В. Морозов - История инженерной деятельности

В последней четверти ХVIII в. изучением трения занялся Шарль Кулон (1736–1806). В 1781 г. он опубликовал «Теорию простых машин с точки зрения их частей…», в которой развил теорию трения и вывел законы, которые стали носить его имя. В это время делаются попытки создания теории машин.

Создание теории машин связано с именами Монжа и его ученика Карно. Гаспар Монж (1746–1818) учился на кондукторском отделении Мезерской военно-инженерной школы, позже серьезно изучал начертательную геометрию и создал техническое черчение, явился инициатором преподавания курса «Построение машин» и приблизился к формулировке основ классификации механизмов.

Большой вклад в механику внес Лазар Карно (1753-1823), который окончил ту же военно-инженерную школу, что и Монж. В 1783 г. Карно опубликовал «Опыт о машинах вообще», а в 1803 г. книга была переиздана под названием «Основные принципы равновесия и движения». Кстати, Карно считал, что механика по своей сущности является наукой экспериментальной и этим подтверждал ее право на самостоятельное существование вне границ математики. Свою систему он строил на основании изучения движения, отрицая возможность построения ее из «метафизического и темного понятия силы». Фундаментальным законом механики Карно считал закон количества движения. Все законы и теоремы механики он рассматривал применительно к машинам. Книгу его уже можно отнести к прикладной механике.

Формирование механіки и как науки в XVIII в. завершил Лангранж. Его классическая работа «Аналитическая механика» вышла в Париже в 1788 году, в которой он считал, что в общем-то, он обобщил и окончил труды своих предшественников. Динамика Лангранжа основана на законе, который носит название уравнения Д’Аламбера – Лангранжа. Из этого уравнения он выводит три закона: движения центра тяжести системы, моментов количества движения и живой силы. Ланггранж также формирует принцип наименьшего действия и показывает, как из последнего можно было бы получить исходное уравнение. Далее он выводит уравнения, получившие название уравнений первого и второго рода. Однако следует признать, что Лангранж не завершил механику и не сделал ее полного свода. Еще при его жизни начали формироваться новые направления: теория упругости, механика материалов, механика машин.

Большой вклад в развитие механики сделал П. С. Лаплас (1749–1827). Так 1799–1800 гг. он опубликовал два первых тома «Небесной механики». И, что самое существенное, в начале ХIХ в. начали весьма интенсивно развиваться именно те направления механики, которые основывались на экспериментальных законах и пользовались экспериментальными методами исследования.

Эксперимент еще в XVIII в. был характерен не только для науки, но и для техники, особенно для техники промышленного переворота. В принципе, все новые машины, заменившие руку человека, явились результатом глубокого и длительного экспериментирования. Так было и с паровой машиной Джеймса УАтта, который добился успеха в результате большой серии экспериментов. Следует сказать, что машина Уатта до конца ХVIII в., была государственным секретом Англии, и вывоз таких машин из страны был запрещен.

Паровые машины собственными усилиями стали строить во Франции, России, Германии, США и в других странах. Так, в США Оливер Ивэнс (1756–1819) сконструировал паровую машину высокого давления (1ОАТ), построил первый в США локомобиль и изобрел прямило («прямило Ивэнса»). Это была первая попытка после Уатта найти механизм, преобразующий поступательное движение во вращательное. Можно сказать, что к началу ХIХ в. время практический механики проходит и наступает эра прикладной науки. Кстати, в Англии – стране самой передовой техники того времени – развитие механики отстает. Но промышленный переворот, поднявший Англию на более высокую ступень экономического развития, не мог не повлиять на английскую науку. Быстро развивающаяся машинная промышленность (производство машин) требовала ответа на возникающие вопросы, и она не могла долго ждать. Поэтому с начала ХIХ в. наука в Англии приобретает практический характер. Запросы промышленности стимулируют появление новых наук – «технических», основанных на наблюдении и опыте и уже во вторую очередь пользующихся расчетно-математическими методами. Что касается «старых» наук, то здесь в основном развиваются их прикладные направления. Очевидно, именно в связи с этим в Англии до середины ХІХ в. не открываются технические школы. Англичане пользуются старыми, традиционными методами ученичества, но знания в области механики продолжают накапливать и совершенствовать.

Существенный вклад в механику упругого тела сделал Томас Юнг (1775–1829). Он в 1807 г. опубликовал в Лондоне «Курс лекций по натурфилософии и по механическим искусствам», в котором изложил сведения из самых различных областей знания. Во втором томе этого энциклопедического курса содержится определение модуля, позже названного модулем Юнга, который стал важнейшим понятием новой отрасли механики – теории упругости. Юнг показал также, что срез является одной из упругих деформаций, сформулировал понятие нейтральной линии при изгибе. Развитие теории упругости продолжили ученые, среди которых выдающуюся роль сыграли французы Навье, Коши и Сен Венан.

Значительный вклад в развитие механики, особенно на рубеже ХVIIІ–XIX вв., внесли ученые Парижской политехнической школы. Так, один из ее организаторов Пьер Симон Лаплас создал небесную механику как новое направление науки. Он завершил объяснение движения тел Солнечной системы на основе закона всемирного тяготения, в результате чего развил свою знаменитую космогоническую гипотезу. Лаплас сформулировал задачу о трех телах, изучил движения небесных тел, в частности Луны, и разработал теорию приливов и отливов, которая стала существенным вкладом в гидродинамику. В его «Небесной механике», состоящей из пяти томов, механика рассматривалась как физическая наука. Лаплас является одним из основоположников молекулярной механики – механики, основанной на молекулярной теории строения вещества (в первой половине ХІХ в. понятие молекулы и атома считались тождественными). Молекулярным притяжением тогда объясняли химическое сродство, явление упругости, капиллярность и иные физические явления, не поясняемые теорией всемирного тяготения.

Физическую сущность механики подчеркивали и другие французские ученые – Пуансо, Пуассон, Навье. Так, воспитанник Политехнической школы Луи Пуансо (1777–1859) ввел в механику понятие «пара сил» – двух равных сил противоположного направления, приложенных к разным точкам плоскости. Он показал, что значение пары сил равно произведению силы на кратчайшее расстояние между направлениями сил. Вообще, понятие «пары сил» было важнейшим в статике Пуансо, с его помощью он вывел теорему о том, что любое число сил, действующее на твердое тело, можно привести к силе и к паре сил. Пуансо разработал теорию вращения тел, установил один из случаев вращения гироскопа, сформулировал понятие эллипсоида инерции. Механика Пуансо была физической в еще большей степени, чем механика Лапласа, и в значительной мере стала основой для разработки прикладной механики.