Методы познания технических объектов

Методы познания технических наук соответствуют общенаучным стереотипам. И, тем не менее, для методов технических наук характерны определенные особенности. Например, особое значение придается системному анализу и методам моделирования.

На предварительном этапе решения технических задач по разработке того или иного технического объекта проводится анализ явлений или процессов, лежащих в основе конструируемого объекта. Методы проведения анализа технического объекта основываются на принципах с истемного подхода. Системный подход требует рассматривать изучаемый объект в связи с другими объектами и явлениями, учитывать характер взаимосвязей его элементов. В его рамках познавательный процесс нацелен на выявление качественного своеобразия системы по отношению к своим элементам. Однако, хотя свойства системы в целом не могут быть сведены к свойствам элементов, они могут быть объяснены в своем происхождении, в своем внутреннем механизме, в способах своего функционирования на основе учета свойств элементов системы и характера их взаимосвязи и взаимообусловленности. В этом заключается методологическая суть системного подхода.

Технические объекты рассматриваются как элементы или системы, взаимодействующие с другими элементами или системами. Элементы, к примеру, станка являются подсистемой его целостности; станок выступает подсистемой целостного технологического процесса, а тот, в свою очередь, рассматривается как подсистема целостного межтехнологического процесса; и т.д.

Метод декомпозиции применяется для решения сложной технической задачи и сводится к расчлененению системы на подсистемы или даже на элементы с целью их детального исследования с последующим их сиснтезом. Например, ракета–носитель как сложная техническая система расчленяется на блоки, которые в свою очередь делятся на отсеки, имеющие законченное конструктивное и функциональное назначение. Каждый отсек (топливный, переходный, отсек двигательной установки) подвергается аналитической проработке, а для каждого его элемента проводятся тепловые, прочностные и другие расчеты [4, С. 41].

Метод моделирования имеет наибольшее значение в силу специфики конструирования технических объектов. Моделирование — это метод замещения реального объекта (или процесса) естественной (или искусственной системой), способной дать о нем адекватную информацию. Результаты моделирования интерпретируются применительно к реальному объекту. Моделирование в техникознании носит более конкретный характер по сравнению с применением соответствующих методов в естествознании.

В техническом познании, как уже отмечалось, зачастую отсутствует реальный объект. В этом случае моделирование можно рассматривать не только как процесс познания объекта, но и как процесс его создания. В целом цикл моделирования включает в себя ряд этапов: процедуру создания модели технического объекта, исследование модели, преобразование модели, переход от модели к техническому объекту.

В зависимости от характера используемых в научном исследовании моделей различают несколько типов моделирования: мысленное (идеальное), физическое, математическое. В технических исследованиях особое значение имеют два последних типа моделирования.

Физическое моделирование характеризуется физическим подобием между моделью и оригиналом и имеет целью воспроизведение в модели процессов, свойственных оригиналу. По результатам исследования тех или иных физических свойств модели судят о явлениях, происходящих (или могущих произойти) в так называемых «натуральных условиях». Пренебрежение результатами таких модельных исследований может иметь тяжелые последствия. Поучительным примером этого является вошедшая в историю гибель английского корабля-броненосца «Кэптэн», построенного в 1870 г. Исследования известного ученого кораблестроителя В. Рида, проведенного на модели корабля, выявили серьезные дефекты в его конструкции. Но заявление ученого, обоснованное опытом с «игрушечной моделью», не было принято во внимание английским Адмиралтейством. В результате при выходе в море «Кэптэн» перевернулся, что повлекло за собой гибель более 500 моряков.

Физическое моделирование незаменимо в тех сферах, где другая форма моделирования просто невозможна; скажем, моделирование поведения технических систем в условиях космического полета. В настоящее время физическое моделирование широко применяется для разработки и экспериментального изучения различных технических систем (например, аэродинамические свойства самолетов, исследуются на их моделях, обдуваемых воздушным потоком в аэродинамической трубе, и т.д.).

Идеализация — следующий метод, чьи гносеологические возможности также широко используются в технических науках. Идеализация — особый вид абстрагирования, мысленное создание объектов, принципиально не осуществимых в действительности; или мысленное внесение определенных изменений в изучаемый объект в соответствии с целями исследований, путем наделения его какими-то особыми свойствами, в реальной действительности неосуществимыми. Напр., абсолютно черное тело, идеальный газ, материальная точка, идеальная паровая машина и т.п. данные объекты представляют собой некоторые предельные случаи, служат средством анализа и построения теоретических представлений о них. Ее применяют в тех случаях, когда необходимо исключить некоторые свойства, связи исследуемого объекта, без которых он существовать не может, но которые затемняют существо протекающих в нем процессов. Сложный объект представляется как бы в «очищенном» виде, что облегчает его изучение. На эту способность идеализации обратил внимание Ф. Энгельс, который показал ее на примере исследования, проведенного С. Карно: «Он изучил паровую машину, проанализировал ее, нашел, что в ней основной процесс не выступает в чистом виде, а заслонен всякого рода побочными процессами, устранил эти безразличные для главного процесса побочные обстоятельства и сконструировал идеальную паровую машину, которую, правда, так же нельзя осуществить, как нельзя, например, осуществить геометрическую линию или геометрическую плоскость, но которая оказывает, по-своему, такие же услуги, как эти математические абстракции: она представляет рассматриваемый процесс в чистом, независимом, неискаженном виде» [5, с. 543-544].

 

Специфика технической теории, понятие “технического объекта”. Техническая теория — система обобщенного знания о технических объектах и их системах. Техническая теория ориентирована не на объяснение и предсказание хода естественных процессов, а на конструирование технико-технологических систем. Техническая теория должна учитывать специфику механизма конструируемой технической системы, ее основные составляющие, а также процессы, обеспечиваемые данным механизмом.

Процесс формирования технической теории связан с переходом от идеальных естественнонаучных объектов (и, соответственно, понятий) к собственно идеальным техническим объектам (и понятиям). К примеру, формирование основных понятий фундаментальной технической науки — теории механизмов и машин (понятия «машина», «механизм» и др.) связано с переходом от понятий твердого тела к понятиям теоретической механики. Определенные разделы естествознания выступают в качестве предпосылок формирования соответствующих технических. При этом каждая техническая наука, как правило, детерминирована «своей» базовой естественнонаучной дисциплиной. Так, теоретическая механика является базовой для теории механизмов и машин, термодинамика — теплотехники, теоретические основы электротехники — системы электротехнических дисциплин и т.п.

Реализация технической теории зависит, по крайней мере, от трех факторов: во-первых, от степени технологичности технического знания — возможности его воплощения в соответствующих объектах или процессах; во-вторых, от экономичности технических решений; в-третьих, от социальной востребованности результатов инженерной деятельности.

Как правило, любая техническая теория начинается с определения технического объекта. Понятие «технический объект» выполняет важную функцию в теоретическом и методологическом анализе техники и технических наук.

Технический объект — это то, на что направлена техническая практика; это — преобразованная природа, используемая в качестве технического средства, материала или технологического метода. Объект технического знания не «дан», а «задан», т.к. его еще следует сконструировать, создать. Особенность технического объекта, как мы уже отмечали выше, заключается в том, что он представляет собой двойственную «естественно-искусственную» систему. Он одновременно является и природным, подчиняющийся естественным закономерностям предметом, и вещью искусственно создаваемой человеком в целях удовлетворения определенных практических потребностей. Иными словами, технический объект воплощается в новую материальную конструкцию на основе синтеза, сочетании естественных закономерностей и законов, выведенных инженером-техником.

У технического объекта можно выделить три стороны:

а) компоненты, из которых он состоит;

б) процессы, которые совершаются во взаимодействии компонентов;

в) функциональная полезность, обеспечивающая достижение цели.

Например, в теории механизмов и машин техническими объектами являются различные типы звеньев, передач, цепей, механизмов. Они сконструированы с помощью фиксированного набора типовых элементов и заданного набора процедур, операций их сборки.

Специфика технической теории, как было отмечено выше, состоит в том, что она ориентирована на конструирование технических систем. Естественнонаучные знания и законы должны быть значительно уточнены и модифицированы в технической теории, чтобы стать применимыми к решению практических инженерных задач. В этом и состоит одна из функций технической теории. Чтобы довести теоретические знания до уровня практических инженерных рекомендаций, в технической теории разрабатываются особые правила, устанавливающие соответствие между сферой абстрактных объектов технической теории и конструктивными элементами реальных технических систем, и операции перенесения теоретических результатов в область инженерной практики.

Существенной особенностью технической теории является применение математических методов. Структуры механизмов можно рассматривать как задачи, решаемые на основе математических методов, прежде всего теории графов.

Эмпирическое и теоретическое в технической теории. Эмпирический уровень технической теории образуют конструктивно-технические и технологические знания. Они являются результатом обобщения практического опыта при проектировании, изготовлении, отладке и т.д. технических систем. Конструктивно-технические знания — описание строения (или конструкции) технических систем. Технические системы представляют собой совокупность элементов, имеющих определенную форму, свойства и способ соединения. Сюда же входят знания о технических процессах и параметрах функционирования этих систем.

Технологические знания фиксируют методы создания технических систем и принципы их использования.

Практико-методические знания — рекомендации по применению научных знаний, полученных в технической теории, в практике инженерного проектирования.

Теоретический уровень научно-технического знания включает в себя три основных слоя теоретических схем:функциональные, поточные, структурные. В теоретических схемах технической науки задается образ исследуемой и проектируемой технической системы.

Функциональная схема фиксирует общее представление о технической системе независимо от способа ее реализации. Она есть результат идеализации технической системы на основе принципов определенной технической теории. Содержание данного уровня теоретической схемы составляет совокупность функциональных свойств технической системы, представленных в виде определенных математических зависимостей. В функциональной схеме строится алгоритм функционирования технической системы и выбирается ее конфигурация (внутренняя структура). Она всегда привязана к определенному типу физического процесса (т.е. к определенному режиму функционирования технического устройства) и всегда могут быть отождествлены с какой-либо математической схемой или уравнением. Функциональные схемы, например, в теории электрических цепей представляют собой графическую форму описания состояния электрической цепи. Функциональная схема, таким образом, ориентирована на математическое описание объекта или процесса.

Поточная (или динамичная) схема или схема функционирования описывает естественные процессы, протекающие в технической системе и связывающие ее элементы в единое целое. Блоки таких схем отражают различные действия, выполняемые над естественным процессом элементами технической системы в ходе ее функционирования. Она отображает любые потоки вещества, энергии, информации; физические процессы (электрические, механические, гидравлические), химические, и даже биологические (в связи с развитием биотехнологий).

Структурная схема технической системы дает конструктивные параметры и инженерные расчеты технического объекта. Она фиксирует те узловые точки, на которые замыкаются потоки (процессы функционирования). Это могут быть единицы оборудования, детали или даже целые технические комплексы, представляющие собой конструктивные элементы различного уровня, которые могут отличаться по принципу действия, техническому исполнению и т.д. Структурная схема фиксирует конструктивное расположение элементов и связей (т.е. структуру) данной технической системы и уже предполагает определенный способ ее реализации. При этом следует отличать структурную теоретическую схему от различного рода изображений реальных, встречающихся в инженерной деятельности схем, например, монтажных схем, описывающих конкретную структуру технической системы и служащих руководством для ее сборки на производстве.

Таким образом, в технической теории на материале одной и той же технической системы строится несколько теоретических схем. В каждой из них используются разные абстрактные объекты и средства оперирования с ними, решаются особые задачи. В то же время их четкая адекватность друг другу и структуре реальной технической системы позволяет “транспортировать” полученные решения с одного уровня на другой, а также в сферу инженерной деятельности.

Все отмеченные уровни теоретической схемы теоретическим наброском будущей технической системы. При этом следует учитывать ее пространственные параметры. В противном случае может оказаться, что построенный механизм не будет выполнять свои функции. К примеру, кровошип — ведущее звено многих механизмов, должен иметь возможность сделать полный пространственный оборот вокруг базисного шарнира. Поэтому размеры звеньев механизма должны находиться в определенных пропорциях и пределах.

Развитие технической теории способствует формированию и уточнению технической картины мира. Речь идет о выявлении системы законов, категорий и принципов, дающих обобщенное представление об объектах техники и технических процессах.

Системотехника и ее отличие от традиционного научно-технического знания. Во второй половине ХХ в. изменяется не только объект инженерной деятельности (вместо отдельного технического устройства, механизма, машины и т.п. объектом исследования и проектирования становится сложная человеко-машинная система), но и изменяется сама инженерная деятельность, в процессе которой все чаще решаются нетрадиционные задачи, требующие нового технического знания. Это новое знание продуцировалось в рамках системотехники. Системотехника — это научное направление, возникшее во второй половине прошлого столетия, охватывающее проектирование, создание, испытание и эксплуатацию сложных систем. Для того, чтобы лучше понять значение системотехники и ее отличие от традиционного научно-технического знания, необходимо перечислить задачи, которые в ней решаются:

1. подготовка информации для принятия руководством научно обоснованных решений по управлению процессом создания сложной системы;

2. формулировка общей программы разработок как основы для взаимной увязки проектов отдельных систем;

3. стыковка проектных задач и координация специалистов, решающих эти задачи;

4. обеспечение интеграции системы в единое целое;

5. обеспечение в процессе разработки системы наилучшего использования ресурсов при одновременном достижении проектных целей возможно более эффективным способом;

6. согласование планов частных проектов с общим направлением работы, выявление существующих и прогнозирование будущих потребностей;

7. внедрение в практику проектирования последних научных и инженерных разработок.

Необходимость в системотехнике впервые появилась тогда, когда выяснилось, что отдельные, даже хорошо работающие компоненты не обязательно составляют хорошо функционирующую систему. В сложной системе часто оказывается, что даже если отдельные компоненты удовлетворяют всем необходимым требованиям, система как целое работать не будет.

Для иллюстрации этой ситуации приведем пример проектирования самолета или ракеты специалистами разного профиля. Если рассматривать данную систему с точки зрения специалиста по двигателям, то, например, для электронного оборудования в ней совсем не останется места. Проектировщик фузеляжа будет заботиться только об оптимальной конфигурации самолета, пренебрегая, скажем удобством расположения радиолокационных антенн. Специалист по радиоэлектронике нашпигует его всевозможными устройствами, не заботясь о предельном весе и конфигурации самолета. Инженер-психолог потребует массу удобств для летчика, совершенно не считаясь со сметой. Бухгалтер сведет до минимума затраты... и самолет никогда не поднимется в воздух. Вот как раз для того, чтобы связать различные частные оптимумы, цели и критерии отдельных специалистов, и нужен инженер-системотехник.

Поскольку одной из задач системотехники является координация всех работ, начиная от исследования и кончая эксплуатацией системы в целом, инженер-системотехник должен сочетать в себе талант ученого с искусством конструктора и деловыми качествами администратора. Он должен уметь объединять специалистов различного профиля для совместной работы. А для этого ему необходимо разбираться во многих вопросах, чтобы понимать специалистов. Если имеющихся у него знаний недостаточно, то системотехник должен в короткие сроки изучить предмет и ориентироваться в нем наравне с другими специалистами. Однако в отличие от узких специалистов, занятых деталями, он отвечает за общую постановку проблемы и оценку результатов работы и в этом смысле он является универсалистом. В то же время он не должен быть дилетантом.

Системотехническая деятельность расчленяется в соответствии со структурой технической системы на следующие этапы:

— макропроектирование (или внешнее проектирование);

— микропроектирование (или внутреннее проектирование);

— проектирование окружающей среды;

— разбивка системы на подсистемы (т.е. разделение и распределение функций);

— проектирование подсистем;

— изучение их взаимодействия и интеграция системы.

Второй способ описания системотехнической деятельности заключается в выделении в ней последовательности фаз и операций. Описание системотехнической деятельности как последовательности фаз и операций соответствует ее разбивке с точки зрения временной организации работ, параллельной и последовательной связи между ними. Это представление системотехнической деятельности используется главным образом для установления алгоритма разработки системы (для синхронной организации и установления последовательности операций). Системотехническая деятельность распадается на следующие шесть фаз: 1) предпроектная стадия — подготовка технического задания (иначе аванпроекта); 2) разработка эскизного проекта; 3) изготовление; 4) внедрение; 5) эксплуатация; 6) оценка.

Иногда добавляется еще одна фаза — “ликвидация”, или “уничтожение” системы, что в современных условиях является весьма сложной задачей из-за возможных экологических последствий этого процесса. На каждой фазе системотехнической деятельности выполняется одна и та же последовательность операций. Она включает в себя анализ проблемной ситуации, синтез решений, оценку и выбор альтернатив, моделирование, корректировку и реализацию решений.

Вопросы для самоконтроля:

1. Какие выделяются этапы в становлении технических наук?

2. Чем был обусловлен «взрыв» развития технических наук в ХIХ — ХХ вв.?

3. Назовите специфические признаки технических наук.

4. Что такое техническая теория? Как она связана с естественнонаучной теорией?

5.Чем обусловлена интеграция технического знания с науками общественного характера?

6. Назовите основные уровни теоретических схем технической теории.

7. В чем заключается отличие системотехники от традиционного научно-технического знания?

Темы для рефератов, докладов и сообщений:

1. Техника и наука: эволюция взаимоотношений.

2. Методология познания технических объектов.

3. Техническая теория: сущность, специфика и уровни.

4. Пути интеграции технического и социогуманитарного знания.

5. Техника и искусство.