Инновационная сложность
Шрифт:
Ключевые слова: сложность и простота, технические системы, макро– и нано– системотехника, социотехника, технологические риски.
Простота и сложность – две стороны одной исследовательской стратегии, уходящей корнями в Античность. Об этом писал еще Аристотель: «Мы только тогда полагаем, что познали сложную вещь, когда узнаем из каких и из скольких начал она состоит» [336] . Однако особое значение эта проблематика приобретает в технике. Первоначально упор делался на анализ простых машин, из которых собирались и к которым сводились сложные машины. Однако постепенно сформировался иной подход – проектирование сложных систем как целостных уникальных образований, не сводимых к конгломерату простых частей. Именно формированию этого подхода и посвящается данная работа.
336
Аристотель. Физика / Аристотель. Соч. в 4-х томах. T. 3. М.: Мысль, 1981.
С. 69.
Античная механика разложила по полочкам так называемые простые машины, из которых собраны все сложные. Каждой из этих машин (блок, винт, полиспаст и т. п.) соответствовали определенные методы расчета. Но сборка из них сложных машин оказывалась уже в Новое время не такой простой [337] . Над этой проблемой бились многие инженеры и ученые, в том числе и Галилей. Однако по-настоящему эта проблема возникла перед наукой о машинах в конце XVIII века, когда количество машин и механизмов стало настолько большим, что их описание заняло несколько объемистых томов различных «театров машин», наиболее известным из которых является десятитомный труд германского механика Якоба Леопольда [338] . Уже тогда стало ясно, что редукция сложных машин к простым не дает в руки механиков надежного инструмента не только для их создания, но и для анализа и описания.
337
Marco Ceccarelli. Early TMM in Le Mecaniche by Galileo Galilei in 1593. – http:// www.sciencedirect.com/science/article/pii/S0094114X06000553; Левина И. С, Романская М. М. У истоков механики машин // Исследования по истории механики.
М.: Наука, 1983
338
См., например, один из них: Leopold J. Teatri Machinarii, oder Schau-Platz der Heb-Zeuge oder Maschinen eine Last vorzubringen und zu erheben. Leipzig, 1725; Reprint – Hannover: Th. Sch"afer GmbH, 1982
К более поздним таким описаниям машин и механизмов можно отнести Энциклопедию Дидро, вышедшую в свет в 1762–1777 гг. и включившую в себя 35 томов со сведениями из самых различных областей науки и искусства. Наряду с так называемыми, свободными искусствами, важное место в энциклопедии отводится прикладным или механическим искусствам, включая технику [339] , которые не только явно демострируют свою полезность, но и особую «философию»: они «обеспечивают людям то господство над природой, которое восхваляют прекрасные искусства. Господство, которое реализуется через комбинирование практики вместе с опытом и теории вместе с размышление» [340] .
339
Scriba С J., Maurer В. Technik und Mathematik // Technik und Wissenschaft. Technik und Kultur; Bd. 3. D"usseldorf: VDI–Verlag, 1991, S. 45-46
340
Lewinter R. Diderot und die Enziklop"adie // Diderots Enziklop"adie. Die Bildtafeln. 1762–1767. Erster Band. Augsburg: Weltbild Verlag GmbH, 1995. S. XVI.
Разработка разнообразных машин (подъемных, паровых, прядильных, ткацких, мельниц, часов, станков и т. п.) к концу XVIII века превращается в самую развитую областью инженерной деятельности. Реально существующие и замышляемые механизмы и машины становятся предметом описания и предварительного исследования, которое, однако, основывалось первоначально все на той же известной со времен Античности теории простых машин. Герои Александрийский перечисляет пять таких простых механизмов: ворот, рычаг, блок, клин и винт. Галилей добавляет к ним еще наклонную плоскость. Эти простые машины становятся теперь теоретическими конструктами, из которых составляются более сложные конструкции (например, соединение колеса, винта и ворота дает более сложную машину – бесконечный винт, или червяк). Чтобы применить теорию простых машин в инженерной деятельности, необходимо было так схематизировать сложные машины, чтобы их части можно было представить в виде сочетания нескольких простых машин, с которыми были связаны типовые расчеты. Однако многочисленные машины, построенные к этому времени, не укладывались в статическую схему, основанную на изображении передачи сил. В инженерной практике все более требовалось осуществить передачу движения с изменением его характера, направления, скорости. Это было обусловлено особенностями машинного производства, где множество станков должны были приводиться в движение одной машиной-двигателем, например, паровой машиной. Для проведения инженерных расчетов, без которых невозможно создание сложных машин, требовалась определенная схематизация проектируемой технической системы – машины. Уже не ведутся дебаты о том, должна ли техника развиваться вместе с математикой или без нее, а лишь о том, какие математические методы должны в ней применяться и каким специфическим образом. В то же время математика еще не была готова для такого применения.
Решающий шаг от чистой математики в сторону ее приложения к описанию конкретных машин сделал Гаспр Монж, разработавший особую начертательную геометрию, которая, оставаясь строгой математической наукой, давала средства для такого описания. Начертательная геометрия давала инженерам математически точную систему графических изображений, позволяющую схематизировать пространственные структуры в виде плоскостного изображения, проводить на нем необходимые расчеты с помощью стандартизованных математических преобразований, а затем переносить полученные результаты на реальные условия. Такого рода задачи постоянно возникали и решались в инженерной практике в области архитектурного проектирования, строительства, геодезии и картографии. Монж попытался перенести этот математический инструмент в область проектирования машин и механизмов, дающий инженеру графический метод решения инженерных задач с помощью бесконечного множества преобразований плоских фигур.
По предложению Монжа курс построения машин, введенный им впервые в Парижской политехнической школе, должен был составить часть курса начертательной геометрии. Машина теперь рассматривалась не с точки зрения равновесия ее частей, как это делалось прежде, а сточки зрения движения частей в соответствии с требованиями инженерной практики. Элементарные составные части машины стали тогда описываться как приспособления, с помощью которых можно получить из движений одного вида движения другого вида. Такого рода идеализированное представление машины было необходимо инженеру, создающему проект, во-первых, для проведения расчетов и, во-вторых, для ее описания в виде последовательности преобразований естественного процесса – движения. Для применения графических и аналитических методов расчета необходимо было сначала особым образом изобразить, схематизировать техническую систему (машину). Начертательная геометрия как раз и описывала геометрические средства и законы такой схематизации.
Работы последователей Монжа были направлены на адаптацию выбранной им исходной теоретической схемы в соответствии с обширным новым эмпирическим материалом, накопленным к этому времени в практике создания машин. В этом смысле является показательной книга И. Ланца и А. Бетанкура «Курс построения машин» [341] , которая представляет собой одну из первых попыток теоретической систематизации и объяснения всех основных машин того времени. Они составили обширную таблицу элементарных машин, дав ее описание в своей книге. В предисловии к английскому изданию их книги говорится, что она дает массу важной практической информации и может рассматриваться как грамматика науки о машинах.
341
Lanz I. А. Bethankourt. Essai sur la Composition des Machines. Paris, 1819; M. Lanz, A. Betancourt. Analitical Essay of the Construction of Machines. London, 1820.
Создать обобщенную теоретическую схему сложных машин, которая позволила бы не только объяснять принцип действия существующих, но и облегчить создание новых механизмов, поставил своей целью немецкий инженер Франц Рело.
Задача, которую поставил перед собой Франц Рело, заключалась в том, чтобы разработать общие методы анализа и синтеза сложных машин, не привязанные более к теории простых машин античности. Рело разлагает машину в соответствии с кинематическим принципом передачи движения на кинематические стандартные звенья и пары.
В своей книге «Теоретическая кинематика» [342] , опубликованной в 1875 году, Рело развивает представление о кинематической паре. Составляющие ее тела он называет элементами пары. С помощью двух таких элементов можно осуществить 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. Любые механизмы могут быть представлены как состоящие из иерархически организованных цепей, звеньев, пар и элементов, т. е. они сконструированы, во-первых, с помощью фиксированного набора элементов и, во-вторых, ограниченного и заданного набора операций их сборки. [343] Это обеспечивает, с одной стороны, соответствие абстрактных объектов конструктивным элементам реальных технических систем, а с другой создает возможность их дедуктивного преобразования на теоретическом уровне. Им задается представление технической системы как иерархической упорядоченности. Машина теперь может быть представлена в виде совокупности единиц, составляющих системную иерархию. Поскольку же все механизмы оказываются собранными из одного и того же набора типовых элементов, то остается задать лишь определенные процедуры их сборки и разборки из идеальных цепей, звеньев и пар элементов, т. е. синтеза и анализа сложных машин.
342
Reuleaux F. Theoretische Kinematik. Bd. 1. Brauschweig, 1875.
343
Moon F. С The Reuleaux Collection of Kinematic Mechanisms at Cornell University. Joseph Ford Professor of Mechanical Engineering. July 1999.library.cornell.edu/facets/moon61899.htm
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). Системная иерархия, таким образом, замыкается снизу предельной единицей, которая все еще сохраняет основные черты данной системы, но не может уже больше быть разложенной на единицы, а только на элементы. Глубину же системной иерархии от системы как целого до элементов характеризует уровень анализа, который выражает предел делимости данной системы на подсистемы.