Роль математики в инженерной деятельности

2.5 Что дает нам математика 

Практическое использование результатов теоретического математического исследования требует получения ответа на поставленную задачу в числовой форме. Между тем даже после исчерпывающего теоретического разбора задачи это часто оказывается весьма трудным делом. Зародившиеся в кон. 19 и в начале. 20 вв. численные методы анализа и алгебры выросли в связи с созданием и использованием ЭВМ в самостоятельную ветвь математика.- вычислительную математику.

Отмеченные основные особенности  современной математики и перечисленные основные направления исследований науки по разделам сложились в 20 в. В значительной мере это деление на разделы сохраняется, несмотря на стремительное развитие в 20 в. Однако потребности развития самой математики, "математизация" различных областей науки, проникновение математических методов во многие сферы практической деятельности, быстрый прогресс вычислительной техники привели к перемещению основных усилий математиков внутри сложившихся разделов математики и к появлению целого ряда новых математических дисциплин. На основе задач теории управляющих систем, комбинаторного анализа, теории графов, теории кодирования возник дискретный анализ. Вопросы о наилучшем (в том или ином смысле) управлении физическими или механическими системами, описываемыми дифференциальными уравнениями, привели к созданию оптимального управления математической теории.

Исследования в области  общих проблем управления и связанных  с ними областях математики в соединении с прогрессом вычислительной техники дают основу для автоматизации новых сфер человеческой деятельности.

 

 

Глава 3

Что такое инженер

 

Инженер (фр. ingénieur, от лат. ingenium — способность, изобретательность) — специалист с техническим образованием, создатель информации об архитектуре материального средства достижения цели и его функциональных свойствах, способа (технологии) изготовления этого средства (продукта), равно как самого средства и материального воплощения цели, и осуществляющего руководство и контроль за изготовлением продукта.

 

3.1 Кто такие инженеры и их  цели

 Монумент Группа инженеров, Мемориал принца Альберта

 Статуя инженера Роберта Фултона в Капитолии

 

Основной инженерной задачей считается разработка новых  и оптимизация существующих решений. Например, оптимизация проектного решения (в т. ч. вариантное проектирование), оптимизация технологии и т. п. Разработка принципиально новых решений (в т. ч. изобретений) составляет малую часть инженерного труда, но наиболее значимую. Первоначально инженерами называли лиц, которые управляли военными машинами. Понятие «гражданский инженер» появилось в XVI веке в Голландии применительно к строителям мостов и дорог, затем в Англии и других странах.

В русской армии XVI века инженеры назывались «розмыслами». Понятие и звание инженер давно применялись в России, где инженерное образование началось с основания в 1701г. в Москве школы математических и навигационных наук, а затем в 1712 г. первой инженерной школы. Первым инженерным учебным заведением России, начавшим давать систематическое образование, становится основанная в 1701 году Петром I Школа математических и навигационных наук.

Современная система  высшего инженерного образования  рождается в девятнадцатом веке. В её основу была положена немецкая система технического образования. 
Первым высшим инженерным учебным заведением становится в 1810 году Главное инженерное училище Российской империи (ныне ВИТУ) (основано в 1804 году), добавлением дополнительных офицерских классов и двухгодичным продолжением обучения офицеров, в отличие от всех других кадетских корпусов и инженерных учебных заведений России. Как писал выдающийся учёный механик и выпускник Института инженеров путей сообщения Тимошенко, Степан Прокофьевич в своей книге «Инженерное образование в России», образовательная схема Главного Инженерного Училища, родившаяся после добавления старших офицерских классов, с разделением Пятилетнего образования на два этапа в дальнейшем именно на примере Института инженеров путей сообщения распространилась в России, и сохраняется до сих пор. Это позволяло начинать преподавание математики, механики и физики на довольно высоком уровне уже на первых курсах и давать студентам достаточную подготовку по фундаментальным предметам, а затем использовать время для изучения инженерных дисциплин.  
В дальнейшем в течение всего девятнадцатого века продолжилось создание различных специализаций и направлений высшего инженерного образования, происходившее в процессе перехода наиболее передовых инженерно-технических учебных заведений Российской империи к системе высшего образования. Это приводило к качественному развитию, так как каждое учебное заведение создавало несуществовавшую до этого свою собственную программу нового направления или специализации высшего инженерного образования, позитивно сотрудничая и заимствуя передовой опыт других, по-братски обмениваясь, инновациями и взаимно обогащая, друг друга. Одним из выдающихся организаторов и символов этого процесса был Дмитрий Иванович Менделеев.

С целью взаимной информационной поддержки, для организации  и развития научной деятельности для пользы общества, а также для  личного профессионального роста, инженеры объединяются в союзы и  объединения. Например, Институт инженеров электротехники и электроники или Казахское инженерное сообщество.

Порой, инженеры принимают  активное участие в политической жизни, так советские инженеры, в  большинстве своем, поддерживали демократические  тенденции 90-х годов.

3.2 Обязанности инженера

Используя квалификационный справочник должностных  инструкций, мы представляем основные обязанности общей специализации  квалификации инженер

◄С использованием средств вычислительной техники, коммуникаций и связи, выполняет работы в области научно-технической деятельности по проектированию, строительству, информационному обслуживанию, организации производства, труда и управления, метрологическому обеспечению, техническому контролю и т. п.

◄Разрабатывает методические и нормативные документы, техническую документацию, а также предложения и мероприятия по осуществлению разработанных проектов и программ.

◄Проводит технико-экономический анализ, комплексно обосновывает принимаемые и реализуемые решения, изыскивает возможности сокращения цикла выполнения работ (услуг), содействует подготовке процесса их выполнения, обеспечению подразделений предприятия необходимыми техническими данными, документами, материалами, оборудованием и т. п.

◄Участвует в работах по исследованию, разработке проектов и программ предприятия (подразделений предприятия), в проведении мероприятий, связанных с испытаниями оборудования и внедрением его в эксплуатацию, а также выполнении работ по стандартизации технических средств, систем, процессов, оборудования и материалов, в рассмотрении технической документации и подготовке необходимых обзоров, отзывов, заключений по вопросам выполняемой работы.

◄Изучает и анализирует информацию, технические данные, показатели и результаты работы, обобщает и систематизирует их, проводит необходимые расчеты, используя современную электронно-вычислительную технику.

◄Составляет графики работ, заказы, заявки, инструкции, пояснительные записки, карты, схемы, другую техническую документацию, а также установленную отчетность по утвержденным формам и в определенные сроки.

◄Оказывает методическую и практическую помощь при реализации проектов и программ, планов и договоров.

◄Осуществляет экспертизу технической документации, надзор и контроль за состоянием и эксплуатацией оборудования.

◄Способствует развитию творческой инициативы, рационализации, изобретательства, внедрению достижений отечественной и зарубежной науки, техники, использованию передового опыта, обеспечивающих эффективную работу предприятия.

3.3 Знания инженера

Изучив  обязанности инженера мы, приходим к выводу, что для осуществления инженерной деятельности необходима база определенных знаний, одним из которых в основании находится математика. Давайте же рассмотрим, какие знания необходимы инженеру?

◄директивные и распорядительные документы, методические и нормативные материалы по вопросам выполняемой работы; перспективы технического развития и особенности деятельности предприятия (подразделений предприятия);

◄принципы работы, технические характеристики, конструктивные особенности разрабатываемых и используемых технических средств, материалов и их свойства;

◄современные средства вычислительной техники, коммуникаций и связи;

◄методы исследования, правила и условия выполнения работ;

◄основные требования, предъявляемые к технической документации, материалам, изделиям;

◄действующие стандарты, технические условия, положения и инструкции по составлению и оформлению технической документации;

◄методы проведения технических расчетов и определения экономической эффективности исследований и разработок;

◄достижения науки и техники, передовой отечественный и зарубежный опыт в соответствующей области деятельности;

◄основы экономики, организации труда и управления;

◄основы трудового законодательства;

◄правила и нормы охраны труда.

 

Глава 4

Роль математики в инженерной деятельности

В настоящее время, когда необходимость глубокой математической подготовки инженеров не надо обосновывать,  когда как в содержательном, так и в организационном плане обособилась сфера  технических наук, ставшая объектом философско-методологического анализа, вопрос о значении  математики для  техники трансформировался в проблему математизации технических наук.

Процесс математизации  технических наук фиксируется  как феномен при рассмотрении истории технических знаний в той или иной области. Более того, он происходит столь стремительно, что ощущается  каждым инженером и инженерным сообществом в целом в виде проблем повышения квалификации, перестройки учебных программ, связанных с быстрым устареванием и сменой используемого математического аппарата.

С внешней  стороны  математизация  технических наук может быть охарактеризована как последовательное расширение и усложнение применяемых в инженерии математического аппарата и методов. Внутренняя, сущностная сторона математизации технических наук может быть раскрыта на основе исследования функций и роли математики в формировании и функционировании технических теорий и анализа их изменений в процессе развития технических наук. Она имеет специфику, обусловленную особым гносеологическим статусом технических наук.

Если в технических  науках  создается, обосновывается  и исследуется  набор методов решения инженерных задач, то главным показателем инженерного искусства является  выбор такого  математического описания и такой точности проводимых решений, которые были бы адекватны поставленной  задаче.  Этот выбор и оценка результатов  решений  должны основываться на понимании допущений, лежащих в их основе, на умении физически интерпретировать сложные формализованные решения. Причем то, что сложные инженерные задачи в их математической части относительно легко  разрешимы  с  помощью современной вычислительной техники, не умаляет, а, напротив, усиливает необходимость глубокого понимания инженером физики явлений, физического содержания математических формул и смысла производимых расчетных  операций.

Широкое привлечение  сложного математического аппарата и решение прикладных задач привело к формированию   научных дисциплин с особым статусом. В 1950-1970-х гг. в развитии технических наук все большую роль стали играть процессы  интеграции и обобщения теоретических результатов, полученных в исследованиях инженерных проблем той или иной техники. Появились общеинженерные теории, методы проектирования, дисциплины. Так, в 1950-х гг. анализ условий генерирования незатухающих  колебаний в радиотехнических установках,  исследование статической и динамической устойчивости энергосистем и ряд других  технических задач потребовали широких теоретических обобщений,  применения в инженерном деле сложного математического аппарата и  методов прикладной  математики. Это привело к возникновению в 1950-х гг. теории колебаний - междисциплинарной теории, нацеленной на физико-математический  анализ  процессов  в конкретных динамических системах любой природы. В теории колебаний разрабатывается совокупность математических моделей, позволяющая выделять и исследовать характерный класс процессов различного происхождения:  в физике, в биологии, в механике, в различных областях техники. В 1950-х гг. приобрела междисциплинарный статус и теория электрических цепей,  первоначально развивающаяся как базовая электротехническая теория.  К этому же  типу  общетехнических  дисциплин  можно отнести теорию подобия, возникшую из задач теплотехники и нашедшую применение в решении проблем химической технологии, электротехнике и других областях инженерной и научной деятельности.

Таким образом, теоретическое  исследование (познание)  в технических  науках направлено на построение моделей  процесса-оригинала, позволяющих давать математическое описание и получать численное решение для различных режимов функционирования технического устройства. В связи с этим центральный объект гносеологического анализа – исследовательские процедуры и теоретические схематизации технической науки, позволяющие осуществлять переход  от структурно-морфологических изображений устройств, на которых разъясняется и анализируется картина протекающих в них процессов в свете поставленной инженерной задачи, к  изображению самих процессов, т.е. к математизированной модели процесса-оригинала. Важнейшим моментом такого перехода  является работа с математическими уравнениями исследуемых процессов, компонентам которых приписывается статус существования, что выражается в их содержательной и операциональной интерпретации, закреплении в особом понятии (например, "параметр цепи") и условном графическом изображении. Оборотной стороной  математизации является углубленное изучение картины реальных физических процессов в электротехнических устройствах (процессов-оригиналов), необходимое для понимания  границ применимости тех или иных рациональных упрощений этой картины (идеализаций, теоретических схем) и,  соответственно, того или иного математического аппарата.