Мезенцев С. Д. - Философия науки и техники. Фгбоу впо московский государственный строительный университет
 Скачать 1.09 Mb.
|
|
Суханов Б.М. Интеграция естественнонаучного и технологического знаний. Л Изд-во ЛГУ, 1987. С. 48. 58 законы и закономерности как некие идеальные типы, которые в чистом виде не существуют. В настоящее время известны десятки законов, которые характеризуют те или иные отношения и связи, существующие в Универсуме или отдельных его областях. Их классификация производится по самым различным признакам или, как принято говорить в логике, основаниям деления. Во-первых, по их характеристикам. В этом случае их подразделяют на законы, выражающие качественные, и законы, выражающие количественные отношения (связи. К первым, например, относят законы диалектики, ко вторым – законы механики. В отличие от первых, вторые, как правило, имеют математическую форму. Во-вторых, по отношению копыту. В данном случае классификация основывается наделении законов на эмпирические (законы Джоуля-Ленца, Бойля-Мариотта и др) и теоретические (уравнение Шрёдингера и др. Эмпирическими законами принято называть законы, которые подтверждаются наблюдениями или специально поставленными экспериментами. Эмпирические законы часто называют также законами о наблюдаемых объектах. При этом термин наблюдаемый употребляется в широком смысле. К наблюдаемым объектам относят не только те предметы и их свойства, которые воспринимаются непосредственно с помощью органов чувств, но и опосредованно – с помощью различных приборов и инструментов. Так, звезды, наблюдаемые в телескоп, или клетки, которые изучаются с помощью микроскопа, считаются наблюдаемыми, в то время как молекулы, атомы и элементарные частицы относят к объектам ненаблюдаемым: об их существовании мы заключаем по косвенным свидетельствам. Эмпирические законы обнаруживаются на опытной, эмпирической стадии исследования. В этих целях наряду с наблюдением и экспериментом обращаются, конечно, и к теоретическим методам, таким как индукция и вероятность, вместе с соответствующей математической техникой. Теоретические законы никогда не могут быть открыты с помощью индуктивного обобщения частных фактов и даже существующих эмпирических законов. Причина этого состоит в том, что они имеют дело нес чувственно воспринимаемыми свойствами вещей и явлений, ас глубокими внутренними механизмами процессов. Поскольку теоретические законы по отношению к эмпирическим выступают как сущность к явлению, то их открытие не может быть достигнуто на эмпирической стадии исследования. Поиски фундаментальных теоретических законов характеризуют стремление к познанию взаимосвязи и единства материального мира. Самая главная трудность, с которой здесь встречаются ученые, состоит в том, чтобы найти такие общие принципы, из которых с помощью некоторых правил соответствия можно вывести логически эмпирически проверяемые законы. Как отмечал Гейзенберг, противоречие между эмпириком сего тщательной и добросовестной обработкой мелочей и теоретиком, конструирующим математические образы, обнаружилось уже в античной философии и прошло через всю историю естествознания. История науки показала, что правильное описание явлений природы сложилось в напряженной противоположности обоих подходов. Чистая математическая спекуляция бесплодна, если в своей игре со всевозможными формами она не находит пути назад, к тем весьма немногим формам, из которых реально построена природа. Но и чистая эмпирия бесплодна, поскольку бесконечные, лишенные внутренней связи таблицы, в конечном счете, душат ее. Решающее продвижение вперед может быть результатом только напряженного взаимодействия между обилием фактических данных и математическими формами, потенциально им соответствующими» 43 В-третьих, по характеру тех предсказаний, которые вытекают из законов. Поэтому основанию законы делятся на динамические и статистические. В законах первого типа предсказания носят точно определенный, однозначный характер. Так, если задан закон движения тела и известны его положение и скорость в некоторый момент времени, то по этим данным можно точно определить положение и скорость тела в любой другой момент времени. В законах второго типа предсказания могут быть сделаны лишь вероятностным образом. В таких законах исследуемое свойство, признак или характеристика относятся не к каждому объекту, а ко всему классу объектов. Так, когда говорят, что в данной партии продукции 90% изделий отвечает требованиям стандартов, то это вовсе не означает, что каждое изделие обладает 90% качеством. Самовыражение в процентах показывает, что речь здесь идет лишь о некоторой части или пропорции из общего числа изделий, которые соответствуют стандарту. Об отдельном же изделии без дополнительного исследования мы не можем заранее сказать, является оно качественным или нет. Во всяком случае, там, где приходится встречаться с действием многократно повторяющихся случайных факторов, событий и явлений, исследование часто обнаруживает некоторую 43 Гейзенберг В Шаги за горизонт / Перс нем. под ред. Н.Ф. Овчинникова. М Прогресс, 1987. С. 273. 60 устойчивую закономерность, открытие которой впоследствии дает возможность делать вероятностные предсказания относительно появления тех или иных случайных событий. В-четвертых, по сфере действия различают три основных группы законов частные (пример закон сложения скоростей в механике, общие (пример закон сохранения и превращения энергии) и всеобщие (пример закон единства и борьбы противоположностей. В-пятых, по тем областям действительности, к которым относятся соответствующие законы. Такими областями являются формы движения материи или ряд связанных между собой форм. Так, механика исследует законы движения тел под воздействием внешних сил, физика – молекулярно-кинетические, электромагнитные, внутриатомные и другие процессы, которые в совокупности составляют физическую форму движения материи. Биология занимается изучением законов органической жизни (биологической формы движения. Биофизика исследует физические процессы в живых организмах, а биохимия – химические особенности этих процессов. Социально-гуманитарные науки изучают процессы и явления социальной формы движения и выявляют соответствующие этой форме законы. Технические науки занимаются исследованием процессов и явлений технологической формы движения. Законы природы в известной мере распространяются как на природные, таки на технические объекты. Во всяком случае, создание и использование технических объектов протекает в природной и социальной среде, в которой действуют законы природы. Законы внешнего мира, природы, – писал В.И. Ленин, – суть основы целесообразной деятельности человека. Человек в своей практической деятельности имеет перед собой объективный мир, зависит от него, им определяет свою деятельность. Техника механическая и химическая потому и служит целям человека, что ее характер (суть) состоит в определении ее внешними условиями (законами природы)» 44 Искусственно созданные из природного материала технические объекты сих заданными структурой и функцией образуют другую форму, которая соответствует цели, преследуемой в производстве. Вследствие этого происходит снятие законов природы таким образом, что фиксируемые закономерные связи опосредствуются совокупностью новых явлений и условий, составляя столь существенное дополнение к ним, что мы имеем дело уже с новым типом 44 Ленин В.И. Полное собрание сочинений. Изд. е. М Изд-во политической литературы, 1958-1983. Т. 29. С. 169-170. 61 законов – законами техники, ее развития и функционирования. Новые, целесообразно измененные формы веществ и природных процессов, принявшие вид технических средств, характеризуются техническими понятиями, законами со стороны новых существенных, необходимых, повторяющихся связей технических объектов как социальных явлений. Любое техническое средство можно рассматривать как искусственную совокупность тел и процессов, где они вынуждены совершать движения по техническим законам, ведущим к удовлетворению тех или иных потребностей общества. Подчинение природного, естественного развития может быть достигнуто лишь посредством создания искусственной системы взаимодействия природных сил путем рационального построения схемы механизмов, выбора полезных законов, подбора системы противодействующих природных процессов. Возьмем в качестве примера техническую теорию полета искусственных космических аппаратов. Она устанавливает, что часть сил, приложенных к движущемуся объекту, определяется природой (законами тяготения) в специфическом их проявлении, а часть сил изменяется в широких пределах по естественно-техническим законам, заложенным в конструкции летательного аппарата, те. по законам природы, но преобразованной, опосредствованной человеческой деятельностью, с учетом целей и потребностей общества (закон регулирования реактивной силы, законы движения ракеты. Вот почему, в отличие от созерцательности классической небесной механики, теория полета искусственных космических объектов – это инженерная наука, предназначенная для решения следующих основных задач выбора оптимальных орбит, определения существующих орбит, расчета корректур, изменяющих орбиту. Но при этом необходимо учитывать, что интегрирующее значение в построении технической теории, как правило, принадлежит естественно-техническому принципу, основу которого составляет использование определенной формы движения материи, изучаемой в качестве главной той или иной естественной наукой. Законы природы в технических объектах снимаются и принимают форму естественно-технических законов. В зависимости от характера отражаемых объективных связей и гносеологических функций законы техники можно классифицировать следующим образом естественно-технические законы выражают отдельные природные явления, модифицированные в искусственной среде, вызывающие технический эффект и отраженные в терминах технических наук, являющихся видовыми терминами естествознания технические законы характеризуют технические связи в абстрактных схемах, в идеализированных технических объектах, в технических принципах, рассматриваемых безотносительно к конкретным данным естествознания, позволяющие предопределять технические эффекты. В связи с этим Г.И. Шеменев приводит несколько типичных примеров естественно-технических закономерностей, выявленных технической практикой и широко используемых ныне в процессе создания техники 1) достижение необходимой износостойкости и надежности элементов технического объекта при их взаимодействии путем целесообразного использования закономерной совокупности природных свойств субстрата через изменение условий увеличение площади трения, изменение контура, замена изгиба растяжением – сжатием, точечного контакта – линейным, линейного – поверхностным, трения скольжения – трением качения и т. д 2) закономерное повышение жесткости конструкций путем а) целесообразного использования природных свойств в пустотелых и оболочковых конструкциях б) блокирования деформации поперечными и диагональными связями 3) достижение технического эффекта заменой механизмов с прямолинейным поступательно-возвратным движением механизмами с вращательным движением 4) получение технического эффекта целенаправленно применяемым способом инверсии обращения функции, формы и расположения деталей (ведущие детали делать ведомыми, неподвижные – подвижными, выпуклые – вогнутыми и т.д.) и др. Соответственно, технические закономерности – это устойчивые проявления свойств, связей материальных образований, обусловленные такой искусственной системой их взаимодействия (техносферой, в которой реализуются строго заданные параметры материальных процессов, позволяющие создавать технические устройства, способные нести функцию средств человеческой деятельности. Безусловно, отправным пунктом при создании и применении техники является использование законов природы. Вместе стем развитие естественных наук является необходимым, но все жене единственным условием ее создания и применения. Для того, чтобы ставить и решать современные технические задачи, обязательным условием является предварительное изучение не только самих 63 процессов природы и открытия их законов, но и всевозможных условий действия этих законов. Это – с одной стороны. С другой стороны, как полагал, например, ЮС. Мелещенко, техника образует специфический, относительно самостоятельный класс явлений, что, в свою очередь, позволяет ставить вопрос о существовании соответствующего специфического класса законов и закономерностей, которые свойственны технике и не относятся к другим явлениям. С третьей – технику создают люди, и потому ее развитие подчиняется также общественным законам. И все же первоосновой функционирования технических объектов являются законы природы, определенные природные процессы, которые придают им целостность, задают принципы их организации. Если в природе (в естественных условиях) эти законы действуют безотносительно к тому, знают их люди или нетто в технике, базирующейся на тех или иных законах природы, человек должен познать их и научиться их использовать. Отсюда следует, что законы развития и строения техники вторичны по отношению к законам природы и проистекают из законов природы и что законы развития техники вторичны по отношению к общественным законам. Вместе стем развитие техники, создание сложных технических объектов приводит к появлению и таких законов техники, которые не имеют аналогов в природе и обществе. Законы техники не носят всеобщий, универсальный характер. Это частные законы. Они делятся на законы строения техники, которые выражают существенную связь между расположенными в пространстве элементами и не отражают тенденции развития технических объектов, и законы развития техники, отражающие тенденции, направленность или порядок следования событий во времени. При этом законы структуры и действия, функционирования связаны с относительной стабильностью систем, характерной для определенных этапов их развития. Законы же развития есть законы последовательной перестройки систем, изменения их элементов и структуры, функций, принципов действия» 46 Приведем ряд основных законов техники – законы строения и законы развития техники, как это сделали АИ. Половинкин и Е.Н. Капитонов. К законам строения техники относятся закон соответствия между структурой и функцией, закон гармоничного соот- 45 Кедров Б.М. Классификация наук. В х тт. М Изд-во ВПШ и АОН при ЦК КПСС, 1961-1965. Т. 1. С. 46. 46 Мелещенко ЮС Техника и закономерности ее развития. Л Лениздат, 1970. Сношения параметров технического объекта, законы симметрии технических объектов, закон масштабности и др. Закон соответствия между структурой и функцией. Этот закон формулируется следующим образом Каждый структурный элемент технического объекта выполняет хотя бы одну функцию по обеспечению функционирования всего объекта. Согласно этому закону, исключение того или иного структурного элемента приводит к ухудшению какого-либо показателя технического объекта или вообще к прекращению его функционирования. Этот закон лежит как в основе построения конкретных технических объектов, таки обобщенных функциональных структур широких классов технических объектов. Так, например, обрабатывающие машины состоят из четырех структурных элементов (подсистем) S 1 , S 2 , S 3 , S 4 , реализующих соответственно четыре фундаментальные функции Ф – технологическая функция (обеспечивает превращение исходного сырья А в конечный продукт А к ); Ф энергетическая функция (превращает вещество, топливо или извне полученную энергию в конечный вид энергии к, необходимый для реализации функции Ф Ф функция управления (осуществляет управляющие воздействия u 1 и u 2 на подсистемы S 1 ив соответствии с заданной программой Q и полученной информацией о количестве выработанных конечного продукта Аки конечной энергии W к ); Ф – функция планирования получает информацию Q 0 о произведенном продукте Аки сопоставляет с программой Q качественные и количественные характеристики конечного продукта. Эта обобщенная структура при необходимости может быть конкретизирована для отдельного класса технических объектов и конкретных технических объектов. Из этого закона вытекают две закономерности 1) закономерность многозначного соответствия между структурой и функцией. Одна и та же структура может выполнять более одной функции, и наоборот, любая функция может иметь множество структур, реализующих эту функцию 2) закономерность минимизации компоновочных затрат. У технического объекта функциональные элементы, осуществляющие определенные преобразования потоков вещества, энергии или сигналов, располагаются в пространстве по отношению друг к другу таким образом, что компоновочные затраты имеют минимальное значение. Закон гармоничного соотношения параметров технического объекта. Любой технический объект имеет вполне определенное техническое решение, которое характеризуется набором основных параметров. Среди параметров, как правило, имеется главный. 65 Отсюда техническое решение можно описать набором параметров (x, y 1 , y 2 ,… y n ), где x – главный параметр, y n – параметры, зависящие от x. Например, для однорядного радиального шарикоподшипника внутренний диаметр y 1 – толщина внутреннего кольца y 2 – ширина подшипника y 3 – внешний диаметр подшипника y 4 – толщина внешнего кольца y 5 – диаметр шариков y 6 – расстояние между шариками y 7 – глубина канавки в кольцах для вращения шариков. Для заданного значения x существуют такие значения y r , для которых любое значение y приводит к ухудшению технического объекта. Указанное значение y r называется гармоничным соотношением параметров. С математической точки зрения, гармоническое соотношение параметров соответствует глобальному экстремуму глобально оптимальному значению параметров y по определенному критерию качества или набору критериев. При этом существуют допустимые соотношения параметров, отклоняющиеся от глобально оптимальных, но сохраняющие работоспособность технического объекта. В формулировке этого закона используется термин глобальный экстремум, смысл которого сводится к следующему функции нескольких переменных могут иметь экстремумы, соответствующие определенным комбинациям значений переменных (это – локальные экстремумы множество же локальных экстремумов позволяет выделить общий для них глобальный экстремум функции нескольких переменных. В связи с этим закон гармоничного соотношения параметров технического объекта может быть сформулирован таким образом Любой технический объект, нормально реализующий свою функцию, имеет значения параметров) достаточно близкие или совпадающие с гармоничным соотношением параметров (x, y r1 ,… y rn )». Этому закону подчиняется любой нормально работающий технический объект. Он справедлив для всех организованных систем. Иллюстрацией его действия является золотое сечение. Золотым сечением отрезка называется его деление на две неравные части таким образом, чтобы отношение длины всего отрезка к длине его большей части равнялось отношению большей части к меньшей. С древних времен этот принцип позволял получать приятные для глаза соотношения в строительстве. Еще Птолемей обратил внимание на то, что человеческая фигура и, соответственно, скульптура воспринимаются стройными, если отношение длины верхней половины тела (до пояса) к нижней равно 8/13. Леонардо-да-Винчи назвал это явление законом золотого сечения. В ХХ в. Ле Карбюзье заметил, что принцип золотого сечения верен лишь для плоских изображений. 66 Для объемных фигур требуется оптимальное соотношение трех величин. Примером такого соотношения, которое он назвал золотым вурфом», является соотношение 113:70:43. Законы симметрии технических объектов. 1. Закон двусторонней симметрии Любой технический объект, который испытывает действие потоков среды (в виде вещества или энергии, находящихся под углом друг к другу, имеет симметрию (m), а плоскость симметрии параллельна направлению векторов действия потоков. Примерами технических объектов, подтверждающих этот закон, являются транспортные средства самолет, автомобиль, ракета и др. 2. Закон осевой симметрии. Имеет несколько случаев проявления а) Любой технический объект, который испытывает существенное однонаправленное действие среды в виде потока вещества или энергии, имеет симметрию (n) или (n∙m) с осью симметрии, параллельной действию среды. Пример гребной винт б Любой технический объект, который испытывает существенное вертикальное действие силы тяжести и плоскопараллельное горизонтальное действие среды (равновероятное или равномерно распределенное со всех сторон, имеет симметрию (n) или (n∙m) с вертикальной осью симметрии. Пример ротор водяной турбины ГЭС в Любой технический объект, который испытывает существенное равновероятное или равномерно распределенное со всех сторон снаружи и/или изнутри) плоскопараллельное действие среды, имеет симметрию (n) или (n∙m) с осью симметрии, перпендикулярной действию среды. Пример вертикальный автоклав. 3) Закон центральной симметрии. Любой технический объект, который испытывает со всех сторон (снаружи и/или изнутри) существенное равновероятное или равномерно распределенное действие среды в виде потоков вещества, энергии или сигналов, имеет центральную симметрию. Пример батискаф. Закон масштабности. В технике масштабность проявляется в том, что с увеличением или уменьшением абсолютных размеров технического объекта (технической системы, размеры его отдельных частей относительно целого изменяются. Так, маленький и большой станки имеют одинаковые по размерам кнопки и рычаги управления, поскольку последние должны оставаться соразмерными человеку. Это настолько привычно для нас, что маленький станок, у которого все структурные элементы будут уменьшены пропорционально уменьшению габаритов станка по сравнению с большим, будет восприниматься как уменьшенный макет большого станка, а не как самостоятельный технический объект. 67 К законам развития техники относятся закон ускоренного развития средств производства, закон развития техносферы, закон прогрессивной эволюции техники, закон стадийного развития техники, закон относительного постоянства, закон убывающей полезности. Огромный вклад в раскрытие законов развития техники внес К. Маркс. Его формулировки носят лишь качественный характер. Позднее сформулированные им законы получили математическую аппроксимацию и дальнейшее развитие, в частности, в работах АИ. Половинкина. Марксу принадлежит открытие двух таких законов, как закон ускоренного развития средств производства и закон развития техносферы. Согласно первому закону, разделение труда неизбежно влечет за собой еще большее разделение труда, применение машин – более широкое применение машин, производство в крупном масштабе – производство в еще более крупном масштабе, поскольку, чем выше разделение труда, концентрация технических средств и масштабы производства водном месте, тем ниже себестоимость производимой продукции. Согласно второму, технический прогресс одной отрасли техники (или одного класса технических объектов) вызывает потребность прогрессивного развития других отраслей (классов технических объектов, которые связаны с первой отраслью (одним из технических объектов) и имеют более низкий технический уровень и относительно низкую производительность труда. Закон прогрессивной эволюции техники. Действие этого закона аналогично действию закона естественного отбора в живой природе. Закон имеет следующую формулировку В технических объектах с одинаковой функцией переход от поколения к поколению вызван устранением выявленного главного дефекта (дефектов, связанного, как правило, с улучшением критериев развития, и происходит при наличии необходимого научно-технического уровня и со- циально-экономической целесообразности следующими наиболее вероятными путями иерархического исчерпания возможностей конструкции А) сначала при неизменном физическом принципе действия и техническом решении улучшаются параметры технического объекта до приближения к глобальному экстремуму по значениям параметров Б) после исчерпания возможностей цикла А происходит переход к более рациональному техническому решению (структуре, после чего развитие опять идет по циклу А. Циклы Аи Б повторяются до приближения к глобальному экстремуму по структуре для данного принципа действия В) после исчерпания 68 возможностей циклов Аи Б происходит переход к новому физическому принципу действия, после чего развитие опять идет по циклам Аи Б. Циклы Аи Б повторяются до приближения к глобальному экстремуму по принципу действия для множества известных физических эффектов. При этом в каждом случае перехода от поколения к поколению в соответствии с частными закономерностями происходят изменения конструкции, корреляционно связанные с характером дефекта у предшествующего поколения, а из всех возможных изменений конструкции реализуется в первую очередь то, которое позволяет устранить дефект при минимальных интеллектуальных и производственных затратах. Самое важное приложение закона прогрессивной эволюции техники заключается в построении на его основе методологии системного иерархического выбора глобально-оптимальных конструкторско-технологических решений – от выбора рациональной функциональной структуры до оптимального технического решения. Закон стадийного развития техники отражает изменения, происходящие в процессе исторического развития как отдельных классов технических объектов, таки техники в целом. Содержание этого закона таково технические объекты, предназначенные для обработки материалов, имеют четыре стадии развития, связанные с реализацией четырех фундаментальных функций 1) на первой стадии развития технический объект характеризует только технологическую функцию, остальное делает человек 2) на второй – технический объект реализует технологическую и энергетическую функции) на третьей добавляется функция управления 4) на четвертой добавляется функция планирования. Хронологические рамки осуществления перечисленных стадий в мировой технике можно представить в виде табл. 1. Таблица Закон стадийного развития техники Выполняемая функция Начало стадии Каменный век XVIII в. Середина ХХ в. Конец ХХ в. Технологическая Технич. объект Технич. объект Технич. объект Технич. объект Энергетическая Человек Технич. объект Технич. объект Технич. объект Управления Человек Человек Технич. объект Технич. объект Планирования Человек Человек Человек Технич. объект Закон относительного постоянства Не существует изделий, не имеющих отклонений относительно некоторого материального образца. Ошибкой считается лишь превышение допустимого отклонения. Допуски и посадки, определяемые в соответствии с законом относительного постоянства, лежат в основе стандартизации типовых деталей и инструмента, применяемого в различных отраслях производства. Повышению точности процессов и изделий содействует научно-технический прогресс. Закон убывающей полезности в технике проявляется как в области ее совершенствования, таки в области эксплуатации технического объекта. Закон имеет такую формулировку Затраты на совершенствование технического объекта в пределах одного физического принципа действия по мере его исчерпания приносят все меньший эффект. По мере старения технического объекта, находящегося в эксплуатации, частота его отказов возрастает, а расходы на восстановление растут, пока не достигнут размеров получаемого от восстановления эффекта. Следовательно, существует срок службы технического объекта, после которого восстановление и дальнейшая эксплуатация технических объектов становятся нецелесообразными. Наряду с законами, относящимися к законам строения или к законам развития техники, имеются законы, которые выражают собой одновременно и строение, и развитие техники. Одним из таких законов является закон возрастания сложности технических объектов табл. 2): Таблица Закон возрастания сложности технических объектов Время Приближенное число классов технических объектов Среднее число деталей в наиболее сложных технических объектов 100 000 лет назад 5 1 10 000 лет назад 50 10 1 000 лет назад 1 000 100 Настоящее время 50 000 10 000 Наиболее подробную градацию технических объектов по сложности дал Г.Н. Поваров (табл. 3): 70 Таблица Градация сложности технических объектов Уровень сложности Примеры технических объектов 1. Простые предметы Одноэлементные орудия раннего каменного века рубило и др) 2. Превращающиеся предметы Использование огня при изготовлении керамической посуды 3. Сложные предметы Составные орудия из жестко соединенных деталей (ткани) 4. Простые системы Машины и устройства с числом элементов 10- 10 3 и определенным детерминированным их взаимодействием (XV – XVI вв.) 5. Сложные системы Технические системы с числом элементов 10 4 - 10 7 и выше с массовым случайным их взаимодействием (например, АТС) 6. Превращающиеся системы Системы, способные к росту, развитию, самоорганизации. Число элементов 10 8 -10 30 7. Парадоксальные системы Системы столь обширные и сложные, что они способны управлять пространством и временем, и изменять космические формы своего бытия. Число элементов 10 30 –10 Согласно АИ. Половинкину, показатель сложности |