Основная литература

1. Человек и машина: Учеб. пособ./ В.Л. Шадуя, И.П. Филонов. - Мн.: УП «Технопринт», 2001- 334с.

2. Б.С. Доброборский ОБЩАЯ ТЕОРИЯ СИСТЕМ «ЧЕЛОВЕК-МАШИНА». Санкт-Петербург. 2008.

3. Сергеев С.Ф. Инженерная психология и эргономика [Текст] : учебное пособие / С. Ф. Сергеев. - М. : НИИ школьных технологий, 2008. - 176 с.

№2

Эволюция машин

Машина заменяет живую силу. Около 30 тыс. лет назад смена культур убыстряется, как и скорость изобретений. Между 30 тыс. и 15 тыс. до н.э. человек изобретает первую настоящую машину - лук со стрелами. Это первое оружие, являющееся результатом абстрактного мышления - аналогов ему нет ни в животном мире, ни в теле человека. Тогда же появляется и первый музыкальный инструмент - дудка. 

Пожалуй, одной из первых машин в современном понимании следует назвать водяную мельницу, т. е. не что иное, как преобразователь энергии водяного потока в энергию вращения.

Другими областями человеческой деятельности, в результате которой возникли машины, были строительство и водоснабжение. Появляются устройства для подъема и перемещения тяжестей, принцип работы которых сохранился и в современных грузоподъемных механизмах.

Совершенствование лука и пращи привело к изобретению военных машин. Были созданы два основных типа таких машин — катапульты, которые метали стрелы, и баллисты, метавшие камни

Трудно установить время изобретения тех или иных машин, возможно, что они изобретались неоднократно, в результате эволюционного развития простейших механических приспособлений.

Их можно было бы назвать приспособлениями динамическими, так как они создавались для экономии человеческой силы.

Но почти одновременно с такими машинами появляются и иные приспособления, которые можно было бы назвать кинематическими, потому что они служили для преобразования не силы, а движения. Их можно назвать автоматами, происхождение которых весьма древнее и, несомненно, генетически связанное с теми звериными ловушками, о которых уже шла речь.

Сочинение об автоматах написал ученый эпохи позднего эллинизма Герон Александрийский, но можно предполагать, что описанные им автоматы были изобретены намного раньше. Движение фигур и их элементов осуществлялось в автоматах по прямой линии, по кругу, по произвольной кривой. Каждое движение производилось при помощи нитей, навернутых на барабаны или блоки различного диаметра и натягиваемых грузиками.

В Римской империи были изобретены некоторые сельскохозяйственные и строительные машины. В конце I в. до н. э. римский архитектор и инженер Марк Витрувий Поллион написал «Десять книг об архитектуре». Его сочинение прожило долгую и славную жизнь: им пользовались как руководством по крайней мере полторы тысячи лет. Десятая книга сочинения посвящена машинам, и здесь же дано, вероятно, первое определение машины: «Машина есть сочетание соединенных вместе деревянных частей, обладающее огромными силами для передвижения тяжестей».

Согласно Витрувию машины и орудия различаются тем, что машины для выполнения работы требуют большего числа рабочих или применения большей силы (таковы, например, баллисты и давильные прессы), орудия же выполняют задание умелой рукой одного человека.

Ветряные мельницы впервые появились в Афганистане в IX в.: лопасти ветряного колеса располагались в вертикальной плоскости и были прикреплены к валу, который и приводил в движение верхний жернов. Почти одновременно с ветряными мельницами были изобретены и регулирующие устройства.

Преобразование поступательного движения во вращательное с помощью педального механизма, освоенное в конструкции гончарного круга, вошло затем в конструкцию прядильного механизма, что улучшило качество пряжи и ускорило ее производство. Была усовершенствована конструкция ткацкого стана, который в античные времена представлял собой примитивную деревянную раму с простейшими механическими приспособлениями.

О конструкциях первых европейских ветряных мельниц ничего не известно, но, по-видимому, ветряное колесо сразу же начали располагать в вертикальной плоскости. Скорее всего, по своей конструкции ветряки отличались от водяных мельниц лишь положением движителя и главного вала. К концу XII в. они получили распространение во Франции и Англии, в основном в тех районах, где рек было недостаточно. В XI в. в Англии насчитывалось более пяти тысяч водяных мельниц. В то же время ветряные мельницы появились в Голландии, в XIII в.— в Германии, в XIV в.— в Польше и на Украине.

Мы не знаем точно, когда и как были изобретены часы. Согласно некоторым документам около 1286 г. они были в Англии, около 1300 г. — во Франции, около 1335 г. — в Италии. До нашего времени дожил часовой механизм собора в Солсбери, построенный в 1386 г. Он состоит из двух серий колес, приводимых в движение гирями: одной — для указания времени, другой — для боя.

«Обмен идеями» проявился в развитии военных машин. Средневековые метательные машины строились по тем же принципам, что и античные, но менялись их типы, габариты, метаемые объекты, скорострельность. В частности, фрондибола была той же метательной машиной, только снабженной противовесом: к короткому плечу рычага, вращавшегося около оси, закрепленной в раме, подсоединялся противовес, а к длинному плечу подвешивалась праща. Аркбаллиста была комбинацией мощного лука с лебедкой для натягивания тетивы (представляла собой большой станковый арбалет на колёсном лафете; приспособлена для стрельбы как стрелами, так и каменными или свинцовыми пулями). Более тяжелой машиной для метания стрел была бриколь — в ней использовалась упругость дерева (метательная машина средних веков, применявшаяся для прицельного бросания тяжелых стрел, укладываемых в желобе на вертикальной стойке. Бриколь бросала стрелы на 1300 шагов, а на дистанция 300 шагов ее металлические стрелы пробивали бревно толщиной 15 см.

Переход к огнестрельному оружию поставил перед механиками новые задачи: улучшение техники изготовления стволов, обеспечение их прочности и точности стрельбы. Само открытие пороха — нового источника энергии дискретного действия явилось, по-видимому, результатом деятельности техников разных стран.

Огнестрельное оружие попадает на Русь, сперва с Запада, а затем и с Востока. Соответственно образуются и военные термины «гарматы» и «тюфяки».

Тюфя́к (из др.-вост.-тюрк. tüfäk, тур. tüfenk, tüfäk — «трубка, ружьё, арбалет») — один из ранних типов огнестрельного оружия. Термин имеет восточное происхождение и на западе не известен, однако подобное оружие применялось не только на Востоке, но и в Европе. Первое упоминание о тюфяках, наряду с пушками, относится к обороне Москвы от войск Тохтамыша в 1382 году и является наиболее ранним свидетельством о применении огнестрельного оружия на Руси. С этого времени и до XVII века они применялись в качестве городской артиллерии. Они имели ствол конической формы для веерного разлёта дроба. Стволы тюфяков, изготовленных около 1610 года в Соловецком монастыре, в длину достигают 92—107 см, а их диаметр у дульного среза — 22—30 см.

Одним из самых выдающихся изобретателей эпохи Возрождения был Леонардо да Винчи — художник, архитектор, инженер, механик-практик и экспериментатор, хотя многие из его экспериментов были выполнены лишь на бумаге. Правда, его рукописи долгие годы лежали под спудом, и лишь в конце прошлого века началась их публикация, но все же они не остались в стороне от главного пути технического прогресса. У Леонардо было много учеников, знакомых с его идеями и сотрудничавших с ним. А если обратиться к публикациям XVI в. по технике, то сразу станет видно, что многие авторы были знакомы с проектами и идеями Леонардо.

Изобретательский гений Леонардо был подкреплен обширными техническими знаниями. Он как бы сразу, во всех ее составляющих видел будущую машину. Он знал практически все разновидности зубчатых зацеплений, кулачковые, гидравлические и винтовые механизмы, передачи с гибкими звеньями… Он изобрел несколько типов экскаваторов и продумал организацию земляных работ одновременно на нескольких горизонтах. Он изобрел несколько гидравлических машин, в том числе тангенциальную турбину, прядильный и волочильный станки, станок для насечки напильников, приспособления для нарезки винтов, прокатный стан, станок для свивки канатов. Некоторые из его изобретений настолько опередили свое время, что остались недоступными для техники той эпохи. Сюда можно отнести центробежный насос, гидравлический пресс, огнестрельное нарезное оружие.

В начале XVIII в. появляются машины, которые заменяют не только физическую силу человека, но и его мастерство, его умение. Это не означало, что они вытеснили первую группу машин: простейшие механизмы продолжали совершенствоваться, причем под влиянием и с помощью машин второго типа все убыстряющимися темпами, но машины нового типа стали ведущими в развитии производства.

В 1765 г. появляется прядильная машина периодического действия под названием «Дженни», построенная Джеймсом Харгивсом, в 1767 г. — ватерная машина Ричарда Аркрайта.

В 1785 г. деревенский священник Эдмунд Картрайт взял патент на механический ткацкий станок.

Первая универсальная паровая машина была создана механиком Колывано-Воскресенских заводов Иваном Ивановичем Ползуновым. В апреле 1763 г. он разработал проект паровой машины, пригодной для привода машин (250 – летие паровой машины!)

Удалось создать универсальный промышленный двигатель английскому изобретателю Джеймсу Уатту, который подошел к своей задаче, можно сказать, как ученый, начав систематически исследовать свойства водяного пара. Осенью 1763 г. он тщательно ознакомился с моделью машины Томаса Ньюкомена, созданной еще в начале века и служившей в качестве насоса для откачки воды из шахт, и в своей модели учел недостатки этой машины, приводившие к большому перерасходу угля. Кроме того, он придал своей машине универсальность использования.

Зарождалась и наука о машинах — машиноведение, если применить современный термин. Впервые указал на то, что основное для машин — это движение, живший в России великий математик Леонард Эйлер. Позже французский геометр Гаспар Монж показал, что машина состоит из механизмов, которые он назвал элементарными машинами. В 1808 г. инженер Августин Бетанкур и математик Хосе-Мария Ланц написали первый учебник по курсу построения машин, в котором развили идеи предшественников. А в 1841 г. английский ученый Роберт Виллис определил понятие механизма.

Итак, оказалось, что машины состоят из механизмов. В первом учебнике по механике были учтены пока только 134 различных механизма, хотя число их на начало XIX в. было больше, но не превышало 200, из которых около половины было изобретено в XVIII в. Для сравнения укажем, что Иван Иванович Артоболевский в своем знаменитом справочнике «Механизмы в современной технике», получившем поистине мировое распространение, учел на конец третьей четверти XX в. 4746 механизмов. Получается, что за 170 лет (с 1800 по 1970 г.) количество механизмов возросло почти в 24 раза, в то время как с XVII по XIX в. оно всего лишь удвоилось.

Структура машин и механизмов в 30—40-е годы претерпевает некоторые изменения: в качестве структурных элементов в их состав, кроме жестких и гибких элементов, начинают входить жидкие, газообразные, электромагнитные, а затем и электронные элементы.

Машины начали овладевать еще одной функцией, свойственной человеку: они начали выполнять некоторые логические операции.

В целом можно так сформулировать основные этапы эволюции машин:

1) от времени изобретения первых механизмов до конца первой трети XVIII в. — машина заменяет физическую силу человека, ее составляют двигатель, передача, рабочий орган;

2) с середины XVIII в. до середины XX в.— машина заменяет физическую силу человека и его умение; в ее состав начинают входить элементы регулирования и управления;

3) с середины XX в. до настоящего времени — машина заменяет физическую силу человека, его умение и некоторые его физиологические и психические функции; в ее структуру входят элементы регулирования, управления, искусстве