Автор: ФРОЛОВ К. В.

Академик К. В. ФРОЛОВ, директор Института машиноведения им. А. А. Благонравова РАН

Наука о машинах имеет глубокие исторические корни. Еще в древние времена создавали простейшие устройства, приводимые в движение силой человека и домашних животных. Различные варианты наклонных плоскостей, клиньев, рычагов, воротов, блоков люди использовали на базе практического опыта.

Великие географические открытия XV-XVI вв. стимулировали рост городов, развитие торговли и товарного производства. Цеховое ремесло уступило место мануфактуре. Ручной труд стал сочетаться с применением все более сложных машин, разработка которых требовала знания определенных законов. Однако теоретическая механика того времени не удовлетворяла таким требованиям, поскольку сохраняла традиции средневековья, представляя падение тел и динамику без надлежащей проверки логических построений.

В связи с этим особого внимания заслуживает одно из направлений деятельности величайшего итальянца эпохи Возрождения - Леонардо да Винчи (1452-1519). Он первым занялся исследованием полета птиц и вплотную подошел к созданию летательного аппарата тяжелее воздуха, придумывал различные устройства, предвосхитил идею разложения (расчленения) машины на отдельные механизмы. Изучение трения тел привело его к пониманию принципиальной невозможности существования вечного двигателя - почти за триста лет до того, как это было строго доказано.

А вскоре начался настоящий бум механики. В 1501 г. выходит в свет ряд работ других итальянских ученых (Дж. Валла, Дж. Кардано) с описанием некоторых машин, созданных еще в I в. н. э. Героном (Древняя Греция). В 1575 и 1588 гг. Ф. Коммандино публикует труд Герона "Пневматика". Несколько раньше (1543 г.) в Венеции издали латинский перевод механических трактатов Архимеда (ок. 287-212 гг. до н. э.).

Одновременно появляются и самостоятельные труды о некоторых результатах опытов механиков-практиков. В частности, итальянец А. Ромели (1530-1590), принадлежавший к школе Леонардо да Винчи, в сочинении "Разнообразные и искусные машины" изобразил много оригинальных конструкций водоподъемных машин и строительных кранов. А англичанин К. Шотт (1591-1613) описал сложные механизмы того времени - машинную установку пивоваренного завода, гидравлические и пневматические приспособления (прообразы гироскопа), автоматически движущиеся линии.

Один из самых талантливых итальянских ученых эпохи Возрождения - Дж. Кардано также разработал много различных установок. Кроме того, он - непосредственно занимался вопросами практической

стр. 74

механики. Так, при создании зубчатых механизмов указал, как их надо подбирать для того, чтобы на выходе было получено требуемое число оборотов вала.

Следует отметить: для деятелей эпохи Возрождения вообще характерны широкий круг интересов и универсальность. Инженер одновременно был архитектором и скульптором, математик - врачом и астрономом. Узкой специализации еще не существовало. Именно эти энтузиасты закладывали основы машиноведения.

* * *

Развитие науки и техники в конце XVI в. и на протяжении XVII в. получило название научной революции, начало которой связано с появлением трактата польского ученого Н. Коперника (1473-1543) "Об обращениях небесных сфер". Веками казавшаяся незыблемой геоцентрическая система, считавшая Землю центром Вселенной, уступила место гелиоцентрической, утверждавшей, что планеты вращаются вокруг Солнца.

В результате наступила эпоха пересмотра и радикального изменения сложившихся мировоззрений во всех сферах человеческой деятельности. Инженеры и техники пользовались практическими познаниями, полученными путем обмена опытом (иного технического образования тогда просто не существовало), создавали машины различного назначения, в том числе применяемые в строительстве и в горном деле для подъема грузов. Наиболее распространены в тот период были водяные и ветряные мельницы. Их квалифицировали по типу привода, характеру движения и технологическим процессам (дробление и измельчение первичного продукта, прессование, сверление, шлифование и т.п.).

Первой попыткой заложить основы строительной механики стал труд великого итальянского физика и астронома Г. Галилея (1564-1642) "Беседы и математические доказательства, касающиеся двух новых отраслей науки". В нем раскрыты понятия растяжения и сжатия тел под действием нагрузки, а также исследован изгиб консольной балки и балки на двух опорах. Рассмотрена роль масштабного фактора с позиций обеспечения прочности машин, судов, зданий и инженерных сооружений при увеличении их размеров. Кстати, этот аспект учитывается и в современной теории моделирования.

Затем была опубликована работа английского ученого- энциклопедиста и выдающегося эксперимента-

стр. 75

тора Р. Гука (1635-1703) "Лекция о восстановительной способности, или о пружине, поясняющие силу упругих тел". В ней естествоиспытатель установил зависимость между силой, растягивающей пружину, и ее деформацией. Изучая упругость, он открыл закон, названный его именем: "ut tensia sic via" (растяжение, пропорциональное силе). Но Гук не ограничился пружинами и их растяжением. Он изучил изгиб деревянной консольной балки и установил, что при этом волокна на вогнутой поверхности сжимаются, а на выпуклой - растягиваются. К изобретениям Гука относятся анкерный ход часов, насосы, различные приборы для испытания материалов и др. Величайшей его заслугой стала формулировка закона всемирного тяготения, озвученная им на заседании Английского Королевского общества 3 мая 1666 г. Но точно его несколько позже доказал англичанин И. Ньютон (1643-1727) в более общей форме. Он установил три знаменитых "закона движения", которые стали основой механики, породившей теорию машин.

Труды Галилея и Гука легли в основу науки об упругих свойствах материалов и показали необходимость выполнения расчетов растяжения и сжатия при создании машин, различных конструкций и сооружений. Интересно отметить, что по сей день их работы не утратили актуальность и широко используются в машиноведении.

Ряд научных открытий имел важное значение для практической деятельности человека, дальнейшего развития науки и техники. Например, француз Б. Паскаль (1632- 1662) изобрел и построил оригинальную счетную машину. Ему принадлежит и другое гениальное открытие. Занимаясь гидростатикой, он установил: давление, производимое на жидкость внешними силами, передается ею по всем направлениям равномерно и не зависит от объема самой жидкости (закон Паскаля). Этот закон способствовал успешному развитию теоретической гидромеханики и получил широкое применение в ходе создания гидравлических машин и сооружений, он не утратил своего значения и по сей день.

Итальянец Е. Торричелли (1608- 1647) доказал наличие атмосферного давления, определил его величину и создал прибор (барометр) для измерения его колебаний. Проведенные Торричелли исследования истечения жидкости из отверстия способствовали позднее возникновению гидродинамики.

В середине XVII в. голландец X. Гюйгенс (1629-1695) изобрел часы с маятником - регулятором равномерности их хода.

* * *

В начале XVIII в. в Европе использовали разнообразную технику, основными элементами которой были рычаг, наклонная плоскость, клин, ворот, винт, блок и т.д., а рабочими орудиями - молот, пресс, пружина, сверло, клещи, пила, точильный круг, плуг, серп и др. Их приводили в действие ударом, сжиманием, волочением, кручением. Кроме названных инструментов, применяли и трансмиссионные механизмы: вал, зубчатое колесо, шкив, цепь, ремень, канат и т.д., а также такие элементарные машины, как ткацкий станок, самопрялка, различные агрегаты металлургии и металлообработки, лебедку и т.п. Впрочем, существовали и сложные машины, использующие двигатель с природной энергией: водяные и ветряные мельницы. Позже появились механизмы для получения непрерывного и равномерного движения - маховое колесо, часы и автоматы - прообразы револьверного станка.

Скачок в развитии производительных сил, так называемый промышленный переворот (т.е. переход от мануфактуры к машинному производству) начался в английской текстильной промышленности. И первым ее свидетельством стало изобретение Дж. Уаттом в 1735 г. прядильной машины, заменившей не только физическую силу человека, но и его руку, умение. Со временем появляются токарные, фрезерные и строгальные станки, в том числе - с механизированным суппортом для инструмента русского механика А. К. Нартова (1693-1750).

Потребность в металле стимулирует развитие горнозаводского дела, требующего участия инженеров и конструкторов в решении технических проблем - подъема руды и

стр. 76

откачки воды с большой глубины, вентиляции шахт и т.д. Создаются машины для изготовления листового и фасонного железа, а это вызвало необходимость повышения мощности гидравлических прессов и уточнения расчета зубчатых колес.

Термин "гидродинамика" предложил итальянский математик, действительный член Петербургской академии наук Д. Бернулли (1654-1705). На основе принципа сохранения живых сил и многочисленных экспериментов он изложил общую теорию равновесия и движения жидкости, при этом вывел уравнение, выражающее связь между ее давлением и скоростью.

Но знамением века стала паровая машина. В 1711 г. англичанин Т. Ньюкомен создал ее первый вариант, который впрочем, можно было назвать так лишь наполовину: под действием пара поршень поднимался вверх, а обратный ход происходил под давлением атмосферы. Эта установка действовала чрезвычайно медленно и прерывисто. Она просто заменяла физическую силу человека и нашла свое применение только на угольных шахтах для откачки воды.

В 1763 г. наш соотечественник И. И. Ползунов изобрел паровую машину уже с двумя цилиндрами, функционировавшими поочередно, и в 1765 г. применил ее на Урале для воздуходувных агрегатов в металлургии. Для обеспечения непрерывности действия устройства он впервые выдвинул принцип сложения движений нескольких цилиндров на одном валу. В дальнейшем это новшество получило широкое применение, в том числе и в двигателях внутреннего сгорания, появившихся в XIX в.

Дальнейшее развитие это направление получило в трудах англичанина Дж. Уатта, в 1768 г. определившего зависимость давления насыщенного пара от температуры. Используя полученный результат, ученый разделил цилиндр машины на две части (одна из них стала играть роль конденсатора пара), а вокруг него установил специально сконструированную паровую рубашку, что существенно повысило экономичность двигателя.

Спустя 10 лет Уатт создал паровую машину двойного действия, в которой пар подавался поочередно по обе стороны поршня. Такая схема получила широкое распространение и используется до настоящего времени. Еще одно его новшество, применяемое сегодня, - центробежный регулятор числа оборотов, предохраняющий паровую машину от "разноса" - опасного явления, порождаемого самопроизвольным увеличением частоты ходов поршня.

Совершенствование паровой машины стимулировало развитие теплофизики, создание механической теории тепла. Для регулирования поочередной подачи пара в полости цилиндра необходимо было решать новые для того времени задачи кинематики и динамики механизмов, а возвратно- поступательное движение поршня требовало уравновешенности работы шатунно-кривошипного механизма.

* * *

Промышленная революция XVIII в. существенно расширила круг изысканий ученых. Возникают прикладные науки, зарождается техническое образование. Значительными вехами в этом процессе становятся труды выдающегося русского ученого, члена Петербургской АН М. В. Ломоносова. Например, в 1747 г. он опубликовал трактат "Размышления о причинах теплоты и стужи", где сказано, что тепло является формой движения мельчайших частиц тела. Большой интерес вызвало его высказывание о "наибольшей и последней степени холода", состоящей "в полном покое частичек, в полном отсутствии вращательного движения их".

В другой работе знаменитого соотечественника - "Рассуждения о твердости и жидкости тел" (1760) - сформулирован закон сохранения энергии. А в книге "Первые основания металлургии и горных дел" (1760) заложены основы горной механики.

Помимо всего этого известны труды М. В. Ломоносова по проблемам атмосферного электричества (им открыта атмосфера Венеры). Он пытался создать летательный аппарат тяжелее воздуха, что нашло отражение в проекте "аэродинамической машины".

А тем временем в Европе, в том числе и России, продолжали интенсивно совершенствовать существующие и разрабатывать новые механические устройства. Так, швейцарский ученый, член Петербургской АН Л. Эйлер (1707- 1783) обосновал необходимость дальнейшего развития теории машин. Он считал, что изучать их следует не в состоянии покоя (как было принято раньше), а в движении, причем сразу по трем направлениям: первом, связанном с силой, приводящей машину в движение, втором - преобразующем эту силу, и наконец, третьем, выполняющем саму работу. Кроме того, он предложил теорию турбомаши- ны, участвовал в улучшении ее конструкции, внес существенный вклад в гидродинамику, небесную механику, теорию трения, сопротивления материалов. В трактате "О силе колонн" Эйлер проанализировал продольный изгиб стержней и рассчитал формулу для определения критической силы, при которой они оказываются неустойчивыми.

Рассматривая машины в состоянии движения, Эйлер подошел к

стр. 77

изучению сопротивления движению - сил трения. До него этой проблемой занимались итальянец Амонтон (1663-1705), француз А. Паран (1666-1716) и голландец П. Мюссенбрук (1692-1761). Они выяснили зависимость последних от давления на площадь соприкосновения трущихся тел. В 1722 г. Камю (1699-1768) отметил, что трение движения меньше трения покоя.

Позднее Л. Эйлер установил, что коэффициент трения близок к 1/3. В 1783 г. француз Ш. Кулон (1736-1806) опубликовал труд "Теория простых машин с точки зрения трения их частей..." с описанием законов скольжения. На основе экспериментов, поставленных с целью определения сопротивления воды, француз Ж. Борда (1733-1799) подтвердил установленный ранее нидерландским ученым X. Гюйгенсом (1629-1695) закон, согласно которому сопротивление среды движущимся в ней телам приблизительно пропорционально квадрату скорости.

Практическое применение на водном и наземном транспорте паровые машины получили в первой четверти XIX в. Американцы Р. Фултон и Р. Ливингстон в 1803 г. изобрели и сконструировали пароход (его построили в 1807 г. в Северной Америке). На нем стояла паровая машина Дж. Уатта мощностью 20 л. с., приводившая в движение два гребных колеса, расположенных по обе стороны судна.

Дальнейшее развитие парового речного и морского транспорта пошло довольно быстро. Этому способствовал переход от деревянных конструкций кораблей к металлическим, рост мощности двигателей, введение гребного винта и ряд других достижений машиноведения.

1803 г. стал годом рождения паровоза. Первый его образец создали англичанин Р. Тревитик (1771-1833) и итальянец Вивиани. Но все-таки прообразом современного локомотива является двухосная железнодорожная машина, сконструированная выдающимся английским изобретателем Дж. Стефенсоном (1781-1848).

Первые железные дороги были открыты для движения в Англии в 1825 г., во Франции - в 1828, в США - в 1829, в Германии - в 1835, в России - в 1838 г. Дальнейшее развитие мирового хозяйства и рационального распределения труда в глобальном масштабе неразрывно связано с совершенствованием механического транспорта вообще и железнодорожного в частности. Так, к 1850 г. на планете было построено более 35 000 км железных дорог, а через 100 лет - уже свыше 1250 000 км. Все это способствовало дальнейшему развитию теоретических основ машиностроения.

В 1808 г. Парижской политехнической школой был опубликован "Курс построения машин" Ланца и А. Бетанкура - первый учебник по новой науке, впоследствии получившей название "теории механизмов".

стр. 78

В 1815 г. появилась работа П. Л. Чебышева (с 1853 г. - действительный член Петербургской АН) "Теория механизмов, известных под названием параллелограммов". В ней впервые был рассмотрен аналитический синтез разных механизмов, причем для этого он применил к решению соответствующих задач математические методы и преобразовал механику машин из науки описательной в расчетную. В области кинематики ученый создал теорию шарнирных механизмов. А среди нескольких десятков сконструированных им устройств особый интерес представляют гребной механизм, самокатное кресло и "стопоходящая" машина, получившая широкое развитие в настоящее время в шагающих роботах.

Таким образом, объекты исследований различных областей механики непрерывно менялись и усложнялись. Вскоре начали строить гидравлические и паровые турбины, электродвигатели, двигатели внутреннего сгорания, первый из которых предложил в 1860 г. бельгийский инженер Э. Ленуар. В 1833 г. немецкий инженер Г. Даймлер сконструировал первый четырехколесный автомобиль с двигателем внутреннего сгорания, оснащенный карбюратором, четырехскоростной коробкой передач и механизмом поворота колес. В 1884 г. англичанин Ч. Парсонс изобрел многоступенчатую паровую реактивную турбину, а в 1889 г. швед К. Г. П. Лаваль - ее аналог со сверхзвуковым соплом. Эта новинка сыграла большую роль в развитии турбостроения. Кстати, современные паровые турбины, способные работать при сверхвысоком давлении и критической температуре, являются основным приводом электрогенераторов тепловых и атомных электростанций.

В дальнейшем важные исследования осуществляются в области аэрогидродинамики, достижения которой в значительной мере определили дальнейшее развитие перспективной техники. Уникальными являются труды отечественного ученого К. Э. Циолковского в области теории и практики воздухоплавания и авиации. В 1887 г. он предложил первый проект жесткого металлического дирижабля, а в 1895 г. - схему аэроплана. Ему также принадлежит идея создания аэродинамической трубы.

Впрочем, в историю К. Э. Циолковский вошел как энтузиаст межпланетных ракетных полетов. Он не только мечтал изобрести техническое устройство для полета на Луну и к другим планетам, но и создал эскизный проект жидкостной ракеты, основные составляющие ее топлива. Затем им был сконструирован макет такой ракеты и определен характер обтекания ее потоками воздуха в аэродинамической трубе.

Первую действующую аэродинамическую трубу для проведения экспериментальных исследований и решения задач аэродинамики крыла и винта самолета построил видный российский ученый, член-корреспондент Петербургской АН Н. Е. Жуковский (1847-1921).

Словом, на рубеже XIX-XX вв. наука о машинах, при всем разнообразии законов, на которых она бази-

стр. 79

стр. 80

руется, стала единой системой знаний. Обмен методами и идеями между различными областями техники явился не случайным совпадением, а сутью ее развития. Машиноведение с момента своего рождения все в большей мере начало переходить от исследования и пояснения достижений техники к целенаправленной теории создания сложных конструкций.

* * *

В XX столетии ускоренными темпами стал расширяться круг достижений в физике, химии, математике, теоретической механике, Mechanical Engineering (машиноведении), термодинамике, материаловедении, биологии, используемых при создании принципиально новых машин. Появление последних не только стимулировало ускоренное развитие естественных и технических наук, но и обеспечивало необходимую для этого испытательную технику. Например, сооружение аэродинамической трубы, оснащенной современным испытательным оборудованием, позволило решить многие научные серьезные проблемы аэродинамики*. Создание специальных приборов на базе электроники дало возможность развернуть исследования в области биомеханики, медицины, генной инженерии. Для производства космических ракет потребовалось проведение уникальных изысканий и опытно-конструкторских работ**, а само освоение космического пространства открыло дорогу не только принципиально новым научным направлениям по изучению нашей планеты и Вселенной, но и получению невиданных материалов в условиях невесомости***.

По мере появления все более крупносерийного и массового производства и насыщения рынка (народного хозяйства) множеством машин различного назначения возрастала и цена огромных потерь от их несовершенства, часто создаваемых путем проб, ошибок и умозрительных технических решений из- за дефицита необходимых научных основ. Значительными трагедиями оборачивались крупные техногенные аварии и катастрофы, которые, к сожалению, и сегодня имеют место быть.

Масштабы научно-технического прогресса особенно впечатляют при сравнении "века пара и электричества" с XX в. - веком расщепления атома и начала освоения космического пространства. На смену паровой машине, приводившей в движение лишь несколько станков через трансмиссионный вал и ременные передачи, пришел мощный электрогенератор электростанции, передающий энергию на неограниченные расстояния миллионам агрегатов на предприятиях, электровозам, трамваям, троллейбусам, поездам метрополитена и различным нагревательным приборам и оборудованию.

Важнейшую роль в этих исторических свершениях, бесспорно, сыграли достижения машиноведения. Оно стало самостоятельной фундаментальной наукой, приобретающей важное значение на пороге XXI в. как теоретическая база создания машин будущего. Значительную роль в ее развитии сыграли академики Е. А. Чудаков (1890-1953) и

* См.: Т. В. Фомина. Авиационная столица России. - Наука в России, 2000, N 6 (прим. ред.).

** См.: В. П. Сенкевич. Российская космонавтика на рубеже веков. - Наука в России, 2001, N 1 (прим. ред.).

*** См.: М. Г. Мильвидский и др. Монокристаллы космической пробы. - Наука в России, 1999, N 1 (прим. ред.).

стр. 81

А. А. Благонравов (1894-1975) - первые директора нашего института. Они создали ведущие научные школы. Крупный вклад в развитие машиноведения внесли академики И. И. Артоболевский (1905-1977), Н. Г. Бруевич (1896-1987), В. И. Дикушин (1902-1979), Ю. Н. Работнов (1914-1985) и др.

Большая заслуга сотрудников института и в развитии теории механизмов и машин, их трения и износа, прочности деталей и обработки металлов резанием. Мировое признание получили работы Е. А. Чудакова по устойчивости и управляемости автомобиля.

Вот краткий перечень пионерских работ, выполненных сотрудниками нашего института и внесших существенный вклад в развитие машиноведения. Это - шаговые системы числового программного управления станками, движители и механизмы шагающих машин, высокоэффективное вибрационное и ультразвуковое технологическое оборудование резонансного типа и многое другое.

* * *

XX в. вошел в историю как век атомной энергетики, космонавтики, телевидения, компьютеризации и научно- технического прогресса. Но стали ли счастливее люди в результате этих грандиозных свершений их собственного разума, обогатилось ли извечное духовное начало человечества, приблизилось ли оно к великим идеалам высокой нравственности? Парадокс, но эта эра крупнейших научно-технических достижений вместе с ними передает XXI в. и их роковые "побочные" последствия: борьбу за выживание в условиях техногенных катастроф*, нарушение экологии, истощение природных ресурсов и непредсказуемых последствий использования атомной энергии не только в мирных целях. Значит, простая экстраполяция тенденций, сложившихся в недавнем прошлом, недостаточна для выживания людей и роста их духовного богатства в будущем.

Необходима новая концепция научно-технического прогресса. Ее основу должен составлять анализ потребностей и возможностей жизнеобеспечения и нравственного возрождения всего человечества. Современная стратегия развития науки призвана отдавать приоритет исследованиям, особенно значимым для самой перспективы существования мирового сообщества, его устойчивого и безопасного развития. А современное машиноведение выступает в качестве теоретической базы создания механических средств будущего, новых материалов и высоких технологий, обеспечения техногенной безопасности, благоприятных условий жизни человека на Земле.

* См.: К. В. Фролов и др. Безопасность технических систем - гарантия жизни планеты. - Наука в России, 1994, N 3 {прим. ред.).

Постоянный адрес данной публикации: