Краткая история прогресса

После того как наш далекий предок встал с четверенек, его задние конечности превратились в нижние, а передние в верхние. На нижних он по-прежнему передвигался, а верхние приспособил для выполнения довольно простых и сравнительно немногочисленных действий — хватать, бить, рвать, душить, убивать. Они требовали затраты изрядного количества энергии, но зато не были связаны со сложными размышлениями; информационные процессы, протекающие в нервной системе предка, не очень отличались от информационных процессов, свойственных заурядному животному.

Передние конечности стали руками, когда наш примат приспособил их, чтобы действовать палкой, камнем, обломком кости во время охоты, защиты, нападения и для самообслуживания в те промежутки времени, которые ему удавалось выкроить между основными занятиями. А основные по-прежнему требовали значительной затраты энергии; кроме того, сопутствующие им информационные процессы постепенно усложнялись. Человек стал человеком, хотя все еще был свободен от школьных занятий, посещений лекций и магазинов, от летних отпусков и чтения литературы.

Работая простым орудием, сам человек служил источником и преобразователем энергии, расходуемой при выполнении работы, и источником информации, необходимой для управления орудием. Его руки, корпус, все тело образовывали те механизмы, посредством которых орудие получало необходимые движения. Это была живая машина. И, как все живое, она была наделена способностью к развитию.

Человек развивался. Одновременно развивались и усложнялись орудия, которыми он работал; число их увеличивалось, они становились все более разнообразными; простые орудия превратились в механизмы. Их использование и управление ими все еще требовали непрерывного участия человека. Но значительную долю энергии теперь поставляли животные, вода или ветер. Причем необходимые преобразования потоков этой энергии также осуществлялись механизмами — другими словами, выполнялись без непосредственного участия человека. В дверь к человеку уже стучалась машина.

И вот они работают бок о бок: человек и машина. Еще нескладная и неуклюжая, она делает свое дело, удесятеряя силы человека и производительность его труда. Правда, человек еще не избавлен от тяжелой работы, связанной с обслуживанием машины. Но уже далеко не все процессы управления осуществляет сам человек. Создавая механизмы машин, он перепоручает им многие функции управления. Наряду с механизацией процессов преобразования, передачи и использования энергии оказались в значительной мере механизированы многие процессы преобразования, передачи и использования информации.

Крепнет дружба человека с машиной. Потребности его растут. И для их удовлетворения он зовет на помощь машины. Он уже научился приспосабливать их для самой различной работы, создавая бесчисленное множество различных механизмов, приборов и устройств.

Машины становятся очень сложными — тут уж ничего не поделаешь! Но зато полностью механизированы все энергетические процессы и почти полностью информационные.

Структура машины, ее строение, размеры звеньев, параметры электрических, пневматических, гидравлических и электронных устройств, входящих в ее состав, сохраняют информацию, заложенную конструктором в машину при ее проектировании и предопределяющую программу ее действия. В процессе работы механизмы наряду с преобразованием и передачей энергии осуществляют передачу и преобразование этой информации.

Водитель управляет автомобилем. Сложнейшая машина подчиняется сравнительно простым действиям. Поворотами рулевого колеса и нажатием педалей он заставляет машину двигаться то быстрее, то медленнее по самому сложному пути. Механизмы усиливают сигналы управления, передают их к исполнительным органам. Многие механизмы работают вообще без непосредственного вмешательства человека. Они самостоятельно собирают информацию о скорости движения и температуре охлаждающей жидкости, об уровне бензина и пройденном расстоянии.

Однако для правильной работы автомобиля всего этого недостаточно. Чтобы управлять им, нужен человек. Его задача состоит в том, чтобы довести объем информации, циркулирующей в машине, до уровня, необходимого для выполнения той или иной программы.

Таким образом, в машине полностью механизированы процессы ввода, преобразования и использования энергии и лишь частично механизированы процессы ввода, преобразования и использования информации.

До автомата остался один шаг. Современная техника сделала этот шаг, благодаря которому и энергетические и информационные процессы оказались полностью механизированными.

…На протяжении всей прогулки термина «машина» и «автомат» мы применяли, как казалось, вперемежку. Теперь становится ясно, что автомат по отношению к машине занимает то же место, что селедка по отношению к рыбе в известной пословице: «Не всякая рыба — селедка, хотя всякая селедка — рыба».

Переиначив эту пословицу, можно сказать: «Не всякая машина — автомат, хотя всякий автомат — машина».

Десятки и сотни тысяч автоматов работают на благо человека. А человек «учит» их выполнять все более сложные процессы, заставляет решать все более сложные задачи. И уже всерьез обсуждается вопрос: что сможет и что не сможет сделать автомат будущего? Иногда это серьезное обсуждение прерывается испуганными возгласами: «Кто — кого?» Да и не мудрено испугаться, если одну за другой передает человек свои функции автомату, приспосабливая его для самых «человеческих» дел.

От палки и камня до сложного современного автомата — действительно гигантский путь пройден техникой!

…Вы задумали сделать себе книжную полку. Казалось бы, что может быть проще, чем отмерить метровый кусок доски. Берешь складной метр, прикладываешь к доске, делаешь отметку. Конечно, стараешься сделать отметку поточнее, чтобы получился ровно метр. Все очень просто, когда под руками есть измерительный инструмент.

Ну, а как обзавестись складным метром, если его нет под руками и нельзя купить в магазине? Казалось бы, что может быть проще! Берешь металлические полоски и загружаешь их одну за другой в штамп, который насекает на них шкалу, разделенную на сантиметры и миллиметры. Само собой разумеется, что штамп должен быть таким точным, чтобы миллиметр на дольках складного метра был действительно «похож» на миллиметр.

Ну, а если штампа нет и взять его негде? Казалось бы, что может быть проще! Идешь в инструментальный цех завода, берешь кусок металла нужного качества, обрабатываешь его и, пользуясь точными измерительными приборами и машинами, делаешь штамп.

А если нет точных измерительных приборов и машин, то что может быть проще, чем их сделать.

Для этого есть другие заводы и цехи, есть еще более точные машины и приборы, есть самые точные — делительные — машины; есть самый точный эталон длины — метр, изготовленный из специального сплава, который хранят так, как не хранят ни одно сокровище в мире. Он, конечно, тоже не совсем метр, и, кроме того, где-то там, в каком-то знаке за запятой, все время происходят некоторые изменения. Ничто не бывает абсолютно точным. Ни эталон длины, ни эталон веса, ни эталон времени.

В этом нет беды. Главное — есть точный инструмент, которым можно измерить менее точное изделие. Между метровым обрезком доски и эталонным метром располагается целая иерархическая лестница измерительных средств все повышающейся точности. Вы можете спокойно приступать к изготовлению книжной полки.

Ну, а если нет ни складного метра, ни штампа, ни цеха, ни эталона, ни иерархической лестницы? Нет ничего. Абсолютно ничего, кроме четырех конечностей и неудобного мира вокруг? Казалось бы, что может быть проще! Ходи себе до скончания века на четвереньках, считая, что все равно ничего не поделаешь.

Так действовать — значит идти по линии наименьшего сопротивления. Эта линия всегда ведет вниз. А человек все время шел вверх. Как это ему удавалось? Как, начав с камня и палки, он пришел к атому и спутнику? Ведь чтобы отрезать кусок доски, нужен метр. Чтобы сделать метр, нужен штамп… Получается вроде сказки про белого бычка.

Все дело в том, что к камню и палке, которые дала человеку Природа, он, Человек, приложил свой труд и свою мысль. Результат превзошел все ожидания. И дело не в том, что он таким образом обзавелся первыми орудиями труда, хотя это, конечно, очень важно.

Главное то что человек, работавший палкой и камнем, уже совсем не был похож на полуживотное, вставшее на задние конечности.

Человек непрерывно растет вместе с творениями своих рук. Его труд и мысль становятся все более квалифицированными. Прикладывая их к тому, что дает ему окружающий мир, он из менее точного делает более точное, из менее совершенного — более совершенное.

Вверх по лестнице идут изделия человека — машины и автоматы. Впереди них — вверх по лестнице — идет человек. Примерно так выглядит краткая история прогресса.

Как ни велика разница между современным автоматом и обломком камня, она все же меньше, чем разница между человеком, создавшим этот автомат, и его предком, впервые взявшим в руки камень. Если об этом своевременно вспомнить, то можно легко преодолеть чувство испуга перед автоматом.

Автомат привлекает к себе внимание, как произведение искусства.

Один подходит к нему, трогает первую попавшуюся кнопку, презрительно кривится и, произнеся: «Подумаешь, не видел я машин!», отходит, вытирая руки. Это невежда.

Другой при виде автомата падает на колени и, заламывая руки, восклицает: «О! Кибернетическое чудо!» — и рыдает от восторга. Это горе кибернетик.

Третий долго его разглядывает, то размышляя, то завистливо вздыхая, а затем решительно говорит: «Придумано и сделано неплохо, но кое-что можно сделать лучше». Это инженер, ученый, конструктор.

А мы, подойдя к автомату, займемся делом и, как уже договорились, прежде всего попытаемся выделить те главные узлы, которые образуют его основу — «скелет». При этом не будем обращать внимания на то, что в различных автоматах эти узлы сконструированы и действуют по-разному. Для нас в первую очередь важно установить назначение этих узлов и характер их взаимодействия в процессе работы автомата. Только так удается проследить за потоками энергии и информации, понять, по какой схеме действует вся система, каким закономерностям она подчиняется.

Мы теперь располагаем достаточным материалом, чтобы составить такую «скелетную» схему, или, как ее называют, блок-схему, автомата.

По полкам этажерки

Любой автомат должен работать по определенной программе, причем в автоматах может быть использован различный носитель этой программы. В копировальных станках программа задается копиром, с которого в процессе работы информация «считывается» роликом.

Программа действия кинопроекционного аппарата определяется главным образом структурой и размерами лентопротяжного механизма, а реализуется эта программа в процессе непрерывного вращения ведущего звена, соединенного с источником энергии.

Программой для телеграфного аппарата служит перфорированная лента, для магнитофона — магнитная лента.

Эти носители программы наряду с перфокартами и магнитными барабанами находят широкое применение в наиболее современных автоматах, действиями которых управляют числа.

Программа работы наручных часов определяется конструкцией и размерами спускового механизма и маятника, получающих энергию от заводной пружины.

Для торгового автомата, отпускающего газированную воду, газеты, спички, папиросы, носителем программы служит монета или жетон и т. п.

Объединим в один узел все те механизмы и устройства, посредством которых осуществляются ввод программы в автомат и ее «считывание». Этот узел будем называть узлом программы автомата и изобразим его в виде прямоугольника, напоминающего кирпич.

Значит, если речь идет о копировальном станке, то за этим кирпичом скрываются механизмы, приводящие в движение копир, и механизмы копировального ролика. В телеграфном аппарате, магнитофоне, автомате с цифровым управлением — лентопротяжные устройства, приемники перфокарт, а также устройства, считывающие программу (магнитные головки, фотоэлементы, иглы и пр.). Для торгового автомата — устройства, которые определяют вес и размеры монеты или жетона.

Итак, в узле программы «оживляются» все сведения и указания, то есть вся информация, необходимая автомату для выполнения заданного технологического процесса.

Но мало «оживить» информацию. Надо еще сделать ее «понятной» исполнительным механизмам автомата. Для этого приходится преобразовывать вращательные движения в поступательные, непрерывные в прерывистые, уменьшать или увеличивать скорости вращения, преобразовывать механические перемещения в электрические импульсы и напряжения, в давления газа или жидкости, отверстия в перфоленте и отметки на магнитной ленте в электрические сигналы и механические перемещения.

Объединим в один узел — узел управления — все устройства автомата, которые расшифровывают и преобразуют информацию, а затем направляют ее к исполнительным механизмам. На нашей блок-схеме появляется второй кирпич. Соединим его с первым стрелкой, указывающей направление потока информации.

Наконец, объединим в один узел механизмы, которые исполняют команды, поступающие из узла управления. Назовем его узлом исполнительных механизмов и изобразим на нашей блок-схеме в виде третьего кирпича.

Эти три кирпича образуют уже известную нам разомкнутую систему управления, соответствующую многим современным автоматам; часам и киноаппарату, делительной машине и шаговой системе управления, большинству металлорежущих автоматов и автоматов, изготавливающих спички и перья, электролампочки и книги, макароны и консервы, ткань и обувь.

Автомат работает. Сигналы программы направляются в узел управления, а сигналы управления воздействуют на исполнительные органы, выполняющие рабочий процесс. Через механизмы и узлы, из кирпича в кирпич, от программы к исполнительным механизмам автомата течет поток информации, полностью определяющей все его действия. Само собой разумеется, что далеко не всегда бывает легко так «препарировать» сложный автомат или, как называют в теории автоматов эту операцию, «выполнить структурный анализ». Далеко не всегда так четко разделяются функции его отдельных устройств и механизмов и не так просто бывает перечислить, какие из них следует отнести к тому или иному из узлов блок-схемы.

Тем не менее знакомство с новым автоматом всегда следует начинать с попытки понять назначение его основных механизмов и устройств, понять, как они взаимодействуют.

Разобраться в этом важно еще и потому, что, как мы уже знаем, далеко не каждый автомат работает по простой разомкнутой схеме. Многие из них оснащены цепью обратной связи: устройствами, собирающими дополнительную информацию непосредственно в процессе работы автомата.

Вот знакомое нам кольцо: человек — станок — изделие — измерительный инструмент — человек. Оно включает цепь обратной связи. Эту связь, наряду с функциями управления, осуществляет человек. Как?

Программой обработки служит чертеж. С него рабочий считывает размеры изделия, а с помощью измерительного инструмента получает числовую информацию о результатах обработки. Затем он сравнивает фактические размеры с заданными и действует так, чтобы разность между ними была в пределах допусков, указанных на чертеже.

Станок — это машина, в которой полностью механизированы энергетические процессы и не полностью — информационные. Чтобы ее превратить в автомат, надо дополнительно механизировать измерение изделия и механизировать процесс сравнивания его фактических размеров с заданными. Короче говоря, необходимо полностью механизировать все участки кольца управления, включая участок, на котором происходят сбор и обработка информации непосредственно в процессе работы системы. И выходит, что, помимо исходной программы, которая теперь заменяет чертеж, появляется еще один источник информации — автоматически измеряемое изделие.

Использование того или иного источника дополнительной информации неизбежно связано с необходимостью механизировать ее передачу и переработку. А это усложняет логическую схему автомата.

Чтобы получить блок-схему замкнутой системы управления, наш предыдущий рисунок надо дополнить еще одним кирпичом, за которым скрываются механизмы и устройства, собирающие и обрабатывающие информацию в процессе работы автомата. «Скелет» автомата с обратной связью действует точно так, как это описывалось в главе «Кольцо управления».

Сигнал, управляющий движением исполнительных органов, вырабатывается в узле управления путем сравнения заданной программы с программой, реализуемой автоматом в процессе работы. На блок-схеме это отразится тем, что в кирпич, изображающий узел управления, теперь входят две стрелки, а выходит одна, несущая в узел исполнительных механизмов управляющие сигналы.

Автомат приобрел некоторые новые свойства. По разомкнутой схеме он действовал абсолютно прямолинейно, в точном соответствии с заданием, можно сказать — вслепую. Теперь, собирая в процессе работы дополнительную информацию и используя цепь обратной связи, он обладает некоторой «самостоятельностью». Заданная ему программа служит только руководством к действию, а работает он с оглядкой на результат, непрерывно внося поправки в свои действия.

Эти поправки невозможно заранее предвидеть; невозможно, например, рассчитать заранее все возможные отклонения траектории ракеты, которые носят случайный характер и могут быть вызваны десятком самых различных причин. Автомат определяет необходимые поправки «автоматически», он приобретает свойство самокорректирования. Именно в этом отношении он становится «самостоятельным».

…Гимнаст, собираясь разучить новое упражнение, заранее располагает программой этого упражнения. Но, конечно, такая программа составлена без учета особенностей каждого отдельного спортсмена. Поэтому в процессе освоения упражнения спортсмен не только овладевает заданной программой, но и несколько изменяет ее в соответствии со своими физическими данными, темпераментом. Эти изменения происходят в течение всего периода обучения, и постепенно рисунок упражнения становится все более и более совершенным.

Нельзя ли построить автомат так, чтобы он действовал подобно гимнасту? Чтобы он умел не только работать по заданной программе, но и мог совершенствовать эту программу применительно к своим особенностям, к особенностям материалов и заготовок обрабатываемых изделий. А главное, чтобы такая усовершенствованная программа обеспечивала существенное улучшение результатов работы.

И вот появляются автоматы, обладающие достаточной для этого «самостоятельностью». Они занимают место на следующей, более высокой, полке. Им не надо задавать программу работы во всех подробностях. Они выяснят эти подробности самостоятельно, собирая дополнительную информацию. Такие автоматы обладают свойством «запоминать» и анализировать эту информацию с целью улучшить свою работу; обладают способностью самообучаться и самонастраиваться.

Их также можно препарировать: выделить в отдельные узлы те механизмы и устройства, которые осуществляют функции памяти, функции самообучения и самонастройки. Затем можно изобразить эти узлы в виде кирпичей, связать их стрелками с другими кирпичами блок-схемы и следить за потоками информации и энергии, текущими от одного кирпича к другому, следить за тем, как они взаимодействуют между собой, и, пользуясь этими признаками, расставлять автоматы по полкам нашей условной этажерки в зависимости от их «квалификации».

Каждый из кирпичиков воспринимает потоки энергии и информации из предыдущего или предыдущих и, нужным образом преобразовав их, передает следующему или следующим.

Каждому из кирпичиков свойственна своя так называемая передаточная функция, характеризующая, что и как делается в этом узле автомата, как связаны между собой входные и выходные стрелки.

Зная, что происходит в каждом из узлов автомата, можно понять и рассчитать его действие как единого целого, можно перейти к оценке его важнейших свойств. Эти свойства — производительность, точность, надежность, стоимость.

Именно они в конечном счете решают судьбу автомата. Новый автомат должен быть производительнее, точнее, надежнее, дешевле своего предшественника или по меньшей мере обеспечить одно из этих преимуществ. Только в этом случае он имеет шансы «выйти в люди» с листов ватмана, воплотиться в металл, занять место в цехах заводов и фабрик.

Автомат автомату рознь. Один за другим они взбираются на разные и все более высокие полки этажерки, и иные наблюдатели, задрав голову высоко вверх, ждут в полной уверенности, что на верхних полках появятся автоматы, обладающие сверхчеловеческими свойствами, которые займут по отношению к человеку такое же место, какое он занимает по отношению к животному.

Через замочную скважину такие наблюдатели заглядывают в мир автоматов, не понимая, что находиться в мире автоматов — значит находиться в мире людей, создавших автоматы. И если люди сейчас спорят о том, что сумеет или не сумеет сделать автомат, то это совершенно не означает, что процесс развития автоматов может стать «автоматическим», не зависящим от воли и сознания людей.

Дело обстоит как раз наоборот. Чем более сложен и совершенен автомат, чем обширнее его функции и чем меньше участвует в его работе человек, тем больше людей занято во всех процессах, связанных с его созданием, тем сложнее автоматизировать эти процессы.

Первый и главный из них, конструирование, — удивительный процесс, в результате которого возникает, пусть для начала на бумаге, новая машина.

Десятки научно-исследовательских институтов, десятки конструкторских бюро, десятки фирм разрабатывают зачастую сходные по назначению машины. В этих разработках участвуют целые коллективы ученых и конструкторов. Идет напряженное соревнование, порой борьба не на жизнь, а на смерть. А когда подводятся итоги, результаты оказываются различными. Одни машины оказываются более производительными, точными, надежными и дешевыми, чем другие. Почему? Ведь правила и нормы конструирования не секрет. Почему одним сопутствует успех, а другие терпят неудачу? Что такое конструирование? Наука, цепочка случайных находок или чистое искусство?

Не совсем наука

Не будем пытаться всерьез отвечать на такой сложный вопрос. Вместо этого попробуем представить себе сначала, как бы приблизительно действовал ученый — специалист в области теории автоматов, согласившись сконструировать автомат, ну, например, для помола, сушки, расфасовки и упаковки соли.

Он внимательно прочитал основные пункты технического задания и приступил к разработке принципиальной схемы.

Изобразив на листке бумаги кирпич, он воткнул в него с двух сторон по стрелке. К хвостикам обеих стрелок пририсовал еще по кирпичу. В один из них воткнул одну стрелку, в другой две. В результате образовались три стрелки, имеющие свободные хвостики. Пририсовав к ним по кирпичу, он соединил стрелками их свободные стороны со свободными сторонами кирпичей, нарисованных раньше.

Работа спорилась. Неделю назад ученый консультировал конструкторов, разрабатывавших автомат для расфасовки и упаковки сахарного песка. При этом у него возник ряд мыслей, которые должны были найти воплощение в его проекте.

Он еще раз просмотрел блок-схему и решил внести в автомат дальнейшие усовершенствования, тем более что, как казалось, сделать это было совсем несложно. Надо было лишь учесть, что:

1) чем мельче должна быть соль, тем дольше должен продолжаться помол, и наоборот, грубый помол занимает меньше времени;

2) чем мельче помол, тем меньше время сушки, и наоборот;

3) чем ниже влажность соли, тем дольше она должна оставаться в сушке, и наоборот;

4) чем ниже влажность соли, тем ниже весовая производительность автомата, и наоборот;

5) чем толще слой соли, тем дольше она должна оставаться в сушке, и наоборот;

6) чем выше температура сушки, тем меньше время сушки, и наоборот.

Правда, при учете указанных обстоятельств возникла та общая для многих теорий, в том числе и для теории автоматов, неприятность, которую ученые называют — нелинейность.

Чтобы пояснить суть дела, проще всего обратиться к примеру. Рост человека со дня рождения и лет до двадцати — двадцати пяти непрерывно увеличивается. Если бы рост увеличивался равномерно (например, каждый год на 5 сантиметров), то ученый это обстоятельство сформулировал бы так: «На интервале от 0 до 20–25 лет рост человека является линейной функцией времени».

Однако в действительности эта функция нелинейна; человек растет сначала быстрее, потом медленнее, а в дальнейшем его рост даже уменьшается.

Точно так же в мифическом автомате, о котором идет речь, время сушки, например, может расти пропорционально толщине слоя соли или непропорционально. Соответственно можно сказать, что время сушки является линейной или нелинейной функцией толщины слоя.

Неопытному взгляду может показаться, что нелинейность не так уж страшна. В действительности (мы сейчас не будем объяснять почему) нет ничего хуже.

Нелинейности вносят неразбериху в самые стройные теории. Ученые с неудовольствием обнаружили, что большинство явлений в природе и технике нелинейны, в силу этого не поддаются точному исследованию и чреваты всякими неожиданностями.

Но нашему ученому уже знакомы различные нелинейные капризы, и он продолжал усовершенствовать идею своего автомата с расчетом получить небывалую производительность.

На плоской блок-схеме уже не оставалось кирпичей со свободными сторонами, и ее пришлось заменить пространственной. К шести кирпичам он пририсовал еще по стрелке, правильно выбрав направление стрелок, к четырем из них пририсовал еще по кирпичу.

Две стрелки, оставшиеся свободными, он обозначил «вход» и «выход». В заключение соединил между собой прямыми и обратными связями все оставшиеся свободными торцы кирпичей и удовлетворенно вздохнул. Основная часть работы была закончена. И пора — на листочке бумаги уже не оставалось свободного места.

Теперь ученый перешел к расчету своей блок-схемы. Первым шагом было составление передаточной функции. Она и только она должна подробно рассказать о работе всего автомата: от хвостика стрелки «вход» до носика стрелки «выход». И он заранее предвкушал удовольствие, представляя себе, как передаточная функция мгновенно отвечает на самые разные вопросы, например: как изменится производительность автомата, если одновременно температуру сушки увеличить на 10 градусов, слой соли уменьшить на 2 сантиметра, тонкость помола увеличить на 30 процентов, а влажность соли повысить вдвое?

Составление передаточной функции напоминает один из этапов приготовления шашлыка, когда на вертел в строгой последовательности насаживаются разные кусочки мяса, сала, лука. Подобно этому при составлении передаточной функции следует формулами изображать свойства одного кирпича за другим, записывая их в строку одну за другой.

Когда и эта часть работы была закончена, ученый решил провести несколько пробных расчетов. Для этого следовало задаться значениями многих величин, видневшихся то тут, то там в составленных формулах. Собрав и тщательно обработав обширный статистический материал, он определил пределы вероятных значений этих величин. Тогда выяснилось, что если доверять найденным пределам, то расчетная производительность автомата располагается где-то в интервале от 20 до 1600 килограммов соли в час. Немалая вина за такой неопределенный ответ лежала на уже упомянутых нелинейностях.

Нетрудно сообразить, что этот ответ не мог удовлетворить заказчика, хотя сам по себе он (ответ) представлял существенный научный интерес.

После длительного обсуждения на семинаре вопросов теории нелинейных элементов схемы разброс возможных предельных значений для каждой из нелинейностей удалось уменьшить вдвое. Теперь ожидаемая производительность автомата располагалась где-то между 150 и 1200 килограммами соли в час.

Ни ученого, ни заказчика этот ответ не устроил.

Тогда на следующем семинаре было решено перейти к глубокому теоретическому и экспериментальному исследованию влияния нелинейностей на производительность автоматов вообще. Проблема приобрела общетеоретическое звучание. В последний момент кто-то вспомнил о соляном автомате. Было решено построить экспериментальную установку для исследования его отдельных нелинейных узлов, которая бы попутно отвечала на ряд других вопросов, имеющих общетеоретический интерес. Ее проектирование поручили молодому ученому.

Чтобы правильно моделировать возможно большее число процессов, обеспечить максимальную объективность опытов и упростить обслуживание, он решил спроектировать установку так, чтобы она работала в автоматическом режиме. План работы был готов, и молодой ученый приступил к делу.

Взяв листок бумаги, он нарисовал кирпич и воткнул в него с двух сторон по стрелке. К хвостикам обеих стрелок… и т. д.

И маститый ученый и молодой ученый не зря занимали место в науке. Но когда они взялись за конструирование, их, можно сказать, постигла неудача. Почему?

Когда изучают машину, очень важно уметь выделить ее «скелет». При создании ее не менее важно уметь построить и рассчитать этот скелет. Но один скелет — еще не машина. Ей нужны мышцы, нервная система, органы чувств. Каждый из кирпичиков нужно начинить и обрастить конструкциями, механизмами, устройствами. Их следует соразмерить так, чтобы они радовали глаз художника и «черствую душу» эксплуатационника. Нужно знать и уметь предусмотреть сотни «мелочей», которые в два счета могут вывести машину из строя. Заглянув в «творческую лабораторию» ученого, мы теперь видим, что конструирование не совсем наука, хотя, конечно, конструктор без знания основ науки то же, что художник без карандаша и кистей.

Так, может быть, конструирование — это цепь догадок, случайных находок и удачных совпадений?

Совсем не случай

Об этой стороне конструирования в английском журнале «Авиация» занимательно рассказал еще тридцать с лишним лет тому назад некий Осборн — конструктор авиационной фирмы.

Вот как приблизительно выглядит его рассказ.

Создание самолета многие представляют себе как нечто таинственное; они не понимают, как его проектируют, как определяют основные показатели, почему для одного типа самолета используется бипланная схема, а для другого — монопланная.

Мы опросили нескольких опытных конструкторов, как они создают новый самолет. Они охотно удовлетворили наше любопытство, и ниже мы приводим с их слов описание обычного процесса создания самолета — от чертежной доски до испытательного аэродрома.

Лучшие конструкторы заняты изготовлением описаний и реклам для торгового отдела фирмы, и главный конструктор с неудовольствием узнает о том, что конструировать будут неопытные люди, а предварительные расчеты и вычисления должен делать он сам.

Главный конструктор задает размах крыла 12,5 метра. Конструктор не может разобрать его почерк и делает чертеж крыла с площадью 125 квадратных метров.

Первоначально намечается моноплан. Но происходит смена руководства в министерстве авиации. Новое руководство предпочитает бипланы, поэтому конструкцию изменяют на биплан.

Президент акционерного общества сообщает, что в настоящее время основным показателем всех новых самолетов является скорость. Соответствующим образом изменяется конструкция.

Партнером главного инженера по игре в гольф является владелец моторного завода. Это обстоятельство оказывает решающее влияние на выбор двигателя, несмотря на возражения главного конструктора. Однако спустя некоторое время главный инженер начинает хуже играть в гольф и партнер постоянно его обыгрывает. Тогда он предлагает взять двигатель другой фирмы. Конструктор озадачен; не знает, что ему делать с новым двигателем.

Президент акционерного общества предписывает всемерное снижение себестоимости и эксплуатационных затрат. Конструкция соответствующим образом изменяется.

Главный конструктор фирмы Y узнает, что фирма X проектирует самолет с крылом типа «чайка». Он велит немедленно стереть все начерченное и разрабатывать новое крыло, типа «чайка». В это время конструктор фирмы X стирает свои чертежи и начинает набрасывать крыло типа «бабочка», так как он узнал, что фирма Y разрабатывает крыло именно этого типа.

Президент акционерного общества возвращается из зарубежной поездки и рассылает циркуляр, в котором пишет, что самым главным качеством самолета в данный момент является улучшение обзора с места пилота и для достижения этой цели следует жертвовать и дешевизной конструкции и скоростью. Конструкция соответственно изменяется.

Цех делает ошибку и укорачивает хвост фюзеляжа на полметра. Так как до этого цех покрыл одну из ошибок конструкторского бюро, то по принципу «рука руку моет» конструктор написал длинный доклад главному инженеру, доказывая, что наблюдается тенденция к более коротким фюзеляжам, а поэтому следует укоротить фюзеляж на полметра.

Главный инженер, не уловив смысла туманных рассуждений конструктора, распоряжается укоротить нос фюзеляжа на полметра.

Наконец прибывает двигатель. Оказывается, что фирма построила девятицилиндровый двигатель вместо семицилиндрового, на который была рассчитана подмоторная рама. После длительной безрезультатной переписки между обеими фирмами о том, что делать — заменить подмоторную раму или снять два цилиндра, пришли к решению бросить жребий. Заменяется подмоторная рама.

При установке двигателя оказывается, что карбюратор задевает за шасси. Двигатель отсылают на завод, чтобы переделать карбюратор. Когда двигатель возвращают, обнаруживается, что новый карбюратор задевает за масляный бак. Двигатель вновь отправляют на завод для переделки на бескарбюраторную конструкцию.

Ни один из рабочих, занятых изготовлением обтекателей, не знает английского языка, поэтому конструктор на пальцах объясняет им, какого типа крыльевые зализы необходимо сделать.

Думая, что он говорит о капоте двигателя, они изготовляют новый тип капота. Конструктор делает чертеж и посылает его главному инженеру с указанием, что его новый проект должен дать увеличение скорости на 7 километров в час.

Шасси было рассчитано на колеса большого диаметра. Кто-то изобрел колеса малого диаметра и продал их агенту отдела снабжения фирмы. После их установки зазор между запроектированным двухлопастным винтом и землей оказался слишком мал. Конструктор предложил поставить трехлопастный винт, считая, что окружная скорость двухлопастного винта слишком велика.

Во время сборки самолета обнаруживается, что верхнее крыло упирается в потолочную балку цеха. После сравнения стоимости потолочного перекрытия цеха и одного набора крыльевых стоек самолета высоту коробки биплана решено уменьшить на 15 сантиметров.

После первого взвешивания обнаруживается, что центр тяжести самолета сильно смещен. Для получения нужной центровки изготовляется новое верхнее крыло с резко выраженной стреловидностью в плане. Главный инженер пишет президенту фирмы, что связанная с этим задержка оправдывается улучшением обзора с места пилота.

При вытаскивании самолета из ворот ангара обламывают на полметра конец левого крыла. После этого укорачивают также и правое крыло и оба конца аккуратно закругляют.

Самолет успешно проходит летные испытания, причем максимальная скорость оказывается на 10 км/час больше, чем ожидал расчетчик, но на 10 км/час меньше той, которую он указал в расчетной записке. Она оказалась на 20 км/час больше, чем ожидал главный конструктор, и на 20 км/час меньше, чем он заранее сообщил президенту. Она на 30 км/час больше, чем ожидал президент, хорошо знающий свое предприятие, и на 30 км/час меньше, чем он обещал министерству авиации…

Нет! Конструирование машины не совсем тот, а вернее, совсем не тот процесс, что описан в этом коротком рассказе, хотя, конечно, никто не станет отрицать, что превосходные конструктивные решения зачастую являются плодом удачной догадки, счастливого случая, мысли, возникшей в результате мимолетного разговора. Но почему-то эти решения приходят в голову не всем подряд.

Сложное блюдо — конструирование

В книге «Мои воспоминания» академик Алексей Николаевич Крылов пишет о Петре Акиндиновиче Титове, которого он считал одним из самых замечательных корабельных инженеров. Шестнадцати лет П. А. Титов поступил рабочим в корабельную мастерскую Невского завода в Петрограде; затем был переведен в заводскую чертежную (по современной терминологии — в конструкторское бюро), потом непосредственно на верфь, где прошел путь от помощника мастера до главного инженера и управляющего верфью. Он, не имея диплома даже сельской школы, руководил постройкой ряда кораблей, включая и большие крейсеры.

Как пишет А. Н. Крылов, «все рабочие чертежи разрабатывались самим заводом, и для всех деталей, для всех механизмов и устройств П. А. Титов давал набросанный им самим эскиз с размерами. Чертил он от руки на обыкновенной графленной в клетку бумаге, всегда пером и с необыкновенной быстротой… Верность его глаза была поразительная. Назначая, например, размеры отдельных частей якорного или буксирного устройства, или шлюпбалок, или подкреплений под орудия, он никогда не заглядывал ни в какие справочники, стоявшие на полке в его кабинете, и, само собой разумеется, не делал, да и не умел делать, никаких расчетов. Н. Е. Кутейников, бывший в то время самым образованным корабельным инженером в нашем флоте, часто пытался проверять расчетами размеры, назначенные Титовым, но вскоре убедился, что это напрасный труд — расчет лишь подтверждал то, что Титов назначил на глаз…»

Два года занимался А. Н. Крылов с П. А. Титовым, посвящая его в тайны алгебры, геометрии, дифференционального и интегрального исчислений, сопротивления материалов и теории корабля. Он пишет:

«…В то время, когда мы, наконец, дошли до сопротивления материалов и расчетов балок, стоек и пр., как раз заканчивалась постройка броненосца „Наварин“, и не раз Петр Акиндинович говаривал мне:

— Ну-ка, мичман, давай считать какую-нибудь стрелу или шлюпбалку.

По окончании расчета он открывал ящик своего письменного стола, вынимал эскиз и говорил:

— Да, мичман, твои формулы верные: видишь, я размеры назначил на глаз — сходятся.

Лишь восемнадцать лет спустя, занимая самую высокую должность по кораблестроению, я оценил истинное значение этих слов Титова. Настоящий инженер должен верить своему глазу больше, чем любой формуле; он должен помнить слова натуралиста и философа Гексли: „Математика подобна жернову, перемалывает то, что под нее засыпают“, — и вот на эту-то засыпку прежде всего инженер и должен смотреть!..»

И еще один отрывок из той же книги:

«…Кажется, в 1892 году или в 1893 году Морское министерство организовало конкурс на составление проекта броненосца по объявленным заданиям, причем были назначены две довольно крупные премии. На конкурс было представлено много проектов, и по рассмотрении их техническим комитетом были признаны: заслуживающим первой премии проект под девизом „Непобедимый“ и второй премии — проект под девизом „Кремль“.

Вскрывают конверт с девизом и читают: „Составитель проекта под девизом „Непобедимый“ — инженер Франко-русского завода П. А. Титов“, затем читают: „Составитель проекта под девизом „Кремль“ — инженер Франко-русского завода П. А. Титов“.

Произошла немая сцена, более картинная, нежели заключительная сцена в „Ревизоре“, ибо многие члены комитета относились к Титову свысока и говорили про него: „Да он для вразумительности слово «инженер» пишет с двумя ятями“. И вдруг такой пассаж: два его проекта, оригинальных, отлично разработанных, получают обе высшие премии».

Английский ученый Гарри Рикардо, известный специалист в области теории двигателей внутреннего сгорания, выступая в конце второй мировой войны в обществе английских инженеров, так говорил о своем соотечественнике конструкторе Генри Ройсе:

«Ройс был художником до мозга костей и лучшим примером (какой я когда-либо встречал) того, кого можно назвать „прирожденный гений“, — так как, не обладая никакой, ни научной, ни теоретической, подготовкой, он тем не менее выпускал непосредственно с чертежной доски наилучшие автомобили и наилучшие авиадвигатели, наилучшие электрические моторы и наилучшие подъемные краны для своего времени; в каждом случае он брал на себя ответственность не только за общий проект, но также и за любую мелкую техническую деталь. Он был примером чистейшего интуитивного гения, обладавшего чувством пропорции художника. Вместе с тем он высоко ценил значение теоретических исследований и научных методов и всегда стремился быть в курсе последних достижений науки и по возможности их применять!»

А. Н. Крылов несколько преувеличил роль глазомера в конструировании. Поверхность лопатки газовой турбины и параметры атомного реактора, профиль крыла самолета и скорость ракеты, уносящей искусственный спутник, многие параметры современных машин совершенно невозможно сколько нибудь правильно выбрать на глаз.

Рикардо переоценил достоинства конструкций, разработанных в свое время Ройсом, безапелляционно называя их одну за другой наилучшими в мире.

Но несомненно, что конструирование было и остается в определенной мере искусством. И каждый человек в той или иной мере владеет этим искусством и применяет его в обыденной жизни. Конструирует ребенок, складывая из кубиков домик или пытаясь нарисовать на листке бумаги автомобиль. Стоя перед зеркалом, девушка конструирует прическу. Пыхтя над резиновым шнуром и нитками, мальчишка конструирует рогатку. В кухне хозяйка конструирует пирог; ее супруг — приспособление к детской кроватке, которое мешает годовалому существу вывалиться из нее на пол.

А сколько людей занимаются конструированием не любительски, а профессионально! Миллионы конструкторов во всем мире конструируют все — от табуретки до синхрофазотрона, от намордника для собаки до электронного вычислительного автомата, от детских сосок и бигуди для завивки волос до бомбардировщиков и электрических стульев. Среди этих миллионов конструкторов тысячи несомненно одаренных, сотни талантливых, десятки гениальных, имена которых навеки остаются в учебниках и энциклопедиях.

Однако в конструировании неизмеримо большую роль, чем в любом другом виде искусства, играет наука. Десять, пятнадцать лет учится человек сначала в школе, потом в техникуме или вузе, прежде чем впервые стать за доску. А когда этот момент наступает, он, к своему ужасу, видит, что еще ничего не знает, что, получив задание сконструировать пустяковое приспособление для крепления заготовки на столе станка или простейший узел подъемного крана, он поначалу не может изобразить на листе ватмана ничего, кроме рамки и осевых линий.

На белом листе, укрепленном перед ним на чертежной доске, скрыты все возможные решения поставленной задачи. Как сделать их видимыми? Где взять «состав», пользуясь которым можно было бы «проявить» на этом белом листе удовлетворительную, хорошую, отличную конструкцию?

Средневековые ученые искали состав философского камня. Они верили, что, если к серебру или ртути подмешать немного этого камня, а потом смесь нагреть, она превратится в чистое золото. Поиски философского камня кончились неудачей.

«Волшебным составом» конструирования может овладеть каждый. Только для этого сначала нужно овладеть техническими знаниями, суметь подняться на уровень современной науки в избранной области техники — другими словами, нужна эрудиция.

Затем нужно овладеть тем, что можно назвать профессиональными навыками конструирования, или техникой конструирования.

И наконец, надо уметь легко нести груз эрудиции и профессиональных навыков, не быть им раздавленным, прижатым к одним и тем же стандартным решениям, нужно обладать творческой фантазией, технической интуицией, всем тем, что иногда называют чутьем конструктора.

Эрудиция, навыки, чутье — вот нехитрая тайна «волшебного состава», которым владеет каждый конструктор. Разница «только» в том, какова концентрация каждого из этих ингредиентов и в каких пропорциях они соединены в каждом конкретном случае. Именно от этого зависит эффективность его применения, результат работы за чертежной доской.

День за днем, год за годим, стоя у доски, уже превосходно владея профессиональными навыками, конструктор, приступая к каждой новой разработке, еще и еще раз убеждается, что вчерашнего багажа уже мало, чтобы хорошо справиться с заданием, полученным сегодня. И именно на долю тех, кто, овладевая искусством конструирования, стремится вместе с тем глубоко понимать, что они делают, приходится наибольшее количество счастливых «случайностей», удачных находок, неожиданных решений.

Конструирование — блюдо, приготовленное разумным сочетанием науки и искусства и лишь слегка приправленное счастливым случаем.