История инженерной деятельности - В. Морозов

Наряду со становлением механики, как основы инженерной деятельности, ХVIII в. характеризуется интенсивной изобретательской деятельностью, которая дала практической механике развится в различных ее ответвлениях. Появляются новые станки и технологические машины в Англии, Франции и России. Ведется активная работа по созданию универсального парового силового двигателя. В 1712 г. атмосферную машину для откачки воды из шахт сконструировал английский кузнец Томас Ньюкомен (1663-1729), решив таким образом задачу преобразования энергии пара в механическую. В 1722 г. машины Ньюкомена были установлены в Кесселе, Вене и Хемнитце. Первая машина Ньюкомена попала в Россию в конце века. Ее приобрели для Кронштадтского порта, хотя в самой России в то время пошла на слом значительно лучшая машина – машина Ползунова.

Продолжаются интенсивные поиски вечного двигателя. Появляется целый ряд заявок, хотя невозможность его построения доказал еще Леонардо да Винчи. Эти поиски стимулировали изобретательскую работу над автоматами. Сначала это были лишь механические игрушки, но идеи, заложенные в них, к концу ХVIII в. приводили к важным результатам. Так, замечательный французский механик Ж. Вокансон (1709–1782) изобрел несколько остроумных автоматов, имитировавших движения человека и животных. Он же в 1745 г. создал механический ткацкий станок.

С развитием торговли и расширением городов непрерывно возросла роль дорог и водных путей сообщения. Их строительство ставило перед механикой много вопросов. В частности, в середине ХVIII в. в Испании велись работы по сооружению Кастильского канала. Тогда же в Англии был прорыт первый судоходный канал. В России строительство каналов было начато при Петре I. Для снабжения Петербурга были прорыты два канала: Ладожский (длиной 104 версты), соединявший Волхов и Неву, и Вышневолонский, соединявший реки Тверцу и Мсту. Впоследствии было создано две системы: Тихвинская (связала реки Самину и Тихвинку), и Мариинская (соединила Ковжу и Вытегру). Так появилась возможность попасть водным путем из Каспийского в Балтийское море, а из столицы – непосредственно в центральные губернии России. Наиболее важная часть всей системы каналов – Вышневолоцкая – была существенно усовершенствована известным русским гидротехником М. И. Сердюковым (1677–1754). Он в течение 1720–1740 гг. построил целый комплекс гидротехнических сооружений и обеспечил бесперебойное движение судов.

Исследования в механике в рассматриваемый период захватывали все новые и новые области. Например, еще в 1662 г. П. Ферма (1601–1665) применил к решению одной из задач оптики принцип кратчайшего времени. В 1744 г. подобный принцип в механике был развит французским астрономом П. Мопертюи (1698–1759). В соответствии с этим принципом при всяком изменении в природе количество движения, которое потребно для такого изменения, является наименьшим возможным. В этом же году Эйлер нашел для данного закона математическую формулировку, исследуя форму кривых, которые принимает гибкий стержень при различных условиях нагрузки. Эту задачу он решил с помощью разработанного вариационного исчисления. Рассматривал также задачи о поперечных колебаниях стержня. В 1757 г. Эйлер опубликовал работу «О силе колонн», в которой изучил проблему продольного изгиба колонн и вывел формулу для определения критической нагрузки. В других работах он возвращается к понятиям покоя и движения. Следует заметить, что Эйлер написал более 800 работ, многие из которых представляли научную ценность.

Значительное место в ХVIII в. занимает изучение проблемы сопротивления среды движению. Одним из первых, кто обратил внимание на сопротивление воздуха, был Тарталья. Этой проблемой занимались и другие ученые. Так, Г. Амонтон (1663–1705) пришел к заключению, что трение между твердыми телами зависит лишь от относительного давления. В 1704 г. Паран (1966–1716) установил понятие угла трения, который он назвал углом равновесия, а тангенс этого угла – коэффициентом трения. Мусхенбрук (1692–1761) заметил, что на значения трения влияет и поверхность соприкосновения, а в 1722 г. М.Камю нашел, что трение движения меньше, чем трение покоя. Трение изучали Лейпольд, Белидор, Эйлер. Например, Эйлер установил, что коэффициент трения является числом близким к 1/3. Поиски значения силы сопротивления среды начались позже – с середины ХVIII в. Французский ученый Ж. Ш. Бордс (1733–1799) в 1762 и 1765 гг. вывел, что сопротивление жидкости движущимуся в ней тел пропорционального квадрату скорости.

В последней четверти ХVIII в. изучением трения занялся Шарль Кулон (1736–1806). В 1781 г. он опубликовал «Теорию простых машин с точки зрения их частей…», в которой развил теорию трения и вывел законы, которые стали носить его имя. В это время делаются попытки создания теории машин.

Создание теории машин связано с именами Монжа и его ученика Карно. Гаспар Монж (1746–1818) учился на кондукторском отделении Мезерской военно-инженерной школы, позже серьезно изучал начертательную геометрию и создал техническое черчение, явился инициатором преподавания курса «Построение машин» и приблизился к формулировке основ классификации механизмов.

Большой вклад в механику внес Лазар Карно (1753-1823), который окончил ту же военно-инженерную школу, что и Монж. В 1783 г. Карно опубликовал «Опыт о машинах вообще», а в 1803 г. книга была переиздана под названием «Основные принципы равновесия и движения». Кстати, Карно считал, что механика по своей сущности является наукой экспериментальной и этим подтверждал ее право на самостоятельное существование вне границ математики. Свою систему он строил на основании изучения движения, отрицая возможность построения ее из «метафизического и темного понятия силы». Фундаментальным законом механики Карно считал закон количества движения. Все законы и теоремы механики он рассматривал применительно к машинам. Книгу его уже можно отнести к прикладной механике.

Формирование механіки и как науки в XVIII в. завершил Лангранж. Его классическая работа «Аналитическая механика» вышла в Париже в 1788 году, в которой он считал, что в общем-то, он обобщил и окончил труды своих предшественников. Динамика Лангранжа основана на законе, который носит название уравнения Д’Аламбера – Лангранжа. Из этого уравнения он выводит три закона: движения центра тяжести системы, моментов количества движения и живой силы. Ланггранж также формирует принцип наименьшего действия и показывает, как из последнего можно было бы получить исходное уравнение. Далее он выводит уравнения, получившие название уравнений первого и второго рода. Однако следует признать, что Лангранж не завершил механику и не сделал ее полного свода. Еще при его жизни начали формироваться новые направления: теория упругости, механика материалов, механика машин.

Большой вклад в развитие механики сделал П. С. Лаплас (1749–1827). Так 1799–1800 гг. он опубликовал два первых тома «Небесной механики». И, что самое существенное, в начале ХIХ в. начали весьма интенсивно развиваться именно те направления механики, которые основывались на экспериментальных законах и пользовались экспериментальными методами исследования.

Эксперимент еще в XVIII в. был характерен не только для науки, но и для техники, особенно для техники промышленного переворота. В принципе, все новые машины, заменившие руку человека, явились результатом глубокого и длительного экспериментирования. Так было и с паровой машиной Джеймса УАтта, который добился успеха в результате большой серии экспериментов. Следует сказать, что машина Уатта до конца ХVIII в., была государственным секретом Англии, и вывоз таких машин из страны был запрещен.

Паровые машины собственными усилиями стали строить во Франции, России, Германии, США и в других странах. Так, в США Оливер Ивэнс (1756–1819) сконструировал паровую машину высокого давления (1ОАТ), построил первый в США локомобиль и изобрел прямило («прямило Ивэнса»). Это была первая попытка после Уатта найти механизм, преобразующий поступательное движение во вращательное. Можно сказать, что к началу ХIХ в. время практический механики проходит и наступает эра прикладной науки. Кстати, в Англии – стране самой передовой техники того времени – развитие механики отстает. Но промышленный переворот, поднявший Англию на более высокую ступень экономического развития, не мог не повлиять на английскую науку. Быстро развивающаяся машинная промышленность (производство машин) требовала ответа на возникающие вопросы, и она не могла долго ждать. Поэтому с начала ХIХ в. наука в Англии приобретает практический характер. Запросы промышленности стимулируют появление новых наук – «технических», основанных на наблюдении и опыте и уже во вторую очередь пользующихся расчетно-математическими методами. Что касается «старых» наук, то здесь в основном развиваются их прикладные направления. Очевидно, именно в связи с этим в Англии до середины ХІХ в. не открываются технические школы. Англичане пользуются старыми, традиционными методами ученичества, но знания в области механики продолжают накапливать и совершенствовать.