К юбилею Механика – перспективы есть!
Динамичное развитие технических наук и совершенствование техники в современный период позволяет выявить их особенности и взглянуть «со стороны» на существующие макротехнические проблемы. Актуальные, новые и перспективные технические направления естественно к себе привлекают. Но когда речь заходит о классических, например, таких как механика, то во многих случаях интерес падает. Среди молодёжи, которая обучается по новейшим направлениям, механика воспринимается как нечто устаревающее и отживающее. Так ли это по существу?
В основе мехатроники лежит все та же механика, которая рассматривается в комплексе с электротехникой, электроникой и компьютерным управлением. Поэтому сейчас эта актуальная и сложная область научно-инженерной деятельности направлена на проектирование и конструирование техники нового поколения.
В последние годы заметно увеличился спрос со стороны предприятий и организаций на специалистов по мехатронике. Из бесед с представителями организаций из реального сектора экономики можно сделать вывод: в ближайшее время спрос на механо-конструкторские и технологические специальности (профили) будет только возрастать. И что характерно, всегда в том или ином виде со стороны профессионалов звучит вопрос: «А на каком уровне ваши студенты осваивают механику?» На кафедре мехатроники студенты и преподаватели могут твердо и обоснованно ответить: «На высоком!»
Одиннадцать лет студенческие команды кафедры мехатроники принимают участие в ежегодных всероссийских олимпиадах (с международным статусом) по прикладной механике, которые проводятся в соответствии с планом Минобрнауки России на базе нашего университета. Результат у наших студентов всегда высокий: в 2007 г. – четвертое место по России, в 2008 – первое, в 2009 – второе.
В этом году студенты М. Сачков и А. Опрышко (гр.3671), Д. Новиков (гр.4663) и А. Матвеев (гр.4671) заняли второе место по России; Е. Арбузова (гр.3671), К. Трамбицкий (гр.3670), С. Волковский и А. Никитенко (гр.4663) – второе место по Санкт-Петербургу. Поздравляю победителей и желаю им творческих успехов и удачи.
И, конечно, поздравляю коллектив кафедры мехатроники с таким замечательным результатом. Студентам и выпускникам этой кафедры во многом повезло. Имея достаточно сильную подготовку в области прикладной механики, они способны участвовать в создании техники нового поколения.
В рамках проекта Российского гуманитарного научного фонда мною подготовлена и представлена в электронной версии газеты «Университет ИТМО» статья «Механика: какие перспективы?» В ней я не только задаю этот вопрос, но и отвечаю на него словами: «Современная механика позволяет проектировать и конструировать технику грядущих десятилетий».
Для начала хотелось бы привести некоторые примеры. Многие нынешние студенты помнят, что когда учились в школе они пользовались компьютерной мышью, в основе которой было электромеханическое устройство (движение относительно шарика). В дальнейшем появились компьютерные мыши с оптической системой вместо электромеханической, и наконец – сенсорная панель у ноутбука. Другой пример – звукозапись: не так давно были распространены пластинки, потом магнитофоны и далее CD(и DVD)-плееры. Сейчас у молодых людей пользуются популярностью МП3-плееры, в которых полностью отсутствует движение механических элементов. Классический пример: часы механические – электромеханические – электронные. Пример из «серьёзной» области – совершенствование гироскопов. Долгое время использовались (и используются) электромеханические гироскопы, теперь создаются оптические, где механика уже на второстепенных ролях.
Уже из этих простых примеров видно, что в основе многих устройств и приборов была механика, а далее она исчезает. Да, от механики надо отказываться везде, где это допустимо и возможно. «Идеальный» прибор должен быть без механических элементов. Механические устройства в приборах должны нести определённую вспомогательную функцию. Например, это могут быть модули микромеханических исполнительных механизмов или особо точных преобразовательных устройств, обеспечивающих комплексное функционирование приборов.
Значит ли это, что механика в перспективе должна исчезнуть? Конечно, нет, всё значительно сложнее. Пока существует человек – механика будет необходима, так как вся техника (как совокупность материально-физических объектов) предназначена в конечном итоге для него. Например, как переместить объект из пункта А в пункт Б за определённый интервал времени, если этим объектом является человек? Нет и не будет возможности «виртуально» передать субъекта из Петербурга в Москву. Понятно, что это можно сделать, за семь – восемь часов по одному варианту или за час – по другому и только за счёт системы сложных устройств, в основе которых, прежде всего, лежат конструкционные материалы и механика. Всё остальное – обеспечение социально-технических задач на необходимом и требуемом уровне.
К сожалению, в обществе в последние два – три десятилетия не уделялось должного внимания таким базовым научно-техническим областям как: материаловедение, механика, автоматика, автономная энергетика… Развивались более новые направления науки и техники (и это вполне естественно), которые преимущественно способствуют созданию новых функций материально-физических объектов и в большинстве своем являются некоторым «инструментарием» для проектирования и конструирования технических объектов в конечном виде. И что в результате?
Хочется привести ещё один масштабный пример. Более 40 лет назад была реализована программа «Аполлон» – американцы осуществили полёт человека на Луну. Могут ли современники совершить нечто подобное? Есть определённые сомнения, хотя возможности общества стали во многом выше и научно-инженерное сообщество вооружено быстро развивающимися информационно-компьютерными технологиями, новыми приборами и техническими устройствами. Однако по максимальным показателям (например по параметрам надёжности и работоспособности в экстремальных условиях) современное поколение техники ещё не превзошло прежнего уровня.
Американское космическое агентство НАСА планирует только к 2020 г. «вернуться» на Луну, высадив на естественный спутник Земли четверых астронавтов. Китай также собирается осуществить высадку на Луну своего тайконавта в 2020 г. В России в соответствии с концепцией развития космонавтики освоение лунной поверхности непосредственно человеком намечено на период 2020 – 2025 гг.
Целесообразность всех этих планов тщательно и всесторонне обоснована. Есть смысл выполнить такие планы раньше, но нет реальных технических возможностей, которые далеко не полностью зависят от достижений в информационной сфере. Ожидается, что только к 2020 г. новое поколение техники всецело превзойдёт предыдущее и значительно расширит технические и технологические возможности мирового сообщества. Ещё можно отметить, что в России только сейчас грузовой космический корабль «Прогресс», система управления которого выполнена в цифровом формате, проходит испытания в космосе. Космический корабль «Союз» с подобной системой управления будет запущен в конце этого года, хотя Россия является (и это справедливо) передовой космической державой.
Теперь конкретно о механике. Научно-технические задачи в механике есть и будут. В этой области также имеется существенный прогресс, но он менее заметен из-за огромного числа задач и проблем в новых быстроразвивающихся научных областях. В современной технике есть одна особенность – чем меньше (уже) сфера применения механики, тем выше технические требования к механическим системам. Различные разделы современной механики существенно «углубляются» и по некоторым направлениям «соприкасаются» с фундаментальными исследованиями.
Важное значение в инженерной и научной практике при совершенствовании современной техники сейчас уделяется мехатронике, в которой механика рассматривается в комплексе с электротехникой, электроникой и компьютерным управлением. Но в основе мехатроники лежит всё же механика, а остальное – «надстройка». Следует подчеркнуть, что если нет основы – механики, нет и «надстройки».
Особую роль в развитии мехатроники играют интеллектуальные технологии и их приложения к задачам управления функциональными движениями. Механическая часть в мехатронной системе является объектом управления. Компьютерное управление мехатронными системами на основе интеллектуальных технологий позволяет с высоким качеством выполнять сложные движения в условиях изменения управляющих и возмущающих воздействий даже с неполной информацией о внешней среде.
Высокая точность, предельное быстродействие, сложные траектории перемещения звеньев механизма в пространстве и во времени определяются технологической постановкой задачи управления. Проектирование современных мехатронных систем в настоящее время основано на модульных принципах и технологиях. Уже сейчас создаются сложные машины и комплексы, где мехатронные модули являются как бы конструктивными «кубиками». Т. о. сейчас мехатроника – это актуальная и сложная интегрированная область научно-инженерной деятельности и перспективы ее развития в обозримом будущем весьма серьёзные.
Ещё раз хотелось бы подчеркнуть, что становление мехатроники, как новой области техники и науки, базируется на фундаментальных основах механики и на достижениях её прикладных разделов.
(статья публикуется в рамках проекта РГНФ № 08-03-006390)