892

Во второй половине ХХ века изменяется не только объект инженерной деятельности. Вместо отдельного технического устройства объектом проектирования становится сложная человеко-машинная система, расширяются и виды деятельности, связанные, например, с организацией и управлением.

Инженерной задачей стало не только создание технического устройства, но и обеспечение его нормального функционирования в обществе (не только в техническом смысле), удобство обслуживания, бережное отношение к окружающей среде, наконец, благоприятное эстетическое воздействие … Мало создать техническую систему, необходимо организовать социальные условия ее продажи, внедрения и функционирования с максимальными удобствами и пользой для человека.

Инженер-руководитель должен быть уже не только техником, но и юристом, экономистом, социологом. Иными словами, наряду с дифференциацией знаний необходима и интеграция, ведущая к появлению специалиста широкого профиля знающего, как говорят «ничего обо всем».

Для решения этих, вновь возникших социотехнических задач, создаются новые типы высших учебных заведений, например, технические университеты, академии и т.д.

Громадный объем современных знаний по любому предмету, а главное – это непрерывно расширяющийся поток требует от любого вуза воспитания у студента научного мышления и способности к самообразованию, саморазвитию. Научное мышление формировалось и изменялось по мере развития науки в целом и ее отдельных частей.

Внастоящее время существует большое количество понятий и определений и самой науки (от философской до бытовой, например, «его пример другим наука»).

Простейшее и достаточно очевидное определение может состоять в том, что наука – это определенная человеческая деятельность, обособленная в процессе разделения труда и направленная на получение знаний. Понятие науки как производства знаний очень близко, во всяком случае, по технологии к самообразованию.

Роль самообразования в любой современной деятельности, а тем более инженерной, возрастает стремительно. Любое, даже очень незначительное прекращение слежения за уровнем современных знаний ведет к потере профессионализма.

Внекоторых случаях роль самообразования оказывалась существенней традиционной, системной школьной и даже вузовской подготовки. Примером тому является Никколо Тарталья, изучивший в школе лишь половину азбуки (на большее не хватило семейных средств), но первым решивший уравнение третьей степени, что сдвинуло математику с античного уровня и послужило основанием нового, галилеевского этапа развития науки. Или Михаил Фарадей – великий переплетчик, не изучавший в школе ни геометрии, ни алгебры, но разработавший основы современной электротехники.

11

1.2. Классификация научных исследований

Существуют различные основания для классификации наук (например, по связи с природой, техникой или обществом, по используемым методам – теоретическая или экспериментальная, по исторической ретроспективе и т.п.).

Винженерной практике науку часто подразделяют на фундаментальную, прикладную и опытно-конструкторские разработки.

Обычно объектом фундаментальной науки является природа, а целью – установление законов природы. Фундаментальные исследования в основном ведутся в таких отраслях, как физика, химия, биология, математика, теоретическая механика и др.

Современные фундаментальные исследования, как правило, требуют настолько больших средств, что далеко не все страны могут позволить себе их вести. Непосредственная практическая применимость результатов – маловероятна. Тем не менее, именно фундаментальная наука питает в конечном счете все отрасли человеческой деятельности.

Практически все виды технических наук, в том числе и «земледельческую механику» относят к прикладным наукам. Объектами исследований здесь становятся машины и технологические процессы, выполняемые с их помощью.

Частная ориентация исследований, достаточно высокий уровень инженерной подготовки в стране делают вероятность достижения практически полезных результатов достаточно высокой.

Часто приводят образное сравнение: «Фундаментальные науки служат для того, чтобы понять мир, а прикладные – чтобы его изменить».

Различают адресность фундаментальных и прикладных наук. Прикладные адресуют производителям и заказчикам. Они являются нуждами или желаниями этих клиентов, а фундаментальные – другим членам научного сообщества. С методологической точки зрения, разница между фундаментальными и прикладными науками стирается.

Уже к началу ХХ столетия технические науки, выросшие из практики, приняли качество подлинной науки, признаками которой являются систематическая организация знаний, опора на эксперимент и построение математизированных теорий.

Втехнических науках появились также особые фундаментальные исследования. Примером этого является теория масс и скоростей, разработанная В.П. Горячкиным в рамках «Земледельческой механики».

Технические науки заимствовали у фундаментальных самый идеал научности, установку на теоретическую организацию научно-технических знаний, на построение идеальных моделей, математизацию. В то же время они оказывают в последние годы значительное влияние на фундаментальные исследования за счет разработки средств современных измерений, записи и обработки результатов исследований. Например, исследования в области элементарных частиц потребовали разработки уникальнейших ускорителей, разрабатываемых международными сообществами. В этих слож-

12

нейших технических устройствах физики уже стремятся моделировать условия начального «Большого взрыва» и образования материи. Таким образом, фундаментальные естественные и технические науки становятся равноправными партнерами.

При опытно-конструкторских разработках результаты технических прикладных наук используются для совершенствования конструкций машин и режимов их работы. Еще Д.И. Менделеев в свое время говорил, что «машина должна работать не в принципе, а в своем корпусе». Эта работа выполняется, как правило, в заводских и специализированных конструкторских бюро, на испытательных полигонах заводов и машинноиспытательных станций (МИС).

Заключительной проверкой научно-исследовательской работы, воплощенной в ту или иную конструкцию машины, является практика. Не случайно над всей заводской платформой отгрузки готовых машин известной фирмы «John Deer» был установлен плакат, в переводе гласящий: «Отсюда начинаются самые суровые испытания нашей техники».

1.3. Системы и системный подход в научных исследованиях

Во второй половине 20 века в научный обиход прочно вошло поня-

тие системного анализа.

Объективными предпосылками к этому явился общенаучный прогресс. Системная сущность задач обнаруживается в реальном существовании сложных процессов взаимодействия и взаимосвязей между комплексами машин, их рабочими органами с внешней средой, способами управления.

Современная методология системного анализа возникла на базе диалектического понимания взаимосвязанности и взаимообусловленности явлений в реально протекающих технологических процессах.

Такой подход стал возможен в связи с достижениями современной математики (операционное исчисление, исследование операций, теория случайных процессов и др.), теоретической и прикладной механики (статическая динамика), широким исследованиям ЭВМ.

О возможной сложности, к которой может привести системный подход, можно судить по сообщению специалистов компании Siemens PLM, опубликованному в одной из INTERNET - реклам.

При исследовании напряжений в стержневых и оболочных элементах крыла самолета, а также параметров деформаций, вибраций, теплопередачи, акустических характеристик в зависимости от случайных воздействий окружающей среды составлена математическая модель, представляющая собой 500 млн. уравнений.

Для расчета использован пакет компьютерных программ NASRAN

(NASA STRuctual ANalysis).

Время расчета на 8-ядерном сервере IBM Power 570 составило примерно 18 часов.

Система обычно задается перечнем объектов, их свойств, налагаемых связей и выполняемых функций.

13

Характерными особенностями сложных систем являются:

-наличие иерархической структуры, т.е. возможность расчленения системы на то или иное число взаимодействующих между собой подсистем

иэлементов, выполняющих различных функций;

-стохастический характер процессов функционирования подсистем и элементов;

-наличие общей для системы целенаправленной задачи;

-подверженность системы управления со стороны оператора.

На рис. 1.1. представлена структурная схема системы "оператор - поле - сельскохозяйственный агрегат".

В качестве входных переменных принимают изучаемые параметры технологического процесса и их характеристики (глубина и ширина обрабатываемой полосы, урожайность, влажность и засоренность обрабатываемого вороха и т.д.).

Вектор U(t) управляющих воздействий может включать повороты руля, изменение скорости движения, регулирование высоты среза, давления в гидравлических или пневматических системах машин и т.д.

Выходные переменные также представляют собой вектор-функцию из количественных и качественных оценок результатов работы (реальная производительность, затраты мощности, степень крошения, подрезания сорняков, выравненность обработанной поверхности, потери зерна и др.).

Изучаемые системы подразделяют:

-на искусственные (созданные человеком) и естественные (с учетом окружающей среды);

-на открытые и закрытые (с учетом окружающей среды или без нее);

-статические и динамические;

-управляемые и неуправляемые;

-детерминированные и вероятностные;

-реальные и абстрактные (представляющие собой системы алгебраических или дифференциальных уравнений);

-простые и сложные (многоуровневые конструкции, состоящие из взаимодействующих между собой подсистем и элементов).

14

Иногда системы подразделяют с учетом физических процессов, обеспечивающих их функционирование, например, механические, гидравлические, пневматические, термодинамические, электрические.

Кроме этого могут быть биологические, социальные, организацион- но-управленческие, экономические системы.

Задачами системного анализа обычно являются:

-определение характеристик элементов системы;

-установление связей между элементами системы;

-оценка общих закономерностей функционирования агрегатов и свойств, принадлежащих только всей системе в целом (например, устойчивости динамических систем);

-оптимизация параметров машин и производственных процессов. Исходным материалом для решения этих вопросов должно служить

изучение характеристик внешней среды, физико-механических и технологических свойств сельскохозяйственных сред и продуктов.

Далее при теоретических и экспериментальных исследованиях устанавливают интересующие закономерности, обычно в виде систем уравнений или уравнений регрессии, а затем оценивают степень идентичности математических моделей реальным объектам.

1.4. Структура научных исследований в области прикладных наук

Работа над научно-исследовательской темой проходит ряд этапов, которые составляют так называемую структуру научного исследования. Разумеется, что эта структура в значительной мере зависит от вида и целей работы, но для прикладных наук такие этапы характерны. Другой разговор, что в одних из них могут содержаться все этапы, в других – нет. Одни из этапов могут быть большими, другие меньшими, но назвать (выделить) их можно.

1.Выбор темы исследования (постановка проблемы, задачи).

2.Изучение состояния вопроса (или уровня техники, как это именуется при патентных исследованиях). Так или иначе, это изучение того что сделано предшественниками.

3.Выдвижение гипотезы о способе решения поставленной задачи.

4.Обоснование гипотезы, с точки зрения механики, физики, математики. Часто этот этап составляет теоретическую часть исследования.

5.Экспериментальное исследование.

6.Обработка и сопоставление результатов исследований. Выводы по

ним.

7.Закрепление приоритета исследования (оформление заявки на патент, написание статьи, отчета).

8.Внедрение в производство.

1.5. Методика научных исследований

Результаты любого исследования в большей мере зависят от методики достижения результатов.

15

Под методикой исследования понимают совокупность способов и приемов решения поставленных задач.

Различают обычно три уровня разработки методики.

Прежде всего необходимо обеспечить основные методологические требования к предстоящему исследованию.

Методология - учение о методах познания и преобразования действительности, применения принципов мировоззрения к процессу познания, творчеству и практике.

Частной функцией методологии является определение подходов к явлениям действительности.

Основными методологическими требованиями к инженерным исследованиям считают материалистический подход (исследуются материальные объекты под материальными воздействиями); фундаментальность (и связанное с этим широкое использование математики, физики, теоретиче-

ской механики); объективность и достоверность выводов.

Процесс движения человеческой мысли от незнания к знанию называют познанием, в основе которого лежит отражение объективной действительности в сознании человека в процессе его деятельности, которую часто именуют практикой.

Потребности практики, как уже было отмечено ранее, выступают основной и движущей силой развития познания. Познание вырастает из практики, но затем само направляется на практическое овладение действительностью.

Очень образно эту модель познания отразил Ф.И. Тютчев: «Так связан, съединен от века

Союзом кровного родства Разумный гений человека

С творящей силой естества...» Методология таких исследований должна быть настроена на эффек-

тивное внедрение результатов преобразующей практики.

Для обеспечения этого методологического требования необходимо, чтобы исследователь имел практический опыт работы на производстве или во всяком случае хорошо его себе представлял.

Собственно методику исследований подразделяют на общую и част-

ную.

Общая методика относится по всему исследованию в целом и содержит главные способы решения поставленных задач.

В зависимости от целей исследования, изученности тематики, сроков исполнения, технических возможностей выбирают основной тип работы (теоретический, экспериментальный, или во всяком случае их соотношение).

Выбор типа исследования основывается гипотезой о способе решения задачи. Основные требования к научным гипотезам и способы их разработки изложены в главе (4).

Теоретическое исследование, как правило, связано с построением математической модели. Обширный перечень возможных моделей, использу-

16

емых в технике, приведен в главе (5). Выбор конкретной модели требует эрудиции разработчика или основывается на аналогии с подобными исследованиями при их критическом анализе.

После этого автор обычно тщательно изучает соответствующий ме- ханико-математический аппарат и затем на его основе строит новые или уточненные модели изучаемых процессов. Варианты наиболее распространенных математических моделей в агроинженерных исследований составляют содержание подраздела 5.5.

Наиболее полно до начала работы разрабатывают методику экспериментальных исследований. При этом определяют вид эксперимента (лабораторный, полевой, одноили многофакторный, поисковый или решающий), проектируют лабораторную установку или оснащают машины контрольноизмерительными приборами и регистрирующей аппаратурой. Обязательным в этом случае является метрологический контроль за их состоянием.

Организационные формы и содержание метрологического контроля рассмотрены в параграфе 6.2.6.

Вопросы планирования эксперимента и организации проведения полевых опытов рассмотрены в главе 6.

Одним из основных требований к классическим экспериментам в области точных наук является воспроизводимость опытов. К сожалению, к этому требованию не отвечают полевые исследования. Изменчивость полевых условий не позволяет воспроизвести опыты. Этот недостаток отчасти устраняют подробным описанием условий эксперимента (метеорологических, почвенных, биологических и физико-механических характеристик).

Заключительную часть общей методики обычно составляют способы обработки экспериментальных данных. Обычно при этом ссылаются на необходимость применения общепринятых методов математической статистики, с помощью которых оценивают числовые характеристики измеряемых величин, строят доверительные интервалы, используют критерии согласия для проверки принадлежности к выборке, значимости оценок математических ожиданий, дисперсий и коэффициентов вариации, проводят дисперсионный и регрессионный анализы.

Если в эксперименте изучались случайные функции или процессы, то при обработке результатов находят их характеристики (корреляционные функции, спектральные плотности), по которым, в свою очередь, оценивают динамические свойства исследуемых систем (передаточные, частотные, импульсные и др. функции).

При обработке результатов многофакторных экспериментов оценивают значимость каждого фактора, возможных взаимодействий, определяют коэффициенты уравнений регрессии.

В случае проведения экспериментальных исследований определяют значения всех факторов, при которых изучаемая величина находится на максимальном или минимальном уровне.

Содержанием частных методик обычно является обоснование использования тех или иных измерительно-регистрирующих приборов, спо

17

собы устранения возможных систематических ошибок, определение количества повторностей и числа измерений.

В настоящее время при экспериментальных исследованиях широко применяют электрические измерительно-регистрирующие комплексы.

Обычно эти комплексы включают три блока.

Прежде всего это система датчиков-преобразователей неэлектрических величин (таких, например, как перемещения, скорости, ускорения, температуры, силы, моменты сил, деформации) в электрический сигнал.

Заключительным блоком в современных исследованиях обычно бывает компьютер.

Промежуточные блоки обеспечивают согласование сигналов датчиков с требованиями входных параметров компьютеров. В их состав могут входить усилители, преобразователи аналоговых сигналов в цифровые, коммутаторы и др.

Подобное описание существующих и перспективных методов измерений, измерительных комплексов и их программного обеспечения описано в книге «Испытания сельскохозяйственной техники» [22].

По результатам обработки экспериментальных данных делают заключения о противоречивости опытных данных выдвинутой гипотезе или математической модели, значимости тех или иных факторов, степени идентификации модели и др.

1.6. Программа исследования

При коллективной научной работе, особенно в сложившихся научных школах и лабораториях, часть этапов научных исследований может быть для конкретного исполнителя упущена. Возможно, что они были произведены ранее или поручены другим сотрудникам и подразделениям (например, оформление заявки на изобретение может быть поручено патентоведу, работы по внедрению в производство – конструкторскому бюро и научно-производственным мастерским и т.д.).

Оставшиеся этапы, конкретизированные разработанными методиками выполнения, составляют программу исследования. Часто программу дополняют перечнем всех задач исследований, характеристикой условий работы и зоны, для которой готовят результаты. Кроме этого, в программе предполагается отразить необходимость в материалах, оборудовании, площадях для полевых опытов, оценить затраты на проведение исследования и экономический (социальный) эффект от внедрения в производство.

Как правило, программу исследований обсуждают на заседаниях кафедр, научно-технического совета, и ее подписывают как исполнитель, так и руководитель работы.

Периодически выполнение программы и плана работ на определенный период контролируется.

18

2. Выбор темы исследований, социальный заказ на совершенствование сельскохозяйственной техники

Выбор темы исследования представляет собой задачу с очень многими неизвестными и таким же количеством решений. Прежде всего, работать нужно хотеть, а для этого необходима очень серьезная мотивация. К сожалению, стимулы, способствующие обычной работе, – достойный заработок, престиж, известность – в данном случае малоэффективны. Вряд ли можно привести пример богатого ученого. Cократу порой приходилось ходить босиком по грязи со снегом и лишь в одном плаще, но он осмелился поставить разум и истину выше жизни, отказался каяться в своих убеждениях в суде, был приговорен к смерти, и цикута окончательно сделала его великим.

А. Эйнштейн, по свидетельству его ученика, а затем сотрудника Л. Инфельда, носил длинные волосы, чтобы реже ходить к парикмахеру, обходился без носков, подтяжек, пижам. Он реализовал программу-минимум– обувь, брюки, рубашка и пиджак – обязательно. Дальнейшее сокращение было бы затруднительным.

От голода умер наш замечательный популяризатор науки Я.И. Перельман. Им написано 136 книг по занимательной математике, физике, ящик загадок и фокусов, занимательная механика, межпланетные путешествия, мировые дали и т.д. Переиздаются книги десятки раз.

От истощения в блокадном Ленинграде умерли основатели сельскохозяйственного машиноведения профессора А.А. Барановский, К.И. Дебу, М.Х. Пигулевский, М.Б. Фабрикант, Н.И. Юферов и многие другие [2].

То же самое в тюрьме случилось с Н.И. Вавиловым – крупнейшим в мире ученым-генетиком. Тут проявляется еще одна очень странная связь государства с представителями науки – через тюрьму.

Жертвами инквизиции стали Ян Гусс, Т. Кампанелла, Н. Коперник, Дж. Бруно, Г. Галилей, Т. Гоббе, Гельвеций, Вольтер М. Лютер. К запрещенным книгам (которые не только читать, но и хранить было нельзя под страхом смерти), отнесены произведения Рабле, Оккамы, Савоноролы, Данте, Томаса Моора, В. Гюго, Горация, Овидия, Ф. Бэкона, Кеплера, Тихо де Браге, Д. Дидро, Р. Декарта, Д’ Аламбера, Э. Золя, Ж.Ж. Руссо, Б. Спинозы, Ж. Санд, Д. Юма и др. Запрещены отдельные произведения П. Бейла, В. Гюго, Э. Канта, Г. Гейне, Гельвеция, Э. Гиббона, Э. Каабе, Дж. Локка, А. Мицкевича, Д.С. Милля, Ж.Б. Мираба, М. Монтеля, Ж. Монтескье, Б. Паскаля, Л. Ранке, Рейналя, Стендаля, Г. Флобера и многих других выдающихся мыслителей, писателей и ученых.

Всего в изданиях папского индекса фигурирует около 4 тыс. отдельных произведений и авторов, все произведения которых запрещены. Практически это весь цвет Западно-Европейской культуры и науки.

В нашей стране то же самое. От церкви был отлучен Л.Н. Толстой, знаменитый математик А. Марков. Тем или иным мерам репрессий подверглись П.Л. Капица, Л.Д. Ландау, А.Д. Сахаров, И.В. Курчатов, А. Туполев и среди писателей Н. Клюев, С. Клычков, О. Мандельштам, Н. Заболоц-

19

кий, Б. Корнилов, В. Шаламов, А. Солженицын, Б. Пастернак, Ю. Домбровский, П. Васильев, О. Берггольц, В. Боков, Ю. Даниель и др.

Таким образом зарабатывать в России трудно и опасно.

Одной из мотиваций учености могла бы быть известность, но, согласитесь, известность любого сегодняшнего телевизионного хохмача превзойдет сколь угодно яркую научную работу, а тем более ее автора.

Среди действующих мотиваций к научной работе остается лишь три.

1.Естественное любопытство человека. Для чего-то ему нужно чи-

тать книги, решать задачи, кроссворды, головоломки, придумывать массу оригинальных вещей и т.д. А.П. Александрову, бывшему в свое время директором института физических проблем и института атомной энергии, приписывают широко известные на сегодня слова: «Наука дает возможность удовлетворить собственное любопытство за казенный счет». Впоследствии многие пересказывали эту мысль. Но все-таки в одной из последних работ А.Д. Сахаров, соглашаясь с этой мотивацией, отметил, что главным было все-таки другое. Главным был социальный заказ страны. «Это был наш конкретный вклад в одно из важнейших условий мирного сосуществования с Америкой».

2.Социальный заказ. Любой специалист страны, являясь членом гражданского общества, занимает в этом обществе определенное место. Разумеется, что у этой части общества есть определенные права (среди его представителей технические руководители или администраторы) и обязанности.

Авот обязанностью технического руководителя является совершенствование производства, которое может идти по очень многим направлениям. Важнейшим из них является необходимость облегчить тяжелый труд людей, которого в сельском хозяйстве еще более чем достаточно. Всегда стояла, стоит и стоять будет задача о повышении производительности труда, качества работ, работоспособности и надежности техники, комфортабельности и безопасности. Если говорить о проблемных вопросах и направлениях развития сельскохозяйственной техники, то их столь много, что работы хватит на все наше поколение, многое останется детям и внукам.

Если очень кратко изложить основные проблемы механизации только отдельных операций сельского хозяйства, то можно показать обширность круга возможного приложения сил.

Обработка почвы. Ежегодно пахотный слой планеты земледельцы сдвигают в сторону на 35…40 см. Огромные затраты энергии и не в полной мере обоснованные технологии минимальной и нулевой обработки часто приводят к переуплотнению почвы и способствуют засоренности полей сорняками. В ряде зон страны и отдельных полей в хозяйствах требуется использование почвозащитных технологий, предохраняющих от водной и ветровой эрозии. Летняя жара в экстремальные годы ставит задачу внедрения влагосберегающих технологий. Но ведь каждая технология может быть осуществлена многими способами, использующими те или иные рабочие органы, а тем более их параметры. Выбор способа обработки каждого поля, обоснование рабочих органов и режимов их работы представляет уже творческую деятельность.

20