Если у вас возникли сложности с курсовой, контрольной, дипломной, рефератом, отчетом по практике, научно-исследовательской и любой другой работой - мы готовы помочь.
Предоплата всего
Подписываем
Раздел 3.ФИЗИЧЕСКАЯ ТЕОРИЯ И ТЕХНИЧЕСКАЯ ТЕОРИЯ. ГЕНЕЗИС КЛАССИЧЕСКИХ ТЕХНИЧЕСКИХ НАУК
Структура технической теории
Для разъяснения специфики технических наук очень важно показать сходства и отличия физической и технической теорий. Первые технические теории строились по образцу физических. Как показано в первых разделах этой книги, в структуре развитой естественнонаучной теории наряду с концептуальным и математическим аппаратом важную роль играют теоретические схемы, образующие своеобразный "внутренний скелет" теории.
Теоретические схемы и абстрактные объекты технической теории
Теоретические схемы представляют собой совокупность абстрактных объектов, ориентированных, с одной стороны, на применение соответствующего математического аппарата, а с другой, - на мысленный эксперимент, т.е. на проектирование возможных экспериментальных ситуаций. Они представляют собой особые идеализированные представления (теоретические модели), которые часто (в особенности в технических науках) выражаются графически. Примером их могут быть электрические и магнитные силовые линии, введенные М.Фарадеем в качестве схемы электромагнитных взаимодействий. "Фарадеевы линии силы, - писал Максвелл, - занимают в науке об электромагнитизме такое же положение, как пучки линий в геометрии положения. Они позволяют нам воспроизвести точный образ предмета, о котором мы рассуждаем". Г. Герц использовал и развил далее эту теоретическую схему Фарадея для осуществления и описания своих знаменитых опытов. Например, он построил изображения так называемого процесса "отшнуровывания" силовых линий вибратора, что стало решающим для решения проблемы передачи электромагнитных волн на расстояние и появления радиотехники, и анализировал распределение сил для различных моментов времени. Герц назвал такое изображение "наглядной картиной распределения силовых линий".
Такое специальное схематическое представление, особенно в современной физической теории, необязательно должно выражаться в графической форме, но это не значит, что оно вообще более не существует. Представители научного сообщества всегда имеют подобное идеализированное представление объекта исследования и постоянно мысленно оперируют с ним. В технической же теории такого рода графические изображения играют еще более существенную роль.
Теоретические схемы выражают особое видение мира под определенным углом зрения, заданным в данной теории. Эти схемы, с одной стороны, отражают интересующие данную теорию свойства и стороны реальных объектов, а с другой, - являются ее оперативными средствами для идеализированного представления этих объектов, которое может быть практически реализовано в эксперименте путем устранения побочных влияний техническим путем. Так, Галилей, проверяя закон свободного падения тел, выбрал для бросаемого шарика очень твердый материал, что позволяло практически пренебречь его деформацией. Стремясь устранить трение на наклонной плоскости, он оклеил ее отполированным пергаментом. В качестве теоретической схемы подобным образом технически изготовленный объект представлял собой наклонную плоскость, т.е. абстрактный объект, соответствующий некоторому классу реальных объектов, для которых можно пренебречь трением и упругой деформацией. Одновременно он представлял собой объект оперирования, замещающий в определенном отношении реальный объект, с которым осуществлялись различные математические действия и преобразования.
Еще более показателен пример работы Генриха Герца, экспериментально доказавшим существование электромагнитных волн. Используемые Герцем теоретические понятия имели четкое математическое выражение (поляризация, смещение, количество электричества, сила тока, период, амплитуда, длина волны и т.д.). Однако он постоянно имел в виду и соотнесенность математического описания с опытом. Так, в основных уравнениях электродинамики Герц перешел от использования потенциалов, служивших для теоретического описания, к напряженностям, которые были экспериментально измеримыми. Производя опыты, он постоянно обращался к математическим расчетам - например, к расчету периода колебаний по формуле Томсона. Использование для описания электродинамических процессов теоретических схем оптики и акустики позволило Герцу не только применить ряд таких понятий, как угол падения, показатель преломления, фокальная линия и т.п., но и осуществить над электромагнитными колебаниями ряд классических оптических опытов (по регистрации прямолинейного распространения, интерференции и преломления электромагнитных волн и т.п.). Эти эксперименты подтвердили адекватность выбранной теоретической схемы и доказали ее универсальность для разных типов физических явлений. Заимствованная из оптики и акустики, теоретическая схема естественного процесса распространения электромагнитных волн (Герц называл ее "картиной поля", "картиной электрических волн") позволила транслировать и соответствующую математическую схему, а именно - геометрическое изображение стоячей волны, которое дает возможность четко определять узловые точки, пучности, период, фазу и длину волны. В соответствии с этой схемой Герц производил необходимые экспериментальные измерения (фазы и амплитуды электромагнитных колебаний при отражении, показателя преломления асфальтовой призмы и т.д.).
Таким образом, абстрактные объекты, входящие в состав теоретических схем математизированных теорий представляют собой результат идеализации и схематизации экспериментальных объектов или более широко - любых объектов предметно-орудийной (в том числе инженерной) деятельности. Понятие диполя, вибратора, резонатора и соответствующие им схематические изображения, введенные Герцем, были необходимы для представления в теории реальных экспериментов. В настоящее время для получения электромагнитных волн и измерения их параметров используются соответствующие радиотехнические устройства, и следовательно, понятия и схемы, их описывающие, служат той же цели, поскольку по отношению к электродинамике эти устройства выполняют функцию экспериментальной техники. Однако, помимо всего прочего, эти устройства являются объектом конкретной инженерной деятельности, а их абстрактные схематические описания по отношению к теоретическим исследованиям в радиотехнике выполняют функцию теоретических моделей.
Особенность технических наук заключается в том, что инженерная деятельность, как правило, заменяет эксперимент. Именно в инженерной деятельности проверяется адекватность теоретических выводов технической теории и черпается новый эмпирический материал. Это отнюдь не значит, что в технических науках не проводится экспериментов, просто они не являются конечным практическим основанием теоретических выводов. Огромное значение в этом отношении приобретает инженерная практика.
Абстрактные объекты технической теории обладают целым рядом особенностей. Прежде всего они являются "однородными" в том смысле, что собраны из некоторого фиксированного набора блоков по определенным правилам "сборки". Например, в электротехнике таковыми являются емкости, индуктивности, сопротивления; в теоретический радиотехнике - генераторы, фильтры, усилители и т.д.; в теории механизмов и машин - различные типы звеньев, передач, цепей, механизмов. Например, немецкий ученый и инженер Франц Рело поставил перед собой задачу создать техническую теорию, которая позволила бы не только объяснить принцип действия существующих, но и облегчить создание новых механизмов. С этой целью он провел более детальное, чем его предшественники, расчленение на части механизма, взятого в качестве абстрактного объекта технической теории. Рело построил представление о кинематической паре, а составляющие ее тела он называл элементами пары. С помощью двух таких элементов можно осуществлять различные движения. Несколько кинематических пар образуют кинематическое звено, несколько звеньев - кинематическую цепь. Механизм является замкнутой кинематической цепью принужденного движения, одно из звеньев которой закреплено. Поэтому из одной цепи можно получить столько механизмов, сколько она имеет звеньев.
Подобное строение абстрактных объектов является специфичным и обязательным для технической теории, делая их однородными в том смысле, что они сконструированы, во-первых, с помощью фиксированного набора элементов и, во-вторых, ограниченного и заданного набора операций их сборки. Любые механизмы могут быть представлены как состоящие из иерархически организованных цепей, звеньев, пар и элементов. Это обеспечивает, с одной стороны, соответствие абстрактных объектов конструктивным элементам реальных технических систем, а с другой создает возможность их дедуктивного преобразования на теоретическом уровне. Поскольку 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. Эти идеализированные блоки соответствуют стандартизованным конструктивным элементам реальных технических систем. В теоретических схемах технической науки задается образ исследуемой и проектируемой технической системы.
Специфика технической теории состоит в том, что она ориентирована на конструирование технических систем. Научные знания и законы, полученные естественнонаучной теорией, требуют еще длительной "доводки" для применения их к решению практических инженерных задач, в чем и состоит одна из функций технической теории.
Теоретические знания в технических науках должны быть обязательно доведены до уровня практических инженерных рекомендаций. Выполнению этой задачи служат в технической теории правила соответствия, перехода от одних модельных уровней к другим, а проблема интерпретации и эмпирического обоснования в технической науке формулируется как задача реализации.
Поэтому в технической теории важную роль играет разработка особых операций перенесения теоретических результатов в область инженерной практики, установление четкого соответствия между сферой абстрактных объектов технической теории и конструктивными элементами реальных технических систем, что соответствует фактически теоретическому и эмпирическому уровням знания.
Эмпирическое и теоретическое в технической теории
Эмпирический уровень технической теории образуют конструктивно-технические и технологические знания, являющиеся результатом обобщения практического опыта при проектировании, изготовлении, отладке и т.д. технических систем. Это - эвристические методы и приемы, разработанные в самой инженерной практике, но рассмотренные в качестве эмпирического базиса технической теории.
Конструктивно-технические знания преимущественно ориентированы на описание строения (или конструкции) технических систем, представляющих собой совокупность элементов, имеющих определенную форму, свойства и способ соединения. Они включают также знания о технических процессах и параметрах функционирования этих систем. Технологические знания фиксируют методы создания технических систем и принципы их использования. Эмпирические знания технической науки отображаются на ее теоретическом уровне в виде многослойных теоретических схем, абстрактных объектов различных уровней. Однако эмпирический уровень технической теории содержит в себе не только конструктивно-технические и технологические знания, которые по сути дела ориентированы на обобщение опыта инженерной работы, но и особые практико-методические знания, представляющие собой практические рекомендации по применению научных знаний, полученных в технической теории, в практике инженерного проектирования. Это - фактически те же самые технологические и конструктивно-технические знания, только являющиеся уже не результатом обобщения практического опыта инженерной работы, а продуктом теоретической деятельности в области технической науки и поэтому сформулированы в виде рекомендаций для еще неосуществленной инженерной деятельности. Такие рекомендации, однако, формулируются на основе полученных в технической теории теоретических знаний в специальных научно-технических и инженерных исследованиях. В них также формулируются задачи, стимулирующие развитие технической теории.
Теоретический уровень научно-технического знания включает в себя три основные уровня, или слоя, теоретических схем: функциональные, поточные и структурные.
Функциональная схема фиксирует общее представление о технической системе, независимо от способа ее реализации, и является результатом идеализации технической системы на основе принципов определенной технической теории. Функциональные схемы совпадают для целого класса технических систем. Блоки этой схемы фиксируют только те свойства элементов технической системы, ради которых они включены в нее для выполнения общей цели. Каждый элемент в системе выполняет определенную функцию. Совокупность такого рода свойств, рассмотренных обособлено от тех нежелательных свойств, которые привносит с собой элемент в систему, и определяют блоки (или функциональные элементы) таких схем. Как правило, они выражают обобщенные математические операции, а функциональные связи, или отношения, между ними - определенные математические зависимости.
Функциональные схемы, например, в теории электрических цепей представляют собой графическую форму математического описания состояния электрической цепи. Каждому функциональному элементу такой схемы соответствует определенное математическое соотношение, - скажем, между силой тока и напряжением на некотором участке цепи или вполне определенная математическая операция (дифференцирование, интегрирование и т.п.). Порядок расположения и характеристики функциональных элементов адекватны электрической схеме.
В классической технической науке функциональные схемы всегда привязаны к определенному типу физического процесса, т.е. к определенному режиму функционирования технического устройства, и всегда могут быть отождествлены с какой-либо математической схемой или уравнением. Однако они могут быть и не замкнуты на конкретный математический аппарат. В этом случае они выражаются в виде простой декомпозиции взаимосвязанных функций, направленных на выполнение общей цели, предписанной данной технической системе. С помощью такой функциональной схемы строится алгоритм функционирования системы и выбирается ее конфигурация (внутренняя структура).
Поточная схема, или схема функционирования, описывает естественные процессы, протекающие в технической системе и связывающие ее элементы в единое целое. Блоки таких схем отражают различные действия, выполняемые над естественным процессом элементами технической системы в ходе ее функционирования. Такие схемы строятся исходя из естественнонаучных (например, физических) представлений.
Теория электрических цепей, к примеру, имеет дело не с огромным разнообразием конструктивных элементов электротехнической системы, отличающихся своими характеристиками, принципом действия, конструктивным оформлением и т.д., а со сравнительно небольшим количеством идеальных элементов и их соединений, представляющих эти идеальные элементы на теоретическом уровне. К таким элементам относятся прежде всего емкость, индуктивность, сопротивление, источники тока и напряжения. Для применения математического аппарата требуется дальнейшая идеализация: каждый из перечисленных выше элементов может быть рассмотрен как активный (идеальные источники тока или напряжения) или пассивный (комплексное - линейное омическое и нелинейные индуктивное и емкостное - сопротивления) двухполюсник, т.е. участок цепи с двумя полюсами, к которым приложена разность потенциалов и через которую течет электрический ток. Все элементы электрической цепи должны быть приведены к указанному виду. Причем в зависимости от режима функционирования технической системы одна и та же схема может принять различный вид. Режим функционирования технической системы определяется прежде всего тем, какой естественный (в данном случае физический) процесс через нее протекает, т.е. какой электрический ток (постоянный или переменный, периодический или непериодический и т.д.) течет через цепь. В зависимости от этого и элементы цепи на схеме функционирования меняют вид: например, индуктивность представляется идеальным омическим сопротивлением при постоянном токе, при переменном токе низкой частоты - последовательно соединенными идеальными омическим сопротивлением и индуктивностью (индуктивным сопротивлением), а при переменном токе высокой частоты ее поточная схема дополняется параллельно присоединяемым идеальным элементом емкости (емкостным сопротивлением). Для каждого вида естественного (физического) процесса применяется наиболее адекватный ему математический аппарат, призванный обеспечить эффективный анализ поточной схемы технической системы в данном режиме ее функционирования. Заметим, что для разных режимов функционирования технической системы может быть построено несколько поточных и функциональных схем.
Поточные схемы в общем случае отображают не обязательно только физические процессы (электрические, механические, гидравлические и т.д.), но и химические, если речь идет о теоретических основах химической технологии и вообще любые естественные процессы. Поскольку сегодня активно развивается биотехнология, в сферу технических наук попадают и биологические процессы.
В предельно общем случае поточные схемы отображают не только естественные процессы, но и вообще любые потоки субстанции (вещества, энергии, информации). Причем в частном случае эти процессы могут быть редуцированы к стационарным состояниям, но последние могут рассматриваться как вырожденный частный случай процесса.
Структурная схема технической системы фиксирует те узловые точки, на которые замыкаются потоки (процессы функционирования). Это могут быть единицы оборудования, детали или даже целые технические комплексы, представляющие собой конструктивные элементы различного уровня, входящие в данную техническую систему, которые могут отличаться по принципу действия, техническому исполнению и ряду других характеристик. Такие элементы обладают кроме функциональных свойств свойствами второго порядка, т.е. теми, которые привносят с собой в систему определенным образом реализованные элементы, в том числе и нежелательными (например, усилитель - искажения усиливаемого сигнала). Структурная схема фиксирует конструктивное расположение элементов и связей (т.е. структуру) данной технической системы и уже предполагает определенный способ ее реализации. Такие схемы, однако, сами уже являются результатом некоторой идеализации, отображают структуру технической системы, но не являются ни ее скрупулезным описанием в целях воспроизведения, ни ее техническим проектом, по которому может быть построена такая система. Это - пока еще теоретический набросок структуры будущей технической системы, который может помочь разработать ее проект, т.е. продуцированный технической теорией исходный пункт для последующей инженерной деятельности, или исходное теоретическое описание, теоретическая схема уже существующей технической системы с целью ее теоретического расчета и поиска возможностей для усовершенствования (или разработки на ее основе новой системы). Кроме того, часто эти схемы строятся на основе представлений более специализированных научно-технических дисциплин и решают теоретическими средствами возникшие в них задачи.
Уже структурные схемы теории электрических цепей представляют собой идеализированное изображение электрической цепи, поскольку в них абстрагируются от многих частных характеристик электротехнического устройства (габаритов, веса, способов монтажа и т.д.). Эти характеристики учитывают в процессе проектирования и изготовления, т.е. в самой инженерной деятельности. На структурных схемах указываются обобщенные конструктивно-технические и технологические параметры стандартизированных конструктивных элементов (резисторов, катушек индуктивности, батарей и т.д.), необходимые для проведения дальнейших расчетов: их тип и размерность в соответствии с инженерными каталогами, рабочее напряжение, способы наилучшего расположения и соединения, экранировка. Для теории электрических цепей подобные схемы являются исходными: они берутся готовыми из других, более специализированных электротехнических дисциплин и подвергаются в ней теоретическому анализу. При этом следует отличать структурную теоретическую схему от различного рода изображений реальных, встречающихся в инженерной деятельности схем, например, монтажных схем, описывающих конкретную структуру технической системы и служащих руководством для ее сборки на производстве. Главные элементы структурной схемы в теории электрических цепей - источник электрической энергии, нагрузка (приемник электрической энергии) и связывающие их идеализированные конструктивные элементы, абстрагированные от многих параметров реальных конструктивных элементов, входяших в инженерные каталоги. Для этих идеализированных элементов структурных теоретических схем вводятся специальные условные изображения.
Структурные схемы в классических технических науках отображают в технической теории именно конструкцию технической системы и ее технические характеристики. В этом случае они позволяют перейти от естественного модуса рассмотрения технической системы, который фиксируется в его поточной схеме (в частности физического процесса), к искусственному модусу. Поэтому в частном случае структурная схема в идеализированной форме отображает техническую реализацию физического процесса. В классической технической науке такая реализация, во-первых, является всегда технической и, во-вторых, осуществляется всегда в контексте определенного типа инженерной деятельности и вида производства. В современных человеко-машинных системах такая реализация может быть самой различной, в том числе и нетехнической. В этом случае термины "технические параметры", "конструкция" и т.п. не годятся. Речь идет о конфигурации системы, их обобщенной структуре.
Таким образом, в технической теории на материале одной и той же технической системы строится несколько оперативных пространств, которым соответствуют различные теоретические схемы. В каждом таком "пространстве" используются разные абстрактные объекты и средства оперирования с ними, решаются особые задачи. В то же время их четкая адекватность друг другу и структуре реальной технической системы позволяет "транспортировать" полученные решения с одного уровня на другой, а также в сферу инженерной деятельности. Механизмы взаимодействия этих оперативных пространств могут быть раскрыты в результате методологического анализа функционирования технической теории.
Функционирование технической теории
Анализ и синтез схем
Функционирование технической теории осуществляется "челночным", итерационным путем. Сначала формулируется инженерная задача создания определенной технической системы. Затем она представляется в виде идеальной конструктивной (т.е. структурной) схемы, которая преобразуется в схему естественного процесса (т.е. поточную схему), отражающую функционирование технической системы. Для расчета и математического моделирования этого процесса строится функциональная схема, отражающая определенные математические соотношения. Инженерная задача переформулируется в научную проблему, а затем в математическую задачу, решаемую дедуктивным путем. Этот путь называется анализом схем.
Обратный путь - синтез схем - позволяет на базе имеющихся конструктивных элементов (вернее соответствующих им абстрактных объектов) по определенным правилам дедуктивного преобразования синтезировать новую техническую систему (точнее, ее идеальную модель, теоретическую схему), рассчитать ее основные параметры и проимитировать функционирование. Решение, полученное на уровне идеальной модели, последовательно трансформируется на уровень инженерной деятельности, где учитываются второстепенные, с точки зрения идеальной модели, инженерные параметры и проводятся дополнительные расчеты, поправки к теоретическим результатам. Полученные теоретические расчеты должны быть скорректированы в соответствии с различными инженерными, социальными, экологическими, экономическими и т.п. требованиями. Это может потребовать введения соответствующих новых элементов в состав теоретических схем, которые можно рассматривать как коннотации (дополнительные сопутствующие признаки) этих схем и одновременно как ограничения, накладываемые на эти схемы их конкретиной реализацией. Формулировка системы коннотаций и ограничений, которые вводятся в виде особых элементов в состав теоретических схем технической теории, может привести к необходимости многократного возвращения на предыдущие стадии, составление новых, с учетом данных коннотаций и ограничений, поточных и функциональных схем, проведение новых эквивалентных преобразований и расчетов.
Таким образом, нижний слой абстрактных объектов в технической теории (структурные схемы) непосредственно связан с эмпирическими (конструктивно-техническими и технологическими) знаниями и ориентирован на использование в инженерном проектировании. Одна из основных задач функционирования развитой технической теории заключается в тиражировании типовых структурных схем с учетом всевозможных инженерных требований и условий, формулировка практико-методических рекомендаций проектировщику, изобретателю, конктруктору и т.д. Тогда решение любых инженерных задач, построение любых новых технических систем данного типа будет заранее теоретически обеспеченным. В этом состоит конструктивная функция технической теории, ее опережающее развитие по отношению к инженерной практике. Этим последним фактом и определяется во многом специфика технической теории, которая имеет практическую направленность: ее абстрактным объектам обязательно должен соответствовать класс гипотетических технических систем, которые еще не созданы. Поэтому в технической теории важен не только анализ, но и синтез, теоретических схем технических систем. Обе задачи в принципе являются сходными, поскольку синтез новой технической системы, как правило, связан с анализом уже существующих аналогичных систем.
В практической инженерной деятельности синтез в чистом виде встречается редко: определенные параметры технической системы и ее элементов, как правило, уже заданы в условиях задачи, и синтез зачастую сводится лишь к модернизации старой системы. Кроме того, в инженерной практике всегда существуют традиционные эмпирически полученные структурные схемы, которые обычно берутся готовыми. Поэтому синтез в этом случае сводится к анализу и требуется определить лишь некоторые неизвестные параметры вновь проектируемой системы. В условиях массового и серийного производства технические системы создаются из стандартных элементов, поэтому и в теории задача синтеза заключается в связывании типовых идеализированных элементов в соответствии со стандартными правилами преобразования теоретических схем.
Франц Рело следующим 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 механизмов, из которых нужно составить машину, производящую требуемое движение.
В.В. Добровольский и А.А. Артоболевский - специалисты, которыми было завершено построение математизированной теории механизмов, в своей работе "Структура и классификация механизмов", опубликованной в 1939 г., рассуждают следующим образом. Анализ механизма начинается с разработки его кинематической (поточной) схемы на основе конструктивной (структурной) схемы. Кинематическая схема позволяет исследовать естественный процесс - движение элементов, пар, цепей и отдельных точек механизма. Для решения этой задачи используются так называемые планы механизма, т.е. его схематические изображения в каком-любо положении, представляющие собой функциональные (математические) схемы. В теории механизмов разработаны также планы скоростей и ускорений механизма и соответствующие им векторные диаграммы. На основе этих планов, в свою очередь, составляются системы уравнений, устанавливающие математические зависимости между перемещениями, скоростями и ускорениями звеньев механизма. С помощью графических и аналитических методов расчета определяется положение каждого звена, перемещения точек и звеньев по заданному закону движения начального звена. Для расчета сложных механизмов осуществляются их эквивалентные преобразования в более простые схемы и лишь затем производится определение их звеньев, пар и элементов. Синтез механизмов представляет собой их проектирование по заданным условиям. Наиболее распространенным является приближенный синтез, в результате которого определяются размеры механизма, отвечающие заданным условиям в пределах допустимых отклонений.
Аппроксимация теоретического описания технической системы
Функционирование технической теории направлено на аппроксимацию полученного теоретического описания технической системы, его эквивалентное преобразование в более простую и пригодную для проведения расчетов схему, сведение сложных случаев к более простым и типовым, для которых существует готовое решение. Поэтому главное внимание в технической теории направлено на разработку типовых способов решения инженерных задач, стандартных методик проведения инженерных расчетов как можно более простыми средствами. Этим определяется в значительной степени и характер технической теории, доказывающей правомерность такого рода эквивалентных преобразований и аппроксимаций.
Слово "аппроксимация" в своем первоначальном значении в математике означает замещение каких-либо математических функций или расчетных схем другими, приближенно выражающими их, эквивалентными им в определенном отношении, а также более простыми функциями или расчетными схемами, для которых уже существуют или могут быть получены известные решения. В технических науках это понятие получило более широкое толкование как процедура решения инженерных задач на теоретических схемах с помощью ряда их эквивалентных замен и упрощений. Сущность метода аппроксимации заключается в компромиссе между точностью и сложностью расчетных схем. Точная аппроксимация обычно приводит к сложным математическим соотношениям и расчетам. Слишком упрощенная эквивалентная схема технической системы снижает точность расчетов. Немецкий инженер А. Ридлер еще в начале ХХ столетия подчеркивал, что "точное" решение задачи, конечно, является наилучшим, но только если оно соответствует всем практическим условиям данного случая. В этом, собственно говоря, коренится различие чисто математического доказательства и приближенного вычисления в технике, где запутанные доказательства и пространные вычисления могут только помешать проникнуть в суть дела и решить задачу. Эту особенность применения математики в инженерном деле отмечал еще создатель теории корабля академик А. Н. Крылов. Он критиковал тот суеверный страх перед приближенными вычислениями, который прививается в высших учебных заведениях будущим инженерам. Аппроксимирующие выражения и схемы должны по возможности точно выражать характер аппроксимирующей функции или схемы и в то же время быть как можно проще, чтобы и математические решения были более простыми. Надо подчеркнуть, что для одного режима функционирования технической системы может оказаться предпочтительнее один вид аппроксимации, для других режимов - другие виды.
Таким образом, в технической теории заданы и специально нормированы не только правила соответствия функциональных, поточных и структурных схем, т.е. эквивалентные преобразования их друг в друга, но и правила преобразования абстрактных объектов, в рамках каждого такого слоя теоретических схем. При этом ведущую роль в технической теории играют структурные схемы, описывающие в идеализированной форме конструкцию технической системы, поскольку именно через них полученные теоретически результаты решения инженерных задач транслируются в область инженерной практики. В естественной науке подобные схемы выполняют вспомогательную роль - обобщенного описания экспериментальных ситуаций - и, как правило, в процессе систематического изложения теории, например, в учебниках или совсем опускаются, или приводятся лишь в качестве иллюстративных примеров.
Весьма показательно в этом плане сравнить первый учебник по радиотехнике "Научные основания беспроволочной телеграфии", изданный А.П. Петровским в Санкт-Петербурге в 1913 г., и опубликованный им примерно в то же время курс физики. Написанные одним и тем же автором и посвященные, по сути дела, одного и того же рода физическим явлениям эти книги демонстрируют различия технической и физической теорий уже теми акцентами, которые делает автор в изложении учебного материала. В учебнике по радиотехнике Петровский большое внимание уделяет анализу и развитию различных конструктивных схем радиотехнических устройств (таких, как схема с заземленной сеткой, регенеративный и суперрегенеративный приемники, супергетеродин, рефлексивные схемы и т.д.). Наряду с описанием разделов классической электродинамики и элементов электротехники, в этом учебнике содержится первичная классификация радиотелеграфных станций по типам схем и техническим характеристикам, попытка их обобщенного рассмотрения и разработка специального концептуального аппарата для их описания (структурные схемы). Конкретное же описание радиотелеграфных станций концентрируется в особых работах, не претендующих на теоретическое рассмотрение. Детальное изложение физической теории также выносится здесь за скобки, поскольку оно должно содержаться в соответствующем курсе физики. Это изложение автор дает в своем учебнике по физике, где мы находим традиционное изложение электродинамики, безотносительно к радиотехнике, не считая, правда, формального упоминания передачи энергии на расстояние. Однако и те разделы электродинамики, которые вошли в учебник по радиотехнике, описываются уже с ориентацией на решение определенных задач.
В нем различаются физические параметры электромагнитных волн и соответствующие им характеристики процесса передачи, т.е. искусственно воссозданного в функционировании радиотехнического устройства электродинамического процесса (поточные схемы). Одновременно происходит формирование функциональных (математических) схем радиотехники. Уже второе издание учебника А. А. Петровского в значительной степени основано на применении математического аппарата. В этом издании приводятся наряду с традиционным для физической науки доказательством теорем различные расчеты (главным образом с применением графических методов), типовые числовые примеры, искусственные приемы, а также образцы математического решения инженерных задач. По словам самого автора, к этому времени радиотелеграфия превратилась в новый отдел науки, изучающий применение электричества и магнетизма в практике.
Основные различия естественнонаучной и технической теорий проявляются прежде всего в плане особого видения мира, т.е. универсума исследуемых в данной теории объектов и способов их теоретического представления. В естественной науке это видение выражается в научной картине мира, в которой любые реальные объекты рассматриваются как естественные, независящие от человеческой деятельности. В технических науках развиваются иные принципы онтологизации, связанные с жесткой ориентацией на инженерную деятельность.
Поскольку инженер обычно ограничен в выборе конструктивных элементов и способов их изготовления, конструктивные и технологические параметры оказывают существенное влияние на выбор структурной и соответствующей ей поточной схем технической системы, а это, в свою очередь, определяет и те математические средства, которые могут быть использованы для ее расчета. Поэтому техническая теория содержит несколько теоретических слоев, ориентированных на различные реализации технической системы. Например, для теоретической радиотехники это будут теория радиопередатчиков, теория усилителей (выделяемые по функциональному признаку); импульсная техника, техника сверхвысоких частот (выделяемые по типу естественного процесса, протекающего в технической системе); теория электронных и ионных приборов, теория полупроводников (выделяемые по конструктивно-технологическому принципу) и т.д. Каждая такая теория более полно учитывает особенности тех или иных режимов функционирования и конструктивно-технические и технологические параметры технических систем и их элементов. Однако все вышеназванные теории опираются на одну базовую техническую теорию, исследующую общие свойства электродинамических процессов в радиотехнических устройствах, т.е. получение, передачу, распространение в пространстве, прием и различные преобразования электромагнитных волн в разных физических средах. Эта базовая техническая теория генетически определяется соответствующей базовой естественнонаучной теорией, в данном случае - электродинамикой. Базовый естественный процесс для всех этих теорий один, хотя для описания действия конструктивных элементов данной технической системы применяются и другие естественнонаучные теории, основанные на иных физических процессах (квантовая теория излучения, электромагнитная теория Лоренца и т.д.).
Таким образом, функционирование технической теории заключается в решении определенного типа инженерных задач с помощью развитых в теории методик, типовых расчетов, удобных для применения в различных более специальных научно-технических и инженерно-проектных исследованиях и разработках. Создание же новых таких методик, выработка правил и доказательство теорем об адекватности эквивалентных преобразований и допустимых аппроксимаций, конструирование новых типовых теоретических схем и моделей относится к развитию технической теории. Но вначале остановимся на особенностях формирования технических теорий.
Формирование и развитие технической теории
Основные фазы формирования технической теории
Первые технические теории формировались как приложение физических теорий к конкретным областям инженерной практики, как правило, в две фазы. На первой фазе образуется новое прикладное исследовательское направление и формируются новые частные теоретические схемы, на второй - развертываются обобщенные теоретические схемы и математизированная теория. При этом из базовой естественной науки сначала транслируется исходная частная теоретическая схема (для технической науки она - поточная схема), из смежной технической науки - структурная теоретическая схема (или она разрабатывается заново), а из математической теории - функциональная схема. Затем производится адаптация этих схем к новому эмпирическому материалу и их модификация за счет конструктивного введения новых абстрактных объектов.
На первой фазе осуществляется переработка заимствованных из базовой естественнонаучной теории схем экспериментальных ситуаций в структурные схемы конкретных технических устройств, совершенствование и модификация их конструкции. Объект исследования и проектирования рассматривается в этом случае лишь как разновидность объекта исследования базовой естественнонаучной теории.
Например, после проведенных Герцем исследований основных теоретических положений было вполне достаточно, чтобы прийти к их сознательному использованию для создания практических технических устройств. Однако разработанная им в ходе экспериментов аппаратура была еще недостаточно совершенна. Поэтому после публикации результатов Герца развернулись исследования, целью которых было усовершенствование экспериментального оборудования и разработка новых схем экспериментально-измерительных ситуаций, позволяющих найти более простые и надежные способы получения и регистрации электромагнитных волн. Эти работы фактически еще не выходили за пределы экспериментальной деятельности в естественной науке, но вели одновременно к техническому использованию электродинамики. Именно эта деятельность и сделала возможным появление первых радиопередающего и радиоприемного устройств.
Недостатками вибратора Герца были быстрое затухание колебаний и быстрое обгорание контактов. Первый недостаток был устранен за счет введения трех (вместо одного) искровых промежутков, второй недостаток - после помещения осциллятора в жидкость. Это позволило увеличить длину искры без того, чтобы была необходимость отполировывать каждый раз шарики, и легко изменять период колебаний путем сближения или удаления обкладок конденсатора, включенного в первичный контур, или самих шаров вибратора. Одновременное включение в первичный контур конденсатора устранило вредные электростатические помехи, нежелательные при некоторых опытах. В результате стало возможным получить первое радиопередающее устройство: достаточно было включить в первичную цепь индукционной катушки ключ Морзе, что и было осуществлено Маркони. Недостатком вибратора Герца была также малая величина получаемой искры, что затрудняло ее регистрацию. Поиски более надежного способа наблюдения искр производились сразу многими исследователями. В качестве регистратора ими использовалась газоразрядная трубка, электроскоп, термоэлемент и т.д. Однако наиболее перспективным оказался когерер - прибор для обнаружения электрических колебаний, действие которого основывалось на изменении сопротивления "плохого контакта" под действием электрических колебаний в цепи, частью которой он являлся. При помощи когерера Оливер
Лодж продемонстрировал отражение, преломление и поляризацию электромагнитных волн. Для восстановления когерера автоматический встряхиватель опилок, которыми он был начинен, сначала включали в цепь когерера, а затем во вторичную цепь с более мощным источником энергии. Его принцип действия основывается на том, что действие электрических зарядов резко уменьшает большое сопротивление опилок. Именно так было создано А. С. Поповым первое радиоприемное устройство.
Таким образом, после Герца развитие электродинамики пошло в двух основных направлениях - дальнейшего обобщения и систематизации физической теории и совершенствования структурных схем эксперимента, что стимулировало появление радиотехники. Второе направление носило, по существу, инженерный характер, хотя и было первоначально ориентировано на решение сугубо исследовательских задач, т.е. на создание новых конструктивных элементов, разработку более эффективных и экономичных схем проведения экспериментов, устранение побочных влияний и т.д. Эта деятельность была направлена на создание различных конструктивных схем радиотехнических устройств и постепенно стала ведущей в новой технической теории (в электродинамике она носила лишь вспомогательный характер). Основное внимание многочисленных изобретателей того времени концентрировалось на совершенствовании конструктивных элементов радиотехнических устройств, направленном на увеличение их мощности, дальности действия, удобства эксплуатации, экономичности, а также освоении все новых диапазонов электромагнитных волн для осуществления радиопередачи и радиоприема. Каждому изобретению при этом сопутствовали определенные теоретические и экспериментальные исследования.
Разработка обобщенной теоретической схемы является завершающей фазой построения технической теории. Чаще всего эта схема транслируется из смежных областей или из базовой естественнонаучной теории. Однако если в базовой естественнонаучной теории нет соответствующего раздела, то он строится заново, что является специальной задачей. В технической теории вводятся однородные абстрактные объекты, состоящие из типовых и иерархически организованных идеальных элементов и связей между ними (правила сборки и разборки этих элементов), которые обязательно ставятся в соответствие конструктивным элементам реальных технических систем, т.е. вводится процедура анализа и синтеза теоретических схем. Если к этому моменту конкретная область инженерной деятельности уже сложилась, то возможна ее перестройка под теоретическую модель (подведение конструктивных элементов под идеальные элементы абстрактных объектов). На этом этапе производятся попытки спроецировать обобщенную теоретическую схему на класс гипотетических технических систем, что приводит к необходимости создания математизированной теории. Задание операций эквивалентного преобразования функциональных схем (дедуктивный вывод) и позволяет осуществить вышеупомянутое проецирование, т.е. синтез еще не созданных технических систем. Это ведет к созданию на эмпирическом уровне технической теории блока практико-методических знаний - рекомендаций для еще неосуществленной инженерной деятельности. Апробация технической теории производится в самой инженерной практике, а доказательством ее жизненности и конструктивности является создание на ее основе новых технических систем.
Например, развитие статистической радиолокации заключалось как раз в разработке такой обобщенной теоретической схемы. Потребность в создании теории радиолокации, которая устанавливала бы основные закономерности и критерии качества любых радиолокационных станций (РЛС), привела к развитию вероятностного подхода к решению ее задач, к разработке на ее основе новых методов обработки и синтеза сигналов. Задача выделения сигнала в шумах является статистической и может быть решена только методами теории вероятностей. Прием сигналов стал рассматриваться как статистическая задача сначала в радиолокации, а затем и в радиотехнике. Таким образом, в теоретической радиолокации сформировались два слоя взаимноскоррелированных теоретических схем, отражающих соответственно электродинамические процессы (поточные схемы) и их статистические модели (функциональные схемы). Скажем, так называемая "рэлеевская цель", с одной стороны, представляет собой объект математической статистики (т.е. определенную функциональную схему, в соответствии с которой дается классификация различных "целей"), адекватный определенному виду вероятностного распределения - распределению Рэлея, а с другой - имеет четкий электродинамический коррелят, находится в четком соответствии с данной поточной схемой. Физически такую цель можно представить как бы состоящей из большого количества отражающих элементов.
Одновременно были разработаны процедуры анализа и синтеза теоретических схем РЛС. Это позволило сравнивать с единых позиций РЛС, отличающиеся по назначению, параметрам и конструктивному оформлению. Для этой цели строится однородный абстрактный объект радиолокации - "идеальная РЛС", относительно которой формулируется основное уравнение дальности радиолокации, а также уравнения, определяющие ее рабочие характеристики. Вычисление различных потерь, наблюдаемых в реальных условиях, позволяет использовать основные схемы и формулы, выведенные для идеальной РЛС, для быстрой оценки параметров реальных станций. Операторное описание РЛС дает возможность выделить в них фиксированный набор стандартных блоков (умножитель, интегратор, пороговое устройство, согласованный фильтр, временной селектор и др.), соответствующих определенным математическим операциям. Из этих блоков по определенным, зафиксированным в теории правилам могут быть синтезированы самые разнообразные функциональные и поточные схемы радиолокационных станций, которые затем реализуются в виде различных структурных схем реальных РЛС.
Эволюционное и революционное развитие технической теории
Развитие технической теории проходит двумя основными способами - эволюционным и революционным. В первом случае происходит выделение новых исследовательских направлений и областей исследования в рамках одной и той же фундаментальной теоретической схемы; во втором - происходит смена одной фундаментальной теоретической схемы на другую при переходе в новое семейство научно-технических дисциплин.
Примером такого перехода является изменение парадигмы научного и инженерного мышления в радиолокационной системотехнике, а именно - когда электродинамическая картина мира замещается системно-кибернетической. Радиолокация попадает в новое семейство научно-технических дисциплин, имеющих системную ориентацию. Переход от классической радиолокации к радиолокационной системотехнике - это прежде всего переход от разработки отдельных радиолокационных станций различного назначения к созданию многофункциональных систем. Несколько РЛС, замкнутые на один пункт сбора и обработки информации, составляют радиолокационный узел; несколько таких узлов, обменивающихся информацией, образуют радиолокационную систему. Радиолокационная система позволяет решать задачи, которые не под силу отдельным радиолокационным средствам. При их проектировании возникает целый ряд специфически системных проблем. Любая радиолокационная система является, в свою очередь, подсистемой более крупной системы - системы управления, которая входит в еще более крупную систему, например, навигационную. В радиолокационной системотехнике для математического исследования абстрактных структурных схем используется аппарат теории графов. Изображение радиолокационной системы в виде структурного графа позволяет провести оптимизацию ее структуры математическими средствами. Применение в радиолокации концептуального и математического аппарата теории информации и кибернетики позволило перейти к анализу так называемой тонкой структуры сложного сигнала, независимо от его конкретного вида. Понятие радиолокационной информации связано с описанием носителя информации (сигнала), т.е. естественного процесса, протекающего в радиолокационной системе. Радиоволны при этом рассматриваются лишь как один из типов волн произвольной природы, наряду с инфракрасными и световыми колебаниями, а также рентгеновским и гамма-излучением или механическими ультразвуковыми колебаниями упругой среды. Функционирование радиолокационной системы рассматривается в системотехнике как алгоритм обработки информации.
Многие современные научно-технические дисциплины ориентируются на системную картину мира, в классических же технических науках использовалась в качестве исходной физическая картина мира. В радиоэлектронике (которая представляет собой сегодня целое семейство дисциплин) используется, например, преобразованная радиотехникой фундаментальная теоретическая схема электродинамики. Физическая картина электромагнитных взаимодействий (колебаний, волн, полей) совмещается со структурным изображением радиотехнических систем, в которых эти физические процессы протекают и искусственно поддерживаются. Таким образом, она преобразуется в картину области функционирования технических систем определенного типа. С одной стороны, данная картина является результатом развития и конкретизации фундаментальной теоретической схемы базовой естественнонаучной теории к области функционирования технических систем, например, к диапазону практически используемых радиоволн как разновидности электромагнитных колебаний. С другой стороны, эта схема формируется в процессе систематизации и обобщения различных частных теоретических описаний конструкции данных технических систем и включает в себя классификационную схему потенциально возможных технических систем данного типа и режимов их функционирования.
Фундаментальная теоретическая схема выполняет важную методологическую функцию в технической науке - методологического ориентира для еще неосуществленной инженерной деятельности. Она задает принцип видения вновь создаваемых технических систем и позволяет выбирать для решения данной инженерной задачи наиболее подходящие теоретические средства из смежных технических, математических или естественных дисциплин. Инженер всегда ориентируется на такую теоретическую схему, осознает он это или нет. Он соотносит с ней образ исследуемой и проектируемой им системы, хотя и не всегда отдает себе отчет в том, что эта схема достаточно жестко направляет его поиски.