В эпоху палеолита и неолита человек начинает приобретать определенные знания и умения, связанные с использованием рычага и клина, использованием технологий обработки камня, его применения в качестве метательного орудия, наблюдением за его полетом, что приводит к изобретению пращи, лука со стрелами.
Позднее стремление осознать явления природы приводит к мифотворчеству, зарождению знаний и становлению науки, начинается государственно-культовое строительство, которое говорит о том, что люди уже владеют зачатками механики.
С появлением письменности активизируется процесс зарождения науки. Это освобождает человеческую память от тяжелого груза знаний и положительно влияет на их дальнейшее развитие. До начала VI в. до н.э. люди имеют познания в области строительной механики, гидравлики, статики, динамики и небесной механики. Все эти элементы практической механики послужили базой становлении механики как науки в дальнейшем.
Раннее средневековье характеризуется тем, что прикладная механика пополняется новыми знаниями, в частности, в области строительной механики и гидравлики, особенно в арабоязычных странах, где не только развивается наука, унаследованная от Греции, но и идет процесс ее приращения, особенно в области теоретической механики в школах.
Тема ІІІ. РАЗВИТИЕ МЕХАНИКИ КАК НАУКИ –
УСЛОВИЕ УСПЕШНОЙ ИНЖЕНЕРНОЙ ДЕЯТЕЛЬНОСТИ
Развитие производительных сил в эпоху средневековья и позднее проходило несколько этапов. В раннем средневековье (V – середина ХІ в.) – период становления феодального строя, некоторого развития науки, техники, а следовательно, и инженерной деятельности – они находились на низком уровне; во время классического средневековья (ХІ–ХV вв.) – период расцвета феодализма – производительные силы начинают всесторонне совершенствоваться, бурно идет накопление знаний в области механики как основы инженерной деятельности. Особенно инженерная деятельность активизируется с ростом городов, появлением ремесленных цеховых производств. Для позднего средневековья (XVI – первая половина XVII в.) характерны процессы разложения феодализма, зарождения мануфактурного производства и капиталистических отношений, становления науки, в том числе и механики.
Рассмотрение различных аспектов накопления и расширения знаний в области механики как науки и использование их в практической деятельности является целью настоящей лекции.
1. Развитие научных знаний и создание условий для научной революции.
2. Развитие механики как науки.
Быстрое развитие феодальных отношений в эпоху средневековья, особенно начиная с ХІІ–ХІІІ вв. и позднее вызвало интерес к науке, технике, особенно к военной. Это объясняется ростом городов, замков, требующих мощной защиты, создания метательных машин (бриколь – для метания стрел; франдибола – для метания камней), подвижных устройств (аркобаллисты, смонтированные на колесной раме). Подобные изобрения в определенной степени стали возможными благодаря активизации инженерной деятельности, увеличению количества людей, занимающихся этой деятельностью.
Огромное значение в ХIV в. имело использование пороха в Европе. С этого времени начинается эра огнестрельной артиллерии, развития металлургической промышленности и расширения знаний в области таких наук, как баллистика, динамика и др.
Уже в ХIII в. ученые начинают активно интересоваться вопросами динамики. Развивается идея Иоанна Филопона о том, что сила, бросившая тело, передается этому телу. Ученые-схоласты путем рассуждения, а иногда и наблюдения приблизились к пониманию множества механических явлений. Учение об импетусе предложил французский ученый Жан Буридан, бывший одно время ректором Парижского университета. Оно заключалось в следующем: движущее тело получает от движителя импетус – определенную силу, которая может двигать его в том направлении, в каком его движет движитель. Чем большей будет скорость, с которой брошено тело, тем сильней будет приданный ему импетус. Именно импетус движет камень после того, как движение толчка прекратилось, но вследствие сопротивления воздуха и из-за тяжести, которая побуждает камень двигаться в сторону, противоположную импетусу, последний непрерывно ослабляется, иначе движение не прекратилось бы никогда. В конце концов импетус преодолевается, и тяжесть, воздействуя на камень, приводит его к «естественному местоположению». По Буридану, импетус пропорционален плотности и объему тела, к которому он приложен.
Важный след в истории механики оставили ученые Альберт Саксонский и Николай Орем середина ХIV в.. Так, Альберт Саксонский много и умно рассуждает о центре тяжести, критикует в этом отношении Аристотеля, доказывает, что каждое тело имеет точку, в которой как бы сосредоточен весь его вес, и одновременно отстаивает о том, что Земля находится в центре Вселенной. Он также являлся сторонником теории импетуса. Существует точка зрения, что в определенном плане взгляды Альберта Саксонского повлияли на становлении теории Галилея.
Ученик Буридана Николай Орем (1323–1382), разрабатывая идею ортогональных координат, утверждал, что графически можно изображать любые измеримые количества. В динамике он придерживался теории импетуса, а в кинематике пользовался графическим изображением. Орем исследовал равномерное и неравномерное движение и был близок к правильной формулировке равномерно-ускоренного движения. В своем трактате о небе и мире он придерживался мысли, что Земля движется относительно неба, и таким образом предвосхитил идею Н. Коперника.
Интересны поиски философа Фомы Аквинского (1225–1274). Являясь идеологом католической церкви, Аквинский основывал свое учение на творчестве Аристотеля, но указывал при этом, что область веры не следует смешивать с областью знания; ссылки на бога в вопросах физики считал невежеством. Он делал различие между математическими и физическими телами: первые делимы бесконечно, тогда как вторые имеют предел делимости, перейдя который перестают быть самим собою, разлагаясь на простейшие элементы. Аквинский утверждал также, что время непрерывно и связано с движением; рассуждал он и о бесконечности.
Развитие производительных сил, рост городов, укрепление церкви приводит к строительству храмов, монастырей, которые становятся сосредоточием не только веры, но и образования. Они оснащаются мощными оборонительными сооружениями. Бурно развивается цеховое производство. В частности, строительные цехи (каменщиков, отделочников) растут количественно и качественно, в них накапливаются практические познания из области строительной механики. Но многое делалось на ощупь и длительное время было результатом коллективных усилий.
Следует заметить, что уже в период раннего средневековья началось становление, хотя и в достаточно широком понимании и профессии инженера. Сперва эта профессия не была цеховой и означала лишь совокупность знаний, которые мог иметь зодчий, скульптор или художник, помимо своих основных профессиональных умений. Сплошь и рядом один и тот же человек создавал машины, сооружал укрепления, строил водопроводы, ваял, писал картины и исполнял еще много мелких поручений феодального властителя либо бюргерской знати. Каждый такой инженер или архитектор обязательно должен был быть механиком, ибо без знания механики его машины могли отказать в действии, а выстроенные им крепости – не выдержать удара осадной мощи противника.
Сохранился любопытный документ начала 1481 г., в котором тридцатилетний Леонардо да Винчи (1452–1519) предлагает свои услуги правителю Милана Лодовико Сфорцг и где он характеризует разнообразие знаний инженера. «Поскольку, сиятельнейший господин, я видал и продумал опыт всех тех, кто выдает себя за знатоков искусства изобретения военных машин, и нашел, что их инструменты не отличаются ни в чем существенном от тех, которые общеизвестны, я решаюсь … сообщить Вашей светлости о некоторых секретах, которыми обладаю я, в следующем кратком перечислении:
1. Я владею способом постройки очень легких мостов, которые можно легко переносить и с помощью которых можно привести врага в бегство и преследовать его. Знаю также и иные, более прочные, которые смогут противостоять огню и мечу и которые можно легко поднимать и опускать. Я знаю также способы сжигать и разрушать вражеские мосты.
2. В случае осады я знаю, как осушать рвы, строить складные лестницы и иные подобные машины.
3. Далее: в случае высокого местоположения или мощности враждебной позиции, когда невозможно ее обстрелять, я знаю способы уничтожить ее путем минирования, если только фундамент крепости не скалистый.
4. Я умею также строить нетяжелые пушки, легкие в перевозке, которые могут бросать горючие материалы, дым коих вызовет ужас, разрушения и растерянность среди врага.
