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 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?
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.