Становление радиотехнической теории: от теории к практике. На примере технических следствий из открытия Г. Герца (стр. 2 из 9)

Последовательную универсальную для исследования различного рода механизмов теоретическую схему разработал в конце прошлого столетия российский машиновед В. Л. Ассур (1878-1920) исходя из единых принципов их структурной классификации. Такая схема давала возможность не только распределять механизмы на группы по общим признакам, но и применять общие методы решения задач. Некоторые из них были разработаны самим Ассуром, например, методы "особых точек", "ложных картин скоростей" и т.п., иные же, разработанные другими учеными и инженерами ранее, он включил в контекст своей классификации. Эти методы заключались в установлении соответствия между геометрическими представлениями механизма (функциональными схемами) и его кинематическими (поточными) схемами. Тогда с помощью некоторых дополнительных графических построений (построения годографов скоростей и ускорений), а также решения некоторых систем уравнений удается определить опасные значения напряжений и методами теории механизмов и машин изменить в нужном направлении создавшееся положение. Иными словами, инженерная задача разработки надежного, прочного и длительно действующего механизма сводится к научной проблеме исследования, что в контексте физического представления означает определить силы, действующие на его звенья. При этом сам механизм рассматривается как некоторое физическое тело, в естественном, а не искусственном модусе рассмотрения. Далее модифицируя эту научную проблему в математическую задачу, необходимо представить механизм и его движения уже не как движения физического тела, а как ряд геометрических фигур, каждая из которых соответствует определенному положению элементов механизма, причем его элементы рассматриваются теперь в виде математических точек, а силы, на них действующие, - в виде векторов [6]. Таким образом, в работах Добровольского и Артоболевского впервые было осуществлено проецирование теоретической модели на класс потенциально возможных (гипотетических) технических систем определенного типа - механизмов. Сам Артоболевский следующим образом характеризует полученные результаты: "1. Законы структурного образования являются общими для всех механизмов. 2. Анализ общих законов структуры механизмов позволяет установить все возможные семейства и роды механизмов, а также создать единую общую классификацию механизмов. 3. Структурный и кинематический анализ механизмов одного и того же семейства и класса может быть проведен аналогичными методами [...] 4. Проведенные исследования показывают, что современная техника использует очень малое количество механизмов. Предлагаемый [...] метод структурного анализа дает возможность обнаружить огромное число новых механизмов, до сих пор не применявшихся в технике. Эти новые виды механизмов могут быть рекомендованы к использованию на практике" [7].

Таким образом, современные научно-технические дисциплины нельзя рассматривать лишь как прикладные области соответствующих естественных наук, так как в них построены собственные технические теории.

Исследуем далее, каким образом из электродинамики в результате модификации ее исходной теоретической схемы, развитой в первую очередь в работах Генриха Герца, формируется подобная ей, но отличающаяся от нее структура радиотехнической теории [8]. К моменту появления теоретических основ радиотехники еще не было соответствующей ей развитой отрасли промышленности, которая формировалась параллельно с разработкой теоретических схем радиотехники. Поэтому в этом случае теоретическая радиотехника может служить своего рода идеализированным объектом - идеальным типом - историко-научного и методологического анализа генезиса теоретических схем технических наук в процессе модификации теоретических схем соответствующей базовой физической теории (электродинамики).

Экспериментальное доказательство Герцем теории Максвелла и его технические следствия

Заимствованная из механики и акустики теоретическая схема естественного волнового процесса позволяла транслировать для случая электромагнитных волн и соответствующую математическую схему - геометрическое изображение стоячей волны с ее узлами, пучностями, периодом, фазой и длиной. Пользуясь этой схемой Генрих Герц поставил соответствующие эксперименты и произвел необходимые измерения: в частности, изменения фазы и амплитуды электромагнитных волн при отражении и показателя преломления асфальтовой призмы. Герц также, как и Максвелл, использовал Фарадеево представление об электрических и магнитных силовых линиях, детализировав его. Например, он приводит изображения так называемого процесса "отшнуровывания" силовых линий от вибратора (колебательного контура), ставшего затем очень важным для радиотехники элементом радиопередающего устройства, анализируя распределение сил для различных моментов времени. Он называет такое изображение "наглядной картиной распределения силовых линий" (см. рис. 1) [9].

Герц строит особые структурные теоретические схемы и соответствующий им концептуальный аппарат (например, понятия вибратора и резонатора). Скрупулезное описание конструкции опытного оборудования (в том числе, материала, из которого изготовлены зеркала, их формы и размеров) сочетается у него с обобщенным теоретическим описанием экспериментально-измерительных ситуаций в виде структурных схем, которые являются прообразом будущих электрических схем радиоприемного и радиопередающего устройств и входят в состав физической теории (вибратор и резонатор). Для регистрации искры он искал сначала позицию микрометра, соединенного проводом с вибратором, а затем отсоединенного от него, что позволило ему открыть беспроводную передачу электромагнитных волн (см. рис. 2-А) [10].

При исследовании явления электромагнитного резонанса Герцу приходилось подбирать нужные параметры различных компонентов его установки, включавших индукционную катушку, разрядник, конденсатор и т.д. Он измерял длину искры и расстояние между вибратором и резонатором, на основе этих измерений вычерчивал резонансные кривые и проводил необходимые расчеты. Разрабатывая новое экспериментальное оборудование, он действовал как инженер, хотя и не имел в виду какого-либо технического применения своих экспериментальных устройств. И математический аппарат, и опыты служили ему лишь средством к пониманию и объяснению физического процесса - распространения электромагнитных волн в пространстве. Но благодаря именно его работам электродинамика смогла дать жизнь новой сфере инженерной деятельности и соответствующей ей технической теории.

Свою хорошо оснащенную лабораторию в университете Карлсруэ Герц унаследовал от Фердинанда Брауна, профессора электротехники, модернизировавшего в 1883-1885 гг. курсы соответствующих дисциплин в этом университете. Уже "в его ранних исследованиях, которые он проводил задолго до возникновения беспроволочной телеграфии, можно обнаружить зародыши важнейших разработок в этой области [...] Он обладал огромным даром и необыкновенным искусством создания вспомогательного экспериментального оборудования. Именно таким образом появилась измерительная аппаратура, имеющая большое самостоятельное значение, которая нашла применение в качестве физической исследовательской и измерительной техники", - писали о Брауне Мандельштам и Папалекси в 1928 г. [11]

Когда Герц прибыл в Карлсруэ, перед ним "была поставлена задача читать лекции по физическому эксперименту для студентов инженерных специальностей. Для решения этой задачи у него в распоряжении было все необходимое физическое оборудование, которое он мог также использовать и для исследовательских целей" [12]. Позже Герц писал:

"В физическом арсенале высшей технической школы Карлсруэ, где я проводил эти опыты, я нашел и использовал для лекционных целей пару так называемых спиралей Рисса [13]. У меня вызвал удивление тот факт, что не было необходимости разряжать большую батарею через эту спираль, чтобы сохранить искру в другой спирали, что было вполне достаточно использовать для этого, напротив, маленькие лейденские банки, ведь искрение небольшого индуктора происходило, сразу же после разряда искрового промежутка. Я заметил, что при изменении расстояния [между спиралями] появляется сопутствующая искра, и взял это явление как исходное для моего последующего исследования. Сначала я считал эти электрические движения слишком стремительными и нерегулярными для дальнейшего использования; но когда я обнаружил появление узлов [14] в середине рядом расположенного провода и тем самым ясное и чистое явление, я убедился, что теперь задача, поставленная Берлинской академией, может быть решена, а далее этого мое честолюбие тогда и не распространялось. Мое убеждение, естественно, усилилось после того, как я понял, что имею дело с регулярными колебаниями" [15].