Формирование технических наук. Технико-экономическое развитие капиталистического производства в значительной мере зависело от совершенства его технической базы

Технико-экономическое развитие капиталистического производства в значительной мере зависело от совершенства его технической базы. Потребности материального производства вызвали необходимость улучшения конструкций машин, применения новых прргаципов действия агрегатов, разработки новых процессов получения металлов и сплавов и др. Иными словами, в целях дальнейшего развития материального производства возникла острая необходимость в системе знаний, способной деятельно помогать в решении практических задач. Опираясь на такую систему, необходимо было не только исследовать существующие технические и технологические объекты, но и создавать новые технические средства, удовлетворяющие возрастающим требованиям практики. Отдельные элементы таких технических наук, как сопротивление материалов, детали машин, внешняя баллистика, были сформулированы еще в эпоху Возрождения, но как специальные научные дисциплины они оформились в более позднее время.

Одной из первых технических наук была строительная механика. Ее развитие шло по пути все более широкого применения законов статистики, а также достижений такой науки, как сопротивление материалов и ее фундамента – теории упругости.

Истоки учения о сопротивлении материалов можно найти в трудах Г. Галилея. Ему принадлежит постановка задачи о прочности, которую он изучал в момент разрушения тел, т. е. в предельном состоянии. Этот подход к вопросам прочности разделяли ученые XVII-XVIII вв. Более законченную форму он приобрел в работах Ш. О. Кулона.

В формировании сопротивления материалов как научной дисциплины исключительную роль сыграло установление английским физиком Р. Гуком в 1674-1675 гг. линейной зависимости между прилагаемым усилием и деформацией упругого тела. Эксперименты французского физика Э. Мариотта позволили ему высказать подтвержденную опытами Р. Гука гипотезу о характере распределения напряжений в поперечном сечении балки, подверженной изгибу. В балке прямоугольного сечения имеется нейтральная осевая линия, выше которой волокна растягиваются, а ниже – сжимаются.

Дальнейшие исследования в области сопротивления материалов проходили в двух направлениях – экспериментальное изучение упруго-прочного сопротивления материалов и теоретическое исследование формы кривой изгиба нагруженной балки. Во второй половине XVIII и в начале XIX в. большое внимание уделялось изучению прочности сводов, арок, балок. Значительного успеха в расчете сводов добился Ш. О. Кулон. Ему также принадлежит решение задачи о прочности балок. Он открыл существование касательных напряжений, что позволило впоследствии создать особую теорию прочности. Ш. О. Кулон дал первое решение задачи о кручении на основании результатов, полученных при проведении экспериментов с проволокой круглого сечения.

В начале XIX столетия большое внимание уделялось экспериментальным работам по изучению механических свойств материалов: испытывали на растяжение и разрыв тросы, проводили опыты с железными балками различных профилей, определяли прочность чугунных балок и т. д.

Важнейшим достижением науки о сопротивлении материалов начала XIX в. является введение в научный оборот понятия модуля упругости и определение его величины английским ученым и инженером Т. Юнгом. Открытие модуля упругости позволило перейти от качественных оценок к количественным расчетам технических объектов.

Эксперименты в XVIII – начале XIX в. проводились с целью найти величину разрушающей нагрузки и форму разрушения, т. е. исследовать определенный элемент сооружения в предельном состоянии. Отсутствие знаний о рабочем состоянии материалов привело к тому, что возможность практического использования исследований была крайне ограничена.

Метод предельного состояния по самой своей природе не мог дать сведения о поведении сооружения в рабочем состоянии, а знание этого состояния промышленных объектов стало крайне необходимым для совершенствования материального производства. Развитие промышленности в XIX в. привело к применению новых строительных и конструкционных материалов – чугуна и сварочного железа, способствовало усилению строительства путей сообщения, мостов. Практика поставила задачу определения действительных напряжений в работающих конструкциях.

В связи с этим возникло новое научное направление, начало которому положил русский механик И. П. Кулибин, рассчитавший арку по ее рабочему состоянию. Последовательное проведение исследований работы конструкций под нагрузкой и создание методов расчета по рабочему состоянию принадлежат Л. Навье.

Сущность принципа рабочего состояния, провозглашенного Л. Навье, состояла в том, что определению подлежало напряженное и деформированное состояние конструкции при рабочей нагрузке. Считалось, что предельное состояние полностью подобно рабочему, так что отношение нагрузок, усилий, напряжений и перемещений в обоих состояниях одинаково и равно запасу прочности. С переходом к расчету в соответствии с этим принципом удалось отойти от гипотетических предположений о схеме разрушения и проводить расчеты, основываясь на несложных экспериментах и используя теорию упругости.

Тесная связь ученых, прежде всего преподавателей Парижской политехнической школы Л. Навье, Ж. Понселе, О. Коши и некоторых других, с инженерной практикой привела к дальнейшему развитию технических дисциплин. В становлении этих наук большую роль сыграли и французские инженеры, например, Г. Ламе, Б. П. Клапейрон. Плодотворность нового подхода к исследованию конструкции способствовала быстрому развитию науки и обеспечению строительной практики до конца XIX столетия надежными методами решения задач прочности.

Во второй половине XIX в. развивалась теория продольного изгиба стержней и тесно связанная с ней теория устойчивости. В связи с использованием новых материалов потребовалось установление границ применения выведенной еще Л. Эйлером формулы для определения продольного изгиба колонны или стержня. Эмпирические формулы для расчета стержней на продольный изгиб предложили И. Ходкинсон, Г. Ламе, В. Ранкин, Н. Ф. Ястржембский и др.

Для развития железнодорожного строительства потребовалось изучение поперечного изгиба балок. В середине XIX в. этой проблеме большое внимание уделял русский ученый и инженер Д. И. Журавский, указавший на существование касательных напряжений и необходимость их учета при расчете. Расчет балок на поперечный изгиб вели с привлечением теории упругости (Сен-Венан, Ф. Грасхоф, Э. Винклер и др.). Во второй половине XIX в. начали проводить исследования балки под влиянием динамической нагрузки…

Важное направление работ в области сопротивления материалов связано с расчетом ферм. Первоначально ученые и инженеры исходили из допущения, что узлы фермы представляют собой идеальные шарниры и поэтому стержни достаточно рассчитывать на сжатие и растяжение. Исходя из этих допущений, проводили исследования ферм Д. И. Журавский, Дж. Уиппл, Шведлер, А. Риттер и др. Среди ученых, применявших графические приемы для расчета ферм, необходимо выделить К. Кульмана, чей графостатический метод получил широкое признание инженеров.

Впоследствии наука о сопротивлении материалов все чаще становилась активным помощником при решении практических задач.

Потребности машинного производства вызывали к жизни исследования фабричного оборудования и способствовали становлению технических машиностроительных научных дисциплин.

Основное содержание науки о машинах в начале XVIII в. составляла статика «простых машин» – клина, рычага, блока, винта, ворота, известных еще Герону.

Применение всевозможных механических устройств и приспособлений, износ деталей, прежде всего зубчатых колес мельниц и часов, выдвинули задачу исследования профиля зубьев, изучения явления трения и т. д.

В результате работы ученых и практиков к концу XVIII в. было доказано, что статика простых машин как теоретическая основа исследований технических средств несостоятельна: она не может объяснить принцип действия машин, помочь в их конструировании. Расчленение машины на элементарные механизмы, не совпадающие с «простыми машинами», явилось в известной мере переломным пунктом в развитии учения о машине. Благодаря деятельности ученых, связанных с Парижской политехнической школой, на рубеже XVIII и XIX вв. сформировалась наука о машинах как комплекс учения о составе машин, их движении и о движущих силах.

Развитие промышленности, возникновение машиностроения, создание машин с большими скоростями, чем у технических устройств в XVIII в., способствовали постановке задачи изучения машин в состоянии движения. К концу 30-х годов XIX в. в самостоятельную науку выделилась механика машин, в которой наметились направления исследований по кинематике и динамике машин.

Исследования по динамике машин основывались, с одной стороны, на результатах, полученных при общем изучении машин, а с другой – на достижениях теоретической механики (динамики), получившей классическую форму благодаря трудам Л. Эйлера и Ж. Лагранжа.

К середине XIX в. французскими учеными были решены основные задачи динамики машин и создана наука, известная в то время под названием «индустриальная механика» или «применение механики к машинам».

Изучение кинематики механизмов особенно усилилось в 40-50-х годах XIX в. Бурно развивавшееся текстильное производство стимулировало изобретение все новых и новых механизмов. Этим объясняется повышенный интерес английских механиков к вопросам кинематики. В середине XIX в. английская школа становится господствующей в исследованиях по теории механизмов.

Английские ученые (Р. Виллис, Т. Тэт, В. Ранкин, У. Фейрберн) и французские ученые (Ш. Лабуле, Ш. Жиро, Ж.-Б. Беланже) создали теорию передач и начали поиски общих методов изучения родственных групп механизмов. Для изучения кинематики механизмов стали предлагать применение геометрических методов. Немецкий ученый Ф. Рело разработал экспериментальный метод изучения механизмов, основанный на применении моделей механизмов, шаблонов отдельных звеньев, экспериментальном построении траектории точек звеньев. Аналитическое решение задач по теории механизмов разработал русский математик и механик П. Л. Чебышев, который создал математическую теорию синтеза направляющих механизмов разнообразных назначений.

Профессора и преподаватели высших учебных заведений Германии продолжали разработку вопросов машиноведения, зародившуюся в Парижской политехнической школе. Немецкая школа машиноведов успешно развивала конструкторско-технологическое направление изучения машин. Это направление во второй половине XIX в. оказалось наиболее плодотворным для решения задач практического машиностроения. Эти исследования положили начало учебной дисциплине, получившей впоследствии название «детали машин».

Представители этого направления изучали каждую деталь машины в известной степени изолированно. В зависимости от действующих сил, материала, формы и назначения определялись размеры той или иной детали. Базой для становления и развития этого направления технических исследований наряду с теоретической механикой стала наука о сопротивлении материалов. Так, Л. Навье применил механику упругого тела к расчету узлов машин, Ж. Понселе рассчитывал оси, валы и колеса, Э. Винклер применил положение теории упругости для расчета крюков, звеньев цепи и т. д.

Среди ученых этого направления необходимо отметить Ю. Л. Вейсбаха, издавшего в 1836 г. «Руководство по горной механике», в котором впервые был применен анализ к вопросам практического машиностроения. В другом труде Вейсбаха «Теоретическая и практическая механика» изложены вопросы теоретической механики, гидравлики, сопротивления материалов, строительной механики, деталей машин, гидравлических, подъемно-транспортных, паровых машин и многое другое. Основным объектом исследования Вейсбаха была машина и ее составные части.

Значительное влияние на развитие науки о машинах оказал Ф. Редтенбахер, стремившийся создать научное машиностроение, которое бы представляло собой гармоническое сочетание теории и практики. Он внес ясность в определение механизма и машины, доказал целесообразность членения единой науки о машинах на несколько специальных наук, четко определил задачи, стоящие перед каждой из них.

Создание русской научно-исследовательской технической школы, уходящей своими корнями в середину XVIII в., к работам Л. Эйлера о механике машин, неразрывно связано с именем русского ученого М. В. Остроградского, непосредственными учениками которого были И. А. Вышпеградский, Н. П. Петров, С. В. Кербедз, Н. Ф. Ястржембский. Работы этих и других русских ученых способствовали созданию и распространению научной и учебной литературы по теории механизмов, конструированию и построению машин, а также заложили основы для развития исследований в области машиностроения в России. Воспитанники Московского университета (А. С. Ершов и др.), занимаясь вопросами механики машин, отвели ей почетное место в системе высшего технического образования.

В середине XIX в. практическая механика как теоретическая основа изучения машин включала: 1) передачу и изменение движений, или механизмы машин, 2) силоизмерение, теорию двигателей и динамическую теорию машин и 3) построение машин, основанное на теории сопротивления материалов.

Широкое распространение гидравлических устройств и гидротехнических сооружений и необходимость их совершенствования были эффективным стимулом становления и развития гидравлики – весьма важной технической науки. Гидравлика как научная дисциплина развивалась, опираясь, с одной стороны, на теоретические положения гидродинамики, а с другой – на достижения гидротехнической практики.

Во второй половине XVIII в. и в начале XIX в. существенные результаты в области теоретической гидродинамики были получены французскими математиками и механиками Ж. Л. Д'Аламбером и Ж. Л. Лагранжем, а в решении прикладных задач Л. Эйлером. Вопросы, которые в той или иной мере решались гидравликой в этот период, были тесно связаны прежде всего с разработкой и совершенствованием гидравлических двигателей, с развитием судоходства по рекам и каналам, с сооружением военных и гражданских портов, с изучением явления приливов и отливов и др.

Потребности в более мощных двигателях, чем водяные колеса, привели к созданию гидравлической реактивной турбины. Французский механик Ж. В. Понселе рассчитал расход воды при действии водяных колес, устанавливая характеристики, определяющие течение воды в каналах и трубах. Его «Введение в индустриальную механику» (1829 г.) служило тем пособием, которым пользовались инженеры при решении многих вопросов, в том числе и гидротехнических задач.

В целом же положения гидродинамики, разработанные Ж. Д'Аламбером, Л. Эйлером и Ж. Лагранжем, не стали достоянием практики во второй половине XVIII – начале XIX в. В связи с этим с конца XVIII в. движение воды в различных частных случаях стали изучать опытным путем. Это привело к тому, что гидравлика обогатилась значительным числом эмпирических формул.

Во второй половине XIX в. гидравлика продолжала развиваться в значительной части как экспериментальная наука. И хотя гидродинамика во второй половине XIX в. пополнилась новыми теоретическими положениями и методами, применение этих результатов для удовлетворения запросов быстро растущего производства и техники было ограниченным.

В рассматриваемый период произошли существенные сдвиги в изучении паровых машин и их элементов. Становление научных основ теплотехники тесно связано с историей парового двигателя, которая, в свою очередь, обусловлена развитием теплотехнической практики и расширением теоретических знаний о свойствах рабочего тела, о процессах в машинах, о средствах и методах построения технических средств.

Первоначальные исследования паровых машин носили сугубо эмпирический характер, который нашел соответствующее отражение и в результатах этих работ. Они сводились в основном к рекомендациям типа практических наставлений или выражались в эмпирических формулах. Так, при определении потребности в топливе исходили из того, что «расход угля на 1800 ходов машин равен произведению их объема цилиндра в кубических футах на давление на поршень в футах на квадратный дюйм».

Увеличение диапазона давлений и скорости поршня парового двигателя, применение машин с многократным расширением пара, первые опыты использования перегрева пара побудили инженеров и ученых заняться изучением свойств рабочего тела – водяного пара.

Исследования свойств водяного пара позволили определить пути к новой энергетике. С помощью этих исследований выяснилось, что, используя водяной пар в качестве рабочего тела двигателя, можно получить механическую работу. Открытия физиков определили и ранние формы новых генераторов механической энергии – пароатмосферные поршневые двигатели, так как стало известно, что нагретый пар обладает большой «упругой силой», а благодаря конденсации пара образуется вакуум, обеспечивающий перепад давления, необходимый для совершения механической работы.

Дальнейшие исследования были стимулированы многочисленными работами изобретателей по созданию универсального парового двигателя и совершенствованию теплосиловых фабрично-заводских установок с целью увеличения единичной мощности и повышения их экономичности.

В первой четверти XIX в. пар как рабочее тело паровых машин и установок был подвергнут тщательному изучению. Ряд физиков (Дж. Дальтон, Ж. Гей-Люссак, А. Т. Пти, Д. Ф. Араго) определяли параметры пара, в том числе и в таких пределах, которые выходили за рамки практически применимых. Исследования свойств пара были дополнены изучением свойств газов. Это привело к широким научным обобщениям: Ж. Гей-Люссак вычислил коэффициент расширения газов, Дж. Дальтон открыл закон газовых смесей, А. Авогадро разработал гипотезу о равном числе молекул в равных объемах газа при равных условиях.

Экспериментальные исследования, необходимые для развития теплотехники, получили развитие благодаря деятельности ряда ученых и инженеров. Блэк (1764 г.), Дж. Уатт (1766-1767 гг.), Бетанкур (1792 г.), М. Прони (1796 г.), Робисон (1822 г.), А. Реньо (40-е годы XIX в.) изучали свойства пара и проводили обширные опыты по определению ряда величин, используемых при тепловых расчетах. Г. А. Гирн экспериментально исследовал свойства насыщенного водяного пара и механизм процесса парообразования.

Немецкий ученый Г. А. Цейнер, основываясь на результатах исследований А. Реньо и Г. Гирна, разработал полную и систематическую теорию насыщенного водяного пара с выводом всех необходимых формул и составлением обширных таблиц свойств водяного пара.

Определению величины механической работы, получаемой в цилиндрах паровых двигателей, посвящены труды немецкого ученого Р. Клаузиуса, английского ученого В. Ренкина, разработавших теоретический «идеальный» цикл парового двигателя, и Г. А. Цейнера, исследовавшего характер потерь, вызываемых неполным расширением пара и наличием «вредного» пространства.

Принципы работы паровых двигателей эксперимептально исследовали Г. А. Гирн, Ю. Кларк, Ишервуд. Их работы привели к выводу о необходимости учета теплообмена между паром и стенками цилиндра. Изучение процессов теплообмена стало основой экспериментальных исследований, установивших влияние на эффективность работы паровых двигателей ряда факторов. Оценка этих факторов на основе экспериментальных данных позволила проводить расчеты паровых двигателей с достаточной для практики степенью точности.

В России школа ученых-теплотехников начала складываться с 60-х годов XIX в. А. В. Гадолин, И. А. Вышнеградский, Ф. Ф. Петрушевский, И. П. Алымов и другие выпускают работы по теории тепловых двигателей, проводят анализы работы и экспериментальные исследования тепловых двигателей.

Результатом научных исследований и практических достижений явилось увеличение единичной мощности и повышение экономичности паросиловых установок. За сорок лет (1830-1870 гг.) мощность парового двигателя возросла с 20-30 до 1000 л. с., а коэффициент полезного действия удвоился (с 5 до 10%).

Исследование паровых машин привело к разработке основных начал термодинамики – науки, изучающей законы теплового равновесия и превращения теплоты в другие виды энергии. Одним из основоположников термодинамики является французский ученый С. Карно, который в работе «Размышления о движущей силе огня и о машинах, способных развивать эту силу» (1824 г.) рассмотрел вопрос о «получении движения из тепла». Анализируя идеальный циклический тепловой процесс, Карпо показал, что в паровых машинах полезная работа может быть получена только при переходе тепла от более нагретого тела к менее нагретому. Карно сформулировал важный принцип, гласящий, что повсюду, где имеется разность температур, может возникать движущая сила. Обратно, повсюду, где затрачивается сила, образуется разность температур. Этот принцип представляет собой первую формулировку второго начала термодинамики, определяющего действие любых тепловых машин (двигателей и холодильных машин) и термодинамических систем.

Р. Клаузиус рассмотрел цикл С. Карно и показал, что его вывод является выражением некоторого общего закона. В 1851 г. он сформулировал этот закон, отражающий сущность второго начала термодинамики, следующим образом: «Теплота не может переходить сама собой от более холодного тела к более теплому». Поясняя это положение, Р. Клаузиус писал, что этот переход невозможен «без компенсации» противоположным переходом. Р. Клаузиусу принадлежит введение понятия энтропии – одной из основных термодинамических величин.

Все расширяющаяся теплотехническая практика способствовала проведению обобщающих теоретических п экспериментальных работ. С 80-х годов XIX в. начали организовывать учебно-научные лаборатории при высших инженерных школах США, Англии, Германии, Бельгии, Франции и России, в которых проводили исследования паровых машин.

К важнейшим достижениям рассматриваемого периода, приведшим к зарождению научных основ электротехники, относятся результаты изучения электрических и магнитных явлений.

В истории теоретических и экспериментальных исследований электричества и магнетизма и использовании их результатов для создания машин и приборов различают несколько периодов. В период становления электростатики (до 1800 г.) были сделаны первые шаги от наблюдений электрических и магнитных явлений до установления некоторых закономерностей в области статического электричества и магнетизма и создания простейших электростатических машин и приборов. Разработка основ электростатики является значительным достижением науки XVIII в. Несмотря на успехи, достигнутые к концу XVIII в. в изучении электрических явлений, заметного практического применения электричество не нашло. В этот период были созданы разнообразные электростатические машины и приборы, предназначенные для электролечения, а также молниеотводы, получившие распространения с середины XVIII в. Все эти работы привели к расширению познания в области электричества и магнетизма, способствовали выявлению электроизоляционных свойств некоторых материалов (стекла, сургуча, смолы, хлопчатобумажных тканей, шелка), побуждали проведение более углубленных исследований электрических явлений.

В период с 1800 по 1830 г. были заложены научные основы улект-ротехники. В это время был открыт электрический ток, началось изучение его действия, был установлен ряд закономерностей в области электромагнетизма и осуществлены первые шаги в практическом применении электричества.

Расширение исследований в области электричества и магнетизма привело на рубеже XVIII и XIX вв. к созданию источников постоянного электрического тока. Изучая опыты итальянского анатома Л. Гальвани, обнаружившего сокращение мышц препарированной лягушки при соприкосновении их и вскрытого нерва с двумя разнородными металлами, А. Вольта пришел к выводу, что источником электричества является не животный организм, а контакт двух разнородных металлов. Построенный им вольтов столб (1799 г.) представлял собой простейшую батарею гальванических элементов с одной жидкостью. Среди разнообразных конструкций вольтова столба этого периода необходимо отметить построенную в 1802 г. В. В. Петровым большую гальваническую батарею, которая позволила наблюдать явление электрической дуги (Маркс К., Энгельс Ф. Соч., т. 20, с, 433).

Создание первого источника электрического тока сыграло громадную роль в развитии науки об электричестве и магнетизме и в ее практическом приложении. Ф. Энгельс Отмечал в этой связи: «Открытие гальванического тока... имеет для учения об электричестве по меньшей мере такое же значение, как открытие кислорода для химии» (Маркс К., Энгельс Ф. Соч., т. 20, с, 433).

Многочисленные эксперименты с вольтовым столбом, проводившиеся учеными разных стран, в короткое время привели к открытию химических, тепловых, световых и магнитных действий электрического тока, позволили получить электролитическим способом ранее неизвестные химические элементы. Было открыто явление электроосмоса (Ф. Ф. Рейс). Тепловые и световые действия тока наиболее эффектно проявились в электрической дуге. В 1803 г. В. В. Петров указал на возможность применения электрической дуги для освещения, плавки металлов, восстановления металлов из окислов.

Открытие термоэлектричества (Т. Зеебек, 1821 г.) имело существенное значение для выявления взаимосвязей между различными явлениями природы. В 1834 г. была установлена обратимость термоэлектрических процессов (Ж. Ш. Пельтье). В начале 40-х годов независимо друг от друга Дж. П. Джоуль и Э. X. Ленц установили количественные характеристики теплового действия тока.

Для развития практического применения электричества и прежде всего для создания электротехники особенно важное значение имело открытие магнитных действий тока. Не прошло и двух десятилетий со времени первых наблюдений отклонения свободно подвешенной магнитной стрелки, находящейся вблизи проводника с током (Ж. Д. Романьози, 1802 г.), как было обнаружено явление намагничивания проводника протекающим по нему током (Д. Ф. Араго, 1820 г.) и установлен закон действия тока на магнит (Ж. Б. Био и Ф. Савар, 1820 г.), объясняющий вращательный характер движения проводника относительно магнита или магнита относительно проводника.

Крупным научным достижением этого периода была разработка основ электродинамики и установление электрической природы магнетизма (А. Ампер).

Углубленное изучение электрического тока позволило перейти к установлению количественных соотношений в явлениях, происходящих в электрической цепи. Исследуя закономерности в электрической цепи и исходя из аналогии между движением электричества и тепловым или водяным потоком, Г. С. Ом в 1827 г. установил известный закон электрической цепи, носящий его имя.

Начало нового этапа в развитии электротехники относится к 1831 г., когда физическая наука обогатилась значительным достижением: английский ученый М. Фарадей открыл электромагнитную индукцию. Это открытие оказало огромное влияние на развитие научного миропонимания, физика пополнилась новым объектом – физическим полем. С этого времени индукционные явления становятся ведущей темой в физических исследованиях, начинается история учения об электрических колебаниях, составляющего научный фундамент электротехники переменных токов и радиотехники.

Важнейшим научным достижением рассматриваемого периода является открытие закона сохранения и превращения энергии… Предпосылками открытия этого закона были многочисленные научные исследования, а также вся материально-производственная практика. В результате повседневной практики людям стало известно превращение одних форм движения в другие, в частности переход механического движения в теплоту при трении. Теплотехническая практика показала переход тепловой энергии в механическую. Но для формулирования нового фундаментального закона необходимы были научные достижения.

Зарождение и развитие экспериментальной науки способствовали формированию более четких представлений о материальности мира и его закономерностях. В трудах ученых эпохи Возрождения высказывались мысли о единстве материальной природы мира. Р. Декарт сформулировал принцип сохранения или «количественного постоянства» движения. М. В. Ломоносов дал научное обоснование единства материи и движения как всеобщего закона природы. Физики открыли тепловые, световые, химические и магнитные действия электрического тока, что привело к идее о всеобщей связи явлений. Основываясь на фактах превращаемости электрической энергии, М. Фарадей сформулировал принцип сохранения «силы», подчеркивал возможность определения эквивалентов при переходе одного вида энергии в другой. Э. X. Ленц наглядно иллюстрировал принцип сохранения энергии при взаимных превращениях механической и электромагнитной энергии.

Весь ход исторического развития науки и практики привел к тому, что к открытию закона сохранения и превращения энергии почти одновременно подошли С. Карно во Франции, Ю. Р. Майер и Л. Г. Гельмгольц в Германии, Дж. П. Джоуль в Англии и др.

Учение об электричестве явилось первой наукой, на основе которой создавалась промышленность электрических приборов, аппаратов и машин. Появление нового вида технических средств с самого начала было неразрывно связано с открытием новых физических законов. Работы А. М. Ампера, приведшие к открытию законов электродинамики, и исследования Фарадея, завершившиеся формулированием законов электромагнитной индукции, не только установили тесную связь между электрическими и магнитными явлениями, но и заложили принципиальные основы создания электрического двигателя и электрического генератора. Эти исследования, как и работы последующих ученых (прежде всего Д. К. Максвелла), стали фундаментом науки электротехники.

Таким образом, сознательная целеустремленная деятельность людей по преобразованию материального мира, по созданию технических средств и технологических процессов, использование естественнонаучных законов в практической деятельности привели к возникновению и последовательному развитию технических наук. С момента возникновения технические науки, в свою очередь, стали оказывать самое непосредственное воздействие на развитие всех областей техники, на рост и расширение научной деятельности. Процесс создания объектов техники приобретал более направленный характер, результаты действия людей становились предвидимыми.

Бурное развитие материального производства, широкое распространение и углубление исследований во всех областях естествознания привели к необходимости разработки единой системы мер и измерений.

Являясь одним из методов познания природы, измерения способствуют научным открытиям и их воплощению в технической практике. М. В. Ломоносов, сознавая ведущую роль измерений в научных исследованиях, первым в России ввел в свои работы понятия меры и веса. Измерения представляют огромную ценность и как одно из самых надежных средств контроля производственных процессов.

Начальный этап развития мер и измерений можно характеризовать как период произвольного их установления. Со временем сложилось такое многообразие мер, которое только можно было получить при субъективном подходе к их учреждению и изменению. В XVIII в. каждый немецкий город, каждая провинция Италии, каждый кантон Швейцарии имел свои собственные меры. Более того, даже в одной и той же области меры не были едины. Так, в пределах кантона Валли применяли восемь различных фунтов и 31 меру для жидкостей. Во Франции каждый сеньор имел право в пределах своих владений иметь собственные меры и весы. Лишь в Англии меры были приведены к относительному единообразию.

Единство мер в той или иной стране чаще всего достигалось путем законодательных актов. Но даже после образования крупных европейских государств с централизованным управлением расхождения в применяемых мерах были значительными. В разных государствах существовали различные системы мер, но значения мер, даже одинаковых по наименованию, были далеко не равными. Развитие науки, техники, производства, расширение торговли, усиление связи между народами и континентами обострили требования к мерам и измерению.

Установление единства мер началось с введения метрической системы мер, которая возникла во Франции. В 1790 г. в Парижской академии наук была создана специальная комиссия для разработки естественной системы мер, пригодной для всех времен и всех народов. В 1791 г. по предложению этой комиссии за единицу длины была принята десятимиллионная часть парижского географического меридиана, названная метром. Эта мера была введена законом 10 декабря 1799 г. За единицу массы – килограмм – была принята масса кубического дециметра чистой воды при ее наибольшей плотности. Метрическая система мер начала завоевывать прочное место в мире лишь тогда, когда возникла реальная потребность в международных мерах. Уже в 30-х годах XIX в. немецкие ученые К. Ф. Гаусс и В. Э. Вебер, создавая абсолютную систему единиц для всех физических измерений, основывались на метрической системе.

Для внедрения метрической системы в область практической жизни немаловажную роль сыграло окончательное ее упрочение в самой Франции в соответствии с законом 1837 г. В 1845 г. метрическая система была введена в Пьемонте, в 1849 г. в Модене, в том же 1849 г. – в Испании, в 1852 г. – в Португалии, а несколько позже в Мексике, Венесуэле, Колумбии, Бразилии и др.

Большое значение для распространения единой системы имели всемирные выставки. Они естественно наводили на мысль о необходимости применения единых мер. На выставке 1851 г. в Лондоне члены жюри сделали заявление о необходимости введения, по соглашению между странами, единообразной системы мер с десятичным подразделением. Метрическая система мер стала получать все более широкое распространение: в 1864 г. эта система была разрешена в Англии, а с 1866 г. – в Америке.

Особенно ярко общественное мнение в пользу метрической системы высказалось во время Всемирной выставки в Париже в 1867 г. На этой выставке был организован международный Комитет мер, весов и монет. В докладе от имени Комитета петербургский академик Б. С. Якоби показал, что метрическая система принадлежит к той же категории объектов, как машины и орудия, железные дороги, телеграфы и таблицы логарифмов, которые обеспечивают экономию труда и реальное увеличение общественного богатства. С этого времени победное шествие метрической системы мер не прерывалось. В 1868 г. в Германии был издан закон об обязательном применении метрической системы мер.

В распространении и упрочении метрической системы мер большую роль сыграли русские ученые. Когда со временем выяснилось, что представление об абсолютной определенности и постоянстве метра как единицы длины неверно, русские ученые предложили собрать Международную метрическую комиссию, которая в 1870-1872 гг. подготовила решение об отказе от «естественных» эталонов и о принятии архивного метра и международного эталона – килограмма – в качестве исходной меры.

В 1875 г. по инициативе и при деятельном участии русских ученых Б. С. Якоби, Г. И. Вилда и Г. В. Струве была разработана и 20 мая 1875 г. подписана представителями 17 государств метрическая конвенция, обеспечившая международное единообразие и усовершенствование метрической системы мер. В России метрическая система мер была допущена к применению в необязательном порядке законом от 4 июня 1899 г., проект которого разработал Д. И. Менделеев.

Развитие науки, техники, производства, усиление международных научно-технических и экономических связей способствовали дальнейшей разработке и распространению единой системы мер.

 

Задание 9. Познакомьтесь с Конституцией США (1787 г.). Объясните, почему Конституцию и Билль о правах (первые 10 поправок) называют воплощением идей либерализма.

(Конституция США: Текст и постатейный комментарий: В 2 ч. -М.,1984)