Механизация труда: от ручного труда к машинному производству.

Введение

Процесс перехода от работы вручную или с использованием животных к работе с машинами.

Механизация (или механизация) – это процесс перехода от работы преимущественно или исключительно вручную или с использованием животных к выполнению этой работы с помощью машин. В раннем инженерном тексте машина определяется следующим образом: каждая машина сконструирована для выполнения определенных механических операций, каждая из которых предполагает наличие двух других элементов, помимо самой машины, а именно – движущей силы и объекта, на который направлено воздействие, который можно назвать выполняемой работой. Фактически, машины располагаются между источником силы и работой, чтобы адаптировать одно к другому. Во всех областях механизация включает использование ручного инструмента. В современном понимании, например, в инженерии или экономике, механизация подразумевает машины, более сложные, чем ручной инструмент, и не включает простые устройства, такие как мельница, приводимая в движение лошадью или ослом. Устройства, вызывающие изменение скорости или преобразование движения из возвратно-поступательного во вращательное, с использованием таких средств, как шестерни, шкивы и ремни, валы, кулачки и кривошипы, обычно считаются машинами. После электрификации, когда большинство небольших машин перестало приводиться в движение вручную, механизация стала синонимом моторизованных машин. Дальнейшее развитие механизации производственного процесса называется автоматизацией и управляется системой с обратной связью, в которой датчики обеспечивают передачу информации о состоянии системы. В автоматизированной машине работа различных механизмов выполняется автоматически.

Древние времена

Водяные колеса появились еще в римский период и использовались для помола зерна и подъема воды для орошения. Водяные мехи применялись на доменных печах в Китае в 31 году нашей эры. К XIII веку водяные колеса приводили в движение лесопильные станки и молоты, для вытягивания ткани и измельчения льна, а позднее – хлопчатобумажной ветоши в целлюлозу для производства бумаги. В книге "De re Metallica" (1555) показаны молоты, дробящие руду. Часы были одними из самых сложных ранних механических устройств. Часовые мастера внесли значительный вклад в разработку станков, включая станки для резки зубчатых колес и винтов, а также участвовали в математической разработке конструкций передач. Часы стали одними из первых массово производимых изделий, начиная примерно с 1830 года. Водяные мехи для доменных печей, использовавшиеся в Китае с древних времен, применялись в Европе к XV веку. В книге "De re Metallica" содержатся чертежи, относящиеся к мехам для доменных печей, включая конструкторский чертеж. Усовершенствованные конструкции передач снижали износ и повышали эффективность. Математические расчеты для конструкций зубчатых колес были разработаны в середине XVII века. Французский математик и инженер Дезарг спроектировал и построил первую мельницу с эпициклоидальными зубьями около 1650 года. В XVIII веке получили распространение инволютные зубчатые колеса – еще одна конструкция, основанная на математических расчетах. Инволютные передачи лучше подходят для сцепления зубчатых колес разных размеров, чем эпициклоидальные. К концу XIX века паровая энергия стала применяться для молотьбы зерна, и появились паровые тракторы. В начале XX века для тракторов начали использовать двигатели внутреннего сгорания. Первоначально молотьба и уборка урожая осуществлялись с помощью навесного оборудования для тракторов, но в 1930-х годах стали использоваться самоходные комбайны. В середине и конце XIX века гидравлические и пневматические устройства могли приводить в действие различные механические операции, такие как позиционирование инструментов или заготовок. Сваи забивающие машины и паровые молоты являются примерами для тяжелых работ. В пищевой промышленности пневматические или гидравлические устройства могли запускать и останавливать заполнение банок или бутылок на конвейере. Гидравлические механизмы используются в рулевом управлении автомобилей, а также практически во всей землеройной и строительной технике и многих навесных устройствах для тракторов. Пневматическая энергия (обычно сжатый воздух) широко используется для управления промышленными клапанами.

Water wheels date to the Roman period and were used to grind grain and lift irrigation water. Water powered bellows were in use on blast furnaces in China in 31 AD. By the 13th century, water wheels powered sawmills and trip hammers, to pull cloth and pound flax and later cotton rags into pulp for making paper. Trip hammers are shown crushing ore in De re Metallica (1555). Clocks were some of the most complex early mechanical devices. Clock makers were important developers of machine tools including gear and screw cutting machines, and were also involved in the mathematical development of gear designs. Clocks were some of the earliest mass produced items, beginning around 1830. Water powered bellows for blast furnaces, used in China in ancient times, were in use in Europe by the 15th century. De re Metallica contains drawings related to bellows for blast furnaces including a fabrication drawing. Improved gear designs decreased wear and increased efficiency. Mathematical gear designs were developed in the mid 17th century. French mathematician and engineer Desargues designed and constructed the first mill with epicycloidal teeth ca. 1650. In the 18th century involute gears, another mathematical derived design, came into use. Involute gears are better for meshing gears of different sizes than epicycloidal. By the late nineteenth century steam power was applied to threshing and steam tractors appeared. Internal combustion began being used for tractors in the early twentieth century. Threshing and harvesting was originally done with attachments for tractors, but in the 1930s independently powered combine harvesters were in use. In the mid to late 19th century, hydraulic and pneumatic devices were able to power various mechanical actions, such as positioning tools or work pieces. Pile drivers and steam hammers are examples for heavy work. In food processing, pneumatic or hydraulic devices could start and stop filling of cans or bottles on a conveyor. Power steering for automobiles uses hydraulic mechanisms, as does practically all earth moving equipment and other construction equipment and many attachments to tractors. Pneumatic (usually compressed air) power is widely used to operate industrial valves.

Двадцатый век

К началу XX века машины приобрели способность выполнять более сложные операции, которые ранее выполнялись опытными мастерами. После 1900 года заводы были электрифицированы, и электродвигатели с системами управления стали использоваться для выполнения более сложных механических операций. Это привело к механизации процессов производства практически всех товаров.

Категории

В производстве механизация заменила ручные способы изготовления товаров. Первичные двигатели – это устройства, преобразующие тепловую, потенциальную или кинетическую энергию в механическую работу. К первичным двигателям относятся двигатели внутреннего сгорания, газотурбинные двигатели (реактивные двигатели), водяные колеса и турбины, ветряные мельницы и ветровые турбины, а также паровые двигатели и турбины. Транспортное оборудование с приводом, такое как локомотивы, автомобили, грузовики и самолеты, является классификацией машин, включающей подклассы по типу двигателя, например, двигатели внутреннего сгорания, газотурбинные и паровые двигатели. На заводах, складах, лесопилках и других производственных и распределительных предприятиях оборудование для перемещения материалов заменило ручную переноску, ручные тележки и повозки. Автоматизация – это следующий шаг после механизации. Ранние производственные машины, такие как машина для выдувания стеклянных бутылок (около 1890-х годов), требовали значительного участия оператора. К 1920-м годам стали использоваться полностью автоматические машины, требующие гораздо меньше внимания оператора.

Военное применение

Термин также используется в военной сфере для обозначения применения гусеничной бронетехники, в особенности бронетранспортеров, для перевозки войск, которые иначе передвигались бы пешим маршем или на грузовиках к месту боевых действий. В военной терминологии "механизированные" подразделения – это наземные подразделения, способные вести бой непосредственно из техники, а "моторизованные" – подразделения, которые доставляются к полю боя на технике, но затем спешиваются и сражаются без неё. Таким образом, артиллерийское орудие, перевозимое на тягаче, считается моторизованным, а самоходное – механизированным.

Механический труд против человеческого труда

Если сравнить производительность рабочего, то можно увидеть, что она составляет примерно 1–5,5% (в зависимости от того, использует ли он только руки или комбинацию рук и ног). Двигатели внутреннего сгорания обычно имеют эффективность около 20%, хотя крупные дизельные двигатели, например, используемые для привода судов, могут достигать эффективности почти 50%. Эффективность промышленных электродвигателей может достигать низкого диапазона 90%, до учета эффективности преобразования топлива в электроэнергию, которая составляет около 35%. При сравнении затрат на использование двигателя внутреннего сгорания и рабочего, выполняющего ту же работу, становится очевидно, что двигатель способен выполнить больший объем работы за сопоставимые деньги. Один литр ископаемого топлива, сожженный в двигателе внутреннего сгорания, эквивалентен примерно 50 рукам рабочих, занятым в течение 24 часов, или 275 рукам и ногам, работающим 24 часа. Кроме того, общая работоспособность человека значительно ниже, чем у машины. Средний рабочий может обеспечить работу, эквивалентную примерно 0,9 л.с. (2,3 МДж в час), в то время как машина (в зависимости от типа и размера) способна произвести гораздо больше энергии. Например, для получения всего 1 кВт·ч требуется более полутора часов тяжелого труда, тогда как небольшой двигатель может произвести его менее чем за час, сжигая менее одного литра нефтяного топлива. Это означает, что бригаде из 20–40 человек потребуется финансовая компенсация за их работу, по крайней мере, равная затраченной энергии в виде пищевых калорий (что как минимум в 4–20 раз выше). В большинстве случаев работник также потребует компенсацию за потерянное время, которая легко превышает в 96 раз дневную оплату. Даже если предположить, что реальная стоимость труда составляет 1 доллар США в день, стоимость энергии составит около 4 долларов США за кВт·ч. Несмотря на то, что это низкая заработная плата за тяжелый труд, даже в странах с самой низкой оплатой труда, это означает, что стоимость энергии значительно выше, чем у даже экзотических источников энергии, таких как солнечные фотоэлектрические панели (и, следовательно, еще выше по сравнению с ветроэнергетическими установками или люминесцентными солнечными концентраторами).

When we compare the efficiency of a labourer, we see that he has an efficiency of about 1%–5.5% (depending on whether he uses arms, or a combination of arms and legs). Internal combustion engines mostly have an efficiency of about 20%, although large diesel engines, such as those used to power ships, may have efficiencies of nearly 50%. Industrial electric motors have efficiencies up to the low 90% range, before correcting for the conversion efficiency of fuel to electricity of about 35%. When we compare the costs of using an internal combustion engine to a worker to perform work, we notice that an engine can perform more work at a comparative cost. 1 liter of fossil fuel burnt with an IC engine equals about 50 hands of workers operating for 24 hours or 275 arms and legs for 24 hours. In addition, the combined work capability of a human is also much lower than that of a machine. An average human worker can provide work good for around 0,9 hp (2.3 MJ per hour) while a machine (depending on the type and size) can provide for far greater amounts of work. For example, it takes more than one and a half hour of hard labour to deliver only one kWh – which a small engine could deliver in less than one hour while burning less than one litre of petroleum fuel. This implies that a gang of 20 to 40 men will require a financial compensation for their work at least equal to the required expended food calories (which is at least 4 to 20 times higher). In most situations, the worker will also want compensation for the lost time, which is easily 96 times greater per day. Even if we assume the real wage cost for the human labour to be at US $1.00/day, an energy cost is generated of about $4.00/kWh. Despite this being a low wage for hard labour, even in some of the countries with the lowest wages, it represents an energy cost that is significantly more expensive than even exotic power sources such as solar photovoltaic panels (and thus even more expensive when compared to wind energy harvesters or luminescent solar concentrators).