Алексей Боголюбов - Творения рук человеческих (Естественная история машин)

Ученик Н. Е. Жуковского Николай Иванович Мерцалов в 1914 г. предложил метод, при котором нахождение положений ведущего звена механизма по соответствующим максимальной и минимальной его скоростям достигается построением основной диаграммы приращения кинетической энергии и двух диаграмм приращения кинетической энергии от приведенных масс, подсчитанных для крайних значений скорости ведущего звена.

В 1943 г. свой точный метод предложил И. И. Артоболевский: для определения маховых масс строится диаграмма тангенциальных сил, или моментов, из которой находится работа движущих сил за полный цикл, после чего из уравнения «живых сил» получается величина момента инерции махового колеса. Эти исследования показали, какое значение может иметь глубокое количественное и качественное исследование уравнения движения машины. На протяжении ряда лет школа Артоболевского занималась изучением этого уравнения, и были получены в этом отношении весьма существенные результаты, давшие многочисленные выходы в практику.

Еще более важным и перспективным оказался второй способ регулирования хода машин для тех случаев, когда причины, нарушавшие правильность хода, были внешними по отношению к машине. Мы видели, что уже в паровой машине был поставлен центробежный регулятор. История регулятора начинается в XI или XII в., когда на ветряных мельницах начали ставить приспособление, предохраняющее муку от сгорания в случае очень сильного ветра. Регулятор применялся на паровых машинах в XVIII в. В патенте на паровую машину двойного действия был предусмотрен механический центробежный регулятор, управляющий поступлением пара в цилиндр машины. С этого времени, в сущности, и начинается история внедрения автоматического регулирования, которое внесло в структуру машины первый элемент управления. Подобные регуляторы применялись в XVIII в. и даже в начале XIX в.

Но уже к середине прошлого века появились мощные быстроходные паровые машины, характер регулирования хода которых принципиально изменился. В старых машинах были большие маховики и легкие регуляторы со значительным коэффициентом неравномерности, в новых — размеры и вес маховиков уменьшились, а требования к точности регулирования повысились. Но решение этой задачи оказалось непростым: ее пробовали решать путем уменьшения трения, однако это влекло за собой нарушение условий устойчивости. Предполагалось также, что задачу можно решить путем уменьшения коэффициента неравномерности, изменяя конструкцию регулятора в сторону приближения к астатическому регулятору с коэффициентом неравномерности, равным нулю.

Одним из первых пытался решить задачу регулирования английский астроном и изобретатель Джордж Бидделл Эри. Он предложил присоединить к муфте конического регулятора особый водяной катаракт, развивающий силу трения, пропорциональную скорости муфты, что должно ликвидировать вредные колебания регулятора. Однако теории регулятора с катарактом создать ему не удалось.

Знаменитый английский физик, создатель электродинамики Джеймс Клерк Максвелл также рассмотрел ряд задач об устойчивости машины. Развивая теорию малых колеоаний некоторой движущейся системы, он пришел к выводу, что выбор регуляторов астатического типа предпочтительнее. Но это исследование было чисто теоретическим и не дало результатов, нужных для инженеров.

Классическое решение этого вопроса дал русский ученый Иван Алексеевич Вышнегр адский, один из основоположников учения о машинах. Следуя совету своего учителя Михаила Васильевича Остроградского, который рекомендовал всегда объединять теорию с практикой, он получил фундаментальные результаты в теории машин. В области теории регулирования он также подошел к решению этой задачи практически, доказав, что как раз астатический регулятор не пригоден для регулирования. В результате им были сформулированы знаменитые тезисы: «без неравномерности нет регулятора»; «без катаракта нет регулятора».

Благодаря этим исследованиям было не только найдено решение основной задачи теории регулирования, но и выяснено ее место в учении о машинах. Стало ясно, что машина и регулятор представляют собой единое целое и что при переходных режимах возможно самораскачивание всей системы.

Продолжил исследования в области теории автоматического регулирования словацкий инженер и ученый Аурель Стодола. Он изучал и решал задачу непрямого регулирования. В своей работе, посвященной прямому регулированию и опубликованной в конце XIX в., он исследовал регуляторы, в которых осуществляется так называемое воздействие по производной. Сначала он распространил на эти регуляторы теорию Вышнеградского. Затем очень простым приемом он учел влияние сухого трения и тем самым решил нелинейную задачу. Наконец, он точно установил преимущества и недостатки плоских регуляторов, в которых для перестановочного усилия используются как центробежные, так и тангенциальные силы инерции.

Как правило, регулятор является механизмом с двумя степенями свободы. Так, например, если он должен регулировать подачу пара к паровой машине, то при увеличении количества подаваемого пара он срабатывает и частично перекрывает впускное отверстие, тем самым уменьшая это количество.

Мы остановились на работах словацкого инженера. Естественно, что на них исследования в области теории автоматического регулирования  не закончились. В дальнейшем этими проблемами занимались и другие механики. Существенный вклад в теорию регулирования был сделан и французскими учеными.

В настоящее время применяются разнообразные по своей конструкции регуляторы: центробежные, плоские и пространственные, инерционные, регуляторы электрического типа. Принципиально новыми являются регуляторы с вычислительными устройствами, преимущества которых выявились в так называемых самонастраивающихся системах.

«Самоуправление» машины и элементы автоматизации технологического процесса имеют также длительную историю. Если не принимать во внимание различных устройств, использованных при сооружении механических кукол, то эту историю можно было бы начать с изобретения, о котором уже говорилось выше. Сущность этого изобретения заключается в установке перфорированной призмы, через которую проходят иглы, предварительно пропускаемые через отверстия картонных карт. Другим прообразом автоматизации стали составление последовательности требуемых операций в виде циклограммы и конструирование отдельных механизмов, выполняющих технологические операции в соответствии с этой циклограммой. Третьим основополагающим изобретением следует считать создание программ для вычислительной техники, прообраз которых родился еще в первой четверти прошлого века.

Дальнейшим этапом развития машин стало создание механических систем, управляемых ЭВМ. Вне зависимости от того, в какой степени компьютер может выполнять предписанные технологические функции, точность выполнения операций будет продолжать расти. Естественно, что возможны «сбои» в работе искусственного мозга, ведь и человек, выполняющий сложную операцию, может ошибаться, несмотря на то что его мозг является объектом несравненно более мощным, чем любой искусственный интеллект. Однако можно сказать, что работа автоматического устройства как угодно близко подходит к идеальной, и его безошибочное действие весьма вероятно. Ошибка может быть функцией или неучтенных обстоятельств при создании и сооружении автомата, или какой-либо внешней причины, зависящей от ближайшей или отдаленной среды, которая может повлиять и на машину, и на исполняемую ею работу.

Все это опять-таки приближает машину к человеку и заставляет использовать при изучении ее поведения результаты не только физики и механики, но и целого ряда естественных наук, включая даже биологию, с чего, впрочем, и начали творцы кибернетики. 

С первых времен своего становления машины вошли в несколько противоречивые отношения с человеком. Иначе не могло и быть, ведь в основу их создания легли две взаимно исключающие цели: улучшение условий жизни человека и уничтожение его во время военных действий. Исходным объектом в том и другом случае была палка, служившая или как подъемный рычаг, или как «холодное оружие». Более близкими предшественниками машин явились ручная мельница и подобные приспособления, с одной стороны, лук со стрелами и праща — с другой. И наконец, история машин начинается с изобретения водяной мельницы (непрерывного действия) и военных машин (дискретного действия). Может быть, поэтому и на ремесло «механика» смотрели в те времена без особого почтения.

Два направления развития машинной техники проходят рядом, как мы видели, на протяжении многих столетий. Постройкой мирных и военных машин занимались в Древней Греции. В широком диапазоне машинного творчества эпохи Возрождения мы находим на ряду с машинами, предназначенными для удовлетворения тех или иных человеческих потребностей, довольно сложные проекты военных машин. С зарождением промышленности намечается большая специализация, и те и другие машины развиваются самостоятельно, лишь заимствуя друг у друга некоторые механизмы, а изредка и «кадры специалистов». Тогда же в направлении сооружения машин чисто мирного применения возникает новое противоречие: оказывается, что машины мешают людям жить. Так произошло, например, с паровой машиной, предназначенной для самоходного судна. Судно было построено, и первые испытания показали хорошие качества изобретения Дени Папена. Однако против первого в мире парового судна выступили лодочники: они боялись, что механическое судно отнимет у них заработок, и разбили машину вместе с судном. Средств у. изобретателя на сооружение нового судна более не было, и человечество получило пароход лишь через сто лет после первого эксперимента.