История инженерной деятельности

Как ни парадоксально, к концу ХIХ в. интенсивная работа над решением вопросов теоретического естествознания привела к тому, что количество накопленных фактов увеличилось; они появлялись и в физике, и в механике, и в математике. Кроме того, оказалось, что аппарат, который математики предоставляли в распоряжение физиков и механиков, не всегда удовлетворял последних, и им приходилось разрабатывать свой собственный. Так, во второй половине ХIХ в. совместными усилиями физиков, механиков, математиков было создано векторное исчисление, а физиком и инженером Хевисайдом – операционное исчисление. Нужно сказать, что операционное исчисление стало одним из первых направлений прикладной математики конца ХIХ в. Если в XVIII в. под прикладной математикой понималась чуть ли не вся физика и механика с добавлением целого ряда технических направлений, а в ХIХ в. прикладной математикой обычно называли аналитическую механику, то в самом конце ХIХ в. так называют уже различные теории не всегда строго обоснованные, но всегда имевшие практическое применение и несколько позднее изменившие содержание прикладной математики.

Все эти поиски и открытия предопределили начало революции в естествознании, которая произошла на рубеже ХIХ–ХХ вв. В это время были обнаружены явления, объяснить которые тогдашняя наука не могла.

На 1895–1897 гг. пришлось крушение понятия об атоме как неизменной первичной и неделимой частице. Ряд открытий показал, что атом имеет сложное строение, а его структурным элементом является электрон, который был открыт в 1897 г. В 1895 г. Рентген выявил особого рода излучения, в 1896 г. Беккерель обнаружил явление радиоактивности урана. Попытки объяснить эти факты с помощью старых физических теорий не увенчались успехом. Вскоре ученые пришли к мысли: при объяснении новых явлений отказаться от общепринятых классических положений. Открытие радия, сделаное М. Склодовской и П. Кюри в 1898 г., не только констатировало научный факт, но и содержало в себе и частично его объясняло. В 1899 г. П. Н. Лебедев измерил давление света. В 1900 г. М. Планк (1879–1955) предложил квантовую теорию излучения. В 1909 г. Э.Резерфорд и Ф.Содди создали теорию радиоактивного распада – возникла новая идея о возможности превращения элементов. В 1905 г. А. Эйнштейн (1858–1947) выступил со специальной теорией относительности, а затем установил соотношение между массой и энергией, что было невозможно в системе «старой» классической механики Ньютона.

В результате открытий периода «новейшей революции» в физике проявляются определенные идеологические шатания, которые приводят к созданию новой картины мира в связи с появлением теории относительности.

Важную роль в становлении теории относительности сыграли работы профессора Лейденского университета Гендрика Антона Лоренца (1853–1928). Им было найдено преобразование (так называемое преобразование Лоренца), в котором время играет роль четвертой координаты. Это преобразование позволило объяснить некоторые результаты, полученные при наблюдении оптических и электродинамических явлений. Наряду с теоретическими исследованиями Лоренца, для развития новой физики немаловажное значение имели роль опыты Альберта Майкельсона (1852–1931). Они показали, что скорость света в вакууме является универсальной постоянной. Приблизительно к этому же времени (80-е гг. ХІХ в.) относится критика Эрнестом Махом Ньютоновых понятий абсолютного пространства и абсолютного времени. Все это в совокупности, как и работы французского математика и механика Анри Пуанкаре (1854–1912), объективно послужило основой для создания новой области физики – теории относительности.

В 1905 г. Альберт Эйнштейн публикует свой знаменитый труд «К электродинамике движущихся тел». Он порывает с ньютоновской концепцией абсолютного пространства и времени. В его формулировке принципы относительности и постоянства скорости света гласили:

1. Законы, по которым изменяются состояния физических систем, не зависят от того, к которой из двух координатных систем, движущихся равномерно и прямолинейно относительно друг друга, относятся эти изменения состояния.

2. Каждый луч света движется в покоящейся системе координат с определенной скоростью, независимо от того, испускается ли луч света покоящимся или движущимся телом.

В 1906 г. Макс Планк (1858–1947) применил принцип относительности к уравнениям динамики. Тогда же Эйнштейн опубликовал статью «Принцип сохранения движения центра тяжести и инерция энергии», в которой описал мысленный эксперимент, устанавливающий связь между энергией светового импульса и силой света. В 1908 г. Герман Минковский (1864–1909) предложил геометрическую инженерную теории относительности: мир есть многообразие всех мыслимых значений трех измерений пространства совместно с четвертым измерением – временем.

Следующим шагом в разработке теории относительности стала работа Эйнштейна «Основы общей теории относительности», в которой он сформулировал постулат относительности: законы физики должны быть составлены так, чтобы они были справедливы для произвольно движущейся системы. Общая теория относительности Эйнштейна была опубликована в 1916 г. Ее основные понятия были тесно связаны с проблемой гравитации. В сущности, Эйнштейн пришел к своей общей теории от изучения гравитации. И вот здесь оказалось, что геометрией этой теории является неевклидова геометрия, которую, как известно, первым начал разрабатывать Н. И. Лобачевский. В ее создании принимали участие не только Лобачевский, Бойяи, Бельтрами, но и другие ученые, в том числе Бернгард Риман, Уильям Клиффорд.

Следует заметить, что теория относительности не сразу получила признание. Уж слишком необычным было новое миропонимание: теория относительности заставила по-новому взглянуть на движение электронов, планет и галактик в космическом пространстве.

Начало ХХ в. характеризуется тем, что земная механика продолжает оставаться в рамках, предписанных ей Ньютоном. На протяжении всего 25-летия (1890–1915 гг.) в технике решается ряд очень сложных задач эпохального значения. Был создан двигатель Дизеля, разработана удобная в эксплуатации форма паровых турбин, сконструирован автомобиль и найден способ использования электроэнергии для нужд транспорта. Было изобретено радио, человек поднялся в воздух на аппарате тяжелее воздуха, и началось быстрое развитие авиации. Машиностроение поставляло на рынок все новые и новые модели, усовершенствовались и изобретались новые машины для обработки металлов. Все это определяло направления исследований в прикладной математике и прикладной механике.

Интересны работы в области аэромеханики Н. Е. Жуковского, С. А. Чаплыгина, которые, в частности, развили теоретическую аэродинамику, в том числе теорию профиля крыла самолета. Эти ученые работали также в областях гидродинамики и газовой динамики, в которых им удалось создать основополагающие труды. В аэродинамике существенные результаты были получены Фредериком Ланчестером (1878–1946) и Вильгельмом Кутта (1867–1944), а также Людвигом Прандтлем (1875–1953). Именно последний развил учение о турбулентном течении и теорию пограничного слоя.

Одним из направлений научной деятельности Н.Е.Жуковского была механика машин, где его теорема о жестком рычаге является одним из самых элегантных методов кинетостатики. Ученик Жуковского – Н. И. Мерцалов (1866–1948) написал курс прикладной механики, в котором впервые с исчерпывающей полнотой были освещены вопросы динамики машин. Курс этот был издан в 1904 г. и переиздан 1914–1916 гг.

Основы динамики тела переменной массы заложил чешский ученый Георг фон Бюкуа еще в 1812–1814 гг. Однако в то время исследования его не получили дальнейшего развития. Позже некоторые задачи в этом направлении были решены английскими учеными Кэйли, Раусом и др.

Существенный вклад в развитие теории механики тела с переменной массой сделали русские ученые К. Э. Циолковский и И. В. Мещерский. Мещерским и коллективом преподавателей механики Петербургского политехнического института был написан «Задачник по курсу теоретической механики», который был переведен на несколько языков и который использовался вплоть до настоящего времени. Этот задачник считается лучшим пособием в мировой учебной литературе и механике.