<<
>>

Внутридисциплинарный синтез: одноаспектные теоретические исследования в естественных науках и одноплановые (но многоаспектные) исследования в технических науках

Внутридисциплинарный синтез может быть одноаспектным и одноплановым. Первый характерен прежде всего для естественных, второй — для классических технических наук.

Единому абстрактному объекту одноаспектного исследования соответствует множество эмпирических объектов изучения.

Например, в механике различные объекты изучения рассматриваются с точки зрения их движения. При этом любой объект изучения представляется в виде совокупности идеальных точек, то есть как особый абстрактный объект, отражающий некоторый определенный аспект объекта изучения.

Специфика технических наук заключается в том, что для разных режимов функционирования технической системы конструируются различные абстрактные объекты. Скажем, одна и та же электрическая цепь для переменных токов высокой и низкой частоты теоретически представляется и расчленяется по-разному. Причем каждому такому представлению соответствует вполне определенный математический аппарат. В то же время для каждой отдельной классической технической науки способ видения объекта исследования (и проектирования) является фактически одноплановым, детерминированным той базовой естественнонаучной дисциплиной, которая стимулировала ее появление и развитие (теоретическая механика, термодинамика и т.д.).

В этом смысле абстрактные объекты классических технических наук (теории механизмов и машин, теоретической радиотехники и т.п.) можно считать однородными, а способ теоретического синтеза знаний в них - внутридисциплинарным и одноплановым.

В качестве примера можно взять комплекс (семейство) электротехнических дисциплин, где несмотря на многоаспектность решаемых ими задач, способ теоретического описания электрических цепей (как особого рода технических систем) в них остается одноплановым, задаваемым фундаментальной теоретической схемой базовой электротехнической дисциплины - теоретические основы электротехники (ТОЭ).

"В различных направлениях теоретических исследований в электротехнике на уровне идеальных объектов описываются типовые процессы, происходящие в определенных классах электротехнических устройств. Эти теоретические описания составляют основание для целого ряда расчетных методик.

В генезисе при разработке первых идеализированных моделей электротехнических устройств и процессов в них из физики, наряду с привлечением теоретического описания физических процессов, заимствуется и ее математический аппарат. В дальнейшем в каждом направлении исследований широко развертываются подбор и разработка оригинального специально разработанного математического аппарата, собственных теоретических представлений, получают развитие формализованные методы моделирования электротехнических процессов. Происходит становление частных электротехнических дисциплин, каждая из которых имеет свой предмет исследования, и объединение их в комплекс. Что же их объединяет?

Во-первых, "сборка" разнопредметных срезов теоретического изучения электротехнических устройств, полученных в различных на-и правлениях исследований (теории машин, устойчивости, охлаждения,,, коммутации и т.п.), осуществляется на расчетно-проектировочном,. уровне. В каждой из этих теорий требования и положения смежных: теорий учитываются в виде специальных "сопрягающих" параметров, то есть тех или иных обобщенных характеристик "внешних" для данной теории процессов (коэффициент теплоотдачи, характеристики материалов и др.). Значения сопрягающих параметров входят в уравнения теорий частнотеоретического уровня, то есть в частные теоретические схемы. Это связь между различными электротехническими дисциплинами на частнотеоретическом уровне.

Во-вторых, функцию объединения электротехнических дисциплин, развиваемых в них теоретических схем частного уровня, выполняет фундаментальная электротехническая дисциплина — ТОЭ... Так раздел ТОЭ - теория электрических цепей (ТЭЦ) содержит ряд фундаментальных теоретических схем, являющихся основой синтеза частнотеоретических схем.

Связь ТЭЦ с частными электротехническими дисциплинами, ее функционирование в комплексе электротехнических дисциплин реализуется, в частности, через, схемы замещения, которые представляют собой определенного вида j схемы электрических цепей, выступающие в теоретическом исследовании в качестве изображения особого расчетного эквивалента, процесса, происходящего в каком-либо электротехническом устройстве в определенном режиме его работы. ТЭЦ является сферой получения доказательного, обоснованного знания об электрических цепях как таковых "вообще". Такие исследования необходимы, для того, чтобы выработать научно-обоснованные и удобные способы преобразования схем замещения и работы с ними, определить границы и условия их применения при решении конкретных инженерных задач средствами ТЭЦ.

Теоретические схемы, математический аппарат и понятия, развиваемые в ТЭЦ, являются общим языком электротехнической науки, обеспечивающим взаимопонимание представителей различных областей исследования. Он является средством единообразного описания различных по принципу действия и структуре электротехнических устройств, и на его основе возможно объединение проблем и результатов частных электротехнических дисциплин за счет построения общей схемы замещения сложной технической системы путем соединения схем замещения отдельных ее элементов. Тем самым обеспечивается однородность теоретического описания и трактовки процессов, происходящих в сложных и разнородных реальных электротехнических устройствах". Таким образом, как видно из приведенного примера именно теория электрических цепей как раздел теоретических основ электротехники задает единый план электротехнического исследования различных аспектов реальных электротехнических систем.

Таким образом, в одноаспектных теоретических исследованиях (естественные науки) тип исследуемого объекта не задан жестко. Четко детерминирован только способ его представления и анализа. В одноплановых (но многоаспектных) классических технических теориях, напротив, жестко задан тип технической системы, способ же ее анализа и проектирования определяется характером решаемой инженерной задачи.

В теоретических схемах технической науки задается образ исследуемой и проектируемой технической системы.

Такого рода теоретическую схему развил, например, в технической термодинамике Сади Карно. "Он изучил машину, проанализировал ее, нашел, что в ней основной процесс не выступает в чистом виде, а заслонен всякого рода побочными процессами, устранил эти безразличные для главного процесса побочные обстоятельства и сконструировал идеальную паровую машину (или газовую машину), которую, правда, также нельзя осуществить, как нельзя осуществить геометрическую линию или геометрическую плоскость, но которая оказывает, по-своему, такие же услуги, как эти математические абстракции: она представляет рассматриваемый процесс в чистом, независимом, неискаженном виде".

Техническая теория ориентирована не на объяснение и предсказание хода естественных процессов, а на конструирование технических систем. Естественнонаучные знания и законы должны быть значительно уточнены и модифицированы в технической теории, чтобы стать применимыми к решению практических инженерных задач. Так, академик С.А. Христианович, исследуя движение грунтовых вод через крупнозернистые пески или щебень, показал, что в данном случае закон Дарси, устанавливающий соотношение между уклоном и скоростью фильтрации однородной несжимаемой жидкости, становится неверным, так как в нем не учитывается целый ряд важных для решения практических инженерных задач факторов. Анализируя распределение давления газа вблизи движущейся свободной поверхности угля, обрушение кровли при горной выработке или деформацию упрочняющего пластического материала, С.А. Христианович использует практический инженерный опыт для корректировки известных теоретических положений соответствующей естественнонаучной теории (в данном случае механики твердого тела). "Состояние теории пластической деформации, - пишет он, - несмотря на большое число теоретических исследований, оставляет чувство неудовлетворенности. Сейчас накопилось достаточно Экспериментального материала, который отчетливо показывает, что во многих случаях наблюдаются не оставляющие сомнений качественные противоречия между выводами классических теорий и экспериментом.

Это побуждает к пересмотру основных положений теории"'. При этом он формулирует новые понятия и положения именно технической теории, в которой теоретическое рассмотрение тесно переплетается с непосредственными практическими приложениями.

Чтобы довести теоретические знания до уровня практических инженерных рекомендаций, в технической теории разрабатываются особые правила, устанавливающие соответствие между сферой абстрактных объектов технической теории и конструктивными элементами реальных технических систем, и операции перенесения теоретических результатов в область инженерной практики.

Как уже указывалось, один из создателей теории механизмов и машин английский ученый Роберт Виллис еще в 1841 г. ввел различение "чистого" и "конструктивного" механизмов, первый из которых является продуктом обобщения, то есть абстрактным объектом технической теории, а второй представляет собой пунктуальное описание действительной конструкции машины, то есть принадлежит к эмпирическому уровню знания. Конечно, "конструктивный" механизм -это также результат некоторой идеализации, однако его элементы четко соответствуют конструктивным блокам реальной машины. В свою очередь чистым движениям, описываемым в "чистом" механизме, адекватны типовые конструктивные элементы (ведущее и ведомое звенья) и связи между ними (соприкосновение качением, скольжением и т.д.). Инженер должен был при конструировании передаточного механизма производить его расчет два раза - с точки зрения кинематики ("чистого" механизма), независимо от сил и в контексте статики ("конструктивного" механизма), что задавало двухслойность его рассмотрения. Результат, полученный французским ученым Луи Пуансо в области теории вращения тел, показавший параллелизм основных понятий статики и кинематики, дал возможность Виллису обеспечить переход от кинематического представления машины как системы преобразований движения к статическому конструктивному изображению. Если заменить в положениях статики понятия "сила" и "пара сил" понятиями "скорость вращательного" и "скорость поступательного" движений, то они будут преобразованы в понятия кинематики, поскольку все возможные движения твердого тела могут быть сведены к этим основным типам.

В технической теории имеют место три основных слоя теоретических схем: функциональные, поточные и структурные.

Функциональная схема фиксирует общее представление о технической системе независимо от способа ее реализации и является общей для целого класса технических систем. Блоки этой схемы фиксируют только те свойства элементов технической системы, ради которых они включены в нее для выполнения общей цели, и выражают обобщенные математические операции, а отношения между ними — определенные математические зависимости.

Так, при расчете электрических цепей с помощью теории графов элементы электрической схемы - индуктивности, емкости, сопротивления и т.д. — заменяются по определенным правилам особым идеализированным функциональным элементом - унистором, который имеет только одно функциональное свойство — оно пропускает электрический ток лишь в одном направлении. К полученной после такой замены однородной теоретической схеме могут быть применены топологические методы анализа электрических цепей. В качестве подобной функциональной схемы может быть также использована потенциальная диаграмма, позволяющая просто находить напряжения между любыми точками электрической цепи (каждой точке цепи соответствует определенная точка потенциальной диаграммы по построению): действующее значение и фаза исходного напряжения определяются прямой, соединяющей соответствующие точки потенциальной диаграммы. Для такой замены используются различные методы - комплексный, контурных токов, узловых напряжений, наложений и т.д. На основе функциональной схемы составляется система уравнений, которая решается с помощью определенных математических методов (например, матричных). Эти уравнения составляются на основе физических законов (Ома, Кирхгофа и др.), устанавливающих, например, зависимость между параметрами протекающего в цепи электрического тока и ее элементов. Известные из условия задачи их конкретные численные значения позволяют в результате решения данных уравнений вычислять неизвестные параметры тока и элементов цепи. На функциональной схеме проводится решение математической задачи с помощью стандартной методики расчета на основе применения ранее доказанных теорем. Для этого функциональная схема по определенным правилам преобразования приводится к типовому виду. Так, в теории электрических цепей смешанные соединения преобразуются в более простые последовательные и параллельные соединения, многоконтурные схемы — в одноконтурные и т.п. Для описания такого рода упрощающих преобразований в теории электрических цепей специально доказывается эквивалентность некоторых типовых схем (например, "треугольника" и "звезды" и наоборот) и особые теоремы (скажем, об эквивалентном источнике тока и напряжения), позволяющие получать более удобные для расчета схемы. Это дает возможность заменять определенные участки цепи другими, эквивалентными им и упрощающими схему, а следовательно, и последующий ее математический расчет.

В классической технической науке функциональные схемы привязаны к определенному типу физического процесса (режиму функционирования технического устройства) и отождествляются с какой-либо математической схемой или уравнением. Однако они могут быть выражены в виде декомпозиции взаимосвязанных функций, которые направлены на выполнение общей цели, предписанной данной технической системе. На их основе строится алгоритм функционирования технической системы и выбирается ее конфигурация.

Поточная схема описывает естественные (электрические, механические, гидравлические и т.д.) процессы, протекающие в технической системе, то есть ее функционирование, и опирается на естественнонаучные представления. Однако это могут быть любые естественные процессы - химические, если речь идет о теоретических основах химической технологии, биологические, если речь идет о биотехнологии, а в общем случае и вообще любые потоки субстанций (вещества, энергии, информации). Стационарные состояния рассматриваются в данном случае как частный случай процесса.

Структурная схема технической системы фиксирует конструктивное расположение ее элементов и связей, то есть ее структуру с учетом предполагаемого способа реализации, и представляет собой теоретический набросок этой структуры с целью создать проект будущей t технической системы: с одной стороны, результат технической теории, а с другой — исходный пункт инженерно-проектной деятельности по разработке на ее основе новой системы или теоретическое описание существующей технической системы с целью ее теоретического расчета и усовершенствования. Эти схемы строятся на базе представлений специализированных научно-технических дисциплин. В частном случае структурная схема в идеализированной форме otq-бражает техническую реализацию физического процесса. В современных же человеко-машинных системах такая реализация может быть самой различной, в том числе и не технической.

Рассмотрим отличие структурных теоретических схем от поточных схем на примере теории электрических цепей. Каждому элементу поточной схемы соответствует вполне определенный физический процесс, детальное описание которого выходит за пределы теории электрических цепей, но учитывается в ней. Например, сопротивление как элемент электрической цепи отображает безвозмездные потери электрической энергии в цепи в результате ее перехода в другие виды энергии — тепловую, химическую и т.д. Представление об электрическом токе как движении зарядов относится к теоретическим объектам другого уровня. В теории электрических цепей электрический ток рассматривается как однородный физический процесс с операционально выделенными параметрами. Они регистрируются с помощью соответствующих измерительных приборов: сила тока - амперметром, напряжение - вольтметром и т.д. Наиболее наглядно вид электрического тока высвечивается на экране осциллографа, который сам, как измерительный прибор, создан на основе теории цепей, а изображение, им воспроизводимое, является реализацией определенной теоретической схемы. В теории электрических цепей этот процесс выражается определенной взаимозависимостью физических параметров элемента цепи (например, напряжения от силы тока или электрического заряда от напряжения) и числом соответствующих единиц измерения (ом, фарад, герц и т.п.). Элементы электрической цепи образуют ветви, которые соединяются в узлы и контуры при помощи идеальных электрических связей, то есть связей, не обладающих сопротивлением, индуктивностью и емкостью, хотя реальные проводники ими, конечно, обладают. Наиболее отчетливо различие структурной и поточной схем электротехнического устройства обнаруживается в электромеханических системах и в цепях с распределенными параметрами (коаксиальных кабелях, длинных линиях и т.д.), которые теоретически представляются как эквивалентные им в заданном режиме функционирования цепи с сосредоточенными параметрами, которые могут рассчитываться в теории электрических цепей или теории электромагнитного поля. В этом случае ее структурной схеме соответствуют различные поточные схемы. Кроме того, поточная схема может быть представлена в дальнейшем разными функциональными схемами, основанными на соответствующем математическом аппарате. В то же время при обратном преобразовании каждой функциональной схеме может соответствовать несколько поточных, а каждой из них в свою очередь несколько структурных схем. Для разного типа характеристик естественного процесса (например, частоты электромагнитных колебаний), то есть для различных режимов функционирования технической системы, может быть несколько способов реализации структурной схемы. В этом случае определяющими являются конструктивно-технические и технологические требования: габариты и вес, легкая доступность и сменяемость деталей, характер их расстановки и крепления и т.д. Причем расположение элементов и соединительных проводников диктуется не только конструктивными требованиями, но и особенностями протекания естественного (физического) процесса. Например, могут возникать так называемые паразитные влияния, существенно ухудшающие характеристики функционирования данной технической системы. Таким образом, режим функционирования (ход естественного процесса) определяет конструктивные особенности технической системы и, наоборот, эти особенности существенно влияют на изменение этого режима.

В технической теории на материале одной и той же технической системы строится несколько оперативных пространств, которым соответствуют различные теоретические схемы. В каждом таком пространстве используются разные абстрактные объекты и средства оперирования с ними, решаются особые задачи. В то же время их четкое соответствие друг другу и структуре реальной технической системы позволяет переносить полученные решения с одного уровня на другой и в сферу инженерной деятельности.

В одной из своих ранних работ Р. Карнап, по его собственному свидетельству, под влиянием кантианской философии ввел представление о трех видах пространства — формальном, созерцательном и физическом. Если их понимать как различные слои картины исследуемой реальности или теоретических схем, оперативные поля теории, то можно усмотреть параллели с введенными нами выше представлениями о трех типах теоретических схем. Сам Карнап в более поздних работах отказался от этих представлений, считая их заблуждением молодости. И действительно, они не вписываются в последовательную неопозитивистскую модель теории.

В формальном пространстве речь идет о бессодержательных (формальных) отношениях, на место которых могут быть поставлены самые разные вещи — числа, цвета, степени родства, круги, суждения, люди и т.д.

В созерцательном пространстве отображаются отношения между обычными пространственными структурами — линиями, плоскостями, частями пространства, определенные особенности которых мы схватываем в чувственных восприятиях или простых представлениях. Но при этом еще не идет речь об опытной реальности имеющихся пространственных фактов, а о сущностях, которые могут быть приняты в качестве своего рода их репрезентанта.

Физическое пространство — пространство конкретных вещей и связей между ними - предполагает для своего познания созерцательное пространство, которое в свою очередь находит в формальном пространстве чистую форму своего строения и соответствующие мыслительные предпосылки.

Если трактовать понятие "пространство" абстрактно, как картину исследуемой реальности, то "физическое пространство" чувственно осязаемых предметов и связей между ними предстает для физической теории в виде структурной схемы экспериментальной ситуации, всегда достигаемой со времен физики Нового времени техническими средствами.

Действительно, чтобы осуществить эксперимент, необходимо, устранив побочные явления, воссоздать естественный процесс искусственным путем в условиях, которые не наблюдаются в природе в чистом виде. В свою очередь, искусственно созданные в эксперименте ситуации должны быть представлены и описаны как идеализированные конструкции. Достаточно вспомнить эксперимент по проверке свободного падения тел Галилео Галилея, который выбрал для бросаемого шарика очень твердый материал, позволяющий фактически пренебречь его деформацией. Кроме того, стремясь устранить трение на наклонной плоскости, он оклеил ее отполированным пергаментом. В данном случае такой идеализированной структурной схемой эксперимента является наклонная плоскость. Искусственно полученная экспериментальная ситуация рассматривается далее как некоторый идеализированный естественный процесс движения природных тел по наклонной плоскости, то есть уже в некотором "созерцательном пространстве", где фигурируют не данные нам в чувственном восприятии конкретные предметы и связи реальной экспериментальной ситуации, а их обобщенные репрезентанты, выражающие наиболее существенные свойства естественных (физических) процессов. Фактически именно "созерцательное пространство" задает картину физической реальности, которая может быть экстраполирована на определенный класс реальных объектов, относительно которых, например, можно пренебречь трением и упругой деформацией, и является условием построения и объяснения конкретных экспериментальных ситуаций. В то же время оно представляет собой оперативное средство представления этих реальных ситуаций и в этом аспекте коррелируется с "формальным пространством", в котором структуры "созерцательного пространства" выступают в качестве объектов оперирования (с которыми осуществляются различные математические действия и преобразования), замещающих в определенном отношении реальные объекты. В развитой теории именно в "формальном пространстве" происходит ее дедуктивное развертывание с целью разрешения возникающих научных проблем математическими средствами. Это пространство может быть отождествлено с введенными нами выше представлениями о функциональных теоретических схемах технической теории.

Особое звучание эти идеи приобретают в связи с исследованиями в области искусственного интеллекта, в особенности графического представления информации. Здесь также выделяются три уровня: абстрактной вычислительной теории, в которой формулируются формальные информационные структуры, представления и алгоритма, то есть "поточной" схемы обработки информации, и, наконец, их физической реализации в виде конкретного технического исполнения. Причем подчеркивается, что реализации трехмерного изображения реальных предметов предшествует их двухмерное геометрическое представление, которое в свою очередь основывается на формальном математическом исчислении. Эти работы по машинному воспроизведению графических представлений основываются на самых современных исследованиях в области психофизиологии зрительного восприятия и формирования образов. Они фактически продолжают традицию художников эпохи Возрождения, повлиявших также и на основы экспериментального математизированного естествознания Нового времени.

По мнению Леонардо да Винчи, "живопись распространяется на философию природы" и "состоит из тончайших умозрений" - это наука об изучении законов природы, "образ природы". Живопись основана на зрении, "благороднейшем из чувств человека", окне души, которое "непосредственно ведет к интеллекту". Но поскольку она базируется на зрении, в ее основе лежит геометрия, однако не абстрактная, отвлеченная от действительности, природы, а тесно связанная с ней - учение о перспективе. Альберти в связи с этим отмечал: "... я пишу об этих вещах не как математик, а как живописец; математики измеряют форму вещей одним умом, отрешившись от всякой материи", живописец же "должен стараться изобразить то, что видимо". Поэтому он задает материально зримые образы математических объектов: поверхность — это "крайняя часть тел, которая познается не в своей глубине, а только лишь в своей длине и ширине, а также в своих качествах... Плоская поверхность будет такая, что если положить на нее прямую линейку, она во всех частях будет к ней прилегать. С такой поверхностью очень сходна поверхность воды... поверхности приобретают различия в зависимости от перемены места и света". Это уже переход от геометрического ("созерцательного") пространства к физическому, реальному пространству, но представленному в виде первичной идеализации реально воспринимаемых предметов и структур, или, иначе, реализации чисто геометрических образов. Для художников Возрождения живопись – это, прежде всего, конструирование на основе исследования естественных, природных структур совершенного изображения: если такового нет в природе, художник составляет его из различных существующих в природе вещей (как изображение совершенного человека). За всем этим лежит развитая тогда теория физиологической и геометрической оптики. Альберти, например, далее пишет: "Поверхности измеряются некими лучами, как бы служителями зрения, именуемыми поэтому зрительными, которые передают чувству форму предметов". Эти лучи Альберти представляет в виде тончайших нитей, идущих от глаза к противолежащей поверхности.

Это и есть предпосылка "математизации природы", характерная для современного естествознания со времен Галилея. Галилей, как известно, был хорошо знаком с учением о перспективе итальянских живописцев. Он в течение всей своей жизни дружил с Л. Чиголи выдающимся живописцем того времени и даже помог ему разработать аргументы против тех, кто утверждал, что скульптура выше живописи. Именно геометризация природы, или, иначе, материализация геометрии, позволила Галилею создать новую науку.

Итак, визуализация объектов природы художниками Возрождения позволила дать их геометрическое описание в науке Нового времени. Но и современная инженерная деятельность также пользуется ее средствами - работа в "пространстве" чертежа, схемы закладывает основы будущих инженерных проектов, графической проектной документации, которая продуцируется все чаще и чаще компьютерным способом. "В уме образуется нечто, что, будучи затем выражено руками, именуется рисунком", который представляет собой, по словам Вазари, "не что иное, как видимое выражение и разъяснение понятия... которое человек вообразил в своем уме и которое создалось в идее". Но графическое изображение, рисунок являются основой всех механических искусств. "Ведь ни один кузнец или ремесленник, - пишет Паоло Пино, - не сможет сделать даже ложки без рисунка". Все это генетически сближает физическую и техническую теории при сохранении, конечно, их специфического содержания.

Структурные теоретические схемы можно обнаружить и в естественных науках. Только они, как правило, менее развиты в ней, смешиваются часто с практическим описанием экспериментальных ситуаций и поэтому обычно выпадают из сферы методологического анализа естественнонаучной теории.

Наиболее рельефно соотношение математической (функциональной) схемы — геометрической кривой, которую описывает маятник в часах, циклоиды, представления физического процесса качания маятника (поточной схемы) и конструкции часов (структурной схемы) прослеживается в теории изохронного качания маятника Христиана Гюйгенса. Прежде всего, Гюйгенс в процессе конструирования нового механизма часов делает важный теоретический вывод, послуживший отправным пунктом для создания более совершенного механизма: изохронность математического маятника, то есть независимость периода его колебаний от амплитуды размаха справедлива лишь приближенно для малых углов размаха. Задача, стоявшая перед Гюйгенсом, заключалась в необходимости сконструировать точные часы для физических экспериментов. Необходимой точности Гюйгенс достиг, найдя при помощи геометрии новый способ подвешивания маятника, в результате чего ход часов стал правильным и надежным. Для этого он использует изохронное качание маятника, то есть подчиняющееся определенному математическому соотношению: время падения такого маятника от какой-либо точки пути до самой низкой точки не должно зависеть от высоты падения. Анализируя движение тела, удовлетворяющее этому математическому соотношению, Гюйгенс приходит к выводу, что маятник будет двигаться изохронно, если он будет падать по циклоиде, обращенной вершиной вниз. Таким образом, он решает прежде всего математическую задачу: по какой кривой должна двигаться точка, если период ее колебаний не зависит от амплитуды, то есть чтобы время качания маятника не зависело от величины размаха (физическая проблема, эквивалентная этой задаче). Открыв далее, что развертка циклоиды есть также циклоида, он подвесил маятник на нитке и поместил по обеим ее сторонам циклоидально изогнутые полосы так, чтобы при качании нить с обеих сторон прилегала к кривым поверхностям, ограничителям, изогнутым в форме щек, на которые частично наматывалась нить подвеса маятника (структурная схема — описание механического устройства часов). Тогда маятник действительно описывал циклоиду. Такому выводу предшествовали специальные исследования по теории механики. Гюйгенс фактически реализовал путь приложения научных знаний, намеченный Галилеем: от математической, геометрической схемы (циклоиды) к физическим представлениям и процессам (качание маятника) и от них к структурной схеме — конструкция часов.

По характеристике Александра Койре, часы Гюйгенса — это воплощенная физическая теория. Исходя из технических требований, предъявляемых к качанию маятника, и знаний механики, Гюйгенс определил конструкцию, которая может удовлетворять данному требованию. Решая эту задачу, он отказывается от традиционного для того времени метода проб и ошибок, типичного для ремесленной деятельности вообще, и обращается к науке. Гюйгенс сводит действие отдельных механизмов часов к естественным (физическим) процессам и закономерностям, исследуемым теоретически. Полученные теоретическим путем знания он использует для определения конструктивных характеристик нового механизма. Другими словами, он опирается на установленные Галилеем отношения между научным знанием (абстрактным объектом теории) и реальным экспериментальным объектом. Но если Галилей показал, как приводить реальный объект в соответствие с абстрактным объектом и, наоборот, превращать этот абстрактный объект в экспериментальную модель, то Гюйгенс продемонстрировал, каким образом полученное в теории и эксперименте соответствие абстрактного и реального объектов использовать в технических целях. Тем самым и Гюйгенс, и Галилей практически осуществляли то целенаправленное применение научных знаний, которое и составило основу инженерного мышления и технической науки. Но те же самые механизмы, только в перевернутом виде были внесены ими в физическую теорию, где главным остается схема физического процесса (поточная схема), а не структурная схема нового технического или экспериментального устройства.

Таким образом, в классической технической и физической теориях обнаруживается много общего. Точно так же, как и в естественной науке, в технических науках можно выделить частные и обобщенные (фундаментальные) теоретические схемы. Первые соответствуют отдельным исследовательским направлениям или областям исследования, вторые - целым научно-техническим дисциплинам или даже семействам таких дисциплин, группирующихся вокруг какой-либо одной базовой технической науки. В последнем случае обобщенная теоретическая схема становится универсальной относительно данного класса технических систем за счет введения процедуры синтеза, позволяющей проецировать эту схему на класс потенциально возможных (гипотетических) технических систем определенного типа.

Такую последовательную универсальную для исследования различного рода механизмов теоретическую схему разработал в конце прошлого столетия российский машиновед В. Л. Ассур, исходя из единых принципов их структурной классификации. Такая схема давала возможность не только распределять механизмы на группы по общим признакам, но и применять общие методы решения задач. Некоторые из них были разработаны самим Ассуром, например методы "особых точек", "ложных картин скоростей" и другие, иные же, разработанные другими учеными и инженерами ранее, он включил в контекст своей классификации. Эти методы заключались в установлении четкого соответствия между геометрическими представлениями механизма (функциональными схемами) и его кинематическими (поточными) схемами. Скажем, при использовании метода аналогов скоростей и ускорений решение задачи распадается на два этапа: сперва производится определение геометрической модели движения с помощью аналогов скоростей и ускорений, а затем с помощью кинематических и динамических данных движение механизма приводится к данному конкретному случаю. На базе такого рода обобщенной, или универсальной, для данного класса технических систем (механизмов) теоретической схемы В.В. Добровольский и И.И. Артоболевский создали математизированную теорию механизмов. Причем для решения задачи математизации возникла необходимость некоторой модификации этой схемы. Каждый механизм стал рассматриваться как кинематическая цепь, которая состоит из одного или нескольких замкнутых контуров и нескольких замкнутых цепей, служащих для присоединения звеньев контура к основным звеньям механизма. Для того чтобы образовать из контура-ядра новые механизмы, принадлежащие к данной группе, необходимо присоединить к нему поводки и ветви. В результате проведения такой классификации выяснилось, что механизмы одного и того же рода исследуются идентичными методами. Это позволило создать общую теорию кинематических цепей с развитым слоем функциональных схем. В теории механизмов появилась возможность получать новые конструктивные схемы механизмов дедуктивным способом. Таким образом, в работах Добровольского и Артоболевского впервые было осуществлено проецирование теоретической модели на класс потенциально возможных (гипотетических) технических систем определенного типа — механизмов. Сам Артоболевский характеризует полученные результаты следующим образом:

1. Законы структурного образования являются общими для всех механизмов.

2. Анализ общих законов структуры механизмов позволяет установить все возможные семейства и роды механизмов, а также создать единую общую классификацию механизмов,

3. Структурный и кинематический анализ механизмов одного и того же семейства и класса может быть проведен аналогичными методами.

4. Проведенные исследования показывают, что современная техника использует очень малое количество механизмов. Предлагаемый метод структурного анализа дает возможность обнаружить огромное число новых механизмов, до сих пор не применявшихся в технике. Эти новые виды механизмов могут быть рекомендованы к использованию на практике.

Дальнейшее развитие этой технической теории шло по пути разработки все более обобщенной теоретической схемы, ее развертывания в соответствии с заданными принципами. Во-первых, она была распространена на новые типы конструктивных элементов — пространственные механизмы и жидкие звенья и т.д. Во-вторых, кинематическое представление - структурная схема теории механизмов - было распространено на двигатель и орудие: машина - это механизм в работе, машина на холостом ходу - механизм. Двигатель и орудие рассматриваются в этом случае как двигательный и исполнительный механизмы. В-третьих, методы и теоретические схемы динамики были распространены на исследование передаточных механизмов. Именно поэтому данная теория получила название теории механизмов и машин. Доказательством универсальности построенной Добровольским и Артоболевским теоретической модели и правильности выводов из нее явилась сама инженерная практика. Данная модель оказалась весьма действенным инструментом в руках конструкторов.

Внутридисциплинарный теоретический синтез связан с интеграцией научно-технических знаний внутри дисциплины за счет дифференциации, выделения в ней новых направлений и областей исследования и включает:

отпочкование новой области знания от базовой естественнонаучной, математической или социально-гуманитарной дисциплины;

ветвление внутри данного семейства научно-технических дисциплин.

Отпочкование новой области знания от базовой естественнонаучной, математической или социально-гуманитарной дисциплины происходит за счет приспособления функциональной (математической), поточной и структурной (экспериментальной) схем для описания и проектирования технических систем определенного типа.

На первом этапе формирования новой научно-технической области знания по этому типу идеальные объекты и даже целые теоретические схемы транслируются из смежных теоретических областей. Например, такую транспортировку исходной теоретической схемы теории механизмов осуществил французский ученый и инженер Гаспар Монж, создатель начертательной геометрии. Первоначально именно в начертательной геометрии формулирует он исходную теоретическую схему теории механизмов и машин.

Разработка разнообразных машин (подъемных, паровых, прядильных, ткацких, мельниц, часов, станков и т.п.) к концу ХУШ в. становится самой развитой областью инженерной деятельности.

Однако их конструирование основывалось первоначально на теории простых машин (наклонная плоскость, блок, винт, рычаг и т.д.). Чтобы применить ее в инженерной деятельности, необходимо было так схематизировать сложные машины, чтобы их части можно было представить в виде сочетания нескольких простых машин — идеальных объектов, с которыми были связаны типовые расчеты. Однако многочисленные машины, построенные к этому времени, не укладывались в такого рода теоретическую схему, основанную на изображении передачи сил. В инженерной практике все более требовалось осуществить передачу движения с изменением его характера, направления, скорости. Это было обусловлено особенностями машинного производства, где множество станков должны были приводиться в движение одной машиной-двигателем, например паровой машиной. Таким образом, идеальные объекты теории простых машин не отвечали запросам практики. В то же время для проведения инженерных расчетов, без которых невозможно создание сложных машин, требовалась определенная схематизация проектируемой технической системы - машины. По предложению Монжа курс построения машин, введенный им впервые в Парижской политехнической школе, должен был составить часть курса начертательной геометрии. Машина теперь рассматривалась не с точки зрения равновесия ее частей, как это делалось прежде, а с точки зрения движения частей в соответствии с требованиями инженерной практики. Элементарные составные части машины стали тогда описываться как приспособления, с помощью которых можно получить из движений одного вида движения другого вида. Такого рода идеализированное представление машины необходимо инженеру, создающему проект, во-первых, для проведения расчетов (поскольку оно дает представление об относительном сравнении величин) и, во-вторых, для ее описания в виде последовательности преобразований естественного процесса — движения. Это обеспечивает переход от исходной математической (функциональной) схемы к поточной теоретической схеме машины, позволяющей использовать естественнонаучные знания. Работы последователей Монжа были направлены на адаптацию выбранной им исходной теоретической схемы в соответствии с обширным новым эмпирическим материалом, накопленным к этому времени в практике создания машин. Его коллега по Парижской политехнической школе Ашетт попытался дать такого рода описание машин с точки зрения начертательной геометрии. Эта работа была продолжена в книге М. Ланца и А. Бетанкура "Курс построения машин", которая представляет собой одну из первых попыток теоретической систематизации и объяснения всех основных машин того времени. Однако для них еще характерна неоднородность изображения машин. В одних случаях (в основном для наиболее теоретически разработанных областей, например теории зубчатых колес) изображение является последовательной реализацией исходного теоретического принципа. Оно представляет собой достаточно абстрактную схему, позволяющую решать инженерные задачи с применением средств прикладной математики и теоретической механики. В других случаях это только рисуночное изображение и объемные эскизы соответствующих машин, не подвергнутые теоретической обработке. Кроме того, в книге Ланца и Бетанкура почти полностью отсутствовали расчеты (для них также требовалось более обобщенное описание машин). Эту работу проделали другие последователи Монжа в Парижской политехнической школе, работы которых были направлены на адаптацию выбранной им исходной теоретической модели в соответствии с обширным новым эмпирическим материалом, накопленным к этому времени в практике создания машин. Именно в результате такого рода работы удалось выделить объект исследования будущей теории механизмов — передаточный механизм, как ту часть любой машины, которая может быть подведена подданную схему. Например, Ж. Кристиан в "Курсе индустриальной механики", исследуя сущность механической операции, отмечает, что первая группа элементов, составляющих машину, применяется исключительно для восприятия движения, полученного от двигателя. Вторая группа специально предназначена для переноса в различных направлениях и для самых различных преобразований этого движения. Наконец, третья группа элементов машины необходима для выполнения действий над материалом (механической обработки). Таким образом, Кристиан четко выделяет три части всякой машины: двигатель, передаточный механизм и орудие. Значительное место он уделяет специальному рассмотрению именно передаточных механизмов и подчеркивает необходимость их отдельного исследования. Такое выделение передаточного звена было связано с тем, что на него в то время приходилась основная доля инженерной работы. Остальные части машины, например, двигатели, были еще не развиты и изготовлялись на уровне ремесла или брались готовыми как живые двигатели. Однако, прежде всего, передаточное звено явилось следствием наложения на эмпирический материал и адаптации к нему исходной теоретической схемы Г. Монжа.

В более поздний период немецкий инженер Ф. Рело поставил своей целью создать обобщенную теоретическую схему этой развивающейся технической науки, которая позволила бы не только объяснять принцип действия существующих, но и облегчить создание новых механизмов. Для этого он использовал достаточно развитую к этому времени графическую статику, опиравшуюся на методы проективной геометрии ("геометрии положения"). Однако если последняя имела дело с математическими идеальными объектами (прямая, плоскость и т.д.), то в графической статике решались физические и инженерные задачи. Мосты, строения и другие инженерные объекты представлялись в ней в виде геометрических фигур, например многоугольника сил. Транслировав обобщенную теоретическую схему из этой смежной области, Рело приспособил ее под новый эмпирический материал, развивая одновременно исходную теоретическую модель Монжа. Рело строит особую "кинематическую" геометрию (называя ее "чистой кинематикой"), описывающую различные приемы решения задач. Эти приемы отдельно разрабатываются им для любых тел и лишь затем прилагаются к машинам. На основе данной геометро-кинематической схемы Рело проводит более детальное расчленение механизма на части, чем его предшественники.

На базе предложенной Рело обобщенной теоретической схемы - кинематической геометрии, развитой затем российским ученым Л.В. Ассуром (распространенной им на обширный эмпирический материал — все существующие в то время механизмы), В.В. Добровольским и И.И. Артоболевским, как уже было указано, была создана математизированная теория механизмов. В результате проведения такой модификации выяснилось, что механизмы одного и того же рода исследуются идентичными методами. Это позволило в итоге создать общую математизированную теорию кинематических цепей. Как видно из приведенного примера, исходная теоретическая схема заимствованная из базовой дисциплины, проходит процесс ее длительной адаптации путем наложения на определенный эмпирический материал. Этот процесс сопровождается перестройкой исходной модели за счет конструктивного введения новых идеальных объектов и схем. В условиях формирования новой технической науки процесс адаптации исходной теоретической модели включает попытки описания существующих технических систем с помощью этой модели и выделения частей данных систем, наиболее хорошо представляемых в ней, которые и становятся впоследствии самостоятельным объектом исследования и проектирования новой научно-технической дисциплины.

Ветвление внутри данного семейства научно-технических дисциплин. В этом случае привлекаются либо новые математические методы и схемы (как в статистической радиотехнике), либо новые естественнонаучные представления (как в квантовой электронике), либо новая технологическая и конструктивная база (как в микроэлектронике).

Образование новой дисциплины по этому способу может происходить и за счет отпочкования новой области исследования от классической технической теории (например, радиолокации от радиотехники). При этом в качестве базовой выступает уже не естественнонаучная, а техническая теория, из которой и транслируются нормы и образцы научного исследования.

В процессе формирования новых исследовательских направлений, областей исследования и дисциплин внутри данного семейства новые теоретические схемы как бы наслаиваются на старые схемы базовой технической теории с одновременной модификацией и развитием старых схем. Примером здесь может служить теоретическая радиолокация, в которой можно выделить три слоя взаимосогласующихся теоретических схем, условно называемых нами электротехническими, радиотехническими и радиолокационными.

Электротехнические теоретические схемы связаны с исследованием физических процессов, протекающих внутри элементов и блоков радиотехнических и радиолокационных устройств. Эти схемы связаны с расчетом параметров и отображением процессов протекания электрических токов в стандартных электротехнических элементах: сопротивлениях, конденсаторах, катушках индуктивности. Конечно, они могут быть лишь условно электротехническими. Для описания физических процессов в новых физических элементах таких, например, как электронные лампы или полупроводниковые приборы, используется электронная теория. Однако для расчета схем, в которые они включены, как правило, применяются традиционные электротехнические эквиваленты (резисторы, емкости и т.д.). Поскольку в элементах и схемах радиолокационных устройств (клистронах, магнетронах, электронно-лучевых трубках, антенных устройствах, различных импульсных схемах и т.д.), работающих в новых для радиотехники режимах, протекают иные физические процессы, потребовалась модификация старых или разработка совершенно новых методов их расчета и способов представления, а также привлечения новых математических средств. Это стимулировалось, кроме того, необходимостью исследования и разработки способов подавления внутренних шумов элементов радиолокационной аппаратуры (скажем, дробового эффекта в электронных лампах).

В радиолокации были трансформированы и радиотехнические схемы, прежде всего, за счет расширения диапазона применяемых на практике радиоволн. Изучение законов распространения электромагнитных колебаний сантиметрового и дециметрового диапазонов, стимулированное радиолокацией, позволило выявить новые аспекты электродинамической картины мира, на которую опирается радиотехника. Поскольку для радиолокации существенным является учет шумов и помех в окружающей среде, то отождествление последней со свободным пространством уже не было адекватным задачам, решаемым в радиолокации. Важно было учитывать влияние этой среды на распространение радиоволн, например явление рефракции (искривления направления радиоволн), дисперсии (зависимости фазовой скорости от частоты), поглощения или рассеяния волн в разных средах и т.п. Необходимость обнаружения и опознания "целей" по характеру влияния их на радиоволны стимулировали исследование рассеивающих свойств различных объектов - зеркальное отражение, диффузное рассеяние, резонансное вторичное излучение. Это привело к формированию новых понятий, способов графического представления данных процессов и их математического описания. Развитие импульсного метода радиолокации и импульсной радиотехники также оказало существенное влияние на формирование новых представлений об импульсных процессах (разворачивание исходной радиотехнической схемы), об их распространении в окружающей среде и о методах формирования, усиления, анализа в импульсных схемах.

Создание собственно радиолокационной теоретической схемы было связано с разработкой и систематизацией различных методов обнаружения "целей" и измерения их координат. Поскольку это Заключалось прежде всего в выявлении движущихся "целей" на карте местности, многие понятия и представления радиолокации были заимствованы из геодезии, картографии, навигации. К данному слою теоретических схем относятся изображения направленного луча различной формы (например, многолипесткового) и способов его сканирования (слежения за "целью"), основные методы определения местоположения и т.д. Вводятся специальные понятия поверхности и линии положения, точечной, объемной и распределенной "цели", координат (дальности, азимута и угла места), траектории и радиальной скорости "цели", эффективной площади рассеяния, метки дальности, разрешающей способности радиолокационной станции (по дальности и угловым координатам), точности отсчета, сектора и границы обзора, телесного угла луча и т.п. Основной функцией радиолокационной теоретической схемы является идентификация изображения на индикаторе радиолокационной станции с реальными объектами на фоне местности, выделение (обнаружение) "целей" и определение (измерение) их параметров. Для этого разрабатываются специальные индикаторные и антенные устройства, прежде всего для получения определенной формы луча и вида изображения на индикаторе, и различные методы измерения и расчета координат "целей" (методы минимума и максимума, равносигнальный метод и др.). Одна из важнейших задач в радиолокации - специальное исследование ошибок измерения, возникающих под влиянием помех, и методов борьбы с ними. Для решения такого рода задач разрабатываются различные типы математических средств и соответствующие им функциональные теоретические схемы.

С развитием целого ряда классических технических наук в отношении некоторых наиболее распространенных частей технических систем (например, различного рода регуляторов) постепенно выясняется, что, во-первых, аналогичность их принципа действия независима от способа реализации и, во-вторых, тождество (и применимость) разных математических описаний данных частей сохраняется несмотря на разницу в исполнении (на электрической, гидравлической или механической основах). Это стимулирует отвлечение от конкретной формы реализации естественного процесса, протекающего в технической системе, то есть конкретного способа организации его функционирования, и акцентирует внимание на анализе обобщенной структуры технической системы независимо от деталей специфического конструктивного воплощения. Формируется новый тип теоретического исследования - междисциплинарный.

<< | >>
Источник: Горохов В.Г., Розин В.М.. Введение в философию техники. 224

Еще по теме Внутридисциплинарный синтез: одноаспектные теоретические исследования в естественных науках и одноплановые (но многоаспектные) исследования в технических науках:

  1. ПЕЛИ НАУЧНОГО ИССЛЕДОВАНИЯ В ПАРАПСИХОЛОГИИ. Существует несколько уровней цели исследования в парапсихологии (равно как и в других науках).
  2. Междисциплинарный теоретический синтез. Интегрированные теоретические исследования в технике
  3. Различия современных и классических теоретических исследований в научно-технических дисциплинах
  4. 9.2. Детерминизм в науках о неживой природе
  5. 9.4. Детерминизм в науках об обществе
  6. 9.3. Детерминизм в науках о живой природе
  7. § 22. Методы теоретического исследования
  8. ГЛАВА VI. ПРОБЛЕМА ВЫДЕЛЕНИЯ ЛИЧНОСТНЫХ УРОВНЕЙ В ГУМАНИТАРНЫХ НАУКАХ
  9. ГЛАВА VI. ПРОБЛЕМА ВЫДЕЛЕНИЯ ЛИЧНОСТНЫХ УРОВНЕЙ В ГУМАНИТАРНЫХ НАУКАХ
  10. Комплексное теоретическое исследование техники
  11. Теоретическая значимость результатов исследования.
  12. Теоретическая основа исследования
  13. Теоретическая и практическая значимость исследования.
  14. Теоретическая основа исследования
  15. Теоретическая и практическая значимость исследования