робот и человек
статья по математике (8 класс)

«Физика (механика)  как база для создания робота нового поколения»

ГБОУ Школа № 13 Приморского района

Александров Дмитрий , 8 класс

                                                                                                 Филиппов Валентин, 9 класс

Руководитель Раева Елена Васильевна,

учитель физики, математики

     Физика (от др.-греч. — природа) — область  естествознания. Наука, изучающая наиболее общие и фундаментальные закономерности, определяющие структуру и эволюцию материального мира. Термин «физика» впервые появился в сочинениях одного из величайших мыслителей древности — Аристотеля, жившего в IV веке до нашей эры. Первоначально термины «физика» и «философия» были синонимичны, поскольку в основе обеих дисциплин лежало стремление объяснить законы функционирования Вселенной. Однако в результате научной революции  XVI века физика выделилась в отдельное научное направление.  В русский язык слово «физика» было введено М. В. Ломоносовым, издавшим первый в России учебник физики — свой перевод с немецкого языка учебника «Вольфианская экспериментальная физика» Х. Вольфа (1746). Первым оригинальным учебником физики на русском языке стал курс «Краткое начертание физики» (1810), написанный П. И. Страховым.  

      По поводу предмета механики уместно сослаться на слова авторитетного учёного-механика С. М. Тарга из введения к 4-му изданию его широко известного учебника теоретической механики: «Механикой в широком смысле этого слова называется наука, посвящённая решению любых задач, связанных с изучением движения или равновесия тех или иных материальных тел и происходящих при этом взаимодействий между телами.  Теоретическая механика представляет собою часть механики, в которой изучаются общие законы движения и взаимодействия материальных тел, то есть те законы, которые, например, справедливы и для движения Земли вокруг Солнца, и для полёта ракеты или артиллерийского снаряда и т. п.  Другую часть механики составляют различные общие и специальные технические дисциплины, посвящённые проектированию и расчёту всевозможных конкретных сооружений, двигателей, механизмов и машин или их частей (деталей)».  

          В современном мире значение физики чрезвычайно велико. Всё то, чем отличается современное общество от общества прошлых веков, появилось в результате применения на практике физических открытий. Так, исследования в области электромагнетизма привели к появлению телефонов и позже мобильных телефонов, открытия в термодинамике позволили создать автомобиль, развитие электроники привело к появлению компьютеров. Физическое понимание процессов, происходящих в природе, постоянно развивается. Большинство новых открытий вскоре получают применение в технике и промышленности. Однако новые исследования постоянно поднимают новые загадки и обнаруживают явления, для объяснения которых требуются новые физические рии.  Несмотря на огромный объём накопленных знаний,

           Идея искусственных созданий впервые упоминается в древнегреческом мифе о Кадме, который, убив дракона, разбросал его зубы по земле и запахал их, из зубов выросли солдаты, и в другом древнегреческом мифе о Пигмалионе, который вдохнул жизнь в созданную им статую — Галатею. Также в мифе про Гефеста рассказывается, как он создал себе различных слуг. Еврейская легенда рассказывает о глиняном человеке — Големе, который был оживлён пражским раввином Йехудом Бен Бецалелем при помощи каббалистической магии. Прообразами роботов были также механические фигуры, созданные арабским учёным и изобретателем Аль-Джазари (1136—1206). Так, он создал лодку с четырьмя механическими музыкантами, которые играли на бубнах, арфе и флейте    

 Сведения о первом практическом применении прообразов современных роботов — механических людей с автоматическим управлением — относятся к эллинистической эпохе. Тогда на маяке, сооружённом на острове Фарос, установили четыре позолоченные женские фигуры. Днём они горели в лучах солнца, а ночью ярко освещались, так что всегда были хорошо видны издалека. Эти статуи через определённые промежутки времени, поворачиваясь, отбивали склянки; в ночное же время они издавали трубные звуки, предупреждая мореплавателей о близости берега.

          Первого механического рыцаря, способного сидеть, раздвигать руки, двигать головой и открывать забрало сконструировал Леонардо да Винчи около 1495 г, об этом говорят записи Леонардо, найденные в 1950-х, содержащие детальные чертежи.  Неизвестно, построил ли Леонардо робота.

          «Механика— рай  математических наук»,— говорил Леонардо да Винчи, много времени и энергии отдавая её изучению.  Работы Леонардо в области механики могут быть сгруппированы по следующим разделам: законы падения тел; законы движения тела, брошенного под углом к горизонту; законы движения тела по наклонной плоскости; влияние трения на движение тел; теория простейших машин (рычаг, наклонная плоскость, блок); вопросы сложения сил; определение центра тяжести тел;  вопросы, связанные с сопротивлением материалов.  Перечень этих вопросов делается  ещё более значительным, если учесть, что многие из них разбирались вообще впервые. Остальные же, если и рассматривались до него, то базировались в основном на умозаключениях Аристотеля, весьма далёких в большинстве случаев от истинного положения вещей. По Аристотелю, например, тело, брошенное под углом к горизонту, должно лететь по прямой, а в конце подъёма, описав дугу круга, падать вертикально вниз. Леонардо да Винчи рассеял это заблуждение и нашёл, что траекторией движения в этом случае будет парабола.

     Он высказывал много ценных мыслей, касающихся сохранения движения, подход вплотную к закону инерции. «Импульс» (impeto) есть отпечаток движения, который  движущее переносит на движимое.  Импульс— сила, запечатлённая движущим в движимом. Каждый отпечаток тяготеет к постоянству или желает постоянства.  Всякий отпечаток хочет вечности, как показывает нам образ движения, запечатлеваемый в движущимся предмете».

     Леонардо знал и использовал в своих работах метод разложения сил. Для движения тел по наклонной плоскости он ввёл понятие о силе трения, связав её с силой  давления тела на плоскость и правильно указав направление этих сил.  Ещё до Леонардо да Винчи учёные занимались теорией рычага и блока. Однако выигрыш в силе происходит за счёт потери во времени. Леонардо критиковал тех,  кто   стремился создать вечный двигатель: «О, искатели вечного движения, сколько пустых проектов создали вы в подобных поисках! Прочь идите с алхимиками— искатели золота». «Невозможно, чтобы груз, который опускается, мог поднять в течении  какого ни было времени другой, ему равный, на ту же высоту, с которой ушёл».

        Очень характерно для механики Леонардо да Винчи стремление вникнуть в сущность колебательного движения. Он приблизился к современной трактовке понятия резонанса, говоря о росте колебаний при совпадении собственной частоты системы с частотой извне. « Удар в колокол получает отклик и приводит в движение другой подобный колокол, и тронутая струна лютни находит ответ и приводит в слабое движение другую подобную струну той же высоты на другой лютне».   Леонардо да Винчи впервые и  много занимался вопросами полёта. Первые исследования, рисунки и чертежи, посвящённые летательным аппаратам, относятся примерно к 1487 году (первый Миланский период). В первом летательном аппарате применялись металлические части; человек располагался горизонтально, приводя механизм в движение руками и ногами.

           «Математические начала натуральной философии» Исаака Ньютона знаменовали новую эру в развитии науки. Они явились прочным фундаментом, на котором успешно строилась физика XVIII—XIX веков, получившая название классической.  Книга подводила итог всему сделанному за предшествующие тысячелетия в учении о простейших формах движения материи.

           Высокое признание получили работы Ньютона, в которых он заложил основы научного понимания законов мироздания взамен фантастических домыслов религии.  Ньютон сформулировал основные законы классической механики,  открыл закон всемирного тяготения,  разработал основы дифференциального и интегрального исчислений. В книге "Оптика" он объяснил большинство световых явлений с помощью развитой им корпускулярной теории света.  Физические открытия Ньютона были тесно связаны с решением  астрономических задач.  Оптика Ньютона выросла из попыток усовершенствовать объективы для астрономических телескопов - рефракторов, избавить их от искажений - аберраций. В 1668 г. он разработал конструкцию зеркального телескопа - рефлектора и за это в 1672 г. был избран членом Лондонского королевского  общества.  Ньютон  на основе установленного им закона всемирного тяготения сделал заключение,  что все планеты и      кометы притягиваются к Солнцу,  а спутники - к планетам с силой, обратно пропорциональной  квадрату расстояния,  и разработал теорию движения небесных тел.      Ньютон показал, что из закона всемирного тяготения вытекают законы Кеплера,  пришел к выводу о неизбежности отклонений от этих законов вследствие возмущающего действия на каждую планету или спутник остальных тел Солнечной системы. Теория тяготения позволила ему  объяснить многие астрономические явления - особенности движения Луны прецессию, приливы и отливы сжатие Юпитера, разработать теорию фигуры Земли.  Но главный труд Ньютона «Математические начала натуральной философии» был отправным пунктом всех работ по  механике в течение последующих двух веков. Гелиоцентрическая система мира Коперника получила теперь динамическое обоснование и стала прочной научной теорией. Три закона  Ньютона завершили труды Галилея, Декарта, Гюйгенса и других учёных по созданию механики и стали прочной основой для дальнейшего её развития.

     К первому изданию «Начал» Ньютон написал своё собственное предисловие, где он говорил о тенденции современного ему естествознания «подчинить явления природы законам математики». Далее Ньютон набрасывал программу механической физики: «Сочинение это нами предлагается как математическое обоснование физики. Вся трудность физики, как будет видно, состоит в том, чтобы по явлениям движения распознать силы природы, а затем по этим силам объяснить все остальные  явления». Так Ньютон сформулировал задачи физики.  «Начала» — вершина Научного творчества Ньютона — состоят из трёх частей: в первых двух речь идёт о движении тел, последняя часть посвящена системе мира. Приведём формулировку законов Ньютона в русском переводе, сделанном академиком А.Н. Крыловым.

     1. Всякое тело продолжает удерживаться в состоянии покоя или равномерного прямолинейного движения, пока и поскольку оно не понуждается приложенными силами изменить это состояние.

     2. Изменение количества движения пропорционально приложенной движущей силе и происходит по направлению той прямой, по которой эта сила действует.

     3.Действию всегда есть равное и противоположное противодействие, иначе, — взаимодействия двух тел друг на друга между собой равны и направлены в противоположные стороны.

        Блестящие новаторские достижения Ньютона в науке позволили объяснить на точном математическом языке множество явлений неживой природы и зародили надежду, что со временем удастся объяснить все явления. Опираясь на известные факты, строя теорию, описывающую их математически, извлекая следствия из теории и сравнивая полученные результаты с данными наблюдений и эксперимента, он впервые попытался не только объяснять физические явления, но и предсказывать их. Покончив с неразберихой существовавших тогда теорий света и цвета, Ньютон своими экспериментами объяснил феномен цвета и предвосхитил современные достижения в теории света. Созданный им математический анализ стал одним из наиболее универсальных и мощных инструментов естествознания. Для Ньютона, по словам Эйнштейна, "природа была открытой книгой, письмена которой он без труда читал. Концепции, которые он привлекал для упорядочения данных опыта, казалось, сами собой вытекали из опыта, из изящных экспериментов, заботливо описываемых им со множеством деталей и расставленных по порядку подобно игрушкам. В одном лице он сочетал экспериментатора, теоретика, мастера и - в не меньшей степени - художника слова. Он предстает перед нами сильным, уверенным и одиноким".

          К XVII—XVIII векам инженерное мастерство достигло совершенства. Механических существ  стали именовать автоматонами. Изготовляли их во многих странах Европы. Австрийский изобретатель Фридрих фон Кнаус создает человекоподобного робота – писца, способного начертать 107 различных слов.

Г. Грасфельдер конструирует парикмахера. Венгерский ученый  Фаркаш Вольфганг фон Кемпелен создает говорящего человека. Пожалуй, самым знаменитым механиком становится француз Жак де Вокансон (1709-1789 г.г.). Наиболее известна его утка, к сожалению, не сохранившаяся до наших времен. По словам очевидцев, механическая птица двигалась по суше, плавала в воде, крякала, расправляла крылья, приводила их в порядок клювом. К тому же утка пила воду, клевала зерна и испражнялась. Занимался Вокансон и созданием человекоподобных механизмов. «Флейтист» его представлял андроида, выполненного в человеческий рост. Благодаря подвижным пальцам, музыкант мог исполнять 11 мелодий. 

        Больших успехов в создании роботов добились швейцарский часовщик Пьер-Жак Дро (1721-1790 г.г.) и его сын Анри (1752-1791 г.г.). Весной 1770 года  П.-Ж. Дро сконструировал своего первого автоматона – «Писателя». Вот как описывают механизм, выставленный в швейцарском музее: «Небольшой босой мальчик сидит на деревянном стуле и водит перо. Все его компоненты, а их ровно 6000, работают слаженно и сообща. Но уникальность его заключается в том, что на задней панели робота находится колесо, которое позволяет менять использованные буквы. Благодаря этому мальчик может написать абсолютно любое слово или предложение. Все это указывает на то, что он работает, как и автономные программируемые машины. Именно поэтому некоторые ученые считают, что он является старейшим примером компьютера». 

         Аналогичного автоматона создал Анри Дро. Робота назвали «Художник». Механизм его состоит из 2000 деталей и может рисовать три картинки: портрет Людовика XV и его собаку, королевскую чету Марию Антуанетту и Людовика XVI, а также сцену с Купидоном, управляющим колесницей, запряжённой бабочками. Позже семья Дро создала «Пианистку». Девушка касается пальцами клавиш, следит глазами за своими руками, дышит и может исполнять 5 мелодий. 

         В настоящее время роботы уже используются в различных сферах нашей жизни, но до создания андроидов,  доподлинно повторяющих человеческие свойства, все еще далеко. Потому автоматоны прошлого до сих пор остаются истинными бриллиантами в достижении мечты о сотворении искусственного человека.

            Нам хотелось бы, чтобы всю рутинную и опасную работу за людей выполняли роботы.  На сегодняшний день сделано немало роботов, однако не стоит забывать, что базой для создания любого  робота является механика, которую мы и изучаем в 7-8 классах.

Литература

• Боголюбов А. Н.  Математики. Механики. Биографический справочник. — Киев: Наукова думка, 1983. — 639 с.
• Макаров И. М., Топчеев Ю. И.  Робототехника: История и перспективы. — М.: Наука; Изд-во МАИ, 2003. — 349 с. 
• Охоцимский Д. Е., Голубев Ю. Ф.  Механика и управление движением автоматического шагающего аппарата. — М.: Наука, 1984. — 310 с.
•  Попов Е. П., Письменный Г. В.  Основы робототехники: Введение в специальность. — М.: Высшая школа, 1990. — 224 с. 
• Фу К., Гонсалес Р., Ли К.  Робототехника / Пер. с англ. — М.: Мир, 1989. — 624 с. 
• http://antikclub.ru/load/1/34-1-0-1136
• http://www.robo-homo.ru/robo-lenta/robo-art/131.html