Природничі науки. 2 частина. 11 клас. Гільберг

Цей підручник можна завантажити у PDF форматі на сайті тут.

Еволюція техніки

Історія людської цивілізації — це історія винаходів і відкриттів. Мільйони років знадобилося людству для того, щоб освоїти такі природні матеріали, як дерево, глина, камінь, мідь, бронза, залізо. Процес зародження техніки мав випадковий характер: перші знаряддя праці створювали не заплановано. І до їхнього створення долучалися всі представники первісних общин.

Докорінні зміни у способі виробництва відбулися в неоліті (новокам’яний вік (VII-IV тис. до н. е.)) й дістали назву «неолітичної революції». У цей період створено невластиві природі матеріали — кераміку й текстиль, що стали надбанням людства. Ручні знаряддя праці неоліту були першими засобами техніки. Їхнє виготовлення потребувало спеціальних умінь й умов, що сприяло виокремленню особливого типу діяльності — ремісництва. Ремісники поєднували в собі два роди діяльності. Творчого проектування — ідеї створення і матеріального втілення їх — готового виробу.

В історії розвитку техніки етап ручної праці тривав до середини XV ст., до появи перших машин. Але ручна праця не зникла... Ремісництво в наш час набуло нової цінності й породило новий напрям — трендовий handmade1 (мал. 1.2).

1 Позначає всі предмети, зроблені власноруч, а також унікальні за своїм виглядом (у єдиному екземплярі).

Мал. 1.2. Нова цінність ручної праці

В історичному розвитку суспільства виникла певна суперечність між можливостями виробництва, що ґрунтується на ручній праці, і постійно зростаючими потребами суспільства. Подолати її можна було лише за допомогою принципово нових знарядь праці. Такими стали машини й механізми. Машина — від грец. Μηχανή — пристрій, що складається із взаємопов’язаних функціональних частин (деталей, вузлів, пристроїв, механізмів тощо), що використовує енергію для виконання покладених на нього функцій. Збагнули? Машина використовує енергію. Не фізичну силу людини! Якими, на вашу думку, будуть подальші етапи розвитку техніки? Поки думаєте, розгляньте малюнок 1.3.

Мал. 1.3. Техніка, що використовує різні види енергії: а — метальна машина античності; б — гончарний круг; в — вітряк; г — вугільні шахти в Англії з пристроями на паровій тязі (близько 1790 р.); д — перший паровий локомотив; е — перший електромобіль; є — еволюція ламп; ж — ядерна електростанція; з — комп’ютерна техніка; і — альтернативні джерела енергії

Пилотяг і холодильник, літак і підйомний кран, ткацький верстат і комбайн, велосипед й автомобіль — усе це приклади машин. Зверніть увагу, що попри відмінності в зовнішньому вигляді та призначенні, матеріалах, з яких їх виготовлено, вони мають спільну назву — «машини». Чому? По-перше, тому, що всі вони виконують потрібну людині роботу. По-друге, для її виконання усім машинам потрібна енергія. По-третє, спільними для всіх машин є три основні частини: робочий орган, двигун і механізм, що їх сполучає. Без однієї із цих частин машина не працюватиме.

Робочі органи машин можуть бути різними. У гелікоптера — пропелер, у екскаватора — ківш, у велосипеда — колеса. Назва робочого органа свідчить про те, що ця частина допомагає людині виконувати ту роботу, задля якої машину створено.

Призначення двигуна — перетворювати один вид енергії на інший. У двигунах таких машин, як автомобіль, мотоцикл, трактор, хімічна енергія палива перетворюється на теплову, а потім — на механічну. Двигуни пилотяга, пральної машини перетворюють електричну енергію, що надходить до них з електромережі, на механічну. Усі двигуни, зокрема й електродвигуни, під час роботи нагріваються. Це означає, що частина спожитої енергії перетворюється на теплову.

У велосипеда або ручної м’ясорубки двигуна немає. Чому ж їх також називають «машинами»? Тому що роль двигуна в них виконує людина, яка витрачає на виконання роботи свою енергію.

Робочий орган і двигун з’єднані між собою механізмом. У багатьох машин — це прості механізми (важіль, блок, ланцюг, пасок) або їхнє поєднання. Наприклад, механізм велосипеда є поєднанням таких простих механізмів, як важіль, вісь, зубчасте колесо (шестерня), ланцюг. Прості механізми — різні пристрої, які дають змогу виконувати роботу за умови прикладання до тіла порівняно невеликої сили та змінювати напрямок дії сили на зручніший для людини.

Будь-яка машина, будь-який пристрій характеризують коефіцієнтом корисної дії. Під час використання механізми витрачають завжди більше роботи (енергії), ніж потрібно. Наприклад, якщо потрібно підняти якийсь вантаж на певну висоту, то для цього достатньо було б подолати силу земного тяжіння. Під час застосування, наприклад, рухомого блока доводиться долати ще й силу тяжіння самого блока, а також силу тертя в ньому.

Будь-яка машина, будь-який пристрій з рухомими деталями мають долати тертя. Проходження електричного струму крізь провідник теж супроводжується втратами на нагрівання провідника. У теплових двигунах відбувається перетворення теплової енергії на механічну роботу й супроводжується втратами на нагрівання навколишнього середовища.

Протягом усієї історії людства науковці й винахідники намагалися створити такий пристрій, який невпинно рухає сам себе й, окрім того, здійснює ще якусь корисну роботу — вічний двигун (лат. Perpetuum Mobile), ККД якого 100 %. Доведено, що такого бути не може, тож вислів Perpetuum Mobile набув загального значення — «заняття безглуздою справою», «робота над нерозв’язним завданням». Проте пошуки, пов’язані з відкриттям вічного двигуна не були даремними. Інколи вони просто спонукали до творчості, інколи ставали захопленням усього життя або його частини, а інколи — реальним підґрунтям і передумовою справжнього наукового відкриття.

Які перетворення енергії здійснюють технічні засоби, зображені на малюнку 1.3?

Поява машинного виробництва в період переходу від епохи Відродження до епохи Нового часу знаменує собою початок другого історичного етапу в розвитку техніки. Його особливістю є те, що розвиток техніки взаємопов’язаний з розвитком наук. У зв’язку із цим кінець XVIII — початок XIX ст. називають першою промисловою революцією. Її ключові технічні досягнення — створення парової машини й універсальних прядильних верстатів.

Друга промислова революція (її ще називають «технологічною революцією»), що припала на кінець XIX ст., зумовила перехід до масового виробництва через використання електродвигуна й конвеєра. Ключові технічні досягнення:

  • створення машин нового класу, зокрема автомобілів, суден (завдяки переходу від використання вугілля як головного енергоносія до нафти);
  • широке впровадження електрики, способів її генерування і використання електричних машин;
  • розвиток радіотехніки й радіоелектроніки;
  • виникнення і розвиток авіації;
  • розвиток хімічної промисловості, металургії;
  • створення конвеєрного виробництва.

Третя промислова революція від середини XX ст. спричинила перехід до автоматизованого виробництва через використання комп’ютерів й інформаційних технологій. Її визначають як перехід до постіндустріального суспільства, коли сфера послуг переважає над сферою виробництва, а в економіці переважає інноваційний сектор і сфера знань. Ключовими технічними досягненнями є вихід у космос, освоєння атомної енергії і, безперечно, повсюдне використання інформаційних технологій.

Ми з вами ввійшли в епоху четвертої революції, яку називають індустріальна революція 4.0. Четверту індустріальну революцію забезпечують впровадження біо- й нанотехнологій, робототехніки, штучного інтелекту, 3D-друку, комп’ютерних симуляцій, віртуальних речей, хмарних технологій, big data1, віртуальної й доповненої реальностей, блокчейну2 і безлічі інших технологій.

1 Набори інформації (як структурованої, так і неструктурованої) таких великих розмірів, що традиційні способи та підходи (здебільшого засновані на рішеннях класу бізнесової аналітики та системах керування базами даних) не можуть бути застосовані до них. Альтернативне визначення — феноменальне пришвидшення нагромадження даних і їхнє ускладнення.

2 Ланцюжок блоків транзакцій (англ. Blockchain, Block chain від block — блок, chain — ланцюг) — розподілена база даних, що зберігає впорядкований ланцюжок записів (так званих блоків), що постійно довшає.

Стверджують, що історія винаходів почалася з колеса. Воно стало основою гончарного круга, водяних млинів, ткацьких верстатів і транспортних засобів. «Винахід колеса якісно змінив наше уявлення про життя. Ми відчули себе творцями і перестали сприймати природу як основу всього. Ми намагалися протистояти їй, боротися з її проявами, змінюючи навколишній світ так, щоб він служив нам. На сьогодні можна сказати, що ми багато в чому досягли успіху. Ми перемогли.» — так висловив своє ставлення до ролі колеса в житті людини професор Джорджтаунського університету Деніел Робінсон3. Сьогодні технологічні знання людини дають змогу змінювати не лише макро-, а й мікросвіт. Нанотехнології (НТ) (грецьке слово «nannos» означає «карлик») — як сукупність методів маніпулювання речовиною на атомному або молекулярному рівні дають змогу, приміром, забезпечити людині фізичне безсмертя, завдяки тому, що нанороботи, імплантовані в тіло людини, зможуть нескінченно регенерувати клітини, що відмирають. Або приміром, у сільському господарстві — можливо виробляти молоко безпосередньо з трави, минаючи проміжну ланку — корову. Нанотехнології здатні також стабілізувати екологію планети. Нові види промисловості функціонуватимуть без відходів, що отруюють планету, а нанороботи зможуть компенсувати наслідки попередніх забруднень.

3 Daniel Robinson (1937-2018, США) — філософ. У 2011 році отримав премію Американської психологічної асоціації за значний внесок у філософські основи психології.

Яким є шлях від колеса до нанотехнологій? Дослідити історію винаходів можна в різний спосіб. Захопливі історії появи в цьому світі нових речей і винаходів, імена відомих і маловідомих винахідників, великі відкриття й першовідкривачі — усе це можна знайти в книжках — як у дитячих енциклопедіях, так і в дорогих подарункових виданнях. Можна здійснити уявну подорож країнами й століттями, щоби з’ясувати, у яких місцях і в які епохи розквітав творчий геній, побудувати хронологію відкриттів, дослідити їхню географію.

Мал. 1.4. Досліджуємо історію техніки за книжками

А можна дослідити історію техніки, відвідавши музеї (мал. 1.5).

Мал. 1.5. а — музей ідей та винаходів (Барселона, Іспанія); б — музей відкриттів і винаходів (Париж, Франція); в — музей технологій минулого (парк ім. Т. Г. Шевченка, Київ, Україна); г — Державний політехнічний музей при НТУУ КПІ (Київ, Україна); д —Nonseum — музей незвичайних, епатажних, смішних ідей і непотрібних винаходів (селище Херрнбаумгартен, за 80 км від Відня, Австрія)

Або відвідавши виставки сучасної техніки й технологій (мал. 1.6).

Мал. 1.6. Промислові виставки