какого уже достиг наш разум, науки не прилагаются к искусствам немедленно, по крайней мере, в наиболее сложных случаях; между этими двумя рядами идей есть еще средний, который с философской точки зрения определен очень слабо, но проявляет себя заметнее, если обратить внимание на класс людей, занимающихся им специально. Между собственно учеными и директорами промышленных предприятий понемногу формируется новый промежуточный класс инженеров, специальное назначение которых состоит в установлении отношений между теорией и практикой. Совершенно не заботясь о прогрессе науки, эти лица изучают ее в современном ее состоянии для того, чтобы сделать те применения к промышленности, на которые наука не способна. Таково, по меньшей мере, естественное положение вещей, хотя в этом отношении существует еще большое смешение”.

Таким образом, Конт определил инженерную деятельность как техническую науку, как что-то среднее между естествознанием и производством.

Суммируя взгляды мыслителей прошлого на инженерную деятельность можно сделать следующие выводы:

1. понятия технической и инженерной деятельности претерпели историческую эволюцию. В докапиталистический период инженерная деятельность понималась как искусство. С развитием капитализма наука и искусство становятся в некоторой степени самостоятельными, представляя собой различные формы общественного сознания. Однако связь инженерной деятельности и науки существует по настоящее время;

2. так как инженерное искусство представляет собой социальное явление, то возникновение этого искусства, развитие и современные его формы определяются историческими процессами разделения труда. Вне этого процесса инженерное искусство затушевывается и становится чем-то неопределенным. Ответом на вопрос “что представляет собой инженерное искусство сегодня?” является знание того, чем оно было вчера и как оно возникло, т. е. знание истории инженерных искусств.

0. Инженерная деятельность и техника

Инженеры составляют самую многочисленную прослойку интеллигенции. К ним относятся конструкторы, технологи, проектировщики и другие специалисты, связанные практически почти со всеми областями человеческой деятельности и занимающие различные должностные положения.

Следует отметить, что имеется общее для всех инженеров начало, определяющее специфику определенной группы по профессиональному делению. Разногласия в понимании инженера стимулируются некоторыми особенностями нашей высшей школы, в рамках некоторой практически предано забвению общеинженерное образование. В настоящее время осуществляется подготовка специалиста узкого профиля – не гидротехника, машиностроителя или кораблестроителя, а, например, специалиста в области конструкции корпуса судов, корабельного приборостроения, инженера по обустройству территорий и так далее.

Аналогичное положение с этим обстоит и в других странах. Например, В. Хубка (ФРГ) [9] констатирует “современная высшая школа практически не имеет таких учебных планов, которые в процессе обучения давали бы студентам полное представление об отрасли техники, в которой им предстоит работать, выявляя ее топологию и взаимосвязи с другими отраслями, с окружающим миром в целом, что способствовало бы формированию гармонично развитого специалиста”.

Чтобы из всего состава интеллигенции выделить инженера, необходимым признаком является неразрывная связь инженерной деятельности с техникой и технологией. Строго говоря, инженером человека делает разработка и непосредственное создание технических систем, совершенствование их и управление ими.

Что же такое техника, как объект инженерной деятельности? На этот вопрос есть ряд ответов. Э. Канн, Ф. Дессауэр, М. Хайдеггер, К. Ясперс и другие идеологи выступали с позиции буржуазной “философии техники”. В советской литературе был дан критический анализ этим взглядам [10 – 13]. С точки зрения Ю. С. Мелещенко, Т. Н. Волкова и др. техника представляет собой совокупность определенных предметов культуры. Сам термин “техника” происходит от древнегреческого слова tëchnë, означающего навык, мастерство, умение. Сфера, в которой принимает механика непосредственное участие, неуклонно расширяется. В настоящее время она широко внедряется в материальное и духовное производство, быт и здравоохранение, образование и искусство, досуг и спорт, торговлю и военное дело и др. В связи с расширением инженерной деятельности возникают новые виды техники.

Чувство не только эстетическое, но и эмоциональное, комплекс чувств в целом способствует концентрации внимания инженера на решаемой проблеме. Оно является важной основой творческого вдохновения, без которого невозможно совершить новые конструктивные решения, новые технические открытия.

В то же время нельзя не учитывать, что инженерное искусство имеет свою особую специфику и что столь же специфичен и сам талант инженера-изобретателя.

Известен ряд талантливейших инженеров-изобретателей, среди которых, одно из первых мест принадлежит механику-самоучке И. П. Кулибину.

Еще юношей сын мелкого торговца из Нижнего Новгорода Иван Кулибин прославился как одаренный часовых дел мастер. Затем последовали годы занятий физикой, геометрией, механикой. Однако часовых дел мастер с “золотыми” руками продолжал трудиться. В 1767 году он закончил работу над уникальным механизмом – часами, которые не только показывали точное время, но разыгрывали механическое “действо’. Сложный механизм, собранный из многих сотен мельчайших деталей, был заключен в изящный корпус яйцеобразной формы.

Из 37 изобретений И. П. Кулибина до нашего времени дошли некоторые: модель арочного моста через Неву…”Зеркальный фонарь” – прообраз прожектора…”Самокатка”…Семафорный телеграф…”Машинный водоход”. По этим немногим имеющимся данным можно судить о большом таланте и разносторонней инженерной деятельности этого замечательного русского человека екатерининской эпохи.

Или следующий пример недавнего времени. Казанский инженер А. У. Губайдуллин сумел вдвое увеличить время службы абразивных лент для шлифования, не используя при этом ничего, кроме технического остроумия.

Полтора века тому назад немецкий астроном Мëбиус продемонстрировал математикам “перекрученное колечко”, которое вошло в инженерное искусство под названием “лента Мёбиуса”. Геометры были буквально ошеломлены: ведь раньше никто и не подозревал о существовании односторонних поверхностей.

Между тем эту ленту может сделать каждый. Достаточно лишь склеить концы ленты, предварительно перекрутив один из них относительно другого на 180⁰. Если вы теперь пожелали бы окрасить одну сторону склееной ленты в синий цвет, а вторую сторону в желтый, зеленый или красный, вам это не удастся: у ленты Мёбиуса есть только одна сторона, одна поверхность.

Инженеру А. У. Губайдуллину удалось впервые использовать ленту Мёбиуса в производственной практике. Сейчас для шлифования поверхностей часто применяется не абразивный круг, а лента в виде матерчатого кольца с нанесенным на одну из сторон абразивом. Легко деформируясь, лента плотно прилегает к шлифуемому объекту, что дает возможность обрабатывать изделия со сложной поверхностью – криволинейные гидродинамические профили, турбинные лопатки и другое. Однако абразив с ленты довольно быстро стирается и ее надо часто заменять, на что уходит достаточно много рабочего времени (не менее 5 минут).

Если же покрыть абразивом обе стороны ленты и сделать из нее кольцо Мёбиуса, то такой шлифовальный инструмент будет работать вдвое дольше обычного.

Подобных примеров инженерных искусств можно привести великое множество и все они базируются на знании математики и механики. Как бы то ни было, инженер призван заниматься технической деятельностью, в ходе которой он создает технику, разрабатывает технологию, управляет ими.

В современном смысле понятие “техника” означает часть производительных сил, совокупность технологических процессов и средств труда, посредством которых человек воздействует на природу. Современная революция в технике не является локальной. Она затрагивает различные отрасли производства, преобразует целые технические системы и по форме, и по содержанию.

К числу таких преобразований относятся:

а) использование в технике новых материалов не только из числа имеющихся в природе, но и новых, с заранее заданными свойствами, созданных на основе достижений физики твердого тела и химии полимеров (пластические массы и химические волокна);

б) использование новых источников энергии, в том числе атомной, плазмохимических процессов, лазеров, закрытой технологии высоких и низких температур;

в) усложнение техники, повышение требований к надежности рабочих технических систем, образование более масштабных технологических комплексов и систем (энергетики, транспорта, связи и др.);

г) коренное изменение функции техники, ее автоматизация, широкое использование вычислительной и кибернетической техники в различных отраслях народного хозяйства и др.

В историческом процессе развитие техники связано с длительным совершенствованием производительных сил. Паровые двигатели заменялись двигателями внутреннего сгорания и электрическими моторами; внедрялись механические и электрические приводы, повышалась скорость обработки изделий, увеличивалась возможность совмещения операций.

0. Многообразие отраслей, базирующихся на инженерных искусствах

Обобществляя исторические этапы развития техники, можно отметить, что плоды инженерной деятельности человека приводят к коренным изменениям не только в промышленности, но и в сельском хозяйстве, транспорте, медицине и других отраслях. Инженерные искусства широко вторгаются во все сферы общественной жизни и человеческой деятельности.

Возьмем, к примеру, музыку. Совершенствование радио и телевидения, техники звукозаписи (от механической до оптической и магнитной записей) связано с преобразованиями физических явлений в звук. На Всесоюзной выставке творчества радиолюбителей-конструкторов можно было увидеть устройства, которые еще не имели аналогов в промышленности. Стереоквадромагнитофоны, электромузыкальные синтезаторы, установка “Стереофоносвет”, которые с успехом применяются эстрадными коллективами в настоящее время.

Другая отрасль – скульптура, Здесь и малые формы камерной скульптуры, парковая скульптура, памятники на площадях и улицах, огромные скульптурные сооружения, воздвигнутые по плану монументальной пропаганды.

В обиходе скульптор употребляет механические понятия “деформация” и “напряжение”, “статичность” и “динамичность”, “равновесие масс” и “площадь опоры”, “центр тяжести” и “устойчивость”. Решая художественные задачи, он должен учитывать свойства материала: пластичность и упругость, жесткость и хрупкость, коэффициенты линейного и объемного расширения. Скульптор должен уметь рассчитать давление и плотность, устойчивость равновесия масс и простейшие параметры колебаний. Иначе говоря, скульптору требуется как художественно-образное, так и конструкторско-технологическое мышление.

Архитектура. Профессия архитектора одна из самых благородных и гуманных профессий на земле. Она сочетает в гармоническом единстве инженерно-техническую мысль с высоким эстетическим вкусом человека.

В архитектуре, как ни в каком другом искусстве, тесно переплелись красота и полезность функционального назначения построек. Воплощая свой замысел, архитектор должен знать многие физические и механические свойства материалов: плотность и упругость, прочность и теплопроводность, линейное и объемное температурные изменения, звукоизоляционные и гидроизоляционные характеристики и другие.

Современные материалы – стекло, алюминий, пенобетон, природный камень и искусственный кирпич, железобетон – все подвергаются сложной физико-технической экспертизе, прежде чем будут применены в строительстве.

Литература. Казалось бы, какое инженерное искусство может быть в литературе, в деятельности писателей? Чтобы понять это воспользуемся хотя бы одним примером – отрывком из полного лиризма рассказа “Лови синий свет” Я. М. Мустафина [14] о простом рабочем человеке, интуитивно определяющего твердость материала:

“Это ведь только те, кто рабочего нутра не знает, думают, что в рабочей профессии нет красоты.… Не так-то просто научиться хорошо закалять зубила!.. – Зубило нельзя перегревать, - говорил Муромцев, заново нагревая зубило. – Иначе крошиться будет. Видишь, как я нагрел? До вишневого цвета… - Губы старика что-то шептали, и сам он сейчас походил на волшебника из сказки.

- Считаю вот, чтоб не передержать, - ответил он на немой вопрос Олега и вытащил зубило из чана. – Видишь, будто радуга упала на металл?

Паренек увидел, как инструмент вдруг точно ожил: по нему побежали разноцветные полосы – светло-розовая, за ней оранжевая, следом соломенного цвета, их настигала сиреневая полоска…

- Вот и лови синий цвет, - шепотом сказал Муромцев, словно боялся, что скажи он громче, и нужный цвет на самом деле убежит. – Не зевай! – С этими словами старый слесарь вновь резко окунул зубило в воду…

- Вот и все. Теперь любую сталь можешь рубить”.

Почему старику Муромцеву “нужен” был именно синий цвет? Да потому, что для получения необходимой твердости металл требуется нагреть до температуры 588⁰ К. Именно, при этой температуре, из цветов побежалости, возникает синий цвет и бывалому слесарю нет нужды измерять температуру с помощью пирометра.

Театр, кино и телевидение. Эти три вида искусства отличаются средствами художественной эстетической выразительности, но с техникой они связаны тесно.

По этому поводу крупнейший режиссер и постановщик театра, народный артист СССР Н. П. Акимов [15] писал: “Говоря о театре, мы должны признать, что этот род искусства чрезвычайно тесно связан с техникой. Я даже попробую доказать, что если театральная эстетика в какой-то мере стимулировала ту или иную технику, то и наоборот, состояние техники способствовало развитию той или иной эстетики”.

В театрах широко используется звукозапись, а качество ее воспроизведения зависит от акустических свойств зала, которые тесно связаны с архитектурой театра, временем ревербации звука.

Проблемы акустики возникли уже в V – IV веках до новой эры при строительстве массовых театров Древней Греции. Остатки этих величественных сооружений поражают и в настоящее время совершенством архитектуры и продуманностью технических решений. Чтобы представления могли увидеть и отчетливо услышать до 20 тысяч зрителей “орхестра” (круглая сцена) располагалась в глубине гигантского амфитеатра с расположенными полукругом каменными скамьями.

Порой скамьи вырубались прямо в склоне холма. Спектакли ставились под открытым небом, но даже шепот был четко слышен в любой точке амфитеатра.

С той поры сценическая техника претерпела значительные изменения. Современный театр – это сложнейшее архитектурно-техническое сооружение. Подлинной революцией в театре было изобретение механической вращающейся сцены. Постановщик спектакля настоящего времени – это человек с инженерно-художественным мышлением. Он должен точно чувствовать направление и интенсивность света (с помощью реостатов), цветом создавать различные нюансы настроений (с использованием светофильтров) и другие иметь способности.

При съемке кинофильмов кинооператор использует современные технические совершенства для качественного получения своей продукции. Различные трюки при исполнении артистами-трюкачами выполняются с помощью современных технических устройств. В телевидении используется аппаратура, которая является плодом современных инженерных искусств.

Если вглядеться внимательно, то вы встретите инженерное искусство и механические явления везде: и в химии, и в биологии, и в спорте, и на прогулке, и среди игры, и в доме, и в кухне, и на фабрике или заводе, и в сельском хозяйстве, и в беспредельной глубине звездного неба, - словом, на каждом шагу. Создание атомных электростанций, запуски искусственных спутников Земли, полеты космических кораблей и космических станций с человеком на борту и многое другое связано с инженерным искусством.

1.4 Задачи инженерных дисциплин в подготовке специалистов высокого профессионализма

Анализ истории инженерных искусств от самых ранних и случайных форм до форм современных показывает, что его исторически устойчивым ядром является техническое проектирование. Что же это такое техническое проектирование? Это обособленное целеполагание коллективной технической деятельности. По мере развития способа производства материальной жизни общества, одним из проявлений которого является развитие техники и научно-технического знания, инженерные искусства приобрели явно выраженный научно обоснованный характер. Профессиональная задача инженера уже не ограничивается знанием техники и умением ее создавать. Теперь в создании техники инженер сознательно использует научные знания и в этом смысле инженерное искусство есть техническое и технологическое применение науки.

Профессионализм инженера с сочетанием науки возрос с той поры, когда инженер-исследователь стал обращаться к опыту, к эксперименту. Только с помощью опыта можно доказать сущность раскрытия проблемы и решения того или иного вопроса. О силе опыта очень хорошо сказано А. С. Пушкиным в следующих строках.

Движенья нет, сказал мудрец брадатый,

Другой смолчал и стал пред ним ходить.

Сильнее бы не мог он возразить.

Хвалили все ответ замысловатый.

Таким образом, Александр Сергеевич Пушкин – не будучи ученым – проиллюстрировал доказательную мощь опыта. Его превосходство над словесными аргументами. Однако стихотворение заканчивается такими словами:

Но, господа, забавный случай сей

Другой пример на память мне приводит:

Ведь каждый день пред нами солнце ходит,

Однако ж прав упрямый Галилей.

В какой же части стихотворения содержится истина? Пушкин знал, что видимое движение Солнца в течение веков служило неопровержимым доводом в пользу неподвижности Земли. И своим заключением подчеркнул, что очевидность – не обязательно истинность. И самый очевидный опыт или наблюдение, восприняты не критически, способны привести к ложным заключениям.

Научная обоснованность инженерной деятельности обусловливает специфику инженерного искусства, всеобщность инженерного труда. На современном этапе в инженерном искусстве преодолено главное социальное противоречие творческого процесса между новизной и значимостью. Инженер творит в условиях жестких ограничений времени, ресурсов, принятых социально-технических нормативов (стандартов, ГОСТов, правил и т.п.).

Современного инженера лишь в общих чертах можно сравнить с классическим инженером второй половины XIX – первой половины XX века. Совмещение множества функций инженерной деятельности (проектирования, конструирования, разработки технологии, управления производством и т.д.) одним лицом стало практически невозможным. В связи с этим появилась новая структура – совокупного работника современного материально-технического производства. Появились новые элементы профессионализма, ранее не существовавшие. Например, инженер-программист, инженер-психолог, инженер-социолог и т.п. Студенты технического вуза как будущие инженеры должны быть готовы к борьбе с социальными силами, препятствующими изменению их социального статуса. И чем быстрее инженеры обретут заслуженный ими статус, тем больше звезд появится на инженерном небосклоне.

2. ИСТОРИЧЕСКИЕ ЭТАПЫ РАЗВИТИЯ МЕХАНИКИ

“Никто не может спорить, что даже самое слабое представление об историческом развитии механики является необходимым для того, чтобы в настоящее время в состоянии производить хорошие исследования… Вспомним утверждения Абеля, что он добился места в первых рядах при помощи изучения произведений самих мастеров, а не их учеников.”

К. Трусделл

Механика – часть физики. Основная цель механики состоит в открытии, познании и практическом применении общих законов механического движения. Научное изучение механического движения требует, после процесса познания в непосредственно наблюдаемых явлениях, умения выделить особо самое существенное, самое главное, доминирующее и для его исследования использовать все имеющиеся в распоряжении методы, не упуская, однако, из виду всю сложность целого, всю многогранность реального процесса.

Весь мир мы делим на макромир (тела больших размеров) и микромир (мир молекул, атомов, нейтронов, протонов и т.д.). В микромире приходится применять статистические законы, которые лежат в основе квантовой механики.

Квантовая механика лучшим образом описывает все явления микромира и точнее согласуется с опытом. Остановимся на рассмотрении самых первоначальных представлений, с которых начала свое существование механика.

1. Истоки зарождения механики

Механика – одна из самых древних наук. Зарождение механических знаний относится к глубокой древности. Еще в доисторические времена люди создавали постройки и наблюдали движение различных тел. Уже в эпоху неолита и бронзового века появилось колесо, несколько позже стали применяться рычаг и наклонная плоскость. Люди бессознательно, интуитивно применяли законы механики в своей повседневной жизни и при охоте на мамонтов и других животных. Они поняли, что мамонта лучше побеждать, бросая камни сверху вниз. В связи с этим люди стали применять ловчие ямы.

Постепенно совершенствуясь, человек стал регулярно применять рычаг и наклонную плоскость в связи со строительными работами в древневосточных государствах. И, естественно, все это время шел процесс осознания и выработки ряда более или менее таких абстрактных понятий как сила, сопротивление, перемещение, скорость.

Известно, что такие механические орудия как рычаг и клин применялись народами, создавшими великие цивилизации в бассейнах рек Нила, Тигра и Евфрата. Еще в III тысячелетии до новой эры строились первые египетские пирамиды и храмы. До наших времен сохранились ступенчатая пирамида Джосера в Саккара, высочайшая пирамида фараона Хуфу (Хеопса) в Гизе, колонны древних храмов. На возведение пирамиды Хеопса использовано 23 300 000 каменных глыб, средний вес которых достигал 2,5 тонны. В деревне Карнак сохранились развалины одного из величайших египетских храмов. Подъездная дорога к нему представляла аллею из огромных каменных статуй-сфинксов из цельных каменных глыб. Вес этих статуй достигал десятки, и даже сотни тонн. У входа в храмы египтянами ставились высокие цельные четырехугольные каменные колонны из гранита – обелиски.

Как же египтяне смогли сложить из огромных каменных плит пирамиды, которые по высоте подобны современным небоскребам? Как устанавливали они обелиски весом в 300 – 400 тонн и высотой с восьми - десятиэтажный дом?

В XIX веке было принято решение о перемещении гелиопольского обелиска из Египта в Рим. Эта задача при современной технике была решена с огромным трудом. При установке обелиска на постамент понадобилось значительное число кранов и полиспастов. Европейские инженеры располагали мощными паровыми лебедками, а древние египтяне – только силой большого числа рабов.

Найденные геологами фрески, наскальные рисунки и рисунки на стенах развалин храмов дали материал для разгадки способов, какими пользовались египтяне, вавилоняне и другие древние народы для транспортировки массивных каменных глыб. На рис. 2.1 представлен кусок стены одного из вавилонских дворцов. На этом обломке стены изображена перевозка каменной глыбы на деревянных салазках. Рабы тащат санки посредством канатов по поленьям, смазанным салом, а сзади эти санки подталкивают рычагами.

Для подъема таких тяжестей на нужную высоту применялась наклонная плоскость. Так, например, наклонная дорога для транспортирования сверх тяжелых глыб на большую высоту при строительстве пирамиды Хафра (Хефрена) имела длину подъема около 500 м, а высота подъема составила 45,8 м. Если подсчитать необходимый угол наклона к горизонту, то он оказался равен 5,3⁰. Выигрыш в силе был значителен.

Следующий вопрос. Как древние египтяне доставляли с одного берега на другой берег реки, высеченные в горах цельные обелиски, колонны и другие монументальные архитектурные творения 25, 30-ти метровой высоты, а затем устанавливали их в нужном месте? Ведь у них не было механизмов для поднятия и строго вертикальной установки этих монументов в уже заранее подготовленный фундамент или на постамент. Фрески и наскальные рисунки свидетельствуют об этом следующее.

Р исунок 2.1 – Транспортировка каменной глыбы вавилонянами

Древние египтяне грузили обелиски на длинные плоскодонные барки, по две на каждую, основаниями к середине судна. Чтобы уберечь барки от разлома, египетские судостроители укрепляли барку в середине, устанавливая на ней прочную арку из деревянных брусьев. Арка упиралась в корму и нос судна. Основания обелисков, которые были значительно массивней их верхушки, подвешивались к арке, и давление на середину барки уменьшалось.

С барок обелиски доставлялись к месту установки известным способом на салазках. А вот как теперь обелиск установить в заранее подготовленный фундамент? Эта задача решалась очень просто, но с привлечением большого числа рабочих рук. На рис. 2.2 показан процесс установки обелиска на пьедестал.

Р исунок 2.2 – Процесс установки обелиска на фундамент

Место, куда нужно было поставить статую или обелиск окружалось стеной высотой, равной примерно высоте устанавливаемого объекта. Полученный резервуар засыпался более чем на половину сухим песком. Обелиск доставлялся к краю такого колодца по насыпной горе и сталкивался в него. Затем песок убирался через тоннель, заранее предусмотренный строителями. По мере выбирания песка обелиск принимал вертикальное положение и автоматически устанавливался на пьедестал.

После этого насыпная гора и стена убирались силой большого числа рук, а статуя или обелиск прочно занимала свое место.

Таким образом, в древние времена человек уже применял рычаг, наклонную плоскость, клин, чтобы иметь значительный выигрыш в силе.

2. Начала механики в античный период

Следует отметить, что древним грекам и римлянам стали известны такие машины как подвижные блоки, вороты, передача движения зубчатыми колесами и бесконечным винтом (червячная передача). Рычаг заставлял задумываться ученых и мыслителей древнего мира о том, в чем кроется причина выигрыша в силе при применении рычага? Ведь рычаг широко использовался в те времена и в торговле. Взвешивание грузов производилось с помощью безменов, представлявших собой двухплечий рычаг, на длинном плече которого передвигается гиря.

И продавцы, и покупатели товаров использовали безмен механически, не вдаваясь в суть вопроса о том, как изменяется действие гири при передвижении ее по длинному плечу безмена.

Теоретически впервые правило рычага вывел греческий ученый Архимед (287 – 212 годы до н. э.).

Характер античной механики определялся экономическими основами рабовладельческого хозяйства. До некоторого периода это обеспечивало более быстрый рост техники и производительных сил. Рабовладельцы имели некоторый досуг для интеллектуальной деятельности. В то же время рабовладельческий строй имел элементы, которые тормозили дальнейшее развитие техники. Рабы, которые являлись сами орудием труда, не были заинтересованы в совершенствовании и развитии техники. Рабский труд препятствовал распространению механических приспособлений.

Принципиально новым для античной механики, в сравнении с достижениями науки Древнего Востока, явилось то, что на основании многовекового практического опыта появляются механические теории. Характерной чертой механики этого периода явилась разобщенность учения о движении – кинематики и учения о равновесии – статики. Чисто кинематическое описание движений стало делом астрономов. Согласно общепринятым в античной науке взглядам движение небесных тел не требовало причинных объяснений. Учение о равновесии развивалось на основе опыта применения различных приспособлений.

Таким образом, основными проблемами статики в античный период был расчет выигрыша в силе и вывод условий равновесия при взвешивании плавании тел. Проблемы кинематики находились в русле астрономической традиции. В обеих этих областях был достигнут достаточно высокий уровень математизации античной теоретической механики с использованием геометрии, тригонометрии и методов инфинитезимального характера (качественная сторона объяснения механических явлений путем сравнения и сопоставления с повседневными опытами и наблюдениями).

В наиболее ранних сочинениях античных авторов большинство теорий посвящено проблемам статики. Известно, что Архип Тарентский (около 428 – 365 годов до новой эры) разработал теорию блока полиспастов, но результаты его исследований не сохранились. Некоторые античные авторы ему же приписывают изобретение винта. Изобретение бесконечного винта для подъема тяжестей и воды связано с именем Архимеда. Однако если следовать хронологии источников историю развития механики нужно начинать с философов Древней Греции.

Еще на ранней стадии развития греческой философии прослеживаются зачатки двух механических направлений – кинетическое и динамическое.

Основные положения динамической концепции древних греков сводились к тому, что материя сама по себе может пребывать лишь в покое, что она неподвижна, а если движется, то только под действием активных сил, существующих независимо от нее и действующих извне. Эмпедокл, например, утверждал, что материя приводится в движение двумя противоборствующими силами: любовью и враждой.

В кинетическом направлении утверждалось, что в природе нет каких-либо особых начал движения, что материя самоподвижна. Принцип самодвижущейся материи нашел отражение в выступлениях античных атомистов – Левкиппа, Демокрита, Эпикура и Лукреция. Согласно их учению природа ничего не содержит, кроме материи, движущейся в пустом пространстве.

Гераклит Эфесский (около 530 – 470 годов до новой эры) учил, что все существующее в природе возникает из вечно движущегося огня. Под огнем он понимал некую огнеподобную первооснову вещей, что мир как совокупность вещей сотворен не богом или человеком, а был, есть и будет вечно живым огнем, закономерно воспламеняющимся и закономерно угасающим.

Парменид и другие философы элейской школы подвергли резкой критике учение о вечности движения. Они считали, что это учение делает невозможным познание, так как утверждали, что истинное бытие неподвижно и находится вне времени и пространства.

Наибольшее влияние на развитие механики оказало учение Аристотеля. Аристотель (384 – 322 годы до новой эры) впервые ввел в научный обиход название “механика”, произошедшее от греческого слова μεχανη, означающее в переводе “ухищрение”, “машина”. В это понятие он вложил широкую область человеческого знания, в которой изучаются простейшие движения материальных тел, наблюдаемые в природе и создаваемые человеком при его деятельности. В отличие от элеатов он считает движение вечным. По этому поводу он пишет [16]:”Невозможно допустить, чтобы не было движения. Движение необходимо существует всегда”. В то же время его взгляды расходятся с взглядами атомистов по поводу движения материи. В отличие от них он утверждал, что “одни из существующих предметов неподвижны, другие всегда движутся, третьи причастны к покою и движению”[16].

Силу Аристотель рассматривал как причину движения и считал, что она должна непрерывно поддерживать движение. На вопрос о том за счет чего движется тело, оторвавшееся от того что его двигало, Аристотель выдвинул следующую гипотезу. Когда мы толкаем по плоскости тело, например шар на столе, то одновременно приводим в движение и окружающий его воздух. В образовавшуюся за движущимся шаром пустоту устремляется воздух и как бы подталкивает его. По этой причине шар не останавливается мгновенно после прекращения действия силы, а некоторое время движется вследствие воздействия окружающей среды.

В “Физике” Аристотеля имеются соображения по количественному определению силы. Используя современные обозначения силы, веса, времени и пройденного пути цитата в трактовке самого Аристотеля [17] примет следующий вид: “В равное время t сила, равная F, продвинет половину веса Р на двойную длину S, а на целое S в половину времени t. Такова будет пропорция. И если одна и та же сила движет одно и то же тело в определенное время на определенную длину, а половину – в половинное время, то половинная сила продвинет половину движимого тела и в то же время на равную длину”.

Математически это выглядит так

F = P·V = P·S / t. (2.1)

Следует отметить, определение Рисунок 2.3 – Аристотель средней скорости как V = S / t в античной механике не использовалось, определялось на основании “принципа однородности”. Для сравнения скоростей тел сопоставлялись либо расстояния, пройденные телами за одинаковое время, либо промежутки времени, за которые было пройдено одинаковое расстояние. В связи с этим Аристотель вводит понятие “равноскорого” движения, при котором тело “в равное время движется одинаково”. “Равноскорым – отмечает он, – является то, что в равное время продвинулось на равную величину”, и еще “…необходимо более быстрому в равное время двигаться больше, в меньшее время – одинаково” [18].

В своей “Физике” Аристотель рассматривал движение тел с учетом сопротивления среды и полностью отвергал пустоту. Он утверждал, что при движении тела в пустоте, когда сопротивление оказывается равным нулю, отношение скоростей становится бесконечно большим. По этому поводу он пишет: ”Для пустоты не существует никакого пропорционального отношения, в каком она (по своей тонкости) превосходила бы тело, так же как и нуля по отношению к числу”[19]. И далее там же он пишет: “…пустота не стоит ни в каком отношении с наполненной средой. Если через тончайшую среду тело проходит во столько-то времени такую-то длину, то, двигаясь через пустоту, оно превзойдет всякую пропорцию”.

В этой же работе он выдвигает другой аргумент по поводу невозможности пустоты, рассматривая падение тел. По его гипотезе каждое тяжелое тело при “естественном “ движении стремится к своему “естественному месту”. При этом он рассматривает четыре стихии – землю, воду, воздух и огонь, которые расположены во Вселенной концентрически и имеют таким же образом расположение своих “естественных мест”. Три стихии имеют тяжесть, а четвертая (огонь) – не имеет. Если какую то стихию принудительно переместить в нижележащее место, то она стремится возвратиться в свое “естественное место”, то есть приобретает “легкость”. Например, дерево падает вниз в воздушной среде и всплывает в водной среде.

Рассматривая движение тяжелых тел Аристотель считал, что из двух тел одинаковой формы и объема падает быстрее то тело, которое имеет большую “тяжесть”. Вот, что он пишет по этому поводу [19]: “Тела, имеющие большую силу тяжести или легкости, если они в остальном имеют одинаковую фигуру, скорее проходят равное пространство в том пропорциональном отношении, в каком указанные величины находятся друг к другу”.

Аристотель категорически отвергал взгляды атомистов по поводу существования пустого пространства и движения в нем, а также учение элеатов об абсолютной неподвижности истинного бытия. “Утверждать – пишет он [20], – что все покоится, и подыскивать обоснования этому, оставив в стороне свидетельство чувств, будет какой-то немощью мысли и спором…не только против физики, но, так сказать, против всех наук и против всех учений, так как все они пользуются движением”.

В своих философских и естественнонаучных трудах Аристотель основное внимание уделял исследованию различных механических и астрономических проблем. При этом механику он привлекал лишь для иллюстрации весьма широких общефилософских положений.

Обобщая рассуждения Аристотеля о явлениях механического движения его взгляды на природу кратко можно изложить следующим образом:

- “Пространство и время конечны: за сферой неподвижных звезд нет ни пространства, ни времени, ни движения”.

• “Движется только движимое”, то есть только то, к чему приложена сила.

• “Скорость падения соответственна весу падающего тела”, то есть пропорциональна весу падающего тела.

Как видим, эти законы ошибочны, далеки от истины, но они положили начало механике и оставались незыблемыми около двух тысячелетий потому, что учение Аристотеля согласовывалось с повседневным, жизненным опытом человечества. Пренебрегая экспериментом, Аристотель сделал ряд выводов на непосредственном созерцании видимых процессов движения тел без последующего количественного анализа.

Родоначальником научных основ учения о равновесии является гениальный Архимед (287 – 212 годы до новой эры), который первым из ученых начал успешно применять строгие математические методы к исследованию проблем механики. Он был не только математиком, но и замечательным инженером.

У роженец города Сиракузы, Архимед всю жизнь работал над проблемой укрепления родного города, изобретая и строя различные военные машины. Пользуясь, пост-роенными им военными машинами, защитники Сиракуз в течение двух лет отбивались от римлян, осаждавших город. История донесла до нас сведения, что метательные машины Архимеда поражали наступавших римлян камнями, выбра-сывали тучи стрел и копий. Когда к стенам Сиракуз подходило военное судно римлян, сверху спускалась механическая лапа, захватывала но-совую часть судна, приподнимала его и опрокидывала.

Рисунок 2.4 – Архимед К эпохе античности относится выделение статики в особую теоретическую дисциплину, принадлежавшую к тем естественнонаучным дисциплинам, которые в Древней Греции подвергались наибольшей математизации. Ярким примером этого может служить статика Архимеда, созданная по образцу геометрии Евклида.

В античную эпоху зародилось два направления в статике: кинематическое и геометрическое.

Кинематическое направление возникло из практики эксплуатации простых механизмов (рычага, наклонной плоскости, полиспастов и других) для поднятия грузов.

Архимед был первым, кто не только задумался над причиной выигрыша силы с помощью машины, но и попытался ответить на следующие вопросы.

Почему машины дают выигрыш в силе? Каким законам подчинено их действие? Как рассчитать ворот, полиспаст или другую какую-либо машину, которая позволяет поднять данный груз силой человека?

Геометрическое направление неотъемлемо связано с именем Архимеда, Это направление связано с расчетом равновесия архитектурных конструкций: балок, плит и других элементов, подпертых в одной или нескольких точках. С этим направлением связано возникновение понятия центра тяжести.

Архимед вывел правило (закон равновесия рычага), которое легло в основу статики – учения равновесия тел. Применяя это правило, можно вычислить выигрыш в силе, получаемый при применении ворота и подвижного блока.

Тем не менее, закон рычага еще не разрешает загадки, почему при применении рычага, подвижного блока или ворота можно поднять большой груз малым усилием.

Однако еще Аристотель напал на след решения этой загадки. На прогулках по аллеям сада возле своей школы он вел долгие беседы со своими учениками о причине выигрыша в силе при применении рычага. Со слов Аристотеля, в сочинении “Проблемы механики”, один из его учеников утверждал, что “тела, у которых произведения весов на скорость равны, обнаруживают равное действие”.

Эта гениальная мысль не была понята современниками Аристотеля. Лишь спустя двести лет греческий механик Герон повторил эту мысль в более доступной форме.

Герон прославился как практик-изобретатель. В то же время он занимался и теоретическими исследованиями. В своем сочинении “Механика” он рассмотрел действие рычага, ворота, подвижного блока и других простых машин и обратил внимание на отношение путей, проходимых поднимаемым грузом и точкой приложения силы, действующей на машину.

Он показал, что при поднятии груза посредством, например, ворота, сила руки выигрывает во столько раз больше, во сколько рукоять ворота длиннее радиуса его вала. В то же время рука проходит расстояние во столько раз больше, чем поднимаемый груз.

На основании этого Герон сформулировал “золотое правило” механики: сколько выигрывается в силе, столько же теряется в скорости.

Интерпретируя “золотое правило” можно сказать, что рычаг и другие машины, давая выигрыш в силе, не выигрывают в работе.

Заслуживает внимания такое рассуждение Герона [21]: “Некоторые люди думают, что тяжести, лежащие на земле, могут быть сдвинуты с места только путем приложения эквивалентной им силы. Этот взгляд ложен. Итак, докажем, что тяжести, лежащие так, как было сказано, могут быть сдвинуты с места посредством силы, меньшей, чем любая известная, и раскроем причину, почему подобное явление не оказывается сразу приметным. Представим себе, стало быть, что груз лежит на земле и что этот груз равномерный, гладкий и плотный. Пусть плоскость, на которой груз лежит, может быть наклонена в обе стороны, а именно вправо и влево. Пусть сначала она будет наклонена вправо. Тогда оказывается, что данный груз скатывается вправо, ибо естественным для грузов является стремление двигаться вниз, если их ничто не подпирает, препятствуя их движению. Если, далее, наклонная сторона опять поднимается до горизонтальной плоскости и вся плоскость придет в состояние равновесия, то тогда груз пребудет в этом положении. А если она наклонится в другую сторону, то есть в левую, то и груз будет клонить в ту же сторону, даже при самом незначительном наклоне. Следовательно, груз нуждается не в силе, которая его движет, а в силе, которая его подпирает, препятствуя его движению. Допустим теперь, что груз опять приходит в положение равновесия и не склоняется в какую-либо сторону, – тогда он остается в том же положении и пребывает в покое, пока плоскость не наклонится в какую-нибудь сторону, – в последнем случае и он клонит в ту же сторону. Итак, груз, готовый обратиться к любому направлению, нуждается лишь в незначительной силе, чтобы прийти в движение, и притом в соответствии с силой, которая придает ему наклон. Выходит, что груз может быть приведен в движение любой самой малой силой”.

Герон продолжил дальнейшее развитие кинематического варианта статики. При рассмотрении равновесия Герон изучает перемещения, которые получают точки приложения сил при нарушении этого состояния. Результатом этого изучения явилась элементарная формулировка принципа возможных перемещений – “золотого правила механики”, а именно: ”Отношение движущей силы ко времени является обратным”.

Своими работами по механике в античный период прославились представители Александрийской школы. Римский архитектор эпохи Августа – Марк Поллион Витрувий (I век до новой эры) десятую книгу своего знаменитого трактата “Об архитектуре” полностью посвятил механике. В специальном разделе, посвященном военным машинам, Витрувий пишет [22]: “Машина есть сочетание соединенных вместе деревянных частей, обладающее огромными силами для передвижения тяжестей”.

В восьмой главе этой книги он рассматривает принцип действия механизмов, основанный на теории равновесия рычага. Эту теорию Витрувий излагает, придерживаясь кинематического варианта статики. Папп Александрийский (III век новой эры) в последней (VIII) книге “Математического собрания”, посвященной механике, проводит различие между механикой – теоретической наукой и механикой – практическим искусством.

Из сочинений Герона и Паппа можно сделать вывод, что александрийские ученые I – IV веков новой эры уделяли значительное внимание как теоретическим основам механики (с научным уровнем значительно ниже чем у Архимеда), так и практической механике, конструированию механизмов, оружия и автоматов.

2.3 Механика в средние века на Востоке и в Европе

В эпоху расцвета Римской империи, а затем в эпоху ее упадка теоретическое направление в механике угасло, а значительную роль приобрела ремесленная традиция. Содержание трактатов по механике свелось к набору простейших правил действия “простых машин”. Понятие “механики” сводилось к архитектурно-строительному и инженерному искусству.

Возрождаться теоретическое направление стало в VIII – IX веках новой эры с развитием науки в странах Ближнего и Среднего Востока.

В этот период родоначальниками комментаторов Аристотеля можно назвать Ибн-Сину и ал-Бируни. Между ними шла переписка, которая состоит из двух серий вопросов ал-Бируни и ответов Ибн-Сины. Восемь ответов Ибн-Сины из восемнадцати вопросов ал-Бируни относятся к “Физике” Аристотеля.

При этом в своей “Книге знания” [23] (в физическом разделе) Ибн-Сина говорит следующее: “Тело не может перемещаться с одного места на другое посредством одного толчка, так как тело разделяется на части и частями отделяется от своего места, а то, что отделяется по частям, не может быть в результате одного толчка…. Все, что движется, или движется чем-то извне (например, стрела из лука, вода при нагревании огнем), или движется само по себе (например, камень, падающий сам, или горячая вода, которая сама становится холодной). Движение того, что само движется, происходит не в его телесности, а только в его состоянии и форме. Если бы оно происходило в его телесности, то движение должно было быть постоянным и равным для всех тел. Стало быть оно происходит из какой-то силы”.

Ибн-Сина попытался количественно выразить величину “движущей силы,” утверждая, что тела, движимые данной “силой,” перемещаются со скоростями обратно пропорциональными их весам, а тела, перемещающиеся с заданной скоростью, проходят расстояния, прямо пропорциональные их “тяжестям.”

Приверженец аристотелевской теории Абу-л-Валид Мухаммед ибн Рошд (1126 – 1198 годы) утверждал, что материальный мир бесконечен во времени, но ограничен в пространстве. Философское учение Ибн-Рошда получило распространение в Западной Европе в период феодализма и раннего Возрождения.

Объясняя механизм передачи движения, Ибн-Рошд сравнивал его с волнами, распространяющимися кругами на воде, если в нее бросить камень. По мнению Ибн-Рошда частицы воды способны к взаимопроникновению. Он считал, что подобное явление происходит и в воздухе при движении в нем тела, получившего толчок. Согласно его рассуждениям движение тела поддерживается проникновением частиц среды в движущееся тело. И это взаимопроникновение было бы полным, если бы среда не обладала упругостью.

Развитие геометрического и кинематического направлений статики произошло благодаря переводам и комментированиям работ Архимеда и Герона.

Не нарушая традиции античного периода ученые стран ислама называли механику “илм ал-хийал”, что в переводе означает “учение о хитроумных приспособлениях”. Это выражение ничем не отличается от дословного перевода греческого термина mechane. В средневековых сочинениях Востока механика (как и в античный период) подразделялась на учение о военных машинах и учение о хитроумных приспособлениях – главным образом устройства для поднятия тяжестей и воды для орошения.

Раздел о механике входит в состав средневековых восточных энциклопедий. В таком сочинении как “Ключи наук”, написанного Абу Абдаллаха ал-Хорезми (IXвек), состоящем из двух книг, одна из глав второй книги была полностью посвящена механике (переработка “Механики” Герона).

В основе механических глав “Книги знания” Ибн-Сины также находятся “Механические проблемы” и “Механика” Герона. В этих главах Ибн-Сина рассматривает пять простых машин: рычаг, блок, ворот, клин и винт, а также их комбинации, некоторые из которых отсутствуют у Герона. Здесь приводятся конкретные примеры применения описанных машин и их комбинация для поднятия грузов.

В эти времена прославились своими работами по механике и другие ученые и мыслители – это три брата Бану Муса (IX-X века) – астрономы и математики Багдадской школы, написавшие трактат “Книга о механике”, трактат Абу-л-Изза Исмаила ал-Джазари (XII – XIII века) “Книга о познании инженерной механики”, трактат Мухаммада ибн-Али ал-Хурасани “О водяных колесах и подъеме воды и служащих для этого механических устройствах” и другие.

Переводчиком работ Архимеда на Востоке был крупнейший математик и астроном IX века Сабит ибн-Корра. Помимо этого им переведены на арабский язык “Конические сечения” Аполлония, “Альмагест” Птолемея, “Начала” Эвклида. Он издал “Книгу о корастуне”, в которой изложил теорию взвешивания, следуя в основном кинематическому направлению статики “Механических проблем” и “Физики” Аристотеля. Такие мыслители как Омар Хайям. Ал-Хазини развили теорию об определении центров тяжести, кажущегося веса тел в воздухе и других с применением математических уравнений первой степени, которые они решали с помощью “алгебры и алмукабалы”.

Положительные изменения в науке и технике Запада начались значительно позже, чем на Востоке, – с конца XI века. Этому послужили серьезные изменения в экономике в связи с развитием сельского хозяйства, которое повлияло на возникновение различных ремесел, развитие торговли и денежного обращения. Все это способствовало усиленному росту городов. Крестовые походы содействовали знакомству Европы с культурой Востока. По этому поводу Фридрих Энгельс пишет:”…Со времени крестовых походов промышленность колоссально развилась и вызвала к жизни массу новых механических (ткачество, часовое дело, мельницы), химических (красильное дело, металлургия, алкоголь) и физических фактов (очки), которые доставили не только огромный материал для наблюдений, но также и совершенно иные, чем раньше, средства для экспериментирования и позволили сконструировать новые инструменты. Можно сказать, что собственно систематическая экспериментальная наука стала возможной лишь с этого времени”.

Развитие техники в этот период связано с ростом водяных и ветряных мельниц, возникновением механических часов, изготовлением военного снаряжения, кораблестроением, градостроительством, устройством крупных гидротехнических сооружений.

Стала развиваться промышленность и повышаться общий культурный уровень. Это повлияло на возникновение светских школ, а в XIII веке на создание новых университетов в Болонье, Париже, Падуе, Неаполе, Оксфорде. В XIV веке открываются университеты в Пизе, Павии, Кракове, Вене, Гейдельберге и других городах Западной Европы.

В Западной Европе в конце средневековья появилась современная пороховая артиллерия. Считали, что выброшенное из орудия ядро получало в направлении своего движения некоторый импульс (impetus), который постепенно тратился во время движения.

Если греков в 400 году до новой эры в первую очередь интересовала дальность полета ядра, то европейцев в это время интересовала и траектория движения снаряда. Греки хорошо знали, что для получения двойной дальности полета нужно при той же силе натяжения удвоить объем упругого тяже, самый же полет снаряда совершался с меньшей скоростью, так что сразу же обнаруживалась криволинейность траектории. При выстреле же из пушки, когда скорость вылета достаточно велика, первая часть траектории мало отличалась от прямолинейной, и во всех расчетах механиков XV-XVI веков эта часть траектории и рассматривалась как прямая линия. Сообщенный ядру импульс считался прямо пропорциональным массе ядра и его скорости, которая определяла также и направление импульса.

Вместе с тем в этот период сильно возросла роль церкви, которая выступила против идей Аристотеля. В Парижском и некоторых других университетах запретили чтение лекций о “Метафизике” и естественнонаучных сочинениях Аристотеля. В то же время церковь и ее идеологи пытались приспособить Аристотеля к священному писанию И уже в 1366 году церковный декрет повелевал изучать “Логику”, “Метафизику” и “Физику”, так как без этого нельзя было получить первую ученую степень.

В таких сложных условиях развивались естественные науки и, в частности, механика. Термин “механика” по-прежнему имел широкий смысл. Так, например, в сочинении саксонца Гуго (1096 – 1141 годы) “Дидаскалион” были включены текстильное дело, изготовление оружия, охота, мореплавание, земледелие и другие вопросы, отражающие почти всю область технической деятельности человека. Но уже в XII-XIII веках авторы некоторых сочинений обращаются непосредственно к проблемам механики – статике и кинематике.

Началу проблем, относящихся к механике, в средневековой Европе способствовали усиленные переводы греческих источников с арабского языка на латинский, а также сочинений по механике ученых стран ислама. В это время особо прославился работами по механике Иордан Неморарий (XII век) и его школа. Они воспроизвели на свет целый цикл трактатов, посвященных “науке о тяжестях”. Лично Иордану принадлежит понятие “тяжесть соответственно положению”, под которым подразумевается положение тела на плече рычага. От этого положения по понятию Иордана один и тот же груз может проявлять различную “тяжесть”.

Трактаты Иордана и последующие их обработки в основном посвящены условиям равновесия рычага как прямолинейного, так и ломаного. В своих работах он рассматривал конечные дуги и их проекции на вертикаль. После арабских сочинений трактаты Иордана представляют собой следующий шаг к принципу возможных перемещений в форме принципа возможных работ.

Кинематика в средневековой Европе получила тоже незначительное развитие. Этому способствовал трактат Герарда Брюссельского “О движении”, написанный им в конце XII – начале XIII века. Основной акцент Герард заострил в своем трактате на исследовании соотношений между движениями линий, площадей и объемов. Исследования Герарда Брюссельского по кинематике дали старт для исследований ученым Мертон-колледжа в Оксфорде (1328 – 1350 годы). Ученые данного заведения определяли скорость через понятие равного промежутка времени и в отличие от Герарда ввели в определение скорости понятие “любой”. Например, “в любой момент времени”, “в любые промежутки пути” и др.

Геометрическое направление в науке в этот период времени характеризуется работами Н. Орема (1323 – 1382 годы) и, в частности, трактатом “О конфигурации качества”, написанным в 1371 году. Он считал, что “качества” могут быть линейными, плоскостными (в двух измерениях) и объемными (в трех измерениях). “Интенсивность качества”, сосредоточенного в одной точке, Орем представлял в виде отрезка прямой линии. “Интенсивности” – это линии, проведенные из точек прямой, означающей “экстенсивность”. Если представить эти понятия в современной терминологии, то “интенсивность качества” – это ордината, а “экстенсивность” – абсцисса. Зависимость между “интенсивностью” и “экстенсивностью” представлялась плоской фигурой, ограниченной сверху некоторой кривой. Эти геометрические понятия Орем применял к объяснению кинематических характеристик. Так, скорость, рассматривалась как “интенсивность” движения, время – “экстенсивность”, ускорение – “интенсивность скорости”. Мгновенную скорость - Орем называл точечной.

В средневековой Европе появилась теория “импетуса”, характеризующая механизм передачи движения. Термин “импетус” аналогов не имеет, но, если перевести на современный язык, в некоторой степени он эквивалентен термину “импульс”. Например, Фома Аквинский, перу которого принадлежит написание “Книги – книг” (“Библии”), в своих трудах высказывается о силе движущегося, которая сохраняется в брошенном теле, об “импульсе”, который передается от бросающего к брошенному телу и позволяет ему сохранять определенное направление на пути к цели.

Впервые теорию “импетуса” сформулировал парижский номиналист Жан Буридан (умер в 1358 году) в “Вопросах к физике Аристотеля” и в “Вопросах к сочинению Аристотеля “О небе”. В дальнейшем его теорию развили парижские мыслители Никола Орем, Альберт Саксонский и Марсилиус ван Инген. Благодаря двум последним авторам эта теория получила распространение в Германии, Австрии и других странах Европы.

Теория импетуса имела большое значение в приложении к движению небесных тел. По этому поводу приводится высказывание Буридана в работе А.Т. Григорьяна [24]. Это высказывание заключается в следующем: ”Бог в момент творения сообщил небесам столько же и такие движения, какие существуют и сейчас, и, приводя их в движение, запечатлел в них импетусы, благодаря которым они затем двигаются равномерно, поскольку эти импетусы, не встречая сопротивления, никогда не уничтожаются и не уменьшаются”. Согласно Орему, бог, создавая небеса, “…наделил их качествами и движущими силами так же, как земные тела наделил тяжестью; и наделил их сопротивлениями этим движущим силам… Бог предоставил небесам двигаться непрерывно и в соответствии с пропорциями между движущими силами и сопротивлениями, в соответствии с установленным порядком”.

В этой же работе приводится и изречение Николая Кузанского при сравнении движения небесной сферы с движением шара. “Ведь эта сфера не движется богом-создателем и не духом божиим, так же как и шар не движется тобою, когда ты видишь его катящимся, и не твоим другом, хотя ты и привел его в движение, совершая бросок рукой, своей волей сообщая ему импетус, и пока сохраняется этот импетус, движется и шар”.

Таким образом, теория импетуса, движения небесных тел и земных, объединяла в одну систему, подчиняющуюся общим законам механики. Эта теория (в отличие от Аристотеля, который отвергал движение тела в пустоте) допускала возможность движения тела в безвоздушном пространстве. Сторонники теории “импетуса” не сумели выразить понятие одинаковой скорости падения различных по массе тел в пустоте. Однако их количественный подход к исследованию этого явления и попытки формально описать его в своих сочинениях представляют значительный интерес.

При изучении движения падающих тел, средневековых ученых Западной Европы интересовали две проблемы: какова причина ускорения тел при падении? и каким образом описать это ускорение кинематически? Чтобы ответить на эти вопросы средневековыми учеными была разработана теория “запечатленной силы” и “устремления”. По их представлению, когда тело начинает падать, оно получает некое постоянное “насильственное устремление”, которое противопоставлялось “естественному устремлению”, управляющему движением тела вниз. Они считали, что “насильственное устремление” постепенно ослабляется, но в процессе движения тела, особенно в начальный момент, оно замедляет свободное падение.

Подводя итоги состояния механики в средневековую эпоху можно отметить, что проблемы механики в основном изучались в плане не столько физическом, сколько общефилософском в связи с общими понятиями движения, пространства, времени. Университетская наука была в отрыве от практической деятельности. Однако те труды, которые были изданы мыслителями средневековья, явились предпосылкой перехода к эпохе Возрождения.

4. Основы механики в эпоху Возрождения

Эпоха Возрождения (XV-XVI века) в Западной Европе характеризуется бурным развитием техники, расширением международной торговли, великими географическими открытиями. Этому послужили рост городов, увеличение значения городского производства. Все эти сдвиги в социальной сфере совершили коренной перелом в изменении основного направления науки вообще и естественных наук в частности.

Чтобы развитие техники прогрессировало, требовалось создание теоретической базы и развертывание широких научных исследований. Механика явилась той наукой, без которой не могли обойтись астрономия, военное дело (особенно артиллерия), гидротехника, строительс-тво и архитектура.

Поэтому в эпоху Возрожде-ния произошло интенсив-ное развитие механики с первых десятилетий XV века в Италии, а затем и в других странах. Значительный скачок в развитии механики в этот период произошел благодаря работам великих ученых того времени Леонардо да Винчи (1452-1519 годы), Николая Коперника (1473-1543 годы) и Галилео Галилея (1564-1642 годы). Зна-менитый итальянский худож-ник, математик, механик и инженер Леонардо да Винчи занимался исследованиями по теории механизмов (им построен эллиптический токарный станок), изучал трение в машинах, исследовал движение воды в трубах и движение тел по наклонной плоскости. Он был “…не только великим

Рисунок 2.5 – Леонардо да Винчи живописцем, но и великим математиком, механиком и инженером, которому обязаны важными открытиями самые разнообразные отрасли физики”, – писал Фридрих Энгельс в “Диалектике природы”[25].

Грамоте и арифметике Леонардо был обучен дома, а по достижении четырнадцати лет его отдали в мастерскую художника Вероккьо. Там Леонардо растирал краски для своего учителя, писал отдельные фигуры на его картинах, лепил из глины статуэтки, изучал литейное и строительное дело.

Через некоторое время, после завершения учения у художника, он стал придворным художником, инженером и бомбардиром повелителя Милана Лодовико Сфорца. В Милане Леонардо отливал статуи, писал картины, осушал окрестные болота, строил в городе великолепные здания и конструировал машины.

Многие считают и почитают Леонардо да Винчи великим скульптором и музыкантом, великим анатомом и архитектором, философом и астрономом. Он умел все и, главное, он создал основу современного научного метода, каким бы вопросом он не занимался.

На листках его записных книжек, сохранившихся до наших времен, дошло множество чертежей изобретенных или построенных им подъемных кранов, копров для забивки свай, станков и других механизмов. В его архивах найден даже эскиз летательной машины (рис. 2.3 а), доказывающий, что Леонардо был известен способ получения подъемной силы, нашедший применение в современных самолетах и вертолетах. Читать записные книжки Леонардо ученым было нелегко, так как еще в молодости он придумал способ писать текст справа налево, который можно было читать только в зеркальном отражении. Такая конспирация была необходима в связи с тем, что иные его работы вызывали неприязнь у представителей церкви.

То, что для Леонардо было мечтой, сегодня полностью претворено в жизнь: геликоптер превратился в вертолет; “шатер из прокрахмаленного полотна “ стал парашютом; “летающее крыло” – дельтаплан очень напоминает рисунки Леонардо, а крыло птицы, детально изученное им, превратилось в крыло сверхзвукового лайнера. Он проводил аналогию движения тел в воде и в воздухе. В записках Леонардо по этому поводу сказано[26]:”Напиши о плавании под водой и получишь летание птицы по воздуху”, “Плавание в воде учит людей тому, как поступают птицы в воздухе”, “Ту же роль выполняет птица крыльями и хвостом в воздухе, какую пловец руками и ногами в воде”.

Революционный переворот в воззрениях на строение вселенной произвел польский ученый Николай Коперник (1473-1543 годы). Николай Коперник родился в г. Торуне, в семье богатого краковского купца Николая Коперника, который переселился в Торунь и там женился на Варваре Ватценроде, дочери именитого бюргера. От этого брака родились две дочери и два сына, из которых Николай был самым младшим. Он окончил Краковский и несколько Итальянских университетов. Его идеи публикуются на латинском языке в Гданьске, Нюрнберге и Базеле. Перед ним преклоняются датчанин Тихо Браге, итальянец Галилей, немец Кеплер.

Н ьютон на склоне лет писал: “Если я видел дальше других, то потому только, что стоял на плечах гигантов…”. Одним из этих гигантов был Николай Коперник, сын своей эпохи, первый астроном нашего времени. На его памятнике в Варшаве очень образно и емко написано “остановил Солнце и сдвинул Землю”.

В раннем детстве Николай потерял отца и попечителем его стал дядя по матери Лукаш Ватценроде, который был высокообразо-ванным гуманистом. Окончив Краковский, Кельнский и Болонский университеты он стал доктором церковного права и хотел подготовить Николая Коперника к поли-тической карьере. Однако юный Николай в Краковском университете увлекся астрономией и на всю жизнь.

Что же сделал Коперник в астроно-мии? Им создана новая гелиоцентрическая система мира, которая объясняла движение планет вокруг солнца. Коперник низвел Землю до роли рядовой планеты, поместил Солнце в центре системы. Солнце он принял за неподвижный центр, а около него

Рисунок 2.7 – Николай Коперник по окружностям совершают движение все планеты.

а – эскиз летательного аппарата; б – аппарат для подводных работ; в – лыжи; г – летающее крыло

Рисунок 2.6 Эскизы, найденные в рукописях Леонардо да Винчи

По этому поводу сам Коперник пишет: “То, что нам представляется как движение Солнца, происходит не от его движения, а от движения Земли и ее сферы, вместе с которой мы обращаемся вокруг Солнца, как любая другая планета. Так, Земля имеет больше, чем одно движение. Видимые простые и понятные движения планет происходят не в силу их движения, но движения Земли. Таким образом, одно движение Земли достаточно для объяснения и столь многих видимых неравенств на небе” [28].

Основные положения теории Коперника заключаются в следующем:

1. все движения небесных тел должны быть круговыми, равномерными или составленными из таковых;

2. весь технический аппарат планетной астрономии должен строиться по Птолемею. Так, в послании (1524 год) к своему другу Бернарду Ваповскому против Вернера Коперник пишет: “…мы … должны идти по стопам древних математиков и держаться оставленных ими как бы по завещанию наблюдений. И если кто-нибудь, наоборот, хочет думать, что верить им не следует, то, конечно, врата нашей науки будут для него в этом вопросе закрыты и он, лежа у порога, будет в сне больных грезить о движении восьмой сферы, и вполне заслуженно, ибо он клеветой на древних хотел помочь собственным галлюцинациям” [27];

3. каждая новая теория должна строиться на основании наблюдений, и прежде всего собственных;

4. исследовательская работа должна обязательно быть доведена до чисел, больше того, даже до таблиц.

Коперник объяснил главную особенность движения планет и дал расчеты, относящиеся к предсказаниям солнечных и лунных затмений. Он объяснил понятно, отчетливо и просто возвратные видимые движения Меркурия, Венеры, Марса, Юпитера и Сатурна относительно сферы неподвижных звезд. Коперник ясно понимал кинематику относительного движения тел в пространстве. Об этом можно судить из следующего изречения Николая Коперника [28]: “Всякое воспринимаемое изменение положения происходит вследствие движения либо наблюдаемого предмета, либо наблюдателя, либо вследствие движения того и другого, если, конечно, они различны между собой; ибо когда наблюдаемый предмет и наблюдатель движутся одинаковым образом и в одном направлении, то не замечается никакого движения между наблюдаемым предметом и наблюдателем”.

Соображения об относительности движения высказывались и до Коперника в индийских астрономических сочинениях средневекового Востока и у ученых Западной Европы. Например, Николай Кузанский (1401-1464 годы) писал [29]: “Для нас ясно, что Земля действительно находится в движении, хотя нам этого и не кажется, потому что мы замечаем движение по сравнению с чем-нибудь неподвижным… всякий, будет ли он находиться на Земле, или на Солнце, или на другой звезде, полагает, что он находится в неподвижном центре, а все другое движется”.

Лишь у Коперника эти идеи оформились в цельную систему. Теория Коперника явилась подлинно научной. Она позволила получить ряд важных практических результатов: увеличить точность астрономических таблиц, выполнить исправление Юлианского календаря (введение нового стиля) и более строго определить продолжительность года. Гелиоцентрическая система Коперника позволила более глубоко понять теорию относительного движения тел и, несомненно, ускорила открытие основных динамических законов классической механики.

М ладший современник Галилея немецкий астроном Иоганн Кеплер (1571-1630 годы) был убежденным приверженцем учения Коперника. Не отягощая себя никакими трудностями , связанными с гелиоцентрической теорией, свободно и последовательно открыл три закона планетных движений. Вместе с Галилеем Кеплер был одним из тех гигантов, которым так признателен Ньютон за то, что получил из их рук правильное описание устройства Солнечной системы и создание ее научной кинематики. Три закона планетных движений, открытые Кеплером, послужили Ньютону основой для установления закона всемирного тяготения.

Согласно представлениям Кепле-ра, Солнце, вращаясь, постоянны-ми толчками приводит планеты во вращательное движение. Только неясен был вопрос, почему время обращения планет вокруг Солнца отличается от периода обращения Солнца вокруг своей оси. Об этом Кеплер писал: “…если бы планеты не обладали природным сопротив-лением, то нельзя было бы указать причины, почему бы им не следовать в точности вращению Солнца. Но хотя в действительности все планеты движутся в том же самом направлении, в котором соверша-ется и вращение Солнца, скорость их движения не одинакова. Дело в том, что они смешивают в известных пропорциях косность своей собственной массы со скоростью своего движения”.

До Коперника и Кеплера в астрономии главное положение занимали два утверждения древних ученых:

земля находится в покое и является центром вселенной;

все планеты по воле творца движутся с постоянной скоростью по окружностям как наиболее совершенным из всех геометрических кривых.

Коперник разрушил эти предрассудки, доказав, что планеты движутся вокруг Солнца, а не вокруг Земли и, что планеты движутся по эллипсам, в одном из фокусов которых располагается Солнце.

Если статика и кинематика в эпоху Возрождения получили значительное развитие, то динамика только начинала делать первые шаги. Основой для ее раннего развития являлось критическое комментирование представлений Аристотеля о движении.

Аристотелевские исследователи различали “естественное” и “насильственное” движения. Это представление господствовало в течение всего периода средневековья и, чтобы освободиться от этих представлений, необходимо было преодолеть принципиальное различие между этими понятиями и выработать единое представление о причинах движения в целом.

Значительные сдвиги в этом направлении сделаны были учеными эпохи Возрождения. Одной из основных проблем механики в этот период являлось изучение движения брошенного тела, которое теперь рассматривалось не как “естественное” и “насильственное”, как “смешанное”.

Большую роль в развитии динамики этой эпохи сыграли труды Тартальи и Бенедетти. Тарталья посвятил проблеме брошенного тела свой труд “Новая наука”, в котором он рассматривает движение тяжелого тела, то есть баллистику с попыткой математизации этого эмпирического искусства.

Вторым оппонентом аристотелевской теории был ученик Тартальи Джованни Бенедетти. В своей первой книге “Решение всех задач Эвклида, а также других при единственно заданном растворе циркуля” он в отличие от Аристотеля доказывает, что тела разной величины, но с одинаковым удельным весом падают с одинаковой скоростью. Свое утверждение Бенедетти истолковывает следующим образом: падение определяется не весом тела, а избытком этого веса над весом равного ему объема окружающей среды; каждая часть тела при его падении совершает то же самое движение, что и само тело со своим центром тяжести. В противоположность Аристотелю Бенедетти характеризует падение тел с помощью разности весов, а не с помощью их отношения.

Спустя тридцать лет он публикует сборник своих трудов под названием “Книга различных математических и физических рассуждений”, в которой он приводит усовершенствованную теорию “импетуса”, ударившей по аристотелевской динамике. Развивая свою теорию импетуса он выдвигает два фундаментальных положения: 1) совершенное “естественное” движение не существует; 2) в природе обоих традиционных видов переменного (“естественного” и “насильственного”) движения нет принципиального различия.

Бенедетти по новому подходит к траектории “естественного” движения при падении тел и отмечает, что вертикаль является кратчайшим расстоянием между двумя сферическими поверхностями, центры которых совпадают с центром Земли. В целом творчество Бенедетти явилось первой вехой на пути к созданию классической механики.

Для объяснения закона падения тел в XVI веке были сделаны попытки экспериментального изучения этого движения. Первым, кто подошел к этому вопросу с экспериментальной точки зрения, был Стевин. Он писал [24]: “Эксперимент, отвергающий Аристотеля, таков: возьми два свинцовых шара … и пусть вес одного в 10 раз больше другого. Дай им падать с одинаковой высоты в30 футов на подставленную внизу доску или на другой твердый предмет, издающий звонкий звук. Тогда мы вполне убедимся, что более легкий шар не в 10 раз медленнее, чем тяжелый, а одновременно ударяет о доску, так что звук от обоих ударов кажется одним. То же самое бывает в телах равной величины, нов 10 раз больше другого. Вот почему соотношение, указываемое Аристотелем, далеко от истины”.

В эпоху Возрождения Николай Кузанский, Кардано, Стевин, Кеплер и другие ученые в своих работах подошли к понятию инерционного движения. Несколько туманно об этом явлении высказывался еще Аристотель, который утверждал, что приведенное в движение в пустоте, должно либо находиться в покое, либо двигаться до бесконечности. Это соображение он высказал для доказательства своего утверждения, что пустота отсутствует.

Кардано высказал мысль, что круглое тело, движущееся по горизонтальной плоскости будет двигаться бесконечно во времени, если на его пути устранить сопротивление воздуха. Стевин эту мысль высказал еще смелее, заявив, что [24]: “Любые тяжести, движимые по горизонтали, каковы корабли на воде, телеги на равнинах полей и т. п., не нуждаются для своего движения даже в силе одной мухи, если оставить в стороне те препятствия, которые создает окружающая среда и которые мешают движению, каковы вода, воздух, трение колес, осей, толчки и удары о мостовую дорог и т. п.”.

Как видим, упомянутые авторы еще далеки от истинной сути закона инерции, но в некоторой степени, уже создались исторические условия для открытия этого закона. Открытие этого закона принадлежит ученым в эпоху, с которой получила свое развитие классическая механика.