Общая характеристика этапа зарождения технических наук

Регресс раннего Средневековья в Европе сменился медленной эволюцией ремесел, ускорившейся в ХШ в. - начале XIV в. в Италии, с конца XIV в.- в XV в. оживление технической деятельности охватило Фландрию, Англию, Францию. Наступление нового этапа связано с тремя предпосылками: теоретической, практической и общественно-личностной. Теоретическая связана с развитием естествознания и выделением его в самостоятельную отрасль человеческого познания, практическая - с обобщением и анализом накопленного опыта создания и применения различных технических средств, особенно появившихся с XIV в, механических станков и машин. Третья предпосылка обусловлена формированием в недрах феодального строя капиталистических отношений с их неизбежной активизацией рынка, торговли и производства, распространением духа конкуренции, повышением интереса к личности отдельного человека, увеличением ее значимости, признанием прав личности за большинством людей.

Уже с XII в. в Европе появляются университеты, но еще несколько веков они остаются богословско-гуманитарными. Естествознание лишь с XV в. начинает занимать видное место в человеческой деятельности. Выделяясь в самостоятельную отрасль человеческой деятельности, естествознание все более опосредованно связывается с практикой через технику, являясь на данном этапе научным обоснованием, интеллектуальной базой развитая технической деятельности.

Соединение науки и практики породило и научно-техническое знание. Технические средства исследовались и создавались как особая форма естественного, как "овеществление" природы, что становится особенно заметным с изобретением ткацкого станка и парового двигателя. Конструирование этих и других новых сложных машин шло от создания идеальной модели процесса в природе к идеальной модели технического объекта.

Авторы базовых открытий этапа в области науки и техники: Брунеллески Альберта, (архитектура, скульптура); Джероламо Кардано, Леонардо да Винчи (естествознание, физика, скульптура и т.д.); Коперник, Галилей, Гюйгенс (астрономия, математика, физика); Агриколла, Бирингуччи, Лавуазье (металлургия, химия); Паскаль, Ньютон, Лейбниц (физика, математика, оптика и т.д.); Ломоносов (металлургия, химия физика, оптика) и др. [7,10,13,20-22,27,45].

Первый подэтап II этапа принято ограничивать, с одной стороны, началом эпохи Возрождения (Ренессанса), закономерно связывая его с Италией, а с другой стороны - первой промышленной революцией, начавшейся в Англии и Нидерландах.

Подэтап 1 - от эпохи Ренессанса до первой промышленной революции (XIV-XVI вв. - конец XVIII в.)

С началом эпохи Возрождения (XIV-XV вв.) христианской Европы совпадает некоторый застой, а затем и откат назад в мусульманском мире, культурном и техническом развитии стран Востока в целом.

Важное воздействие на процесс научно-технического прогресса в Европе оказало освоение передовых достижений ученых и изобретателей Востока в области астрономии, химии, физики, минералогии, металлургии, медицине, философии и т.д. Наиболее активно перенимались и развивались знания в области математики и архитектуры, хотя и по противоположным причинам. Математика совершенствовалась как наиболее абстрактная отрасль науки, поскольку сама наука за прошедшие века приобрела схоластический, абстрактный характер. Архитектура, наоборот, развивалась ввиду острой практической потребности, связанной с интенсивным развитием городов.

Бурное социально-экономическое развитие Италии начиная с XIV в., обусловленное в первую очередь расцветом суконной, красильной и иных отраслей промышленности, связанных с производством одежды, а также активизацией торговли, привело и к строительному буму. Социальный престиж архитектора резко вырос. Архитектор того времени не только архитектор, но и художник, и скульптор, и военный инженер. Усложнение стоящих перед ним задач потребовало широкого внедрения математических расчетов, стимулировало развитие не только математики, но и физики, потребовало качественного скачка - перехода от непосредственного наблюдения к целенаправленно поставленному эксперименту как решению абстрактно сформулированной задачи.

Крупнейшие архитекторы, стоящие у истоков эпохи Возрождения - Брунеллески (1377-1446) и Альберти (1404-1472). Возобновление чеканки монет, связанное с оживлением торговли, прогресс артиллерии, обусловленный частыми войнами и осадами городов, приводят к интенсивному развитию металлургии. С этими отраслями связаны труды Бирингуччо (1480-1539) - "О пиротехнике", Агриколы (1494-1553) - "О горном деле и металлургии". Спрос на ткани, изделия металлургии опережал предложение, ответом явилось возникновение ткацких мануфактур, специализация металлургических и металлоперерабатывающих мастерских, возникновение технической химии. Тем не менее, на границе XIV - XV вв. остро проявляется сырьевой кризис, ответом на который стали великие географические открытия: 1492 - открытие Колумбом Америки, 1498 г. – открытие Васко да Гаммой морского пути в Индию.

Быстрое развитие судостроения, решение связанных с мореплаванием задач значительно ускорило развитие Европы. Особую роль в дальнейшем прогрессе сыграло заимствование или повторное открытие компаса, бумаги и книгопечатания, черного (дымного) пороха, получения стекла, красителей, фарфора. Стремительная эволюция ремесленного производства, возникновение в XV-XVI вв. десятков и сотен новых профессий, господство с середины XVI в мануфактуры дополняется значительными усовершенствованиями в сельском хозяйстве (например, изобретен хомут новой конструкции, крепившийся не на шее, а на груди лошади).

Естествознание в XV в. начинает занимать видное место, превращаясь в научное основание развития техники. На начальном этапе оно носит механистический характер, поскольку именно механика является наиболее разработанной отраслью знания. Однако постепенно происходит перенос "центра" тяжести с механического воздействия человека на объект, остающийся неизменным по своей природе, на изменение им природы самого объекта.

Изучение более сложных процессов неизбежно приводит к тому, что в качестве основы естествознания все чаще начинают выступать физика, химия, биология. Соединение физики и математики позволило создать первый автомат, используемый в повседневной практике - часы. Развитие часового и горного дела, совершенствование мельничного и металлургического производств длительное время являлось локомотивом научно-технического прогресса.

Полноправными методами исследования (изучения) природы вещей и процессов становятся математический расчет и эксперимент. Первопроходцем здесь (не считая практически забытого Архимеда, чье научное наследие стало доступно европейцам лишь в 1543 г.) был Леонардо да Винчи (1452-1519 гг.), чьи эксперименты, пожалуй, впервые носят не иллюстративный, а исследовательский характер. Правда, эксперименты были преимущественно качественными, а количественные подходы, ярко проявившиеся в экспериментах Галилея, Леонардо только искал.

Одна из основных заслуг Галилея (1564-1642) заключается в том, что он ввел количественный эксперимент в общепринятую научную практику, организовал производство приборов для проведения научных экспериментов. Галилей - один из основателей точного естествознания. Своими достижениями, искусной и доказательной зашитой гелиоцентрической системы мира Коперника Галилей вызвал революцию в сознании современников, разрушив сложившуюся, схоластически выхолощенную Аристотелевскую картину мира, заложил основы современной механики.

Другим основоположником количественного экспериментального метода явился английский физик и химик Р. Бойль (1627-1691), способствовавший наряду с М. Ломоносовым (1711-1765) и А. Лавуазье(1743-1794) становлению химии как самостоятельной отрасли науки.

Имя Бойля тесно связано с созданием академии: в 1662 г. по его инициативе создана одна из старейших среди ныне действующих - Лондонское Королевское общество. Знаменитая Французская академия функционирует с 1635 г. Справедливости ради здесь надо отметить, что академии возникли еще во времена Галилея - первая в 1560 г. в Неаполе, вторая в 1603 г. в Риме, но они просуществовали недолго.

Среди тех, кто оставил заметный след в развитии математики, физики и техники на первом подэтапе II этапа следует упомянуть:

- Джероламо Кардано (1506-1576), предложившего прообраз карданного механизма, заложившего основы теории вероятности, одним из первых нашедших формулу решения кубического уравнения и т.д.;

- Рене Декарта (1596-1650), который заложил основы аналитической геометрии, дал понятия переменной и функции, импульса силы, сформулировал закон сохранения количества движения и т.д.;

- Блеза Паскаля (1623-1662), развившего теорию вероятности, теорию чисел, создавшего первую механическую счетную машину, основополагающие труды по гидростатике, теории давления воздуха и т.д.;

- Христиана Гюйгенса (1629-1695), который разработал теорию и изобрел маятниковые часы, создал волновую теорию света, значительно усовершенствовал телескоп, внес значительный вклад в теорию удара, теорию вероятности и т.д.

Особо следует выделить заслуги Ньютона (1643-1727) и Лейбница (1646-1716). Оба являются родоначальниками математического анализа (интегрального и дифференциального). Ньютон дал систематически изложенную механику, объединившую в себе все предыдущие достижения в области статики и гидростатики, динамики земной и небесной, оптике, астрономии и т.д., с собственными фундаментальными открытиями в большинстве этих отраслей. Лейбниц, помимо математики, внес ощутимый вклад в развитие физики и математической логики. Он дал онтологическое обоснование неизбежности беспредельного прогресса, выдвинул идею априорного построения истории знания, важности социальных факторов развития науки и т.д.

Широкое применение экспериментального метода привело к смене метода научного познания мира: от дедукции (идущей от Аристотеля и господствовавшей все Средневековье) к индукции. Такая реформа была провозглашена Ф. Бэконом (1561-1626) в трактате "Новый органон" (1620) и в сочетании с фундаментальными открытиями Ньютона завершила начатый Галилеем качественный переворот в миропонимании людей, окончательно похоронив средневековую картину мира. Ф. Бэкону принадлежит ставший широко известным лозунг "Знание - сила". Именно в его трудах задача построения всемирной истории науки и техники впервые ставится как научная проблема.

Подэтап 2 - от первой промышленной революции до классического этапа (конец XVIII в. - середина XIX в.)

Начиная с XVI в. прогресс в области материального производства во все большей мере обеспечивался развитием и интеграцией математики, физики химии. К концу XVIII в. это было достаточно осознано, а укрепление капиталистических отношений востребовало этот важный резерв ускорения развития производительных сил. В XVIII в. наука начинает превращаться в непосредственную производительную силу. Таким образом, во второй половине XVIII в. складываются теоретические и практические предпосылки первой промышленной революции.

Фактически промышленная революция начинается с момента возникновения мануфактур, однако три этапа ее развития принято связывать с изобретением соответственно ткацкого станка, парового двигателя и токарного станка с суппортом. Быстрое развитие (начиная с XV в.) машин-орудий труда, венцом которого в XVIII в. стало изобретение ткацкого станка (1733-1786), в том же веке столкнулось с отсутствием адекватных машин-двигателей. Применявшийся водяной двигатель не был ни достаточно мощным, ни универсальным.

Изобретение и освоение парового двигателя, с чем, собственно говоря, и связывают начало второго подэтапа II этапа, резко расширило спектр областей, где использовались рабочие машины, увеличило их мощность, создало новые отрасли промышленности. Однако в наибольшей степени созданию новых отраслей промышленности способствовало изобретение токарного станка с суппортом.

Изобретение парового двигателя заняло не один десяток лет, было поэтапно и связано с рядом имен. Первым в этом ряду чаще всего называют француза Дени Папена (1647-1714), большую часть жизни проведшего в Англии. Он первый описал теоретически пароатмосферный цикл, изобрел паровой котел и предохранительный клапан, но легенда об изобретении им действующей машины пока не находит подтверждения.

Наибольшую известность среди первых паровых машин получил двигатель конструкции англичанина Томаса Севери (1650-1715), впоследствии существенно усовершенствованный его соотечественником Томасом Ньюкоменом (1663-1729). Однако ограниченный по мощности, он был крайне неэкономичен, взрывоопасен и мог работать только в периодическом режиме.

Разработка и постройка парового двигателя непрерывного действия (двухцилиндрового), принадлежит талантливому русскому изобретателю И.И.Ползунову (1729-1766), умершему незадолго до его успешного запуска. Создателем подлинно универсальной паровой машины стал Дж. Уатт (1736-1819), обеспечивший и экономичность, и непрерывность, и относительную безопасность ее эксплуатации.

О востребованности первого мощного и относительно универсального, по сравнению с водяным, двигателя свидетельствуют темпы и размах его освоения промышленностью. В 1785 г. - первое промышленное применение парового привода, в 1800 г. только в Англии - 82 машины, в 1810 г. там же уже 5 тыс. машин.

Изобретение рабочих машин в текстильной и других отраслях производства и создание универсального теплового двигателя потребовали перевооружения промышленности, в первую очередь машиностроения. Коренное изменение техники изготовления машин могло быть достигнуто лишь при условии изобретения и широкого применения рабочих машин в собственно машиностроении. Требовались изобретения, в результате применения которых инструмент из рук рабочего перешел бы к механизму, создавая тем самым неограниченные возможности роста производительности труда.

В мастерских того времени сосредотачивалось большое количество орудий: сверла, ножницы, клещи, топоры, молотки и т.п. Имелись сверлильные, точильные, шлифовальные станки. Однако эти станки, несмотря на значительную специализацию, не были рабочими машинами, так как основной трудовой процесс при их применении совершала рука человека.

Наиболее распространен был токарный, так называемый лучковый станок, имеющий более совершенную конструкцию по сравнению со станками периода неолита. Режущий инструмент, главнейший механизм орудия, человек держал в руке. Для того чтобы токарный станок превратился в рабочую машину, был необходим резцедержатель (суппорт), т.е. механизм, заменяющий руку человека при работе на станке.

Изобретателем токарного станка с суппортом был выдающийся русский механик А. К. Нартов. Он одним из первых построил ряд токарно-копировальных станков, имеющих механический суппорт, названный "держалкой". На этих станках для вращения изделия можно было применить колесо, которое двигалось бы при помощи воды или силы животных. Однако в то время ни в России, ни на Западе еще не было острой потребности в усовершенствовании техники машиностроения. Поэтому, несмотря на замечательные работы Нартова и высокую оценку, которую его деятельность и знания получили в ряде стран, изобретенный им суппорт не оказал большого влияния на практическое развитие техники токарного дела.

Начало изменению техники изготовления машин положил английский механик Генри Модели (1771-1831), создавший механический суппорт для токарного станка. В 1794 г. он изобрел так называемый крестовый суппорт к токарному станку, способствовавший превращению станка в рабочую машину. Для укрепления резца Модели создал специальный металлический зажим - суппорт, который имел две каретки, передвигающиеся посредством винтов. Одна каретка позволяла создавать необходимое давление резца на заготовку, а другая передвигала резец вдоль заголовки. Таким образом, человеческая рука была заменена специальным механическим приспособлением, и в 1795 г. появился токарный станок с механическим суппортом.

С введением суппорта станок стал непрерывно действовать с совершенством недостижимым даже для самой искусной человеческой руки. Суппорт оказался одинаково пригодным для изготовления как мельчайших деталей, так и огромных частей различных машин.

В 1797 г. Модели построил первый работоспособный токарный станок на чугунной станине с самоходным суппортом. В этом же году он построил токарно-винторезный станок со сменным ходовым винтом. Выделка винтов в то время была работой исключительно сложной.

Суппорт вскоре был перенесен с токарного станка на другие станки, применяемые для изготовления машин. С применением суппорта начинают совершенствоваться другие типы металлообрабатывающих станков.

Начало XIX в. было периодом повышения точности производства машин. Этот период был целиком связан с работами выдающегося английского станкостроителя Иосифа Витворта (1803-1887), введшего в машиностроение принципы и методы точной работы. Витворт изобрел первую измерительную машину, ввел калибры и добился возможности измерять полученные размеры с точностью до сотых, а затем и тысячных долей миллиметра. Ему принадлежит идея стандартизации резьб, позже нашедшая применение в машиностроении.

Параллельно промышленной и изобретательской практике идет теоретическое освоение. Примат практики над теорией, наукой к началу второго подэтапа II этапа исчезает, чтобы к концу его смениться главенством науки. Уже с начала XVIII в. начинается измерение тепловых эффектов, возникает калориметрия как особый раздел физики. К 70-м гг. XVIII в. установлены основные калориметрические понятия: количество теплоты, теплоемкость, удельная теплоемкость, теплота плавления, теплота испарения. Ломоносов опровергает теорию теплорода, понимая под теплом особый (вращательный) вид движения частиц, вводит понятие абсолютного нуля, связывает тепловые явления со световыми и атмосферным электричеством. В 1824 г. Сади Карно (1796-1832) создает учение о термодинамике. Понятие тепла, энергии как бы отделяется от его носителя.

Все более широкое использование различных механизмов как средств производства, все большее замещение человека в трудовом процессе машинами позволяет людям взглянуть на этот процесс со стороны, оценить как самостоятельный объект исследования и деятельности. Таким образом, у технических наук появляется свой объект исследования.

Появление крупного машинного производства привело к тому, что уже с XVIII в. непосредственно на фабриках, мануфактурах, металлургических заводах создаются специализированные научно-технические лаборатории. Принципиально новым здесь было сочетание теоретических и экспериментальных исследований с опытно-технологическими разработками, в которых использовалось основное оборудование предприятий. Одна из первых таких лабораторий возникает на ткацкой фабрике в г. Монпелье под Парижем во времена Великой Французской революции.

Развитие технического образования проходит сначала стадию профессиональных школ, а затем уже высших технических учебных заведений (ВТУЗ). В 1745 г. открыта горная школа в Брауншвейге, в 1747 г. - Национальная школа мостов и дорог в Париже, в 1748 г. - школа Королевского инженерного корпуса в Мезьере, в 1773 г. - Горное училище в Петербурге, в 1778 г. - Национальная горная школа в Париже.

Появляются ВУЗы нового типа, сочетающие теоретическую и практическую подготовку учащихся, например основанный по инициативе Ломоносова в 1755г. Московский университет, организованная Лавуазье в 1794 г. (год его казни) Политехническая школа (вначале Центральная школа общественных работ) и т.д. Первые ВУЗы собственно технического профиля появляются в Великобритании: в 1821 г. - в Эдинбурге, в 1823 г. - в Глазго и Лондоне; в США - Рентселлеровский политехнический в 1824 г.

Образцом высшего технического учебного заведения в середине XIX в. считалась Центральная школа искусств и мануфактур, учрежденная в Париже в конце 1829 г., имевшая четыре факультета: металлургии, строительства, химии, механики, обучение на которых продолжалось три года, из них последние два посвящались дисциплинам специализации.

В Германии большинство ВТУЗов образовалось на базе средних технических заведений и ремесленных училищ. В 1825 г. была основана Политехническая школа в Карлсруэ, в 1927 г. - Высшие технические школы в Мюнхене и Нюрнберге, в 1831 г. Высшее ремесленное училище в Ганновере, в 1840 г. - Политехническая школа в Штутгарте и т.д.

Во второй половине XVIII в. - начале XIX в. отмечается оживление исследований в области электростатики и магнетизма, выявление взаимосвязей этой отрасли знаний с другими. До рассматриваемого времени данная область практически не затрагивалась учеными, за исключением гениальных догадок Фалесеа Милетского (VII-VI вв. до н.э.) и издания в 1600 г. трактата В. Гильберта (1544-1603) "О магните, магнитных телах и о большом магните - Земле", введшем в научный обиход термин "электричество". В течение двух последующих веков отмечается медленное, лишь под конец ускорившееся развитие электростатики. Здесь уместно вспомнить и лейденские банки Лейбница, молниеотводы Б. Франклина (1706-1790) и Ломоносова, и электроуказатель Рихмана (1711-1753), и крутильные весы и закон Кулона (1736-1806), и опыты по электростатике Г. Кавендиша (1731-1810).

Эксперименты Л. Гальвани (1737-1798) показали взаимосвязь электрических и биологических явлений, а А. Вольта - электричества и химии. Эти опыты вооружили исследователей в 1800 г. первым достаточно мощным источником тока - вольтовой батареей. В начале XIX в. отмечается подлинный бум открытий в этой области, связанный с именами Био и Савара, Ома, Джоуля, Ампера, Максвелла, Фарадея, Якоби, Ленца, Петрова и др. Связь электричества и магнетизма, впервые как случайный факт отмеченная Араго в 1775 г. в 1810 г. в эксперименте была продемонстрирована Эрстедом. С этого открытия берет начало новая отрасль научно-технической деятельности - электродинамика, родоначальником которой стал Ампер, в 1826 г. издавший "Теорию электродинамики". Таким образом, к концу II этапа были заложены основы электротехники, подготовлено создание электродвигателя, символизирующего начало третьего, классического этапа.

КОНТРОЛЬНЫЕ ВОПРОСЫ И ЗАДАНИЯ

1. Предпосылки наступления II этапа.

2. В какой период научное знание выделилось из естествознания?

З. С чем связывают начало второго подэтапа II этапа развития научно-технической деятельности?

4. Укажите и объясните разбивку II этапа на подэтапы.

5. Чем характерен конец II этапа развития научно-технической деятельности?

6. В каком веке в Европе появились первые университеты?

7. С какого века естествознание начинает занимать видное место в человеческой деятельности?

8. Какой характер носило естествознание в XV в.?

9. Каковы основные заслуги Галилея?

10. С чем связано начало первой промышленной революции?

11. Этапы первой промышленной революции.

12. Что в наибольшей степени послужило созданию новых отраслей промышленности на этапе зарождения научно-технического знания?

13. Какой ученый является основоположником количественного экспериментального метода?

14. Когда и где появляются первые ВУЗы чисто технического профиля?

ЭТАП III - КЛАССИЧЕСКИЙ (СЕР. XIX В. – СЕР. XX В.)

Формирование дисциплинарного характера науки и как объекта исследования, и как объекта преподавания. Примат науки над практикой. Качественные изменения в характере и формах организации научно-технической деятельности

В середине 70-х гг. XIX в. начинается третий, классический этап, названный так потому, что к этому времени складывается привычное, сохранившееся в значительной мере до наших дней, особенно в средней школе (курс базовых предметов), дисциплинарное деление наук. В науке утверждается свой метод - планируемый количественный эксперимент и основанная на факте индуктивная логика. Примат науки над практикой становится очевиден всему обществу; от науки ожидают решения всех вопросов, удовлетворения все растущих запросов людей. Возникшие технические науки тяготеют к классической механике как к своей фундаментальной основе, формируя относительно самостоятельную область научно-технического знания и деятельности, обычно называемую техническими науками механического цикла.

До указанного рубежа развитие человечества опиралось на потребности повседневной практики и эмпирический опыт. Образно говоря, изучалось то, что было на виду, на поверхности, поддавалось непосредственному созерцанию. Дальнейшее развитие на базе эмпирического опыта становилось невозможным, требовалась сознательная планомерная научно-техническая деятельность в специально организованных условиях. Если XVIII в. называют веком академий, XIX в.-веком высшей школы, то XX в.- веком научно-исследовательских институтов (НИИ). Только в условиях НИИ и конструкторских бюро (КБ) удалось преодолеть еще одно обстоятельство, препятствовавшее дальнейшему эффективному развитию - необходимость решения взаимосвязанных, но разнородных задач в комплексе и одновременно, заранее распределив материальные, интеллектуальные и временные ресурсы.