С раннего возрождения предметы машиностроения вызывали большой интерес, как с точки зрения практического применения, так и с теоретической точки зрения. Несколько исследований и конструкций машин были разработаны в эпоху Ренессанса. Но этот вопрос не получил известности, хотя и достиг успехов. В университетах практическим аспектам инженерной деятельности на тот момент не уделялось никакого внимания. Предметы механики преподавались в качестве прикладных математических дисциплин. Были предприняты некоторые неудачные попытки создать специальную программу для инженеров, даже вне рамок университетов. Первый успешный независимый академический курс по механике машин был проведен Галилео Галилеем (1564-1642 гг.) в престижном университете Падуи в 1597-1598 гг. Там он использовал краткую статью "Ле Механика," написанную в 1593 году. Обычно Le Mecaniche рассматривалась второстепенной работой Галилея, так как она рассматривалась как предварительный шаг в развитии шедевров Галилея в области экспериментальной механики. В Le Mecaniche Galilei подходил к анализу основных машин для подъема грузов, а именно рычагов ("Lieva"), лепестков ("argano"), шкивов ("pulley") и винтов ("vite"). Строгий анализ этих машин проводился компанией "Галилей" путем изучения физических явлений, связанных с работой машин, и с использованием подходящих моделей, полученных на основе ранних форм начертательной геометрии и кинематики.
Теория машин и механизмов
Все проанализированные машины рассматривались Галилеем как модели, которые использовались как рычаги. Таким образом, механика рычагов считалась фундаментальной. Это согласовывалось с классическим подходом Архимеда в работе "Механические проблемы", на которую Галилей прямо ссылался. В Le Mecaniche, Галилей объяснял, как результаты теоретического анализа для определения центра тяжести жесткого тела могли быть использованы для изучения практических задач в инженерных целях. Действительно, это один из аспектов, который делал Le Mecaniche важной вехой как в академическом мире, так и в развитии современного машиностроения.
Le Mecaniche Галилео маленькая статья,которая состоит из небольших глав, а именно:
- Введение о механике и ее инструментах.
- Определения о стержне и рычаге, о шкивах, о винтах и о импульсе силы.
Галилей начинал статью с сильной критики идеи, что все может быть сделано машинами (вопреки попыткам создания вечных двигателей). Но он подчеркивал, что машины могут быть очень полезными мощными средствами, когда их работа полностью понятна. Таким образом, он вводил задачу подъема грузов с ее механическим характером, который связан с действием сил, перемещений и скоростью. Действительно, он четко ссылался на понятие механической силы. Подчеркивал, что большие силы могут работать с меньшей скоростью и наоборот. Техническое видение Galilei выражал в обращении к "движущей силе" как к приводу, который может быть любой природы, кроме человека-оператора. Делая эти предварительные наблюдения, Галилей определял полезность машин и их механическое назначение, тем самым придавая механике машин чувство собственного достоинства, считающееся особой дисциплиной. В разделе "Определения" Галилей объяснял понятие гравитации как предрасположенность к движению вниз по природе. Кроме того, он ввел понятие статического момента силы, которое широко использовалось в статье для доказательства равновесия рычагов. Действительно, этот подход можно рассматривать как первое строгое применение концепции момента силы при работе с машинами. Таким образом, используя условия статического равновесия, Галилей анализировал определение центра тяжести жестких тел в общем виде, из чего сделал выводы и приложения для конкретных практических ситуаций. После вышеупомянутых предварительных исследований Galilei использовал отдельные секции для анализа каждой базовой машины. Галилей подробно анализировал работу рычага, ссылаясь на его наиболее частое применение. Очень важно, что модель, использованная в исследовании, смогла рассматриваться как первая ранняя кинематическая диаграмма для машинного анализа. В разделе "Шкивы" Галилей представил концепцию и анализ рычага второго типа с нагрузкой между точкой опоры и приложенной силой. Затем он анализировал механику и управление, подчеркивая эквивалентность с помощью рычажного механизма. Описывался шкив и вводилась кинематическая схема. Galilei указывал на постоянно работающий рычаг, а не на преимущество подъема грузов с небольшим усилием. На самом деле, эквивалентный рычаг имел рычаги одинаковой длины, а именно радиус шкива. Он понимал, что целью проектирования этих машин должна быть простота в эксплуатации.
Таким образом, имея в виду схему с двойным рычагом, можно представить себе шкивную систему с приложением усилия, составляющего половину от поднимаемого веса. Обобщая эту процедуру, Galilei показал, как проектировать и эксплуатировать систему с несколькими роликами, называемую рычажной системой с несколькими параллельно работающими рычагами. Так обстоит дело с четным количеством шкивов. Для нечетного количества шкивов Galilei показал кинематическую схему захвата и эквивалентную ему рычажную систему. Он отметил, как результаты могут быть получены таким же образом, как и в предыдущем случае. В разделе "Винт" Галилей рассказал о значении конструкции винтов во многих машинах для различных применений. Для того, чтобы объяснить эффективность работы винта, Galilei использовал механику корпуса на наклонной плоскости с помощью нового подхода, который относился к угловым рычагам. Кроме того, он описал основы механики кузова на наклонной плоскости, когда все действия игнорируются, кроме веса. Галилей объяснил принцип действия винта, анализируя равновесие углового рычага эквивалентной наклонной плоскости. Галилей рассматривал винт как наклонную плоскость, обернутую на цилиндрический корпус. Наконец, он пояснил, что смещение жесткого тела на наклонной плоскости должно оцениваться с учетом его вертикального компонента, поскольку оно обусловлено действием веса. В разделе, посвященном винтовому насосу "Архимед", Галилей описал конструкцию и работу насоса как блестящее применение конструкции винта и его эквивалентной наклонной плоскости, поскольку он признает дизайн замечательным. Это описание дало ему возможность уточнить условия для успешного применения, указав правильный уклон винтового насоса, который соответствует эквивалентной наклонной плоскости, позволяющей воде стекать вниз по направлению тяжести и подниматься вверх по оси винта, в соответствии с геометрией рисунка.
Статья завершается кратким исследованием импульса силы, как открытой проблемы того времени в отношении практического применения. Галилей подходил к этой проблеме, рассматривая характеристики механической энергии, которые он признавал по скорости продукта и величине усилия, вместе с ее смещением аналога. Галилей завершил эту тему и статью тем, что другие проблемы могут быть определены и решены с помощью анализа, который он представил в статье. Что касается исторической значимости о творчестве Галилея, имеется литература. Галилей читал курсы по механике в связи с работами Аристотеля и Евклида в 1593-1604 годах, после того как переехал из университета Пизы в университет Падуи. Очень важно с точки зрения обучения, что Галилей полагался на раннее использование кинематических диаграмм, которые он вывел из реальной техники, чтобы подчеркнуть основные конструктивные параметры и разработать подходящую рецептуру. Следуя установившейся классической традиции Галилей изучил эти фундаментальные машины как средство классификации существующих машин для того, чтобы попытаться разработать объединяющий принцип механики рычага для различных механических операций. На самом деле, он также указал новые машины при изучении работы базовых машин, как в случае с вышеупомянутыми ременными передачами в качестве улучшенного решения для шкивных систем.
Таким образом, новизной подхода Галилея можно считать изучение работы машин, рассматривая несколько элементарных механизмов с осознанием того, что из них могут быть разработаны и использованы многие другие машины. Галилей принял классическую классификацию элементарных машин. Он дал Практический инженерный взгляд на исследование, которое направил не только высококультурным людям, но и людям с более практическими взглядами. Галилей подошел к изучению работы машин с четкой целью получения аналитических составов.