Васильков Г.В. Эволюционная теория жизненного цикла механических систем:
Теория сооружений

Оглавление

Предисловие от редколлегии

Синергетика и строительная механика

В серии "Синергетика – от прошлого к будущему" вышло уже около 40 книг на русском и испанском языках. Их проблематика очень широка – от математической истории до теоретической физики и от медицины до философских проблем современного естествознания. Однако книги, подобные той, которую вы держите в руках, у нас еще не было. Ни по тематике, ни по жанру, ни по стилю. Эта книга посвящена классической инженерной дисциплине – строительной механике, осмысленной с позиций бурно развивающегося междисциплинарного подхода – синергетики.

Синергетика и нелинейная наука в целом очень многим обязана механике. Леонардо да Винчи называл оптику раем для математиков. С не меньшим основанием механику можно назвать раем для теории бифуркаций – одного из ключевых разделов синергетики. Само слово "бифуркация" (раздвоение, ветвление) было введено в начале XIX века К.Якоби в задачах об устойчивости фигур равновесия вращающихся тел. И до сих пор в теории оболочек – важнейшем разделе строительной механики – возникает много важных и красивых задач, касающихся бифуркаций – изменения числа или устойчивости решений определенного типа при изменении параметров.

Осмысление проблем устойчивости и колебаний упругих систем способствовало становлению нелинейного мышления в нелинейной науке и инженерной практике. Развитие техники ставит все новые задачи, связанные с моделированием неустойчивостей в механических системах. Классическими стали работы создателя Института прикладной математики академика Мстислава Всеволодовича Келдыша, связанные с анализом флаттера и шимми – неустойчивостей, доставивших множество проблем авиаконструкторам в предвоенные годы. При этом, в отличие от академической науки, здесь нужно подходить с инженерной, прикладной точки зрения – мало понять и описать механизм неустойчивости, надо предложить решение, позволяющее предотвратить или использовать этот эффект.

Строительная механика в Средние века стала важнейшим полигоном для прикладной математики. Историки науки и техники утверждают, что после того, как здания стали рассчитывать, полагаясь на законы механики и простейшие модели, а не только на интуицию и опыт, за несколько десятилетий их высота выросла вдвое.

Строительная механика относится к "вечным" областям знания, которые не удается "закончить". Кроме внутренней логики развития науки есть два важнейших внешних фактора. Это, во-первых, появление новых материалов. Если надежды, возлагаемые на нанотехнологии, оправдаются, то это преобразит и строительство, и техносферу в целом. Например, созданные углеродные нанотрубки в 100 раз прочнее и в 6 раз легче стали. Если удастся сделать канат их них, то реальностью станет космический лифт, позволяющий просто поднимать на геостационарную орбиту все, что мы сочтем нужным. Второй фактор – это смелость и новизна архитектурных решений, стремящихся к использованию всех возможностей, которые могут предложить технологи.

Мой учитель, замечательный человек и большой ученый, чл.-корр. РАН Сергей Павлович Курдюмов любил говорить, что цели синергетики во многом будут достигнуты, когда ее понятия, концепции, идеи перестанут быть только достоянием исследователей, выйдут из лабораторий и аудиторий и станут элементом культуры.

Яркая и своеобразная книга Г.В.Василькова – важный шаг к этому. Инженер-строитель – массовая профессия, и если эта часть инженерного корпуса увидит, что идеи самоорганизации, эволюции, моделирования нелинейных систем конструктивны, содержательны и понятны им, то синергетику будут ждать и новые задачи, и новые успехи. Именно эта конкретность, привязка к задачам, которые решают инженеры, и отличает данную книгу.

Чтобы чему-нибудь научиться в области естественных наук, надо решать задачи. Только они позволяют исследователю и инженеру "быть, а не казаться". В книге Г.В.Василькова около сотни полезных, конкретных, поучительных задач. Не так давно мы вспоминали, сколько инженерных решений и новых идей выросло из задач, разобранных в известном 9-томном курсе теоретической физики Л.Д.Ландау и Е.М.Лифшица. Оказалось, что очень много. Известная мудрость гласит, что образование – это то, что остается, когда все выученное забыто. Если остается умение решать задачи, то это очень много.

В основу книги положен предложенный Г.В.Васильковым метод адаптивной эволюции механических систем. Казалось бы, в основе строительной механики лежат линейные уравнения теории упругости. Где же здесь место для нелинейности, для самоорганизации, бифуркаций? Предложенный подход связан с задачей минимизации функционала, характеризующего систему, с решением вариационной задачи с помощью введенной итерационной процедуры.

На эту процедуру можно взглянуть как на обычный численный метод, позволяющий решить возникающие задачи оптимизации. Но можно и иначе, как на механизм, обеспечивающий в деятельности инженера выбор оптимальной конструкции, а в природе – как на процесс, позволяющий достигнуть оптимальной адаптации к внешним условиям, к тем задачам, которые решает организм или другая система. Этот взгляд последовательно, оригинально и весьма обоснованно и развивается в книге.

Синергетика представляет междисциплинарный подход, поэтому большое место в работе отводится аналогиям между развиваемым подходом и теорией гармонии, в частности музыкальной (наше восприятие, оценивая красоту, удивительным образом подсознательно ищет оптимальные, гармоничные пропорции). Интересна аналогия между моделями этой предметной области и подходом теории относительности. Волнующая перспектива – с высоты птичьего полета увидеть далекие, но интересные аналогии.

Сейчас мы рассматриваем синергетику как междисциплинарный подход, лежащий на пересечении предметного знания, математического моделирования и философской рефлексии. И поэтому в книге много интересных и глубоких суждений, касающихся эволюции, образования, восприятия, развития науки. Метафоры и упоминания "экстрасенсов" и ясновидения пусть останутся на совести автора. Они не должны заслонять главного – в ходе анализа и решения конкретных практических задач формируется оригинальное целостное мировоззрение. И в основе этого мировоззрения лежат идеи синергетики. Именно она оказывается "точкой сборки" идей, результатов, надежд, возникшего понимания.

Известный философ и историк науки Томас Кун утверждает, что есть важная веха в становлении нового подхода в научной деятельности, новых стандартов – новой парадигмы. Эта веха связана с тем моментом, когда новые идеи приходят в старые, классические области, где, казалось бы, "все ясно", когда они позволяют в них получать глубокие, интересные результаты. Яркая, талантливая книга Г.В.Василькова показывает, что для синергетики и строительной механики, вероятно, это время пришло.

Об авторе

Родился в 1942 г. По образованию – инженер-строитель путей сообщения. В 1964 г. окончил дорожный факультет РИСИ (РГСУ). Работал в строительной отрасли мастером, прорабом, начальником строительного участка. С 1969 г. работал на кафедре строительной механики РИСИ (РГСУ) ассистентом, доцентом, профессором; в настоящее время – заведующий кафедрой строительной механики. Защитил кандидатскую диссертацию в 1972 г., докторскую диссертацию в 1989 г. Член научно-методического совета по дисциплинам прочностного цикла при Госкомобразовании СССР (1989-1993). Советник РААСН с 1994 г., член Российского общества по механике грунтов, геотехнике и фундаментостроению с 1998г., заслуженный деятель науки РФ с 2004 г.

Научную работу ведет по трем научным направлениям: 1. Математическое моделирование механических процессов в твердых деформируемых средах; 2. Совершенствование методов решения задач механики; 3. Разработка эволюционной теории жизненного цикла самоорганизующихся, саморазвивающихся систем.

Под руководством Г.В.Василькова защищены 25 кандидатских и 5 докторских диссертаций.