Развитие идей теории механизмов и машин в теории автоматического регулирования и нанотехнонауке

В статье рассматривается история теории механизмов и машин c философской точки зрения и в контексте развития ее идей в современной науке и технике, прежде всего теории автоматического регулирования и нанотехнологии. В основе данной работы лежат исследования истории возникновения теории механизмов и...

Full description

Saved in:

Bibliographic Details
Date:	2011
Main Author:	Горохов, В.Г.
Format:	Article
Language:	Russian
Published:	Центр досліджень науково-технічного потенціалу та історії науки ім. Г.М. Доброва НАН України 2011
Series:	Наука та наукознавство
Subjects:	Історія науки
Online Access:	http://dspace.nbuv.gov.ua/handle/123456789/49291
Tags:	Add Tag No Tags, Be the first to tag this record!
Journal Title:	Digital Library of Periodicals of National Academy of Sciences of Ukraine
Cite this:	Развитие идей теории механизмов и машин в теории автоматического регулирования и нанотехнонауке / В.Г. Горохов // Наука та наукознавство. — 2011. — № 3. — С. 106-127. — Бібліогр.: 671 назв. — рос.

Institution

Digital Library of Periodicals of National Academy of Sciences of Ukraine

id	irk-123456789-49291
record_format	dspace
spelling	irk-123456789-492912013-09-16T03:03:48Z Развитие идей теории механизмов и машин в теории автоматического регулирования и нанотехнонауке Горохов, В.Г. Історія науки В статье рассматривается история теории механизмов и машин c философской точки зрения и в контексте развития ее идей в современной науке и технике, прежде всего теории автоматического регулирования и нанотехнологии. В основе данной работы лежат исследования истории возникновения теории механизмов и машин, проведенные Алексеем Николаевичем Боголюбовым, которые являются прекрасным образцом для анализа других технических наук. Механические аналогии часто критикуют как механицизм. Однако в истории науки существует множество примеров успешного применения механистической методологии для объяснения природных явлений. По сути дела механистическим объяснением оперирует сегодня и нанотехнология, в которой гибридные наномашины часто рассматриваются как своего рода «механический механизм». У статті розглядається історія теорії механізмів і машин з філософської точки зору та у контексті розвитку її ідей в сучасній науці й техніці, насамперед теорії автоматичного регулювання і нанотехнології. В основу даної праці покладено дослідження історії виникнення теорії механізмів і машин, проведені Олексієм Миколайовичем Боголюбовим, які є прекрасним зразком для аналізу інших технічних наук. Механічні аналогії часто критикують як механіцизм. Однак в історії науки існує безліч прикладів успішного застосування механістичної методології для пояснення природних явищ. По суті справи механістичним поясненням оперує сьогодні й нанотехнологія, де гібридні наномашини часто розглядаються як свого роду «механічний механізм». The article contains an account on the history of the theory of mechanisms in the philosophy context and in the context of their ideas development in the modern science and technology, especially in the theory of servomechanisms and nanotechnology. Emphasis is made on investigations of the origins and the theory of mechanisms, made by O. M. Bogolyubov, which offers an excellent model for historical studies on other engineering sciences. Mechanical analogies are often criticized as the mechanistic approach. But science history has a great many cases of successful applications of the mechanistic methodology to explain natural phenomena. The mechanistic methodology is now engaged by nanotechnology, where hybrid nanomachines are treated as a kind of «mechanistic mechanisms». 2011 Article Развитие идей теории механизмов и машин в теории автоматического регулирования и нанотехнонауке / В.Г. Горохов // Наука та наукознавство. — 2011. — № 3. — С. 106-127. — Бібліогр.: 671 назв. — рос. 0374-3896 http://dspace.nbuv.gov.ua/handle/123456789/49291 ru Наука та наукознавство Центр досліджень науково-технічного потенціалу та історії науки ім. Г.М. Доброва НАН України
institution	Digital Library of Periodicals of National Academy of Sciences of Ukraine
collection	DSpace DC
language	Russian
topic	Історія науки Історія науки
spellingShingle	Історія науки Історія науки Горохов, В.Г. Развитие идей теории механизмов и машин в теории автоматического регулирования и нанотехнонауке Наука та наукознавство
description	В статье рассматривается история теории механизмов и машин c философской точки зрения и в контексте развития ее идей в современной науке и технике, прежде всего теории автоматического регулирования и нанотехнологии. В основе данной работы лежат исследования истории возникновения теории механизмов и машин, проведенные Алексеем Николаевичем Боголюбовым, которые являются прекрасным образцом для анализа других технических наук. Механические аналогии часто критикуют как механицизм. Однако в истории науки существует множество примеров успешного применения механистической методологии для объяснения природных явлений. По сути дела механистическим объяснением оперирует сегодня и нанотехнология, в которой гибридные наномашины часто рассматриваются как своего рода «механический механизм».
format	Article
author	Горохов, В.Г.
author_facet	Горохов, В.Г.
author_sort	Горохов, В.Г.
title	Развитие идей теории механизмов и машин в теории автоматического регулирования и нанотехнонауке
title_short	Развитие идей теории механизмов и машин в теории автоматического регулирования и нанотехнонауке
title_full	Развитие идей теории механизмов и машин в теории автоматического регулирования и нанотехнонауке
title_fullStr	Развитие идей теории механизмов и машин в теории автоматического регулирования и нанотехнонауке
title_full_unstemmed	Развитие идей теории механизмов и машин в теории автоматического регулирования и нанотехнонауке
title_sort	развитие идей теории механизмов и машин в теории автоматического регулирования и нанотехнонауке
publisher	Центр досліджень науково-технічного потенціалу та історії науки ім. Г.М. Доброва НАН України
publishDate	2011
topic_facet	Історія науки
url	http://dspace.nbuv.gov.ua/handle/123456789/49291
citation_txt	Развитие идей теории механизмов и машин в теории автоматического регулирования и нанотехнонауке / В.Г. Горохов // Наука та наукознавство. — 2011. — № 3. — С. 106-127. — Бібліогр.: 671 назв. — рос.
series	Наука та наукознавство
work_keys_str_mv	AT gorohovvg razvitieidejteoriimehanizmovimašinvteoriiavtomatičeskogoregulirovaniâinanotehnonauke
first_indexed	2025-07-04T10:18:03Z
last_indexed	2025-07-04T10:18:03Z
_version_	1836711185060200448
fulltext	Science and Science of Science, 2011, № 3106 Історія науки Вопрос о том, как писать историю науки с философской точки зрения, является одной из важнейших проблем современной философии науки. В свя- зи с преподаванием курса истории и философии науки в России для аспи- рантов всех1специальностей эта про- блема становится практической зада- чей написания рефератов по истории науки аспирантами, только еще входя- щими в науку. Это дает им ретроспек- тивный взгляд на собственную спе- циальность и в то же время позволяет взглянуть на научную деятельность и ее социальную роль в целом, выйдя за рамки узкой дисциплинарности. Кро- ме того, современному ученому при- ходится объяснять суть своей деятель- ности не только коллегам, узкого круга специалистам, но и общественности, Статья подготовлена в рамках проекта РФФИ «Технонаука в обществе знаний: методологиче- ские проблемы развития теоретических исследо- ваний в технических науках» № 09-06-00042. заказчикам и ученым других специ- альностей, которые по отношению к иным дисциплинам также являются дилетантами. Это позволяет развить такого рода способность у будущих ученых, а сделать это можно, только выйдя в рефлексивную позицию по от- ношению к собственной научной дея- тельности, т.е. с точки зрения филосо- фии науки. Собственно говоря, имен- но такого рода исследование истории науки и техники на конкретных при- мерах (Case Studies, Fallstudien) было провозглашено философами науки в середине двадцатого столетия. Образцы такого исследования мы находим в работах ведущих филосо- фов науки, проводивших рациональ- ную реконструкцию истории науки, историко-критический анализ гене- зиса концептуальных структур нау- ки, исследование социальных аспек- тов развития науки на конкретном В.Г. Горохов Развитие идей теории механизмов и машин в теории автоматического регулирования и нанотехнонауке В статье рассматривается история теории механизмов и машин c философской точки зрения и в контексте развития ее идей в современной науке и технике, пре- жде всего теории автоматического регулирования и нанотехнологии. В основе данной работы лежат исследования истории возникновения теории механизмов и машин, проведенные Алексеем Николаевичем Боголюбовым, которые явиляются прекрасным образцом для анализа других технических наук. Механические ана- логии часто критикуют как механицизм. Однако в истории науки существует множество примеров успешного применения механистической методологии для объяснения природных явлений. По сути дела механистическим объяснением опери- рует сегодня и нанотехнология, в которой гибридные наномашины часто рассма- триваются как своего рода «механический механизм». © В.Г. Горохов, 2011 РАЗВИТИЕ ИДЕЙ ТЕОРИИ МЕХАНИЗМОВ И МАШИН В ТЕОРИИ АВТОМАТИЧЕСКОГО РЕГУЛИРОВАНИЯ И НАНОТЕХНОНАУКЕ Наука та наукознавство, 2011, № 3 107 историко-научном материале. Одна- ко, как указывал Макс Вебер, важно познать исторически значимое «в ин- дивидуальном своеобразии явления», в его культурном значении: «…ничто не может быть опаснее, чем коренящееся в натуралистических предубеждениях смешение теории и истории, в форме ли веры в то, что в теоретических по- строениях фиксировано «подлинное» содержание, «сущность» историче- ской реальности, или в использовании этих понятий в качестве прокрустова ложа, в которое втискивают историю … «Идеальный тип» … есть нечто, в от- личие от оценивающего суждения, со- вершенно индифферентное и не имеет ничего общего с каким-либо иным, не чисто логическим «совершенством» … конструируя идеальный тип или идеально-типическое развитие, иссле- дователи часто пытаются придать им большую отчетливость посредством привлечения в качестве иллюстрации эмпирического материала историче- ской действительности. Опасность этого самого по себе вполне законного метода заключается в том, что исто- рическое знание служит здесь теории, тогда как должно быть наоборот. Тео- ретик легко склоняется к тому, что- бы рассматривать данное отношение как само собой разумеющееся или, что еще хуже, произвольно подгонять теорию и историю друг к другу и про- сто не видеть различия между ними. … «Объективность» познания в обла- сти социальных наук характеризуется тем, что эмпирически данное всегда соотносится с ценностными идеями … каждый индивидуальный идеальный тип составляется из понятийных эле- ментов, родовых по своей природе и превращенных в идеальные типы … и тем самым станет в логическом смысле идеально-типическим, то есть отойдет от эмпирической действительности». Идеально-типические изображения являются идеальными типами не толь- ко в логическом, но и в практическом смысле, а именно стремятся быть «об- разцами», в них отображается то, что исследователь считает в нем суще- ственным, сохраняющим постоянную ценность, может представляться со- временникам практическим идеалом, к которому надлежит стремиться. Но в образовании абстрактных идеаль- ных типов следует видеть не цель, a cpeдство: «Идеальный тип — не «гипо- теза», он лишь указывает, в каком на- правлении должно идти образование гипотез». Если для естественных наук важность и ценность «законов» прямо пропорциональна степени их обще- значимости, то для познания истори- ческих явлений в их конкретных усло- виях, — подчеркивает Вебер, — «наи- более общие законы, в наибольшей степени лишенные содержания, име- ют, как правило, наименьшую цен- ность»»! 1 Именно такой анализ исто- рии науки, преодолевающий разрыв между философскими рассуждениями и чисто фактологическим описанием историко-научных фактов, содержат работы Алексея Николаевича Боголю- бова, в особенности его монографиче- ский труд «Теория механизмов и ма- шин в историческом развитии ее идей» (М.: Наука, 1976). Важной особенно- стью этой работы является ориента- ция на исслледование истории именно одной из первых технических теорий. Появление технических наук, как подчеркивается в многочисленных ис- следованиях в этой области, было обу- словлено развитием машинного произ- водства и требовавшимся для него фор- мированием специалистов — носителей научно-технического образования, т.е. инженеров, а также необходимостью В.Г. Горохов Science and Science of Science, 2011, № 3108 усиления их теоретической подготовки. И именно технические науки становят- ся важным связующим звеном между теоретическим естественнонаучным знанием, инженерной деятельностью и производством. Исследование А.Н. Бо- голюбовым прежде всего развития вза- имоотношений техники и математики (см., например, статью А.Н. Боголю- бова «Математика и технические нау- ки» в журнале «Вопросы философии», 1980, № 2) убедительно показало, что следует говорить о широком развитии теоретических исследований не толь- ко в естественных, но и в технических науках. Становление технических на- ук связано с приданием инженерному знанию формы, аналогичной науке, в результате чего сформировались про- фессиональные общества, подобные научным, были основаны научно- технические журналы, созданы иссле- довательские лаборатории, а матема- тические теории и экспериментальные методы науки были приспособлены к техническим нуждам. В то время, когда происходило становление технических наук, во-первых, научно-технические знания формировались на основе при- менения естественнонаучных знаний к инженерной практике и, во-вторых, выделились в особую систему первые научно-технические дисциплины. Этот процесс в новых областях практики и науки происходит, конечно, и теперь, однако первые образцы такого спосо- ба формирования научно-технических знаний относятся именно к данному периоду. Проведенные А.Н. Боголю- бовым исследования истории возник- новения и развития конкретных тех- нических наук на примере теории ме- ханизмов и машин явились образцом для анализа других технических наук. В данной статье основное внимание уделяется развитию этих теоретических представлений о механизме и машине в современной науке и технике. Обобщение представления о кинематических цепях в теории автоматического регулирования К середине двадцатого столетия развиваются общие методы исследова- ния различных типов цепей — электри- ческих, кинематических, гидравличе- ских и т.п. (рис. 1). В результате теория цепей превратилась в междисципли- нарную техническую теорию. Поня- тия, принципы анализа и математиче- ский аппарат, развитые первоначально в одной из ее частей, например теории электрических цепей, нашли примене- ние в других ее областях. В результате такого расширения области исследования происходит об- мен методами и представлениями раз- Рис. 1. Примеры различной реализации колебательного звена — функционального элемента систем автоматического регулирования2 РАЗВИТИЕ ИДЕЙ ТЕОРИИ МЕХАНИЗМОВ И МАШИН В ТЕОРИИ АВТОМАТИЧЕСКОГО РЕГУЛИРОВАНИЯ И НАНОТЕХНОНАУКЕ Наука та наукознавство, 2011, № 3 109 личных дисциплин, их изучающих, и обобщение этих технических теорий в теории автоматического регулирования. Первоначально различного типа си- стемы автоматического регулирования исследовались и рассчитывались по- разному. Однако постепенно форми- руются общие методы расчета, анализа и синтеза следящих систем. Классиче- ская теория цепей стала постепенно специализированным разделом более широкой научной дисциплины — тео- рии систем. «Отличительной чертой теории систем является ее всеобщность и абстрактность, то, что она математи- чески рассматривает свойства систем, а не их физическую форму. Таким об- разом, для теории систем неважно яв- ляется ли система электрической, ме- ханической или химической. Главным являются математические соотноше- ния между переменными, описываю- щими поведение системы» 3. В период становления теории автоматического регулирования уже появились такие классические технические науки, как, например, теория механизмов и ма- шин и теоретическая радиотехника и электротехника. Поэтому ее форми- рование осуществлялось в двух основ- ных направлениях: во-первых, за счет обобщения уже выработанных в этих дисциплинах теоретических средств и способов решения типовых задач и, во-вторых, в плане развития единого математического аппарата. Первое направление развернулось примерно в 40—50-х годах ХХ века, с одной стороны, на базе обобщения разработанных в теоретической радио- технике способов анализа электриче- ских цепей с помощью так называемых эквивалентных схем соответствующих эквивалентных преобразований,4 а с другой стороны, для классификации и структурного анализа систем авто- матического регулирования (динами- ческих цепей) были использованы и обобщены методы классификации и структурного анализа механизмов, вы- работанные в теории механизмов для исследования кинематических цепей5. При этом стали «пользоваться терми- нами механики в более общем смысле, распространяя их и на иные динами- ческие системы»6. Второе направление начало активно разрабатываться с 50-х годов, когда задачами теории автома- тического регулирования занялись ма- тематики, что способствовало быстро- му развитию линейной теории управ- ления. В результате были разработаны единые математические методы ана- лиза и синтеза систем автоматическо- го регулирования практически любого типа независимо от способа их инже- нерной реализации. «По-видимому, теория автоматического регулирова- ния единственная область техники, целесообразность которой обусловле- на не общностью решаемых проблем или машин, с которыми приходится иметь дело, а с математическими мето- дами» 7. Это привело к выделению особого звена — регулятора — механических, гидравлических, электрических и т.п. устройств, к которым наиболее хорошо применимы данные методы, как объ- екта исследования теории автомати- ческого регулирования. Именно пред- ставление о системе автоматического регулирования легло в основу понятий обратной связи, обобщенного в кибер- нетике не только для разного рода тех- нических систем, но и биологических и даже социальных систем. Система автоматического регулирования вклю- чает в себя контур регулирования, со- стоящий из объекта регулирования и регулятора. Регулятор в простейшем случае призван с помощью измери- В.Г. Горохов Science and Science of Science, 2011, № 3110 тельного устройства контролировать один из параметров регулируемого процесса. При наличии возмущаю- щего воздействия, т.е. отклонения ре- гулируемой величины от некоторого наперед заданного эталона, регулятор автоматически возвращает процесс в исходное состояние, откорректировав его на выявленную величину рассогла- сования эталонной величины и регу- лируемой переменной. Простейшим примером такого автоматического ре- гулятора является регулятор Уатта для механических систем. В электрических цепях регулируется величина тока или напряжения, амплитуда или частота колебаний и т.д. Для обеспечения эффективного функционирования рассматриваемой технической теории — теории автома- тического регулирования — необходимо было ликвидировать разрыв между та- ким единым математическим описани- ем и разнородными поточными и струк- турными теоретическими схемами, к которым оно применялось. Схемы часто заимствовались из соответствующих технических наук без какой-либо пере- стройки. Это стимулировало развитие особых структурных схем, обобщенных по отношению к частным теоретиче- ским схемам теории механизмов, теоре- тической радиотехники и электротехни- ки, гидравлики и т.д. (рис. 2). Первоначально все однородные звенья просто сводились к эквива- лентным кинематическим или элек- трическим схемам, на которых и про- изводились основные расчеты (см., например, рис. 3, где показана экви- валентная электрическая схема мехни- ческого устройства и соответствующие ей математические схемы, построен- ные на основе теории графов). В обобщенных структурных схе- мах теории автоматического регули- рования дается единообразное описа- ние систем автоматического регули- рования независимо от конкретного конструктивного воплощения и типа протекающего в них естественного процесса — гидравлического, элек- трического, механического или пнев- матического. Все эти системы с ма- тематической точки зрения являются подобными: «... элементы регуляторов строятся на принципах использования электрической, тепловой и механиче- ской энергии. ... Тем не менее харак- тер процессов, протекающих в систе- мах автоматического регулирования в целом и в отдельных элементах цепи регулирования, во многом аналогич- ны. Математическое описание этих процессов оказывается одинаковым для самых разнообразных устройств независимо от их конструкции и прин- ципа действия»10. При создании кон- Рис. 2. Сравнительная таблица эквивалентных механических, электрических и гидравлических регуляторных схем и их частотных характеристик8 РАЗВИТИЕ ИДЕЙ ТЕОРИИ МЕХАНИЗМОВ И МАШИН В ТЕОРИИ АВТОМАТИЧЕСКОГО РЕГУЛИРОВАНИЯ И НАНОТЕХНОНАУКЕ Наука та наукознавство, 2011, № 3 111 кретного устройства для выполнения определенной функции с заданными параметрами необходимо «перевести эти, в основном физические, данные на математический язык» и затем ре- шать ее «за письменным столом» так, чтобы получить нужные результаты в наилучшей системе автоматического регулирования11. Причем критерий ка- чества такой системы формулируется математически, а реализация может быть в виде самых разнообразных кон- струкций (рис. 4). «В результате анализа структуры матрицы системы дифференциальных уравнений, описывающих поведение автоматической системы, устанав- ливается физический смысл отдель- ных элементов ее и указывается один из возможных способов построения структурной схемы системы по эле- ментам этой матрицы», 13 для чего ста- ли применяться такие математические методы, как теория графов, векторный анализ, теория матриц и т.п. (см. на рис. 5 реализацию матричного уравне- ния в виде такой блок-схемы). «Язык и схемы, используемые для анализа систем автоматического регулирова- ния, увели от физических систем в сто- рону систем, просто описываемых с помощью разработанного метаязыка. … Однако блок-схемы и математиче- ские абстракции дали нечно большее, чем просто средства коммуникации. … моделирование сделало системы автоматического контроля более до- ступными для сложной математики. Но, пожалуй, наиболее важно то, что они позволили решать теперь про- блемы на бумаге, а не в лаборатории. С помощью абстрактного моделиро- вания стало возможным исследовать новые разработки с точки зрения ста- бильности, оптимизации, живучести, адаптивности и других свойств систем регулирования без обращения к фи- зическим системам». Математическое Рис. 3. а —Электромеханическая колебательная система; b — эквивалентная ей электрическая цепь; c — ее математическая модель в виде несвязанных графов и d — преобразование этой модели в систему связанных графов9 В.Г. Горохов Science and Science of Science, 2011, № 3112 моделирование позволило абстрагиро- ваать решение инженерных проблем от способов их физической реализации. 14 Такой метод структурных преобра- зований схем автоматических систем и адекватный им математический ап- парат — алгебра структурных преоб- разований — был разработан академи- ком Б.Н. Петровым. В своей краткой и элегантной работе «О построении и преобразовании структурных схем», выполненной под руководством ака- демика Н.Н. Лузина, он пишет: «При анализе и синтезе различных авто- матических систем (регулирования, управления, следящих, телемеханиче- ских и т.п.), в особенности когда рас- сматриваются сложные системы, боль- Рис. 4. Эквивалентная электрическая модель сложного гидравлического устройства, по- зволяющая дать его упрощенное представление, и преобразование ее в блок-схему, ком- поненты которой выражают алгебраически математические соотношения между входом и выходом, разработанная Брауном и Кэмпбелом в 1948 г. (Gordon S. Brown and Donald P. Campbell. Principles of Servomechanisms: Dynamics and Synthesis of Closed-Loop Control Systems. New York: John Wiley & Sons, Inc., 1948, р. 112,137) 12 Рис. 5. a — Схема оптимального регулятора, построенного на основе матричного уравнения15, b — процесс автоматического контроля на основе использования негативной обратной связи16 РАЗВИТИЕ ИДЕЙ ТЕОРИИ МЕХАНИЗМОВ И МАШИН В ТЕОРИИ АВТОМАТИЧЕСКОГО РЕГУЛИРОВАНИЯ И НАНОТЕХНОНАУКЕ Наука та наукознавство, 2011, № 3 113 шое значение имеет ясное представ- ление об их структуре, динамических свойствах отдельных элементов и их взаимодействии ... Однако, насколько нам известно, не существует методики построения достаточно удобных и на- глядных структурных схем, которые не только фиксировали бы наличие от- дельных элементов в системе и связей между ними, но отображали бы дина- мические свойства этих элементов и характер воздействия их друг на друга. В настоящей работе делается попытка найти способ построения подобных схем ... Структурные схемы способ- ствуют наглядному представлению о характере и структуре системы, облег- чают анализ сложных систем и сравне- ние различных систем и вариантов их между собой, дают возможность про- извести качественную оценку систе- мы — установить наличие жестких и гибких обратных связей и других воз- действий в системе, установить аста- тичность или наличие статизма систе- мы и, кроме того, позволяют провести строгую и обоснованную классифика- цию автоматических систем».17 Такого рода обобщение в структурных схемах автоматического регулирования от- крыло целую серию исследований аб- страктного уровня — так называемого структурного анализа, направленно- го на исследование общей структуры сложных систем, независимо от спосо- ба их реализации. Это положило начало развитию нового этапа развития теории систем в сфере технической науки и техники — системотехники. 18 Сегодня такая реализация струк- турных схем систем автоматического регулирования возможна даже на на- ноуровне в рамках нового напрвления системотехники — наносистемотехни- ки (см. структурную схему, описываю- щую систему автоматического регули- рования нанодиска — Disk Drive Servo Control, на рис. 6). Основные способы теоретического описания машин Машина становится одним из цен- тральных общетехнических понятий начиная с XIX столетия. Оно выражает наиболее типичную техническую си- стему. Российский философ техники П.К. Энгельмейер проанализировал это понятие уже в конце XIX — начале Рис 6. a — самонастраивающийся микропривод, b — структурная схема сер- вомеханизма на наноуровне — Disk Drive Servo Control (PES — расположение сигнала ошибки; биение — r, нарушение выхода — d и помехи при измерении — n; GP(s) и GC(s) представляют собой привод движения диска и регулятор, r и xp — трек биения и главную позицию соответственно). 19 В.Г. Горохов Science and Science of Science, 2011, № 3114 XX столетий. В XVI и ХVII вв., — счи- тает он, — машина рассматривалась как индифферентное целое; занятию отдельными частями машины или ее функциями на этой стадии уделялось совсем мало или не уделялось вообще внимания. По его мнению, именно в течение XIX века произошел переход этого понятия из категории средства в категорию объекта технической дея- тельности. Это, однако, не означает, что машина перестала рассматриваться как средство и инструмент деятельности. Более того, понятие «средство» являет- ся более общим, чем понятие «маши- на», поэтому Энгельмейер специально рассматривает вопрос о соотношении этих двух понятий. Без орудия вообще не обходится никакая деятельность че- ловека, но в особенности его роль вид- на в технической деятельности. Он раз- личает два основных смысла понятия «орудие»: 1) общий — «совокупность всех вообще вещественных приспосо- блений для выполения какой-нибудь работы» и 2) частный — та «часть при- способления (машины), которая не- посредственно выполняет данную работу», т.е. инструмент. К орудиям в общем смысле относятся и машины, но и в самих машинах существует испол- нительный орган, называемый орудием в частном смысле. Сами машины также можно разделить на машины-двигатели и машины-орудия. Таким образом, за- ключает он, «машина есть орудие, име- ющее внешнее движение частей».20 Далее Энгельмейер выделяет три основные точки зрения на машину: тех- нологическую, кинематическую (меха- ническую) и конструктивную. К этим трем техническим точкам зрения он до- бавляет еще одну — экономическую, но специально ее не рассматривает. 1. Технологическая теория машин описывает их с точки зрения выпол- няемой работы. Энгельмейер цитирует первое технологическое определение машины, данное римским техником Витрувием в его книге «Об архитекту- ре»: «Машина есть материальная сово- купность, преимущественно приспо- собленная к передвижению тяжестей». Затем эту точку зрения развивали, на- пример, Я. Леопольд21 и Г.Г.М. Поп- пе22. Я. Леопольд в своем многотом- ном произведении «Театр машин» — Teatrum machinarum — дает следующее определение: «Машина или орудие есть искусственное сооружение, с по- мощью которого можно получить по- лезное движение и нечто передвигать, сохраняя время и силу, чего иначе нельзя было бы сделать ... Машина от- личается от инструмента тем, что с ее помощью можно произвести полез- ное механическое движение, чего не может сделать инструмент, почему не только мельницы, фонтаны и другие подобные большие машины, но также клещи кузнеца, ножницы портного, топор и клин лесоруба следует считать машинами, поскольку они могут про- извести движения, которые имеют свое обоснование в механике». 23 В ХХ в. технологическую теорию машин раз- рабатывали дальше Т. Бек и главным образом Э. Гартиг24. «Стремясь уточ- нить понятие механизма, машины и привода, он детально проанализиро- вал историю вопроса и пришел к вы- воду, что эти понятия определяются не только реальным составом объектов, но и их отношением к производствен- ному процессу». Разбирая пример с тачкой, Гартиг пишет, что пустая тачка является механизмом, если находится в состоянии покоя. Если же рабочий двигает тачку, «то она является при- водом... А если рабочий везет тачку, наполненную землей, то она является машиной». 25 РАЗВИТИЕ ИДЕЙ ТЕОРИИ МЕХАНИЗМОВ И МАШИН В ТЕОРИИ АВТОМАТИЧЕСКОГО РЕГУЛИРОВАНИЯ И НАНОТЕХНОНАУКЕ Наука та наукознавство, 2011, № 3 115 2. Кинематическая теория машин рассматривает их с точки зрения дви- жения частей. Эта теория зародилась в Парижской политехнической школе, основанной в 1794 г. Г. Монжем. По предложению Монжа курс построе- ния машин, введенный им впервые в Парижской политехнической школе, должен был составить часть курса на- чертательной геометрии. Начертатель- ная геометрия Монжа задала принцип рассмотрения машин с точки зрения их движения. Тогда даже самые слож- ные машины являются только резуль- татом комбинирования простейших способов преобразования движения и нужно лишь позаботиться, чтобы их перечисление было достаточно пол- ным. Его идеи развивали Ж. Ашетт26, затем Х. Ланц и А. Бетанкур в своем учебнике «Курс построения машин»27, который представляет собой одну из первых попыток систематизации и объяснения всех основных машин того времени, Д. Борньи28, Ж. Кри- стиан29 и другие, заложившие основы кинематической школы.30 Машина теперь рассматривалась с точки зре- ния движения частей в соответствии с требованиями инженерной практи- ки. Элементарные составные части машины стали тогда описываться как приспособления, с помощью которых можно получить из движений одного вида движения другого вида. В каж- дой машине одной движущейся части должна соответствовать другая часть, делающая ее движение определенным. Однако наиболее полное развитие идеи этой школы получили в Герма- нии в работе Фр. Рело «Теоретическая кинематика»31, в которой дается следу- ющее определение машины: «Машина — это соединение сопротивляющихся тел, устроенное так, чтобы принудить механические силы природы действо- вать для выполнения определенных движений».32 Совокупность двух таких тел Рело называет кинематической па- рой, а составляющие ее тела — элемен- тами пары. С помощью двух этих эле- ментов можно осуществить различные движения. Несколько кинематических пар образуют кинематическое звено, а несколько звеньев — кинематическую цепь. Механизм является замкнутой кинематической цепью принужденно- го движения, одно из звеньев которой закреплено. Поэтому из одной цепи можно получить столько механизмов, сколько она имеет звеньев. Если же мы принудим одно из звеньев с помо- щью некоторой силы изменить перво- начальное положение, то получим машину.33 Определение машины, данное Ре- ло, вызвало критику со стороны многих практиков машиностроения. В частно- сти, Теодор Бек в своих статьях «О по- нятии ,,машина”» уличает определение Рело в абстрактности (отрыве от реаль- ности), отсутствии указания на искус- ственность и на выполнение машиной механико-технической работы. Бек да- ет свое определение: «Машиной назы- вается искусственное соединение со- противляющихся тел для выполнения определенной механико-технической работы и устроено с этой целью таким образом, чтобы механические силы, действующие с его помощью, произ- водили определенные движения».34 Однако, по нашему мнению, в этом определении Бек соотносит техноло- гическое и кинематическое описания машины. 3. Конструктивная теория машин рассматривает их с точки зрения форм и частей целого. Родоначальником этой школы является крупный немец- кий инженер Фердинанд Редтенбахер, который поставил своей целью создать В.Г. Горохов Science and Science of Science, 2011, № 3116 научное машиностроение, гармонично сочетающее в себе теорию и практику. В 1852 г. он выпустил «Принципы ме- ханики»35, где было изложено теорети- ческое учение о машинах. В 1862—1865 гг. вышло в свет его главное сочинение «Машиностроение». К машине Ред- тенбахер подходит как истинный кон- структор: «Многообразные механизмы движения, которыми пользуются для устройства рабочих машин, не долж- ны каждый раз изобретаться заново. Однако в свое время это было необхо- димо, когда были изобретены паровые и прядильные машины, так как тогда были известны лишь немногие меха- низмы для преобразования движений. Теперь же известно очень много раз- нообразных механизмов и всегда мож- но отыскать такой, который подходит для частного случая. Таким образом, лишь для совершенно необычных условий движения действительно не- обходимы новые изобретения и очень ясное и полное знание изобретенных до настоящего времени передаточных механизмов, служащих для устройства рабочих машин, является необычайно важным».36 После трудов Редтенбахера конструктивная теория машин под на- званием «машиностроение» стала обя- зательным предметом во всех техниче- ских школах. Рассмотрим теперь как эти три исторически сложившиеся точки зре- ния на машину реализуются в пред- ставлениях о наномашине в современ- ной нонотехнонауке. Наномашина как «механический механизм» В нанотехнологии созданные че- ловеком наномашины получают иные наномеханические «конструкции»: хи- мические структуры или подражание функциям биосистем. «Изощренные моторы молекулярного уровня были раз- виты в природе, где они используются в практически важных биологических процессах. Напротив, разработка син- тетических наномоторов, которые ими- тируют функционирование этих удиви- тельных естественных систем и могли бы быть использованы в искусственных наноустройствах, находится еще на детском уровне. Построение моторов на наноуровне не является просто зада- чей перенесения проектирования дви- гателей макромира на нижние уровни в область наноразмеров. Многие фак- торы, например, такие как трение, тепловое рассеяние и многие другие механические характеристики, явля- ются совершенно различными на каж- дом их этих уровней — все находится в постоянном движении (с помощью кинетической энергии, доставляемой нагревом окружающей среды) и про- тискивается между другими атомами и молекулами (броуновское движение) … В природе биологические моторы используют каталитические реакции для создания сил на базе химических изменений. Эти моторы не требуют та- ких внешних источников энергии, как электрические и магнитные поля. Вме- сто этого входящая энергия доставля- ется локально и химически. Несмотря на впечатляющий прогресс последних лет, искусственным наномашинам все еще не достает эффективности и ско- рости их биологических дубликатов. Новые исследования демонстрируют, что введение нанотрубок в платино- вый компонент металлических про- водников асимметричных моторов приводит к впечатляюще ускоренному движению в растворах перекиси во- дорода со средней скоростью 50—60 микрометров в секунду. … В отличие от существующих сегодня биметал- РАЗВИТИЕ ИДЕЙ ТЕОРИИ МЕХАНИЗМОВ И МАШИН В ТЕОРИИ АВТОМАТИЧЕСКОГО РЕГУЛИРОВАНИЯ И НАНОТЕХНОНАУКЕ Наука та наукознавство, 2011, № 3 117 лических нанопроволок, которые яв- ляются медленными и хрупкими, мы показываем, что введение углеродных нанотрубок в такие моторы приводит к существенному ускорению и высокой эффективности их работы. Эти новые возможности дают большую надеж- ду использования синтетических на- номашин, приближающихся по своим параметрам к биологическим наномо- торам. … Такие высокоэффективные наномоторы позволят транспортиро- вать «тяжелые» грузы, перемещать в условиях физиологической среды и создавать более изощренные наноси- стемы, выполняющие сложные зада- чи».37 Так как реализация наномашин может быть совершенно иной, чем в классическом машиностроении, то для их теоретического описания наи- более подходящей является кинема- тическая (а не конструктивная, более тесно связанная с представлениями макромира) точка зрения на машину. Здесь прослеживается также аналогия с теорией автоматического регулиро- вания, где звенья регуляторной цепи могут иметь различные физические реализации (см. рис. 1), а в нантохно- логии — даже не только физические, но и химические и биологические, хо- тя в отдельных случаях можно найти параллели и с технологическим описа- нием машины. Подобно тому, как Гар- тиг определяет механизм по аналогии с пустой тачкой, а работающую тачку, наполненную землей, называет маши- ной, и в нанотехнологии, если макро- молекула фуллерена используется для транспортировки лекарств в кровенос- ных сосудах, то она становится маши- ной. Дрекслер пишет: «комбинация подшипника и оси обеспечивает воз- можность расширения систем машин с механическим приводом. Внешняя поверхность подшипника дает воз- можность передаточного механизма на молекулярном уровне. Контролируемое круговое движение вокруг оси внутри кольца вместе с понятием расширен- ной системы машинного оборудова- ния наводит на мысль о контролируе- мых молекулярных транспортировке и позиционировании, которые необходи- мы для продвинутого механосинтеза (рис. 7).38 При рассмотрении кинематиче- ской теории машин П.К. Энгельмейер почему-то не упоминает английского инженера и ученого Роберта Виллиса, который сыграл важную роль в форми- ровании кинематического представ- ления машины. В частности, Виллис вводит важное различение «конструк- тивного» и «чистого» механизмов и тем самым устанавливает соотношение ки- нематической и конструктивной точек зрения на машину, поскольку первый является «продуктом пунктуального описания действительной конструк- ции машины», второй же — «продукт некоторого обобщения», — устрой- ство, движение частей в котором есть следствие их связи безотносительно к существу динамических эффектов, действующих между ними, — изобра- жает лишь процесс преобразования движений.41 Понятие «чистого» меха- низма является, по нашему мнению, очень важным в особенности для на- нобиотехнологии, поскольку абстракт- ная («чистая») механическая модель может дать более или менее адекват- ное представление о наносистемах, но «конструктивная» версия наносистем является совершенно отличной от кон- струкции макромеханических систем. Дрекслер начинает с традицион- ного определения машины: «Именно так, как обычные орудия могут соста- вить обычную машину из этих частей, молекулярные орудия будут связывать В.Г. Горохов Science and Science of Science, 2011, № 3118 между собой молекулы для получения крошечных механизмов, машин, ры- чагов [...] и собирать их для создания сложных машин». Таким образом, функции, выполняемые отдельными частями молекулярного машинного оборудования, также являются в сущ- ности механическими. 42 Прежде всего Виллис очерчивает само понятие машины и более четко расчленяет ее на части: „Всякая ма- шина конструируется с целью выпол- нения определенных механических операций, каждая из которых предпо- лагает существование ... движущей си- лы и объекта, подлежащего операции ... Машины фактически расположены между силой и работой для того, что- бы приспособить одну к другой ...“ 43 Вслед за Кристианом он выделяет три части машины: приемник, передаточ- ный механизм и орудие. 44 Принципы, на которых основаны конструкция и устройство этих частей, различны. Приемники рассматриваются с точки зрения источника силы, рабочие ча- сти — с позиций выполняемой работы. Механизм же, по Виллису, необходи- мо исследовать без ссылки на силу и работу. Один и тот же приемник мо- жет сочетаться с различными частями и наоборот. Точно также и механизм, Рис. 7. 1. (a) — объемное изображение; (b) — осевая проекция; (c) — вид сбоку «молекулярного подшипника». 39 2. Изображение подшипника из книги Фр. Рело: Fr. Reuleaux “The Constructor: A hand-book of machine design” 40 1. 2. РАЗВИТИЕ ИДЕЙ ТЕОРИИ МЕХАНИЗМОВ И МАШИН В ТЕОРИИ АВТОМАТИЧЕСКОГО РЕГУЛИРОВАНИЯ И НАНОТЕХНОНАУКЕ Наука та наукознавство, 2011, № 3 119 вставленный между приемником силы и множеством рабочих частей, может быть изменен многими способами. Он, по мнению Виллиса, должен быть рассмотрен как самостоятельный объ- ект исследования и проектирования. Виллис идет дальше Кристиана, пред- лагая исследовать механизмы, исходя исключительно из геометрических принципов, без рассмотрения сил. Тем самым подводится итог процессу адап- тации исходной теоретической модели Монжа: в сфере инженерной практики выделяются те части машины, кото- рые могут быть наиболее эффективно описаны с ее помощью. Это проясняет введенное Виллисом различение «чи- стого» и «конструктивного» механиз- мов, первый из которых является про- дуктом обобщения, т.е. абстрактным объектом технической теории, а вто- рой, представляя собой пунктуальное описание действительной конструк- ции машины, принадлежит к эмпири- ческому уровню знания. Кроме того, Виллис устанавливает соответствие между «чистым» и «конструктивным» механизмами. Конечно, «конструк- тивный» механизм — это также ре- зультат некоторой идеализации, одна- ко его элементы четко соответствуют конструктивным блокам реальной ма- шины. В свою очередь чистым движе- ниям, описываемым в "чистом" меха- низме, адекватны типовые конструк- тивные элементы (ведущее и ведомое звенья) и связи между ними (сопри- косновение качением, скольжением и т.д.) «конструктивного» механизма. Жесткая машина Дрекслера как на- ноустройство также фабрикуется из твердых движущихся частей, зубцов, подшипников, поршней и распредели- тельных валов. Они имеют приемник или машину-двигатель (молекулярный мотор), передаточный механизм (рис. 8) и машину-орудие. Последняя может представлять собой, например, «не- большой резец с нанокристаллическим алмазом режущих рёбер». «Одной из главных проблем, которая возникает на наноуровне, является изгибание режу- щего инструмента и невозможность ре- зать маленькими кусочками на низкой скорости. Следовательно, особое вни- мание должно быть уделено конструи- рованию жесткого орудия и предот- вращению скругления кромки орудия, Рис. 8. (А) — Микроснимок поликристаллического микропередаточного механизма, выполненного с помощью сканирующего электронного микроскопа.47 Это изображе- ние наномашины очень похоже на (Б) рисунок механизма из Энциклопедии Дидро48 (А) (Б) В.Г. Горохов Science and Science of Science, 2011, № 3120 если это орудие изначально было пря- молинейным. Это можно преодолеть с помощью покрытия маленьких резцов нанокристаллическими алмазами, ко- торые имеют множество режущих гра- ней, сохраняющих контакт с рабочей поверхностью, даже если происходит закругление режущего инструмента. Несовместимости между алмазом и же- лезистым материалом можно избежать с помощью покрытия нанокристалли- ческого алмаза тонким слоем компаун- да, который имеет минимальный тер- модинамический потенциал для рас- творения. Это направление дает начало использованию многослойных покры- тий, которые имеют такие полезные преимущества, как теплопроводность, позволяющую выводить тепло из зо- ны резания и редуцировать генерацию тепла, выделяющегося при трении, за счет использования мягкой углеродной прослойки смазывающего покрытия».45 Другой пример машины-орудия дает нанощетка, сделанная из углеродных нанотрубок: «Группа ведущих ученых … предварительно показала, как мож- но выращивать углеродные нанотрубки под контролем, и эта группа использо- вала теперь трюк для создания нано- щеток, имеющих форму зубных щеток, щеток для чистки бутылок и хлопковой почки. … Многие электрические мото- ры используют металлические щетки для проведения электричества к их вра- щающимся частям. … Эти щетки могут быть также использованы для уборки нанопыли, раскрашивания нанострук- тур и даже для очистки воды от загряз- няющих агентов». 46 Молекула фуллерена C 60 (см. ее компьютерную модель на рис. 9) ино- гда рассматривается как однонаправ- ленный ротор — «тачка» — «для транс- портировки отдельного электрона от источника к стоку». «После первой по- пытки создать ненаправленный ротор …, Кристиан Йохим (Christian Joachim) и его исследовательская группа сооб- щили о создании ненаправленного ро- тора. Они используют колебания моле- кулы C 60 между электродами для транс- портировки отдельного электрона от источника к стоку. Несимметричное положение молекулы позволяет кон- тролировать вращательное движение. Тачка состоит из ротора (C 60 ), статора и шарового шарнира (атом рутения). Сам корпус является металлооргани- ческой структурой, имеющей форму трехстержневого фортепьянного сту- ла». 49 Но эта же молекула может быть описана и как рабочий инструмент для мезомашин-орудий — «шпиндель, ко- торый вращает режущий инструмент с чрезвычайно большой скоростью». «Шпиндель воздушной турбины с ин- тегрированным газовым подшипни- ком является возможным решением для получения чрезвычайно высокой скорости шпинделя». 50 В докладе Политехническому об- ществу 2 ноября 1907 г. «Что такое: принцип, система, конструкция в ма- шинах» П.К. Энгельмейер определяет Рис. 9. Структура молекулы фуллерена С 60 51 РАЗВИТИЕ ИДЕЙ ТЕОРИИ МЕХАНИЗМОВ И МАШИН В ТЕОРИИ АВТОМАТИЧЕСКОГО РЕГУЛИРОВАНИЯ И НАНОТЕХНОНАУКЕ Наука та наукознавство, 2011, № 3 121 соотношение между этими тремя точ- ками зрения на машину: «Технология определяет характер той работы, кото- рую от машины потребует практика. Для технологии все равно, как осуще- ствить эти условия. Затем вступает в свои права кинематика и предписы- вает каким механизмом надлежит осу- ществить нужные движения. Наконец, входит машиностроение с конструкто- ром во главе и вырабатывает машину во всех деталях. Стало быть, для того, чтобы осуществить требования техно- логические, надо осуществить требова- ния кинематические, а для того, чтобы осуществить эти последние, надо осу- ществить требования конструктивные. Другими словами: конструкция маши- ны зависит от кинематической схемы, а эта последняя зависит от технологи- ческого принципа машины». Далее он выделяет принцип, систему, конструк- цию всякой машины. «Принцип ма- шины, т. е. ее основная суть, опреде- ляется технологическими признаками, система определяется кинематической схемой, а конструкция определяется совокупностью и расположением де- талей машины». Итак, конструкция — это вещественное выполнение маши- ны во всех деталях. При рассмотрении же системы машин интересуются не всеми деталями, а лишь существенны- ми для системы. Говоря же о принципе, обращают внимание на еще меньшее число самых важных рабочих органов. «Какой разряд машин мы бы не взяли, везде мы различаем, во-первых, прин- цип, характеризующий целый тип или разряд машин, во-вторых, разные си- стемы, составляющие подотделы типа, и, наконец, в-третьих, конструкции, составляющие вещественное осущест- вление принципа и системы; при этом один данный принцип повторяется в целом ряде систем, а одна система повторяется в ряде конструкций».52 Таким образом, рассмотренная с кон- структивной стороны машина есть конкретное явление, из которого мы выносим конкретное представление. (Т. е. Энгельмейер конструкцию рас- сматривает здесь уже не просто как конкретную вещественную структуру машины, а как ее конкретное пред- ставление в теории). Система маши- ны — это уже конкретное понятие, получающееся в результате первого обобщения или отвлечения. Обобщая же целый ряд систем (как конкрет- ных понятий), мы получаем абстракт- ное понятие — принцип машины. Это путь индуктивный. Он применяется, по мнению Энгельмейера, тогда, когда наука еще только создается. Когда же она уже создана, то ее излагают дедук- тивным способом: сначала основные принципы, затем частные законы, как развитие этих принципов, и, наконец, отдельные факты, как иллюстрации к законам. Для наномашин мы можем приме- нить только абстрактную идею — прин- цип машины, характеризующий целый класс или категорию такого рода ма- шин, но не такую же конструкцию, как в классических механических макро- машинах. * * * Мы в принципе представляем в на- шей повседневной жизни машину как некое механическое устройство и про- водим резкое различие между механиз- мом и машиной. Однако наноустрой- ства, такие, например, как «молеку- лярный мотор», преобразующий «хи- мическую энергию в механическую», могут существовать в виде природной формы, но использоваться для «пере- мещения бактерий». В этом случае В.Г. Горохов Science and Science of Science, 2011, № 3122 организм описывается как специфи- ческая сложная машина. Однако стан- дартное определение наномашины — как механического и электромеханиче- ского устройства, размеры которого измеряются в нанометрах — в большей степени соответствует понятию маши- ны как механического механизма. При этом наномашины могут быть рассмо- трены не только как наномеханиче- ские устройства, но и как, например, наноэлектрические переключатели в наносхемах. В нанотехнологии поэто- му определяют наномашину также как наносхему, состоящую из стандартных элементов: «Нанотехнологические конструкции являются подражани- ем традиционным электронным ком- понентам (переключателям, диодам, транзисторам и т.д.) на наноуровне».53 В структуре наносхем мы можем об- наружить традиционные электронные компоненты («электронные компо- ненты на молекулярном уровне») раз- личного типа реализации на основе нанотехнологий: 1) во-первых, это та- кие электронные элементы, как элек- тронный переключатель (например транзистор), проводники, катушки индуктивности и конденсаторы54 или элементы аккумуляторной батареи55, 2) во-вторых, это такие электронные блоки, как, например, антенна или модулятор, 3) в-третьих, сложные на- носистемы как целое (например нано- компьютер — вычислительные опера- ции на молекулярном уровне). По сути дела речь идет о различной реализации «квазиэлектронных» схем на основе химических или биологических про- цессов. Таким образом, электронные схемы являются лишь только одним из возможных способов реализации и теоретической репрезентации различ- ных естественных процессов (элек- трических, химических или биологи- ческих), протекающих в гибридной на- номашине (подобно теории автомати- ческого регулирования, где различные реализации регуляторов рассматри- ваются как эквивалентные). Здесь, по сути дела, речь идет об «искусственно разработанных биогибридных систе- мах», которые не могут быть описаны с механической или электрической то- чек зрения, а только в более общем ви- де — как кибернетическая «машина». Наномашина может быть, таким обра- зом, симбиозом природного объекта и искусственного устройства. Все выше- сказанное показывает настоятельную необходимость нового определения понятия «машина», отличного от клас- сического. Гибридные бионические системы могут быть определены как системы, содержащие и технические (искус- ственные), и биологические компо- ненты, и могут включать в себя «искус- ственные системы с биологическими элементами или подсистемами. В та- ком случае биологическая подсистема является дополняющим или дополни- тельным элементом технической си- стемы». Но могут быть и биологические системы с искусственными элемента- ми. Тогда «искусственная подсистема, например, продукт роботики, является дополняющим или дополнительным элементом биологической системы».56 «Молекулярные компоненты клетки описываются как орудия или машины, функционирующие на микромолеку- лярном уровне: рибосомы являются сборочными конвейерами, миозины — моторами, полимеразы копироваль- ными устройствами, протеазы … буль- дозерами, мембраны — электрическим экранирующим заграждением и т.д. Хотя биологи в принципе и согласны с тем, что живые системы являются продуктом эволюции, а не проектиро- РАЗВИТИЕ ИДЕЙ ТЕОРИИ МЕХАНИЗМОВ И МАШИН В ТЕОРИИ АВТОМАТИЧЕСКОГО РЕГУЛИРОВАНИЯ И НАНОТЕХНОНАУКЕ Наука та наукознавство, 2011, № 3 123 вания, они описывают их как устрой- ства, созданные для выполнения спец- ифических задач».57 Механические аналогии в науке ча- сто критикуют как механицизм. Однако в истории науки существует множество примеров успешного применения ме- ханистической методологии для объяс- нения природных явлений. «Механи- цизм — это не то же самое, что редук- ционизм. Механическое объяснение, в особенности в биологии — не обяза- тельно дается с физико-химической точки зрения … Механицисту ничего не препятствует понимать организмы или их группы как организованные целые, но при этом он исходит из представле- ния и автомобиля — парадигматиче- ского механического устройства — как организованного целого». Что же такое механизм? «Пружинные часы с меха- ническим приводом рассматриваются в качестве парадигматического приме- ра механизма. Действительно, многие оппоненты механицизма … исходили из стратегии приписывания механизму такой ограничительной характеристи- ки, а затем выдвигали в качестве аргу- мента тот факт, что некоторые явления не могут быть объяснены с этой точки зрения. Но, насколько я понимаю, сущ- ностью механизма не являются такие ограниченные характеристики. Совре- менные электронные часы, построен- ные на миниатюрной электронной схе- ме, не являются менее механическими, чем старые пружинные часы с гирей … В биологии групповой отбор является весьма убедительным механизмом эво- люционных изменений, даже если так не думали тридцать лет назад».58 Механическим объяснением явля- ется и модель электрических частичек и вихрей, с помощью которой Максвелл объяснял свойства электромагнитных полей. Максвелл развивает «механиче- скую модель электромагнитных полей на основе эфирных вихрей и частичек трения, которые должны обеспечивать передачу движения молекулам эфира. Во всех этих механических аналоги- ях Максвелл видел, однако, полезное вспомогательное средство для лучше- го понимания его представления об электродинамике и говорил о том, что они носят временный характер».59 «Он заменил вихри дифференциальными ячейками упругой среды и доказал, что в новой модели представлены все су- щественные черты электростатических взаимодействий». 60 Именно представ- ление Фарадеевых линий силы в виде тончайших трубочек с изменяющимся поперечным сечением, в которых про- текает идеальная несжимаемая жид- кость, послужило ему эвристическим средством для переноса математиче- ских уравнений из механики сплошных сред в электродинамику. Эти вихревые линии, по словам самого Максвелла, «образуют трубчатую поверхность, на- зываемую вихревой трубкой или вих- ревой нитью».61 Таким же по сути дела механистическим объяснением биоло- гических систем оперирует сегодня и нанотехнология. Литература и примечания 1. Вебер М. Избранные произведения. Часть вторая. «Объективность» социально-научного и социально-политического познания. http://www.gumer.info/bibliotek_Buks/Sociolog/vebizbr/04.php. 2. Лернер А.Я. Расчленение систем автоматического регулирования на элементы. — М.: Маш- гиз, 1949. — С. 17. 3. Заде Л. От теории цепей к теории систем // Труды Института радиоинженеров. — 1962. — Т. 50, № 5, ч. 1. — С. 878. В.Г. Горохов Science and Science of Science, 2011, № 3124 4. Михайлов А. Метод гармонического баланса в теории автоматического регулирования // Ав- томатика и телемеханика. — 1938. — № 3. 5. Гальперин И.И. Структурное исследование регулируемых систем // Известия ВТИ. — 1941. — № 4. 6. Воронов А.А. Элементы теории автоматического регулирования. — М.: Военное изд-во, 1950. — С. 5. 7. Ауслендер Д.М. Развитие науки об автоматическом управлении // Динамические системы управления. Труды Американского общества инженеров-механиков. — 1972. — Т. 94, № 1. — С. 3. 8. Pestel E., Kolmann E. Grundlagen der Regeltechnik. — Braunschweig: Friedr. Vieweg & Sohn, 1968, — S. 256—257. 9. Reinschke K.J. On network models and symbolic solution of network equations // Int. J. Appl. Math. Comput. Sci. — 2001, — Vol.11, No.1. — P. 269. 10. Лернер А.Я. Расчленение систем автоматического регулирования на элементы. — М.: Маш- гиз, 1949. — С. 10—11. 11. Теория следящих систем. — М.: Изд-во иностранной литературы, 1953. — С. 14, 25, 29. 12. Bergbreiter S. Moving from Practice to Theory: Automatic Control after World War II HIS 285S: His- tory of Science, University of California, Berkeley, 2005. — Р. 33 - http://www.cs.berkeley.edu/~sbergbre/ publications/BergbreiterHIS285S.pdf 13. Петров Б.Н. О построении и преобразовании структурных схем // Известия АН СССР. ОТН, 1945. — С. 1146. 14. Bergbreiter S. Moving from Practice to Theory: Automatic Control after World War II HIS 285S: His- tory of Science, University of California, Berkeley, 2005. — Р. 33, 34, http://www.cs.berkeley.edu/~sbergbre/ publications/BergbreiterHIS285S.pdf. 15. Wintz N.J. The Kalman filter on time scales. A Dissertation Presented to the Faculty of the Graduate School of the Missouri niversity of Scitnce and Technology in Partial Fulfillment of the Requirements for the Degree Doctor of Philosophy in Mthematics, 2009. http://scholarsmine.mst.edu/thesis/pdf/ Wintz_09007dcc806c8092.pdf. 16. http://www.ifi.uzh.ch/~krafft/papers/2001/wayfinding/html/node9.html. 17. Петров Б.Н. О построении и преобразовании структурных схем // Известия АН СССР. ОТН. — 1945. — С. 1146, 1162. 18. О системотехнике см.: Горохов В.Г. Методологический анализ системотехники. — М.: Радио и связь, 1982. 19. Springer Handbook of Nanotechnology / B. Bhushan ( Ed.). — Berlin, Heidelberg; New York: Sprin- ger Verlag, 2004. — P. 969, 974. 20. Энгельмейер П.К. Технический итог XIX века. — М.: — Тип. К. А. Казначеева, 1898. — С. 49—51. 21. О нем см. подробнее: G. Banse, S. Wollgast. Biographien bedeutender Techniker. — Berlin: Volk und Wissen Volkseigener Verlag, 1987. — S. 69—75. 22. Иоганн Генрих Мориц Поппе (1776—1854), сперва часовщик, затем преподаватель физики и математики в гимназии, с 1818 года - профессор Тюбингенского университета, был учеником Бек- манна, развивавшим его идеи. В 1821 году он опубликовал свой главный труд "Руководство к общей технологии" (см.: Poppe J.H.M. Ausf rliche Volks-Gewerblehre oder allgemeine und besondere Techno- logie. Bd. I. — Stuttgart/Wien, 1833, а также ее перевод на русский язык: Поппе И.Г.М. Простран- ное руководство к общей технологии или к познанию всех работ, средств, орудий и машин, упо- требляемых в разных технических искусствах. — М., 1928), работал над вопросами истории техники (см.: Боголюбов А.Н. Теория механизмов и машин в историческом развитии ее идей. — М., 1976. — С. 210—211). В этой книге Поппе дает следующее определение технологии. Технология, или наука о ремеслах, имеет предметом описание и объяснение производств, инструментов, машин и орудий, употребляемых при обработке грубых материалов в разных ремесленных заведениях, фабриках и за- водах. Она указывает устройство всех заводов и машин, объясняет образ действия, исчисляет разные инструменты и их употребление при различных производствах, показывает из какого материала то или иное изделие приготовлено и т.д. Частная технология рассматривает каждое техническое ремес- ло отдельно. Общая же технология рассматривает различные производства в технических ремеслах по их одинаковому назначению. РАЗВИТИЕ ИДЕЙ ТЕОРИИ МЕХАНИЗМОВ И МАШИН В ТЕОРИИ АВТОМАТИЧЕСКОГО РЕГУЛИРОВАНИЯ И НАНОТЕХНОНАУКЕ Наука та наукознавство, 2011, № 3 125 23. См. J. Leopold. Tearum machinarum generale. — Leipzig, 1724. Цит. по: Боголюбов А.Н. Теория механизмов и машин в историческом развитии ее идей. — М.: Наука, 1976. — С. 65. 24. Эрнст Гартиг (1836—1900) — известный технолог, многолетний член германского Патентам- та; окончил Дрезденский политехникум, где был оставлен в 1862 г. ассистентом, а затем (1865 г.) профессором механической технологии; первый ректор Дрезденской высшей технической школы (1890 г.) (см.: Боголюбов А.Н. Теория механизмов и машин в историческом развитии ее идей. — М., 1976. — С. 402). 25. Боголюбов А.Н. Теория механизмов и машин в историческом развитии ее идей. — М.: Наука, 1976. — с. 402. 26. Жан Никола Пьер Ашетт — один из учеников Монжа, читавший вместе с ним курс начерта- тельной геометрии в Парижской политехнической школе, который получил в 1806 г. официальное предложение подготовить курс построения машин. 27. I. Lanz, A. Bethankourt. Essai sur la Composition des Machines. Paris, 1819 (см. также английский перевод этой книги: M. Lanz, A. Betancourt. Analitical Essay of the Construction of Machines. — London, 1920). В отличие от Ашетта они составили более обширную таблицу элементарных машин, дав ее описание в своей книге. В предисловии к английскому изданию их книги говорится, что она дает массу важной практической информации и может рассматриваться как грамматика науки о маши- нах. Незаполненные клетки в их таблице были резервированы для будущих открытий и изобретений. Однако для них еще характерна неоднородность изображения машин. В одних случаях (в основном для наиболее теоретически разработанных областей, например, теории зубчатых колес) изображе- ние является последовательной реализацией исходного теоретического принципа. Оно представля- ет собой достаточно абстрактную схему, позволяющую решать инженерные задачи с применением средств прикладной математики и теоретической механики. В других случаях — это только рису- ночное 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). 28. Отправным пунктом для Борньи служит расчленение любой машины на шесть порядков ча- стей в соответствии с функцией каждой части, т.е. ее назначением: приемник, передача, модифика- тор, основание, регулятор, оператор (рабочий орган). Задача регуляторов, например, заключается в исправлении неравномерности движения. Выделение именно этих конструктивных элементов было связано с различием методов, применяемых для их инженерных расчетов. Регулятор рассчитывается отдельно и иначе, чем основание. Однако у Борньи есть еще неясности в расчленении машины, не- понятна, например, разница между модификатором и трансмиссией (передачей). 29. Кристиан четко выделяет три части всякой машины: двигатель, передаточный механизм и орудие. Значительное место он уделяет специальному рассмотрению именно передаточных меха- низмов и подчеркивает необходимость их отдельного исследования. Такое выделение передаточно- го 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 ре- месла или брались готовыми, как живые двигатели. 30. О взглядах на машину Г. Монжа и его последователей см. также: Боголюбов А.Н. Теория механизмов и машин в историческом развитии ее идей. — М.: Наука, 1976; Боголюбов А.Н. Гаспар Монж (1746—1818). — М.: Наука, 1976; Боголюбов А.Н. Августин Августинович Бетанкур (1758— 1824). — М. Наука, 1969. 31. Работы Рело были хорошо известны и популярны в это время в России (см., например: Лигин В. Очерк новых воззрений Рело на машину. — Одесса, 1878). 32. Reuleux F. Theoretische Kinematik. Braunschweig, 1875. — Bd. 1, — S. 38. 33. Поскольку же все механизмы оказываются собранными из одного и того же набора типовых элементов, то остается задать лишь определенные процедуры их сборки и разборки из идеальных цепей, звеньев и пар элементов. Это обеспечивает, с одной стороны, соответствие абстрактных объ- ектов технической теории конструктивным элементам реальных технических систем, а с другой, создает возможность их дедуктивного преобразования на теоретическом уровне. Поскольку же все механизмы оказываются „собранными“ из одного и того же набора типовых элементов, то остается лишь задать определенные процедуры их сборки и разборки, т.е. синтеза и анализа. Франц Рело сле- В.Г. Горохов Science and Science of Science, 2011, № 3126 дующим образом формулирует задачи анализа и синтеза кинематических схем в теории механизмов и машин. Кинематический анализ заключается в разложении существующих машин на составляющие их механизмы, цепи, звенья и пары элементов, т.е. в определении кинематического состава данной машины. Конечным результатом такого анализа является выделение кинематических пар элементов (предел членения). Кинематический синтез — это подбор кинематических пар, звеньев, цепей и ме- ханизмов, из которых нужно составить машину, производящую требуемое движение. 34. Th. Beck. Ueber den Begriff „Maschine“. Bemerkungen zur F. Reuleaux´s Kinematik // Civilinge- nieur. — 1877. — Bd. 23. — S. 411—416; F. Reuleaux. Ueber die definition der Maschine. Beantwortung der Bemerkungen des Herrn Th. Beck // Civilingenieur. — 1877. — Bd. 23. — S. 563—571; Th. Beck. Noch ein Wort über den Begriff „Maschine“. // Civilingenieur. — 1877. — Bd. 23. — S. 654. 35. Redtenbacher F. Prinzipien des Mechaniks und des Maschinenbaues. Mannheim, 1852 — S. 279. Цит. по: Боголюбов А.Н. Теория механизмов и машин в историческом развитии ее идей. — М.: На- ука, 1976, с. 216— 217. 36. Вышедшая в 1848 г. работа Редтенбахера «Resultate für Maschinenbau» (2-е издание — 1852 г., 4-е — 1860 г.) имеется в русском переводе: Редтенбахер Ф. Теоретические и практические данные для проектирования и постройки машин. — СПб., 1862. Подробнее о Редтенбахере см.: Banse G., Woll- gast S. Biographien bedeutender Techniker. — Berlin, 1987. — S. 167—172. 37. Berger M. Speeding up catalytic nanomotors with carbon nanotubes. May 1, 2008. http://www. nanowerk.com/spotlight/spotid=5553.php. 38. Drexler K.E. (1998), Nanosystems: Molecular Machinery, Manufacturing, and Computation, John Wiley & Sons, Inc., http://e-drexler.com/d/06/00/Nanosystems/ch1/chapter1_2.html. 39. Там же, Figure 1.1. 40. Reuleaux F. The Constructor: A hand-book of machine design. — Philadelphia: H.H. Suplee, 1894. — P.126—127, Figure 565, 567. 41. Willis R. Principles of Mechanism. — London, 1870. 42. B. Bensaude-Vincent and X. Guchet. Nanomachine : One Word for Three Different Paradigms // Technè. — 2007. — Vol. 11, № 1. 43. R. Willis. Principles of mechanism. — London, 1870, — P. 1. 44. Кстати сказать, эти же элементы выделяет и К. Маркс в первом томе «Капитала», когда пишет, что всякое развитое машинное устройство состоит из трех существенно различных частей: машины-двигателя, передаточного механизма, задача которого сообщить движение машине-орудию или рабочей машине. 45. M.C. Shaw, M.J. Jackson, The size effect of micromachining // Microfabrication and Nanomanufacturing — CRC Press, Taylor and Francis Publishers, Florida, USA, 2005. 46. R. Pease. Brush up on your nanotechnology — http://news.bbc.co.uk/2/hi/science/nature/4085214.stm. 47. Springer Handbook of Nanotechnology / B. Bhushan ( Ed.). — Berlin; Heidelberg; New York: Sprin- ger Verlag, 2004. — P. 226 . 48. Diderots Enzyklopädie. Die Bildtafeln 1762 — 1777. Zweiter Band. Augsburg: Weltbild Verlag, 1995. — S. 943, Fig. 10. 49. B. Bensaude-Vincent and X. Guchet. Nanomachine : One Word for Three Different Paradigms // Technè. — 2007. — Vol. 11, Nr. 1. 50. M.C. Shaw, M.J. Jackson, The size effect of micromachining, in: Microfabrication and Nanomanufacturing — CRC Press, Taylor and Francis Publishers, Florida, USA, 2005. 51. Эта молекула получила название фуллерена С 60 «по имени архитектора Р. Бакминстера Фул- лера, сконструировавшего геодезический свод, напоминавший структуру С 60 » (Ч. Пул — мл., Ф. Оу- энс. Нанотехнологии. — М.: Техносфера, 2006. — С. 106—108). 52. Энгельмейер П.К. Что такое: принцип, система, конструкция в машинах// Бюл. Политехн. о-ва. — № 7. — С. 404—405. 53. G. Schiemann. Nanotechnology and Nature. On Two Criteria for Understanding Their Relationship // HYLE - International Journal for Philosophy of Chemistry. — 2005. -- Vol. 11, No.1. — P. 77—96. http:// www.hyle.org. 54. «Традиционный конденсатор Фарадея сохраняет электрический заряд между параллельными заряженными пластинами, которые разделены изолирующим диэлектрическим материалом. Вместо РАЗВИТИЕ ИДЕЙ ТЕОРИИ МЕХАНИЗМОВ И МАШИН В ТЕОРИИ АВТОМАТИЧЕСКОГО РЕГУЛИРОВАНИЯ И НАНОТЕХНОНАУКЕ Наука та наукознавство, 2011, № 3 127 плоских параллельных пластин конденсатор, выполненный в виде трубки, представляет собой две свернутые металлические фольги, разделенные пропитанной электролитом бумагой вроде сверну- того в трубку «сэндвича». Для такого рода устройств нанотрубочные тонкие пленки могут быть вы- ращены на поверхности токопроводящей фольги ... Нанотрубки образуют большую поверхность для аккумулирования и выделения энергии (R. Colin Johnson. Nanotubes enable dense supercapacitors. http:// www.automotivedesignline.com/showArticle.jhtml?printableArticle=true&articleId=60405658). 55. «Новые электрические батареи соединяют в себе последние достижения фирмы «Тошиба» в области технологии производства наноматериалов ... Выдающееся техническое достижение приме- нительно к отрицательным электродам использует новые наночастицы для предотвращения умень- шения органических жидких электролитов во время их перезарядки аккумулятора. Наночастицы быстро абсорбируют и сохраняют большое количество ионов лития, не причиняя какого-нибудь порчи электродов» (http://www.toshiba.co.jp/about/press/2005_03/pr2901.htm) . 56. EU FET NEUROBOTICS FP6-IST-001917. The fusion of Neuroscience and Robotics. 2005. 57. B. Bensaude-Vincent and X. Guchet. Nanomachine : One Word for Three Different Paradigms // Technè. — 2007. — Vol. 11, Nr. 1. 58. R. Brandon. Concepts and Methods in Evolutionary Biology. — Cambridge: Cambridge University Press, 1996. — P. 186, 187, 185, 188. 59. R. Tepe. Elekrodynamik im 19. Jahrhundert // Heinrich Hertz: Festschr. Anl ssl. D. Forschung d. elektromagnet. Wellen vor 100 Jahren. — Berlin: Henrich-Hertz-Inst., 1988. — S. 32—33. 60. Степин В.С. Теоретическое знание. — М.: Прогресс-Традиция, 2000. — С. 380. 61. «Движение в некоторый момент каждой части жидкости, заключающей вихревые кольца, можно точным образом представить себе, вообразив, что некоторый электрический ток занимает ме- сто каждого вихревого кольца, причем сила тока пропорциональна напряжению кольца» (Максвелл Д.К. Атом // Джемс Клерк Максвелл. Статьи и речи. — М.: Наука, 1968. — С. 146—147, 149—150). Получено 20.01.2011 В.Г.Горохов Розвиток ідей теорії механізмів та машин у теорії автоматичного регулювання та нанотехнонауці У статті розглядається історія теорії механізмів і машин з філософської точки зору та у контексті розвитку її ідей в сучасній науці й техніці, насамперед теорії автоматичного регулювання і нанотехнології. В основу даної праці покладено дослідження історії виникнення теорії механізмів і машин, проведені Олексієм Миколайовичем Боголюбовим, які є прекрасним зразком для аналізу інших технічних наук. Механічні аналогії часто критикують як механіцизм. Однак в історії науки існує безліч прикладів успішного застосування механістичної методології для пояснення природних явищ. По суті справи механістичним поясненням оперує сьогодні й нанотехнологія, де гібридні наномашини часто розгляда- ються як свого роду «механічний механізм».

Развитие идей теории механизмов и машин в теории автоматического регулирования и нанотехнонауке

Institution

Similar Items