Специфика технических наук

Фундаментальные и прикладные исследования в технических науках: понятие технической теории

Классические технические науки, как известно, генетически тесно связаны с естественными науками. Они испытывают влияние последних и в процессе своего функционирования, получая от них исходные теоретические представления: идеальные объекты и понятия, способы математических описаний, а также сами идеалы научности. В то же время в технических науках все эти взаимосвязанные в новую техническую теорию элементы существенно трансформируются, в результате чего формируется новый тип организации теоретических знаний. Вот почему с полным правом можно утверждать, что и технические науки, в свою очередь, стимулируют развитие естествознания, ставя перед ним новые проблемы и темы для исследования.

Особенность научно-технических дисциплин состоит в том, что в них инженерная деятельность часто не только дополняет экспериментальную, но и выполняет функцию эксперимента, заменяя его. Именно в инженерной деятельности проверяется адекватность теоретических выводов и выявляется новый эмпирический материал для исследования. Таким образом, научно-технические дисциплины должны доводить теоретические знания до уровня практических инженерных рекомендаций. Специфика технической теории выражается не столько в использовании ее выводов для объяснения протекающих в технических устройствах природных процессов или даже необходимости доказательства применимости ее результатов на практике, сколько в их регулярном практическом использовании для создания этих технических устройств.

Мнение эксперта

Сергей Алексеевич Христианович (1908—2000), исследуя движение грунтовых вод через крупнозернистые пески или щебень, показал, что в данном случае естественнонаучный закон, устанавливающий соотношение между уклоном и скоростью фильтрации однородной несжимаемой жидкости, становится неверным, поскольку в нем не учитывается целый ряд важных для решения практических инженерных задач факторов. Чтобы заново решить поставленную задачу, т. е. вывести уравнения движения грунтовых вод, российский ученый строит новый идеальный объект, учитывающий полученные в инженерной практике данные: «Пусть фильтрация происходит через грунт, заключенный в трубке настолько тонкой, что в плоскости ее поперечного сечения напор можно считать постоянным». Причем рассматривается идеализированный «случай однородного грунта, изотропного в отношении фильтрационных свойств». Для дальнейшего решения сформулированной таким образом теоретически проблемы привлекаются данные технически подготовленного идеализированного эксперимента: «Закон фильтрации для такого грунта, т. е. зависимость между падением напора и расходом или скоростью фильтрации, может быть установлен, например, из опытов над фильтрацией через образцы, заключенные в трубках». Далее Христианович от теоретически созданного идеального объекта переходит к исследованию грунтовых вод в земляном массиве, т. е. к реальным условиям^[1].

В технических науках проводятся специальные теоретические (или специфические фундаментальные) исследования, анализ которых становится одной из важных задач современной методологии и истории науки. Вот почему так важно провести различение теоретического и эмпирического уровней знания.

Эмпирический уровень технической теории включает в себя знания:

• а) практико-методические, связанные с деятельностью субъекта по созданию определенного продукта;
• б) технологические, представляющие собой знания о взаимодействии преобразуемого объекта и используемых для этого орудий труда, т. е. в широком смысле о методах создания артефактов и принципах их применения;
• в) конструктивно-технические, отражающие структурные и функциональные особенности различных конструктивных элементов технического устройства.

Теоретический уровень технических знаний зависит от развития собственно технической теории. В структуре технической теории можно выделить три типа теоретических схем:

• 1) функциональные, имеющие целью математическое описание;
• 2) процессуальные, которые выделяют в техническом устройстве протекающие в нем естественные (в особенности физические) процессы, т. е. процессы функционирования;
• 3) структурные, представляющие собой параметры и расчеты конструкции, т. е. структуры данного устройства.

В процессе становления технической теории функциональные схемы возникают на основе исходных теоретических моделей математики, а процессуальные схемы строятся на базе представлений соответствующей базовой естественнонаучной теории.

Формирование технической теории, как правило, происходит следующим образом. Вначале возникает инженерная задача создания технического устройства определенного типа, которая на первых предстает в виде определенной структурной схемы, а затем преобразуется в картину естественного физического процесса, отражающую функционирование данного устройства. Инженерная задача переформулируется в научную проблему, а потом в математическую задачу, решаемую дедуктивным путем. Этот путь (снизу вверх) называется анализом схем, а противоположный ему — синтезом схем. Он позволяет на базе уже имеющихся конструктивных элементов, точнее, соответствующих им идеальных объектов, синтезировать новое техническое устройство (вернее, его идеальную модель или теоретическую схему) по определенным правилам дедуктивного преобразования, рассчитать его основные параметры и проимитировать его функционирование. Выработанное на основе идеальной модели решение затем последовательно переносится на уровень инженерной практики. Главная задача технической теории состоит в разработке разных типов структурных схем для различных (всевозможных) требований и условий. Тем самым заранее теоретически обеспечивается создание соответствующих технических устройств.

Математические модели выполняют в технической теории различные функции, прежде всего, например, инженерных расчетов. В развитой технической теории такие модели используются для анализа и синтеза теоретических схем. Применение математических методов для верификации идеальных объектов служит саморазвитию технической теории. С помощью манипуляции математическими параметрами получают новые знания о процессах, протекающих в технических устройствах, без обращения к инженерной практике, хотя математические методы в ходе их применение сами претерпевают определенные изменения, приспосабливаясь к решению специфических научно-технических задач. Именно таким образом, в частности, возникло операционное исчисление, первоначально развитое для решения практических инженерных задач и получившее свою совершенную логическую форму значительно позже.

Применение математики в рамках проведения инженерных расчетов требует определенной идеализации технических систем. Исследователь — представитель технической науки — работает одновременно с теоретическими схемами как физической, так и технической теории, а также с математическими моделями, которые интерпретируются, с одной стороны, с точки зрения их физического смысла, а с другой — с позиций содержания инженерной деятельности. Собственная деятельность исследователя заключается в поиске научного обоснования для средств идеального описания стоящих перед ним познавательных задач, которые выявляются в процессе инженерной деятельности. При этом подобная идеализация строится таким образом, чтобы были возможны переходы между слоями теоретических схем, которые в качестве конечного результата предполагают использование их в расчетах проектировщиков новой техники.

Пример

Последовательную универсальную теоретическую схему для исследования различного рода механизмов разработал российский машиновед Леонид Владимирович Ассур (1878—1920), исходя из единых принципов их структурной классификации. Такая схема давала возможность не только распределять механизмы на группы по общим признакам, но и применять общие методы решения задач. Некоторые из них были разработаны самим Ассуром, например методы «особых точек», «ложных картин скоростей» и т. п., а методы, разработанные другими учеными и инженерами, он включил в контекст своей классификации. Эти методы заключались в установлении четкого соответствия между геометрическими представлениями механизма (функциональными схемами) и его кинематическими (поточными) схемами. Тогда с помощью некоторых дополнительных графических построений (построения годографов скоростей и ускорений), а также решения некоторых систем уравнений удается определить опасные значения напряжений и методами теории механизмов и машин изменить в нужном направлении создавшееся положение. Иными словами, инженерная задача разработки надежного, прочного и длительно действующего механизма сводится к научной проблеме исследования давлений в парах механизма с целью определения напряжений в его звеньях, что в контексте физического представления означает определить силы, действующие на его звенья. При этом сам механизм рассматривается как некоторое физическое тело в естественном, а не искусственном модусе рассмотрения. Далее, модифицируя эту научную проблему в математическую задачу, необходимо представить механизм и его движения уже не как движения физического тела, а как ряд геометрических фигур, каждая из которых соответствует определенному положению элементов механизма. Причем эти элементы рассматриваются теперь в виде математических точек, а действующие на них силы — в виде векторов^[2].

Итак, современные научно-технические дисциплины больше невозможно рассматривать лишь как прикладные области соответствующих естественных наук, ибо в них построены собственные — технические — теории.

• [1] См.: Христианович С. А. Механика сплошной среды. М.: Наука, 1981. С. 302—303.
• [2] См.: Артоболевский И. И., Боголюбов А. Н. Леонид Владимирович Ассур (1878—1920). М.: Наука, 1971. С. 125—130; Добровольский В. В., Артоболевский И. И. Структура и классификация механизмов. М.; Л., 1935. С. 65.