Становление отдельных технических наук

Технические науки появились в исторически определенное время и в конкретно-исторических условиях [19]. В мануфактурный период уже складываются необходимые предпосылки становления отдельных технических наук. Необходимость использования достижений науки в практике приводит к формированию технических наук.

Характеризуя рассматриваемый период, Ф. Энгельс писал: «Восемнадцатый век собрал воедино результаты прошлой истории, которые до того выступали лишь разрозненно к в форме случайности, и показал их необходимость и внутреннее сцепление. Бесчисленные хаотичные данные познания были упорядочены, выделены и приведены в причинную связь; знание стало наукой, и науки приблизились к своему завершению, т. е. сомкнулись, с одной стороны, с философией, с другой - с практикой. До восемнадцатого века никакой науки не было; познание природы получило свою научную форму лишь в восемнадцатом веке или, в некоторых отраслях, несколькими годами раньше» (Маркс К., Энгельс Ф. Соч., т. 1, с. 599).

Характерной особенностью этого периода являлось то, что поток технических знаний, идущих от техники, явно превышал поток, идущий в противоположном направлении. Говоря о взаимодействии и взаимовлиянии техники и науки, Ф. Энгельс писал: «Если... техника в значительной степени зависит от состояния науки, то в гораздо большей мере наука зависит от состояния и потребностей техники. Если у общества появляется техническая потребность, то это продвигает науку вперед больше, чем десяток университетов. Вся гидростатика (Торричелли и т. д.) была вызвана к жизни потребностью регулировать горные потоки в Италии в XVI и XVII веках. Об электричестве мы узнали кое-что разумное только с тех пор, как была открыта его техническая применимость» (Маркс К., Энгельс Ф. Соч., т. 39, с. 174).

К началу XVIII в. был накоплеп большой практический опыт по созданию и эксплуатации разнообразных технических средств, в основном на базе использования механической формы движения материи. Это привело к тому, что технические науки механического цикла (теория механизмов и машин и др.) появились раньше других наук.

В разработке начал технической механики ведущая роль принадлежит действительному члену Петербургской Академии наук Л. Эйлеру, написавшему около сорока трудов в этой области. В 1736 г. в Петербурге появился классический двухтомный труд Л. Эйлера «Механика, или наука о движении, аналитически изложенная». Отличительной чертой этой работы было широкое использование нового математического аппарата -дифференциального и интегрального исчисления. Тринадцать лет спустя, в 1749 г., в Петербурге была опубликована наиболее важная работа Эйлера по механике «Диссертация о принципе наименьшего действия» [20]. В период 1739-1742 гг. в академических «Примечаниях на Ведомости» печаталась серия статей Л. Эйлера «Краткое описание разных машин».

Первый русский учебник по технической механике, содержавший начальные сведения о простейших машинах и механизмах, вышел в 1722 г. Для преподавания этой дисциплины в учебных заведениях многое сделал Г. В. Крафт. В 1738 г. в Петербурге вышло его «Краткое введение в изучение простых машин и их устройств».

Научный подход к проектированию машин был изложен также французским инженером и ученым Б. Белидором в 1737 г. в соответствующем разделе его книги «Гидравлическая архитектура». Здесь Белидор обращал особое внимание на расчет силовых узлов машин и на тщательное составление чертежей конструируемых механизмов.

Главным источником энергии в XVII п в начале XVIII в. служили водяные мельницы. «На примере мельницы, - писал К. Маркс, - было создано учение о трении, а вместе с тем были проведены исследования о математических формах зубчатой передачи, зубьев и т. д. На ее же примере впервые было разработано учение об измерении величины двигательной силы, о лучших способах ее применения и т. д.» (Маркс К., Энгельс Ф. Соч., т. 30, с. 263) Для изучения действия механической части водяных колес Белидор привлек гидростатику и гидродинамику. Серьезное внимание ученый уделял установлению величины сил трения, а также экспериментальному и теоретическому определению усилий для подъема воды [21].

Начавшиеся работы по изучению коэффициента трения, а затем и самих сил трения способствовали применению законов статики к изучению действия машин. Учет сил трения позволил приблизиться при рассмотрении действия машин к условиям, близким к реальным.

В 1765 г. Леонард Эйлер вывел знаменитую формулу, позволяющую по коэффициенту трения определить основные конструктивные элементы механизмов с гибкими звеньями (ременные передачи, блоки, ленточные транспортеры и конвейеры, ленточные тормоза и др.).

Леонард Эйлер (1707-1783 гг.)

Разработка науки о сопротивлении материалов началась во второй половине XVII в. с развития положений Г. Галилея [22], изложенных им в «Беседах и математических доказательствах, касающихся двух новых наук» (1638 г.). Галилею принадлежит постановка задачи о прочности, которую он изучал в предельном состоянии тела - в момент его разрушения. Этот подход к вопросам прочности разделяли многие ученые XVII-XVIII вв. Более законченную форму он приобрел в работах Ш. О. Кулона.

Первые научные основы теории упругости были заложены в работах английского физика Р. Гука, установившего в 1678 г. основной закон линейной зависимости между силой и деформацией при растяжении пружин, струн и тонких стержней. Большое значение в становлении науки о сопротивлении материалов имели также эксперименты, проведенные французским физиком Э. Мариоттом п приведшие в конечном итоге к принципиально важным результатам в области механики. Исследования Мариотта вызывались запросами техники, их целью было устройство водоснабжения Версальского дворца. Для определения надежности изготовления применяемых стержней, балок и труб, их размеров, ученый должен был прибегнуть к эксперименту [23, с. 223], в результате которого он высказал гипотезу о распределении напряжений в поперечном сечении балки, подверженной изгибу. Согласно учению Мариотта, в балке прямоугольного сечения имеется нейтральная линия, выше которой волокна растягиваются, а ниже - сжимаются.

Если Э. Мариотта интересовала прочность нагруженной балки, то Якоба Бернулли занимал вопрос о форме изгиба ее нейтральной линии. Окончательный вариант этого исследования был опубликован Бернулли в 1701 г. Им было выведено дифференциальное уравнение изгиба упругой линии и доказано, что кривизна линии изгиба пропорциональна изгибающему моменту. Спустя почти пятьдесят лет этим вопросом занялся Леонард Эйлер. Он исследовал форму кривых, которую принимает тонкий упругий стержень при различной нагрузке, рассмотрел продольный изгиб колонны под действием осевой сжимающей силы и получил выражения для предельной нагрузки, превышение которой приводит к изгибу. Эта формула включена теперь во все учебники сопротивления материалов и технические справочники.

Наука о сопротивлении материалов послужила во второй половине XVII и начале XVIII в. тем связующим звеном, которое сближало статику с техникой. В годы, непосредственно предшествовавшие технической революции, развитие науки о сопротивлении материалов в ее практическом приложении оказалось особенно необходимым.

Начало XVIII столетия отличалось значительными достижениями в области гидростатики и гидродинамики.

Со времен античности центральной проблемой гидростатики был вопрос о принципиальной возможности существования пустоты. Шахтерам и строителям колодцев часто приходилось наблюдать, что насос не может поднять воду на высоту больше 12 футов (около 4 м). Этот факт вплоть до середины XVIII в. не привлек к себе серьезного внимания ученых. И только синтез двух положений - обоснование возможности существования пустоты и установление предельной высоты подъема воды насосом - привел к новым принципиальным результатам гидростатики. Одновременно это создало теоретические основы для работы над тепловой машиной и паровым двигателем.

Важнейшим стимулом для прогресса гидродинамики и гидростатики в конце XVII и начале XVIII в. явилась задача использования горных потоков, рек и каналов в качестве источника энергии для приведения в действие водяных колес. К середине XVIII столетия эта проблема повлекла за собой и разработку соответствующей теории. Чисто практические вопросы гидравлики и гидротехники требовали изучения движения жидкостей, приложенных к ней сил, а также и скорости движения жидкости в трубах, исследования законов их истечения из отверстия сосудов и т. д. Использование потоков воды в практических целях в XVI-XVIII вв. позволило эмпирически обнаружить многие из соответствующих закономерностей, нашедших непосредственное выражение к середине XVIII в. в сочинениях по гидротехнике.

Наиболее важных результатов в развитии гидродинамики достиг Даниил Бернулли. Он вывел основную теорему гидродинамики, употребляющуюся для исследования течения жидкостей в каналах, трубах и гидравлических двигателях. Им были введены такие понятия, как «работа», «мощность», а также понятия «движущей силы» и «коэффициента полезного действия». Бернулли было также получено уравнение, основанное на законе сохранения энергии и носящее теперь его имя. Уравнение Бернулли послужило основой теории такой технической науки, как гидравлика. Серия мемуаров по гидродинамике была написана также Л. Эйлером в середине XVIII столетия. Им было введено понятие давления, а также установлены общие уравнения гидродинамики и уравнения неразрывности. В 1749 г. Эйлер внес существенные усовершенствования в изобретенную Я. Сегнером гидравлическую машину («Сегнерово колесо»). Теоретической основой расчета гидравлических турбин явилась работа Эйлера «Более полная теория машин, приводимых в движение реакцией воды» (1754г.).

Труды Сегнера и Эйлера оказались исключительно важными для конструирования и расчета турбин и не потеряли своего значения вплоть до наших дней. Эйлером была решена также задача расчета производительности гидравлической машины, соответствующей данному падению уровней и данному расходу жидкости. На конкретных примерах он показал, как следует рассчитывать максимальную эффективность турбины при заданных начальных условиях. Три другие работы Эйлера: «Общие начала состояния равновесия жидкостей», «Общие начала движения жидкостей» и «Продолжение исследований по теории движения жидкостей», вышедшие в записках Берлинской академии (1755-1757 гг.), заложили теоретическую основу гидродинамики как науки.

Большое значение для развития технических наук имела разработка во второй половине XVIII в. научно обоснованного экспериментального анализа работы машин и различных технических устройств. Особенно важных результатов в этой области достиг известный английский инженер Джон Смитон. Им были построены и изучены в действии лабораторные модели водяных колес и ветряков. В 1759 г. на заседании Лондонского Королевского общества он сделал доклад «Экспериментальное исследование природной мощи воды и ветра». Задача проведенного исследования состояла в подборе нагрузки машины и скорости движения воды и ветра, при которых эффект был бы максимальным. Эффект измерялся работой, совершенной водой (или ветром) за один и тот же промежуток времени. Исследования Д. Смитона позволили внести ясность в важные практические вопросы машиностроения, по которым в то время существовали большие разногласия и рекомендации различных авторов расходились между собой.

В рассматриваемый период в связи с растущими запросами артиллерии получает развитие баллистика. В 20-х годах XVIII в. оригинальные эксперименты в этой области были проведены Д. Бер-нулли, изучавшим движение сферического снаряда, выпущенного в вертикальном направлении. Эти опыты привлекли к занятиям баллистикой Л. Эйлера, рассмотревшего в своей «Механике» вопрос о движении тела в среде, сопротивление которой пропорционально той или иной степени скорости.

Во время своего пребывания в Берлине Эйлер перевел с английского на немецкий язык вышедшую в 1742 г. книгу Б. Робинса «Новые принципы артиллерии». При переводе эта книга была дополнена собственными исследованиями Эйлера, которые по значению и объему существенно превосходили труд Робинса.

Таким образом, технические науки, представляющие собой различные разделы механики, складывались в этот период (конец XVII - середина XVIII в.) под влия-шем запросов техники; например, баллистика удовлетворяла запросы артиллерии; сопротивление материалов появилось в результате развития машиностроения и строительного дела; гидравлика раз-шала проблемы, возникающие в процессе развития строительного дела. При этом выявились два пути формирования технических наук идин путь вел к последующему отделению той или иной прикладной дисциплины, примером чего может служить внешняя баллистика. Другой путь приводил к постепенному^ формированию соответствующей теоретической области механики, например, науки о сопротивлении материалов и теории упругости [23].

Начиная примерно с середины XVII в. получает развитие теплотехника. Зарождение теплотехнических знаний тесно связано с развитием учения о теплоте. В уже упомянутом нами капитальном труде Б Бели-дора «Гидравлическая архитектура», вышедшем в 1737 г., делается попытка установить связь работы тепловых машин с соответствующей теорией - законами, характеризующими упругие свойства воздуха и пара. Кинетическая теория тепла возникла не сразу [24]. Наиболее глубокое и последовательное объяснение ряда тепловых процессов было сделано М. В. Ломоносовым. В его работе «Размышления о причине теплоты и холода» (1745 г.) правильно определена природа тепловых явлений. В сочинении 1748 г. «Опыт теории упругости воздуха» Ломоносов развивает теорию теплоты и дает основы молекулярно-кинетической теории газов. Исследования М. В. Ломоносова по теории теплоты были высоко оценены Л. Эйлером, который писал: «Все сии сочинения не токмо хороши, но и превосходны, ибо изъясняют физические и химические материи самые нужные и трудные, кои совсем неизвестны и невозможны были к истолкованию» [25].

Михаил Васильевич Ломоносов (1711-1765 гг.)

Экспериментальные исследования, необходимые для дальнейшего развития теплотехники, нашли отражение в трудах Блека (1764 г.), Дж. Уатта (1766-1767 гг.), Бе-таыкура (1792 г.), М. Прони (1796 г.) и др.

Таким образом, в первой половине XVIII в. в итоге все возрастающих запросов техники (появление насосов и тепловых двигателей) создается теоретическая основа, позволяющая работать над созданием нового типа двигателя - паровой машины. Начиная примерно с середины XVIII в. получают развитие исследования по электричеству. В 30-х годах XVIII в. французский физик Шарль Франсуа Дюфе сконструировал прибор для обнаружения и измерения электричества - прототип электроскопа. Многих выдающихся ученых второй половины XVIII века (М. В. Ломоносов, Ш. О. Кулон, В. Франклин, Г. Кавен-диш, П. Лаплас, А. Вольта, Д. Пристли, Г. В. Рихман и др.) занимал вопрос о природе электричества и его свойствах.

После того как в 1752 г. Далибаром и Франклином была доказана электрическая природа грозы, изучение электричества получило новый практический стимул в связи с поисками наилучших систем грозозащиты. 25 ноября 1753 г. М. В. Ломоносов от имени Петербургской Академии наук поставил перед учеными всего мира такую задачу: «Сыскать подлинную электрической силы причину и составить точную ее теорию». В том же году М. В. Ломоносов и Г. В. Рихман продолжили опыты по изучению атмосферного электричества, в результате которых ими были созданы разнообразные «громовые машины» - специальные стационарные установки, представляющие собой металлический шест, укрепленный на дереве или крыше и соединенный с приборами, находящимися в доме, с помощью проволоки, подвешенной на шелковых шнурках. Во время одного из опытов с «громовой машиной» Рихман зарядил лейденскую анку атмосферным электричеством. Это послужило еще одним доказательством тождества атмосферного и «лабораторного» электричества.

Важнейшим итогом развития науки об электрических и магнитных явлениях в XVIII в. было открытие количественного закона электрических и магнитных взаимодействий. Этот закон был открыт английским физиком Г. Кавендишем и независимо от него французским ученым и инженером Ш. О. Кулоном.

Накопленный опыт создания и применения электростатических машин, лейденских банок (конденсаторов), «электрических указателей», «молниеотводов» и других устройств и приборов не только обусловил переход от простых наблюдений к установлению количественных соотношений, связей, но и стимулировал зарождение первых научных технических знаний в этой области. Как техническая дисциплина электротехника сформировалась лишь к концу XIX в.

'Громовая машина' 1753 г. Рисунок М. В. Ломоносова

Значительное развитие в XVIII в. получила техническая оптика, и особенно теория ошибок (аберраций) оптических систем. Возникнув как наука еще в начале XVII в. [26], оптика, по словам Ф. Энгельса, достигла «исключительных успехов благодаря практическим потребностям астрономии...» (Маркс К., Энгельс Ф. Соч., т. 20, с. 348).

Первые оптические приборы и инструменты (зрительные трубы, телескопы, микроскопы и другие) получают широкое распространение уже в XVII в. Для удовлетворения растущих требований астрономии и военного дела разрабатывают и строят многочисленные конструкции. Это, в свою очередь, приводит к разработке теории расчета и конструирования оптических приборов. Зарождается техническая оптика как наука. В отличие от естественной науки - физической оптики, объектом исследований которой служит свет, его природа и свойства, объектом исследований технической оптики являются оптические приборы и системы.

Первые попытки создания теории оптических систем встречаются в трудах И. Кеплера, Р. Декарта, Я. Гевелия и других ученых XVII в. Умы многих выдающихся деятелей XVII и XVIII вв. занимал вопрос о повышении качества изображения, даваемого телескопом. Если сферическую аберрацию умели исправлять еще во времена Р. Декарта, то с хроматической аберрацией дело обстояло значительно сложнее. Это объяснялось тем, что И. Ньютон считал ахроматизацию оптических систем вообще невозможной. Его непререкаемый авторитет почти на столетие отодвинул вопрос о возможности исправления хроматических аберраций. Леонард Эйлер был в числе первых ученых, резко выступавших против утверждения Ньютона о невозможности построения ахроматических линз. В 1747 г. он впервые высказал идею о возможности создания ахроматического объектива.

Как известно, открытие ахроматических систем почти всегда связывают с именами Ч. Холла и Д. Доллонда и при этом очень часто забывают громадную заслугу Л. Эйлера. Сам Эйлер излагал историю ахроматических систем следующим образом: «Наше мнение вскоре же подверглось яростным нападкам со стороны покойного Доллонда, который еще долгое время считал, что доказательство великого Ньюдона обосновано настолько прочно, что не может быть ошибочным. Для подкрепления своего мнения он приступил к опытам над преломлением различных прозрачных веществ, в особенности разных сортов стекла. Эти опыты вполне подтвердили мое мнение, и Доллонд принужден был признать свою ошибку. Без сомнения, именно это важное открытие заставило искусного мастера с жаром приняться за усовершенствование обычных линз» [27].

Воспользовавшись идеей Эйлера, английский оптик Джон Доллонд применил для ее реализации два сорта стекла с различной относительной дисперсией - кронглас и флинтглас и создал практическую конструкцию ахроматического объектива.

Учитывая важность создания ахроматических оптических инструментов для многих наук, Петербургская Академия поставила в 1762 г. задачу экспериментально и теоретически исследовать оптические системы, свободные от сферических и хроматических аберраций. Была премирована работа шведского ученого С. Клингенстиерны. Его труд был напечатан, по решению Академии, в одной книге со статьей Эйлера. В этих двух работах были даны расчеты ахроматических объективов телескопов. Наряду с теоретической стороной вопроса создания ахроматических систем в середине XVIII в. была и другая, не менее важная практическая проблема: изготовление различных сортов стекол для ахроматических объективов. Монополия Д. Доллонда в производстве оптического стекла вызывала среди ученых и стекловаров разных стран стремление самостоятельно изготовить оптическое стекло и раскрыть его химический состав. В России над этим упорно работали М. В. Ломоносов и академик И. Э. Цейгер. Наиболее успешными оказались исследования Цейгера, который обнаружил среди стекол, изготовлявшихся на стекольных заводах под Шлиссельбургом, два стекла, «а именно белое и зеленоватое, которые в рассуждении различного свойства рассеяния цветов с английским флинтгласом и кронгласом совершенно сходствовали» [28].

Независимо от Цейгера разработкой рецептуры приготовления флинта занимался М. В. Ломоносов. Проведя большое число опытов, он установил, что «стекло с суриком много больше делает рефракцию, нежели другое» [29] и что именно его должно употреблять для изготовления эйлеровских ахроматических линз. К сожалению, эти исследования М. В. Ломоносова не были в свое время опубликованы и стали известны лишь в наше время.

Эйлером были произведены расчеты сложных ахроматических систем, состоящих из большого числа стекол (до 10 линз). Эти работы нашли свое завершение в фундаментальной трехтомной «Диоптрике» Эйлера [30], вышедшей в 1769-1771 гг.

Оптические системы Л. Эйлера а - зрительная труба с трехлинзовым ахроматическим объективом; б - неахроматический дублет; в - трехлинзовый ахроматический объектив. На графиках аберраций h - высота падения луча; δS' - величина сферической аберрации

Благодаря трудам русских ученых во главе с М. В. Ломоносовым и Л. Эйлером Россия оказалась на передовом рубеже оптической науки и техники XVIII в. Создание Л. Эйлером теории аберраций оптических систем послужило основанием для дальнейшего развития технической оптики в XIX в. во всем мире.

Расширение торговых связей в мануфактурный период увеличивало спрос на драгоценные металлы - золото и серебро, добыча которых в связи с этим значительно возросла. Это привело к развитию горной техники и возникновению горной науки.

В XVII и начале XVIII в. в России было открыто большое число месторождений медных, серебряных, железных и других руд. Придавая горному делу большое значение, Петербургская Академия наук направляла за границу наиболее способных студентов. Среди них был в 1736 г. и М. В. Ломоносов. В письме к В. Н. Татищеву от 27 января 1749 г. Ломоносов писал: «Главное мое дело есть горная наука, для которой я был нарочно в Саксонию посылай...» [31].

Уже в 1742 г. Ломоносов систематизировал собранные им материалы по горному делу и приступил к составлению труда «Первые основания горной науки». На страницах этого произведения им было дано замечательное для своего времени определение «горной науки». «Наука, - писал М. В. Ломоносов,- которая учит минералы знать, приискивать и приводить в такое состояние, чтобы они в обществе человеческом были угодны, называется горная наука» [32]. Материалы рукописи «Первые основания горной науки» вошли в переработанном виде в знаменитую книгу М. В. Ломоносова «Первые основания металлургии, или рудных дел» (1763 г.).

Чертеж комплексной установки, предложенной М. В. Ломоносовым для проветривания горных выработок и откачки рудничной воды

Уже в самом начале этой книги Ломоносов определяет области знаний, входящие в состав науки о рудном деле. Это описательная минералогия и геология рудных залежей, разведка и разработка рудных месторождений, опробование руд и их металлургическая переработка [33, с. 4].

Огромное научно-историческое значение труда Ломоносова «Первыя основания металлургии, или рудных дел», определяется присущими ему особыми чертами, которые в дальнейшем стали характерными для всей русской горной науки: стремление дать научное объяснение явлений и технических процессов, чтобы на научной основе наметить способы управления этими явлениями [34]. М. В. Ломоносов был убежден в необходимости тесного контакта горной науки с различными областями естествознания и техники и прежде всего с математикой, механикой, химией, геологией и т. п. [34].

В книге «Первыя основания металлургии...» М. В. Ломоносов, кроме того, обобщил научные знания в области металлургии. Так, начиная свой труд с описания металлов и полуметаллов, Ломоносов особо останавливается на «пробирном искусстве», знание которого было необходимо каждому металлургу для проведения анализов рудного сырья и выплавляемых металлов. Приемы пробирного искусства, приведенные в указанном произведении, долгое время оставались в научном обиходе металлургов, а многие из них используются и сейчас. Ломоносов рассматривает также некоторые способы обогащения руд, учит, как надо отделять бедные руды от богатых.

В статье «О вольном движении воздуха, в рудниках примеченном» Ломоносов создал точную, изложенную «математическим порядком» теорию движения воздушных потоков в шахтах. Эту теорию он применил также к изучению движения газов в пещерах и пламенных печах. Значение указанной теории, в частности для металлургии, видно из того, что она дала в руки инженеров верное средство расчета конструкций плавильных печей, всевозможных воздухонагревателей и других агрегатов, в которых движутся нагретые газы.

Касаясь развития металлургии как науки в первой половине XVIII в., нельзя не остановиться на трудах Р. А. Реомюра, одного из виднейших деятелей этой эпохи. В его произведениях, вышедших в начале XVIII в., рассмотрены вопросы цементации и закалки стали, а также получения ковкого чугуна. Реомюр весьма близко подошел к ряду вопросов, связанных с природой железа и стали, и в частности с явлением закалки.

Кроме Реомюра важное по своему практическому содержанию сочинение по металлургии было написано Эмануэлем Сведенборгом. С введением доменной плавки и получением чугуна для широких промышленных нужд перед металлургией возникли новые задачи.

Мы рассмотрели становление технических знаний в различных областях человеческой деятельности. Это позволяет нам сделать вывод, что в период второй половины XVII-XVIII в. зародились технические науки. Этот период характеризуется тем, что для решения практических задач начинает привлекаться научное знание.