К. В. Силаева
 Скачать 0.79 Mb.
|
|
В.М. Медунецкий К.В. Силаева Основные этапы развития технических наук Санкт-Петербург 2016 МИНИСТЕРСТВО ОБРАЗОВАНИЯ И НАУКИ РОССИЙСКОЙ ФЕДЕРАЦИИ УНИВЕРСИТЕТ ИТМО В.М. МЕДУНЕЦКИЙ К.В. СИЛАЕВА Основные этапы развития технических наук Учебное пособие Санкт-Петербург 2016 В.М. Медунецкий, К.В. Силаева Основные этапы развития технических наук. – СПб: Университет ИТМО, 2016. – 67 с. В настоящем учебно-методическом пособии рассмотрены основные этапы развития технических наук во взаимосвязи с основными технологическими укладами, которые отражают и характеризуют уровень технического развития общества в целом. Кратко и в общем виде изложена история возникновения и развития робототехники и мехатроники, а также рассмотрена такая научная область как приборостроение, тесно взаимосвязанная с мехатроникой и робототехникой. Уделяется внимание основным и перспективным научным направлениям в рассматриваемых областях. Учебно-методическое пособие предназначено для студентов, обучающихся по направлению подготовки 15.04.06 «Мехатроника и робототехника» по магистерским программам «Интеллектуальные технологии в робототехнике», «Системы моделирования в мехатронике» и «Модульные технологии в биомехатронике», а также по направлению подготовки 12.04.01 «Интеллектуальные измерительные технологии в мехатронике». Рекомендовано к печати мегафакультетом КТУ - протокол № 8 от 11.10.2016. Университет ИТМО – ведущий вуз России в области информационных и фотонных технологий, один из немногих российских вузов, получивших в 2009 году статус национального исследовательского университета. С 2013 года Университет ИТМО – участник программы повышения конкурентоспособности российских университетов среди ведущих мировых научно-образовательных центров, известной как проект «5 в 100». Цель Университета ИТМО– становление исследовательского университета мирового уровня, предпринимательского по типу, ориентированного на интернационализацию всех направлений деятельности. Университет ИТМО, 2016 Медунецкий В.М., Силаева К.В., 2016 1. Введение Современный период развития науки в целом характеризуется глубокими и качественными изменениями. Серьёзные изменения происходят в прикладных науках, в том числе и в технической области научного знания. Технические науки - это прикладные науки, исследующие технику и процессы, которые связаны с её созданием, развитием и взаимодействием с окружающей средой и человеком. Технические науки обеспечивают перенос знаний человека в физическую среду посредством создания техники, совокупность которой составляет искусственную, сознательно созданную среду обитания для человека - так называемую техносферу. Несмотря на то, что техника является продуктом только человеческой созидательной деятельности, технические науки связаны с естественными и общественными науками поскольку техника подчиняется тем же объективным законам, что и естественные объекты. Важно отметить, что объектами изучения технических наук являются не только материальные и существующие объекты техники, но и объекты ещё будущей техники, которую ещё предстоит создать. Можно отметить, что основными методами современных разделов технических наук являются компьютерное проектирование и моделирование. Для того, чтобы понять логику развития технических наук, следует выделять и изучать этапы их «эволюции». Это предоставляет возможность в определённой мере делать те или иные прогнозы развития технической области. При рассмотрении этапов развития технических наук необходимо выделять условия, в которых они формируются при соответствующем уровне техники, а также предпосылки и условия перехода одного этапа развития к другому. В данном варианте важно рассматривать и сопоставлять этапы развития техники и технических наук с технологическими укладами, что позволяет сделать анализ более глубоким.Под технологическим укладом можно понимать целостное и устойчивое образование, в котором осуществляется замкнутый цикл производства определённого набора конечных продуктов, удовлетворяющих соответствующему типу общественного потребления. Современные технические науки по мере усложнения исследуемых ими технических систем сближаются в известном плане с общественными науками. Следует отметить возникновение раздела социально-технических знаний, который нацелен на исследование технических устройств с точки зрения характеристик таких как технико-экономических, инженерно- психологических, технико-эстетических, экологических. Наряду с общими вопросами развития технических наук и техники в целом также целесообразно рассматривать и конкретные области технического знания, к примеру – возникновение и развитие мехатроники, робототехники и приборостроения. 3 2. Основные этапы развития технических наук Взаимосвязь науки и техники В отличие от фундаментальных наук, технические науки имеют исключительно прикладное, практическое назначение. Практическая направленность научно-технических исследований противопоставляет их фундаментальной науке. Между прикладными исследованиями и фундаментальной наукой существует неразрывная связь: с одной стороны, результаты фундаментальных исследований являются теоретической основой для проведения прикладных исследований, а с другой стороны, результаты научно-технической деятельности предоставляют свидетельства, которые могут подтверждать или опровергать научные теории, сформулированные учеными-теоретиками. Технические науки оперируют преимущественно понятием процедура (от лат. рrocessus-продвижение), то есть взаимосвязанная последовательность действий, направленных на достижение поставленных задач в заданных граничных условиях. Именно прикладная направленность технических наук привела к созданию первых тепловых двигателей, летательных и далее космических аппаратов, сложнейших технических объектов. Фундаментальные естественные науки оперируют, в основном, понятием процесс (от лат. procedo - последовательных смен состояний объектов во времени), то есть изучение базовых законов природы, при этом невозможно заранее задать конечную цель исследования, оценить результаты, необходимые сроки и затраты. Однако, в результате может быть получена совершенно новая, недоступная по уровню технических наук технология. К примеру, лазерные технологии в современном мире приобрели существенную роль – от светодиодов до технологий оптических носителей информации и военного назначения. Тем не менее, именно технические науки в составе иных прикладных наук играют основную роль в развитии технологий. В основе техники лежит использование законов природы. Вся история техники раскрывает диалектическое взаимодействие техники и естествознания. Решая тот или иной технический вопрос на основе уже открытых законов природы, человек вместе с тем открывает новые свойства вещей и тем двигает вперед естествознание. Хотя технические науки появились и начали развиваться сравнительно недавно, в начале XIX века, а сама техника появилась значительно раньше. На современном этапе развитие техники на основе широкого использования научных знаний - главное условие научно-технического прогресса. Если в прошлом техника в основном представляла собой аккумулированные в средствах труда, преимущественно эмпирические знания и опыт, то ныне в ней всё в большей мере материализуются научные знания. 4 В современный период важнейшие достижения техники – следствие фундаментальных научных открытий. Чисто эмпирическим путём уже невозможно создавать технические средства, подобные ядерным реакторам, лазерам, компьютерам и так далее; предварительным условием их создания является глубокое изучение и познание физических, химических и иных явлений и процессов, лежащих в основе принципа их действия. Потребности современного производства требуют предварительного изучения этих явлений, их теоретического анализа и обобщения, умения прогнозировать их особенности в иных, ещё не изученных ситуациях. Таким образом, непременное условие развития техники и, следовательно, материального производства - обеспечение опережающего развития науки по отношению к технике, практике. В то же время именно производство, его потребности и запросы оказывают решающее воздействие на развитие науки. Технический уровень производства обусловливает степень использования науки, определяет готовность технической базы производства к реализации новых научных идей. Вместе с тем материально-техническая база производства создаёт также материальную базу самих научных исследований, оказывает решающее влияние на качественный уровень научных экспериментов, на степень «индустриализации» науки. Современная наука оснащается сложнейшими техническими устройствами и сооружениями — исследовательскими реакторами, установками для изучения термоядерного синтеза, андронными коллайдерами, мощными радиотелескопами и т.д. Интенсивное развитие науки и техники, их взаимосвязь и взаимодействие, превращение науки в непосредственную производительную силу составляет одну из важнейших сторон современной научно-технической революции. На базе научных достижений и открытий происходят качественные изменения во всех отраслях современной техники. В корне преобразуются технические средства, системы, устройства, технологические методы производства. В современном производстве произошел переход от механизации отдельных процессов труда к комплексной механизации, автоматизации всего производства, к широкому использованию автоматизированных систем управления, промышленной робототехники. В ходе научно-технического прогресса произошла сплошная электрификация производства. Механические методы обработки материалов во многих случаях заменяются или дополняются более совершенными, использующими новейшие достижения физики и химии (ультразвуковая, высокочастотная, электроэрозионная, лазерная и др. виды обработки). Развитие биотехнологий позволяет эффективно применять для решения инженерных задач биологические методы, использовать в различных областях техники опыт живой природы. Биотехнология позволяет реализовать биологические методы получения многих продуктов и веществ. Прогресс химической науки и технологии даёт возможность рационально изменять свойства природных материалов, создавать широкую 5 гамму синтетических материалов, ускорять технологические процессы и на этой основе повышать производительность и улучшать качество промышленной продукции. Интенсивное развитие естественных и технических наук обусловливает активное познание человеком законов микромира, расширяет сферу деятельности человека, обеспечивая возможность его выхода в космос и практическое использования космической техники в интересах общества. Прогресс космических исследований - пример плодотворного взаимодействия науки и техники, их взаимообогащения в процессе совместного развития. Создание и совершенствование космических технологий явилось стимулом прогресса не только в области технических наук и связанных с ними отраслей производства (особенно радиоэлектроники, автоматики, точного приборостроения, материаловедения и др.), но также и в области естественных и общественных наук, где появились совершенно новые направления: космическая физика, биология, медицина, психология, право и т. д. Точно так же развитие информационной и вычислительной техники вовлекло в изучение процессов связи и управления большой комплекс наук, выдвинуло ряд общенаучных проблем (проблемы передачи информации, взаимодействия человека и машины и др.). Взаимодействие науки и техники – важнейшее условие осуществления не только научно-технического прогресса, но и общественного развития в целом [1]. Развитие технических наук Завершение процесса приобретения техническими знаниями научного характера стало возможным благодаря разрушению границ теории и практики вследствие становления классического естествознания и первых научных революции. В своем единстве процессы теоретизации, дифференциации и интеграции технических наук способствовали их превращению в особую, равноправную область научных знаний со сложной горизонтальной и вертикальной структурой, имеющую при этом открытые границы. Как отмечено в работе [2] - прежнее "парадигмальное отставание" научно-технического знания от глобальных научных революций, его "наверстывающий" характер постепенно сменяется опережением, превращением техники в главнейший фактор развития естественных, логико- математических и социально-гуманитарных наук. В целом постоянное ускорение темпов прогресса научно-технических знаний и технологий является проявлением универсального закона ускорения социально- исторического времени. Развитие технических наук в Новое время В Новое время происходит постепенное становление классического научно-технического знания. В XVII—XIX вв. наука становится доминирующей формой постижения бытия. Распространяется вера в 6 безграничные возможности науки, и эта вера все более укрепляется благодаря нарастающему потоку выдающихся технических достижений. Философия начала Нового времени усилиями Г. Галилея, Т. Гоббса, Р. Декарта, Б. Спинозы, сформулировала новые познавательно- методологические принципы, повлиявшие на определение критериев научности и прогресс в том числе технического знания: квантитативизм (метод количественного сопоставления по формуле: "познать — значит измерить), причинно-следственный автоматизм и динамизм (признание за всеми явлениями действия однозначных, математически выраженных законов, исключение случайности), сумматизм (ориентация на сведение сложного к простому, рассмотрение всего как агрегата элементарных частей), механицизм (сведение к механике понимания всего мироустройства), экспериментальность (превращение эксперимента, как технического, так и мысленного, из иллюстрации знания в главный метод познания, проверка им даже общепринятых воззрений). Технические науки — это система теоретического знания, направленного на изучение и разработку идеальных моделей искусственных материальных средств целесообразной деятельности людей. В становлении и развитии технических наук в Новое время можно выделить несколько этапов. I этап (XVII - середина XVIII в.) - время первой собственно научной революции, которая знаменуется становлением экспериментального метода и математизацией естествознания как приложения научных результатов в технике. К концу этого этапа, благодаря в первую очередь И. Ньютону, сформировалась первая — механистическая — научная картина мира. В этих условиях техника выступает как объект исследования естествознания, поскольку становление экспериментальной науки требует создания инструментов и измерительных приборов. Решению этой проблемы была подчинена значительная часть деятельности ученых-экспериментаторов. Так, Г. Галилей. И. Кеплер, X. Гюйгенс и др. предлагали все более совершенную конструкцию зрительной трубы. Э. Торичелли создал ртутный термометр и дал научное объяснение его действию. О.фон Герике изобрел воздушный насос, Р. Бойль — барометр, а ассистент Бойля Р. Гук — микроскоп. В теоретической части научно-технического знания усилиями Л. Эйлера, Ж. Б. Даламбера были разработаны физико-математические основы технической механики, в частности механики жидкостей и газов, пневматики. Трудами С. Стевина, Б. Паскаля и др. формируется гидростатика как раздел гидромеханики. В рассматриваемый период стали появляться первые специализированные технические учебные заведения, главным образом военно-инженерные и горные. В начале XVIII в. подготовка военных инженеров (артиллеристов и строителей) была наиболее широко представлена во Франции. В России в основанных в 1700—1701 гг. инженерной школе, а также в школе математических и навигацких наук преподавались прикладные дисциплины. Специалистов по горнозаводскому 7 делу подготавливали в специальных школах при заводах. В 1715 г. открылась Петербургская морская академия. ІІ этап (вторая половина XVIII - середина XIX в.) – характеризуется формированием научно-технических знаний на основе использования в инженерной практике знаний естественных наук и, во-вторых, появлением первых технических наук. Этот качественный скачок неразрывно связан с развитием крупного капиталистического производства и так называемым промышленным переворотом. Исходным пунктом перехода от мануфактурного производства к машинному явилось изобретение и применение рабочих машин как части технического устройства, которая непосредственно воздействует на предмет труда и целесообразно изменяет его форму. Другими частями машины являются двигатель и передаточный механизм. Первоначально рабочие машины появились в текстильном производстве. Затем энергетический кризис в горном деле и металлургии стимулировал изобретение универсального теплового двигателя. Окончательной стадией уже в XIX веке стала революция в машиностроении, связанная с изобретением суппорта. Промышленный подъём привел к появлению новых видов производств и стимулировал целый ряд технических изобретений. В первую половину XIX века они изменили всю систему общественных отношений (железнодорожные локомотивы, пароходы, сельскохозяйственные машины, электрические телеграфы, фотоаппараты). Были заложены основы электромеханики (Дж. Генри, Б.С. Якоби и др.). В этих условиях возникла потребность в тиражировании и модификации изобретенных инженерных устройств. Резко возрос объем расчетов и конструирования, в силу чего все чаше инженер имел дело не только с разработкой принципиально нового инженерного объекта, но и с созданием сходного (модифицированного) изделия (например, машины того же класса, но с другими характеристиками, иной мощностью, скоростью, габаритами, конструкцией). Разработка однородных инженерных объектов позволяла сводить одни случаи к другим. В результате начали выделяться и описываться определенные группы естественнонаучных знаний и схем инженерных объектов. Фактически, это были первые знания и объекты технических наук, но существующие пока еще не в собственной форме. С этим процессом были связаны два других: онтологизация и математизация. Онтологизация - это поэтапный процесс схематизации инженерных устройств, в ходе которого эти объекты разбиваются на отдельные части и каждая замещается "идеализированным представлением" (схемой, моделью). Подобные идеализированные представления вводились для того, чтобы к инженерному объекту можно было применить как математические знания, так и естественнонаучные. 8 Замещение инженерного объекта математическими моделями требовалось и само по себе как необходимое условие изобретения, конструирования и расчета, и как стадия построения нужных для этих процедур идеальных объектов естественной науки. Если на первой стадии используются отдельные математические знания или фрагменты математических теорий, то в дальнейшем технические науки переходят к применению целых математических аппаратов. Процессы сведения, идеализации и математизации привели к формированию первых идеальных объектов технических наук (схема колебательного контура, кинематического звена, теория идеальной паровой машины и др.). В рассматриваемый период создается научный фундамент теплотехники, зарождается электротехника, закладываются аналитические основы механических наук. |