Jdi na obsah Jdi na menu
 


Podmínky inovace I

Mezi podmínky inovace patří:
- vnitřní předpoklady v přírodních vědách
- objev v přírodních vědách
- vnitřní předpoklady techniky (musí být známy technické principy, na kterých se bude stavět něco nového)
- technická empirie 
Vnitřní předpoklady v přírodních vědách
1. Přírodní věda
Věda je společenská činnost, ve které člověk na rozdíl od materiální činnosti předmět materiálně nevytváří, ale reprodukuje ho v myšlení a osvojuje si jej v teoretické praxi. Věda přináší nové poznatky o pohybu a struktuře objektivní reality a zahrnuje všechny společenské podmínky a předpoklady vzniku vývoje poznání. Rozvoj vědy je neomezený a je vzájemně podmíněn rozvojem výrobních sil, potřebami a souvislostmi vědy samé a potřebami ekonomickými.
Vypovídající je i definice přírodní vědy ze Štollovy knihy "Dějiny fyziky" (viz seznam literatury):
Věda je historický proces soustavného rozumového poznávání světa, vytváření jeho vědeckého obrazu. Přitom věda ověřuje své poznatky, sama sebe opravuje a je vždy připravena připustit omyl nebo nepřesnost svého poznání.
Tolik k pokusu o definici vědy, dále je nutné ozřejmit, které přírodní vědy měly a mají největší vliv na techniku:
Nejprve to byla astronomie, která byla z důvodu určení agrotechnických termínů naprosto nepostradatelná pro pastevecké a zemědělské národy. A astronomii lze rozvinout jen pomocí matematiky. Dále se vznikem větších staveb a řemesel vznikla mechanika jako část fyziky. Znalostí mechaniky bylo třeba i pro dopravu a válku. Matematiky je také třeba i k rozvoji mechaniky, která poskytuje teoretický základ pro rozvoj techniky. Matematika je teoretický základ též pro všechny exaktní vědy a má velký vliv i na ostatní neexaktní vědní disciplíny. Z uvedeného tedy vyplývá, že matematika musí mít náležitý předstih v základních poznatcích a při momentální potřebě matematického aparátu v ostatních vědních disciplínách se tyto poznatky upravují pro okamžitou potřebu. Je důležité naučit se, kdy matematiky užít a jak ji užít. Matematiky můžeme používat, až když zkoumaný proces umíme popsat nematematicky, až když o něm máme dostatečně informací. Zkrátka řečeno: matematizaci procesu můžeme provést až na určité úrovni znalostí o procesu.
Velký vliv na techniku mají též všechny části fyziky (elektřina, magnetismus, optika, jaderná fyzika atd.), které vznikly v pozdějších dobách. Definice fyziky je opět z uvedené Štollovy knihy, ve které píše:
Fyzika je základní věda o nejobecnějších vlastnostech přírodních objektů, která vychází z pozorování, zkušeností a experimentů, jejich výsledky zpracovává matematicky a své výpočty a teorie systematicky experimentálně ověřuje. Výsledky fyzikálního zkoumání slouží lidstvu v jeho technické a společenské praxi a z této praxe čerpá fyzika opět nové podněty a prostředky ke svému výzkumu.
Vztah fyziky k ostatním vědám i technice je takový, že fyzika se rychle zbavuje všeho, co je utilitární (užitkové), co nevypovídá o základním a své poznatky předává oborům, u jejichž kolébky stála. Klasická mechanika se v mnohém přesunula do inženýrské, průmyslové činnosti. Také kdysi módní bádání v oboru elektřiny je dnes záležitostí technickou, průmyslovou. Nukleární fyzika se zbavila mnoha oborů ve prospěch
jaderné energetiky, ale i lékařské diagnostiky a oborů využívající radionuklidy.
Na druhé straně se fyzika začala zabývat i záležitostmi jiných věd. Vysvětlila podstatu chemických vazeb, která se ukázala být ryze fyzikální a odsunula tak chemii do pozice utilitární vědy, nedotýkající se podstaty toho, co sama zkoumá.
Fyzika vysvětluje děje uvnitř Slunce a hvězd a dala astronomii na vybranou - buď se odsune do pozice klasického hvězdářství – nebo se s ní spojí v astrofyziku.
V poslední době se fyzice vynořuje vážný konkurent - je to biologie, která se nyní zabývá např. manipulacemi s geny a jinými biotechnologiemi a fyzice nezbude než pomocí svých zákonů vysvětlit též tuto problematiku. 

o999.jpg

Obrázek  Znázornění vztahů jednotlivých částí matematiky a fyziky
 
Přírodní věda se tedy skládá z poznávací a utilitární složky. Na obě tyto části má vliv matematika, která ale má též poznávací (teoretickou) a utilitární (aplikovanou) část – viz obrázek. Přírodní věda a technika spolu tedy úzce souvisí, jejich vztah je též zobrazen na vztahu objevu a vynálezu.
 
 
2. Využívání exaktních znalostí při návrhu technických objektů ve své době a při zachování bezpečnosti odpovídající své době.
 
            Využívání exaktních znalostí při návrhu technických objektů v průběhu doby se využívání teorie a postupů výpočtu měnilo takto:
 
Číslo
Metoda získání návrhu
Postup výpočtu – výpočetní technika
1
Pokus, omyl
nic
2
Odhad, zkušenost
(Technická empirie nematematizovaná)
nic
3
Empirický vztah či vzorec
Výpočet „na papíře“, popř. počítadlo - abakus
4
Vztahy či vzorce na základě „nevědecké“ teorie
Výpočet „na papíře“, popř. počítadlo - abakus
5
Odvozené jednoduché teoretické vztahy
Výpočet „na papíře“, popř. počítadlo - abakus
6
Odvozené jednoduché teoretické vztahy
Logaritmické a goniometrické tabulky, popř. logaritmické pravítko
7
Odvozené složitější teoretické vztahy
Logaritmické a goniometrické tabulky, popř. logaritmické pravítko
8
Odvozené složitější teoretické vztahy
Kalkulačka
9
Odvozené složitější teoretické vztahy
Počítač s výpočetním programem
10
Odvozené teoretické vztahy přímo určené pro počítač
Počítač s výpočetním programem
Tabulka vztahů metody a výpočetní techniky
K jednotlivým termínům použitých v tabulce je nutno uvést následující vysvětlení:
Výpočet „na papíře“ je tím myšlena všechna pomoc, při které se používala psací plocha (uhlazený písek, hliněná destička, papyrus apod.) a psací nástroj (prst, tyčka, rydlo, pero apod.). Toto je možno využít nejen pro samotný číselný výpočet, ale i pro náčrtky, různá zobrazení (např.: „výkresy“, „grafy“) apod.
            Počítadlo či abakus je jednoduchá mechanická pomůcka usnadňující výpočty. Byla to nejdříve deska s počtářskými kaménky a vyznačenými sloupci, později destička se žlábky nebo rámeček s kuličkami na tyčkách. Destička mohla být také nahrazena pouhými čarami vyznačenými v písku. Výpočet spočíval v přesouvání počtářských kaménků určitého řádu z jedné strany abaku na druhou. Abakus se používal v Babylóně, ve starověké Indii, starověkém Řecku, starověkém Římě, středověké Evropě. Popis abaku a výpočtů na něm sestavil v 11. století v Paříži matematik Bernelius a své dílo vydal pod názvem Liber abaci.
 

abakus.jpg

Obrázek Rekonstrukce římského abaku.
            Římský abakus - jednalo se obvykle o hliněnou destičku se sedmi žlábky, každý žlábek představoval jednu z římských číslic. Počítalo se přesouváním kuliček v těchto žlábcích.
            Abakus ve středověku - používala se hladká deska posypaná pískem rozdělená do třiceti sloupců, ale někdy mohlo být sloupců méně. Sloupce byly rozděleny do skupin po třech, každá skupina tvořila jeden řád. První tři sloupce se používaly pro vyjádření zlomků. Nahoře byly sloupce ukončeny oblouky nazývanými „arcus Pythagorei“, protože se objev abaku připisoval Pythagorovi. Do sloupců se kladly početní kaménky. Na rozdíl od starověkých verzí abaku se jednotky nevyjadřovaly pomocí několika kaménků, ale pomocí destiček s vyobrazením příslušných číslic, ty byly nazývány „apex“ (plurál „apices“). Na tyto destičky začaly být používány pro zápis čísel indo-arabské číslice a ty tak postupně vytlačily římské číslice.
            Historie logaritmického pravítka. Roku 1614 John Napier vyzkoumal novou matematickou metodu, díky níž šlo převést násobení a dělení na sčítání a odčítání. Tato metoda byla nazvána Napierovy logaritmy. Angličané William Oughtred a Edmund Gunter této metody využili k sestrojení posuvného pravítka, které počítání zjednodušovalo. To již byl jistý předchůdce moderního logaritmického pravítka. V roce 1850 vylepšil metodu posuvného pravítka Francouz Ameede Mannheim přidáním posuvného ukazatele a tím vytvořil logaritmické pravítko, jak ho známe dnes. Logaritmické pravítko bylo běžnou součástí výbavy středoškoláků, vysokoškoláků a lidí pracujících s logaritmy. Tam, kde bylo potřeba dosahovat větší přesností výpočtu, byly používány logaritmické tabulky s předvypočtenými hodnotami. S nástupem elektronických kalkulátorů v 70. letech 20. století však využívání logaritmického pravítka upadá. Počátkem let osmdesátých v technických kancelářích už opravdu málokdo počítal ještě na pravítku.
     Jako „nevědecká teorie“ je myšlena teorie bez opory v přírodních vědách, například rozměry sloupů starověkých chrámů se stanovovaly tak, že poměr průměru k jejich výšce byl roven poměru délky chodidla k výšce člověka. Poněvadž tento poměr je jiný u muže než u ženy, mívaly chrámy zasvěcené bohyním štíhlejší sloupy než chrámy zasvěcené bohům. 
 

Stavební inovační prvek

Aplikovaná teorie fyziky

(mechaniky, pružnosti a pevnosti)

Aplikovaná teorie matematiky

Pořadové číslo metody získání návrhu a výpočetní techniky z předešlé tabulky

Pyramidy

tlakové namáhání,

žádná

1, 2

Sloup (antický)

tlakové namáhání,

vzpěr, pokus o vytvoření teorie, zatím nevědecké

aritmetika

4

Antický kamenný překlad

ohyb

žádná

2

Zeď(románská, gotická)

tlakové namáhání,

aritmetika

2

Klenba (Románská, gotická)

Statika (práce s vektory v rovině)

aritmetika

4

Vysoká zeď(gotická) s bočními podpěrami

Statika, vzpěr

aritmetika

4

Prostorová barokní klenba

Statika (práce s vektory v prostoru)

aritmetika, jednoduchá algebra

5

Překlad a nosníky keramické

Statika (Práce s vektory), kombinace uvedených namáhání

aritmetika, jednoduchá algebra

6

Překlad a nosníky litinové, ocelové

Statika (Práce s vektory), kombinace uvedených namáhání, oddělení pojmu tuhost a pevnost

algebra

6

Příhradová konstrukce

Statika (Práce s vektory), kombinace uvedených namáhání, oddělení pojmu tuhost a pevnost

algebra, začátky používání matic

7

Betonový monoblok

teorie desek

infinitezimální počet

7, 8

Překlad a nosníky železobetonové

teorie kompozitů

infinitezimální počet

7, 8

Skořepiny

teorie skořepin

infinitezimální počet, matice

9

Kovové konstrukce

únava materiálu

algebra, statistika, počet pravděpodobnosti

9, 10

Kovové konstrukce

křehký lom

infinitezimální počet

9, 10

Kompozitové konstrukce

teorie kompozitů

infinitezimální počet

9, 10

Všechny konstrukce

určení životnosti

www.reliability.estranky.cz

statistika, počet pravděpodobnosti

9, 10

Tabulka  Vazby matematiky a fyziky na inovace ve stavebnictví

 

Strojní inovační prvek
Aplikovaná teorie fyziky
(mechaniky, pružnosti a pevnosti)
Aplikovaná teorie matematiky
Pořadové číslo metody získání návrhu a výpočetní techniky z předešlé tabulky
Kolo dřevěné
Ohyb, otlačení
žádná
1
Dvouosý vůz dřevěný
Ohyb, otlačení
žádná
1, 2
Dvouosý vůz s ocelovými díly
Ohyb, otlačení, statika
žádná
1, 2
Čryřosý vůz s ocelovými díly
Ohyb, otlačení, statika, kinematika
žádná
2, 3
Zařízení mlýnů, hamrů
Kinematika - základy, dynamika - základy
aritmetika
3
Parní stroj
Termodynamika, kinematika, dynamika
algebra
5, 6
Ponorka
Stabilita vůči podtlaku (von Mises)
algebra
5, 6
Motor s vniřním spalováním
Termodynamika, kinematika, dynamika
infinitezimální počet
6, 7
Tlaková zařízení (Skořepiny)
teorie skořepin
infinitezimální počet, matice
7, 8, 9
Kovové konstrukce,
zvláště železniční vozidla
únava materiálu, křehký lom
algebra, statistika, počet pravděpodobnosti infinitezimální počet, matice
7, 8, 9
Konstrukční díly z plastů
viskoelasticita
infinitezimální počet
9, 10
Kompozitové konstrukce
teorie kompozitů
infinitezimální počet, matice
10
Všechny konstrukce
určení životnosti, doby údržby www.reliability.estranky.cz
statistika, počet pravděpodobnosti
10
Tabulka  Vazby matematiky a fyziky na inovace ve strojírenství

        Jak je vidět, vztah mezi přírodními vědami a technikou se v průběhu historie lidstva vyvíjel. V raných dobách, kdy věda a technika vznikaly, se technika vyvíjela především empiricky, na základě zkušeností. Došlo k nahromadění řady empirických poznatků nejen technického charakteru. Po nahromadění poznatků se začala rozvíjet teorie, která tyto empirické poznatky uspořádává a vysvětluje. Tuto teorii je však nutno empiricky ověřit. Tak vznikl experiment. V následujícím textu uvádíme několik příkladů.

        James Watt, konstruktér parního stroje, přivedl svým vynálezem vědce k potřebě hledání úplných teorií vazby tepelné a mechanické energie. Hledáním odpovědí na tento problém založili N. Carnot, R. Mayer, von Helmhotz a R. Clausius přírodní vědu termodynamiku, která svými teoriemi zpětně ovlivnila konstrukci tepelných strojů.

        Poznámka:       
        Z uvedených příkladů je vidět, že rozvoj vynálezu je podmíněn vazbou na exaktní vědy, tj. vědy, které využívají matematiku, zejména fyziku. Tato vazba existuje v různých společenských systémech různě velké úrovni. Jsou známa období a místa, kde byla tato vazba slabá, a kdy se vynálezy nerozvíjely.  
         Jde například o Čínu a Japonsko ve starověku. Byly zde podporovány vynálezy (např. střelný prach), avšak poté jejich vývoj ustrnul, neboť matematika a exaktní vědy tady byly rozvíjeny málo a izolovaně. Opakovaně se však musí uvádět, že o samotné vynálezy zájem společnosti byl.
         Podobný osud má i klasická čínská medicína. Zde se též jedná o velmi bohatý souhrn empirických znalostí a dovedností, bez snahy cokoli vysvětlovat exakními vědami, např. chemií, fyzikou apod.
 
 
3. Kybernetika, elektronizace a automatizace a inovace technických objektů

        Kybernetika (z řeckého kybernetos – kormidelník) se zabývá teorií řízení a sdělování ve strojích i živých organismech a zkoumá zákonitosti regulovaných soustav. Tím je spojena i s teorií a konstrukcí automatických strojů všech druhů. Kybernetiku rozpracovali americký matematik Norbert Wiener a mexický fyziolog Arthur Rosenblueth. Kybernetika se opírá o výsledky teorie pravděpodobnosti a matematické logiky, o podobnost mezi funkcí elektronických soustav a činností nervové soustavy i o analogii mezi automatismem nervové činnosti a prací elektronových matematických strojů.

        V současné době se slovo „kybernetika“ pomalu nevyskytuje. Kybernetika je jakýmsi souhrnem vědních disciplín spojených vnímáním shody řídících a sdělovacích struktur ve velmi různých systémech. Každý z jejich podoborů se dál vyvíjel, větvil na dílčí směry a nabýval nový obsah. Jakýmsi vrcholem technické kybernetiky se stala informatika. To, že se mnohem méně používá slovo „kybernetika“ ještě neznamená, že zmizena i kybernetika jako věda. Její postupy a principy zdomácněly natolik, že není potřeba je zvlášť pojmenovávat. Materializovaly se do technických zařízení, např.: mobilní telefony, automatická regulace křižovatek, internet atd. Kybernetika také vplynula do nových oborů přírodních věd – z nich nejznámější je již citovaná informatika.

        Aplikace kybernetiky vede k automatizaci funkce technických objektů. Automatizace se může uplatnit formou použití elektroniky, hydrauliky, kinematiky atd. V současné době vychází nejlépe ekonomicky i čistě technicky automatizace formou elektroniky vlivem hromadné výroby a miniaturizace.

       První neuvědomělou aplikací automatizace byl odstředivý regulátor parního stroje. V současné době se použitím elektroniky dá vytvořit regulátor lehčí, s menší spotřebou materiálu a s více funkcemi (např. by umožnil regulaci rozvodu páry přímo do válců). Další příklady aplikace automatizace jsou: NC – obráběcí stroje, roboty a manipulátory, počítače atd. Aplikace elektroniky za účelem automatizace se dotýká nebo dotkne všech technických objektů a systémů, které člověk obsluhuje.

       Na vývoj téměř každého technického systému má tedy vliv kybernetika, jejíž rozvoj nastal v automatizační etapě.

       Uvnitř současné kybernetiky je proud, který se orientuje na biologické, sociologické a také společenskovědní problémy. Kybernetika je proto stále ještě před vrcholem svého praktického uplatnění.