Onderwerpen van de methodologie van de technische
wetenschappen
Citation for published version (APA):
Sarlemijn, A. (1986). Onderwerpen van de methodologie van de technische wetenschappen. (TWIM-studies; Vol. 3,4). Technische Universiteit Eindhoven.
Document status and date: Gepubliceerd: 01/01/1986 Document Version:
Uitgevers PDF, ook bekend als Version of Record Please check the document version of this publication:
• A submitted manuscript is the version of the article upon submission and before peer-review. There can be important differences between the submitted version and the official published version of record. People interested in the research are advised to contact the author for the final version of the publication, or visit the DOI to the publisher's website.
• The final author version and the galley proof are versions of the publication after peer review.
• The final published version features the final layout of the paper including the volume, issue and page numbers.
Link to publication
General rights
Copyright and moral rights for the publications made accessible in the public portal are retained by the authors and/or other copyright owners and it is a condition of accessing publications that users recognise and abide by the legal requirements associated with these rights. • Users may download and print one copy of any publication from the public portal for the purpose of private study or research. • You may not further distribute the material or use it for any profit-making activity or commercial gain
• You may freely distribute the URL identifying the publication in the public portal.
If the publication is distributed under the terms of Article 25fa of the Dutch Copyright Act, indicated by the “Taverne” license above, please follow below link for the End User Agreement:
www.tue.nl/taverne Take down policy
If you believe that this document breaches copyright please contact us at: openaccess@tue.nl
Andries Sarlemijn
BENADEHINGSWIJZEN
IN DE
TECHNISCHE WETENSCHAPPEN
TWIM Studies nr. 3
CIP-gegevens KB Den Haag:
Sarlemijn, Andries: Onderwerpen van de methodologie van de technische wetenschappen/ Andries Sarlemijn - Eindhoven: Technische Universiteit Eindhoven - TWIM-studies nr 3, Uitg. Fakulteit W&Mw, TUt::, Eindhoven Met lit. opg.
138 N 9u. 6778 504 0
5150 040.7 UDC 001 891: 62
INLEIDING EN VOORWOORD
De hier in twee bundels opgenomen artikelen zijn reeds eerder verschenen of zullen elders verschijnen. Ter verduidelijking van de samenhang worden ze hier gepresenteerd als hoofdstukken met inleidingen.
Voor de methodologie is het van belang te weten, in hoeverre technische weten schappers verschi Ilend met theorieen 'omgaan'. Een antwoord op die vraag is al
ge-geven in Historisch gegroeide relaties tussen natuurwetenschap en techniek
{TWIM-studie nr. 1). Om aan die problematiek te herinneren is een fragment uit dat boek hier als hoofdstuk i opgenomen. De daarop volgende hoofdstukken (II, III, IV, V) re-sulteren uit studies, die tot doel hadden het een en ander nader te onderzoeken en te preciseren.
Strikt techniekmethodologische studies treft men aan in de hoofdstukken VI en VII, die het tweede deel van de bundel vormen.
Aangezien de methodologie van de technische wetenschappen nog een discipline in ontwikkeling is, zijn algemene beschouwingen over de onderwerpen en over de be-naderingswijzen in deze discipline onvermljdelijk. Die treft men aan in de hoofdstukken VIII en IX, die het derde deel van de eerste bundel vormen.
De hoofdstukken van deel II (hoofdstuk X e.v.) gaan in op de context van de technische wetenschappen en behoren daarom tot de methodologie in een wat brede re betekenis.
Ik dank de redactie van de TWIM-studies voor de opname van de bundels in de serle. Ook dank ik Janroel Fagnotti voor de verzorglng van aile tekeningen van deze Olinde Is.
Maar in het bijzonder dank ik prof.dr .dr.dr. Joseph M. Bochenski. Maer dan vroeger ben ik mij tegenwoordig bewust, welke positieve invloed hij op mij heeft ge-had. Hij wekte in mij de belangstelling voor de geschiedenis en voor de logica.
Bei-slag voor nieuwe vormen voor onderwijs in de techniek. Methodologische analyses zouden allen historisch empirisch moeten verduidelijken, hoe begrippen feitelijk wer-ken I ze zouden tot een formele precisering moeten leiden en enige praktische
re-levantie moeten hebben.
inhoud van deel I
A. VERSCH IllENDE H ISTORISCH GEG ROEJDE RElA TIES TUSSEN NATUURWETEI\JSCHAP EN TECHNIEK
Hoofdstuk I: Verschillende werkterreinen van de technische wetenschappers •... Een driedeling (p. 3)
Het graduele verschi I tussen wetenschap en techniek (p. 4) Ervaringstechnieken (p. 5)
K lassieke technieken (p. 7)
Modern theoretische technieken (p. 7)
Hoofdstuk II: Klassieke mechanica, eerst een technische kunde,
nadien een fysische wetenschap en ten slotte weer een discipline
voor ingenieurs ...•••••.•...•..•...•...••...•••.••••••••...••••••... 11 Fysica versus mechanica: drie oud Griekse tradities (p. 14)
Middeleeuwse natuurkunde versus mechanische kunsten (p. 17) Mechanische kunsten doorbreken grenzen (p. 19)
Galilei's mechanisch technische en fysische methodologie (p. 21) Mechan ica van "conse' tot wetenschap 1 van wetenschap tot ingenieurskunde (p. 27)
Hoofdstuk III: Galile'i, methodoloog van de makro-fysische benaderingswijze ...•.. 33 Galile'i, een symboolfiguur? (p. 35)
Experimenteel fysische methodologie: drie stadia (p. 36)
Inductief, a priori, hypothetisch deductief of veel complexer? (p. 3d) Fysica en techniek (p. 40)
Gali le'j en technische wetenschap (p. 41)
Hoofdstuk IV: Twee technische fysici, Gal i le'j en Stevin, en een nag steeds actueel methodologisch dilemma in de context van de technische
wetenschappen ..••••••••••..••••••••••..•••...••••••..•••••..•.•••••.•.•..•.•..•••.•••••...•.•••••• 45 Over het zogenaamde nieuwe in de fysica (p. 47)
Hoe idealiseren met experimenteren te combineren? (p. 47) Stevins menghen van spiegheling en daet \.p. 49)
GalileT's combinatie van idealisering, experiment en techniek {p. 50) t:en klassiek en nog steeds actueel di lemma (p. 52)
Hoofdstuk V (tez. m. ProLdr. P.P. Kirschenmann); Van
makro-naar m ikrofysische technolog ie... 55 logisch positivisme: continue Qroei van
positief wetenschappelijke inzichten (p. 58) Universalistische methodologie:
8. TECHNIEKMETHODOLOGISCHE ANALYSES
Hoofdstuk VI: Idealiseren in de materiaalkunde en bij het construeren ••••.••••.•. 75 Idealiseren volgens Galile'i's, volgens Newtons en
volgens Machs benadering (p. 77)
Idealiseren in de context van de transistortechnologie (p. 79) Het ideale en het ideele in de technische fysica (p. 82)
Hoofdstuk V II: Analogieen tijdens ontwerpprocessen, een logische en historische analyse van de analogieen die een rol gespeeld hebben
tijdens de research omwi lie van de transistor ... 87 Analogie-analyse versus succes-historiografie (po 89)
Classificatie van techno\ogische analogieen (p. 92) Relevantie van de onderscheidingen en
van de formele rechtvaardigingen (p. 103)
Overzicht van de technologische analogieen (p. 104)
Analogieen tijden het transistor-onderzoek: de verwachting van een S-Analogie nam af in 1930-1947 (p. 105)
Tot de beoogde ANAFUNC leidt een 'ketting' van ANAMORFIEEN (p. 108) Realisatie van de ANAFUNC (p. 110)
Methodologische conclusies (p. 112)
LOQ ische analyse van techno log ische analogieen (p. 116)
C. METHODOLOGIE VAN DE TECHNISCHE WETENSCHAt'PEN: ONDERWERPEN, BENADERINGSWIJZt::N
Hoofdstuk VIII: Onderwerpen die specifiek zijn voor
de methodo!08ie van de technische wetenschappen, , ... . Methodologische onderwerpen in een technisch fysische context (133) Orie afhankelijl<heden van de fysica t.o.v. de technologie (p. 133) ":en klassieke discussie in de makrofysische optica en een
'deeitjes-discussie'in een moderne mikrofysische context (p. 135) Hoofdstuk IX: 8enaderingswijzen in de methodologie van de
131
technische wetenschappen ...•...•..•.•...•••••.••.•..••••••..•...•••••••••..••.••..•• 139 Drie benaderingswijzen (p. 142)
A
verschillende historisch gegroeide relaties tussen natuurwetenschap en techniek
hoofdstuk I
VERSCHILLENDE WERKTERREINEN VAN DE
TECHNISCHE WETENSCHAPPEN
fragment uit
NATUURWETENSCHAP EN TECHNIEK
(= deel I van de cursus 'Technische Wetenschappen'),
Technische wetenschappers, wie rekenen we daartoe? Mensen met nogal uiteenlopende opleidingen: bouwkundigen, civiele ingenieurs, werktuigbouwkundigen, vlieg - en water-bouwkundigen, technische chemic; en fysici. Waarin komen hun taken overeen? Ge woonlijk antwoordt men op die vraag: zij passen natuurwetenschappelijke theorieen toe om een productiewijze te vinden of te verbeteren. Voor ve Ie gevallen is die taakom schrijving voldoende duidelijk. t::conomen, sociologen hebben immers die taak niet.
Toch kan de methodologie geen genoegen nemen met die globale omschrijving. Zij roept immers verschillende vragen op, zoals: (a) gaan aile technische wetenschap-pers van dezelfde natuurwetenschappelijke theorieen uit? (b) wat betekent hier eigen-iljk 'toepassen'? Gaat men op die vragen in, dan ontstaat een wat meer gedifferen-tieerd beeld van het doen en laten van de technische wetenschappers.
Met betrekking tot de tweede vraag leiden de methodologische analyses soms tot opmerkelijke resultaten. Bij de gebruikelijke betekenis van lItoepassen" denkt men aan een technicus die met een bestaande theorie een praktisch doel bereikt; bij die gebruikelijke interpretatie gaat de theorievorming vooraf aan de technische toepassing.
Maar de techniekontwikkeling houdt zich niet altijd netjes aan die volgorde. De diode en de triode bestonden al in het begin van deze eeuw, voordat de werking ervan met de elek tronentheorie verk iaard kon worden. In december 1986 vierden de onderzoekers van de Bell Telephone Company feest vanwege de uitvinding van de transistor. Tach had Bi II Shock ley nog een vij ftal jaren nodig om de werk ing van de transistor fysisch te kunnen verklaren. Ontwerpen en constructies zijn niet direkt uit theorieen afleid-baar. Oat blljkt uit die voorbeelden. Oat is ook het geval bij minder spectaculaire voorbeelden, zoals bij het ontwerp van een huis. Dat is immers ook niet direkt uit de statica-wetten deduceerbaar. E:nkele aspekten van de rol van theorieen bij het ontwer pen en construeren worden in het B-gedeelte (hoofdstukken VIII en IX) behandeld.
Hier in het A-gedeelte concentreren we ons eerst op de verschillende werkter reinen van de technische wetenschappers. Oat verschil impliceert een verschil in know how, een verschil in het omgaan met theorieen en daarom een methodologisch
ver--Tee/mische vindillg
Know how betekent eigenlijk: 'de kennis van het hoe' en deze uitdrukking zal voortaan in deze betekenis worden gebruikt.
Deze driedeling kom t straks zeer uitvoerig aan de orde.
Een driedeling
In 1913 werd de Nobelprijs voor de natuurkunde toegekend aan Heike Kamerlingh Onnes vanwege zijn werk op het gebied van de
lage-temperaturen-fysica en in het biizonder vanwege het vloeibaar maken van helium.
Fritz Haber ontving in 1918 de Nobelpriis voor de scheikunde, omdat hij in staat was geweest de methode voor de synthese van ammoniak uit waterstof en stikstof te ontwikkelen. De Nobelprijs voor de natuurkunde werd in 1956 toegekend aan William Bradford Shockley, John Bardeen en Walter H. Brittain, omdat zij erin geslaagd waren de transistor te ontwik-kelen. Nog vele andere voorbeelden zouden hier opgesomd kunnen worden waaruit duidelijk blijkt, dat de Nobelpriis voor een van de natuurweten-schappen vaak is toegekend vanwege het komen tot een technische vinding:
het vloeibaar maken V9-n helium, een manier om ammoniak te vervaar-digen, de ontwikkeling van de transistor. Dat wi! natuurlijk niet zeggen, dat in die gevallen de Nobelprijs voor dar vakgebied ten onrechte aan die personen is toegekend. Die technische vindingen veronderstelden een verstrekkende kennis van de theorieen op de desbetreffende vakgebieden. Maar het is weI opvallend, dar die theoretische kennis op zich niet toerei-kend was om tot die presta ties te komen. Daarnaast was er een know how
nodig, die aan twee eisen voldeed: enerzijds diende men te beschikken over een praktische kennis van bepaalde technologische processen en methoden en anderzijds diende men aan te geven hoe deze praktische kennis aansloot bij de theorieen die toegepast werden.
Uit het voorgaande blijkt, dat het in de praktijk soms niet eenvoudig is wetenschap en techniek van elkaar te scheiden. Voor sommige wetenschap-pers is technisch inzicht zelfs onontbeerlijk om tot presta ties op hun vakgebied te komen. Maar omgekeerd moet ook de technicus soms over een flinke dosis natuurwetenschappelijke kennis beschikken. Vanwege de moeilijkheid wetenschap en techniek in de praktijk nauwkeurig te onderscheiden gebruikt men in de literatuur wei eens uitdrukkingen als 'technisch-wetenschappelijke ontwikkelingen' en
'technisch-wetenschappeliike produkten', waarbij dan voor het gemak in het geheel geen onderscheid meer gemaakt wordt tussen hetgeen aan de ontwikkeling van de techniek en hetgeen aan de ontwikkeling van de wetenschappen is toe te schrijven.
Hier zullen drie soorren technieken worden onderscheiden: (a) ervarings-technieken, (b) klassieke technieken en (c) modern-theorerische technieken Bij de ervaringstechnieken speelt de ervaring een overheersende en de funda-mentele theorie een ondergeschikte rol. Kenmerkend voor de klassieke technieken is, dat zij uitgaan van wisselwerking tussen wetenschap en techniek am zo tot een hoge mate van perfectie te komen. De integratie tussen wetenschap en techniek is nagenoeg volle dig bij de
modem-theoretische technieken, waarvan men zonder fundamentele theorie het bestaan nooir had kunnen vermoeden.
Modem-theoretische lechtlieken
De driedeling heeft een schematische betekenis: ze verduidelijkt de verschillende soorten kennis die een rol spelen bij de techniek.
De driedeling komt echter ook overeen met een driedeling van de histori-sche ontwikkeling. Deze omstandigheid heeft nog een voordeel: het onderscheid en de karakteristieken kunnen met voorbeelden uit de geschie-denis worden toegelicht.
Het is ook opvallend, dat de drie so orten techniek verschillende plaatsen innemen in de samenleving. De ervaringstechnieken zijn in tegenstelling tot de andere - hecht verbonden met vraagstukken van artistieke aard. Dar is in overeenstemming met de aanvankelijke betekenis: 'techniek' (TEXV'Tl)
stond in het Grieks voor 'kunstvaardigheid' en ook voor 'kunstzinnig voorwerp'. Ook hebben de ervaringstechnieken minder ingrijpende gevolgen ten aanzien van het milieu. Dat is niet meer het geval bij de klas-sieke technieken; ze zijn ontstaan in de periode die in de technische wetenschappen de klassieke periode (vanaf de late Middeleeuwen tot de twintigste eeuw) wordt genoemd en ze werden ingegeven door de ideologie van het beheersen van de natuur (geformuleerd door Francis Bacon). In die periode begin! oak de scheiding tussen kunst en techniek. Tegenwoordig wordt de relatie van de techniek met de kunst in zekere zin gelegd door de industrieIe vormgever, die tot taak heeft bijvoorbeeld aan een radiotoestel een vorm te geven die het publiek aanstaat.
Bij de modern-theoretische technieken is de ingreep in de natuur in ten siever (men denke bijvoorbeeld aan radioactiviteit, die eeuwen kan blijven bestaan) en er is geen verband met de kunst. Aan deze maatschappelijke aspecten van de technieken zal hier echter niet zovee1 aandacht besteed worden. Hier staat de vraag centraal naar de verschillende soorten kennis en onderzoek die nodig zijn om de techniek in stand te houden en verder te ontwikkelen. In de laatste paragraaf zal aandacht besteed worden aan de vraag, hoe de verschillende technieken in een moderne gemdustrialiseerde samenleving (inhoudelijk) in elkaar grijpen.
2 Het graduele verschil tussen wetenschap en techniek
Vele mensen belijden een godsdienst am aan hun leven een bepaalde zin te geven. Velen beoefenen een kunst om in een wat abstractere vorm uiting te geven aan hun gevoelens. Omwille van een goed geregelde samenleving zetten velen zich in voor de politiek. Godsdienst, kunst en politiek zijn enkele facetten (onderdelen) van het maatschappelijke leven, waaraan indi-viduen deelnemen. Die facetten oefenen een invloed op elkaar uit: vele kunstenaars en ook veel politlei gaan bij hun werk irnmers uit van een reli-gieuze wereldbeschouwing en kerken zijn vaak maatschappelijk
geengageerd. Soms ontwikkelen die facetten zich onafhankelijk van elkaar: men streeft bijvoorbeeld naar de scheiding tussen kerk en staat en men onderstreept dat de kunstenaar een eigen authentieke roeping heeft.
Ervarings-technieken
Verzamelen van inzichten
Dit is een eerste glob ale definitie van techniek en wetenschap
Toch moeten we de vooruitgang in wetenschap en techniek niet overdrijven. De nog op te lassen vraagstukken zijn niet eenvoudiger geworden. Bijvoorbee1d, een gevaarloze berging of recycling (d.i. het opnieuw gebruiken) van radioactief afval is nog steeds een zeer complex technisch probleem. En ook bestaat er nag niet een bevredigende [heorie over de allerkleinste deeltjes van de materie en de krachten die op die deeltjes inwerken.
~etenschap en 7echnie~ zijn - dat is de twe~de bijzonderheid - nog moei-hJker van elkaarte schelden en te onderschelden dan de eerstgenoemde facetten van het maatschappelijke leven. Globaal wordt techniek omschreven als het vernuftig gebruiken van instrumenten en her beoefenen van
wetenschap als het kritisch vergaren van (theoretische) inzichten in processen zonder daarbij een bepaald praktisch doe! na te streven. Zo zijn ze weliswaar begripsmarig te onderscheiden, maar in de praktijk zijn ze toch weI vaak onlosmakelijk met elkaar verbonden. Immers voor her vernuftig met instrumenten am kunnen gaan is enige wetenschappelijke kennis toch weI vaak vereist. Aan de Its wordt er daarom
natuurkunde-onderwijs gegeven; zelfs een 'lagere' technic us moet weI enige wetenschappelijke inzichten hebben. En het omgekeerde geldt ook: voor de meest eenvoudige wetenschappelijke proeven heeft men tach weI een technisch instrument (zoals de thermometer) nodig.
Toch kunnen we weI een onderscheid tussen wetenschap en techniek maken, indien we maar genoegen nemen met een gradueel onderscheidj in dit geval wil dat zeggen, dat we verschillende niveaus onderscheiden; op het ene niveau is her onderscheid redelijk groot, op een ander minder en op een derde is de tegenstelling uiterst gering geworden.
2.1 ERVARINGSTECHNIEKEN
Het eerste niveau is dat van de ervaringstechnieken, die primair berusten op de inzichten van de ervaren vakman. Bij de ervaringstechnieken speelt de
Jundamentele theorie niet zo'n belangrijke rol als het rec1misch vernuft, dat op vele opgedane ervaringen berust. De geschiedenis van die technieken is zo oud als die van het mensdom, want van meet af aan is de mens begonnen met het verzamelen van deze inzichten. Deze technieken spelen bijvoorbeeld een ro1 bij het vervaardigen van muziekinstrumenten (piano, blokfluit, viool, carillon). Maar ook op andere gebieden blijft de kennis door ervaring opgedaan de prim air doorslaggevende.
Er zijn trouwens ook technisch-wetenschappeliike disciplines, waarbij de ervaring de doorslaggevende rol blijft spelen. Dar geldt onder andere voor de architectuurdisciplines, voor de civiele technieken, voor de planologie en de stedebouwkunde. Voor deze vakgebieden relevante inzichten werden al in de antieke oudheid verworven en deze bereikten toen reeds een hoog niveau. Nog steeds spelen op ervaring stoelende kennis, het 'Fingerspitzen-gefiihl' en soms ook een zeker gevoel voor schoonheid in deze disciplines een heel belangrijke rol. Weten8chap heeft daarbij 80ms een ondersteu-nende functie: de vaor architecten belangrijke menselijke reacties kunnen zij leren kennen door zich te orienteren op resultaten van de mens- en maatschappi;wetenschappen. Soms fungeert wetenschap in deze disciplines als een soort verzameling van ervaringen. Een Nederlandse architect zal bij
FIGUUR 1.1
Een pagina uit het 'Polytechnische Zakboekje'
het ontwerpen van een huis het Polytechnische Zakboekje raadpJegen voar het vaststel1en van de mogelijke belastingen van vloeren en daken (zie figuur 1.1).
BEREKENEN VAN BOUWCONSTRUCTIES
2.2 Karakterist ieke helastingen Permanenle belastingen Qgk en Qrk.
Deze zijn te ontlenen aan de hierna volgende tabellen:
409
Massa per oppervlakte van constructies en at'werkingen. in kglm2
houten vloer met houten balken (zander plafond) bij ten
hoogste 4.5 m overspanning 30
plafond van gips of cementmortel op riet. steen of me-taalgaas met inbegrip van latten en tengels 35 alsvoren met plafondhangers bij ten hoogste 4.5
mover-spanning 40
pannendak met latten. tengels. bebording en gordingen 75 pannendak met lallen. sporen en gordingen 70
leiendak met bebording. sporen en gordingen 55 zinken dak met bebording en gordingen 30 mastiek-dakbedekking. bestaande uit 2 lagen
asfaltbitu-menvilt of asfaltteerviltpapier en een Jaag papier met bebording en balken; niet inbegrepen de afdekking met
grind 30
gegalvaniseerde golfplaat inel. bevestigingsmiddelen en
gordingen 15
asbestcementgolfplaat inel. bevestigingsmidde/en en
gor-dingen 25
Achter de material en die de architect zou willen gebruiken zijn de belang-rijke gegevens te vinden. Bij grote constructies zoals een brug in de Alpen of een wolkenkrabber is het noodzakelijk het ontwerp met behulp van bere-keningen op zijn deugdeliikheid te toetsen (wat een architect in de praktijk meestal uitbesteedt aan specialisten), maar zelfs in die gevallen blijft ervaring een doorslaggevende roI spelen. Gewoonlijk zal een architect volstaan met het raadplegen van naslagwerken ais het voornoemde
zakboekje. Het toetsen van de gegevens die in zulke naslagwerken vermeld staan rekenen architecten gewoonlijk niet tot hun taak; zij laten dat over aan werktuigbouwkundigen of andere technici. Hieruit blijkt reeds hoezeer technisch wetenschappelijke beroepen 'in elkaar grijpen'.
Ook in sommige onderdelen van de werktuigbouwkunde zijn wetenschap-pelijke analyses slechts ondersteunend van aard. Elk metaal en elke legering heeft zi;n eigen specifieke eigenschappen en het is zelfs zo, dat het metaal van de ene fabriek niet precies dezelfde eigenschappen heeft als het metaal van een andere. Uitgaande van praktische ervaring houdt de technicus rekening met het verschijnsel van metaalmoeheid. Onder metaal-moeheid verstaat men het verloren gaan van eigenschappen van
con-Klassieke lechnieken Modern-Iheoretische technieken 2.2 KLASSIEKE TECHNIEKEN
Her tweede niveau is dat van de klassieke technieken; het gaat hierbij om
wisselwerking van wetenschap en techniek. Ze worden klassieke technieken genoemd, omdat de fundamentele inzichten, waarop ze berusten,
verworven zijn in de klassieke periode, die begint in het jaar 1500 en eindigt in 1900. Een groot deel van de natuur- en scheikunde van het vwo berust op deze inzichten; de quantummechanica en de relativiteitstheorie zijn daarvan uit te slut ten.
Voorbee1den van klassieke technieken zijn die, welke vereist zijn voor het vervaardigen van de luchtpomp, de verrekijker, de microscoop, de baro-meter, de kwikthermometer en ook de stoommachine (die in de modernste elektriciteitcentrales trouwens nog steeds een belangrijke rol speeIt). Kenmerkend voor de instrumenten en machines van de klassieke tech-nieken is, dat voor hun perfectionering kennis rond de klassieke wetenschap onontbeerlijk is. Het merendeel van de technische wetenschappen concentreert zich op deze technieken.
2.3 MODERN-THEORETISCHE TECHNIEKEN
De modern-theoretische technieken vormen het derde niveau. Deze berusten op microfysische theorieen die tegen het eind van de negentiende en in de twintigste eeuw ontwikkeld zijn. Dit zijn theorieen die be trekking hebben op bijvoorbeeld de structuur van atomen. Zonder die theorieen had men nooit over die technieken beschikt. De vervaardiging van de atoombom in de Tweede Wereldoorlog was aIleen mogelijk dank zij een halve eeuw kern-fysisch onderzoek. De elektronenmicroscoop waarmee de natuurkundige de microfysische wereld observeert was niet in 1932 door de Duitsers Knoll en Ruska ontdekt, indien daaraan voorafgaand niet ee~ peri ode was geweest van theoretische ontwikkelingen die leidden tot een redeIijk goede kennis van de eigenschappen van elektronen. Ook waren de magnetronovens, waarmee in de snackbar diepvriesmaaltijden van een pond binnen 2 minuten van -20°C tot +80 °C verwarmd worden, nooit uitgevonden, indien men niet voordien beschikt had over een diepgaand theoretisch inzicht in microgolven. Fundamenteel wetenschappeliike kennis is dus vereist voor het ontwerpen en voor het construeren van modern theoreti-sche technieken.
Waarin bestaat nu de overeenkomst en waarin het verschil tussen de klas-sieke en de modern-theoretische technieken? Beide zijn ze in een zekere zin weI afhankelijk van de wetenschappen. Welnu, her verschil bestaat daarin, dat de klassieke technleken (bijv. betrekking hebbend op de lucht-pomp of de telescoop) ontworpen kunnen worden zonder
wetenschappelijke kennis. Ze kunnen zelfs vervolmaakt worden zonder een dergelijke kennis; het zou miss chien alleen niet 20 snel gaan. Omdat wetenschappelijke kennis in principe garandeert, dat we de werking van een instrumenr begrijpen, kan die kennis ook de mogelijkheid scheppen, dat we doelgerichl, snel en met minder verlics aan inspanning ZO'I1
instru-ment kunnen verbeterell.
Tussen modern-theoretische technieken en wetellschap bestaat een veel hechter verband:
Ten eerste hebben die betrekking op een werkelijkheid waarvan we zonder de wetenschap nooit enigenotie zouden hebben. Nog nooit heefl er iemand
Kenmerken van modern-theoretische technieken : - werken met thee-retische modellen - geavanceerde technieken - grondige wetenschappelijke kennis
echt de deeltjes waaruit de kern van een atoom is samengesteld - in de letterlijke betekenis van het wooed - gezien. AIleen dank zij theoretische modellen (o.a. over de atoomkern en de atoomstructuur) weten we, wat we van de microfysische were1d waarnemen. Ten tweede hebben we een wetenschappelijk inzicht van die werkelijkheid dank zij zeer geavanceerde technieken. Het wetenschappelijke (theoretische) model van de samenstel-ling van een atoomkern was nooit geaccepteerd, indien er niet
waarnemingen geweest waren van verschijnselen die aIleen met gecompli· ceerde apparatuur verricht konden worden. Ten derde hebben de twee voorafgaande punten tot gevotg, dat het initiatief tot het ontwerpen van een modern-theoretisch instrument of produkt moet uitgaan van een grondige wetenschappelijke kennis. Zonder de inzet van zeer competente fysici (Einstein, Szillard) was er tijdens de Tweede Wereldoorlog geen atoombom ontworpen. De atoombom wordt hier genoemd, omdat het een wat indruk-wekkend voorbeeld is en omdat er rand de ontwikkeling ervan zeer vele studies gemaakt zijn. Maar (in deze context) geldt natuurlijk hetzelfde voor de TL-buis: ook die was zander microfysisch inzicht en zonder initiatief van fysici nooit ontworpen en geconstrueerd.
Vatten we de drie genoemde punten samen: modern-theoretische tech-nieken veronderstellen een zeer grondig wetenschappelijk inzicht in de microfysische werkelijkheid, een inzicht dat zonder geavanceerde techniek nooit bereikr was. Het ligt daarom voor de hand, dar het initiatief (of op zijn minst het verantwoorde voorstel) tot het ontwerpen en construeren van zaken die op deze technieken betrekking hebben van de moderne
wetenschapper uitgaar.
Om geen misverstand te laten ontstaan dient de volgende opmerking: volgens de voorafgaande indeling zijn bouwkundig ingenieurs spedalisten op het gebied van de ervaringstechnieken en niet zozeer op het gebied van de klassieke of modern-theoretische technieken (uitzonderingen daarge-Laten), Dat wi! natuurlijk niet zeggen, dat zulke ingenieurs 'ouderwets' zouden zijn; zij zijn aIleen geen specialisren op het gebied, waar de klas-sieke natuurwetenschappen of waar de microfysische theorieen worden toegepast. Een ervaringstechnicus behoeft niet conservatief te zijn, een modern-theoretische technicus is niet - op grond van een gevolgde oplei-ding - progressief.
Nog een ander misverstand moet vermeden worden. De meeste bouw-kundige ingenieurs zijn gespecialiseerd in ervaringstechnieken. Het werk van elektrotechnische en werktuigbouwkundige ingenieurs beweegt zich overwegend op het gebied van de klassieke technieken. Zeer vele techni-sche fysici bekwamen zich in de modern-theoretitechni-sche technieken. Dar wi! echter niet zeggen) dar geen enkele bouwkundig ingenieur iets afweet van de klassieke of modern-theoretische technieken. In de opleiding nemen
deze weliswaar niet een erg belaogrijke plaats io; maar het is oiet
uitgesloten - ja zelfs erg waarschilnlijk -, dat een aantal bouwkundigen die tevens specialist zijn op het gebied van de thermodynamica in staat is
Laten we ons - afsluitend - nogmaals concentreren op het kenmerkende van de modern-theoretische technieken. Prof dr. H.B.G. Casimir is jaren-lang verantwoordelijk geweest voor het onderzoek van het Philips-concern. Dar onderzoek dchtte zich voornamelijk op de modern-theoretische tech-nieken. We mogen dus wel aannemen dat hij een specialist is ten aanzien van deze technieken. Over de invloed van de moderne theorieen op de techniek schrijft hij in 1969:
Men zou zicn kunnen afvragen of de elektrische energie en de elektrischc overbrcnging van kracht niet gevonden zouden kunnen ziin door fnbrikanten van stoommachincs, die "onJen dat steeds langen: driifriemen cen onaangename manier waren om het vcrmogcn "an ecn stoommacnine over Ie brengen op weefgelOuwen en andae loestdkn. Wd, ..lit is nie! op die manler gcbeurd en ik kan mij moeilijk voorstellen, dal het zo gcbeurd zou zijn, HoogSl<::ns wuden zii in plaats van de platte drijfriem de V-snaar hebben uitgcvonden ell uiteinddijk hcbbeD ze dat oak, De elektridtcit daarentcgcn kwam voort uit het onderzock van de nutuur· vcrschiinsden. Onderwckers ab Faraday en Maxwell vandt!n de weltcn van
elektromagnetischc inductie; daarna kwamen de dynamo en de elektromotor. Daarop I'olgd..: de elektrificatie en de mogdiikheid de kracht van de stoommachinc (die inmiddds lUrbine geworden was) over grote afstanden over te brengen op machines van allerlei SOOrl • .\len LOU zich kunncn afvragcn of de radiogolvcn niet zouden kunnen zijn uitgevonden door Lk dirck-tcut'en van postkantoren, die mecndcn dat de snelheid van de postkoctsen moe,t worden opgevoerd,., Het is nie! de weg wanrlangs de ekktromagnctische golven zijn ontdckt; het is niet de weg waarlangs Hertz tot zijn uitvindingcn kwam, Dat ging weer via de theorctischc inzkhten van Maxwell, via de specularics dat het Iicht een trilling zou kunnen lijn til dcimi-sche en magnctidcimi-sche velden. Daaruit ontstond het denkbeeld dat dergelijke trillingcn ook wd bij lagere frcquenties zouden kunncn plaatsvinden en Hertz heeft dit door zijn procvcn aange-toond. Tien, twintig jaar later gingen deze elektromagnetische golven cen rol spclen in de transmissie van gegevens, eerSI van morsesignaien, later ook van taal, beelden (tclc\'isie) en wat dies meer zii. (Casimir, 1969, biz. 3 c.v.)
Het is kenmerkend voor de modern-rheoretische technieken, dat ze zander wetenschap ondenkbaar zijn geweest.
Wanneer de lezers "i.trend in hun studeerkamer rondkijken, dan zullen zij gemakkelijk resulraten van de dde soonen technieken kunnen waarnemen. De compact-disc-instal1atie is een produkt van de modern-theoretische technieken dar berust op toepassing van de laserstralen, iets waar we zonder moderne fysica geen weer van gehad hadden. De baro- en thermo-meter die aan de muur hangen, berusten op klassieke technieken. De schoongemetselde muur had er ook door een Egyptische aannemer eeuwen voor Christus (
=
voor het jaar nul) neergezet kunnen zijn. Maar omdat de verschillende soorten techniek als het ware in elkaar grijpen, zal men ook op twiifelgevallen s{Oten. De goedkope asbak op her bureau van de lezer had in de antieke oudheid geproduceerd kunnen zijn; waarschijnlijk is dezl:! asbak echter het resultaat van enkele opera ties van door computersgestuurde machines. Het is dan ook niet mogelijk alle technische produkten exact in te delen volgens de genoemde driedeling. Wel gedt deze een schema tisch inzicht in de verschillende soorten know how die nodig zijn am de vervaardiging van produkten in stand te houden of te ontwikkelen.
Het voorafgaande kan in een zin worden samengevat: het vervaardigen van produkten als de atooll1bom vereist een andere vorm van know how ,ml:!t name mierofysisch inzicht) dan het vervuardigen van een thermometer (klassiek-natuurwetenschappelijk inzicht) en her verantwoord construen:n
draagvJakken en van het even wicht), die reeds in de antieke oudheid een hoog niveau van ontwikkeling bereikt had.
Om wat beter venrouwd te raken met de drie niveaus zuBen we op de drie perioden van de ontstaansgeschiedenis ingaan.
hoofdstuk II
KLASSIEKE MECHANICA.
EERST EEN TECHNISCHE KUNDE,
NADIEN EEN FYSISCHE WETENSCHAP
EN TEN SLOTTE WEER EEN DISCIPLINE VOOR INGENIEURS
ontleend aan
A. Sarlemijn (red.),
VAN NATUURFILOSOFIE TOT TECHNISCHE NATUURKUNDE,
De werktuigbouwkunde, de water en vliegtuigbouwkunde en verschillende andere tech-nische opleidingen concentreren zich doorgaans hoofdzakelijk op de makroskopische of klassieke theorieen en in het bijzonder op de klassieke mechanica. Sinds de 16e eeuw wordt deze 'klassieke' mechanica gerekend tot de fysica; maar tegenwoordig wordt zij in de literatuur voor een ingenieursdiscipline gehouden.
Dat roept allerlei vragen op. Werd er voor de 16e eeuw geen mechanica beoe-fend? Indien zlj niet tot de wetenschappen gerekend werd, waarom was dat het gaval? Wat leidde tot de overgang?
Het antwoord op die vragen is voor een groot deel te vinden in Gall lei's me thodologie. Galilei heeft de exacte benadering van de mechanica toegepast in de be wegin9sleer en haar een experimentele grondslag verleend.
Aileen al omwille van de zeer gedifferentieerde experimentele methodologie van Galilei (hier blijkt, dat hij op grond van de functies acht verschillende experimenten onderscheidt) zou een Galilei-studie zich lonen. Maar hij heeft bovendien aandacht besteed aan het voor de fysische benadering zo kenmerkende idealiseren en zich ook afgevraagd, hoe het idealiseren in overeenstemming te brengen is met de taak van de experimentator en ook met de taken van de ontwerper en van de constructeur.
De combinatie van idealiseren met experimenteren, ontwerpen en construeren is een van de belangrijkste vraagstukken van de methodologie van de technische we-tenschappen. Dit vraagstuk zullen we dan ook later in verschillende hoofdstukken ont-moeten.
Mechanica van 'consf tot wetenschap*
Tegenwoordig is klassieke mechanica een verzameling vergelijkingen waarmee bewegingen berekend worden. Als mechanica van punten en vaste lichamen , als hydro- en aerodynamica en als elasticiteitsleer wordt ze veelvuldig gebruikt door technische wetenschappers. Grenzen van het gebruik blijken bij snelheden die die van het licht naderen of bij mikrofysische structuren. Ondanks die beperking is zij toch op uiteenlopende verschijnselen van toepassing: ruimte- en luchtvaartkunde, werktuig. en waterbouwkunde, etc.
Historisch is de klassieke mechanica een product van twee eeuwen fysische theorievorming. Haar ontstaansgeschiedenis begint met Stevins 8eghinse/en der weeghconst (1586) en Galile'i's Le meccaniche (waaraan hij van 1594 tot 1600 werkt). Een van Newtons bijdragen is de wiskundige analyse van centri-fugale en -petale krachten, waardoor hij in zijn Principia "(1687) in staat is een verband te leggen tussen Galile'j's valwetter:l en de wetten van Kepler. Hierdoor worden eeuwenoude grenzen tussen cosmologie en aardse fysica doorbroken. Mathematisch fysische analyse ligt oak ten grondslag aan d'Alemberts Traite de dynamique (1743), waarin statica en
dynal1'l:ica tot een analytische theorie worden verenigd, en ook aan Lagrange's
Ml!canique ana/ytique (1788), waarin klassieke mechanica een analytische theorie wordt, zodat aile fysische grootheden corresponderen met constanten en variabelen van een formalisme en bewegingen berekend worden door het oplossen van differentiaalvergelijkingen.
Onderwerp van dit opstel is niet de zojuist geschetste geschiedenis maar een verandering van ideeen die daartoe geleid heeft, en in het bijzonder de rol die Galile'i daarbij gespeeld heeft.
Die verandering heeft betrekking op de onderwerpen en indelingen van kunsten of kundcn ("mtcs") en wetenschilppcn. Bij het spreken d(l(\rover doet zich cen
lerminologische moetlijkheid voor. Met "kunde" duiden we tegenwoordig niel op een scherpe demarcatie, wat wei blijkt uit het voorkomen van hetzelfde woord in
"boekhoudkunde" en "wis- en natuurkunde". Bovendien worden in de antieke periode (voor 1500) geheel andere onderscheidingen gemaakt als tegenwoordig. Voor de duidelijkheid wil ik daaronl beginnen met een schema van de vcrandering en de door Galile'i bevorderde wijziging:
A) De anti eke mechanica houdt zieh bezig met een beperkt aantaJ onderwerpen;
draagvlakken, weegsehalen, draai-, sehroef- en katrolbewegingen en in ieder geval niet met val/ende stenen of bewegingen van hemelliehamen.
[1) De nntiekc meehanicit had oak een zeer bererkte lil:lIc ze was gericht op het eeven lIan praktische wenken 01 op mathematisch exacte beschrijving en niet op het wetenschappelijk verklaren van de werking van de genoemde eonstrueties. Antieke meehanica was dan oak een kunde en niet een wetenschap. Ze werd "weegkunde", "mechanica", of "kunde van draagvlakken" genoemd afhankelijk van het teehnische beginsel, dat voor het meest fundamentele werd gehouden. Was niet primair
systematiek maar techniek beoogd, dan sprak men over een verzameling teehnisehe kunsten
C) Er WJS geclI wetell5cliJppcliike pelldallt VOOf de meehanica. De naluurfilosofie
verklaarde valbewegingen en dergelijke. De werking van machines werd nlet natuurfilosofiseh verklaard. De reden hiervan zullen we hierna leren kennen. D) De antieke astronomie was evenals de meehanica een kunde en niet eim wetensehap. Haar doelstelling was uitsluitend het mathematiseh exaete besehrijven zander fysische verklaring (zoals dat onder andere heel nadrukkelijk in de inleiding van Ptolemeus Almagest wordt geformuleerd) en/of zij was gericht op het oplossen van praktische vraagstukken van de kalenderkunde, de zeevaartkunde of de agrarische kunde (tijdig zaaien en oogsten).
E) In tegensteiling tot de mechanica stond er voor de astronomie wei een pendant onder de wetenschappen: de cosmologie.
F) Een methodologische combinatie van experimentele en wiskundige benadering bestond in de antieke meehaniea. Galile'j heeft deze geperfectioneerd en ook toegepast op de natuurfilosofie (val- en worptheorie) en cosmologie. Hi) heeft deze disciplines tot wetenschap verheven, doordat buiten of onafhankelijk van deze disciplines niet meer gezocht werd naar ("filosofische") verklaringen van mechanische werkingen, valbewegingen of cosmische bewegingen.
Tradities, die de antieke onderscheidingen in stand hielden (of in ieder geval niet wijzigden), worden eerst besproken. Factoren, die tot veranderingen hebben geleid, worden nadien behandeld, zodat daarna Galilei's "ingreep" begrijpelijk wordt.
"Processen die natuurllJk verlopen wekken verbazing op, indlen hun oorzaak niet bekend is. Processen die daarentegen niet natuurlijk verlopen wekken verbazing op, indien zij door kunst (list, T£XVll) leiden tot een nul voor de mens. De natuu( bewerkt in vele geva/len juis! het tegendeel van wat voor ons nutlig is; zii bewerkt immers lelkens en zonder uitzondering eenzelfde verloop, terwiJI de manier waarop men van iets nut!igs gebruik wil maken aan vele veranderingen onderhevig is. Willen we iets tegen de natuur
ondernemen, dan ... moeten we met kunst (list) Ie werk gaan. Daarom noemen we dat deel van de kunst, dat ons ten dlenste staat bij dergelijke moeiliJkheden: 1.1T1xovlJ Oistig mechanisch hulpmiddel). Het is immers inderdaad zo, lOals de dichter Antifon het formuleert: 'Met kunst beheersen we datgene, wat ons van nature overheerst'. Oaartoe behoren de processen. waarbij het kleinere sterker is dan het grotere en iets. dat een kleine bewegingskracht heeft, grate gewichten beweegt; ja, eigenlijk aile problemen die we voor mechanische houden. Deze zijn niet dezeifde als de fysische problemen "."
Volgens Aristoteles is het kenmerkend voor wetenschap (emoTr)llr), (a) dat zij zich richt op vormen die bewerken, dat natuurlijke bewegingen (processen) "telkens en zonder uitzondering" op dezelfde manier verlopen, zoals de tekst zegt. (b) Wetenschap is niet experimenteel, aangezien experimenteei ingrijpen het natuurlijk verloop stoort. Natuurwetenschap onderzoekt processen, lOals deze zich van nature voltrekken. Natuurlijke bewegingen worden scherp onderscheiden van niet-natuurlij ke, die opgedrongen worden door wezens van een andere aard of natuur Oevende wezens). (c) Het allervoornaamste doel van natuurwetenschap is het verklaren van bewegingen door er verschillende oorzaken van te anaiyseren. Daarbij speelt wiskunde een secunda ire en te verwaarlozen rol. Aristoteles is weliswaar een goed kenner van de
wiskunde van zijn tijd; ook miskent hij niet het praktisch of technisch nut van wiskundige beschrijvingen. Maar voor het vaststellen van oorzaken eiste hij een frequent en gericht waarnemen van de verschl;nselen ("ervaring" geheten). V~~r een dee I geldt die aristotelische kritische houding nag in onze tijd, voorzover correlaties niet voor bevredigende verklaringen gehouden worden. Aristoteles kan echter op
grondslagenkwesties van de wiskunde in zijn bjd wUzen: het continuumprobleem (Zenoparadoxen) en het probleem van de incommensurabiliteit (afmetingen die met irrationele getallen worden aangegeven zijn moeilijk at te meten) stonden een
probleemloze toepassing van wiskunde in natuurkunde voor de Atheense academies in de weg.
De tegenstelling tussen cosmologie en aardse fysica berust op de aanname, dat cosmische bewegingen wei en aardse bewegingen niet een permanent karakter hebben. In de cosmologie moet er dan ook naar een bijzonder soort causaliteit gezocht worden; en om de cosmische beweging te begrijpen wordt er een bijlOndere stot aangenomen: aether. Vaor een dee! is deze aanname vergelijkbaar met de latere aanname van aether om de transmissie van licht te begrijpen. Aards fysische bewegingen hebben een begin en een eind in de tljd; hun natuurliike verloop wordt verklaard met specitieke eigenschappen van aardse elementen: aarde, water, lucht en vuur,
Aristoteles' mechanica richt zich jn tegensteiling tot natuurwetenschap op onnatuurli;ke bewegingen lOals die van hefbomen en machines m'et schroef- en takelbewegingen ; deze druisen in tegen biJvoorbeeld de bewegingen van zware lichamen die van nature naar het centrum van de WI: ,'eld neigen. Verloop en af/oop van
mechanische processen bezitten een toeva/ligiwid vanuit de natuurlijke vorm gezien; ze worden door de technici bepaald. De mechdnlca is experimenteel in die zin, dat zij onnatuurlijke bewegingen beschnjft, waarvan de aard in hoofdzaak bepaald wordt door menselijk ingrijpen. En omdat de mechanica zich niet richt op het natuurlijk
verloop der dingen (met de daarbij behorende oorzaken) kan zij volstaan met de wiskundige beschriiving,
Zeker zo belangrijk voor ons onderwerp is de omstandigheid, dat Aristoteles in zijn mechanica idealiseert: 2 v~~r zijn analyses van de hefboom ziet hij at van de
luchtweerstand, wrijving bij het steunpunt, ongelijke verdeling van het gewicht van de hefboom zeit over zijn lengte, e.d, Dit afgezien van aspecten in een mechanisch verschijnsel am wiskundige analyse mogelijk te maken noemen we "idealiseren". Deze benadering breidt Galilej'later uit van de mechanica naar de val- en worptheorie en naar andere gebieden van de natuurkunde,
Kortom: experimentele en exacte benadering (met het daarbij behorende idealiseren) en het afzien van causale verklaring zijn kenmerkend voor aristotelische mechanica en juist met deze kenmerken wijkt zij af van de aristotelische fysica (aardse fysica en cosmologie).
Voor die beschrijving gebruikt Aristoteles de geometrie van de cirkel. Dit kan men zich voorstellen door een hefboom te bedenken van lengte AB. Is het steunpunt C gelijk aan het midden van AB (AC=CB), dan is de beweging van de uiteinden van de boom op te vatten als de beweging langs de omtrek van een cirkel. Is steunpunt C niet het midden
van de balk (AC=lCB), dan kunnen overeenkomstig bovenstaande figuur twee cirkels gedacht worden: een met AC en een met CB als straal. Opmerkelijk daarbij is
Aristoteles' platonistische fundering van zijn hefboomwet: deze blijkt op een zuiver wiskundige eigenschap te berusten, De verhouding van de bewegingen AA' en BB' ontleent hij namelijk aan de verhoudingen tussen de betreffende segmenten. Het heffen van een zwaarder gewicht (bevestigd aan A) met een minder zwaar gewicht (bevestigd aan B) wordt op deze manier ontleend aan een zuiver geometrische eigenschap: de beweging AA' voltrekt zich dichter bij het middenpunt van de beide concentrische cirkels.
B) Archimedes leeft een eeuw na Aristoteles. Hij genoot zijn opleiding in Alexandrie, dat cultureel nogal afweek van de andere Griekse centra.J Er bestond minder
belangstelling voor het beoefenen van wetenschap. waarvan vooral in de werken van de Atheense academie was gebleken, dat zij gemakkelijk aanleiding gaf.tot
andere Alexandrijn heeft gewerkt aan een fysica die aansloot bij de mathematische beschrijvingen van Archimedes' mechanica. Hierdoor zagen zij die zich later (in de middeleeuwen) interesseerden voor fysica zich gedwongen Aristoteles' werken te bestuderen: op het gebied van de val- en worptheorie bijvoorbeeld concurreert de archimedische traditie njet met de aristotelische.
Twee detailverschillen zijn niet onbelangrijk. (a) Vergeleken met Aristoteles gaat Archimedes veel strenger axiomatisch deductief te werk. Dit is toe te schrijven aan de invloed van EukHdes, die voordien nagenoeg aile wiskundige inzichten van die tijd in zijn "Elementen" had samengevat en eraan een axiomatisch deductieve structuur gegeven. Het is aan te nemen dat Euklides als docent in Alexandrie (vlak vOOr of tijdens Archimedes' verblijf daar) veel aandacht geschonken heeft aan axiomatiek. (b) Het bewegen van machines en de hefboomwet zijn de centrale onderwerpen van Aristoteles' mechanica. Archimedes concentreert zich meer op het beschrijven van draagvlakken en evenwichtstoestanden. Vandaar, dat de archimedische traditie meer aanleiding geeft tot de naam "weeghconst".
C) De aristotelische en archimedische traditie vormen tezamen die oud Griekse mechanica, die Newton in 1687 de "rationale" noemt. Daarnaast onderscheidt Newton een praktische, die ook nu nog als een afzenderiijke traditie beschouwd wordt. Hiertoe zijn werken van de Alexandrijn Heron (Over de manier waarop automaten geconstrueerd worden) en van de Romeinse bouwkundige Vitruvius (Tien boeken over architeduur) te rekenen.
Het voarafgaande kan kort worden samengevat: in de Griekse oudheid wordt de mechanica als beschrijving van apparaten aristotelisch scherp onderscheiden van wetenschap of zij wordt archimedisch wiskundig beoefend zender (pretentie van een) fysische verklaring of zij dient va/gens de Heron-traditie uitsluitend tot verbetering van
het technisch ontwerpen. .
Middeleeuwse natuurkunde
versus
mechanische kunstenVele middeleeuwse prenten illustreren onderstaand schema. dat soorten van kennis en kunden onderscheidt 4
In deze lndeling van wetenschap en kunsten komen verschillende Griekse invloeden tot uitdrukking. Dat geldt voor de aristotelische tegenstelling tussen wetenschap en kunst. Maar pythagore"isch is de opvatting, dat musicale harmonie zuiver wiskundig te behandelen zou zijn. Zeven mechanische kunsten worden orrderscheiden volgens het technisch mechanische werk in verchillende "bedrijfstakken", zeals we dat
tegenwoordig zouden noemen. Ze vormen een continuering van de voornoemde pragmatisch georienteerde Heron-traditie. In Alexandrie wordt nog (door Pappos en Geminos) de vraag gesteld, of rationale mechanica als achtste discipline toe te voegen is aan de zeven voornoemden.5ln de middeleeuwen raakt dit discussiepunt voor lange tijd in de vergetelheid.
aardse fysica (val- en
WETENSCHAPPEN worptheorie),cosmologie,
filosofie, etc.
!
TAALKUNDIGEI g:ammatica, retorica,I
dlalectlca.VRIJE
KUNSTENIw·I~KUNDiGE
I
~ken-, me~t-
e~s~~~~~~~~~;-KUNST I i len harmonleleer ~'~-"~'-~--~-~----'~r--- .,--~,- -,.---~--.~ I textielnijverheid, ;MECHANISCHEi jacht en visvangst,
KUNSTEN I wapensmederij, 5cheepvaart,
akkerbouw,
medicijnen, theaterkunde.
Pas in de Be eeuw worden boeken geschreven die ingaan op onderwerpen van de Griekse rationale mechanica .. Het oudste werk is Gerard van Brussels Boek over gewichten. tn Duitsland ontstaat zelfs een school van auteurs, die zich onder de inspirerende leiding van lordanus Nemorarius met weegkunde bezighouden. In hun werken zijn invloeden zowel van Aristoteles als van Archimedes bespeurbaar. Deze ontwikkelingen kunnen beschouwd worden als vooruitlopend op de mechanica van Stevin en GaIHeL Tach mag continu"iteit niet te zeer benadrl!kt worden. De ltaliaanse scholen van de zestiende eeuw zien zich genoodzaakt zelf uitvoerige studies te maken van Aristoteles' en hun vertegenwoordigers reageren op vraagstukken, die vanuit de tedlllick VJIl ilull cigell lijd [!estimuleerd worden,
Te vermelden zijn ook raakvlakken tussen wiskundige beschrijvingen (kenmerkend voor de kunden) en de val- en worptheorie. Vanaf de 12e eeuw verschijnen latijnse vertalingen van Aristoteles' en Euklides' werken. Studies hiervan lelden in de 13e en 14e eeuw tot pogingen het aristotelische beg rip "locale beweging" te mathematiseren. Naast de genoemde Jordanus hebben daartoe bijgedragen: Thomas Bradwardine (van de Oxford-school met zijn Tractaat over de verhoudingen van snelheden in
iJewegingen, 1328) en Oresme (van de Parijse school met zijn Tractaat over de vormen van kwaliteiten en bewegingen,
±
1350). Zonder een (negatief) waardeoordeel uit te $preken moet er tach op gewezen worden, dat de wiskundige beschrijving in deze werken "dienstmaagd" voor het natuurfilosofisch inzicht is;dat geldt in het bijzonder voor Oresme, wiens tractaat omwille van diens impetustheorie is geschreven, Er is in net bijzonder nog geen sprake van een wiskundig formtileerb,1re en experimented toetsbare wet, die een eigen wetenschappelijke waarde heeft, zoals dat later het gevalOresme). Met de begrippen "impetus" (voorloper van "impuls") en "hoeveelheid materie" (voorloper van "trage massat l
) worden overeenkomsten tussen beide soorten
van verschijnselen ontdekt. De twee begrippen introduceert Buridan als volgt9:
"Ik werp een steen verder weg dan een veertje en een stuk ijzer of lood verder dan een even groot stuk hout; ik be weer, dat de oorzaak hiervan is, dat aile natuuriiJke vormen en toestanden in de materie zetelen en dat ze evenredig zijn met de hoeveelheid malerie; daarom kan een lichaam des te meer en des te intensiever
impetus opnemen, naarma!e he! meer malerie bevat. ... Ook schijnt di! de oorzaak te zijn, waarom de natuurlijke beweging \Ian een zwaar lichaam voortdurend versneld wordt; eerst namelijk bewoog aileen de zwaarte ... , maar al bewegende deelde zwaarte aan he! lichaam een impetus mee ... "
Buridan houdt evenals zijn leeriing Oresme heliocentrisme voor verdedigbaar en gebruikt bij zijn cosmologische verklaringen eveneens het impetusbegrip:
"En de impetus, die waren meegedeeld aan de hemellichamen, ziJn later nie! verzwakt of vernietigd, omdat er geen neigingen van de hemellichamen tot andere bewegingen waren en geen weerstand die die impetus zou kunnen vernietigen ... "
Hieruit blijkt, dat het impetusbegrip zich leent voar een analyse van overeenkomsten en verschillen tU5sen cosmische en aardse bewegingen. Duhem (1913), die als eerste een grondige studie van de Parijse school maakte, kon zelfs geen onderscheid meer ontdekken tussen de Parijse ideeen en die van Da Vinci en Galile'f'O• Later hebben
historici dit beeld gecorrigeerd en op verschillen gewezen". Een bijzonder verschil bestaat er ten aanzien van ons onderwerp: de onlosmakelijke binding van
impetustheorie met creatleleer (uitgedrukt door "O', die waren meegedeeld ... " in de
laat5t geciteerde tekst) leidde toch weer primair tot het zoeken naar heel specifieke oorzaken van cosmische bewegingen. Netzornin ais de Jordanus-traditie en de Oxford-school heeft de Parijse Oxford-school een benadering kunnen stimuieren, die geleid heeft tot een wijziging van de middeleeuwse indelingen van kunsten en wetenschappen. Die wijzigingen zijn van latere datum en zijn afgedwongen door anderssoortige ontwikkelingen, zoals we nu zullen zien.
Mechanische kunden doorbreken grenzen.
In de 15e en 16e eeuw onststaan naast de genoemde mechanische kunden nieuwe. lowel in de oude als de nieuwe worden vaordien niet voorstelbar~ verschijnselen ontdekt die van groat technisch belang blijken te zijn en daarom tot diepgaande stu die prikkelen. De vraag naar nieuwe wetenschappen (nuove scienze) is dan ook allang en algemeen verbreid, voordat Galile'! geboren wordt en zijn (opvatting over) nuove scienze pUbliceert. Een volledig overzicht van de ontwikkelingen in de kunden kan hier niet nagestreefd worden, Beperken we ons tot enkele kunden, die een bijzondere relatie hebben met Galilets werken,
A) Als nieuwe kunde biedt zich de leer van het magnetisme aan.12 Het gebruik van
kompasnaalden was vanaf de 13e eeuw bekend. Weliswaar had men (Willem van Ockam) in de 14e eeuw gewezen op de moeilijkheid magnetisme met aristotelische contactwerking ("aanrakingscausaliteit") te verklaren, maar de academische belangstelling werd pas door Will em Gilberts Over magneten, magnetische lichamen
en de grate magneet der aarde" (1600) gewekt. De gedachte van de aarde als een grate magneet werd onder andere voor Kepler een aanleiding tot speculaties over
interplanetaire werkingen op afstand. Aan dit idee ontleende Guericke menig cxpcrinlCllL".
B) Ook de grenzen tussen oorlogskunde en fysica (val- en worptheorie) verschoven onder invloed van de techniekB De technische relevantie van buskruit was sinds de 11 e
eeuw bekend. Maar pas in de 15e eeuw ontwierp men effectieve ijzeren kanonnen, waarmee snelheden bereikt werden die voordien niet voorstelbaar waren geweest. Dit wekte belangstelling voor de vraag, onder welke voorwaarden versnelling bereikt werd. Aan deze behoefte voldeed de impetustheorie niet".
C) Metal/urgie en mijnbouwkunde werden gestimuleerd door de groeiende vraag naar ijzer en andere grondstoffen. In 1556 verschijnt Georgius Agricula's De re metallica.
Het belang van de mijnbouw stimuleerde wederom tot hydrostatisc~e en pneumatische studies.
D) Op aile gebieden speelde voor de verspreiding van ideeen de boekdrukkunst een belangrijke rol. Dat geldt in het bijzonder voor de "machineboeken"die vooral in Italie verschenen. Ze handelden over bouwkunde (vooral fortenbouw), wapenproductie en theaterkundige machines. Naast puur technische werken verschenen ook fantastische verhandelingen over onconstrueerbare machines die nooit konden functioneren, omdat ze indruisden tegen statische of dynamische regels. Het gewin aan kracht door toevoeging van katrollen werd bijvoorbeeld zo overdreven, dat de hoeveelheid wrijving elke beweging lOU verhinderen'5 De vraag naar meer gefundeerde analyses
nam toe. In Italie ontstaan dan ook twee buiten-universitaire scholen ophet gebied van de mechanica: in Centraal-Italie een meer praktisch georienteerde onder leiding van Frederico Commandino (met belangstelling voor de Hero-traditie) en in Noord-ltalie een meer op exacte analyse georienteerde school onder leiding van Niccolo Tartaglia (met belangstelling voor de werken van Aristoteles, Euklides, Archimedes)'>. Galile'i ondervindt de invloed van beide scholen. Aan de Noord-Italiaanse ontleent hij de methodiek van het gedachte-experiment, de kritiek op het aristotelisme en het idee van de mechanica als nieuwe wetenschap; aan de Centraal-Italiaanse school ontleent hij het idee van een natuurkunde geconcentreerd op praktische vraagstukken. In het bijzonder de geschriften uit zijn Paduaanse tijd waren bedoeld voor technische studenten die zich bekwaamden in fortenbouw en krijgskunde17
• Zijn hydrostatische
weegschaal en teleskoop getuigen van het vermogen wetenschappelijke inzichten toe te passen bij het ontwerpen en tonstrueren. De bijzondere rol die Galile'j vervult bestaat in de omstandigheid, dat hij als eerste (in ieder geval in Italie) erin slaagt mechanische vraagstukken zo te formuleren, dat de universitaire wereld ze als wetenschappelijk accepteert.
niet meer gezien als een kwestie die beperkt moest blijven tot een aangelegenheid van mathematische kunsten. De beslissing werd door hen ook niet aan de (speculatieve) fysica overgelaten18
: bij de beslissing over de twee strijdige modellen werd, zeer
revolutionair, een belangrijke rol toegeschreven aan empirische observaties, die resulteerden uit de noeste arbeid van Brahe en GalileL In de wetenschapsgeschiedenis betekende dit een nieuwe methodologische benadering. Het aristotelisme had
weliswaar altijd een belangrijke rei aan de waarneming (Hexperientia") toegeschreven, lOals we zagen, maar deze was niet beschouwd als een van de criteria om te beslissen
over strijdige theorieen19• Dat deze nieuwe wijze van funderen van theorieen ook
implicaties had v~~r de waarnemingsmethoden (het zoeken naar overeenkomst tussen gegevens en theoretisch mode!), was Galile'j zich in het bijlOnder bewusFo.
Galiler's mechanisch technische en fysische methodologie.
Met drie id.eeen, die in de antieke periode ondenkbaar geweest zouden zijn, schept Galiler een methodologische eenheid tussen mechanica en fysica:
'A) Aan Tartaglia ontleent hij het idee van een fysische mechanica: technische producten werken overeenkomstig fysische beginselen.
B) Enerzijds gaf Galilei' het causaliteitsbeginsel op als een onvoorwaardelijke12 eis voor
aile wetenschappelijke kennis: een mathematisch formuleerbare fysische wet was eveneens als zodanig te aanvaarden. Anderzijds ontwikkelde hij het beginsel van de experimentele benadering (in de leer van het magnetisme wei, in de wetenschap nog niet aanvaard): mathematische fysische kennis vergaren door "mechanisch" ingrijpen in natuurprocessen.
C) Door een combinatie van analyse en synthese schept Galile'i een eenheid in zijn methodologie, zodat "mechanisch" bernvloeden van bewegingen en funderen van mathematisch formuleerbare fysische wetten op elkaar aansluiten.
A) Galilei begint Le med::a.niche als voigt":
"Voor we overgaan tot de theorie over mechanische instrumenten. leek het mij de moeite waard globaal Ie beschouwen .. ., welke voordelen aan dele instrumenten te ontlenen zijn. Dit heb ik meer v~~r noodzakelijk gehouden. naarmate ik vaker ... onder technici een algcmeen en sterk verbreldc tenden!ie heb waargenomen machines toe te passen voor vele operaties die van nature onmogelijk zlJn met als gevolg, dat ... anderen de hoop onlnomen werd, die ze hadden gekoesterd ... De voornaamste oorzaak van deze ontgoocheling IS het geloof ... in de mogelijkheid mel een geringe kracht een zeer groot gewlcht Ie heften. alsof zij mel hun machines de natuur konden fappen. terwijl haar instinct... zegt, dal geen weerstand overwonnen kan worden door een kracht die minder sterk ik dan zij ... " (cursivering van AS)
Mechanische beweging is niet (aristotelisch) te beschouwen als een onnatuurlijke, maar als een die onderworpen is aan fysische .. orde" tussen gewicht, afstand, kracht,
weerstand en tijd. Besparing van kracht gaat bijvoorbeeld gepaard met tijdverlies. Machines zijn aan fysische wetten gebonden. Voor de technicus heeft het fysisch onderzoek de functie van het verduidelijken van de mogelijkheden en grenzen met
betrekking tot ontwerpen en construeren. Een bijzondere aandacht wijdt GalileY ann de
ofllllogt.:IiJkllCkl V..l1I c.:t.:11 pc.:lpcluutll /I ID IJ ill: , lliemwc.: n:.lgc.:erL hij cigclllijk 11Ic.:c.:llcgcll
de voornoemde "machineboeken" dan tegen het aristotelisme (dat onverenigbaar is met een perpetuum mobile). Galile'i's inzichten zijn blijkbaar niet te verduidelijken door ze aileen maar at te zetten tegen of toe te dichten aan een bepaalde stroming
(aristotelisme, atomisme, etc.). Daarvoor zijn ze te genuanceerd.
Dat geldt ook voor zijn houding ten aanzien van de voornoemde tegenstelling tussen aristotelische en archimedische mechanica; door erop te wijzen, dat evenwicht een bepaalde situatie van bewegingskrachten is, relativeert hij die tegenstelling en kan hij de positieve elementen van beide tradities in synthese verenigen. Dat geldt bovendien ook voor zijn benadering van complexe bewegingen. In overeenstemming met het aristotelisme analyseert hij deze in hun fundamentele vormen. Worpbeweging wordt bijvoorbeeld bepaald op grond van haar horizontale en verticale beweging, waaruit zij is samengesteld, Zelfs blijft Galilei' de (vaar een object) natuurlijke beweging
onderscheiden van de andere vormen. Dit is geen bijkomstig aspect van zijn methodologie, want op grond van dit onderscheid houdt hij mechanica, val- en worptheorie en astronomie voor drie verschillende wetenschappen. Maar
methodologisch is er voor hem geen tegenstelling meer tussen deze disciplines. En oak het onderscheiden tussen natuurlijke en niet-natuurlijke beweging is niet strikt aristotelisch op te vatten. Het is een specifiek onderdeel van zijn analytische methode, waaraan ik hierna aandacht zal schenken.
B) Bij het interpreteren van Galiler's experimentele benadering stuit men op moeilijkheden, wat blijkt uit het volgende:
.. Marin Mersenne (/eerling van Descartes en uitgever van Le mechaniche in het Frans) probeert vergeefs de valproeven na te doen en trekt in twijfel of Galile'i ze feitelijk wei heeft uitgevoerd.
« Dijk~leJhuls (1975, 462) Il1cClll d,larop ddll~llIilcnd: "Zoals zo vaak bij Gallic'! zou
men willen weten, of deze proet aileen op papier beschreven wordt of dat ze ook werkelijk is uitgevoerd" .
.. Van 1602 tot 1609 heeft GaHler in ieder geval de val- en worpproeven, die hij bespreekt, heel nauwlettend en zorgvuldig genomen. Dit concluderen Drake en Maclachlan (1975) uit een analyse van GalileTs manuscripten,
Een ander punt is Galile'i's eigen houding ten aanzien van zijn experimenten, Deze geeft aanleiding tot paradoxale oordelen over hem.
it Freiesleben (1968) wil met een heel hoofdstuk van zijn boek ervan overtuigen, dat het experiment voor GaliJe', een centrale plaats inneemt in de theorievorming. Hij sluit het echter at met de problematische opmerking, dat geen aandacht te 5chenken is aan
* Ook P.M. Kluit is paradoxaal in zijn (overigens grondige) studie (1984) door enerzijds te beweren, dat "het experiment als bron van kennis voor hem (GalileD in het algemeen onontbeerlijk is" en anderzijds zegt hij: "in bepaalde gevallen weet Galile'i echter iets zonder experiment". En de volgende twee uitspraken van Galile'j lijken voor Kluit niet verenigbaar met een experimentele benadering: "zonder experiment ben ik er zeker van dat het effect zo zal zijn, zoals ik zeg ... " en "terwijl het experiment mij van de waarheid van de conclusies overtuigt, is mijn geest ondertussen helemaal niet tevreden met de oorzaak, die aan dit effect wordt toegekend"13.
Nog meer interpretatieproblemen schijnen de gedachte-experiment te veroorzaken: * Fischer (1983,55)24 maakt bezwaar tegen de omstandigheid, dat de uitgangspunten ervan niet toetsbaar ("UberprOfung der Axiome ... nicht moglich") zijn.
* Teichmann (1983, 42) houdt Galile'i vanwege dit soort experimenten voor een middeleeuws filosoof ("Iupenreiner Scholastiker").
Ik wil aantonen, dat Gallier soorten van experimenten aanneemt en een fysische wet fundeert met die experimenten. waartu5sen een systematiek is aangebracht. Zonder die systematiek voor ogen te houden is het afzetten tegen een bepaald experiment (of beweringen daarover) niet terecht. We kunnen de volgende experimenten
onderscheiden.
Ee: "Empirisch experimenteren" heeft een negatieve betekenis in die zin, dat er gewerkt wordt zonder een (echt bevredigende) theorie. Deze wijze van
experimenteren komt niet aileen voor in het beginstadium van een vakgebied; zelfs bij de (technische) toepassing van gestabiliseerde theorieen blijkt dit niet strikt doelgericht trial-and-error-experimenteren onvermijdejijk. Oat is het geval wanneer de
theoretische verklaring nog te algemeen is en specifieke eigenschappen van de materialen nog onbekend zijn. Het belimg, dat Galilei' aan Ee-experimenteren hecht, blijkt uit diens woorden over Gilbert precies vanwege deze benadering in de leer vah het magnetisme: "De hoogste lof en de grootste bewondering heb ik voor deze auteur ... " (Dialogo, 3e dag, 424)
Eb: Baconiaans experimenteren is exploratief: uitgaande van vermoedens over een verband tussen verschijnselen probeert men dit mathematisch exact te formuleren. Deze doelgerichte benadering mist Galilei nog bij Gilbert en daarom voigt direkt op de geciteerde lof: "Wat ik echter Gilbert had toegewenst, dat zou zijn, dat hi] een beter wiskundige geweest was". Deze experimenteermethode wordt genoemd naar Francis Bacon (1561-1626), een tijdgenoot van Galilei', die de regels van deze methode systematisch uitwerkte in diens Novum Organum (1620). Maar ook Calilei' vermeldt dergelijke regels; zo benadrukt hij bij zijn studie van eb-en-vloed-verschijnselen (Oialogo, 4e dag, 465-6), dat verschijnselen, die" gekoppeld" worden aan afhankelijke variabelen, en zijn, die "gekoppeld" worden aan onafhankelijke, tezamen moeten toe-of afnemen, tenzij storende factoren in het geding zijn. Van belang is het op te merken, dat Ee-experimenteren exploratief is: de regels zijn geschikt am op grand van een
experiment te beslissen, dat bepaalde farmuleringen van het mathematisch fysische verband niet in aanmerking kamen, De regels bewijzen niet een fysische wet.
Et : Hypothese toetsende experimenten worden ondernomen in de hoop een (op grond
van en Eb-experimenten en verdere mathematische analyse aangenomen) wet te bevestigen, Een problematische situatie ontstaat, indien de hoop niet vervuld wordt. Op grond van de genoemde Drake-MacLachlan-studies staat het nu vast, dat Galile'! van 1602 tot 1609 op deze wijze experimenten heeft uitgevoerd. Op grond van deze experimenten hield hi] zijn eerder genoemde valwetten voor weerlegd en kwam hij tot geheel nieuwe formuleringen. Overigens kwamen reeds Dijksterhuis en Forbes (1961, I, 150) op grond van hun Galile'I'-studies tot het inzicht, dat Galile'i's methode een strikt hypothetisch deductief toetsende is.
Es: Schaalmodelexperimenten maken het mogelijk verschijnselen met grate afmetingen (bijvoorbeeld schepen op zee in een orkaan) met modellen, waarbij de situatie op schaal wordt nagebootst, experimenteel te bestuderen. Op grond van zijn mechanica wist Galile'i, dat schaalmodellen afwijken van de realiteit, waarvan zij een afbeelding zijn, Tach houdt hij de Es-benadering voor mogelijk: "Ook al wilen velen het voor onmogelijk houden, dat werkingen van die afmetingen (zoals eb-en-vloed-verschijnselen) experimenteel onderzacht kunnen worden ... , tach is het niet geheel onmogelijk. Ik heb een machines geconstrueerd waarmee precies de werking van deze opvallende en samengestelde bewegingen geobserveerd kunnen worden"25,
Eg: In gedachte-experimenten worden situaties bedacht zander ze te realiseren. Verschillende soorten zijn te onderscheiden:
Ego: Galiler spreekt soms over experimenten die uitvoerbaar zouden zijn zander ze feitelijk uit te voeren26
, Vaak is de reden hiervan, dat hij de gevolgen van de
experimentele situatie bekend veronderstelt. Voor de interpretatie van sommige Galile'i-teksten moet deze Ego genoemd worden. Aangezien aan Eg,o-experimenten niet een bijlOndere systematische betekenis ontleend kan worden, laten we deze buiten beschouwing.
Eg 1: Een ideale situatie wordt voorgesteld en van factoren die in de realiteit voorkomen wordt er afg~zien, opdat een eigenschap of een fysisch verband wiskundig exact beschreven kan worden, Galiler's vrije val en slinger en zijn vacutimbegrip berusten op deze benadering.
: 15 het mathematisch verband gevonden, dan kunnen in gedachte
onafhankelijke variabelen gewijzigd en de gevolgen van die wijzigingen berekend worden. V~~r een van die gedachte-experimenten bedenkt Galile'! een situatie, waarin het aantal vaste sterren met een vermeerderd wordt.
