Мир машин и механизмов теперь сопровождает человека на каждом шагу. Человек, общество становятся все более зависимыми от современной, сложной техники - механизмов, машин, в том числе электронно-вычислительных, которые сейчас управляют различными жизненно важными системами и прежде всего наденергоемнимы - атомными электростанциями, военными объектами, информационными системами, искусственными космическими об объектами.
Основные группы машин и механизмов. Машина (от лат. Machina) - устройство, с помощью которого выполняют разнообразные операции для перемещения объектов, преобразования энергии, материалов, систематизации и хранения информации. Машины увеличивают физическую и интеллектуальную мощь человека.
Различают три основные группы машин:
- рабочие,
- энергетические,
- информационные.
Устройства, предназначенные для преобразования любого вида энергии в механическую называют машино-двигателями. Это электродвигатели, двигатели внутреннего сгорания (карбюраторные, дизельные), турбины, тепловые (паровые) машины.
Группа рабочих машин состоит из технологических и транспортных.
Технологические машины - это металлообрабатывающие станки, прокатные станы, полиграфическое оборудование и другие.
Транспортные машины - автомобили, самолеты, тепловозы, подъемники, конвейеры, газо-, нефте-, водопроводы.
Информационные машины - наиболее сложные устройства, предназначенные для получения, переработки и хранения информации - арифмометры, механические интеграторы, электронные вычислительные машины (ЭВМ), персональные компьютеры. Хотя в полном смысле слова ЭВМ не является машиной, так как в ней механические устройства имеют вспомогательное значение.
Как правило машина состоит из механизмов, преобразующих движения одного или нескольких тел в нужном направлении к другому телу. Механизмы - основа машин.
Механизм - система, состоящая из звеньев или сопряженных деталей, частей. Соединения состыкованных деталей, в результате чего возникает движение, называется кинематической парой - вращательная (шарнир), поступательная (ползун и направляющая), винтовая (винт и гайка), сферическая (шаровой шарнир - как суставы у человека). Если в механизме, машине используют кроме твердых тел жидкостные или газообразные вещества, то такие устройства называют соответственно гидравлическими или пневматическими.
В зависимости от вида звеньев в механизме или машине различают:
- зубчатые,
- подъемные,
- цепные,
- фрикционные,
- ременные передачи, в том числе пневмо- и гидропередачи.
Уже в Древнем Египте широко использовали механизмы для поднятия грузов (строительство пирамид, храмов), перекачивания воды (висячие сады Семирамиды, полив засушливых территорий). Древнегреческий поэт Гомер описал механическую художницу, писатель Аулюс Геллиус - механического летающего голубя.
Во втором веке до нашей эры египетские жрецы, используя зубчатые передачи, построили автоматы для продажи святой воды, для открывания-закрывания дверей в храмах. В третьем веке до нашей эры древнегреческий инженер написал восьмитомную труд "Синтаксис механики".
В шестидесятых, в начале 70-х г.г. ХХ ст. созданы машины, механизмы для выполнения задач, связанных с опасными объектами, например для работы в космосе (космическая техника), недоступных или опасных для человека земных средах - подводные глубины, атомные реакторы, многих химических, металлургических производствах.
Для выполнения работ в таких сферах деятельности человека созданы манипуляторы (механическая рука), работы, которые позволяют автоматизировать многие трудовые процессов. Термин "Робот", который теперь широко распространен, первым использовал чешский писатель К. Чапек в фантастическом романе "Война с саламандрами".
Для создания современных сложных устройств большое значение имеет теория машин и механизмов, основателем которой является российский математик и механик Х1Х в. Л. Чебышев. Он заложил основы теории синтеза механизмов, позволяет теперь создавать разнообразные машины очень высокой степени сложности, даже моделирующих деятельность человека.
Дальнейшее развитие эта теория получила в трудах А.П. Котельвы никова (1865-1944), В.В. Добровольского (1880-1956).
Теоретические труды, практические разработки особого внимания уделяют вредному воздействию колебаний, вибраций в машинах и механизмах. Эти явления вызывают дополнительные нагрузки на звенья механизмов, потерю их устойчивости, работоспособности из-за чего возникают аварии из-за утомления материалов, из которых они изготовлены.
В 1945-50 годах была создана теория машин-автоматов или роботов, которые моделируют свойства и функции живых организмов, в том числе человека. Она позволила резко обезопасить труд, сделать ее более продуктивной и перейти от техники безопасности при работе с опасной техникой к относительно безопасной техники.
Техника (гр. - Искусство делать то, изготавливать, ремесло, мастерство) - совокупность машин и механизмов, с помощью которых работник облегчает свой труд, достигает необходимого результата с минимальными физическими затратами. Она является составной частью технологий, технологических процессов. Техника - ноосферно преобразованы предметы природы, которые образуют технические объекты.
Технический объект - совокупность техники, выполняющее определенную функцию - получение определенных веществ, предметов потребления, энергии (тепловой, электрической).
Возможности техники связаны с определенными границами, границами ее функций:
- техника - средство, которое надо ориентировать определенным образом;
- техника доминирует только над механизмами, над безжизненным сферами природы и никогда над человеком;
- техника связана с ресурсами и различными видами энергии;
- она зависит от человека;
- техника выполняет важные функции, обеспечивая интеллектуальный, вещественный прогресс, комфорт жизни, но уменьшает устойчивость природных систем из-за загрязнения среды.
Ненадлежащее использование техники формирует чрезвычайные ситуации техногенного характера, аварии, катастрофы. Следует подчеркнуть, что ни одна машина или механизм не могут обходиться без источника энергии, либо сами являются ее источником. Поэтому в процессе их функционирования часто возникают вредные побочные явления - загрязнение окружающей среды различными факторами - химическими, физическими, физико-химическими, биологическими.
Существует проблема эргономичности - это совместимость функций человека, его физиологических возможностей с машинными. Чаще всего машины плохо совместимы с естественными процессами, поэтому возникла и активно разрабатывается проблема создания машин на биологической основе - биороботов. Созданы и функционируют отдельные элементы таких машин - например биомеханическая рука, в которой механическое усилие возникает за счет химических реакций в искусственном белке.
Широкое применение получили искусственное сердце, которое вживляют в грудную полость, кардиостимуляторы, выполняющих функции автономной нервной системы сердца, его нервных центров. Существуют и стационарные искусственные органы, используемые при хирургических операциях, например, искусственная почка, печень, но внедрить их в организм невозможно из-за их больших размеров. Возникла возможность создания искусственных биологических органов тела человека. Уже получено так называемых стволовых, недифференцированных клеток, некоторые органы - кожа, печень. Еще до недавнего времени мы рассматривали опасность только со стороны неживых систем - машин и механизмов, и природных явлений, то теперь возможно возникнет опасность от биологических ссистем.
Очевидно будущее за другими - экологически безопасными, эргономичными машинами и механизмами, то есть такими, которые не вредили бы людям, всему живому, меньше загрязняли бы природную среду.
Особенно следует выделить проблему создания искусственных органов человека с помощью методов клонирования, генной инженерии. Уже разработаны методы получения таких органов и возник вопрос нравственно-морального содержания. Поэтому во многих странах принято законодательство по этому вопросу, отношение к которому неоднозначно.
Следует подчеркнуть, что большинство современных машин несовершенны и поэтому они, произведения человека, загрязняющих окружающую среду, изменяют его в отрицательную сторону.
Невозможно назвать машину, механизм антропогенного происхождения, который был бы идеальным и не вредил бы здоровью человека, а не загрязнял бы среда жизни ядовитыми веществами -стациально-вещественными или параметрическими - шумы, вибрации, различные виды излучений - полевые формы материи.
Поэтому давно уже говорят о биологической необходимости перехода из техногенных источников энергии на природные, альтернативные источники энергии, то есть противоположные существующим традиционным - гидроэнергетика, атомная, тепловая энергетика альтернативными - энергия Солнца, ветра, земного тепла. Любая машина создана человеком из неживых элементов всегда будет опасной, вредной через различные факторы (физические, химические, биологические), которые сопровождают ее работу.