«Начало жизненного пути Введение - ч. 1 ...»
Статья П. П. Капустина в определенной степени отражала существовавший в те годы разброд в отношении прикладной механики. Несомненно автор был знаком и с книгой Д. А. Граве, и с известным курсом А. И. Сидорова «Основные принципы проектирования и конструирования машин» (1929). Классификация на базе операций, вне всякого сомнения, отразила идеи А. К. Гастева и практику Центрального института труда. Была в статье и изрядная доля путаницы (например, в рассуждениях о машине как о социальной категории), но много было и прогрессивных мыслей, принятых впоследствии всеми машиноведами. Статья коснулась очень больного места и вызвала поэтому оживленную дискуссию.
В дискуссии сразу же наметилось два направления — сторонников преобразования прикладной механики и противников этого. Однако и у тех и у других аргументация основывалась на существующих схемах курса и совершенно не затрагивала его основ. Говорили лишь о перераспределении излагаемого материала, об исключении некоторых разделов, о пополнении новыми разделами и о целесообразности подобных мероприятий.
В дискуссии выступил и И. И. Артоболевский. Он писал: «Статья т. Капустина совершенно правильно заостряет вопрос о ненормальном положении преподавания курса „Кинематики и динамики машин" для конструкторов. В самом деле, современные курсы „Кинематики и динамики машин4 дают ряд методов анализа существующих (вернее существовавших) механизмов и почти, или за немногими исключениями, не дают методов решения обратной задачи — синтеза механизмов, т. е. той задачи, которая, несомненно, для конструктора является основной.
Заведующий кафедрой - ч. 4
Причины этого... надо искать, с одной стороны, в отрыве этой науки от практической действительности, а с другой — в неправильной постановке этой дисциплины на конструкторских отделениях и существующих неясностях в необходимом содержании этой дисциплины...
Преподавание этой дисциплины надо вести не на базе кабинетов-музеев, снабженных громадным количеством давно уже вышедших из употребления моделей механизмов, а на базе хорошо оборудованной лаборатории, где на машинах той отрасли промышленности, в которой будет работать будущий инженер-конструктор, он сам провел бы целый ряд кинематических и динамических исследований...
...Громадное большинство современных машин конструируется почти без всяких динамических и кинематических расчетов... Во всех отраслях машиностроения имеется целый ряд общих вопросов теории машин, которые до сих пор не разрешены. Сюда надо отнести вопрос о трении, вопрос о вибрации в машинах, вопрос об ударном действии сил в машинах, вопрос о методике синтеза механизмов, теории пространственных передач, вопрос об автоматах и т. д....
Поэтому было бы своевременным поднять вопрос о создании специального института по теории машин, которому поручено было бы ведение экспериментально-теоретических исследований, имеющих общее значение для всего машиностроения, разрабатывающего методику исследования машин для отраслевых институтов и подготовляющего аспирантов и научных работников высшей квалификации».
Выступление И. И. Артоболевского отличалось от других статей, опубликованных в «Технике» на эту тему, своей направленностью: это был план работы ученого на дальнейшее; впрочем, кое-что им было уже выполнено. Статья эта была напечатана 9 февраля 1932 г. К этому времени (как мы увидим ниже) идеи полной перестройки учебного курса, задуманной им, уже оформились.
Важным для дальнейшего развития теории механизмов и машин было также выступление В. В. Добровольского. В своей статье он поднял вопрос уточнения содержания курса прикладной механики. Так как этот курс должен состоять из четырех частей: общей теории машин, общей теории механизмов, курса деталей машин и специальных курсов по машиноведению, то необходимость преобразования следует рассмотреть относительно каждой из этих частей. «В частности, курс теории механизмов требует наибольшей переработки. Своим традиционным делением на кинематику и динамику механизмов он особенно ярко отражает тенденции формальной зависимости от неизменной теоретической механики. Вместо такого деления мы предлагаем основать распределение материала в зависимости от классификации механизмов, а последнюю построить по принципу структурности. Дело в том, что метод анализа и синтеза механизмов, как кинематического, так и динамического, целиком зависит от структуры; поэтому рассмотреть механизм одной структуры полностью со всех сторон целесообразнее, чем объединить в одном изложении кинематику механизмов такой различной структуры, как шарнирные и зубчатые, а затем в динамике снова возвращаться к произведенному и давно забытому анализу тех же механизмов».
Заведующий кафедрой - ч. 5
Методические вопросы, поднятые Капустиным, были рассмотрены в статье, подписанной пятью сотрудниками Комакадемии, которые поддержали его в некоторых положениях, указав, впрочем, что он договорился до субъективного идеализма. По их мнению, в машиноведение следовало ввести сведения о социальной сущности машин, причем под этой не совсем ясной формулировкой понимали исследование системы «рабочий—машина» 6. Как известно, подобная идея значительно позже вошла в науку.
Дискуссия продолжалась еще некоторое время. Формально она не была завершена, но материалы, обсужденные на страницах «Техники», выявили как слабые места курса прикладной механики, так и те направления, дальнейшее развитие которых оказалось необходимым. В конце 1932 г. Комакадемия, НИС НКТП и Наркомпрос созвали конференцию по механике, в составе которой была и секция по прикладной механике. Интересно, что на этой секции не было и упоминания о только что проведенной дискуссии, но ряд докладов был посвящен вопросам, связанным с некоторыми из поднятых в дискуссии. Так, Л. П. Смирнов посвятил свой доклад балансировке вращающихся деталей быстроходных машин, И. И. Артоболевский предложил геометрический метод построения ускорений пространственных механизмов, Н. Г. Бруевич исследовал уравновешивание звездообразных авиадвигателей, В. В. Добровольский изложил основы классификации механизмов, развитой Л. В. Ассуром, которую назвал при этом наиболее совершенной.
Дискуссия показала, что наука о машинах нуждается в коренной переработке; с этим согласились почти все ее участники. Однако не было дано ответа на вопрос, как же надо перестраивать эту науку. Впрочем, дальнейшее развитие показало, что прав был И. И. Артоболевский, и наука о машинах пошла в указанном им направлении. А вначале нужно было глубоко познакомиться с теми идеями, которые высказали классики науки о машинах.
ТММ
Становление теории механизмов и машин - ч. 1
Впервые Иван Иванович встретился с трудами классиков науки о машинах еще в годы его пребывания в Сельскохозяйственной академии. Дело в том, что Н. И. Мерцалов славился своим умением быстро и точно решать задачи кинематики самых сложных по структуре механизмов. Его приемы были его своеобразным «производственным секретом».
Вот это обстоятельство и натолкнуло И. И. Артоболевского на мысль о необходимости создания каких-то общих методов решения кинематических задач. Когда он поделился этой мыслью с Н. И. Мерцаловым, тот порекомендовал ему познакомиться с трудами Рело, Бурместера и Грасгофа. Затем он изучил две работы А. П. Малышева по вопросу структуры механизмов, опубликованные в Томске в 1923 г. В этих работах содержался обстоятельный свод библиографии по кинематике механизмов, из которого он узнал о работах Л. В. Ассура. Он их отыскал в библиотеке проф. М. И. Фелиыского, который в то время был заведующим кафедрой прикладной механики в Ломоносовском институте.
Работа Ассура не только заинтересовала, но и увлекла Ивана Ивановича, так как в ней он обнаружил то недостающее звено, которое могло связать воедино учение о структуре механизмов с методами их анализа и сип-теза.
Впервые Иван Иванович сделал доклад об идеях Ассура на научной конференции Московского текстильного института в 1928 г. В нем он раскрыл возможности, открываемые методикой Ассура. Доклад не встретил одобрения со стороны А. П. Малышева, который сам занимался вопросами структуры и сформулировал формулу (являющуюся вариантом формулы О. П. Сомова и именуемую теперь формулой Сомова—Малышева).
Единственным машиноведом, поддержавшим тогда Артоболевского, был В. П. Горячкин. Как-то при встрече у них возникла беседа об идеях Ассура, и Артоболевский (как он вспоминал позже) палкой на песке вычертил ряд Ассура и показал, как образуются механизмы по методу наслоения ассуровых цепей. Горячкин заинтересовался этим методом и предложил Ивану Ивановичу написать небольшую монографию по применению теории Ассура к исследовапию механизмов сельскохозяйственных машин. Рукопись книги была готова к началу 1930 г., и Горячкин ее одобрил. Одновременно он предложил Артоболевскому прочитать для сотрудников Машиноиспытательной станции ВИСХОМа и преподавателей факультативный курс теории структуры, кинематики и кинетостатики механизмов.
Становление теории механизмов и машин - ч. 2
Следующая встреча с идеями Ассура произошла в 1932 г., когда проф. В. В. Добровольский, впоследствии член-корреспондент АН СССР, пригласил И. И. Артоболевского занять место профессора по совместительству на кафедре теории механизмов и машин Военно-воздушной академии им. Н. Е. Жуковского. На кафедре работали также Г. Г. Баранов и адъюнкт (впоследствии академик) Н. Г. Бруевич.
В. В. Добровольский создал на кафедре очень плодотворную атмосферу. Хотя у него была своя программа, он не возражал, чтобы каждый из сотрудников кафедры изменял ее, вносил в нее свои личные научные интересы, взгляды на науку и преподавание. На каждом заседании кафедры преподаватели по очереди докладывали результаты своих исследований и затем их обсуждали. Сам Добровольский занимался тогда вопросами структуры механизмов, Г. Г. Баранов исследовал вопросы анализа и синтеза механизмов авиационных двигателей, Н. Г. Бруевич—вопросы анализа и синтеза кулачковых механизмов, планетарных и дифференциальных передач, а также вопросы уравновешивания двигателей и некоторые другие задачи динамики машин. Основные интересы И. И. Артоболевского относились тогда к теории пространственных механизмов. В результате обсуждения докладов происходило взаимообогащение тематики. Под влиянием докладов В. В. Добровольского Артоболевский вновь начал заниматься теорией структуры, а Добровольский, Баранов и Бруевич заинтересовались теорией пространственных механизмов. Совместно была создана большая коллекция механизмов и организована хорошая учебная лаборатория. «В 30-х годах происходил пересмотр наших взглядов на содержание и задачи теории механизмов. Впервые была поставлена задача — построить эту дисциплину не на базе описания свойств отдельных механизмов, а на базе строгой научной методологии, позволяющей рассматривать не отдельные механизмы, а их совокупности, обладающие общими структурными, кинематическими и динамическими свойствами.
Как показало дальнейшее развитие науки о механизмах, именно такой подход к изучению механизмов обеспечил советской научной школе лидирующее положение в мировой науке».
Совместная работа с В. В. Добровольским над вопросами структуры и классификации послужила материалом к написанию совместной монографии «Структура и классификация механизмов», опубликованной в 1939 г. В том же году Иван Иванович опубликовал и другую монографию: «Структура, кинематика и кинетостатика многозвенных плоских механизмов», которая содержала ряд новых методов решения задач теорий механизмов сложной структуры и высоких классов.
Становление теории механизмов и машин - ч. 3
В эти годы большой вклад в теорию механизмов внес Н. Е. Бруевич. Его кандидатская диссертация, посвященная методам кинематического и кинетостатического анализа механизмов, была построена на базе классификации Ассура и носила обобщающий характер. И. И. Артоболевский, который был одним из оппонентов, просил ученый совет присудить за эту работу ученую степень доктора технических наук, с чем ученый совет и согласился.
Несколько ранее, в 1936 г., самому И. И. Артоболевскому была присвоена ученая степень доктора технических наук без защиты диссертации.
Основным местом работы Ивана Ивановича оставался МИХМ, тем более, что он сам был одним из организаторов этого института. Институт был создан, как говорится, на совершенно пустом месте, и для его организаторов тем самым открылось широкое поле деятельности. Именно здесь был начат «новый» курс теории механизмов и машин, и студенты МИХМ гордились тем, что они учатся по стеклографированным выпускам, написанным специально для них. Здесь были проверены новые методы изложения теории машин на базе структуры и классификации по Ассуру, было углублено изложение динамики машин. Вместе со своими сотрудниками по кафедре — Б. В. Эделынтейном, Т. С. Жегаловой, несколько позже В. А. Зиновьевым — И. И. Артоболевский создал в МИХМ лабораторию по теории механизмов, едва ли не самую лучшую в Москве. Очень много времени и энергии уделяли здесь вопросам постановки курса, курсовым проектам, лабораторным работам; можно сказать, что МИХМ был лабораторией педагогического мастерства. Здесь молодые преподаватели работали со студентами, хотя зачастую студенты были старше своих преподавателей, многие из них были «парттысячниками» или пришли в институт непосредственно с производства. Как вспоминает Е. В. Герц, Иван Иванович всегда являлся на лекцию точно по звонку и по звонку же кончал ее. Он никогда не разрешал себе никаких отступлений, не старался вводными рассказами завладеть вниманием слушателей. Каждая лекция была продумана, прочувствована и представляла собой законченное целое.
Однако как ученый И. И. Артоболевский сформировался (как он признавал это сам) в Военно-воздушной академии, в Московском университете и в Отделении технических наук АН СССР.
Серьезной школой для Ивана Ивановича стал Московский университет, в котором ему пришлось проработать почти 17 лет. По традиции, возникшей еще в середине XIX в., в университете читался курс теории механизмов. Н. Е. Жуковский читал некоторые разделы этого курса, в частности динамику машин и теорию регулирования, после него теорию механизмов читали Н. И. Мерцалов и Л. П. Смирнов.
Становление теории механизмов и машин - ч. 4
В 1932 г. А. И. Некрасов пригласил для чтения этого курса в качестве профессора кафедры теоретической механики И. И. Артоболевского. Ему было поручено читать курс теории механизмов и машин на первом и втором семестрах четвертого курса. Основной курс был обязательным для тех студентов, которые специализировались по теоретической и прикладной механике. Число слушателей было небольшим; по курсу они должны были выполнить некоторые расчетно-графические работы. Одновременно Ивану Ивановичу было поручено руководство кабинетом механизмов. Так как кабинет был очень запущен, его пришлось привести в порядок, починить модели механизмов, а также аппаратов и устройств, которые сконструировал сам Н. Е. Жуковский.
Курс, который читал Иван Иванович механикам, с некоторыми дополнениями был издан в 1940 г. Кроме того, для пятого курса он читал спецкурсы для тех студентов, которые писали дипломную работу по теории механизмов. Обязательными спецкурсами были: динамика машин, теория регулирования машин, синтез механизмов.
Семинары были традицией Московского университета: их проводили по самым различным вопросам науки, и не беда, что иногда число слушателей не превышало трех—пяти человек; некоторые из слушателей впоследствии сами становились ведущими учеными. На многих спецсеминарах докладчиками были сами студенты.
Кроме обязательных спецкурсов, были и необязательные. И. И. Артоболевский в разное время читал в Московском университете динамику поршневых машин, теорию крутильных колебаний валов, теорию уравновешивания авиационных двигателей. Несмотря на технический характер этих курсов, они пользовались большим успехом среди студентов. Готовясь к этим курсам, Иван Иванович изучал литературу, обдумывал каждую лекцию и строил ее по-новому.
Область аэрогидродинамики - ч. 1
Кафедра А. И. Некрасова отличалась разносторонностью интересов сотрудников. Здесь работали профессора А. П. Минаков, Б. В. Булгаков, И. И. Метелицын, М. А. Лаврентьев, И. В. Станкевич. Все они читали различные разделы курса теоретической механики. Когда была выделена кафедра прикладной механики, возглавленная Б. В. Булгаковым, то на нее была возложена подготовка специалистов по теории колебаний, теории механизмов и машин и механике твердого тела (теории гироскопов). На И. И. Артоболевского была возложена специализация по ТММ, но иногда, когда Б. В. Булгаков был болен, ему приходилось вести и отдельные части курса теории колебаний.
Атмосфера на кафедре была творческой. А. И. Некрасов руководил кафедрой с большим уменьем. Одновременно он (с 1930 по 1938 г.) работал в ЦАГИ, где его личным секретарем была сестра Ивана Ивановича, Елизавета Ивановна Артоболевская. В 1932 г. он был избран членом-корреспондентом АН СССР, а в 1946 г.— академиком. Работал он, в основном, в области аэрогидродинамики.
Б. В. Булгаков, виднейший специалист в области теории колебаний, был несколько замкнутым человеком, хотя Иван Иванович был с ним всегда в самых лучших отношениях и в 1946 г. поддержал его кандидатуру в члены-корреспонденты АН СССР.
Большая дружба связывала Ивана Ивановича с Л. С. Лейбензоном и Н. Н. Бухгольцем. Л. С. Лейбензон, один из ближайших учеников Н. Е. Жуковского, имел удивительно широкую эрудицию в области математики, механики и инженерных наук. Он сам хорошо знал теорию механизмов и поддерживал эту специализацию на факультете.
Н. Н. Бухгольц был большим знатоком различных областей механики. Он очень много читал, но писал мало и публиковал еще меньше, зато от него в любой момент можно было получить исчерпывающую библиографическую справку по механике, математике и даже по философии.
С А. П. Минаковым Ивану Ивановичу пришлось встретиться в Текстильном институте, где Минаков читал теоретическую механику. Он хорошо знал живопись, литературу. Его специальностью была механика гибкой нити, которую он привел в систему.
Для И. И. Артоболевского 30-е годы проходили в постоянном общении с очень интересными людьми. Оно не ограничивалось встречами с товарищами по работе и коллективами Военно-воздушной академии, университета и Института химического машиностроения. Продолжались встречи с А. В. Луначарским и с теми представителями артистической и художественной молодежи, которые тяготели к нему. Сперва были пробелы в образовании, над которыми подтрунивал Анатолий Васильевич. Но тогда за Артоболевского вступалась Н. А. Розенель, очень тепло и трогательно к нему относившаяся и защищавшая его от дружеских нападок Анатолия Васильевича, подчас справедливо обвинявшего его в недостаточном для всесторонне образованного человека знании гуманитарных наук. Как вспоминал Иван Иванович, центром, вокруг которого объединялась в их доме интеллигенция, был сам Анатолий Васильевич, но без Наталии Александровны, кажется, не было бы того тепла, которое было присуще семье Луначарских. Здесь Иван Иванович встретился и на всю жизнь подружился с И. С.Козловским, встречался с И. М. Москвиным, В. Э. Мейерхольдом, С. М. Эйзенштейном и с другими деятелями театра и кино.
Область аэрогидродинамики - ч. 2
Многое дала дружба с И. С. Козловским. «Его голос не походил ни на одного из известных мне тогда теноров, а я слышал Собинова и Смирнова. Я до сих пор не могу без волнения слушать Ивана Семеновича, я люблю его голос, его манеру исполнения, я люблю его и как настоящего гуманиста, человека, который никогда не был эгоистом и, имея такой талант и дарование, никогда не замыкался в себе. Дружба с ним началась у нас с Тиберды... Он оказался очень интересным собеседником. Прекрасно знал литературу, историю музыки, и мне было очень хорошо с ним. Мы часто обсуждали и проблемы театра, который я очень любил. Иван Семенович рассказывал мне, что он готовит роль юродивого в опере «Борис Годунов». У нас в семье был „культ" В. О. Ключевского, человека, который был другом папы.
Я с ранних лет читал все сочинения Василия Осиповича и хорошо знал русскую историю. Вечерами я рассказывал Ивану Семеновичу все, что знал о царствовании Бориса Годунова, излагал ему взгляды Ключевского. Иван Семенович был прекрасным слушателем и собеседником. Он, оказывается, уже много знал до меня, так как, готовя роль, перечитал большую литературу. Мы с ним гуляли, ездили верхом на экскурсии, на перевалы, горные озера, играли в волейбол и теннис. В Москве мы встречались обычно на концертах, премьерах, иногда у Луначарских».
Приходилось Ивану Ивановичу встречаться и с другими артистами — с создателем Второго МХАТа И. Н. Берсеневым и с его женой, С. Г. Гиацинтовой, с С. Бирман. Унаследовав от отца, большого почитателя Ф. М. Достоевского, глубокое почитание его творчества («Я считаю Достоевского самым гениальным писателем мира конца XIX и начала XX веков»), он мог с большим знанием дела беседовать с Берсеневым о «теме Достоевского». В 1935 г. Иван Иванович познакомился с Д. Шостаковичем, долгие годы дружил с Р. Н. Симоновым, учеником Е. Б. Вахтангова, возглавившим коллектив «вахтанговцев» после смерти учителя.
В 1932 г. И. И. Артоболевский встретился со своей будущей женой — певицей и концертмейстером О. Н. Калашниковой.
Тем временем в Разумовском жизнь шла по-прежнему. Старший брат, Сергей Иванович Артоболевский, до начала 30-х годов работал на различных инженерных должностях, одновременно исследуя ряд проблем теории механизмов. С 1931 г. он преподавал в Московском институте пищевой промышленности, а в 1933 г. начал читать курс теории механизмов также в Московском энергетическом институте, где с 1935 г. был назначен заведующим кафедрой теории механизмов и машин. В 1934 г. в отзыве о его работах Н. И. Мерцалов писал: «Доцент С. И. Артоболевский по окончании курса работал под моим руководством по исследованию механизмов и машин в кинематическом и динамическом отношениях, в результате чего им были написаны работы „Силы инерции в сложных молотилках" и „Исследование сбрасывающей грабли" (как опыт исследования пространственного механизма)... В настоящее время он продолжает свои кинематические и динамические исследования механизмов и машин и написал весьма интересные работы: 1. По исследованию и сравнению сложных американских и европейских молотилок и 2. Опыт исследования в кинематическом и динамическом отношениях электромагнитного контактора...».
Область аэрогидродинамики - ч. 3
Таким образом, оба брата пошли по одному и тому же пути.
Теория сферических механизмов, которой Иван Иванович начал заниматься в середине 20-х годов, была опубликована лишь в 30-х годах, после того как он досконально познакомился со структурной теорией Ассура и смог подойти к сферическим механизмам с новой точки зрения.
Вместе с Н. И. Мерцаловым И. И. Артоболевский принял участие в выпуске «Технической энциклопедии», которая выходила в Советском Союзе в 1927—1936 гг. Как здесь, так и в первых своих самостоятельных публикациях он основное свое внимание посвятил вопросам динамики и теории пространственных механизмов. И это не было случайностью. Воспитанный на практике сельскохозяйственных машин с их разнообразием технологических процессов, он, приступив к их теоретическому изучению, увидел, что дальнейшее совершенствование этих машин невозможно без решения наиболее существенных и в то же самое время наиболее сложных проблем механики машин.
Первая сводка идей И. И. Артоболевского в области теории пространственных механизмов была опубликована им в 18-м томе «Технической энциклопедии»; в 1937 г. была опубликована на ту же тему монография, посвященная Н. И. Мерцалову.
Исследование начинается с систематизации кинематических пар. Рассматривая пространственное движение твердого тела (звена),ч он устанавливает существование пяти групп кинематических пар, которые обладают числом степеней свободы от 1 до 5 и, в свою очередь, делятся на подгруппы. Из звеньев может быть составлена пространственная кинематическая цепь. В общем случае пространственная кинематическая цепь будет иметь семь осей и семь звеньев, она является аналогом плоского четырехшарнирного механизма. Если все оси шарниров пересекутся в одной точке, то полученный механизм будет иметь опять-таки четыре звена и четыре оси. Переходя к классификации механизмов, Артоболевский различает простые и сложные случаи. Простые случаи характеризуются следующим образом: «Если оси механизма образуют один общий пучок лучей, имеющий своим центром одну общую точку, то такой механизм будем называть механизмом I класса: если оси механизма образуют два пучка, имеющие своими центрами две точки,— механизмом II класса; если оси образуют три пучка и имеют своими центрами три точки,— механизмом III класса; четыре пучка и четыре точки,— механизмом
Область аэрогидродинамики - ч. 4
IV класса; пять пучков и пять точек,— механизмом
V класса; шесть пучков и шесть точек,— механизмом VT класса и, наконец, семь пучков и семь точек,— механизмом VII класса» 2. Отсюда следует, что все четырехосные механизмы относятся к механизмам I класса, все шестиосные — к механизмам II класса и, наконец, механизмы III и более высоких классов будут механизмами семиосными.
Рассматривая сложные пространственные кинематические цепи, Артоболевский установил, что группа, обладающая нулевой степенью свободы, имеет шесть возможных относительных движений или шесть осей. Таким образом, шестиосная группа звеньев с непараллельными и непересекающимися осями может быть присоединена к семиосному механизму любого класса без изменения числа его степеней свободы. Кроме шестиосной группы, к механизму могут быть присоединены группы, кратные шестиосным: двенадцатиосная, восемнадцатиосная и т. д. Двенадцатиосная группа может быть также разбита на классы, причем ее можно рассматривать или как самостоятельную группу, или же как двойную шестиосную. Подобный порядок построений распространяется и далее. Тогда цепи, образованные путем последовательного наслоения одиночных и сложных шестиосных групп, можно назвать механизмами первого порядка. Механизмы, образованные путем присоединения групп, имеющих одно базисное звено и любое число ветвей,— механизмами второго порядка. Механизмы, образованные группами, имеющими несколько базисных звеньев, будут называться механизмами третьего порядка и, наконец, механизмы, образованные присоединением замкнутых контуров,— механизмами четвертого порядка.
Аксоиды - ч. 1
Нетрудно видеть, что эта классификация составлена под влиянием классификации Ассура, разработанной им для плоских механизмов. И. И. Артоболевский пытается подойти к классификации пространственных механизмов по аналогии с Ассуром: он строит ее на подобии плоских и сферических механизмов, которое было им установлено. Это не может служить достаточно общим признаком, что он и обнаружил в процессе своей дальнейшей работы над теорией структуры механизмов.
Рассматривая движение звена пространственного механизма, Артоболевский устанавливает сперва те ограничения, которые должны быть наложены на движение звена, чтобы оно имело лишь одну степень свободы. Он находит следующие возможные геометрические комбинации: одна точка неподвижна, а две точки движутся по заданным поверхностям; две точки твердого тела движутся по двум заданным кривым и одна точка движется по заданной поверхности; одна точка твердого тела движется по заданной кривой и три точки движутся по трем заданным поверхностям; пять точек твердого тела движутся по пяти заданным поверхностям. Для этих четырех случаев он определяет скорости графо-аналитическим методом, исследует построение осей мгновенного вращения и скольжения подвижных и неподвижных аксоидов.
Далее приведена методика определения ускорений звена пространственного механизма. В главе второй было показано, что движение звена в общем случае может быть задано или положением осей мгновенного вращения и скольжения для ряда последовательных положений звена (неявное введение винта), или же условиями, налагаемыми на движение отдельных его точек. К этим же двум случаям приводится и определение ускорений. Первый метод разобран лишь теоретически; что касается второго метода, то здесь он производит построения планов ускорений.
Рассматривая условие однократной степени изменяемости сферического механизма, И. И. Артоболевский устанавливает его полную тождественность с соответствующим условием для плоских механизмов. «Эта тождественность будет совершенно понятной, если иметь в виду, что всякий плоский механизм может быть всегда представлен как тот частный случай сферического механизма, когда центр сферы находится на бесконечности. Это структурное подобие плоских и пространственных механизмов позволяет провести целый ряд аналогий в структуре и классификации сферических механизмов. Как известно, образование плоских механизмов может быть представлено как прибавление к системам, имеющим одну степень свободы, отдельных групп звеньев, удовлетворяющих условию, чтобы число степеней свободы прибавляемой группы равнялось нулю, т. е.
Аксоиды - ч. 2
Зп-2р-к = 0.
В плоских механизмах этому условию удовлетворяют так называемые двухповодковые, трехповодковые, четырехповодковые и т. д. группы, а также некоторые другие замкнутые и незамкнутые кинематические цепи. В сферических механизмах этому условию будут удовлетворять трехосные, шестиосные, девятиосные и т. д. группы».
Так в сущности началось внедрение метода Ассура применительно к пространственным механизмам в целях изыскания оптимальной систематики и оптимальных методов решения. Как и у Ассура, сферические группы образуются методом развития поводка. «Очевидно, что так же, как и в плоских механизмах, можно получить группы, имеющие замкнутые контуры, или же группы, в состав которых входят звенья без поводков».
В качестве примеров приводятся механизм шарнира Гука и механизмы качающихся шайб. Последний тип уже давно интересовал И. И. Артоболевского, который в 1936 г. опубликовал работу по структуре и кинематике этих механизмов. Методика определения скоростей и ускорений механизмов качающихся шайб в монографии разобрана достаточно подробно.
Последние разделы посвящены исследованию механизмов высших классов и сложных кинематических цепей. Здесь исследование лишь намечено, так как автору явно не хватало математического аппарата, а использование методов проективной и начертательной геометрии приводило к очень сложным и трудным построениям. Поэтому И. И. Артоболевский решил еще раз пересмотреть вопросы структуры пространственных механизмов.
Так были начаты поиски принципов построения пространственных механизмов. Параллельно шла работа над совершенствованием учебника для высшей школы. Нужно сказать, что дискуссия, проведенная в 1932 г. и установившая, что в этом отношении не все обстоит благополучно, сыграла свою роль, и уже в следующем году появляются новые учебники, обладавшие методическими и научными достоинствами. В 1933 г. вышел в свет учебник А. П. Малышева «Кинематика механизмов», который содержал довольно большой раздел, посвященный структуре и синтезу механизмов. Здесь он выводит свою формулу существования пространственного механизма, идентичную с формулами П. О. Сомова и X. И. Гохмана, но анализа ее не производит и использует ее лишь формально. Характерно, что вопросы структуры он излагает после изложения кинематики, в которой он не пользуется какой-либо классификацией.
Аксоиды - ч. 3
Интерес к классическому наследию возник в те годы не только в Советском Союзе. В Германии перед машиноведами встали те же самые проблемы, что и перед советскими машиноведами: учение о плоских механизмах, синтез механизмов, теория пространственных механизмов. Первые две проблемы решались на базе трудов Рело, Бурместера, Грюблера и Виттенбауэра. Следуя Бурместеру, Г. Альт и его ученики развивали метрический метод синтеза механизмов. В работе «К синтезу плоских механизмов» (1921 г.) Г. Альт распространил метод Бурместера на четыре и пять заданных положений и показал, что задача синтеза шарнирного четырехзвенника может иметь до трех решений. Кроме того, Альт указал, что при синтезе важное значение имеют не только положения, которые принимает механизм в процессе своего движения, но и распределение скоростей. В конце 20-х годов Альт решил ряд задач синтеза кривошипно-ползунного механизма, а в 1932 г. начал заниматься синтезом многозвенных механизмов.
Параллельно проводились исследования в области структурного синтеза, который был основан на идеях М. Грюблера и сводился к определению числа звеньев механизма по установленным зависимостям между числом звеньев и кинематических пар. В таком виде Структурный синтез мог лишь подтвердить возможность существования механизма, построенного некоторым образом, но он не давал ни способа построения такого механизма, ни тем более определения размеров звеньев и не указывал на характер их взаимосвязи в процессе относительного движения звеньев. Некоторые новые идеи внес К. Кутцбах, который применил схему Грюблера к задаче о распределении движения, получаемого от одного источника между несколькими и в общем случае различными каналами. Он использовал гидравлическую модель передачи давления от одного источника в несколько каналов. Кутцбах распространил этот метод и на механизмы, составленные из жестких звеньев, и в частности построил ряд конструкций дифференциальных механизмов.
Третий метод синтеза механизмов, развитый немецкими учеными в 20-х — первой половине 30-х годов,— это эмпирический метод, он ведет свое начало от идей Рело. Он заключался в преобразованиях существующих механизмов путем изменения базового звена. Логическим развитием тех же идей стал так называемый экспериментальный синтез механизмов, предложенный и разработанный Pay (1931 г.). Pay предположил, что всю систематику механизмов, по Рело, можно свести к шарнирному четырехзвеннику, который становится, таким образом, исходной формой построения сложных механизмов. Все виды Элементарных кинематических пар Pay приводит к шарниру. Pay изображает те шатунные кривые, которые получаются при изменении величин звеньев и формы четырехзвенника; при этом он пытается решить обратную задачу — определить размеры механизма, который сможет воспроизвести нужную кривую или хотя бы ее участок.
Аксоиды - ч. 4
Альт и Флокке положили начало также динамическому синтезу механизмов, который оказался необходимым при проектировании высших кинематических пар. Действительно, при проектировании кулачковых механизмов оказалось, что недостаточно построить кулачок, соответствующий заданному закону движения; таких кулачков можно построить сколь угодно много, но не все они смогут работать. В одной из статей, опубликованных ь 1931 г., Флокке развил понятие угла передачи движения и доказал его зависимость от параметров механизма. Альт обобщил понятие угла передали и распространил его на другие, в частности на шарнирные, механизмы.
Первой и наиболее важной немецкой работой в области кинетостатики и динамики механизмов явилась «Графическая динамика» Виттенбауэра (1922), однако в ней были лишь элементарные сведения по структуре механизмов, развивавшие идеи Грюблера. Прегер пытался устранить недостаток работы Виттенбауэра, связанный с отсутствием классификации, и в 1926 г. в своей монографии «Кинематика механизмов как орудие динамики механизмов» построил изложение на основе классификации, предложенной Линеном в Мюнхене во втором десятилетии XX в. Однако классификация Линена была значительно менее совершенной, чем классификация Ассура, и методы анализа механизмов, построенные на ее базе, оказались громоздкими и малопригодными для практического использования.
Идеи Виттенбауэра и Прегера развивал австрийский ученый Карл Федергофер, профессор Высшей технической школы в Граце. Он решил задачу точного и приближенного определения сил инерции методом замещающих масс и задачу определения точки приложения силы инерции — при помощи поворотного круга. Самое же главное — это то, что Федергофер начал исследования теории пространственных механизмов. Так же как и в Советском Союзе, на Западе эти проблемы были связаны с развитием специального технологического, и в частности сельскохозяйственного, машиностроения. Он разработал методы киыетостатического расчета пространственных механизмов с низшими парами и некоторыми задачами пространственной кинематики и кинетостатики механизмов с высшими парами.
Как известно, первым пространственным механизмом с высшей парой, с которым встретилась техника, был механизм конического зацепления. Не позже XV в. был изобретен шарнир, носящий имя Кардана и его вариант—механизм Гука (XVII в.). В дальнейшем новые механизмы сферического типа появились лишь в XX веке — в 20-х годах был изобретен механизм качающихся шайб, нашедший себе применение в автомобильной и авиационной технике. Для некоторых частных случаев кинематика механизмов качающихся шайб была изучена немецкими учеными в конце 20-х годов. В частности, в 1929 г. Ф. Мюллер (одновременно с И. И. Артоболевским) использовал аналогию между плоскими и сферическими механизмами, на которую впервые указал Рело еще в 1875 г.
Кинематика механизмов - ч. 1
И. И. Артоболевский посвятил кинематике механизмов с качающимися шайбами статью, опубликованную в 1936 г.
Таким образом, советские машиноведы и немецкие ученые, которых можно отнести к «немецкой» школе в науке о машинах, шли параллельными путями. Следует учесть при этом, что Международной организации машиноведов тогда не было, взаимная информация отсутствовала, и ученые одной страны не всегда и весьма не полно знали о работах, проводимых учеными других стран. Обмену идеями препятствовала и начавшаяся фашизация Германии.
Поэтому информацию о зарубежных работах должны были составлять сами советские ученые. В этом направлении важную работу выполнил Н. Г. Бруевич. Он опубликовал в 1934 г. статью «Современное состояние теории механизмов в Германии», которой привлек внимание советских машиноведов к проблеме синтеза механизмов. Позже он же опубликовал вторую статью на ту же тему — «Современное состояние синтеза механизмов»6, в которой привел и краткий исторический очерк проблемы.
Таким образом, необходимость создания действенной классификации механизмов к началу 30-х годов была осознана как советскими, так и зарубежными учеными. Но в этом отношении положение советских исследователей было лучшим: в их распоряжении оказался классический задел. И в первой половине 30-х годов в Советском Союзе идет напряженная работа над разработкой систематики и классификации механизмов. Вслед за И. И. Артоболевским творчество Л. В. Ассура начинают изучать Н. Г. Бруевич, В. В. Добровольский, С. Н. Кожевников. В 1935 г. Н. Г. Бруевич опубликовал свои исследования по общим методам кинетостатического анализа плоских механизмов путем решения систем векторных и скалярных уравнений. Значение этих работ состояло в том, что была решена важная проблема механики машин на основе классификации Ассура.
В начале 30-х годов советские машиностроители стали разрабатывать еще одно направление науки о машинах — теорию машин автоматического действия. Для советского машиностроения, переживавшего в первые годы первой пятилетки свою раннюю молодость, направление это явилось заделом на будущее. Правда, это будущее оказалось весьма недалеким. В 1932 г. в Ленинградском политехническом институте С. В. Вяхирев и Н. И. Колчин организовали первую в Советском Союзе кафедру машин автоматического действия.
В этой работе принял участие также А. П. Иванов. В 1937 г. он опубликовал работу «Методика построения машин-автоматов». Несколько раньше, в 1934 г., он опубликовал (в соавторстве со своими сотрудниками М. В. Дубровиным, Н. И. Фугенфировым и М. В. Семеновым) учебник прикладной механики.
Кинематика механизмов - ч. 2
Учебник этот принадлежит еще к «старому» направлению, однако в нем уже подняты некоторые вопросы, характерные именно для науки о машинах 30-х годов. В учебник были включены разделы, посвященные структуре, синтезу и анализу механизмов; в последнем были изложены сведения из кинематической геометрии, метод планов скоростей и ускорений и графическое дифференцирование и интегрирование. Во второй части, посвященной теории машин, были рассмотрены равновесное движение (в частности, здесь были изложены элементы кинетостатики) и неравновесное движение: силы инерции и их уравновешивание, регулирование хода машин, включающее расчет махового колеса и понятие о регуляторах, а также колебания в машинах. Учебник содержал также разделы, в которых были изложены основные данные о гидравлических, пневматических и электромеханических передачах.
Были и другие учебники — Н. И. Колчина, который выпускали отдельными тетрадями, С. В. Вяхирева и другие. Самым распространенным был в первой половине 30-х годов учебник Л. Б. Левенсона, который в 1934 г. издан четвертым изданием в двух томах: первый был посвящен кинематике механизмов, а второй — статике и динамике машин. Лев Борисович Левенсон был выдающимся специалистом в области теории горных и обогатительных машин. По окончании Петербургского горного института (1903 г.) он работал инженером-конструктором, а в 1915 г. после защиты диссертации был избран адъюнктом по кафедре прикладной и горнозаводской механики в Горном институте. В 1930 г. он переехал в Москву и занял кафедру прикладной механики в Московском горном институте. Левенсон был прекрасным конструктором, и к нему часто обращались за разного рода консультациями, чаще всего по вопросам прочности и надежности. Как конструктору ему неоднократно приходилось решать задачи, связанные с силами инерции. Об этом он писал и в своем учебнике по теории машин; однако формулировка самого понятия силы инерции у него была не вполне корректна. Эта формулировка и послужила причиной почти двухлетней дискуссии (1935— 1937 гг.).
Едва ли можно было назвать простым вопрос, который возник еще в XVITI в. и который неоднократно возникал уже после завершения дискуссии 30-х годов. Кроме того, сама дискуссия выявила очень большое разнообразие мнений по этому «простому, но важному» вопросу, причем среди виднейших ученых-механиков. И притом решения Левенсона даже с учетом некорректности его формулировок были инженерно правильными. Критики не могли (или не хотели) заметить это обстоятельство. И. И. Артоболевский принимал все меры, чтобы смягчить удары, обрушившиеся на Л. Б. Левенсона, стараясь убедить его противников, что некоторые трактовки этого вопроса встречаются и у других авторов и что инженерный результат расчетов не меняется от характера трактовки.
Кинематика механизмов - ч. 3
Профессор Ленинградского индустриального института Е. Л. Николаи опубликовал статью, в которой провел анализ самого принципа Даламбера как исходной причины всех недоразумений, а также очерк его дальнейшей трактовки у Делоне и у других ученых. Но никто из участников дискуссии не вспомнил о том, что понятие силы инерции (о котором рассуждал еще Карно в 1783 г.) оставалось сугубо академическим до тех пор, пока силы инерции не дали себя почувствовать. В последней четверти XIX в. в связи с возросшими скоростями движения участились случаи крушения поездов, были поставлены вопросы о необходимости уравновешивать вращающиеся и поступательно движущиеся массы. Оказалось, что в ряде случаев силы инерции во много раз превосходят силы веса соответствующих деталей.
Однако нельзя сказать, что дискуссия была бесполезной. Она показала, что ученым нельзя расходиться на два чуть ли не враждебных лагеря —на теоретиков и на практиков. Пришлось вспомнить слова великого теоретика, основателя Петербургской математической школы, П. Л. Чебышева о том, что наиболее благоприятные результаты дает сближение теории с практикой. «Несмотря на ту высокую степень развития, до которой доведены науки математические...— писал он,— практика явно обнаруживает неполноту их во многих отношениях; она предлагает вопросы существенно новые для науки и, таким образом, вызывает на изыскание совершенно новых методов. Если теория много выигрывает от новых приложений старой методы или от новых развитии ее, то она еще более приобретает открытием новых метод, и в этом случае наука находит себе верного руководителя в практике».
Иван Иванович Артоболевский внимательно следил за дискуссией, хотя сам и не принял в ней участия. Ему приходилось встречаться с Левенсоном, и он искренне уважал его как замечательного инженера и творца машин. Конечно, дело о его научных ошибках было крайне раздуто, но все же они были. А ведь вопрос о силах инерции был не единственным «скользким» местом в теории машин, были и другие. Как же поступить в этом случае?
И Иван Иванович приходит к единственному возможному решению: науку о машинах нужно создавать заново, на стыке идей учения о машинах, математики и механики; теория механизмов и машин должна стать действительной теорией машиностроения. А для этого нужно изучить и творчески переработать все лучшее из того, что было сделано отечественными и зарубежными учеными в этом направлении.
Структура механизмов
Учение о структуре механизмов - ч. 1
В соответствии с новым уставом Академии наук СССР, утвержденным СПК СССР 23 ноября 1935 г., в составе Академии наук было организовано Отделение технических наук. Тем самым впервые в истории отечественной науки за прикладными науками было признано право развиваться в стенах академии наравне с науками фундаментальными. Обусловлено это было задачами, которые поставили перед страной первые советские пятилетки. Нужно было наиболее эффективно использовать имевшиеся и подготовить новые научные кадры в области прикладных и технических наук. Для этого в состав Академии наук был включен ряд специализированных институтов, а также организованы новые институты.
Первыми структурными подразделениями Отделения технических наук стали так называемые комиссии. Созданы они были по инициативе первого председателя отделения академика С. А. Чаплыгина. Со второй половины 1936 г. в комиссии по машиноведению начал работать И. И. Артоболевский. Комиссия эта, работавшая под председательством члена-корреспондента АН СССР Е. А. Чудакова, состояла из семи бригад. Бригаду по теории механизмов и машин возглавлял Л. Б. Левенсон, а секретарем ее стал И. И. Артоболевский.
На первом заседании бригады по теории механизмов и машин был заслушан доклад Е. А. Чудакова о новых методах расчета зубчатых передач. На следующих заседаниях докладывали Н. И. Мерцалов, Л. Б. Левенсон, Л. П. Смирнов и другие. В октябре 1936 г. В. В. Добровольский прочел доклад «Основные принципы классификации механизмов», в котором изложил основы классификации и структуры механизмов по Ассуру. Несколько позже в докладе «Современное состояние теории механизмов и машин и ее прогресс за последние двадцать лет Н. Г. Бруевич высказал мысль о необходимости развивать методы синтеза механизмов. Тогда же А. П. Малышев прочитал сообщение относительно применения прикладной механики в области текстильного машиностроения.
В заседании бригады принимали участие многие ученые, занимавшиеся вопросами теории механизмов и машин, поэтому вскоре заседания эти были преобразованы в постоянный семинар. Председателем семинара Е. А. Чудаков назначил Л. Б. Левенсона, однако тот из-за плохого состояния здоровья в начале 1937 г. передал научное руководство семинаром Н. И. Мерцалову. В конце того же года семинаром стал руководить И. И. Артоболевский. Руководить семинаром ему пришлось без малого 40 лет...
Учение о структуре механизмов - ч. 2
Но основной работой в бригаде была подготовка материалов и обоснований, необходимых для организации Института машиноведения. Вместе с Е. А. Чудаковым, который должен был занять пост директора института, Иван Иванович разрабатывал предложения по научному профилю института, требуемому оборудованию, структуре и штатам института и его подразделений, вопросам строительства. Были проведены совещания с представителями машиностроительной промышленности, видными учеными Москвы и Ленинграда, конструкторами и ведущими инженерами крупнейших машиностроительных конструкторских бюро, сотрудниками отраслевых научно-исследовательских институтов. В результате длительных дискуссий было решено, что в институте должны осуществляться исследования по следующим основным направлениям: теория механизмов и машин; теория прочности деталей; трение и износ в машинах; теория технологических процессов. При этом отдел теории машин и механизмов должен был разрабатывать три основные темы, сосредоточив внимание на учении о структуре и классификации механизмов, синтезе механизмов и динамике машин.
Институт был официально открыт в 1938 г., но работы по его проблематике начались уже в 1937 г. И. И. Артоболевский был утвержден руководителем отдела теории машин и механизмов, и ему было предложено организовать лаборатории отдела и привлечь к работе перспективных ученых. Научный семинар по теории механизмов и машин продолжал свою работу уже при отделе Института машиноведения.
Одновременно И. И. Артоболевский в те годы преподавал в Военно-воздушной академии, в Московском университете и в Институте химического машиностроения, где он к тому же заведовал кафедрой. Вел он и большую общественную работу, которая началась с первых лет его педагогической деятельности. Он был членом бюро секции научных работников, принимал деятельное участие в различных комиссиях Московской областной секции научных работников, состоял председателем программно-методической комиссии при Главном управлении учебными заведениями Народного комиссариата тяжелой промышленности, работал также в Комитете по высшему техническому образованию. Иван Иванович часто участвовал в различных экспертизах. Еще в середине 30-х годов Н. И. Мерцалов познакомил его с С. А. Чаплыгиным. Мерцалов принимал участие в рассмотрении работ отдельных ученых, инженерных проектов, изобретений, которые направляли Чаплыгину на заключение. К этой работе был привлечен и Артоболевский.
Учение о структуре механизмов - ч. 4
Третьей группой задач, которая с самого начала была поставлена И. И. Артоболевским в Институте машиноведения, была проблема динамики машин и механизмов. Проблему эту начал разрабатывать В. П. Горячкин, который считал динамику машин важнейшей задачей механики машин. Еще в начале 30-х годов Горячкин указал на необходимость развития общих методов инерционного расчета механизмов, теории уравновешивания сил инерции и на некоторые другие вопросы. В 1932— 1935 гг. И. И. Артоболевский опубликовал свои первые работы в этом направлении. Часть работ была им выполнена совместно с С. И. Артоболевским и Б. В. Эдельштейном. Совместно с ними же он опубликовал в 1937— 1939 гг. работы по теории и методам уравновешивания щековых дробилок и по динамическому анализу компрессоров советского производства. В 1938 г. он обобщил методы уравновешивания сил инерции и предложил их использовать в механизмах со сложными кинематическими схемами.
Первыми сотрудниками И. И. Артоболевского в этом направлении стали В. Т. Костицын и Н. П. Раевский.
В. Т. Костицын работал вместе с Артоболевским еще в конце 20-х годов в Московском текстильном институте. Он вначале работал в области теории текстильных машин (в частности, над решением задач кручения нити и динамики батанных механизмов), но постепенно перешел к общим проблемам динамики машин. В годы работы на кафедре А. П. Малышева Костицын создал ряд приборов и устройств для экспериментального исследования механизмов текстильных машин. Позже он работал заведующим кафедрой теории механизмов в Московском технологическом институте легкой промышленности, где организовал хорошие учебные лаборатории.
Опыт, приобретенный В. Т. Костицыным в Текстильном институте и в Институте легкой промышленности, был использован при создании лаборатории экспериментальной динамики в Институте машиноведения. Большую помощь в этой работе оказал также Н. П. Раевский, товарищ И. И. Артоболевского по Сельскохозяйственной академии, с которым он работал у В. П. Горячкина на Машиноиспытательной станции. В те годы вся техника измерения кинематических и динамических параметров была основана на механических принципах. При испытаниях машин применяли два-три типа динамометров, динамографы, тахометры, кимографы и некоторые другие приборы. Электрические методы измерения механических величин применялись редко.
Учение о структуре механизмов - ч. 3
Среди изобретений, поступавших на заключение к С. А. Чаплыгину, некоторые были весьма сложными. Таким, в частности, был «шаропоезд» изобретателя Ярмоленко. Изобретатель построил игрушечную модель, которая забавно каталась по неподвижным каткам и при малых скоростях движения работала отлично. С. А. Чаплыгин и И. И. Артоболевский должны были доказать, что при инженерном решении задачи вся система не будет работоспособной. К такому заключению они пришли после весьма тщательных и кропотливых расчетов. Эти выводы полностью подтвердились: построенный для проведения экспериментов участок дороги, как и следовало ожидать, оказался неработоспособным.
Среди проблем теории механизмов, которые особенно интересовали ученых в конце 30-х годов, следует отметить проблему структуры и классификации механизмов, от которой во многом зависело решение проблемы анализа и синтеза механизмов, и проблему динамики технологических машин. Проблема структуры и классификации механизмов в те годы была весьма дискуссионной, и ученых, работавших в этой области, часто обвиняли в отрыве от практики. Несомненно, что теория должна быть тесно связана с практикой. Важность этого положения в свое время настоятельно подчеркивал П. Л. Чебышев. Но в описываемый период надо было провести теоретические исследования структур механизмов, развить теорию механизмов и машин. Без этих исследований и создания научно обоснованной классификации механизмов нельзя было их систематизировать и разработать общие методы анализа и синтеза механизмов.
В 1939 г. И. И. Артоболевский приступил к созданию в своем отделе в Институте машиноведения группы, которая должна была приступить к исследованиям в области синтеза механизмов. Необходимость в создании такой группы была очевидной. Советское машиностроение, созданное в 30-х годах, освоило к концу этого периода производство большого числа машин с очень сложными механизмами; были созданы металлообрабатывающие автоматы, кузнечно-прессовое оборудование, сельскохозяйственные машины и разнообразные технологические машины — текстильные, полиграфические, пищевые и многие другие. Все это требовало разработки научно обоснованных методов проектирования механизмов.
Исследовании и эксперименты - ч. 1
Совместно с Н. П. Раевским и В. Т. Костицыным И. И. Артоболевский начал экспериментально-теоретические работы, которые впоследствии стали важным направлением науки о машинах.
Кроме этих важнейших направлений в теории машин и механизмов, уже при организации отдела в Институте машиноведения Иван Иванович решил начать исследования также по теории машин автоматического действия. Для этой работы пригласили внештатных сотрудников из числа участников семинара. Первыми докладчиками на семинаре по вопросам теории машин-автоматов были С. В. Вяхирев, А. П. Иванов, С. И. Доброгурский; несколько позже прочитали свои доклады Г. А. Шаумян, С. И. Артоболевский, В. А. Юдин, И. И. Капустин, С. Н. Кожевников.
Даже беглое знакомство с работами И. И. Артоболевского, выполненными в 1937—1941 гг., показывает, как интенсивно работал он в эти годы. Он разрабатывает теорию структуры и классификации механизмов, продолжает исследования по теории пространственных механизмов, решает ряд ключевых вопросов кинематики, кинетостатики и синтеза плоских механизмов, занимается многими проблемами динамики машин и теории машин автоматического действия, работает над созданием специальной терминологии по теории механизмов, изучает вопросы методики и истории науки. Он опубликовал ряд монографий, несколько учебников и среди них свой замечательный курс «Теория механизмов и машин» (1940), составленный на основе лекций, прочитанных им в Московском университете. Этот учебник, по существу, является первым курсом, написанным в соответствии с разработанной им классификацией.
В 1939 г. при проведении очередных выборов в Академию наук СССР в числе других были выдвинуты и кандидатуры Н. Г. Бруевича, А. П. Малышева и И. И. Артоболевского; Н. Г. Бруевичу была обеспечена сильная поддержка, бесспорной считалась и кандидатура А. П. Малышева, который в те годы был в расцвете своих творческих сил, возглавлял крупную научную школу, организовал лучшую в Советском Союзе лабораторию по теории механизмов и машин и пользовался большим авторитетом среди специалистов.
Исследовании и эксперименты - ч. 2
. Кандидатура И. И. Артоболевского была выдвинута С. А. Чаплыгиным и поддержана Н. И. Мерцаловым и Г. М. Кржижановским. Его также поддержала партийная организация Института машиноведения, и он был избран членом-корреспондентом АН СССР. После этого И. И. Артоболевский был назначен заместителем директора Института машиноведения. Директор института академик Е. А. Чудаков был тогда же избран вице-президентом Академии наук, и поэтому всю основную работу по руководству институтом стал выполнять Иван Иванович.
Развивалась и работа семинара. В нем принимали участие все основные ученые старшего поколения. Но быстро растет число ученых и следующего поколения, в их числе Н. Е. Кобринский, Л. Н. Решетов, М. А. Скуридин, В. А. Юдин, М. В. Семенов, В. Т. Костицын, Л. В. Петрокас, С. А. Черкудинов, Н. И. Левитский, Д. С. Тавхелидзе.
Как было указано выше, проблемой машин автоматического действия советские ученые стали заниматься в начале 30-х годов. В связи с интенсивным развитием советского машиностроения и возрастающим значением автоматов в обрабатывающей технике на эту проблему стали обращать самое серьезное внимание. В сущности, здесь наука отстала от техники, и ни в отечественной, ни в зарубежной литературе проблема автоматов не была достаточным образом освещена. Исключением явилась теория привода, и в частности теория кулачковых механизмов, играющих важную роль в создании машин-автоматов.
Проблема машин автоматического действия была поставлена И. И. Артоболевским с первых же дней организации Института машиноведения и Отдела теории машин и механизмов в качестве одной из важнейших. Для исследования в этой области, кроме штатных сотрудников, были привлечены некоторые ученые из числа участников семинара. В 1939—1940 гг. Иван Иванович разработал план большой монографии по анализу машин-автоматов, в которой должны были быть изложены методы анализа механизмов машин автоматического действия и установлен общий подход к решению задач независимо от частностей конструкции различных машин. В качестве соавторов были приглашены С. И. Артоболевский, B. А. Юдин и Г. А. Шаумян. Сам Иван Иванович взял на себя изложение общих методов анализа машин-автоматов, а соавторы должны были развить приложение этих методов применительно к машинам пищевой, полиграфической и станкостроительной промышленности. Работу эту удалось закончить лишь в военные годы, а опубликована она была после окончания войны в двух томах, в 1945 и в 1949 гг. соответственно.
Исследовании и эксперименты - ч. 3
Итак, в конце 30-х годов зарождается советская школа теории механизмов и машин, объединенная общей тематикой и единым научным центром. Начиная с 1937 г. научным руководителем этой школы становится И. И. Артоболевский, несмотря на то, что рядом с ним стояли такие авторитетные и крупные ученые, как Н. И. Мерцалов, В. В. Добровольский, А. П. Малышев, Л. Б. Левенсон. Интересно проследить историю научного происхождения школы. Сам Иван Иванович неоднократно указывал на то, что школа возникла на базе овладения классическим наследством отечественных и зарубежных механиков и машиноведов. «Катализатором» при этом послужила теория структуры плоских механизмов Л. В. Ассура.
В 1937 г. в программы высших технических учебных заведений было включено изучение теории структуры и классификации плоских механизмов по Ассуру. В том же году доцент Московского авиационного института C. Н. Кожевников прочел в Московском институте повышения квалификации инженеров курс структурного кинематического и кинетостатического анализа плоских механизмов, который позже был размножен на стеклографе. Кожевников указывает, что «отличие данного конспекта от целого ряда книг по теории механизмов, излагающих вопросы кинематического анализа, заключается в том, что здесь излагаются общие методы кинематики, применяемые к частным механизмам, в то время как в большинстве книг акцентируются частные механизмы и игнорируются общие методы» 4. Много внимания в своем учебном пособии С. Н. Кожевников уделяет не только механизмам, образованным наслоением двухповодковых групп, но и механизмам, в состав которых входят трехповодковые группы.
Несколько раньше, в 1936 г., И. И. Артоболевский показал, что структура сферических механизмов аналогична структуре плоских механизмов и что поэтому можно использовать законы и правила теории плоских механизмов в теории сферических механизмов. Тем самым было доказано, что плоские и пространственные механизмы можно исследовать аналогичными методами. Как известно, П. О. Сомов и X. И. Гохман вывели (в двух разных формах) закон существования пространственного механизма в самом общем виде. Формула Сомова была несколько видоизменена А. П. Малышевым.
Исследовании и эксперименты - ч. 4
Учение о структуре механизмов было завершено в двух совместно опубликованных работах И. И. Артоболевского и В. В. Добровольского. Это позволило значительно расширить круг тех механизмов, которые могут быть использованы в технике. Так, например, в соответствии со структурной формулой для механизмов с числом общих ограничений, равным трем (к которой, в частности, относятся плоские и сферические механизмы), должно существовать целое семейство механизмов, у которых ограничены два поступательных и одно вращательное движение. Значительно позже, в 1944 г., И. И. Артоболевский открыл это семейство; оказалось, что для построения соответствующих механизмов нужно ввести новую кинематическую пару с винтовыми линиями, расположенными на поверхности круглого тора.
Чтобы решить задачу структурного анализа механизма, необходимо также исследовать и соответствующим образом классифицировать все возможные частные случаи механизмов, относящихся к тому или иному семейству. С этой целью был использован метод Ассура, состоящий в «расчленении» механизма на группы, не поддающиеся дальнейшему разложению и представляющие собой как бы элементарные составляющие, из которых построен механизм. Принцип Ассура, предложенный им для плоских механизмов, был распространен на механизмы иных семейств. Еще в 1935 г. И. И. Артоболевский рассмотрел некоторые группы, относящиеся к механизмам семейства С 771 = 0.
В 1936 г. он целиком перенес классификацию Ассура на сферические механизмы, а в 1937 г. В. В. Добровольский исследовал структуру и классификацию плоских механизмов, у которых все кинематические пары являются поступательными.
В 1939 г. И. И. Артоболевский в своей работе «Опыт единой классификации механизмов» предложил использовать принципы Ассура для построения механизмов всех пяти семейств. Он положил в основу образования групп метод развития контура.
Класс контура определяет число его степеней свободы. Таким образом, чтобы образовать при помощи контура группу, надо лишить этот контур числа степеней свободы, равного классу контура. Этого можно достичь путем подсоединения к контуру отдельных поводков или ветвей. Исследование структур отдельно взятых цепей, подсоединяемых к звеньям контура, показало, что в различных семействах подвижность этих цепей может быть различной. В семействе с числом т = 0 степень подвижности ветвей может меняться в пределах от 1 до 5, в семействе с числом 77г = 1 — от 1 до 4, в семействе с числом т=2 — от 1 до 3 и т. д.
Семейства механизмов - ч. 1
Исследование контуров и структуры ветвей, подсоединяемых к ним, показывает, что структура всех семейств представляет собой ряд частных случаев структуры групп семейства с числом ттг=0. Таким образом, способ, предложенный И. И. Артоболевским, дал возможность выявить свойства групп различных семейств. При этом было установлено, что в основе всех видов анализа групп лежат единые методы.
Обобщив понятие группы, заимствованное у Ассура и, в сущности, являющееся частным случаем более общего понятия кинематической цепи, И. И. Артоболевский переходит затем к исследованию самого механизма. «Механизмом называется такая кинематическая цепь, в которой при заданном движении одного или нескольких звеньев относительно любого все остальные имеют вполне определенные движения. Звенья механизмов, законы движения которых приняты заданными, называются ведущими звеньями. Звенья механизмов, законы движения которых определяются законами движения ведущих звеньев, называются ведомыми звеньями. Таким образом, основными признаками механизма являются: подвижность его звеньев и определенность их движения»4. Это определение — краткая программа исследований в области теории механизмов. При этом от изучения кинематических пар и структуры групп можно было переходить к изучению структуры механизмов.
В качестве исходной формулы для определения степени подвижности механизма И. И. Артоболевский принимает известную формулу Сомова — Малышева в форме, наиболее соответствующей принятой им классификации пар:
W=6n—Ъръ—4р4—Зрз—2р2—pi.
Естественно, что в эту формулу не вошли ни дополнительные условия, характеризующие какое-либо семейство механизмов, ни дополнительные или излишние связи: формула весьма чувствительна ко всем подобным условиям и при отсутствии дополнительного анализа может дать неверный результат. Несмотря на то что формула представлена в чрезвычайно общем виде, она является и наиболее уязвимым местом теории —позже были указаны механизмы, не подчиняющиеся ограничениям этой формулы, и предложены ее новые варианты.
Семейства механизмов - ч. 2
В самом общем случае она описывает пространственный механизм, на который не наложено никаких общих условий связи и который построен совершенно правильно. Далее, если у механизма, состоящего, например, лишь из одних вращательных пар V класса, оси всех пар параллельны или пересекаются в одной или в двух точках, то для определения его степени подвижности необходимо соответственно изменить вид формулы. Так, если оси всех вращательных кинематических пар V класса («шарниров») параллельны, то все звенья механизма будут совершать плоскопараллельное движение и механизм получает наименование плоского. Очень важно отметить, что в данном случае речь идет не о движении звеньев самого механизма, а о движении их проекций на одну плоскость. В этом случае можно не учитывать некоторые динамические условия движения, которые были обнаружены несколько позже.
Таким образом, в зависимости от общих связей, наложенных на движение всех звеньев механизма, можно, выделить пять семейств (номер семейства определяется количеством этих общих связей). В самом общем случае механизмы относятся к нулевому семейству. Если на механизм наложена одна общая связь, то он является механизмом первого семейства, структурная формула которого имеет вид
W= (6-1) и - (5-1) р.- (4-1) Рь - (3-1) рз - (2-1) р2= «= Ъп—4р5—Зр4—2р3—р2.
Аналогично получаем формулы для механизмов второго семейства:
W=An—Зр5—2pk—Рз,
Третьего семейства:
W=3n-2p5-p,
И четвертого семейства: W=2n-p5.
Механизмов пятого семейства существовать не может, так как в этом случае механизм вырождается в кинематическую пару. Если же вместо W=i, 2,... положить W=0, —1, —2, то механизм перестает существовать и кинематическая цепь представляет собой ферму. Следовательно, принципиальной разницы между фермой и механизмом нет; тем самым структурная теория Артоболевского приобретает весьма большую общность.
Уже первое ознакомление с формулой структуры механизмов третьего семейства показало, что она тождественно совпадает со знаменитой формулой Чебышева (как мы увидим дальше, ей же удовлетворяют и сферические механизмы). Очевидно, что число классов кинематических пар уменьшается при повышении номера семейства: в механизмы первого семейства не могут входить кинематические пары первого класса, в состав механизмов второго семейства — пары второго класса. В состав механизмов третьего семейства входят лишь пары четвертого и пятого классов и, наконец, в состав механизмов четвертого семейства могут входить только поступательные пары, относимые к пятому классу.
Семейства механизмов - ч. 3
Механизмы каждого семейства подразделяются на роды. Критерий в этом случае — характер движений, ограниченных общими связями. Так, на механизмы первого семейства накладывается одна общая связь. В качестве этой связи можно рассматривать, например, ограничение поступательного движения всех звеньев в каком-либо направлении или ограничение вращательного движения всех звеньев около какой-либо оси. Следовательно, механизмы первого семейства можно подразделить на два рода. К первому роду относятся механизмы, звенья которых имеют вращательное движение около трех осей и поступательное движение вдоль двух осей. Второй род первого семейства включает механизмы, имеющие вращательное движение около двух осей и поступательное движение вдоль трех осей.
На механизмы второго семейства накладываются две общие связи. Поэтому в нем можно выделить три рода, характеризуемые следующими общими ограничениями: звенья механизма не могут иметь поступательного движения вдоль двух каких-либо направлений; звенья механизма не могут иметь поступательного движения вдоль одного направления и вращательного движения около какой-либо оси: звенья механизма не могут иметь вращательного движения около каких-либо двух осей.
Механизмы третьего семейства имеют три общие связи. Следовательно, в нем можно выделить четыре рода, характеризуемые следующими ограничениями: звенья механизма не имеют поступательного движения вдоль трех взаимно перпендикулярных осей (сферические механизмы); звенья механизма не имеют двух вращательных движений и одного поступательного (плоские механизмы) ; звенья механизма не имеют двух поступательных движений и одного вращательного; звенья механизма не имеют вращательных движений (пространственные механизмы с поступательными парами).
Семейства механизмов - ч. 4
В соответствии с четырьмя общими ограничениями, накладываемыми на механизмы четвертого семейства, их можно подразделить на следующие роды: звенья механизма не имеют поступательного движения вдоль двух осей и вращательного движения около двух осей (вип-товые механизмы); звенья механизма не имеют трех поступательных и одного вращательного движения; звенья механизма не имеют трех вращательных и одного поступательного движения (плоские механизмы с поступательными парами).
Таким образом, получилась весьма стройная система механизмов, которая должна была охватить по крайней мере большинство существующих механизмов. Как указал сам И. И. Артоболевский, он не мог утверждать, что предложенное деление механизмов по родам может охватить все существующие механизмы. Во всяком случае это деление позволяет достаточно полно охватить те виды механизмов, которые применяются в технике. Можно предполагать, что целый ряд механизмов может быть получен путем наложения на законы движения звеньев каких-либо других дополнительных зависимостей, как это было... сделано, например, в отношении простых винтовых кинематических пар. Примером механизма с подобной зависимостью может служить «механизм Беннетта».
Итак, система структуры механизмов охватывает по крайней мере большинство существующих механизмов с парами любого класса и произвольной конфигурации. Переходя затем к классификации механизмов, пришлось ввести существенное упрощение: преобразование механизмов с высшими парами в рычажные механизмы, звенья которых сочленены между собой при помощи только низших пар. Для каждого рода была построена своя система классификации. При этом в качестве образца была принята классификация плоских механизмов, разработанная Л. В. Ассуром, которая тогда же была несколько видоизменена И. И. Артоболевским. Оказалось, что между плоскими и пространственными механизмами нет существенного различия. Они все подчинены одной строгой логической схеме: классификация кинематических пар; семейства механизмов, определяемые одной общей формулой; роды механизмов; построение групп, аналогичных группам Ассура, и на базе этих групп система классификации механизмов. Схема не была лишена недостатков, сам И. И. Артоболевский указал на некоторые из них. Позже ее подвергли анализу и выявили слабые места также и другие ученые, однако в качестве первого приближения к истине система механизмов, построенная на идеях Лссура—Сомова—Гохмана—Чебышева— Добровольского—Артоболевского, сыграла весьма существенную роль: теория механизмов и машин из собрания различных вопросов и задач, не связанных одной общей идеей, стала наукой.
Теория
Теория механизмов и машин - ч. 1
1938—1939 гг. были для Ивана Ивановича годами непрерывной и очень интенсивной работы. Тематика его работ чрезвычайно разнообразна, с количественной точки зрения она также чрезвычайно впечатляюща. В 1938 г. он работает над новым, полностью переработанным изданием своих лекций по теории механизмов и машин, одновременно пишет свой университетский учебник «Теория механизмов и машин», публикует работу по уравновешиванию сил инерции. В следующем году он издает большую монографию по теории плоских механизмов, исследует вопросы структуры и классификации механизмов, публикует работу по синтезу плоских механизмов, совместно с С. И. Артоболевским и Б. В. Эдельштейном исследует динамику компрессоров, публикует несколько программных статей.
Важнейшее значение для зарождавшейся научной школы имели его монографии по теории плоских механизмов (1939) и учебник «Теория механизмов и машин» (1940). Он писал обе эти работы одновременно, используя материалы курсов, прочитанных им в Московском университете. Они интересны еще и потому, что наравне с программными статьями явились первыми документами школы: были решены основные методические задачи, составлена программа курса (изданная в 1940 г.), решены важнейшие задачи, при этом в них впервые теория механизмов и машин из учебного предмета, содержание которого полностью зависело от научных интересов и квалификации преподавателя, стала логически построенной наукой, имеющей свою «таблицу элементов» — учение о структуре и классификации. Несмотря на некоторые недоработки и пробелы, это учение послужит основой для дальнейшего развития, плодотворность которого уже не вызывает сомнений. Сам Иван Иванович продолжал развивать свои мысли в работе об Л. В. Асуре.
Монография «Структура, кинематика и кинетостатика многозвенных плоских механизмов» начинается с введения, в котором изложена краткая история вопроса. Следует отметить, что любовь к истории, унаследованная от отца, проходит через все научное творчество Ивана Ивановича. В этом отношении он явился продолжателем традиций русских ученых. Ряд его исторических замечаний и мыслей продолжает оставаться актуальным до настоящего времени. В частности, это относится к развитию идей кинетостатики, история которой изучена недостаточно.
Теория механизмов и машин - ч. 2
В книге рассмотрены структура и классификация плоских механизмов, методы кинематического анализа механизмов I, II и III классов, введение в кинетостатику механизмов, способы определения реакций в парах механизмов I, II и III классов. При исследовании структуры плоских механизмов И. И. Артоболевский исходит из уравнения Чебышева в форме Грюблера. Классификацию плоских механизмов он излагает по Ассуру, причем достаточно подробно исследует цепи, относящиеся к группам третьего—шестого порядков. Он указывает способы образования групп и основные направления их модификации.
Артоболевский останавливается также на вопросах классификации механизмов с поступательными парами, на особых случаях цепей с парами II класса и на преобразовании механизмов с высшими парами в механизмы, в составе которых есть только низшие пары. Все эти разделы теперь есть в каждом учебнике и составляют непременную часть тех сведений, которые получают студенты в области теории структуры механизмов.
Естественно, что приведенные в монографии задачи не все были решены И. И. Артоболевским. Многие из них были решены в конце XIX —первой четверти XX века.
Однако он первым систематизировал все эти задачи, согласовал их с развитым им же учением о структуре и классификации механизмов и создал схему теоретической науки, для развития которой можно уже было подыскивать наиболее подходящий математический аппарат.
Анализ механизмов I класса II порядка (по классификации Ассура) начинается с определения положений групп. До Артоболевского не было методики решения задач подобного типа. В сущности, если не считать нескольких наиболее простых задач, каждую более сложную задачу решали индивидуально и для каждой подыскивали подходящий способ решения. Он впервые систематизировал задачи на построение положений, сведя их к построению всех возможных вариантов групп II порядка. Он указал при этом, что если при заданных размерах и положениях крайних пар не могут быть получены геометрические решения, то двухповодковая группа не может быть собрана. Иными словами, он предлагает здесь графический вариант теоремы Грасгофа о существовании кривошипа в шарнирном четырехзвеннике и ее аналоги.
Переходя затем к определению кинематических параметров, Артоболевский использует ту же методику, которую он применял при построении положений: он ищет решение вначале для группы с тремя вращательными парами, а затем для разновидностей групп с поступательными парами. Планы скоростей и ускорений он строит или на самой группе по методу Бурместера, или по методу Мора. Он указывает при этом, что хотя метод Мора и является более простым, метод Бурместера все же имеет преимущество при решении некоторых задач техники, в которых следует изучить законы распределения скоростей и ускорений по длине звеньев. Подобные задачи встречаются при расчете механизмов на прочность, а также при исследовании работы грохотов, конвейеров и других подобных машин. В качестве примеров приведено определение кинематических параметров для механизмов сенного пресса, стогометателя и подъемного механизма плуга.
Теория механизмов и машин - ч. 4
