История и философия науки античности

Технические науки сложились в исторически определенное время в конкретно — исторических условиях.

Историю механики, как науки о машинах и механизмах можно начинать с очень глубокой древности. Уже в эпоху неолита и бронзового века появляется колесо, несколько позже начинают применяться колесо и наклонная плоскость. Народы, создавшие великие цивилизации в бассейнах Нила, Тигра и Евфрата были хорошо знакомы с такими механическими орудиями, как рычаг и клин, однако до нас не дошел ни один древнеегипетский или вавилонский тексты с описанием действия подобных машин.

Фундаментом, на котором выросло научное знание вообще, и, в частности, технические науки, является предметно — практическая деятельность людей. Техника, технические средства — суть ее элементы, функционирующие в различных формах практической деятельности и, в наибольшей степени, в материальном производстве. Будучи частью совокупного знания, обслуживающего производство, технические науки нацелены, главным образом, на разработку технических средств и технологических процессов. Но возникли технические науки далеко не одновременно с появлением технических средств труда. Переход от практическо — методических к конструктивно — техническим знаниям вызывался потребностями производства и был обусловлен всем тем материальным и духовным потенциалом, которым располагали способ производства и общество в целом. Чем выше уровень исторического развития общества, тем большими возможностями оно располагает для обеспечения необходимых условий формирования соответствующих этому уровню технических знаний. Они формировались в ходе разложения процесса получения продукта на ряд последовательных изменений (частичных преобразований) и одновременного вычленения тех или иных технологических операций, позволяющих осуществить соответствующие изменения. Различение технологических операций позволило концентрировать внимание субъекта, прежде всего на объективных моментах производства, фиксации совокупности технологических операций, обеспечивающих получение продукта. Развитие средств и способов осуществления технологических операций — одна из важнейших причин возникновения машин.

1. Постановка вопроса

Исходя из вышеизложенного, нетрудно понять, почему в формировании нового подхода к изучению объектов в сфере практической деятельности, важнейшая роль принадлежит механике, ранее всех других отраслей сложившихся в естественную науку и имевшей значительные теоретические и практические достижения в механизмах для ирригации, переноса тяжестей, судостроения, а так же для создания совершенствования военных устройств. В прошлом, из всех наук механика наиболее тесно была связана с техникой: она раньше других наук разделилась на теоретическую и прикладную. Однако в древности естественно — научные знания не получили широкого технического применения в производственных целях. Возможности развития самого естествознания ограничивались теми требованиями, которые предъявлял к нему рабовладельческий способ производства.

Переходим непосредственно к рассмотрению сути вопроса.

2. Персоналии

Честь заложения основ современной науки принадлежит греческим ученым; их дело продолжили ученые эллинистических стран. Элементы рассуждений из области механики у древнегреческих философов одновременны с зачатками науки вообще. Первый из философов, о котором имеются исторические сведения Фалес Милетский жил в начале VI в. до н. э. Он был военным инженером и гидротехником, а, следовательно, не сторонился ремесла. Он познакомил греков с познаниями египтян и вавилонян; у него есть рассуждения о сущности движения. В этом же направлении размышляли Гераклит Эфесский (начало V в. до н. э.), Зенон Элейский (510 — 440 гг. до н. э.), Демокрит Абдерский (470 — начало IV в. до н. э.). Однако механика как наука ведет свое начало от великого ученого и философа Аристотеля (384 — 322 гг. до н. э.). Аристотель исследует понятие движения, к которому относит и качественное изменение. Первопричиной движения он считает силу (или мощность) не определяя этого понятия. Аристотелю приписывалось авторство первого из дошедших до нас сочинения с теоретическими и прикладными задачами — «Механические проблемы», но это вероятнее всего, труд его последователей из философской школы «Ликей». Трактат этот состоит из 36 глав и содержит перечисление и описание ряда механизмов: рычага, колодезного журавля с противовесом, равноплечих весов, неравноплечих весов — безмена, клещей, клина, топора, кривошипа, вала, колеса, катка, полиспаста, гончарного круга, руля и т. д. Центральная тема трактата — принцип рычага, который автор рассматривает как универсальный принцип статики. Поэтому основным содержанием «Проблем» является описание различных видов рычага, к которым сводятся рассматриваемые механизмы, а большинство глав посвящено применению «правила рычага» и решению разнообразных технических задач.

Евдокс из Книда в Малой Азии (400 — 347 гг. до н. э.) — философ, математик, астроном и врач. Евдокс основал обсерваторию и сделал одну из первых попыток построения теории движения планет, первый дал общую теорию пропорций, теорию «золотого сечения» и метод исчерпания, суть которого состояла в следующем: если шар вписан в многогранное тело и другое многогранное тело вписано в него, то оба тела по мере увеличения их сторон будут бесконечно приближаться к данному шару. Философски этот вопрос осмысливался как бесконечное становление.

Уровень развития техники в военном деле в эллинистический и последующий римский периоды были значительно выше, чем в сельском хозяйстве.

Уже в V в. до н. э. в афинской армии применялись гигантские тараны; для метания больших стрел пользовались катапультами; прототипом пулемета служил полибол для непрерывного метания стрел; баллисты служили для метания каменей, существовали специальные прицельные приборы и приборы для измерения траектории. Более подробные сведения о военной технике можно получить из сочинения архитектора и инженера Марка Витрувия Поллиона (I в. до н. э.). Работали военные машины, как правило, за счет энергии, накапливаемой при закручивании упругого элемента, в качестве которого применялись сухожилия или волосы (большей частью женские). В качестве основания для расчетов катапульт баллист бралась толщина пучка жил, называемая модулем катапульты, или вес снаряда — (qua Libra? — сколько фунтов?) — отсюда пошло понятие калибр оружия. Были также попытки использовать в качестве упругого элемента сжатый воздух.

Особенно развития военная техника достигла во время войн между эллинистическими государствами и между Римом и Карфагеном. Во время одной из войн был убит Архимед — величайший математик и механик в истории человечества. Архимед (287 — 212 гг. до н. э.) родился, жил и погиб в Сиракузах — важнейшей греческой колонии на восточном берегу Сицилии. Он занимался арифметикой и геометрией, вплотную подошел к созданию интегрального исчисления, чем опередил свое время более чем на две тысячи лет, очень много сделал в механике — статике, гидростатике и практической механике. Им было создано много механизмов, в том числе планетарий — прибор, показывавший движение небесных тел, он усовершенствовал зубчатое зацепление, изобрел винт и применил его для подачи воды, а также построил много военных машин.

Уже на самых первых порах научной деятельности механика, по видимому, интересовала Архимеда больше всего, причем, его теоретические обобщения вытекали из рассмотрения прикладных вопросов. Из сочинений Архимеда, посвященных механике, до нас дошли трактат в двух книгах «О равновесии плоских фигур или центрах тяжести плоских фигур», трактат «О плавающих телах» — также в двух книгах и «Эфод или послание к Эрастофену о механических теоремах». Исходя из простейших фактов опыта, Архимед сумел обобщить эмпирический материал, доставляемый техникой, и привести его с помощью математики в научную систему. Так, понятие центра тяжести появилось у Архимеда в итоге практического изучения разделения распределения груза между опорами. О тесной связи методов механики и математики в творчестве Архимеда свидетельствует «Эфод или послание к Эрастофену о механических теоремах» В этом произведении механика рассматривается как средство решения геометрических задач. Правда, Архимед не считал механический метод строгим, он рассматривал его как удобный прием для получения некоторых геометрических результатов, которым после этого надлежит дать строгое геометрическое доказательство.

Другим замечательным трудом Архимеда по механике является его более поздний трактат «О плавающих телах». Существует предположение, что это была вообще его последняя работа.

Согласно легенде, Архимед пришел к открытию основного гидростатического закона случайно, решая задачу о составе короны, которую царь Гиерон заказал сделать из золота, но подрядчик изготовил из сплава золота и серебра.

В действительности, открытие основного закона гидростатики было итогом вековых эмпирических наблюдений к целой цепи теоретических размышлений. Представление о частицах жидкости, выталкиваемых более плотными телами, напоминает теории древних атомистов. У Архимеда также находят более правильную и точную формулировку соображения Аристотеля о равновесии движении тел в различных материальных средах. Так же исследуются вопросы равновесия и устойчивости плавающих тел — основным методом исследования является способ возмущения состояния равновесия.

Некоторые направления творчества Архимеда были продолжены эллинскими геометрами. Приблизительно с III в. до н. э. важнейшим культурным центром Средиземноморья становится Александрия — столица эллинистического Египта, а затем египетской провинции Римской империи. Здесь в стенах музея и библиотеки работали поколения замечательных математиков и механиков, которые продолжили научное творчество Архимеда, а так же многовековой опыт египетских жрецов. Особенную известность получили три александрийских механика — Ктесибий, Филон, Герон.

Ктесибий (300 — 230 гг. до н. э.) был одним из самых замечательных изобретателей, которых знало человечество. Парикмахер по специальности, он самообразованием достиг глубоких понятий и познаний в механике. Он изобрел пожарный насос (причем классическая форма поршневого насоса принадлежит ему же), создал ряд гидравлических и пневматических механизмов, изобрел аэротон — военную машину, в которой роль упругого тела играл сжатый воздух, водяной орган, усовершенствованные водяные часы. Есть сведения, что он написал книгу о своих изобретениях.

Филон Византийский жил, по-видимому, поколением позже Ктесибия, поэтому его следует отнести ко II в. до н. э. Он работал над некоторыми изобретениями, следуя Ктесибию. Он умел изготовлять пружины из бронзы и применял их в своих механизмах — так называемый карданов шарнир. Им был написан труд по механике в 9 книгах — так называемый «Свод Филона» из которого до нас дошли 4_я и 5_я и отрывки из 7_й и 8_й — содержание остальных можно восстановить по соответствующим трудам его ученика Герона Александрийского.

Первая книга, посвященная чистой механике, представляла общее введение; во второй — излагалось учение о рычаге; третья книга была посвящена устройству гаваней, а в четвертой рассматривалась конструкция метательных орудий. Отметим замечания автора, что орудия должны быть красивыми. Пятая и шестая книги были посвящены пневматике и построению автоматов. Седьмая и восьмая книги — о защите и осаде городов. Последняя девятая книга (смесь) трактовала вопросы тайнописи.

Содержание этих книг позволяет узнать интересы и содержание античной техники: военное дело, городское строительство, торговля и забавы — вот, что было основными предметами занятий античного мира. На первом месте стояло военное дело; именно ему были посвящены дошедшие до нас части сочинения Филона. Затем шли книги, посвященные устройству автоматов и пневматических игрушек.

Герон Александрийский (I-II в.в. до н. э.) также написал несколько сочинений по механике. Слава Герона была настолько велика, что книги с его именем имелись даже в византийскую эпоху (некоторые ученые даже предполагали существование Герона младшего).

Основное сочинение Герона по механике, обычно называемое «Механикой Герона» сохранилось только в арабском переводе сирийца Косты Ибн Луки. Кроме того известны: «Книга о подъемных машинах („Барилкон“)», «Пневматика», «Книга о военных машинах», «Театр автоматов». Термин «простые машины» и предположение о том, что все сложные машины состоят из простых, бытовавшее до 18 века связаны с неправильным пониманием Герона, который имел ввиду, на самом деле, именно не простые машины, а простые подъемные приспособления. Он говорит: «Для подъема тяжестей существует только пять приспособлений: ворот; рычаг; полиспаст; клин и винт.» При исследовании действия рычага Герон пользуется понятием момента, заимствованным у Архимеда; он применяет это понятие к другим приспособлениям. Он дает теорию «простых машин» сообщает об их применении к ряду технических задач, о том, как их следует сочетать при подъеме больших грузов, дает численные подсчеты. При работе со сложными механизмами Герон рекомендует несколько увеличивать силы, сравнительно с определенными по расчету, но численно этого увеличения он не оценивает.

В «Театре автоматов» содержится несколько его изобретений: геронов шар — прообраз паровой турбины реактивного действия, геронов фонтан и др. В книге описываются, главным образом, храмовые и театральные автоматы. Как говорит Герон: «представления автоматических театров пользовались в старину большой любовью, во-первых потому что в устройстве их проявилось много механического искусства, а затем и потому, что самое представление было поразительно. Ибо как раз при устройстве автоматов, для различных деталей их, приходится применять все отделы механики». Следовательно, уже во времена Герона автоматы были не новым делом, а так как для их построения нужно иметь познания из области статики, разбираться в механизмах и их деталях, уметь производить вычисления, знать пневматику и гидравлику и уметь работать с гибкими и упругими телами, то приходится придти к заключению, что мы, скорее, склонны недооценивать познания древних, чем переоценивать их.

Для характеристики научного кредо Герона большой интерес представляет глава 33 второй книги его «Механики». Он пишет, что занимающимся механической наукой совершенно необходимо знать причины, действующие в каждом употребляемом движении, как это и сделано при помощи физических доказательств, для каждого вида описываемых машин, чтобы относительно них не было ничего недоказанного или вызывающего сомнение, но чтобы при разборе каждой задачи можно было обнаружить правильность каждого рассуждения.

Тот, кто хочет основательно узнать все причины, необходимо должен применять естественные принципы, один или многие, и связывать с ними все, что он исследует; решение каждого отдельного вопроса дается в основе только тогда, когда отыскана причина, а последней может быть лишь то, что уже известно.

Герон формирует основной закон работы машин: если при пользовании машиной требуется увеличение силы, то в результате происходит замедление, ибо чем менее движущая сила по отношению к движимой тяжести, тем больше потребуется и времени; таким образом, сила к силе и время ко времени находятся в том же самом обратном отношении. Это и есть золотое правило античной механики: что выигрывается в силе, то теряется в скорости, или по другому: отношение движущей силы ко времени является обратным.

Механике посвящена и последняя, восьмая книга «Математического собрания» Паппа Александрийского (III в. до н. э.). Папп приводит в ней различие между механикой — теоретической наукой и механикой — практическим искусством. Сочинение Паппа представляет собой компилятивный труд, в который включены разнородные сведения из различных источников. В книге приведено большое число отрывков из сочинений Архимеда, некоторые теоремы геометрической статики, относящиеся к задачам определения расположения центров тяжести различных фигур, главным образом трапеции и треугольника. Папп рассматривает приложение геометрической статики к конкретным техническим вопросам: например, задачу об определении силы, которую необходимо приложить к грузу, для того, чтобы переместить его вверх по наклонной плоскости, если на горизонтальной плоскости он перемещается данной силой. С другой стороны, в трактат включено описание устройства грузоподъемных машин из «Механики» Герона, однако без изложения принципа их действия.

Сочинения Герона и Паппа доказывают, что александрийские ученые IV—I вв. до н. э. уделяли значительное внимание как теоретическим основам механики (хотя научный уровень их работ был значительно ниже, чем у Архимеда), так и практической механике — конструированию механизмов, оружия и автоматов.

Гиппарх (ок. II в. до н. э.) — древнегреческий ученый, астроном. Разработал теорию и составил таблицы движения Солнца и Луны, а также солнечных затмений (все в геоцентрической системе — идею гелиоцентризма Гиппарх отвергал, как недостаточно обоснованную гипотезу). Описал движение Луны вблизи полнолуния и новолуния, довольно точно оценил расстояние от Луны до Земли. Составил огромный, по тем временам, каталог положений 850 звезд. Сравнивая свои положения звезд с более ранними (III в. до н. э.) открыл явление процессии и довольно точно оценил ее величину, ввел географические координаты.

Птолемей (II в. н. э.). Мировоззренческие установки Птолемея совпадали с таковыми Аристотеля: все сущее состоит из материи, формы и движения. Он жил и работал в Канопе — городе расположенном в 25 километрах к востоку от Александрии. Основное направление его деятельности — география и астрономия, основной труд — «Большое построение» (арабизированное название — «Альмагест» — означающее «Величайшее»). Здесь он излагает суть геоцентрической системы мироздания, «механику небесных сфер». Согласно Птолемею Земля неподвижна и находится в центре небесной сферы. Он ввел термин «золотое сечение» (меньшая часть целого так относится к большей, как большая к целому). А так же он известен как величайший географ и картограф.

К механике эллинистических стран примыкает механика Карфагена и Рима, находившаяся там примерно на одном уровне.

В сочинении по сельскому хозяйству Катона Старшего (234 — 149 гг. до н. э.) содержатся сведения по прессам для выработки оливкового масла и виноградного сока. Катон описывает рычажные прессы; описание последних имеется так же в работе Плиния Старшего (99 — 23 гг. до н. э.).

Связь с диссертацией С тех пор минуло два тысячелетия. Но я тоже в своей диссертации разрабатываю машину для сельского хозяйства. Тема диссертации:

«Повышение эффективности и надежности ударно-центробежного измельчителя фуражного зерна». Более понятно и подробно это: разработка мельницы с центральной загрузкой, уменьшение ее габаритных размеров и металлоемкости конструкции, выбор оптимальных кинематических параметров работы машины: частота вращения ротора с ударными элементами; мощности электродвигателя. Описываются и разрабатываются конструктивные параметры ударных элементов и материал из которого они изготовлены, число ударных элементов на роторе и количество отбойных элементов (отбойников). Производится процесс классификации измельченного зерна-то есть зерно, измельченное до нужных размеров, транспортируется к выходу из мельницы при помощи воздушного потока, а недоизмельченное зерно снова попадает на ударные элементы и измельчается до размеров заданного предела (этот предел устанавливается при помощи ситового анализа). Базовые значения задаются зоотехническими требованиями. В результате проведенных опытов будет описана и построена траектория движения частицы материала, по которой устанавливается закон ее движения. Рассматриваются вопросы, связанные с износом материала бил и отбойников с построением математической картины износа.

Сам собой напрашивается вопрос: при чем же здесь античная механика? А притом, что многие технологические операции, направленные на получение того или иного продукта сформировались еще в производстве первобытнообщинного и рабовладельческого строя. В любой старейшей отрасли (в т.ч. и сельском хозяйстве) главная совокупность технологических операций известна почти с момента возникновения этой отрасли, хотя средства осуществления их кардинально меняются с течением времени. Постепенно в производственных средствах появились конструктивно — технические элементы, которые выполняли функции, принципиально отличающиеся от функций технологических инструментов. Конструктивно — технические элементы не воздействуют непосредственно на объект преобразования в рамках определенной технологии.

Накапливаемые в процессе развития производственной практики конструктивно — технические элементы могут складываться в довольно сложные структуры, выполняющие те или иные функции в технологическом процессе. Среди этих элементов и их совокупностей выделяются типовые структуры, составляющие конструктивно — технический базис соответствующей отрасли производства.

Накопление и комбинирование элементов, подчинявшееся всякий раз задаче повышения эффективности технологических операций, посредством их интенсификации, вытесняло ручные операции и привело со временем к созданию разнообразных машин и возникновению машинного производства. Поэтому К. Маркс описывал развитие техники следующим образом: «Простые орудия, накопление орудий, сложные орудия; приведение в действие сложного орудия одним двигателем — руками человека, приведение этих инструментов в действие силами природы; машина; система машин, имеющая автоматический двигатель — вот ход развития машин».

Поскольку применение различных конструктивно — технических элементов закрепляется производственным опытом, постольку возникает новая составляющая технических знаний, объектами которых являются названные элементы. В таких знаниях фиксируются структурные и функциональные признаки различных конструктивно — технических элементов и способы их применения. Эти знания можно назвать конструктивно — техническими. В содержание их входят сведения о структуре и действии того или иного элемента в их взаимосвязи, а так же типовые способы использования конструктивно — технических элементов.

Конструктивно — технические знания — основа применения в трудовом процессе технических элементов, способствующих передаче устройствам энергетической, транспортной и, в конечном счете, контрольно — управляющей функции человека. Эта деятельность, направленная на создание технических средств труда, функционирующих между человеком и рабочим инструментом, все более отделяет человека от непосредственного участия в технологической операции и освобождает технологический процесс от недостатков, обусловленных человеческой природой.

Выводы и оценки

мыслитель греческий ученый наука Необходимо отметить, что указанная здесь последовательность развития знаний носит не столько хронологический, сколько логический характер. Однако в разные исторические периоды ведущее значение могли иметь те или иные содержательные единицы технического знания. И в этом смысле можно говорить об исторических границах развития тех или иных форм знания. Несомненно, но во всяком случае, что возникновению экспериментальной науки более всего способствовали знания о действии устройств (прежде всего механических), а так же сведения из области технологии. Так что всестороннее развитие этих составляющих технического знания есть необходимая предпосылка к выявлению естественного в предметной практике, появлению экспериментальной науки, а в дальнейшем к научному техническому знанию.

Будущей теоретической механике предстояло объединить в достаточной мере разнообразные части античного научного наследия: во-первых учение о пространстве, времени, движении, материи, целиком принадлежавшее теоретической (философской) традиции; во-вторых математические методы и, наконец, третье направление, античная статика и гидростатика объединило теоретические исследования Архимеда, проведенные со всей строгостью аксиоматического метода древней геометрии и практические правила, объясняющие действие различных механических приспособлений («простых машин»), т. е. техническую механику того времени. Разница в научном уровне обоих элементов этого направления — теоретического и технического — огромна. Можно сказать, что между строгим и изящным методами вычисления площади круга у Архимеда и рецептом Витрувия для вычисления этой площади («помножить половину диаметра на себя и утроить результат») лежит пропасть. Статика и гидростатика Архимеда принадлежат, конечно, теоретической традиции, «техническая механика» древних — ремесленной традиции, традиции архитекторов и военных инженеров.

Уже в эпоху расцвета Римской империи и, тем более, в эпоху ее упадка, в механике все более значительную роль начинает играть ремесленная традиция (в ущерб теоретической). В пользу этого свидетельствуют содержание и направленность трактатов Герона, Паппа, Витрувия, в значительной степени носящих компилятивный характер. Утрачивается интерес к теоретическим построениям и содержание трактатов по механике сводится к набору простейших правил действия «простых машин». После распада Римской империи даже в Византии, на территории которой, в большей степени, чем в любой другой ее части, сохранилось античное научное наследие, была утрачена теоретическая традиция и окончательно возобладала ремесленная. Под «механикой» понималось только архитектурно — строительное и инженерное искусство.

На этом, пожалуй, стоит закончить данный обзор, т. к. начало возрождения теоретического направления относится к VIII—IX вв. и связано с развитием науки в странах Ближнего и Среднего Востока. Именно им мы, в значительной степени, обязаны сохранением античного научного наследия, но это лежит за пределами темы данной работы.