Структура технической теории: теоретические схемы и абстрактные объекты; эмпирическое и теоретическое

Как установлено, первые технические теории строились по образцу физических. В развитой естественнонаучной теории наряду с концептуальным и математическим аппаратом важную роль играют теоретические схемы образующие своеобразный «внутренний скелет» теории» (естественнонаучная) и в технической теории они выполняют такую же роль.

Теоретические схемы – это совокупность абстрактных объектов ориентированных, с одной стороны, на применение соответствующего математического аппарата, а с другой – на мысленный эксперимент (проектирование возможных экспериментальных ситуаций). Это особые идеализированные представления (теоретические модели), которые часто (особенно в технических науках) выражаются графически. Например, электрические и магнитные силовые линии Фарадея как схема электромагнитных взаимодействий. Герц развил это в процессе «отшнуровывания» силовых линий вибратора и назвал такое изображение «наглядной картиной распределения силовых линий».

В технических науках такое графическое изображение играет все большую роль, выполняя функцию особого видения мира под определенным углом зрения. Когда с одной стороны, отражают интересующие данную теорию свойства и стороны реальных объектов; а с другой, может быть реализовано в эксперименте путем устранения побочных влияний техническим путем. Например, Галилей, проверяя закон свободного падения тел, выбрал для бросаемого шарика очень твердый материал (ядро), что позволяло пренебречь его деформацией. Стремясь устранить трение на наклонной плоскости, он оклеил ее отполированным пергаментом.

Наклонная плоскость как технически изготовленный объект выступал теоретической схемой, или абстрактным объектом, соответствующим некоторому классу реальных объектов для которых можно пренебречь трением и упругой деформацией. Одновременно он представлял собой объект оперирования, замещающий реальный объект, с которым осуществлялись различные действия и преобразования.

Таким образом, абстрактные объекты, входящие в состав теоретических схем математизированных теорий представляют собой идеализации и схематизации экспериментальных объектов или более широко – любых объектов предметно-орудийной деятельности (в том числе инженерной).

Особенность технических наук заключается в том, что инженерная деятельность, как правило, заменяет эксперимент. Именно в ней проверяется правильность теоретических выводов технической теории и приобретается новый эмпирический материал. В этом и заключается огромная роль инженерной практики.

Особенности абстрактных объектов технической теории:

1. Однородность (в смысле собраны из некоторого фиксированного набора блоков по определенным правилам «сборки»). Например, электротехника: емкости, индуктивности, сопротивления. Теория механизмов и машин – различные типы звеньев, передач, цепей, механизмов.

Подобное строение абстрактных объектов является специфичным и обязательным для технической теории, делая их однородными: фиксированный набор элементов; ограниченность и заданность набора операций их сборки. Это обеспечивает: с одной стороны соответствие абстрактных объектов конструктивным элементам реальных технических систем, а с другой – создает возможность их дедуктивного преобразования на теоретическом уровне.

2. Специфика технической теории состоит в том, что она ориентирована на конструирование технических систем.

Теоретические знания в технических науках должны быть обязательно реализованы в практических инженерных рекомендациях. В технической теории этой задаче служат правила соответствия перехода от одних модельных уровней к другим, а проблема интерпретации и эмпирического обоснования в технической науке формулируется как задача реализации.

Тем самым очень важными являются задачи разработки особых операций перенесения теоретических результатов в область инженерной практики, установление четкого соответствия между сферой абстрактные объекты, технические теории и конструктивные элементы реальных технических систем. Это и есть фактически теоретический и эмпирический уровни знания.

Эмпирический уровень технической теории образуют конструктивно-технические и технологические знания – эвристические методы и приемы выработанные в самой инженерной практике и являющиеся результатом обобщения практического опыта при проектировании, изготовлении, отладке и т.д. технических систем.

1. Конструктивно-технические знания преимущественно ориентированы на описание строения технических систем как совокупности элементов, имеющих форму, способ движения, свойства … но включают также знания о технических процессах, в них протекающих, и параметрах их функционирования.

2. Технологические знания фиксируют методы создания технических систем и принципы их использования.

И одни и другие ориентированы на обобщение опыта инженерной работы и отражаются на теоретическом уровне в виде многослойных теоретических схем различных уровней. Однако эмпирический уровень технической теории содержит в себе и особые практико-методические знания, т.е. рекомендации по применению научных знаний полученных в технической теории и практике инженерного проектирования (особо ценны для последующего творчества).

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

Функциональная схема – приемлема (совпадает) для целого класса технических схем независимо от способа ее реализации, создает общее представление о технической схеме. Как результат идеализации принципов, заданных данной технической теорией. Как правило, схемы привязаны к определенному типу физических процессов и всегда могут быть отождествлены с какой либо математической схемой или уравнением.

Поточная схема – описывает естественные процессы, протекающие в технической системе, исходя из естественно-научных, например, физических представлений, и связывающие ее элементы в единое целое. Она имеет дело не с огромным количеством элементов системы весьма разнообразными по характеристике, принципам действия, конструкцией, а со сравнительно небольшим числом идеальных элементов и их соединений. Для применения математического аппарата требуется дальнейшая идеализация.

Структурна схема технической системы фиксирует те узловые точки, на которые замыкаются потоки – процессы функционирования и которыми могут быть: единицы оборудования, детали или даже целые технические комплексы входящие в систему. Они выражают конструкцию и технические характеристики технической системы.

Однако, следует отличать структурную теоретическую схему от различного рода изображений – схем: монтажных (описывающих конкретную структуру технической системы и служащих руководством для ее сборки); функциональных и др.

Структурные схемы позволяют перейти от «естественного» способа рассмотрения (поточная схема) к «искусственному» - техническая реализация физического процесса.

3.5. Функционирование технической теории: анализ и синтез схем, аппроксимация (эквивалентное преобразование)

Функционирует техническая теория «челночным» (итерационным) путем, ее этапы:

1. формулируется инженерная задача создания определенной технической системы;

2. представляется в виде идеальной конструктивной (т.е. структурной) схемы;

3. преобразуется в схему естественного процесса (поточная схема) отражающего функционирование технической системы. Для расчета и математического моделирования этого процесса;

4. строится функциональная схема, отражающая определенные математические соотношения – этот путь – анализ схем. Обратный путь – синтез схем – его этапы.

I. На базе имеющихся конструктивных элементов (вернее соответствующих им абстрактных объектов) по определенным правилам дедуктивного преобразования.

II. Синтезируется новая техническая система (точнее ее идеальная модель, теоретическая схема).

III. Рассчитываются ее основные параметры.

IV. Имитируется ее функционирование.

Решение, полученное на уровне идеальной модели /2/ последовательно трансформируется на уровень инженерной деятельности, где осуществляется аппроксимация теоретического описания технической системы.

Функционирование технической теории направлено на аппроксимацию полученного теоретического описания технической схемы: его эквивалентное преобразование в более простую и пригодную для проведения расчетов схему; сведение сложных случаев к более простым и типовым, для которых существует готовое решение.

Главное внимание в технической теории направлено на разработку типовых способов решения инженерных задач, стандартных методик проведения инженерных расчетов как можно более простыми средствами. Этим определяется в значительной степени и характер технической теории, доказывающей правомерность такого рода эквивалентных преобразований и аппроксимаций.

Слово "аппроксимация" в своем первоначальном значении в математике означает замещение каких-либо математических функций или расчетных схем другими, приближенно выражающими их, эквивалентными им в определенном отношении, а также более простыми функциями или расчетными схемами, для которых уже существуют или могут быть получены известные решения. В технических науках это понятие получило более широкое толкование как процедура решения инженерных задач на теоретических схемах с помощью ряда их эквивалентных замен и упрощений. Сущность метода аппроксимации заключается в компромиссе между точностью и сложностью расчетных схем. Точная аппроксимация обычно приводит к сложным математическим соотношениям и расчетам. Слишком упрощенная эквивалентная схема технической системы снижает точность расчетов. Немецкий инженер А. Ридлер еще в начале ХХ столетия подчеркивал, что "точное" решение задачи, конечно, является наилучшим, но только если оно соответствует всем практическим условиям данного случая. В этом, собственно говоря, коренится различие чисто математического доказательства и приближенного вычисления в технике, где запутанные доказательства и пространные вычисления могут только помешать проникнуть в суть дела и решить задачу. Эту особенность применения математики в инженерном деле отмечал еще создатель теории корабля академик А. Н. Крылов. Он критиковал тот суеверный страх перед приближенными вычислениями, который прививается в высших учебных заведениях будущим инженерам. Аппроксимирующие выражения и схемы должны по возможности точно выражать характер аппроксимирующей функции или схемы и в то же время быть как можно проще, чтобы и математические решения были более простыми. Надо подчеркнуть, что для одного режима функционирования технической системы может оказаться предпочтительнее один вид аппроксимации, для других режимов - другие виды.

В технической теории заданы и специально нормированы не только правила соответствия функциональных, поточных и структурных схем, т.е. эквивалентные преобразования их друг в друга, но и правила преобразования абстрактных объектов, в рамках каждого такого слоя теоретических схем. При этом ведущую роль в технической теории играют структурные схемы, описывающие в идеализированной форме конструкцию технической системы, поскольку именно через них полученные теоретически результаты решения инженерных задач транслируются в область инженерной практики. В естественной науке подобные схемы выполняют вспомогательную роль - обобщенного описания экспериментальных ситуаций - и, как правило, в процессе систематического изложения теории, например, в учебниках или совсем опускаются, или приводятся лишь в качестве иллюстративных примеров.

Формирование технической теории: фаза образования нового исследовательского направления и формирование новых частных схем; фаза развертывания обобщенных теоретических схем и математизированная теория

Особенности формирования технических теорий

Первые технические теории формировались как приложение физических теорий к конкретным областям инженерной практики, как правило в две фазы.

На первой шло образование нового прикладного исследовательского направления и формирование новых частных теоретических схем.

На второй – развертывание обобщенных теоретических схем и математизированных теорий. При этом из базовой естественной науки сначала транслируется исходная частная теоретическая схема (для технической науки – поточная схема) описывается естественные процессы, протекающие в технической системе.

Из смежной технической науки – структурная теоретическая схема (фиксирующая узловые точки, на которые замыкаются потоки – процессы функционирования – ими могут быть единицы оборудования, детали или, даже, целые технические комплексы) или она разрабатывается заново).

Из математической теории – функциональная схема (применимая для целого класса технических схем, независимо от способа ее реализации, создающая общее представление о технической системе.

Затем – производится адаптация этих схем новому эмпирическому материалу и их модификации за счет конструктивного введения новых абстрактных объектов.

Итак, на первой фазе осуществляется переработка заимствованных из базовой естественнонаучной теории схем экспериментальных ситуаций в структурные схемы конкретных технических устройств, совершенствование и модификация их конструкции. Объект исследования и проектирования рассматривается в этом случае лишь как разновидность объекта исследования базовой естественнонаучной теории.

Например, после проведенных Герцем исследований основных теоретических положений было вполне достаточно, чтобы прийти к их сознательному использованию для создания практических технических устройств. Однако разработанная им в ходе экспериментов аппаратура была еще недостаточно совершенна. Поэтому после публикации результатов Герца развернулись исследования, целью которых было усовершенствование экспериментального оборудования и разработка новых схем экспериментально-измерительных ситуаций, позволяющих найти более простые и надежные способы получения и регистрации электромагнитных волн. Эти работы фактически еще не выходили за пределы экспериментальной деятельности в естественной науке, но вели одновременно к техническому использованию электродинамики. Именно эта деятельность и сделала возможным появление первых радиопередающего и радиоприемного устройств.

Недостатками вибратора Герца были быстрое затухание колебаний и быстрое обгорание контактов. Первый недостаток был устранен за счет введения трех (вместо одного) искровых промежутков, второй недостаток - после помещения осциллятора в жидкость. Это позволило увеличить длину искры без того, чтобы была необходимость отполировывать каждый раз шарики, и легко изменять период колебаний путем сближения или удаления обкладок конденсатора, включенного в первичный контур, или самих шаров вибратора. Одновременное включение в первичный контур конденсатора устранило вредные электростатические помехи, нежелательные при некоторых опытах. В результате стало возможным получить первое радиопередающее устройство: достаточно было включить в первичную цепь индукционной катушки ключ Морзе, что и было осуществлено Маркони. Недостатком вибратора Герца была также малая величина получаемой искры, что затрудняло ее регистрацию. Поиски более надежного способа наблюдения искр производились сразу многими исследователями. В качестве регистратора ими использовалась газоразрядная трубка, электроскоп, термоэлемент и т.д. Однако наиболее перспективным оказался когерер - прибор для обнаружения электрических колебаний, действие которого основывалось на изменении сопротивления "плохого контакта" под действием электрических колебаний в цепи, частью которой он являлся. При помощи когерера Оливер Лодж продемонстрировал отражение, преломление и поляризацию электромагнитных волн. Для восстановления когерера автоматический встряхиватель опилок, которыми он был начинен, сначала включали в цепь когерера, а затем во вторичную цепь с более мощным источником энергии. Его принцип действия основывается на том, что действие электрических зарядов резко уменьшает большое сопротивление опилок. Именно так было создано А. С. Поповым первое радиоприемное устройство.

Таким образом, после Герца развитие электродинамики пошло в двух основных направлениях - дальнейшего обобщения и систематизации физической теории и совершенствования структурных схем эксперимента, что стимулировало появление радиотехники. Второе направление носило, по существу, инженерный характер, хотя и было первоначально ориентировано на решение сугубо исследовательских задач, т.е. на создание новых конструктивных элементов, разработку более эффективных и экономичных схем проведения экспериментов, устранение побочных влияний и т.д. Эта деятельность была направлена на создание различных конструктивных схем радиотехнических устройств и постепенно стала ведущей в новой технической теории (в электродинамике она носила лишь вспомогательный характер). Основное внимание многочисленных изобретателей того времени концентрировалось на совершенствовании конструктивных элементов радиотехнических устройств, направленном на увеличение их мощности, дальности действия, удобства эксплуатации, экономичности, а также освоении все новых диапазонов электромагнитных волн для осуществления радиопередачи и радиоприема. Каждому изобретению при этом сопутствовали определенные теоретические и экспериментальные исследования.

Разработка обобщенной теоретической схемы является завершающей фазой построения технической теории. Чаще всего эта схема транслируется из смежных областей или из базовой естественнонаучной теории. Однако если в базовой естественнонаучной теории нет соответствующего раздела, то он строится заново, что является специальной задачей. В технической теории вводятся однородные абстрактные объекты, состоящие из типовых и иерархически организованных идеальных элементов и связей между ними (правила сборки и разборки этих элементов), которые обязательно ставятся в соответствие конструктивным элементам реальных технических систем, т.е. вводится процедура анализа и синтеза теоретических схем. Если к этому моменту конкретная область инженерной деятельности уже сложилась, то возможна ее перестройка под теоретическую модель (подведение конструктивных элементов под идеальные элементы абстрактных объектов). На этом этапе производятся попытки спроецировать обобщенную теоретическую схему на класс гипотетических технических систем, что приводит к необходимости создания математизированной теории. Задание операций эквивалентного преобразования функциональных схем (дедуктивный вывод) и позволяет осуществить вышеупомянутое проецирование, т.е. синтез еще не созданных технических систем. Это ведет к созданию на эмпирическом уровне технической теории блока практико-методических знаний - рекомендаций для еще неосуществленной инженерной деятельности. Апробация технической теории производится в самой инженерной практике, а доказательством ее жизненности и конструктивности является создание на ее основе новых технических систем.

Например, развитие статистической радиолокации заключалось как раз в разработке такой обобщенной теоретической схемы. Потребность в создании теории радиолокации, которая устанавливала бы основные закономерности и критерии качества любых радиолокационных станций (РЛС), привела к развитию вероятностного подхода к решению ее задач, к разработке на ее основе новых методов обработки и синтеза сигналов. Задача выделения сигнала в шумах является статистической и может быть решена только методами теории вероятностей. Прием сигналов стал рассматриваться как статистическая задача сначала в радиолокации, а затем и в радиотехнике. Таким образом, в теоретической радиолокации сформировались два слоя взаимноскоррелированных теоретических схем, отражающих соответственно электродинамические процессы (поточные схемы) и их статистические модели (функциональные схемы). Скажем, так называемая "рэлеевская цель", с одной стороны, представляет собой объект математической статистики (т.е. определенную функциональную схему, в соответствии с которой дается классификация различных "целей"), адекватный определенному виду вероятностного распределения - распределению Рэлея, а с другой - имеет четкий электродинамический коррелят, находится в четком соответствии с данной поточной схемой. Физически такую цель можно представить как бы состоящей из большого количества отражающих элементов.

Одновременно были разработаны процедуры анализа и синтеза теоретических схем РЛС. Это позволило сравнивать с единых позиций РЛС, отличающиеся по назначению, параметрам и конструктивному оформлению. Для этой цели строится однородный абстрактный объект радиолокации - "идеальная РЛС", относительно которой формулируется основное уравнение дальности радиолокации, а также уравнения, определяющие ее рабочие характеристики. Вычисление различных потерь, наблюдаемых в реальных условиях, позволяет использовать основные схемы и формулы, выведенные для идеальной РЛС, для быстрой оценки параметров реальных станций. Операторное описание РЛС дает возможность выделить в них фиксированный набор стандартных блоков (умножитель, интегратор, пороговое устройство, согласованный фильтр, временной селектор и др.), соответствующих определенным математическим операциям. Из этих блоков по определенным, зафиксированным в теории правилам могут быть синтезированы самые разнообразные функциональные и поточные схемы радиолокационных станций, которые затем реализуются в виде различных структурных схем реальных РЛС.