Реферат: Теория механизмов и машин для инженеров
Эпоха Возрождения неразрывно связана с именем гениального Леонардо да Винчи. Обнаруженные недавно две его большие рукописи, носящие названия «Мадридский кодекс I» и «Мадридский кодекс II», показывают, что Леонардо да Винчи не только подошел вплотную к понятию механизма, но и пытался дать систематику механизмов и их деталей.
Он рассматривает механизмы зубчатых передач различных видов, кулачковые, рычажные и другие механизмы и детали. Крупнейший знаток технического творчества Леонардо Ладислав Рети в книге «Неизвестный Леонардо» пишет о том, что Леонардо сформулировал свои идеи относительно связи теории с практикой в форме двух постулатов. Первый: «Книга о науке механизмов должна предшествовать книге об их применении». Второй: «Механика есть рой математических наук. Посредством ее достигается плод математики».
Таким образом, Леонардо впервые ставит вопрос о необходимости создания науки о механизмах и широком использовании математических методов в создании конструкции машин. Если обратиться к совокупности тех механизмов, которые рассматривал Леонардо в «Мадридских кодексах» и в «Атлантическом кодексе», то, как свидетельствует Брицио, в них содержатся все 22 элемента, из которых состоят машины и которые позднее были описаны в классическом труде Ф. Рёло по кинематике машин. Таким образом, Леонардо более чем на три века опередил ученых XIX столетия в понимании того, что каждая машина может быть создана из совокупности одних и тех же механизмов.
Он еще не использует понятия механической модели механизма, его кинематической схемы, но вплотную подошел к пониманию необходимости применения математических описаний механики машин и механизмов.
Работы Леонардо да Винчи были крупным скачком в науке о машинах.
После эпохи Возрождения наука о машинах и механизмах долгое время носила чисто эмпирический изобретательский характер. Создавались и изобретались отдельные машины и механизмы, но теоретические обоснования этих конструкций, как правило отсутствовали. Тем не менее эти новые машины открывали целые эпохи в развитии техники Здесь в первую очередь надо упомянуть о Дж. Уатте как создателе паровой машины и ряда механических устройств а также о русских изобретателях Кулибине, Ползунове. Нартове и других, В начале XIX столетия Г. Модели был изобретен суппорт токарного станка, а Дж. Стефенсон создает первый локомотив.
Но первые теоретические работы после Леонардо да Винчи относятся к XVIII в. Здесь можно указать на семитомное сочинение Я. Лейпольда «Театр машин», Он так же, как и Леонардо, выделяет отдельные механизмы, подробно описывает зубчатые зацепления и даже пишет об элементах зубчатых редукторов.
Крупнейшим вкладом в науку о машинах были труды Г. Монжа, относящиеся к концу XVIII и началу XIX в. Выдающийся геометр Монж поставил геометрию на службу инженерным наукам, создав начертательную геометрию—этот изящнейший аппарат кинематики машин и механизмов. Он развил идею о механизмах как преобразователях движения отдельных звеньев. Из выдающихся ученых, внесших значительный вклад в теорию машин, мы должны указать на А. Бетанкура. Составленные им совместно с Ланцем таблицы механизмов поражают своим богатством видов простейших машин и механизмов.
Понятие кинематики, в том числе и в приложении к машинам, было сформулировано А. М. Ампером в его первой таблице «Классификация человеческих знаний или синоптические таблицы наук и искусств»
В первой половине XIX столетия рядом ученых эффективно развиваются вопросы динамики машин. Целую эпоху о машинах составили труды Ж. В. Понселе. Ему принадлежит фундаментальный труд «Курс механики в приложении к машинам». В последующих своих книгах Понселе рассматривает динамику машин с учетом движущих сил, сил сопротивления, сил инерции и сил веса.
Крупным вкладом в науку о механизмах в середине XIX столетия явилась работа английского ученого Р. Виллиса, посвященная теории механизмов. Ему принадлежит классификация механизмов, основы которой не потеряли и теперь своего значения.
Создание русской школы по теории механизмов относится к середине XIX в. и непосредственно связано с именем П. Л. Чебышева. Чебышев—основоположник теории структурного и кинематического синтеза механизмов. Он глубже чем кто-либо из его предшественников понял роль математики в решении задач синтеза механизмов. Его труды стали тем фундаментом, на котором были впоследствии развиты аналитические методы синтеза механизмов, получившие такое широкое развитие в наше время.
Во второй половине XIX в. публикуются работы выдающегося немецкого ученого Ф. Рёло. Его труды обогатили науку о машинах принципиально новым содержанием. Им вводятся важнейшие в теории механизмов понятия о кинематической паре и кинематической цепи. Его «Теоретическая кинематика» может быть признана трудом энциклопедическим, охватывающим все стороны учения о механизмах.
Работами Виллиса, Чебышева и Рёло определялись основные научные направления, ставшие впоследствии содержанием науки, которую мы теперь называем «Теория механизмов и машин».
Здесь уместно вспомнить слова Ч. Дарвина: «Наука заключается в такой группировке фактов, которая позволяет выводить на основании их общие законы и заключения».
Таким образом, мы можем говорить достаточно уверенно о рождении новой науки—теории механизмов и машин - после публикации работ Виллиса, Чебышева, Рёло и ряда ученых второй половины XIX в., создавших те научные основы, которым должна удовлетворять каждая наука.
Это в первую очередь наличие строгой научной систематики и классификации изучаемых объектов. Затем искусство замены реального физического объекта некоторой абстрактной механической моделью, достаточно близкой к физической природе изучаемого объекта. Наконец, умение дать математическое описание рассматриваемой модели, позволяющее провести с той или иной степенью строгости анализ свойств и явлений созданной модели.
Действительно, Виллис создал наиболее совершенную для того времени классификацию механизмов. Рёло создал механические модели механизмов и их элементов, введя понятие о кинематической паре, кинематической цепи и кинематической схеме. Чебышев устанавливает аналитическую связь между числом звеньев и числом кинематических пар механизмов, т. е. дает основы структуры механизмов и показывает, каким мощным аппаратом является математика для решения задач анализа и синтеза механизмов.
Теперь, когда мы, хотя и очень приближенно, установили начало становления теории механизмов и машин как науки, нет необходимости подробно излагать историю ее развития от второй половины XIX в. до наших дней. Перечислим только некоторых ученых, с именами которых связано развитие науки о машинах. В России это были Петров, Орлов, Вышнеградский, Сомов, Жуковский, Гохман, Горячкин, Мерцалов, Ассур и другие: в Германии — Грюблер, Мор, Бурместер, Грасгоф, Бах, Виттенбауэр, Альт и другие.
В США фактически до 40-х годов не было школы в области теории механизмов и машин, и только после 40-х годов появляются первые работы американских ученых. В настоящее время американская школа представляет собой крупное направление в области теории механизмов и машин.
Широкое развитие теория механизмов и машин после второй мировой войны получила в социалистических странах, а также в Италии, Голландии, Австралии, Канаде и в ряде других стран.
Теория механизмов и машин всегда была одной из многих ветвей того дерева, которое мы называем механикой. В последние годы в связи с автоматизацией производства и научных исследований механика машин все шире начинает использовать достижения современной теории управления. Происходит как бы симбиоз механики машин и теории управления: на стыке этих наук вырастает новая по существу, но богатая опытом прошлого наука «механика машин и управления машинами».
Нелегко прогнозировать будущее науки, особенно в век бурного развития науки и техники.
Еще великий русский ученый химик Д. И. Менделеев писал: «Границ научному познанию и предсказанию предвидеть невозможно».
Современная ТММ и её направления
Основным направлением развития современной техники является автоматизация всех видов производства с целью облегчить физический труд людей, повысить производительность их труда, улучшить качество изделий, обеспечить возможность широкого выпуска изделий массового производства.
Одновременно с ростом автоматизации физического труда в настоящее время важнейшей становится проблема автоматизации и интеллектуального труда человека, замена человека машиной в решении различных логических задач. Автоматизация физического и интеллектуального труда требует создания новых механизмов, машин-автоматов и систем машин автоматического действия.
В решении задач автоматизации важнейшая роль принадлежит теории механизмов и машин — научной базы машиностроения.
Как указывалось выше, теория и проектирование машин и систем машин автоматического действия родились на стыке двух наук: механики машин и теории управления. Механика машин развивалась и развивается на базе теории механизмов и машин, а теория управления — на базе классической теории регулирования. Привлекая к решению своих задач аппарат современной математики, достижения в области физических наук, используя теоретическую механику, теорию информации, кибернетику, электронику и другие фундаментальные науки, механика машин и теория управления машинами призвана развивать инженерные методы анализа и синтеза машин-автоматов и систем машин автоматического действия.