Блок III Философия техники и науки

3. Соотношение теоретического и эмпирического в технических науках

Эмпирический уровень технической теории образуют конструктив­но-технические и технологические знания, являющиеся результатом обобщения практического опыта при проектировании, изготовлении, отладке и т. д. технических систем. Это — эвристические методы и при­емы, разработанные в самой инженерной практике, но рассмотренные в качестве эмпирического базиса технической теории.

Теоретический уровень научно-технического знания включа­ет в себя три слоя теоретических схем: функциональные, поточные и структурные.

Функциональная схема фиксирует общее представление о техни­ческой системе, независимо от способа ее реализации, и является ре­зультатом идеализации технической системы на основе принципов оп­ределенной технической теории. Функциональные схемы совпадают для целого класса технических систем. Блоки этой схемы фиксируют только те свойства элементов технической системы, ради которых они включены в нее для выполнения общей цели. Каждый элемент в сис­теме выполняет определенную функцию.

Например, функциональные схемы в теории электрических цепей представляют собой графическую форму математического описания состояния электрической цепи. Каждому функциональному элементу такой схемы соответствует определенное математическое соотноше­ние, скажем, между силой тока и напряжением на некотором участке цепи, или вполне определенная математическая операция (диффе­ренцирование, интегрирование и т. п.). Порядок расположения и ха­рактеристики функциональных элементов адекватны электрической схеме.

Функциональные схемы широко используются практически во всех технических исследованиях. Ниже приведена функциональная схема загоризонтной радиолокации (рис. 1).

Поточная схема (пример на рис. 2), или схема функционирова­ния, описывает естественные процессы, протекающие в технической системе и связывающие ее элементы в единое целое. Блоки таких схем

Рис. 1. Функциональная схема загоризонтной радиолокации

отражают различные действия, выполняемые над естественным про­цессом элементами технической системы в ходе ее функционирова­ния. Такие схемы строятся исходя из естественно-научных (например, физических) представлений.

Например, поточная схема электрических цепей представлена срав­нительно небольшим количеством идеальных элементов и их соедине­ний. К таким элементам относятся, прежде всего, емкость, индуктив­ность, сопротивление, источники тока и напряжения. Для применения математического аппарата требуется дальнейшая идеализация: каж­дый из перечисленных выше элементов может быть рассмотрен, как активный (идеальные источники тока или напряжения) или пассив­ный (комплексные — линейное омическое и нелинейные индуктивное и емкостное — сопротивления) двухполюсник, т. е. участок цепи с дву­мя полюсами, к которым приложена разность потенциалов и через который течет электрический ток. Все элементы электрической цепи должны быть приведены к указанному виду. Причем, в зависимости от режима функционирования технической системы, одна и та же схе­ма может принять различный вид. Режим функционирования техни­ческой системы определяется прежде всего тем, какой естественный (в данном случае физический) процесс через нее протекает, т. е. какой электрический ток (постоянный или переменный, периодический или непериодический и т. д.) течет через цепь.

Структурная схема (пример на рис. 3) технической системы фиксирует те узловые точки, на которые замыкаются потоки (про­цессы функционирования). Это могут быть единицы оборудования

Рис. 2. Поточная схема. Схематическое изображение нейрона (слева), его модели (в середине) и электрическая схема искусственного нейрона (справа): 1 — тело клетки; 2 — дендриты; 3 — аксон; 4 — коллатерали; 5 — концевое разветвление аксона; P_n, Р_i, Р₂, Р₁ — входы нейрона; S_n, S_i, S₂, S₁— синаптические контакты; Р — выходной сигнал; К — пороговое значение сигнала; R₁ R₆, R_m — сопротивления; С₁-С₃, С_m — конденсаторы;

Т₁-Т₃ — транзисторы; D — диод

детали или даже целые технические комплексы, представляющие со­бой конструктивные элементы различного уровня, входящие в данную техническую систему, которые могут отличаться по принципу дейст­вия, техническому исполнению и ряду других характеристик. Такие элементы обладают, кроме функциональных свойств, свойствами второго порядка, т. е. теми, которые привносят с собой в систему оп­ределенным образом реализованные элементы, в том числе и нежела­тельными (например, усилитель — искажения усиливаемого сигнала). Структурная схема фиксирует конструктивное расположение элемен­тов и связей (т. е. структуру) данной технической системы и уже пред­полагает определенный способ ее реализации. На структурных схемах указываются обобщенные конструктивно-технические и технологиче­ские параметры стандартизированных конструктивных элементов (ре­зисторов, катушек индуктивности, батарей и т. д.), необходимые для проведения дальнейших расчетов: их тип и размерность в соответствии с инженерными каталогами, рабочее напряжение, способы наилучшего расположения и соединения, экранировка. Для теории электрических цепей подобные схемы являются исходными: они берутся готовыми из других, более специализированных электротехнических дисцип­лин и подвергаются в ней теоретическому анализу. 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. Главные элементы структурной схемы в теории электрических цепей — источник электрической энергии, нагрузка (приемник элек­трической энергии) и связывающие их идеализированные конструк­тивные элементы, абстрагированные от многих параметров реальных конструктивных элементов, входящих в инженерные каталоги.

Рис. 3. Структурная схема. Кварцевые наручные часы с цифровой индикацией на жидких кристаллах: а — блок-схема: К — кристалл кварца; Г — генератор электрических колебаний; С — триммер;

f — частота колебаний; Дш — дешифратор