Генезис инженерно-технического знания: XIX столетие

Размещено на http://www.allbest.ru/

ГЕНЕЗИС ИНЖЕНЕРНО-ТЕХНИЧЕСКОГО ЗНАНИЯ: XIX СТОЛЕТИЕ

Г.И. Ловецкий, М.А. Бочков

XIX век является важнейшим периодом в развитии современного инженерно-технического знания. На данном этапе происходят революционные открытия в различных областях науки и техники, углубляется специализация науки, появляются её «пограничные» отрасли (так на границе физики и химии возникает самостоятельная область науки физическая химия, а на границе химии и биологии - биохимия), а также разрушается механистическая картина мира. Эти события привели, с одной стороны, к идее о единстве окружающего мира, а с другой - к концепции относительности наших знаний. Для подробного изучения предмета исследования рассмотрим развитие инженерно-технического знания на примере механики и астрономии.

В XIX веке происходит стремительное развитие как общих разделов механики - динамика твердого тела, теория устойчивости движения, колебания, так и частных - механика жидкостей и газов. Ряд исследований по механике имели теоретическую направленность, а ряд - практический характер, обусловленный потребностями производства. Прямую связь с практическими вопросами имели научно-исследовательские работы по динамике тяжелого твердого тела, обусловленные решением проблемы обеспечения артиллерийскому снаряду необходимой устойчивости в полёте. Движение быстровращающегося снаряда является частным случаем динамики гироскопа (волчка), которая тесно связана с общей проблемой механики - с проблемой устойчивости движения материальных систем, решение которой было дано А.М. Ляпуновым (1857-1918 г.) в работе «Общая задача об устойчивости движения» (1892 г.). Большой вклад в общую теорию устойчивости движения тел внёс французский ученый А. Пуанкаре (1854-1912 г.).

Развитие машинной техники, строительство железнодорожных мостов, изобретение быстроходных пароходов поставили в центр внимания ученых того времени проблемы колебаний и резонанса. Особых успехов в данном направлении добились русские ученые-механики О.И. Сомов (1815-1876 г.) и А.Н. Крылов (1863-1945 г.).

В последней трети XIX и начале XX века получает свое развитие механика жидкостей и газов. Немецкий ученый Г. Гельмгольц (1821-1894 г.) разработал учение о вихрях в жидкости. Гидродинамическую теорию трения сформулировал русский ученый Н.П. Петров (1836-1920 г.), исследования которого были нацелены на решение проблемы сохранения осей вагонов железнодорожного транспорта. В своей работе «О газовых струях» русский ученый С.А. Чаплыгин (1869-1942 г.) основал новую область механики - газовую динамику. Огромное значение исследования Чаплыгина обнаружилось значительно позже при расчете сил, с которыми воздух действует на самолёт, летящий со скоростью близкой к скорости звука [1].

Ключевую роль в создании нового раздела гидродинамики - аэродинамики сыграл русский ученый Н.Е. Жуковский (1847-1921 г.), который вывел формулу для определения подъемной силы крыла, являющуюся основой всех аэродинамических расчетов самолетов, а также указал ряд теоретических профилей крыла.

Огромное значение для исследования полета ракет имеет новый раздел механики - динамика переменной массы, сформулированный И.В. Мещерским (1859-1935 г.) в его работе «Динамика точки переменной массы» (1897 г.). Выдающийся русский ученый К.Э. Циолковский (1857-1935 г.) обосновал теорию полета ракеты с учетом изменения её массы, математически доказав возможность использования реактивных аппаратов для межпланетных сообщений.

В XIX веке происходит обогащение астрономии такими новыми методами изучения космоса, как спектральный анализ и фотография, которые были основаны на достижениях физики и химии. Эти методы обусловили становление новой отрасли астрономии - астрофизики.

Стремительное развитие получила звездная астрономия, которая при исследованиях закономерностей развития звездной системы, стала широко применять физические характеристики звезд (спектральные классы, лучевые скорости, показатели цвета), полученные астрофизическими методами. Это позволило глубже познать закономерности строения и развития звездного мира.

Во второй половине XIX столетия разработана классификация звездных спектров, позволившая доказать существование объектов звездной (звездные системы, скопления) и газовой природы (газовые туманности).

Исследованиями Я. Кантейна, К. Шваршильда и других ученых подтвердилось наличие закономерностей собственных движений звезд, существование которых обосновал в работе «О законах собственного движения звезд каталога Брадлея» русский астроном М.А. Ковальский (1821-1884 г.).

Отрицательное влияние на мировоззрение астрономов конца XIX столетия оказал общий кризис естествознания, который обусловил тенденцию отрицания бесконечности вселенной во времени и пространстве, а также признал нашу Галактику единственной звездной системой, включающей все небесные тела. Однако последующие исследования доказали существование других звездных систем, в результате чего сложился новый раздел звездной астрономии - внегалактическая астрономия.

Таким образом, новые открытия в астрономии в рассматриваемый период обусловили переход от изучения частных вопросов, касающихся природы отдельных небесных тел, к выяснению общих закономерностей строения и развития звездной системы [1].

Вышеперечисленные достижения в области механики и астрономии не были бы достигнуты без опережающего развития таких фундаментальных наук, как математика и физика.

Новый период в развитии математики связан с развитием итальянским ученым Е. Бельтрами (1835-1900 г.), а также немецким математиком Ф. Клейном (1849-1925 г.) выводов Н.И. Лобачевского, Я. Больяи, Б. Римана по неэвклидовой геометрии.

Значимым событием в области аксиоматического метода является развитие немецким математиком Д. Гильбертом (1862-1943 г.) математической логики, практическое значение которой для машинной математики обнаружилось позже.

Значительное развитие получило учение об общих свойствах конечных и бесконечных множеств, которое было основано немецким математиком Г. Кантором (1845-1918 г.) и повлияло буквально на все отрасли математики.

В рассматриваемый период развитие получила теория вероятностей, которая нашла своё большое применение в теории астрономических и геодезических наблюдений, а также в теории стрельбы. Значительную роль в развитии теории вероятностей сыграли исследования русского ученого А.А. Маркова-старшего (1856-1922 г.), направленные на решение ряда физических проблем (диффузия, броуновское движение).

Важным направлением в развитии математики конца XIX века является теория групп, которая нашла своё применение в геометрии, кристаллографии, физики, химии. Русский кристаллограф и геометр Е.С. Федоров (1853-1919 г.) решил с помощью теоретико-групповых методов важнейшую задачу кристаллографии - задачу классификации кристаллических решеток.

Изучение общих свойств геометрических фигур и пространств привело к созданию А. Пуанкаре (1854-1912 г.) нового раздела математики - топологии (учение о свойствах геометрических образов, не меняющихся при непрерывной деформации).

Новые достижения математики XIX столетия - развитие неэвклидовой геометрии, математической логики, новых аспектов теории вероятностей, теории групп и т.д. - тесно связаны с открытием физических и многих других законов природы. Естественные и инженерно-технические науки начали чаще обращаться к методу математического анализа своего материала, обусловив сближение различных областей естественного и инженерно-технического знания, что доказывает единство предмета исследования вышеперечисленных наук, а вместе с тем и единство материального мира.

Последняя четверть XIX века ознаменовалась двумя важнейшими открытиями, преобразовавшими господствующие до этого физические представления о строении материи: была экспериментально доказана реальность электромагнитного поля и установлена атомистическая природа электрических зарядов - источников электромагнитного поля.

В 1887 г. Генриху Герцу удалось впервые обнаружить возникновение электромагнитных волн. Он доказал, что эти волны, так же как и световые лучи, отражаются и преломляются.

В течение следующего десятилетия были открыты почти все диапазоны электромагнитных волн - от нескольких сот метров до 20 ангстремов.

В 1895 г. немецкий физик В. Рентген открыл электромагнитное излучение, названное им x-лучами. Вскоре было доказано, что лучи Рентгена - это электромагнитные волны очень короткой длины. Открытие рентгеновских лучей приобрело большое практическое значение в медицине [1].

Большое практическое применение получили исследования А.С. Попова, положившие начало широкому использованию электромагнитных волн для беспроволочной связи.

Русский ученый П.Н. Лебедев (1866-1912 г.) в своих исследованиях доказал, что электромагнитные волны характеризуются не только энергией, но и массой, а следовательно, могут оказывать давление. Благодаря данным исследованиям была заполнена брешь между обычными радиоволнами и инфракрасными лучами.

Открытия Герца, Рентгена, Лебедева и других ученых дополнили теорию электромагнитного поля Максвелла и обеспечили её господство.

В 1874 г. Стоней дал первое количественное определение заряда атома электричества, назвав этот ряд «электроном». Стоней назвал электроном наименьший возможный электрический заряд, связанный с ионом одновалентного вещества.

В 1870 г. англичанин У. Крукс открыл катодные лучи в разрядной трубке с разреженным воздухом. В 1897 г. английский ученый Дж. Томсон (1856-1940 г.) показал, что катодные лучи являются потоком отрицательных электронов.

В 1887 г. Генрих Герц заметил, что если свет электрической искры одного разрядника падает на отрицательный электрод соседнего, то прохождение искрового разряда значительно облегчается. В 1888 г. Вильгельм Гальвакс (1859-1922 г.) установил, что отрицательно заряженная металлическая пластинка теряет свой заряд при освещении ее лучами другой лампы. Русский ученый А.Г. Столетов (1839-1896 г.) фундаментально исследовал вышеперечисленные явления и установил, что сила возникающего тока зависит от интенсивности освещения и от длины волн света.

Исследуя явление фотоэлектрического эффекта, Столетов еще не знал, что в его опытах под воздействием ультрафиолетового света из металла вырываются отрицательные электрические заряды, которые ранее наблюдал Крукс в разрядной трубке и которые Стоней назвал электронами.

Окончательное атомное строение электрических зарядов было доказано только в 1911 г. опытами американского ученого Милликена (1868-1953 г.).

Развитие учения об электромагнитном поле, открытие электрона, установление электрической структуры атома привели к синтезу этих достижений в так называемой электронной теории, сложившейся в конце XIX века. Основы этой теории содержались в работах выдающегося голландского ученого Г. Лоренца (1853-1928 г.), резюмированные в книги «Теория электронов». Пытаясь охватить все свойства материи, Лоренц исходил их трех основных материальных элементов - положительных элементарных зарядов, связанных с атомами вещества, отрицательных элементарных зарядов (электронов) и эфира. Все бесконечное разнообразие видов материи Лоренц рассматривал как результат взаимодействия этих элементов [1].

Электронная теория Лоренца установила важное свойство быстродвижущихся зарядов - зависимость массы электрона от скорости его движения. Теория показала также, что при быстром движении тел изменяются и такие их свойства, как объем и длительность протекающих в теле процессов.

В результате исследований Г. Лоренца, Дж. Томсона и др. были сформулированы предпосылки к пониманию строения атома как сложного образования. Этому способствовало открытие в конце 90-х годов естественной радиоактивности А. Беккерелем (1852-1908 г.) и супругами Кюри - Пьером и Марией. Естественно было сделать предположение, что атом - это система электрически заряженных частиц, что в состав любых атомов входят электроны. Это заключение подтвердилось и рассмотренными выше явлениями испускания электронов при нагревании и освещении тел (термоэлектронная эмиссия, фотоэлектрические явления), а также действием магнитного поля на излучение атома, в результате чего происходило расщепление спектральных линий в магнитном поле на несколько компонентов (явление Зеемана, 1896 г.).

В начале XX века началась разработка теории атома - основы современной физики.

Исходя из периодической системы элементов Менделеева, Дж. Томсон предположил, что электроны в атоме располагаются слоями, а химические свойства элемента определяются внешним слоем электронов, что в дальнейшем и подтвердилось.

В 1911 г. английский физик Э. Резерфорд (1871-1937 г.), изучая рассеивание альфа-частиц (ядер гелия) атомами различных веществ, установил, что альфа-частицы, несмотря на то что они испытывают сотни тысяч столкновений с атомами, отклоняются большей частью на очень малые углы. Следовательно, встречные атомы пронизываются быстрой и массивной альфа-частицей. Исходя из этого, Резерфорд предложил свою модель атома, так называемую планетарную модель, согласно которой в центре атома находится положительно заряженное ядро, масса которого почти равна массе атома. Вокруг ядра движутся электроны, подобно планетам вокруг Солнца [1].

Но электронная теория того времени не смогла объяснить внутренние процессы. Согласно классической электродинамике ускоренно движущиеся внутриатомные электроны должны были непрерывно терять свою энергию на излучение электромагнитных волн, поэтому их движения внутри атома должны были бы затухать в миллионные доли секунды, что противоречило факту большой устойчивости атома. При этом излучаемый атомом свет согласно электронной теории должен был бы иметь непрерывный спектр. Опыт же показывает, что раскаленные газы (т.е. совокупность атомов, обладающих большой энергией) излучают вполне определенный линейчатый спектр, характерный для данного вещества. Таким образом, выяснилось, что на основе классической механики и электродинамики невозможно объяснить ни внутриатомные процессы, ни процессы излучения атомов. Выход из данной ситуации был найден путем создания квантовой теории.

В 1900 г. немецкий физик М. Планк (1858-1947 г.), исходя из законов теплового излучения, выдвинул гениальное предположение, что элементарные излучатели - атомы - могут отдавать свою энергию электромагнитному полю (т.е. излучать свет) только дискретными порциями - квантами.

Таким образом, физика практически до конца XIX века основывалась на принципах классической механики Ньютона. Ученые полагали, что все физические явления можно свести к механике молекул. Однако новые исследования в области строения вещества, тепловой энергии, а также явлений микромира, произведенные в конце XIX века, показали несовершенство механистической картины миры, а вместе с ней и несостоятельность метафизических философских концепций, основанных на старой классической механике. Законы классической механики не смогли объяснить причину возникновения и природу радиоактивного излучения. Научные исследования открыли совершенно новый вид источника энергии, играющего огромную роль в судьбе человечества и заставившего переосмыслить господствовавшие в науке и обществе представления об энергетических ресурсах земли и космоса.

В процессе изучения явлений микромира были основаны научные принципы и сформулированы новые законы, которые ответили на вопросы, в решении которых классическая механика оказалась бессильна. Процесс перехода к новым основам физики может быть назван процессом становления новой картины мира, что вызвало целый ряд проблем в философии. Поэтому в конце XIX века ожесточенно шла борьба между материализмом и идеализмом. Так, субъективные идеалисты на основе открытия радиоактивности сделали вывод, что это открытие подрывает основы принципа сохранения энергии, так как, по их мнению, излучение энергии при радиоактивном распаде доказывает возникновение энергии из ничего. Они также утверждали, что открытие явления изменчивости массы электрона подрывает принцип сохранения массы, а на основе отождествления массы с материей, сделали вывод, что материя исчезает. Борьба вокруг философских проблем естествознания имела большое социальное значение, поэтому в неё включились выдающиеся представители философии того времени. Отвечая на утверждение идеалистов об исчезновении материи, В.И. Ленин писал: «Это значит, что исчезает тот предел, до которого мы знали материю до сих пор, однако наше знание идет глубже; исчезают такие свойства материи, которые раньше казались абсолютными (непроницаемость, инерция, масса и т.д.) и которые теперь обнаруживаются, как относительные, присущие только отдельным состояниям материи» [1].

Таким образом, на основе проведенного исследования можно сделать следующие выводы:

- инженерно-технические и фундаментальные науки имеют единый предмет исследования, так как XIX век показал сближение различных областей фундаментального и инженерно-технического знания в процессе проведения революционных открытий в различных областях науки и техники, что доказывает идею единства материального мира во времени и пространстве;

- весь процесс развития науки и техники в XIX столетии был тесно связан с развитием промышленного производства. Появление новых взаимосвязанных отраслей промышленности поставили перед наукой проблемы, решения которых доказали связи как между различными веществами, так и видами энергии;

- важной особенностью развития инженерно-технического и естественного знания в XIX веке - строительство «фундамента», необходимого для дальнейших открытий в различных областях науки и техники.

инженерный технический знание наука

Список литературы

1. А.А. Зворыкин, Н.И. Осьмова и др. История техники: М. Соцэкгиз, 1962

Размещено на Allbest.ru