The article discusses issues related to the description of the structure and functioning of technical objects with concepts such as «method», «principle», «design», «technical», «technical properties» and «technical characteristics».
Key words: engineering science, principle of operation, method of operation, construction, technical objects
Для описания структуры и функционирования технических объектов важное значение имеют следующие понятия: «принцип действия», «способ действия», «конструкция», а также «техническая функция», «технические свойства» и «технические характеристики» [1].
Понятию «принцип действия» соответствует такой уровень рассмотрения строения и функционирования объекта, когда основную роль играет указание на естественный процесс, который совершается в том или ином устройстве, в также функциональное описание тех элементов, из которых состоит структура объекта. Принцип действия всегда содержит указание на закон природы, на основании которого функционирует устройство. Но закон природы есть настолько общее понятие, что оно отвлекается от тех предметных структур, в которых обнаруживается его действие. В нем отсутствует указание на морфологические особенности объекта и поэтому он не может служить основой для классификации устройств по принципудействия [6].
Каждое техническое устройство является особой формой реализации природы. В понятие «принцип действия» входит наиболее общая характеристика этой формы, причем ведущее значение имеет рассмотрение естественного процесса, от которого зависят функциональные и морфологические особенности объекта. Содержание понятия «принцип действия» можно раскрыть на примере рассмотрения работы асинхронного двигателя, которая может быть описана следующим образом: при прохождении переменного тока по обмотке статора возникает в статоре вращающееся магнитное поле, которое в обмотке наводит индукционный ток (в соответствии с законом электромагнитной индукции). Взаимодействие тока ротора с вращающимся магнитным полем статора вызывает вращение ротора со скоростью несколько меньшей скорости вращающегося магнитного поля в статоре.
Все описанное выше позволяет сделать вывод о том, что процессы, протекающие в любом асинхронном двигателе, могут быть описаны единым обобщенным образом, а именно, как явления взаимодействия вращающегося магнитного поля с проводящим контуром (обмоткой ротора) независимо от того, какова конкретная предметная форма этого взаимодействия. Кроме того, рассмотренный пример позволяет указать на основные характерные черты понятия «принцип действия», которое используется в технических науках. Принцип действия содержит:
а. обобщенную характеристику формы проявления закона природы, указывающую на основные физические составляющие и связи между ними. В рассмотренном примере это вращающееся магнитное поле статора и ток в роторе, помещенный в это поле;
б. указание на закон природы, определяющий протекание процесса и его основные особенности: в нашем примере указывается, что в обмотке ротора будет возникать индукционный ток (в соответствии с законом электромагнитной индукции) и что ротор придет во вращение со скоростью, несколько меньшей скорости вращения магнитного поля в статоре;
в. обобщенную характеристику структуры технического объекта [5].
В нашем примере принцип действия указывает, по крайней мере, на двеосновные составляющие в морфологии машины: неподвижный элемент, создающий вращающее поле (статор) и подвижный элемент — проводящий контур (ротор), и на способ связи между ними — использование явлений электромагнитной индукции. Теперь можно сформулировать основные требования к элементам машины: ротор должен обладать достаточно высокой проводимостью, магнитное поле — достаточной интенсивностью, способ создания вращающегося магнитного поля должен быть электрическим, только при этих условиях произойдет преобразование электромагнитной энергии в механическую.
Схематические изображения, используемые на уровне принципа действия, отличаются тем, что в них практически отсутствует сходство с морфологией объекта: в радиотехнике это принципиальные схемы, в электронике — схемы замещения и т. п. Эти схемы отражают физические и функциональные связи элементов строения устройства, а не самих физических величин. Требуется использование определенных знаковых средств для изображения связей указанных элементов, но эти связи не отражают морфологических связей в структуре объекта.
Итак, принцип действия характеризует любое устройство обобщенным образом: указывается, какая форма процесса осуществляется в устройстве, между какими естественнонаучными составляющими и на основе какого закона, т. е. функциональные и морфологические особенности объекта представляются в общей форме.
Из принципа работы асинхронного двигателя следует, что для его построения и работы необходимо иметь как минимум два основных узла:
− статор — создает вращающееся магнитное поле и ротор — представляет собой замкнутый проводящий контур, могущий совершать вращательное движение внутри сердечника статора под действием вращающегося магнитного поля. Оба эти узла могут быть построены различными способами. Основными способами получения вращающегося магнитного поля являются:
1) создание системы трехфазного переменного тока путем смещения обмоток каждой фазы статора относительно друг друга на 120°;
2) при использовании однофазного переменного тока для питания обмотки статора необходимо размещать на сердечнике статора кроме основной обмотки, так называемую дополнительную фазосдвигающую обмотку;
3) использование расщепленного магнитного полюса с короткозамкнутым витком на одной его половине.
− Ротор, в свою очередь, может быть выполнен в виде двоякой конструкции:
1) с коротко замкнутой обмоткой;
2) с обмоткой, способной замыкаться в зависимости от режима на реактивное или активное сопротивление (ротор с фазной обмоткой).
В зависимости от того, каким способом создается вращающееся поле и как изготовлен ротор, асинхронные двигатели по типу бывают: трехфазные с короткозамкнутым ротором, трехфазные с фазным ротором, однофазные с короткозамкнутым ротором и др. Морфологическое различие между ними оказывается весьма существенным, причем оно может быть зафиксировано при рассмотрении способа действия. В отношении же принципа действия они тождественны друг другу.
Способ действия отличается от принципа действия тем, что указывает не столько на форму проявления закона природы, сколько на предметные комбинации элементов, с помощью которых может быть реализовано содержание, определенное принципом действия. Если принцип действия указывает, какие естественнонаучные закономерности должны обеспечить тот или иной процесс, то в способе действия раскрываются те предметныеэлементы или их комплексы, которые могут быть носителямисоответствующих функций и естественнонаучных величин [2]. Из приведенного примера мы видим, что существует значительное число структурных вариантов устройств, в которых совершается одинаковый электромагнитный процесс. Общность указанных вариантов состоит в том, что они представляют собой одну и ту же форму организации «естественного» и имеют один и тот же принцип действия.
Очевидно, что все элементы, указываемые в способе действия, должны удовлетворять тем функциональным признакам, которые накладывает на них принцип действия.
Конкретизация морфологического строения объекта осуществляется в «конструкции», под которой понимается совокупность морфологических элементов, входящих в данное устройство, и их морфологических (конструктивных) связей. Конструктивное выполнение устройства означает, что запланированные в способе действия элементы выполнены в предметной форме и соединены так, что своим действием они реализуют то физическое и функциональное содержание, которое предопределено и принципом, и способом действия. Применительно к технологии под морфологическим содержанием, аналогичным конструкции объекта, можно понимать подробное описание применяемых технологических операций и технологического оборудования [7,8].
Отметим, что между способом действия и конструкцией сохраняется то же соотношение, что и между принципом и способом действия, учитывая при этом, что каждый способ действия может быть реализован в нескольких конструкциях. Это можно объяснить тем, что многим элементам дается функциональная характеристика, определяющая лишь функционально необходимые морфологические свойства. Указанные элементы могут иметь разную форму, размеры и пр., хотя выполняемая ими функция остается одной и той же. Например, обмотка статора асинхронного двигателя может быть распределенной или сосредоточенной, машина может иметь явно выраженные или неявно выраженные магнитные полюса и т. д.
Как правило, для каждого типа технического устройства существуют свои конструктивные разновидности, которые обладают теми или иными особенностями, обусловливающими удобство эксплуатации, экономичность, надежность и т. п., но все они описываются одним способом реализации принципа (способа действия) [4].
Под конкретной технической наукой мы понимаем совокупность теорий, сущность которых опирается на совокупность составляющих объект морфологических элементов, их свойств и связей. Иначе говоря, с помощью конкретной технической науки возможно теоретическое рассмотрение конкретного конструктивного варианта того или иного объекта, а оно, безусловно, является полипредметным комплексом (как полипредметной является «Технология») [3].
Разделение научного технического знания на три уровня аналогично тому, как в содержании естественнонаучной теории вычленяются фундаментальные, частные и эмпирические составляющие. Фундаментальные науки всегда имеют такую высокую степень абстракции,что обязательно налицо имеет место отрыв их от конкретных предметных структур практики. Значит, чтобы соединить их с конкретной реальной действительностью, необходим посредник, в роли которого может быть частная теоретическая наука.
Функциональные особенности технических объектов также могут быть оценены с различной степенью конкретности. Можно выявить три уровня оценки функционирования объектов, соответствующих понятиям «техническая функция». «технические свойства», «технические характеристики и параметры».
Техническая функция является основной, наиболее общей характеристикой технического объекта, причем этим понятием обозначается и область применения его и приносимый объектом полезный эффект. Техническая функция указывает на то общее, что сохраняется при различных ситуациях использования объекта. Например, независимо от области применения асинхронного двигателя его техническая функция состоит в преобразовании электромагнитной энергии в механическую.
Характер взаимодействия объекта и среды служит основанием для выделения технических свойств объекта, которые позволяют дать качественную характеристику поведению объекта в процессе осуществления технической функции и ответить на вопросы: как осуществляется техническая функция и каковы особенности поведения устройств в процессе работы. Например, каждый из рассмотренных ранее электродвигателей, технические функции которых рассматривались ранее, обладают своими свойствами. Асинхронный двигатель с фазным ротором позволяет осуществлять плавное регулирование скорости вращения ротора, изменениемвеличины сопротивления в цепи его, асинхронный двигатель с короткозамкнутым ротором имеет большие нулевые токи и т. д.
Мы видим, что технические свойства позволяют наиболее полно раскрыть содержание технической функции, ибо наличие тех или иных свойств определяет конкретные особенности использования технического объекта, так как при различных условиях эксплуатации требуется от объекта разная способность реагировать на те или иные внешние воздействия.
Технические свойства находят свое выражение в технических характеристиках, которые вводятся на основе количественной оценки тех или иных действий. Поэтому технические свойства являются конкретизацией «поведенческих» свойств объекта. Если технические свойства раскрывают процесс функционирования объекта через комплекс специфических действий, то технические характеристики отображают эти свойства через связи величин, определяющих указанные действия.
Технические характеристики представляются чаще всего в виде таблиц, графиков или же аналитических функций, связывающих те величины, которые имеют существенное значение для описания определенной функции технического объекта (например, скорости вращения, величины напряжения, тока возбуждения и т. п.).
Под техническими параметрами понимают конкретные величины, характеризующие функционирование объекта (например, мощность электрического двигателя, полюса пропускания колебательного контура и т. д.) и морфологические особенности объекта (например, габариты, допустимые отклонения соосности при монтаже и пр.). Итак, в понятиях «техническая функция», «технические свойства» и «технические характеристики» находит отражение процесс функционирования объекта как средства целесообразной деятельности. Конкретизация строения и действия устройства на уровне, описываемом способом действия, позволяет оценить все характерные особенности поведения объекта, в том числе его технические свойства. Например, электродвигатели постоянного тока с последовательным и параллельным возбуждением, имеющие разные технические свойства, отличаются друг от друга не принципом действия (он один и тот же), а конкретным способом создания магнитного поля. Описание объекта на уровне технических характеристик устройства возможно тогда, когда уже известна его конструкция, определен весь набор его морфологическихэлементов и процессу, совершенному в объекте, может быть дана точная количественная характеристика.
Литература:
1. Материаловедение и машиностроение [Текст]: учеб. для бакалавров / А. М. Адскин, Ю. Е. Седов, А. К. Онегин, В. Н. Климов. — М.: Юрайт, 2013. –535 с.
2. Рузавин Г. И. Концепции современного естествознания [Текст]: учеб. пособие / Г. И. Рузавин. — М.: Гардарики, 2009. — 303 с.
3. Сидоров О.В. Методические рекомендации для проведения лабораторного практикума по обработке конструкционных материалов методом электроискровой, ультразвуковой обработки и поверхностной закалки металлов токами высокой частоты [Текст] / О. В. Сидоров, А. С. Тихонов. Учебно-методическое пособие. Ишим: Изд-во ИПИ им. П. П. Ершова, 2003. — 40 с.
4. Сидоров О.В. Проектирование технических объектов как средство развития технического мышления учителей технологии [Текст] / О. В. Сидоров в сборнике: Технологическое образование в инновационно-технологическом развитии экономики страны. Материалы XX Международной конференции по проблемам технологического образования. //Под ред.Ю. Л. Хотунцева. — М., 2014. — С. 352–356.
5. Симоненко В.Д. Естественнонаучные основы технологической подготовки школьников [Текст] / В. Д. Симоненко, А. С. Тихонов. — Брянск: Изд-во Брянского государственного университета, 2002. — 227 с.
6. Тихонов А. С. Естествознание и техника: методологический аспект [Текст] / А. С. Тихонов, О. В. Сидоров // Вестник Ишим. гос. пед. ин-та им. П. П. Ершова. — 2012. — № 4 (4). — С.58–64.
7. Установка для исследования термической обработки металлов и сплавов токами высокой частоты / О. В. Сидоров, А. С. Тихонов, А. Н. Ростовцев. Патент на полезную модель RUS 93538 14.12.2009 г.
8. Учебно-лабораторная установка для исследования процесса обработки токопроводящих материалов в жидких средах с помощьювысокочастотного электроискрового разряда / О. В. Сидоров, А. С. Тихонов, А. Н. Ростовцев. Патент на полезную модель RUS 102 122 02.07.2010 г.
