Реферат: Развитие техники от простейших орудий труда до космонавтики

Примеры этой храбрости мы видели совсем недавно в Африке. Кафры-зулусы несколько лет тому назад, как и нубийцы, несколько месяцев тому назад – племена, у которых родовые учреждения ещё не исчезли, – сделали то, на что не способно ни одно европейское войско. Вооруженные только копьями и дротиками, не имея огнестрельного оружия, они под градом пуль заряжающихся с казённой части ружей английской пехоты – по общему признанию первой в мире по боевым действиям в сомкнутом строю – продвигались вперёд на дистанцию штыкового боя, не раз расстраивали ряды этой пехоты и даже опрокидывали её, несмотря на чрезвычайное неравенство в вооружении, несмотря на то что они не отбывают никакой воинской повинности и не имеют понятия о строевой службе. О том, что в состоянии они выдержать и выполнить, свидетельствуют сетования англичан по поводу того, что кафр в сутки проходит больше чем лошадь, и быстрее её. У него мельчайший мускул, крепкий, как сталь, выделяется словно плетёный ремень, – говорит один английский художник».

5.      Теория – основа технического развития

«...Важный шаг в изучении природы – это всегда

                                                                         только приближение к истине. Всё, что мы узнаём –

это какое-то приближение… Всё изучается лишь для

      того, чтобы снова стать непонятным или, в лучшем

   случае, потребовать исправления …»

Р. Фейнман

Даже краткий обзор истории развития техники показывает поразительный факт лавинообразного развития современных науки и техники в масштабах истории всего человечества.

Если на переход человека от каменных орудий труда к металлу занял около 2-х миллионов лет; усовершенствование колеса от сплошного деревянного до колеса, имеющего ступицу, спицы  и обод заняло около трех тысяч лет, то за последние «каких-то» 150 лет транспорт изменился от лошадей и деревянных кораблей до современного состояния, о чём, кстати, красноречиво пел Леонид Утёсов в песне «Только глянет над Москвою утро вешнее …».

Причинами этого явления является целый комплекс факторов, основные из которых следующие:

1)  к середине XX века сложились теоретические модели, адекватно описывающие основные известные человеку процессы, происходящие в природе;

2)  неразрывно с развитием теории развивался инструментарий исследования природных процессов и к середине XX века достиг высочайшего уровня;

3)  число сообществ (научно-производственные объединения), вооруженных теорией и инструментарием и производящих новые знания и технику в условиях противоборства различных политических систем необычайно возросло. 

Два последних фактора являются производными от первого, так как только знание является началом, отправной точкой для создания нового.

Представляет интерес история развития «адекватного» мысленного взгляда на материальный мир, каковым является история развития и создания теоретических моделей основных природных процессов: взаимодействия тел различной природы (твердых, жидких и газообразных тел, плазмы); а также структуры и внутренних взаимодействий вещества. Эта тема не является предметом данной работы, однако некоторые положения необходимо рассмотреть.

В частности, известны претензии современных «прочнистов» к Микеланджело, который, наблюдая за процессом откалывания частей своих скульптур, сделал предположение о том, что продольные напряжения в сечении балки распределяются так, как показано на рисунке 1, в то время как реально они распределяются так, как показано на рисунке 2. Тем самым он существенно задержал развитие дисциплины «Сопротивление материалов».

Рисунок 1.                                                 Рисунок 2.

История развития теоретического описания материального мира и процессов, происходящих в нём, неразрывно связана с историей развития техники и не только интересна, но сложна и драматична.

Опираясь на знание, полученное в теории, человек способен создавать то, что не существует в налично данной природной и социальной действительности, но возможно с точки зрения открытых теорией объективных законов [1].

Вообще процесс движения к истине, к познанию человеком мира, своего места в нём и самого себя, наверное, будет длиться пока человек существует. Не случайно древнегреческий философ Сократ говорил: "Я знаю только то, что я ничего не знаю". Тем не менее, факт совершенствования мысленной модели как мира, так и его частей, неоспорим, т.е. мир познаваем и даже может преобразовываться человеком в соответствии с его волей и возможностями, материальной и духовной культурой. Аспект духовной культуры оказался непредсказуемо важным, так как планете и её биосфере реально угрожают антропогенные (вызванные человеческой деятельностью) катастрофы.

Итак, первая теоретическая модель мира, созданная человеком созерцающим, объясняла всё «божественным» происхождением. Однако по мере того как приобретался опыт выживания и совершенствовались мысленные конструкции, что-то удавалось объяснять, пока на самом низком уровне. Например, после создания опытным путем оперения стрел можно было сказать: «Стрела лучше поражает в цель, потому что на другом конце неё есть оперение, а наконечник тяжелее и острее».

В античную эпоху философы высказали мысль о том, что мир весь целиком познать нельзя, но можно по частям. В результате другие философы разделили мир на разные области исследования и назвали эти области науками. Это был важнейший шаг на пути поиска истины, адекватного взгляда на мир. Создавалось бесчисленное множество теорий, достоинства которых наполняли науки жизненной силой. Однако прежде чем произошло появление первой достаточно строгой в современном понимании теории, выполняющейся в заданных определённых рамках и не зависящей от политических систем и т.п.,  прошло более двух тысяч лет. Логически мыслящие люди упражнялись и перебирали огромное число вариантов построения умозрительных конструкций, о чём красноречиво говорит известное ироничное высказывание Декарта: «Нельзя представить себе ничего настолько абсурдного или неправдоподобного, чтобы не быть доказанным тем или иным философом». Однако к строгой в современном понимании теории эти слова, конечно, не имеют отношения.

Но в первую очередь, чем осознанно или неосознанно занялись люди это создание «Теории теорий», т.е. познаваем ли мир вообще; правилами и методами как надо познавать, исследовать объект; логические конструкции;  разработка формального (т.е. независимого от чего бы то ни было) языка математики, которым можно описывать всё. Большинство из этих вопросов рассматривает  «Теория познания».

Теория познания (гносеология, эпистемология) – раздел философии, в котором изучаются проблемы природы познания и его возможностей, отношения знания к реальности, исследуются всеобщие предпосылки познания, выявляются условия его достоверности и истинности. В отличие от психологии, физиологии высшей нервной деятельности и других наук, теория познания как философская дисциплина анализирует не индивидуальные, функционирующие в психике механизмы, позволяющие тому или иному субъекту прийти к определённому познавательному результату, а всеобщие основания, дающие возможность рассматривать этот результат как знание, выражающее реальное, истинное положение вещей … Ставилась задача отыскания абсолютно достоверного знания, которое было бы исходным пунктом и вместе с тем предельным основанием всей остальной совокупности знаний по степени их ценности… Теория познания определяется тем, что её развитие осуществляется на основе … тезиса о единстве диалектики, логики и теории познания [1].

Первым и главным учителем человека в теории познания была и остаётся сама природа, так как при наблюдении за нею пытливый ум обнаруживает  закономерности, которые затем формализует в законы, математические зависимости и реализует в искусственные произведения (художественные, математические, технические и т.д.).

Приведём несколько примеров выявления истины.

«…Замечательно, что колебания и волны независимо от их природы описываются количественно одними и теми же уравнениями!…

О симметрии. Мы уже знаем, что в явлении электромагнитной индукции Максвелл усмотрел порождение вихревого электрического поля переменным магнитным полем. Следующий и уже последний шаг в открытии основных свойств электромагнитного поля был им сделан без какой либо опоры на эксперимент. Точно не известно, какими соображениями руководствовался при этом Максвелл. Это могли быть те же соображения, которые заставили строителей Аничкова моста в Санкт-Петербурге поставить фигуры укрощаемых лошадей по обе стороны дороги; те же соображения, которые не позволяют вам перегружать одну половину комнаты за счёт другой. Это не что иное, как соображения симметрии, но только симметрии не в узком геометрическом смысле, а понимаемой более широко.

Свойства симметрии глубоко заложены в природе, и, по-видимому, именно поэтому симметрия воспринимается нами как необходимая гармония окружающего мира. В электромагнитных явлениях, конечно, речь идёт не о той внешней красоте и изяществе, которая может быть присуща тому, что мы наблюдем непосредственно с помощью органов чувств. Здесь речь может идти о той внутренней стройности, гармоничности и единстве, которую открывает природа перед человеком, стремящемся постичь её изначальные законы. Чувствуя эту гармонию в природе человек, естественно, стремится усмотреть её и там, где факты пока ещё не демонстрируют её с полной наглядностью…» [4].

Одним из удивительных отражений симметрии в природе является изоморфизм (подобие строения и математического описания) звездных и планетных систем к структуре атома. Это явление было обнаружено и показано в работах Ф.А. Гареева [5], и Б.И. Рабиновича [6], когда он исследовал динамику планетного вещества для объяснения сложной структуры колец планеты Сатурн.

Ярким примером поиска закономерности (необходимой для создания полуэмпирической теории обтекания жидкостью и газом острых твердых тел) на основе логического сопоставления различных процессов (это также одно из проявлений симметрии в природе) продемонстрировал В.А. Бужинский [7].

« … Из сделанного обзора следует, что применение существующих теоретических методов для определения сопротивления даже простых пластин и панелей, совершающих колебания в жидкости, и тем более для исследования колебаний жидкости в баках с демпфирующими перегородками сопряжено с практически непреодолимыми трудностями. Все попытки получить асимптотическое решение уравнений Навье-Стокса путём разложения в ряд по числам Рейнольдса и Келегана-Карпентера окончились безрезультатно… Общее теоретическое решение проблемы совершено другим путём было получено после знакомства с небольшой книгой Работнова по линейной механике разрушения… Трещина в упругом теле и пластина в идеальной несжимаемой жидкости имеют не только очевидное внешнее сходство… С математической точки зрения решения этих задач имеют одинаковые особенности в окрестности острых кромок областей. Возникла идея перенесения методов теории механики деформируемого твёрдого тела в область гидродинамики при рассмотрении колебаний пластин в несжимаемой маловязкой жидкости. Эта идея оказалась плодотворной …»

В предисловии к учебнику [8] авторы изложили свои взгляды, по которым можно оценить степень понимания предмета человеком-исследователем: «Степень глубины физического понимания характеризуется умением применять для анализа различных явлений наиболее общие, фундаментальные законы. При анализе конкретных примеров и задач в разных разделах книги показывается, как, например, применение закона сохранения энергии позволяет решить задачу проще, взглянуть на неё с более общих позиций и, что особенно важно, часто даёт возможность, найти ответ на некоторые вопросы, касающиеся тех явлений, для которых нам не известны описывающие их конкретные законы. Для глубокого понимания физики необходимо чёткое осознание степени общности различных физических законов, границ их применимости, их места в общей физической картине мира.

Книга не перегружена формулами. Там, где это возможно и не идёт в ущерб строгости изложения, авторы стремились максимально использовать качественные соображения. По мнению одного из величайших физиков Э. Ферми, «…физическая сущность действительно понимаемого вопроса может быть объяснена без помощи сложных формул». В умении объяснить сущность вопроса «на пальцах» и заключается истинное понимание уравнений, выражающих физические законы».

Несмотря на то, что приведены современные примеры проникновения в тайны природы общий подход, видимо, был всегда один и тот же.

На сегодняшний день, прежде чем некоторую логическую систему умозаключений научное сообщество признает, как строгую теорию, она должна пройти комплексную проверку, как с точки зрения полномасштабного экспериментального подтверждения, так и с точки зрения отсутствия логической противоречивости и согласованности с имеющимся общепризнанным научно-техническим материалом.

5.1. Гипотеза - предшественник теории

Предшественником строгой теории является гипотеза. Необходимость в гипотезе возникает, как правило, в проблемной ситуации, когда обнаруживаются факты, выходящие за пределы возможностей объяснения существующей теорией.

Гипотеза (греч. hypothesis – основание, предположение, от hypó – под, внизу и thésis – положение то, что лежит в основе, – причина или сущность), научное допущение или предположение, истинное значение которого не определено.

 И сама гипотеза не возникает сразу, а проходит определенные стадии формирования. Первоначально это весьма предварительное предположение, догадка, вытекающая из наблюдения новых явлений, но это еще не гипотеза в собственном смысле слова.

 Догадка может носить зыбкий, неустойчивый характер, подвергаться модификациям, переборам различных вариантов допущений.

В результате формируется сама гипотеза как наиболее вероятное предположение. Затем осуществляется проверка сделанных допущений путем наблюдения, эксперимента, что или подтверждает гипотезу, поднимая ее на пьедестал теории или опровергает ее целиком либо частично. Гипотеза может не только подтверждается или опровергается, но и уточняться или исправляться.

В части верификации (подтверждения) гипотезы исключительно важным методом научного исследования в наши дни становится метод моделирования, который предполагает изучение объекта по его модели.

Особенность моделирования заключается в том, что оно осуществляется и на эмпирическом и на теоретическом уровне познания и при переходе одного уровня к другому. Моделирование  имеет своим объективным основанием принцип отражения, подобия, аналогию и относительную самостоятельность формы.

Моделью называется некоторая материальная или мысленная  система,  которая сходна с объектом исследования и способна заменять его в познавательном процессе.

Когда модель имеет с оригиналом одинаковую физическую  природу, то мы имеем дело с физическим моделированием (физическая модель – сходство физических свойств).

Когда явление описывается системой уравнений, то такое моделирование называется математическим. Знаково-логическим моделирование   называется, если некоторые стороны моделируемого объекта мы представляем в виде формальной  системы с помощью знаков, которая затем изучается с целью переноса полученных сведений на  сам моделируемый объект.

Обоснование и доказательство гипотезы, прежде чем она переходит ранг теории, осуществляются путем анализа накопленного знания, сопоставления его с уже известными эмпирическими фактами, с установленными новыми фактами и с теми фактами, которые прогнозируются и могут быть установлены в будущем.

Кроме того, гипотеза часто имеет вспомогательное, но исключительно большое эвристическое значение; она помогает делать открытия. Как правило, построение гипотез – наиболее трудная часть работы теоретической  мысли.

До сих пор не найдено ни одного метода, который сделал бы возможным выдвижение гипотез по определенным правилам – это порождения интуиции ученого, его воображения, а иногда фантазии. Здесь уместно вспомнить ироничное, но не лишённое «рационального зерна», высказывание Нильса Бора: «Теория должна быть достаточно безумной, чтобы быть правильной».

Часто, в том числе и в литературе можно встретить выражение типа теория оказалась неправильной, теория «лопнула» и т.д.

Однако к строгой теории в современном понимании такие высказывания не применимы, потому что в такой теории всегда оговариваются рамки её действия (в допущениях) и в этих рамках основные положения доказываются и экспериментально и логически.

Т.е. теория, к которой аргументировано применено выражение, что она «лопнула» на самом деле является либо надуманной лжетеорией, либо неудачной гипотезой.

Первая действительно строгая теория, описывающая движение механических объектов в известных рамках – «Механика Ньютона», явилась беспрецедентным толчком не только для технического прогресса, но и для дальнейшего совершенствования теорий в других областях знания.

5.2. Теория – высшая форма организации научного знания

 

Теория (греч. theoría, от theoréo — рассматриваю, исследую ), в широком смысле – комплекс взглядов, представлений, идей, направленных на истолкование и объяснение какого-либо явления; в более узком и специальном смысле – высшая, самая развитая форма организации научного знания, дающая целостное представление о закономерностях и существующих связях определённой области действительности – объекта данной теории [1].

  В современной методологии науки принято выделять следующие основные компоненты теории: 1) исходную эмпирическую основу, которая включает множество зафиксированных в данной области знания фактов, достигнутых в ходе экспериментов и требующих теоретического объяснения; 2) исходную теоретическую основу — множество первичных допущений, постулатов, аксиом, общих законов, в совокупности описывающих идеализированный объект; 3) логику теории – множество допустимых в рамках теории правил логического вывода и доказательства; 4) совокупность выведенных утверждений с их доказательствами, составляющую основной массив теоретического знания [1].

Возвращаясь к тому факту (симметрия, подобие), что многие явления и создания природы, казалось бы, никак не сопоставимые друг с другом (например, орбиты планет и электронов; колебания пружины, волны и электромагнитной волны и т.д. ) имеют некую общую взаимосвязь, необходимо отметить, что многие учёные ставили перед собой цель отыскания универсального закона объединяющего все явления и предметы.

В частности известно, что А. Эйнштейн в последние годы жизни много работал над созданием единой теории поля [2]. Её смысл главным образом заключается в том, чтобы с помощью одного-единственного уравнения описать взаимодействие трёх фундаментальных сил: электромагнитных, гравитационных и ядерных…

Чувствуя единство природы Гёте в одном из своих произведений написал: «Теория сама по себе ни к чему. Она полезна лишь поскольку даёт нам веру в связь явлений».

Как один из примеров создания новой техники в следующем разделе более подробно рассмотрен  процесс появления и совершенствования космических ракетных носителей, и в частности остановимся на проблемах устойчивости их движения.

6. Теория движений изделий космической техники

«Человечество не останется вечно на Земле,

                   но в погоне за светом и пространством сначала

  робко проникнет за пределы атмосферы, а затем

завоюет себе всё околосолнечное пространство»

К.Э. Циолковский

6.1. Краткая история развития космонавтики

Многие историки науки и техники считают, что первые предшественники ракеты были «огненные стрелы», изобретенные в Китае. Однако не говорится о том, что их прообразами явились стрелы обыкновенные. И действительно, одними из первых «искусственных» предметов запущенных человеком в воздух были не только камни, но затем копья, а в последствии стрелы. Другое дело, что движущей силой для них являлись на первых порах рука человека и упругая тетива лука.

Далее с изобретением в Китае в IX веке пороха появилась мысль об управляемом взрыве, а точнее горении (также как в последствии об управляемой ядерной цепной реакции), и появились т.н. стрелы Хо-Цзян – «огненные стрелы».

Российский историк В. Сокольский описывает, что они представляли собой обычную стрелу, к древку которой прикреплялась бамбуковая или бумажная трубка. Трубка наполнялась порохом или аналогичным составом, который поджигался при помощи фитиля [2].

Твёрдотопливные пороховые ракеты появились в Китае в 10 в. н. э. На протяжении сотен лет такие ракеты применялись сначала на Востоке, а затем в Европе как фейерверочные, сигнальные, боевые.  

Страницы: 1, 2, 3, 4