Теория и методология дизайн-проектирования

В заключение заметим, что любой предмет почти ни когда не существует отдельно, а является частью более крупного целого - совокупности отдельных элементов, которые вместе должны составлять также стройное, согласованное, гармоническое целое (ансамбль).

2.2. Тектоника и объемно-пространственная структура

Видный специалист по композиции в технике Ю.С. Сомов среди всех качеств композиции промышленных изделий на первое место ставит такие базовые понятия (категории) как тектоника и объемно-пространственная структура.

Понятие тектоника неразрывно связывает конструктивную основу промышленного изделия и его форму во всех ее сложных проявлениях (пропорциях, метрических повторах и проч.). Под конструктивной основой понимают кинематику, работу несущих конструкций, характер распределения главных усилий, соотношение масс и использование материала.

Тектоника выражается, прежде всего, через пропорции, т.е. через отношения несомого и несущего, нагруженного и свободного от усилий, через характер передачи усилий (центральное или внецентренное, консольное нагружение) и т.д.

Можно уверенно утверждать, что наименьшая металлоемкость конструкции потенциально во многом определяет ее высокий эстетический уровень, в то время как неоправданно омертвленные запасы материала заведомо снижают его.

То же и в архитектуре. В антитектоничных сооружениях мы видим, например, колонны, которые ничего не несут, мощные кронштейны под балконами, которые не только их не поддерживают, но сами на проволоках подвешены под их плитами (ведь балконная плита защемлена в стене и хорошо держится без подпорок). Примеров такой фальши и эклектичных решений можно привести много.

Форма должна четко отражать функционально-техническую сущность изделия, информировать о том, как работает конструкция, каково распределение усилий. В этом проявляется понятие информативности формы.

Поэтому тектоникой называют зримое отражение в форме изделия работы его конструкции и организации материала (т.е. сам материал и технология изготовления). Или, говоря образно, тектоника - это искренность формы в отношении конструкции и материала.

В этом плане легко прочитывается тектоничность приведенного выше на рис 2.3,а удобного и технологичного в изготовлении пластикового кресла для бара или кафе, снабженного изящной, но прочной и устойчивой металлической ножкой - опорой. Тектоничным выглядит и стационарное домашнее кресло, иные формы и материал которого правдиво отражают возможность удобного отдыха в любой расслабленной позе.

Рядом на рисунке (в, г) два контрастных по решению формы изделия - фужер и стакан, выполнены из одного и того же материала, но также имеющие тектонически убедительные образы.

Иначе обстоит дело при рассмотрении прессованных из пластика и армированных металлом жестких чемоданов или дипломатов. Округлые формы, черный цвет и фактура поверхности создают ложное впечатление непомерной тяжести литого из черного металла изделия. Здесь - нарушения тектонического характера.

Где-то в 70-х годах у нас в продаже появился такой телевизор (рис.2.7) необычной формы. Легко видеть нелогичность такого композиционного решения и нетектоничность конструкции. В самом деле, грузная нависающая часть Рис.2.7

нарушает целостность композиции. Массивный экран в монолитном черном пластмассовом обрамлении как бы грубо вторгся в легкую разрезную деревянную конструкцию корпуса с ажурной белой пластмассовой решеткой. Эти две основные формы плохо совместимы. То, что нужно держать в столь неестественном положении, смотрится как тяжелое, а то, что несет эту часть - как непомерно легкое, конструктивно ослабленное и структурно совсем иной природы.

Довольно часто на практике имеет место неоправданная подделка, имитация иного материала, что создает ложное зрительное впечатление о работе конструкции и приводит к антитектоничности ее формы.

Например, вспомним, что в а.215 III уч.корпуса на деревянном помосте у доски стоит мощная кубическая тумба из “серого гранита”, предназначенная, видимо, для установки кодаскопа. Впечатление такое, что пол, да и несущие балки, могут не выдержать такой тяжести. Однако на самом деле тумба выполнена из фанеры, которая ламинирована покрытием, имитирующим серый гранит.

Нечто подобное можно, к сожалению, наблюдать и в весьма значимых сооружениях с высоким уровнем эмоционального воздействия. Например, в мемориальном комплексе “Хатынь” под Минском, где сварные и окрашенные металлические кубы-символы уничтоженных немцами деревень имитируют, видимо, черно-траурный гранит, заложенный в центральную композицию мемориала. На них легко видимы досадные изъяны сварной технологии и некоторые отступления от плоскостности сварных формообразующих элементов.

Неразрывно связана с тектоникой и вторая важная категория композиции - объемно-пространственная структура.

В художественном конструировании форма изделия по своей структуре рассматривается как сочетание двух основных компонентов: объема и взаимодействующего с ним пространства. В совокупности эти компоненты образуют объемно-пространственную структуру изделия. Характерным примером тектоничной и закономерно построенной объемно-пространственной структуры в живой природе являются пчелиные соты или осиные гнезда.

Инженер-конструктор в процессе проектирования не всегда думает о “нематериальном” компоненте - пространстве, однако он так или иначе организует не только отдельные элементы объема промышленного изделия, но и пространство, входящее с ним в контакт.

Объемно-пространственные структуры в технике несравненно разнообразнее, чем в архитектуре. Работая над композицией конкретного изделия, нужно в определенный момент увидеть его абстрагировано от функции как некую объемно-пространственную структуру, как чередование материального и пустот.

В чем проявляется хорошо организованная объемно-пространственная структура?

Если, обращаясь к форме изделия, мы можем как бы довообразить, условно достроить все то, чего не видим, то это один из верных признаков хорошо организованной формы. Такие элементы как шар, куб, пирамида или цилиндр наиболее просто взаимодействуют с пространством. Простота объема позволяет отчетливо представить невидимые его части и форму в целом. Но главное, что позволяет так представить форму, - это закономерность, лежащая в основе строения формы, принцип ее развития.

Таким образом, легкость восприятия того или иного изделия во многом зависит от того, насколько закономерно развивается его композиция.

Чем сложнее объемно-пространственная структура изделия, тем большее значение для достижения гармонии приобретает последовательное развитие принципа, положенного в основу ее строения.

Важнейшими закономерностями хорошо организованной объемно-пространственной структуры является органичность связей между отдельными элементами формы и общая упорядоченность структуры.

Нарушение закономерностей организации объема и пространства затрудняет восприятие структуры изделия, вызывает негативную реакцию восприятия.

В крупном плане по принципу построения объемно-пространственного строения технические объекты можно условно подразделить на три большие группы:

1. относительно просто организованные моноблочные структуры со скрытыми в них механизмами (современные станки, автомобили, дорожные катки и др.);

2. открытые технические структуры механизмов или несущих конструкций (велосипеды, подъемные краны и др);

3. объемно-пространственные структуры, сочетающие в себе элементы первой и второй групп (мотоциклы, станки и проч.)

Примеры различных объемно-пространственных структур в технике, расположенные по мере нарастания их плотности, показаны на рис 2.8 в сопоставлении с аналогами в живой природе.

Рассматривая важные закономерности взаимодействия пространства и объема, следует иметь ввиду, что технические структуры промышленных объектов организованы либо по замкнутому принципу, либо имеют разомкнутую, открытую в пространство структуру. В замкнутых структурах (например, крупный пресс) центр композиции обычно лежит внутри самой структуры, а в открытых он может оказаться за ее пределами (экскаватор, кран, манипулятор). Открытые структуры воспринимаются как более активные и это следует иметь ввиду при проектировании.

В заключение отметим, что инженерное совершенство конструкции - важнейшая предпосылка и тектонического ее совершенства, и высокой степени организации объемно-пространственной структуры. В такую конструкцию не следует привносить никаких лишних декоративных элементов, т.к. они могут лишь ухудшить эстетические достоинства отлично работающей чистой объемно-пространственной структуры.

2.4. Композиционное равновесие

Весьма важно, чтобы равновесие и устойчивость технического объекта были обеспечены не только в техническом плане (например, креплением объекта анкерными болтами к фундаменту), но он и зрительно должен восприниматься как композиционно равновесная система.

Симметрия объекта, даже с развитой вертикальной структурой формы, облегчает достижение композиционного равновесия. Несколько сложнее обстоит дело с изделиями несимметричной формы. На рис.2.9, показана установка с характерной для приборостроительного оборудования лаконичной формой.

В форме (а) активное смещение правой верхней части приводит к нарушению композиционного равновесия. Наклонная плоскость с тыльной стороны установки (б) вызывает ощущение неустойчивости.

На рис. (в) верхняя часть сдвинута несколько назад. Распределение масс относительно центра тяжести зрительно изменилось. Установка выглядит уравновешенной.

Конструктивное решение основания, показанное на рис. (г) является вынужденным при сохранении исходной геометрической схемы установки. Большой объем не может “зависать” в пространстве без зрительной связи с устойчивым основанием. Поэтому композиционное равновесие достигается таким естественным способом.

Проявление композиционного равновесия в технических объектах чрезвычайно многообразно. В открытых структурах, например, строительных кранах, экскаваторах физическое равновесие - устойчивость всей конструкции, - является ее важнейшим качеством и определяется расчетом. В этих случаях композиционное равновесие адекватно устойчивости.

Равновесие такой вышки для прыжков в воду (рис. 2.10) можно сравнить с устойчивостью дерева с развитой корневой системой.

Композиционное равновесие в станках достигается путем соподчинения элементов по форме, цвету, тону, пластике.

Соподчинение может обеспечить композиционное равновесие приборных панелей и пультов управления. Здесь можно говорить о “графическом равновесии” на плоскости.

Наиболее сложные случаи достижения композиционного равновесия имеют место при одностороннем консольном смещении масс (например, у фрезерного станка).

В заключение отметим, что блестящие образцы достижения тонкого композиционного равновесия мы видим в городской скульптуре и монументальных инженерных сооружениях: Медный всадник, скульптурные группы Клодта на Аничковом мосту, монумент в честь покорителей космоса в Москве у бывшей ВДНХ и др.

2.5 Симметрия и асимметрия

Симметрия - одно из наиболее ярких и наглядно проявляющихся свойств композиции. Это и свойство-состояние формы, и средство, с помощью которого организуется форма, и, наконец, наиболее активная закономерность композиции.

Симметрия с древних времен считалась одним из условий красоты, поскольку она обеспечивает равновесие композиции. Симметрия, которую человек открыл и осмыслил в творениях природы, постепенно стала для него нормой прекрасного. Он начал сознательно использовать её как средство гармоничной организации формы и в архитектуре и в технике (рис.2.11).

В промышленных изделиях симметрия обычно диктуется техническими и функциональными требованиями. Например, вращающиеся детали - колеса, маховики, шпиндели, фрезы, шлифовальные круги и т.п. - обладают осевой симметрией. (Существуют и другие виды симметрии - зеркальная, винтовая).

Но подобно тому, как в природе практически не существует абсолютной симметрии, так и в композиции технических объектов “чистая” симметрия встречается редко. Например, в станках даже при общей симметричной основе формы, как правило, асимметрично расположены отдельные элементы механизмов, двигатели, пульты управления, рукоятки и т.д. Как правило, композиция машины основывается на сочетании симметричности-асимматричности. Законномерности формообразования асимметричных машин достаточны сложны. Здесь от проектировщика требуется развитая интуиция и тонкое чувство композиционного равновесия.

Хорошо найденная симметричная форма воспринимается легко и почти сразу, как бы она ни была сложна. Гармония асимметрии воспринимается постепенно. Но нельзя утверждать, что симметричная композиция чем-то заведомо лучше асимметричной (рис. 2.12). Ведь сама по себе симметрия ещё не гарантирует гармонии, так же как асимметрия ни в коем случае не означает дисгармонии. Вся история искусства, архитектуры, техники подтверждает, что асимметричные композиции - и простые, и сложные - с точки зрения эстетической ценности не уступают симметричным. Так, например, в искусстве Японии одним из основных критериев прекрасной формы является её асимметрия.

2.6 Статичность и динамичность формы

Статичность - это свойство композиции, выражающее покой, неподвижное состояние, устойчивость во всем строе формы. Статичные предметы имеют явный центр (или ось), вокруг которого организуется форма. Практически все домашние предметы быта имеют статическую форму (стол, холодильник, стиральная машина, телевизор и проч.). В средствах транспорта напротив - статичность исключается. Статичность требует ровных спокойных линий формы и распределения масс, четких членений по вертикалям.

Динамичность - это зрительное восприятие движения, стремительности формы. Динамичная композиция образно выражает реальное или потенциальное движение объекта (перемещение, рост). Динамичность делает форму броской, активной, заметной, выделяя её среди других.

Как выражается статичность и динамичность формы в технике? Равенство и нюанс отношений размеров по трем координатам пространства характеризует относительную статичность формы. Нюанс - это соотношение близких состояний свойств. В нюансных соотношениях сходство выражено сильнее, чем различия.

При возрастании неравенства сопоставляемых величин начинает уменьшаться их сходство и преобладать различие. Отношения пространственных величин, при которых активно выражено различие, неравенство и противопоставление их, называются контрастными (отношения от 2:1 и более).

Контраст в отношениях создает динамику как “зрительное движение” в направлении преобладающей величины. Динамичность возникает не только при неравных отношениях в размерах формы, но в зависимости от отношений и других свойств, например, цветовых. Если форма имеет цвета одного тона, но разной насыщенности, то движение будет ощущаться в сторону более насыщенного цвета.

Сравним, например, куб и вертикально установленный параллелепипед (рис.2.13).

Куб - концентрация массы при равенстве размеров, определяющих форму, создает впечатление устойчивого постоянства.

Параллелепипед уже имеет определенную динамичность, и реакция на форму определяется движением глаза вдоль длинной стороны объема. Динамичностьвует потенциально. Чтобы динамичность появилась явно, необходимо, как - то обозначить начало, придать направленность форме (рис.2.14):

Динамичная форма может придаваться как неподвижным сооружениям (например, монумент покорителям космоса в Москве), так и быстро движущимся объектам - самолетам, легковым автомобилям, судам на подводных крыльях и т.п. В машинах иногда можно видеть сочетание двух начал - статичности и динамичности. Но очень важно проектировщику правильно выбрать ведущее начало, иначе может быть утрачена целостность и логика построения формы. В самом деле, нелепо смотрится шлифовальный станок (воплощение идеи точности, неподвижности, отсутствия малейших движений станины), у которого литое основание внизу имеет лапы, напоминающие крылья над колесами старых автомобилей, что придает станку зрительную подвижность

2.7 Пропорции и пропорциональность формы

Во все времена и эпохи понятие пропорциональности было одним из непременных условий и основополагающих признаков красоты. Пропорции и масштаб являются важнейшими взаимосвязанными средствами композиции.

Пропорции - это равенство отношений размерных величин (линейных, площадных, объемных). Размерные отношения элементов формы - это та основа, на которой строится вся композиция. И если все элементы формы не объединены четкой системой пропорциональных отношений, то трудно рассчитывать на гармоническую целостность формы.

Притягательная сила пропорций в непосредственном эффекте гармонизации, если они умело использованы. Не случайно пропорции были своего рода философией древнегреческой архитектуры. Античный храм - это единая, стройная система размерных отношений, но у каждого архитектора - своя.

Однако пропорционирование сложных форм в технике нельзя сводить к механическому заимствованию классических примеров пропорционирования в архитектуре. Если в архитектуре можно сначала проработать с определенной системой пропорций композицию сооружения в целом, а затем уже прорабатывать решение его элементов и конструкции, то в машиностроении это почти невозможно. Здесь вначале должен быть определен принцип построения машины, её структура, кинематика, компоновка и только после этого появляются элементы формы, которые и должны быть связаны определенными пропорциональными соотношениями. Поэтому нахождение размерной гармонии новой машины - итерационная процедура. И все, что в процессе проектирования окажется конструктивно нелогичным, наверняка будет и непропорциональным.

В свою очередь, если, пренебрегая инженерной стороной, дизайнер строит форму только ради “красивых” пропорций, то неизбежно возникают конструктивно неоправданные пустоты за кожухами, увеличиваются габариты и масса станка.

Итак, пропорции во многом складываются объективно, т.к. связаны с конструктивной основой, и от этого нельзя абстрагироваться.

В технике существуют два основных подхода к пропорционированию:

проектировщик сам может задавать пропорции, идя от формы к конструкции (мебель, некоторые бытовые приборы и станки),

итерационное корректирование пропорционального строя объектов сложно-пространственной структуры, в которых размерные соотношения элементов определяются конструкцией, расчетом.

Какие же виды пропорций используются в технике? Что делает пропорции таким мощным средством гармонизации формы?

Издавна известна магическая организующая сила геометрического подобия отрезков и фигур. Именно геометрическое подобие позволяет увидеть объемно-пространственную структуру не хаотическим нагромождением элементов, а как построенную на закономерности строгую систему композиционно связанных элементов.

Геометрические пропорции выражаются соотношением

Графически геометрические пропорции элементов формы выражаются следующим образом (рис.2.16)

Формы станков, пропорционированные таким способом, показаны на рис. 2.17

Среди других особо выделяется пропорция “золотое сечение”, которая делит отрезок в следующем соотношении (рис.2.18)

Решив квадратное уравнение,

получим Рис.2.18

Размещено на http://www.allbest.ru/

Размещено на http://www.allbest.ru/

Геометрически такое деление отрезка строится следующим образом (рис.2.19):

- прямоугольный,

На откладывают , а затем на

- отрезок

Если то

Размещено на http://www.allbest.ru/

Размещено на http://www.allbest.ru/

Секрет “золотого сечения” был известен еще в древности, но сам термин ввел в обиход Леонардо да Винчи. Такую пропорцию мы видим в звезде (рис.2.20). В Парфеноне и в статуе Фидия, в греческих вазах, древних Египетских храмах и пирамидах также можно обнаружить применение “золотого сечения”.

Но на практике часто применяется приближенное “золотое сечение”, исследованное в XII в известным итальянским математиком Фибоначчи. Это такие соотношения, где каждое последующее число является суммой двух предыдущих (ряд Фибоначчи) 1 : 2; 2 : 3; 3 : 5; 5 : 8; 8 : 13; 13 : 21, …

Размещено на http://www.allbest.ru/

Размещено на http://www.allbest.ru/

Существуют и используются на практике и другие пропорциональные соотношения.

В архитектуре Древней Греции широко применяли систему пропорций, (рис.2.21) основан-ную ирациональных отношениях. Такая закономерность может использоваться, например, при пропорционировании формы стоек и пультов управления. В таких же соотношениях () находятся и стороны листа фор- Рис. 2.21 мата А4.

В машиностроении также используются и арифметические пропорции: 1 : 2, 2 : 3, 3 : 4, 3 : 5, 4 : 5, 5 : 6 (рис.2.22)

Конечно, те или иные пропорции нельзя применять формально. Они обязательно должны находиться в соответствии, в гармонии и с другими факторами, определяющими форму.

Например, известно, что квадрат с соотношением сторон зрительно воспринимается и эмоционально оценивается как некая неопределенность. При этом горизонтальный его размер кажется больше, чем вертикальный. А вот “динамический квадрат” с вертикальной стороной воспринимается заметно лучше, возникает зрительная определенность, небольшая направленность фигуры вверх.

Восприятие красоты пропорционального строя, видимо, основано на том, что многие пропорциональные соотношения заложены и в творениях природы, которые наблюдает человек. Они становятся ему привычными, и он переносит их на искусственно создаваемую среду.

Вот еще некоторые подтверждения этому, найденные Михаилом Марутаевым (композитор). Он обнаружил 10 “магических” пропорций.

1. Пытаясь понять причину совершенства бетховеновской “Аппассионаты”, он подсчитал количество восьмых долей в экспозиции, разработке и репризе. В первых двух их оказалось 1620, в третьей - 1527, а в сумме - 3147. Разделив каждую из частей на сумму, он получил значения 0,485 и 0,515. Сумма этих значений равна единице, а их соотношение - 0,485/0,515=0,943

2. Теперь взглянем на Солнечную систему (рис.2.23). Видим, что при прохождении Ураном линии Плутон - Солнце, он делит этот отрезок также в пропорции «золотое сечение». (Заметим, что если выстроить все планеты в ряд, то Земля делит расстояние между двумя соседними также в соответствии с “золотым сечением”.)

3. Демографы знают, что на каждые 100 девочек рождается 106 мальчиков. Эта пропорция справедлива практически для всех рас и народов Земли. При этом 100/106 = 0,943!

Обнаружил Марутаев и определенные пропорции в построении

В заключение отметим, что пропорции - это не только средство “эстетизации” промышленных изделий, но они дают и непосредственный инженерный эффект. Хорошие пропорции говорят о рациональной кинематике изделия, позволяют достичь лучшей жесткости, меньшей металлоемкости и т.п.

2.8 Масштаб и масштабность

Масштаб является важным средством композиции, одним из ведущих начал, организующих форму промышленного изделия. Достижение масштабности самым непосредственным образом связано с пропорционированием.

Понятие масштаба в художественном конструировании определяется как мера соответствия предмета размерам человеческого тела или другим сопоставляемым предметам. “Человек есть мера всех вещей” - высечено на мраморе Дельфийского храма. Эти слова афористически точно выражают сущность масштабности предметного мира, создаваемого для себя человеком.

Все размерные величины, которые в станках, приборах, другом оборудовании как-то связаны с человеком и определяют удобство эксплуатации или использования вещи, оказывают прямое влияние на масштабность. В станках - это высота рабочей зоны, размеры рычагов, маховиков, рукояток, кнопок управления; в кранах - размеры кабины, органов управления; двери, окна - все это указатели масштаба (рис.2.24). Отступление от требований, связанных с антропометрией, могут оказаться причиной немасштабности изделия.

Масштабность - понятие относительное, т.е. о масштабности можно говорить только по отношению к данной вещи. Нельзя, например, настенный электрический выключатель поставить на настольную лампу - он будет немасштабным.

Масштабность сооружения не определяется абсолютной величиной - маленькое здание может иметь крупный масштаб, а большое, напротив, быть мелким по масштабу (Мавзолей и ГУМ, колокольня (рис.2.25)).

Могут ли большое и маленькое изделия решаться одинаково, в одних пропорциях, иметь одинаковые членения формы?

Ответы на эти вопросы подсказывает нам живая природа. Как в природе строятся большие и малые организмы? Анализ показывает, что чем меньше (моложе) организм, тем форма его более целостная, проще по пропорциям и общему рисунку. И напротив: чем больше организм, тем форма его сложнее, “богаче”.

Примеры: лист молодой - лист зрелый, гриб молодой и зрелый, бутон - цветок, цыпленок - петух, щенок - собака, ребенок - взрослый человек.

Так, у малого ребенка голова составляет примерно 1/4 общей высоты, а у взрослого человека - 1/8 (у баскетболистов - 1/9 … 1/10). Разные пропорции имеют лапы щенка и взрослой собаки. Итак, малый организм менее развит, имеет меньшее количество деталей; большой - более развит, имеет большее число членения. Детали малого организма не развиты, имеют более простые формы; у большого - детали более сложные.

Если с этих же позиций, свойственных природе, посмотреть на масштабный строй промышленных изделий, то станет понятно почему, скажем, микролитражка “Ока” имеет простые формы с малым числом членений, а формы более солидного, большого автомобиля - более сложные, с гораздо большим числом членений (рис.2.26).

В этом же плане сразу можно вспомнить, что старый “Запорожец” или “Москвич”, будучи малолитражками, имели достаточно большое число членений формы, множество накладных элементов, т.е. зрительно “пытались походдить” на солидную машину, стремились как бы перейти в другой класс. В результате формы их стали немасштабными.

Еще в большей степени этот недостаток проявился и в инвалидной коляске.

Немасштабными могут быть не только целые предметы, но отдельные их части и детали. Здесь важны “указатели” масштаба.

2.9 Метрический повтор

Метрический повтор или “метр” - это многократное повторение какого либо элемента через равные интервалы в форме изделия. В технике метрический повтор часто обусловлен конструкций, использованием унифицированных и стандартных элементов: окна - иллюминаторы на фюзеляже самолета или корпусе корабля; ряд одинаковых пневматических манипуляторов и пультов управления, расположенных вдоль транспортера автоматической сборочной линии; ряды кнопок, тумблеров и индикаторных приборов в пультах управления, кнопки клавиатуры ЭВМ, болты и др.

Зачастую в одном техническом объекте развивается несколько рядов метрически повторяющихся объектов (окна, двери и вагоны электрички метро, ряды парт, сидений и светильников в этой аудитории и т.д.)

Композиционная стройность такой системы покоряет своей упорядоченностью, облегчает целостное восприятие формы и упорядочивает трудовой процесс человека с таким объектом.

Однако наличие метрического повтора еще не гарантирует гармонии. Напротив, однообразие повтора одного элемента может вызвать то же уныние, которое возникает при взгляде на уходящий вдаль дощатый забор.

Рассмотрим на условных моделях некоторые общие закономерности композиции, связанные с метрическим повтором. Вот 3 квадрата - это ряд? Скорее нет. Число элементов здесь (Рис. 2.27) невелико и поэтому это воспринимается просто как 3 отдельных элемента.

Метрические ряды бывают простые (повтор одного элемента) и сложные. Когда метрических рядов несколько, следует выделить главный и второстепенный ряд и сделать так, чтобы второстепенный дополнял главный (рис. 2.29, 2.30, 2.31).

Смотрите на столы у доски (ауд. 41). Это, ряд. Но вот он объединен единой линией состыкованных столешниц. И это резко ослабило видение ряда. То же - продольная линия на вагонах метро ослабляет влияние повтора.

Заметим, что в таких композициях недопустимо даже малое (почти незаметное) изменение шага, формы или цвета выделяемого элемента. Композиция этого не терпит. (Но: Парфенон - крайние колонны, смотрящиеся на просвете неба, умышленно сделаны чуть толще других, иначе бы из-за особенности зрительного восприятия мы как раз бы и ощутили это малое отклонение их шага).

2.10 Ритм

В ритмических рядах мы видим закономерность постепенных количественных изменений в рядах чередующихся элементов - в нарастании или убывании чередований, объема или площади, сгущений или разрежений структуры. Таким образом, ритм проявляется в закономерном изменении порядка, и зрительная реакция на ритм - это тоже реакция на порядок, но порядок ритмический. Ритм задает форме активное композиционное движение, связанное с проявлениями динамичности и с композиционным равновесием. В художественном конструировании он используется обычно в объектах, в которых сама конструкция предопределяет его наличие (например, высоковольтная мачта).

Готическая архитектура - острейший, напряженный ритмический строй. Но ритмический ряд имеет особую проблему - конца и начала (смотри, например, рисунки на тканях - рис. 2.32, 2.33, 2.34).

3. ЭРГОНОМИЧЕСКИЕ ОСНОВЫ ПРОЕКТИРОВАНИЯ

3.1 Эргономические требования к системам «Человек-машина-окружающая среда» и пути их реализации при проектировании

Любое техническое изделие, - будь-то инструмент, швейная машина, станок, автомобиль или подводная лодка, - обслуживается человеком и поэтому должны создаваться с учетом “человеческого фактора”.

Часто человек и машина в процессе ее функционирования как бы сливаются в единую органически целостную систему “человек-машина”: водитель-автомобиль, летчик-самолет, велосипедист-велосипед (в этом последнем случае человек не только управляет движением велосипеда, но и выполняет роль движителя). Очевидно, что функционирование таких систем непосредственно связано и с состоянием окружающей среды. Водитель, например, управляет движением автомобиля в соответствии с качеством дороги, движением другого транспорта, сменяющими друг друга дорожными знаками и проч.

Подобная ситуация имеет место и при эксплуатации других технических объектов, в том числе машин-автоматов, хотя на первый взгляд кажется, что машина-автомат может создаваться без оглядки на “человеческий фактор” (ведь на то она и автомат, чтобы функционировать без участия человека!). На самом же деле и здесь все - от сборки, наладки до обслуживания автомата - тоже непосредственно связано с удобством выполнения этих операций человеком в конкретных условиях внешних воздействий окружающей среды.

Поэтому при создании машины должны учитываться требования не только к ней, но и ко всей системе “человек - машина - окружающая среда” (ЧМС). Такой подход обусловил неразрывные связи между техническими дисциплинами и науками о человеке, его трудовой деятельности. На их стыке и возникла комплексная наука - эргономика.*^*Эргономика (от греческого ergon - работа и nomos - закон) как научная дисциплина ведет начало с 1949 г., когда в Англии было создано эргономическое исследовательское общество. Сам же термин был предложен еще в 1857 г. польским исследователем В. Ястшембовским.

Она базируется на технических науках, инженерной психологии, гигиене труда, социологии, физиологии, антропометрии и др. Эргономика изучает функциональные возможности человека в трудовых процессах с целью обеспечения функциональные возможности человека в трудовых процессах с целью обеспечения ему удобства и оптимальных условий для высокопроизводительного труда (Примеры: цветные страницы и вырезы для букв алфавита в справочниках, построение клавиатуры ЭВМ и сервисных программ, кресло дантиста, рабочая зона токарного станка и др.).

Одной из важнейших задач проектирования современных ЧМС, обеспечивающих надежность их функционирования, является правильное распределение функций между машиной и оператором с учетом психофизиологических и иных возможностей человека (Примеры: просчет конструкторов первых РЛС в Англии, полуавтомат сварки сеток генераторных ламп на “Светлане” и др.).

Другой важнейшей задачей эргономического проектирования является снижение утомляемости человека-оператора, создание ему комфортных условий труда.

В целом эргономические показатели качества промышленных изделий, их классификация и номенклатура отражены в ГОСТ 16035-81. В крупном плане эргономичность технических объектов оценивается следующими свойствами: управляемость, обслуживаемость, освояемость, обитаемость. Эти свойства обеспечиваются при проектировании с учетом следующих групп эргономических требований: гигиенических, антропометрических, физиологических и психофизиологических, психологических и социально-психологических.

Гигиенические требования устанавливаются соответствующими санитарно-гигиеническими стандартами, нормативами и рекомендациями (по уровню освещенности рабочей зоны, шума, вибрации, температуры и т.п.). Они определяют безопасные условия работы человека-оператора, обеспечивают гигиенические условия жизнедеятельности и работоспособности человека при его взаимодействии с изделием и средой.

Антропометрические характеристики определяются полом, размерами, формой тела человека-оператора и его отдельных частей. Учет антропометрических требований должен обеспечить рациональную позу оператора, предохраняющую его от быстрого утомления, удобство взаимодействия с органами управления машиной.

Физиологические требования определяются соответствием технического объекта силовым, скоростным, энергетическим и другим биомеханическим возможностям человека-оператора. Психофизиологические требования ориентируют проектировщиков на приспособление создаваемого изделия к особенностям функционирования органов чувств человека. Это позволяет человеку получать без искажений оперативную информацию об объекте управления.

Психологические требования устанавливают соответствие проектируемого объекта возможностям и особенностям восприятия, памяти, мышления, образования, закрепленными и вновь формируемым навыкам человека-оператора (например, сонаправленность движений органа управления и управляемого объекта - станок 16К20).

Социально-психологические требования прежде всего важны для создания технических объектов, управляемых группой операторов на своих рабочих местах (орудийный расчет, экипаж самолета и др.)

Кратко рассмотрим эти группы эргономических требований.

Отметим основные физиолого-гигиенические требования ко всей проектируемой системе ЧМС и особенно к рабочему месту (РМ) оператора. Основными факторами, влияющими на качество выполнения работы, работоспособность оператора и сохранение его здоровья являются: освещенность, вибрация, шум, микроклимат и проч.

При проектировании рабочего места необходимо учитывать ряд психофизиологических требований. Так, во время работы движения человека должны подчиняться принципам естественности, одновременности, симметричности, ритмичности, экономии движений, а также некоторым закономерностям, связанным со скоростью и точностью движений.

В соответствии с принципом естественности необходимо, чтобы движения завершались в пределах поля зрения, и каждое из них завершалось в положении удобном для начала следующего движения. Желательно, чтобы предыдущие и последующие движения были плавно связаны.

В соответствии с принципом одновременности необходимо, чтобы обе руки по возможности одновременно начинали и заканчивали действия и выполняли одну и ту же операцию. Если работает одна рука, то другая не должна бездействовать.

Принцип симметричности движений требует, чтобы при работе двумя руками движения их были симметричными и противоположными по направлению.

В соответствии с принципом экономии движений они должны производиться с максимальной начальной скоростью (толчком), которая затем постепенно уменьшается. Движения, по возможности, должны быть направлены вниз (в сторону действия силы земного тяготения). Такие движения наименее утомительны.

Принцип ритмичности движений заключается в том, что движения должны быть не только пространственно ограниченными и простыми, но и ритмичными, конечно предпочтение следует отдать свободному ритму.

Отметим некоторые закономерности, связанные со скоростью и точностью рабочих движений:

плавные движения по кривой быстрее движений по прямой или ломаной траектории;

движения рук в горизонтальной плоскости осуществляется быстрее и точнее, чем в вертикальной;

диапазон скоростей движений руки колеблется от 0,0001 (движения пальцев при очень точной регулировке) до 8,0 м/с (движение кисти при метании).

Освещенность РМ естественным светом предпочтительна, а окраска и фактура стен и потолков должны способствовать хорошему отражению и рассеиванию света.

В соответствующих стандартах по охране труда имеются нормы и правила выбора освещенности для различных видов работ.

Здесь отметим рекомендации по освещенности РМ, связанные с особенностями зрительного восприятия:

для мелких темных предметов, с которыми работает оператор, следует создавать как можно более светлый фон, а для светлых - темный;

блестящие предметы следует освещать рассеянным светом;

фактура предметов выявляется лучше, если они освещаются светом, падающим на поверхность предмета под небольшим углом;

следует избегать резкого контраста в освещении объекта обработки и окружающего фона (соотношение освещенностей не должно превышать 10:1);

в поле зрения не должно быть источников блесткости;

избегать ритмического чередования в поле зрения темных и светлых поверхностей.

Весьма важно также место расположения источника искусственного освещения над рабочей зоной и то, чтобы свет рассеивался без резких теней.

С точки зрения психологии желательно, чтобы цвет искусственного освещения (по спектральному составу) максимально приближался к спектру естественного света. Так, если производительность труда оператора при дневном освещении принять за 100%, то при желтом свете она составит 93%, при зеленом - 92%, при голубом - 78%, при красном и оранжевом - 76%.

Вибрации. Рабочий инструмент, приводы и машина в целом часто является источником повышенных вибраций, которые вызывают утомление оператора, а при превышении установленных норм вредно воздействует на здоровье человека. (Пример: обработка пневмоинструментом крупных отливок на Невском машиностроительном заводе.)

Вред от вибрации зависит от ее частоты, амплитуды , энергии и других параметров. При этом нужно иметь ввиду, что каждая часть тела человека имеет свою собственную резонансную частоту. Во избежание опасных последствий внутренние органы человека не должны подвергаться колебаниям свыше 5…6 Гц, позвоночник и грудная клетка - 11 Гц, глаза - 75 Гц, челюсть - 100 Гц, шея (поперек) - 28…34Гц.

Поэтому при проектировании систем ЧМС нужно стремиться устранить источники вибраций или снизить их уровень, или же изолировать от них рабочую зону оператора.

Если же работа оборудования по своей сути связана с вредной вибрацией, то необходимо проектировать систему ЧМС так, чтобы уровень вибраций, воздействующий на оператора, не превышал следующих значений:

2…6 Гц - на сидящего человека,

4…12 - на стоящего человека,

20…50 - на голову,

30…40 - на руку и кисти рук,

60…90 - на глаза.

Следует иметь в виду, что человек хуже переносит колебания, направленные вдоль оси тела (т.е. вертикальные), нежели поперечные (горизонтальные), а также то, что возможность амортизации колебаний у сидящего оператора меньше, чем у работающего стоя.

Шум. Уровень шума в промышленности, на транспорте, на улицах постепенно растет. Шум снижает производительность труда, вызывает головные боли, бессонницу, нервные и другие расстройства. Например, длительное воздействие шума с интенсивностью 90 дБ снижает производительность на 30…60%. Высокочастотный шум утомительнее низкочастотного. Самое вредное воздействие оказывает узкополосный шум, имеющий в своем составе высокие тона. Инфразвуки (2…15 Гц) также снижают внимание человека, увеличивают время его реакции и затрудняют мышление.

Для умственной, сосредоточенной работы уровень шума не должен превышать 40…55 Гц. При 85…90 дБ уже нельзя поддерживать голосовую связь даже через громкоговоритель.

Вот примеры уровня шума в различных ситуациях:

30 дБ - читальный зал, операционная палата;

50 дБ - разговорная речь на расстоянии 1 м;

75 дБ - звонок телефона;

70…80 дБ - механические цеха;

110…120 дБ - клепка, чистка отливок пневмоинструментом;

140 дБ - реактивный самолет.

При этом нормальный шум жизненного пространства человек не воспринимает. Он ему просто необходим. Абсолютная тишина непривычна для человека и плохо влияет на его психику. Некоторые разновидности “шума” просто приятны для человека: шум морского прибоя, шум леса, ветра и т.д.

Исследование показали, что тихая и ненавязчивая инструментальная музыка способствует повышению производительности труда (на 6…10%), улучшает настроение, снижает нервное напряжение. Но к выбору музыки нужно подходить со знанием дела, иначе можно получить противоположный результат. Нельзя, например, чтобы музыка звучала непрерывно всю смену.

В арсенале разработчиков имеются самые разнообразные конструктивные меры для уменьшения уровня шума (глушители, звукоизоляционные покрытия и материалы, противошумные шлемы и т.д.). Но лучше всего не бороться с шумом, а находить конструктивные решения с меньшим уровнем вредного шума.

Микроклимат рабочего места также влияет на производительность труда, на настроение и здоровье оператора. Почти 50% профессиональных заболеваний связано с воздействием микроклимата (высокая запыленность, сквозняки, отклонения температуры от нормы, горячая штамповка, запахи и др.). Неблагоприятные микроклиматические условия существенно снижают производительность труда. Поэтому проектирование системы ЧМС должно предусматривать возможность регулировки параметров оборудования и окружающей среды, конструктивное решение рабочей зоны, обеспечивающих комфортные условия труда. (Но и здесь вопрос следует решать с системных позиций - пример просчета с “чистыми зонами” на “Светлане”.) Заметим также, что с позиций технической эстетики, ольфатроники, запахи от нечистот не следует маскировать приятно пахнущими веществами. Их следует всемерно устранять (птицефабрики, мясокомбинаты).

3.2 Особенности зрительного восприятия

Известно, что 90-95% информации о внешней среде человек получает через зрительное восприятие.

При компоновке рабочего места оператора, станочника, водителя автотранспорта необходимо знание границ зрительного поля. Зрительное поле при фиксированном положении глаз и горизонтальной линии взора подразделяется на три зоны (рис 3.1,а):

зона центрального зрения (“желтое пятно”) - 1,5°…3° - обеспечивает наиболее четкое восприятие предметов;

зона мгновенного зрения - около 18° соответствует пространству также с достаточно хорошим восприятием предметов в течении ограниченного времени наблюдения;

зона эффективной видимости (30°) - пространство, в котором возможно достаточно четкое восприятие при условии концентрированного внимания.

Поле зрения свыше 30° - зона расплывчатого восприятия.

При движении глазного яблока поле зрения (зона обзора) увеличивается, а при не утомительных поворотах головы (30° - по вертикали и 45° - по горизонтали) достигает 130° по вертикали и 220° по горизонтали.

Даже при фиксации взгляда на какой-либо точке глаз непроизвольно совершает малые колебания с амплитудой до 18. Такое явление называется моторикой глаза. Движение глаза играет значительную роль в формировании зрительного образа. Основной поток зрительной информации поступает на небольшой центральный участок сетчатки (цветное зрение). Периферия сетчатки служит для обнаружения объектов и наведения на них взгляда. Большой предмет рассматривается глазом скачкообразными движениями от одного участка к другому. Размах скачков колеблется от 5…10 до 18…20°. Угловая скорость движения глаза во время скачков очень велика и достигает 400°/с. При этом около 3% времени затрачивается на движение, а остальное время составляет паузу (фиксированный взор). Но продолжительность паузы невелика - 0,2…0,5с. Следует отметить, что во время скачка глаз ничего не видит. Считается, что скачкообразный характер движения глаз предопределяет целесообразность применения ритмических композиций.

Важно знать и другие особенности зрительного восприятия:

глаз имеет различную чувствительность в пределах поля зрения: она резко уменьшается от центра к периферии;

подвижные объекты воспринимаются периферическим зрением значительно лучше, чем неподвижные;

объем зрительного восприятия весьма ограничен: глаз воспринимает одновременно не более 5…7 отдельных предметов;

горизонтальные движения глаз осуществляются быстрее вертикальных и они менее утомительны; горизонтальные размеры и пропорции глазом оцениваются точнее вертикальных;

глаз обладает определенной инерционностью и поэтому прямые линии воспринимаются им легче, чем кривые, а плавные сопряженные переходы - легче, чем ломанные;

предшествующие образы оказывают влияние на восприятие последующих в процессе быстрой смены объектов восприятия (“последействие образов”); так, если после продолжительного взгляда на кривую линию перенести взор на прямую, то она будет казаться изогнутой.

3.3. Антропометрические факторы проектирования систем ЧМС. Соматография

Уже отмечалась необходимость учета размеров человеческого тела и его частей при проектировании систем ЧМС. Изучением размеров человеческого тела занимается антропометрия (от греч. Anthropos - человек) на большом количестве людей по определенной методике. Так, в 1966 г. НИИ антропологии МГУ провел обследования 300000 человек (рис.3.2). По результатам таких обследований строятся таблицы размеров тела, которыми следует руководствоваться при проектировании оборудования.

Понятно, что такие антропометрические исследования необходимо проводить и с детьми для рационального проектирования школьной мебели, игрушек и пр.

В настоящее время эти цифры, видимо, несколько выше в связи с акселерацией и с учетом некоторых других факторов.

Антропометрические данные населения разных стран отличаются друг от друга. Так, средний рост мужчины в США составлял 178 см, а японца - 162 см. Самые высокие европейцы - в Шотландии (179) и в Швеции (178), а самые низкорослые европейцы - испанцы и венгры (163).*^* - эти данные относятся к 1970 - 1973 гг.

При разработке некоторых типов машин необходимо учитывать, что эксплуатировать их могут люди большого и малого роста (от 150 до 200 см). Например, проектируя кабину автомобиля, конструктор должен позаботиться о

том, чтобы в ней с удобством размещался не только человек высокого, но и низкорослый человек свободно доставал бы наиболее удаленные органы управления. Для этого габариты кабины нужно рассчитывать на высокого человека, а расстояние до органов управления определять из возможностей двигательного аппарата человека низкого роста. Может быть использовано регулируемое сидение.

При разработке производственных машин и оборудования обычно ориентируются на размеры человека среднего роста. Для наиболее характерных случаев производственной деятельности человека (сидя, стоя, выполнение особо точных работ и т.д.) составлены таблицы и схемы (рис.3.3), на которых указаны рекомендуемые по антропометрическим соображениям размеры проектируемого оборудования. При этом конструктор часто использует и так называемую нейтральную зону - 50…100 мм. Изменение некоторых размеров машины и рабочей зоны в этих пределах благодаря маскирующим факторам мало ощущается человеком и не снижает его работоспособности.

Рабочее место оператора должно составлять с конструкцией машины единый комплекс. Конструктор должен обеспечить естественное положение тела оператора во время работы с возможностью смены и чередования рабочих положений.

Во многих случаях рабочая поза стоя является основной (работа на металлорежущих станках, на крупном кузнечно-прессовом оборудовании и т.п.). В этой позе человек обладает максимальными возможностями в отношении обзора, передвижения, досягаемости органов управления и развиваемого усилия (рис.3.4). С целью обеспечения возможности удобного захвата рабочих органов следует предусмотреть возможность легкого наклона туловища вперед (10…15°).

Высоту от пола до рабочей поверхности следует брать в пределах 700…1100 мм, т.е. исходя из размеров человека высокого роста.

Огромное число производственных, дорожных и подъемно-транспортных машин рассчитаны на работу оператора сидя. Работа в этом положении менее утомительна, чем стоя, а движения оператора отличаются наибольшей точностью и быстротой. Удобство позы сидя обеспечивается рабочим креслом, высотой и глубиной рабочей зоны, размерами пространства для ног. Ноги обязательно должны опираться о пол или подставку.

Высота до рабочей поверхности при работе сидя:

при обычной работе - 700…750 мм;

при особо точных работах - 900…1100 мм;

на станках - 800…850 мм.

Хотя максимальная рабочая зона рук ограничена дугой R720, однако основные и часто используемые органы управления должны располагаться в пределах оптимальной рабочей зоны, ограниченной дугой, описываемой согнутой в локтевом суставе рукой (R300) с относительно неподвижным плечом.

Минимальные размеры пространства для ног при работе сидя:

Высота - 630 мм, ширина - 450 мм, глубина - 400 мм.

Для некоторых видов оборудования рабочая поза оператора может быть переменной (сидя и стоя).

Знание антропометрических соотношений позволяет решать и некоторые задачи охраны труда оператора. Например, выбор высоты и расположения ограждения рабочей зоны.

При проектировании рабочих мест и оборудования, требующего значительных усилий оператора необходимо иметь ввиду, что сила человека зависит от возраста, пола, тренированности, удобства рабочей позы, психического состояния и других причин. В трудовых процессах требуемые усилия оператора не должны превышать 1/3 максимально развиваемого человеком усилия. (Женщинам запрещено регулярно поднимать и переносить грузы свыше 15 кг, а мужчинам - свыше 30 кг)

Величина развиваемой человеком силы в значительной степени зависит от направления движения рук и ног. Так, движение в направлении к телу более эффектно в положении сидя, чем стоя. Мгновенная максимальная сила “притягивания” в положении сидя может достигать 1100 Н (при средней силе 300…500 Н), а сила, развиваемая ногами (в положении сидя), может достигать 1600…2000 Н в физиологически оптимальной зоне ног.

В дизайнерской практике при анализе удобства обслуживания проектируемой машины оператором широко используют метод соматографии и подвижные модели фигуры человека. Соматография (от греч. Soma - тело) - это схематическое изображение на геометрических чертежах обслуживаемой машины тела человека-оператора (обычно в масштабе М1:10) в ортогональных проекциях. При этом изображают также оптимальную рабочую зону и зону максимального захвата, а также зрительное поле оператора. Обычно используют контурное изображение человека (рис.3.5). Удобно для этих целей использовать подвижные масштабные модели фигуры человека, выполненные на шарнирах из тонкого прозрачного листового материала. Модели придается нужная поза, она накладывается на чертеж общего вида проектируемого изделия, обводится и анализируется проектная ситуация. При этом следует иметь ввиду, что соматография не учитывает особенности отдельного человека и ориентирована на средние размеры человека-оператора.