История инженерной деятельности - В. Морозов

Складывались условия для научной революции, формирования новой науки, основанной на эксперименте, опыте. Постепенно в недрах цехового производства развивается капиталистическая мануфактура, которая пока все еще основывается на ручном труде: машины продолжают заменять лишь физическую силу человека. Мануфактуры не могли обойтись без достаточно усовершенствованной механической техники: подъемных приспособлений, печатных, маслобойных и монетных прессов, ткацких станков, бумажных и пороховых толчей, обычно с кулачковыми приводами, и т.п. В качестве энергетической системы применялись водяные колеса-приводы с использованием силы людей и животных, ветряные мельницы (при помоле муки). Такой была техника развивающихся мануфактур.

В период ХVI-XVII вв. появляется целый ряд сочинений инженеров, в частности, Агостино Рамелли (1530-1590), Генриха Цейзинга (ок. 1560-1613), Соломона де Ко (1576-1630), Каспара Шотта (1591-1670) и др. Теоретическое сочинение по механике «Теория равновесия простых машин» написал около 1577 г. Гвидо Убальдо дель Монтес (1545-1667), тосканский военный инженер. Через 20 лет, в 1597 г., Буонай Уто Лорини, военный инженер, служивший у Козимо Медичи, выпустил трактат «Об укреплениях», в котором свой практический опыт подтверждает теоретическими изысканиями. Он обращает внимание, в частности, на тот факт, что при расчете равновесия рычага нельзя исходить лишь из веса нагрузок и их расстояния от точки подвеса, но следует учитывать и собственный вес рычага.

Расширяются познания и в строительной механике. Итальянский математик Б.Бенедетти уже знает основы теории статических моментов; предполагает, что тела падают с одинаковой скоростью вне зависимости от их веса. Голландский инженер Симон Стевин (1568-1620) разработал теорию наклонной плоскости и установил, что если три силы находятся в равновесии, то их значения относятся как стороны треугольника, параллельные этим силам.

Появляется много машин, оснащенных новыми механизмами. А. Рамелли в сочинении «Разнообразные и искусные машины» (1588 г.) привел изображения передаточных механизмов – зубчатых, винтовых, цепных - и дал описание различных, конструкций насосов. Профессор математики Вюрцбургского университета Шотт описал сложные установки, например, систему механизмов пивоваренного завода.

Развитие инженерной деятельности, вызванное с усложнением машин, заставило обратиться к вопросам прав собственности по отношению к профессиональным секретам. Отдельные патенты выдавались и в середине века. К концу ХV в. Венеция имела уже достаточно развитую патентную систему. В ХVІ в. патенты и привилегии широко выдаются во Франции, Нидерландах, в империи Габсбургов.

В конце ХVІ и на протяжении ХVII в. в теоретическом естествознании, математике и механике происходит длинная цепь открытий и разработка теорий. Результатом интенсивной деятельности ученых оказалась новая система миропознания. Этот период вошел в историю под названием научная революция: разрушались устоявшиеся представления о мире, природе, материи и движении, происходила крутая ломка уже сложившихся объяснений явлений природы, их использования, формировался новый метод мышления. Революция в науке началась с открытий Н. Коперника. Затем И. Кеплер (1571-1630), «упорядочил» Солнечную систему. Для механики наибольшее значение имели открытые И. Кеплером три закона движения планет вокруг Солнца, которые гласили:

I. Планеты движутся по эллипсам, в одном из фокусов которых находится Солнце;

II. Площади, описываемые радиусом – вектором планеты, в равные времена, равны между собой;

III. Квадраты времен обращения планет относятся как кубы их средних расстояний от Солнца.

Первые два закона Кеплер опубликовал в сочинении «Новая астрономия» в 1609 г., третий – в 1619 г. в трактате «Гармония мира». В динамике он высказал ряд мыслей об инерции и о притяжении тел как о всеобщем законе.

Зачинателем и теоретиком экспериментального метода в естественных науках считается английский философ и государственный деятель Френсис Бэкон (1561-1626). Нельзя сказать, что его личный вклад в естествознание был значительным. Вместе с тем Бэкон обосновал экспериментальный метод исследования, объявил физику «матерью всех наук» и отделил науку от теологии. Для этого надо было иметь немалое мужество и смелость. Начиная с ХVII в. экспериментальный метод становится господствующим, а главные интересы ученых сводятся к задачам механики. Даже революция в математике была обусловлена развитием науки о движении и о силах, его производящих.

Этот период характеризуется широкой постановкой и решением задач механики. Ученые систематизировали познания по статике, а полученные законы применяли для решения проблем прочности материалов и гидравлики. На основе динамических идей схоластов разрабатывается динамика, которая сразу, же распространяется на баллистику, решаются задачи геометрии движений, и, пожалуй, лишь учение о машинах остается на уровне чистого описания, так как рабочие скорости были ничтожны и для расчета действия машин достаточно было элементарных законов статики.

В 1586 г. в Лейдене был опубликован на фламандском языке трактат о статике, который написал Симон Стевин. Автор стремится «очистить» статику от несвойственных ей учений, поэтому «отбрасывает» движение машин, сопротивления в машинах и те доказательства теорем статики, которые основаны на рассмотрении виртуальных скоростей. Интересно предложенное ним решение задачи о равновесии тела на наклонной плоскости. Он исходит из положения о невозможности вечного движения и в этом отношении является приемником Леонардо да Винчи и Кардано.

Симон Стевин внес также важный вклад в развитие гидростатики, предложив принцип отвердения. В соответствии с которым твердое тело плотности, равной плотности воды, будет находиться в воде в состоянии равновесия.

Значительна роль в становлении механики как науки выдающегося ученого Галилео Галилея (1564-1642). Он изучал медицину, а затем математику, к которой тогда относилась механика, оптика, гидравлика, астрономия и часть технических знаний. Физикой же тогда назывались и элементы знаний из биологии, физиологии, геологии и т.п., т.е. то, что можно было бы назвать естественной историей. Занимаясь традиционной механикой схоластов, он все же приоритет отдавал практической механике. В 1594 г. Галилей прочел в Падуанском университете курс лекций по механике, который был опубликован в Париже лишь в 1634 г. Содержание этих лекций относится, собственно, к статике машин. Следуя учению Аристотеля, Галилей оценивает действие машины с помощью «момента» - произведения величины груза на скорость. Он указывает, что при рассмотрении машины нужно знать следующие составляющие: переносимый груз, перемещающую его силу, расстояние переноса и время, которое следует на это затратить. Большое внимание Галилей уделяет изучению движения тел по наклонной плоскости и приходит к формулировке закона падения тел, который стал основополагающим положением новой динамики. Ему принадлежат и другие важные положения, в частности, закон независимого действия сил и закон инерции, который Ньютон назвал «галилеевым законом инерции». Галилей активно поддерживал учение Коперника, невзирая на непринятие и осуждение последнего церковью. В 1632 г. он опубликовал «Диалог о двух главнейших системах мира – птолемеевой и коперниковой». «Диалог…» был запрещен церковью, а сам автор привлечен к суду инквизиции и вынужден был отречься от отстаиваемой им теории.

В 1638 г. была издана еще одна книга Галилея - «Рассуждения и математические доказательства о двух Новых науках». С этой книги начинается история механики материалов и строительной механики. Здесь автор выясняет понятия растяжения и сжатия тел под действием нагрузки, исследует изгиб консольной балки и балки на двух опорах. Правда, не все его выводы оказались правильными. Например, он предположил, что напряжения распределяются равномерно по сечению и в случае растяжения, и в случае изгиба. Галилей выяснил также, что полые балки прочнее тех, которые имеют сплошные сечения. Именно такие балки находят разнообразные применения в технике, а еще чаще в природе (кости птиц, тростники и др.).

Продвижению механики вперед способствовали работы в области теории удара чешского ученого профессора Карлова университета в Праге Иоганна Маркуса Марци (1595-1667). Он рассматривает соударение сферических твердых тел, движущихся по прямой друг против друга, и формулирует четыре закона, очень важных для дальнейшего развития механики.

Значительную работу в области механики проделал ученик Галилея Эванджелиста Торричелли (1608-1647). Продолжая исследования своего учителя, он обобщил знания о брошенном теле, рассмотрев случай, когда тело брошено под углом к горизонту. Успешно занимался он и механикой жидкости – изучал течения жидкостей через узкое отверстие, находящееся в нижней части сосуда.