DIE HISTORISCHE ENTWICKLUNG DES · PDF fileDiplom-Ingenieur (Dipl.-Ing.), Doktor-Ingenieur...
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DIE HISTORISCHE ENTWICKLUNG DES
WISSENSCHAFTLICHEN MASCHINENWESENS
Vorlesung im Studium generale WS 2011/12
Montag, 5. DS, Hörsaalzentrum, HS 03
Lehrbeauftragter: PD Dr.-Ing. Mauersberger / Kustodie
Sprechzeit: Dienstag, 10-14 Uhr
Bürogebäude Zellescher Weg 17 (BZW)
linker Eingang, Erdgeschoss links
Vorlesungsankündigung und -plan: Homepage der Kustodie unter Lehre
www.tu-dresden.de/kustodie
Den Abschluss der Vorlesung bildet eine Klausur am 30. Januar 2012
Zur Vorbereitung der Klausur kann auf dieserHomepage Mitte Januar ein Studienmaterial
heruntergeladen werden.
Wichtig: Berechtigt zur Teilnahme an der Klausur sind nur jene Studenten, die sich in die Einschreibelisten
zu Beginn der Vorlesung eingetragen haben.
Die historische Entwicklung des wissenschaftlichen Maschinenwesens
1. Einführung: Ziel der Vorlesung, Begriffe, Periodisierung2. Technisches Wissen um die mechanischen Potenzen des
Altertums3. Die Blütezeit der mechanischen Künste in Mittelalter und
Renaissance4. Künstler-Ingenieure - Vorboten der Mechanisierung
Uhr und Mühle als Prototypen der modernen Maschinerie5. Vom Künstler-Ingenieur zum Mechanicus und
Maschinentechniker - Stand und Entwicklung des maschinentechnischen Wissens im 17./18. Jahrhundert
6. Kernprozesse der Industriellen Revolution -Mechanisierung der Produktion, umfassender Einsatz von Maschinen und Herausbildung des dreigeteilten Maschinensystems.
Die historische Entwicklung des wissenschaftlichen Maschinenwesens
7. Technischer Wandel im Maschinenwesen -von der mechanischen Werkstätte zur Maschinenfabrik
8. Die energetische Basis der großen Industrie: Wasserräder und Dampfmaschinen
9. Grenzen empirischen Wissens im Maschinenbau -Beginn der Verwissenschaftlichung des Maschinenwesens
10. Hochindustrialisierung - technischer Wandel in Systemzusammenhängen: Verkehrswesen, Landwirtschaft, Kommunikation und „junge Industrien“
11. Ausblick: Massenfertigung, elektrische Antriebe und automatische Steuersysteme - das Bild der modernen Maschinenwissenschaften im 20. Jahrhundert
12. Die Entstehung und Entwicklung der Fakultät Maschinenwesen an der TH Dresden
Literaturhinweise:
Buchheim, G. / Sonnemann, R. (Hg.): Geschichte der Technikwissenschaften. Basel, Boston, Berlin 1990.
König, W. (Hg.): Propyläen Technikgeschichte. Bd. 3-5, Berlin 1997.
Paulinyi, A.: Industrielle Revolution - Vom Ursprung der modernenTechnik. Reinbek bei Hamburg 1989.
Radkau, J.: Technik in Deutschland. Vom 18. Jahrhundert bis zur Gegenwart. Frankfurt/M. 1989.
Wagebreth, O. / Wächtler, E. (Hg.): Dampfmaschinen. Die Kolbendampfmaschine als historische Erscheinung und technisches Denkmal. Leipzig 1986.
Troitzsch, U. / Weber, W. (Hg.): Die Technik. Von den Anfängen bis zur Gegenwart. Stuttgart 1987.
Mauersberger, K.: Maschinenbau an der TU Dresden. Ein Beitrag zur Geschichte der Fakultät Maschinenwesen. Dresden 2007.
Technik-Begriffe (nach Ropohl)
als angewandte Naturwissenschaft
als Komplex instrumenteller Hilfsmittel zur Arbeitsersparnis
als Ausdruck menschlichen Gestaltungswillens
als Emanzipation von den Schranken der Natur
als Ersatz der natürlichen Umwelt durch eine Kulturwelt
als Erzeugung des „Objektiv-Überflüssigen“
Definition des Technikbegriffs (nach Ropohl 1979)Seinem Umfang nach umfaßt der Technikbegriff
Den Bereich der Artefakte selbst (vorwiegend künstliche Objekte, von Menschenerzeugt und für bestimmte Zwecke verwendet)
Den Bereich der Entstehung von Artefaktendurch menschliches Handeln
Den Bereich der Verwendung von Artefaktenim Rahmen menschlichen Handelns
Historische Epochen in der Wechselwirkung Mensch - Technik
Mensch - Werkzeug: STOFF(Handwerk)
Mensch - Maschine: STOFF, ENERGIE(Industrie)
Mensch - „Automat“: STOFF, ENERGIE, INFORMATION(moderne „Wissensgesellschaft“)
Die soziale, naturale und humane Dimension der Technik
Bestimmungsgrößen technischer Verfahren und Systeme in einem Siebenstern(nach Rapp 1980)
Vorperiode 18. Jh. Herausbildung Konsolidierung Beginn 20. Jh.
Statik höhere Statik Graphostatik
Festigkeitslehre (techn.) ElastizitätstheorieKinematik Getriebelehre
Maschinendynamik Schwingungslehre
techn MechanikBaustatik
Maschinenkunde Maschinenlehre
theoretische Maschinenlehre
technische MaschinenlehreMaschinenelemente
DampfmaschinenElektromaschinenWerkzeugmaschinen
deskriptiveGeometrie
Maschinenzeichnen(technisches Zeichnen)
Konstruktionslehre Konstruktionssystematik
Wassersäulenmaschinen
Wasseräder
Wasserturbinen
Schiffstheorie
Propeller u.a.
HydraulikStrömungslehre(technische Hydromechanik)
Theorie der Strömungsmaschinen
Wärmestofftheorie Wärmelehre technische Thermodynamik
Kältetechnik
Wärmekraftmaschinen
thermische Stofftrennung u.a.
mechanischeTechnologie Fertigungs- und Verarbeitungstechnik
ZerspanungstechnikUmformtechnik
Schweißtechnik u.a.
MaterialprüfungWerkstoffprüfung Metallografie
Werkstoffkunde
19. Jh.
Werkstoffwissenschaften
Übersicht Disziplinengefüge des wissenschaftlichen Maschinenwesens
Übersicht Allgemeines Periodisierungsmuster zur Geschichte der Technikwissenschaften
Vorperiode Moderne Periode„Klassische“ Periode
Schaffung der Voraussetzungen
Heraus-bildung
Konsoli-dierung
Voraus-setzung
Herausbildung
Frühe NeuzeitPostindustrielle
WissensgesellschaftIndustrielle Revolution
1950um 1550 um 1770 1860 1900
Übersicht Abweichungen in den Einzeldisziplinen
ElektrotechnikElektronik
Verfahrenstechnik
wiss. Maschinenwesen
Bauingenieurwesen
Montanwissenschaften
19001800
Konzept der Disziplingenese
Disziplinbegriff - als Erscheinungsweise der Wissenschaft
Ausgangspunkt : tätigkeitsorientierter Wissenschaftsbegriffd.h. gegenstandsorientiertes System wissenschaftlicher Tätigkeit
- Gegenstand / Inhalte Produktion und- Methoden Reproduktion- Institutionen von Wissen als - Organisationsstrukturen sozialer Prozess
Disziplingenese:
Suche nach Entwicklungsmechanismen und Herausbildungsprinzipien:
Einheit von kognitiven und sozialen Aspekten
Begriffe zur Technikgeschichte Maschinenwesen
Vorrichtung, Werkzeugtechné, technai (grch.)
Kunstgriff, List
ars (lat.) - Kunst
artes mechanicae - mechan. Künste (Webkunst, Waffenschmiedekunst, Baukunst, Schiffahrt,
Ackerbau, Jagd, Heilkunst, Schauspielkunst)
artes liberales - freie Künste(Grammatik, Dialektik, Rhetorik - trivium
Geometrie, Arithmetik, Musik, Astronomie - quadrivium)
Artefakte - artis facere -Technikobjekte, künstlich geschaffen
machina (lat.) - Maschine („deus ex machina“)(Rüstzeug, Kriegsmaschine, Baugerüst, Hebezeug)
Prototypen neuzeitlicher Maschinerie: Uhr und Mühle
Ingenieur - von ingenium (lat.) - wunderbarer Einfall(ingenium - engina - ursprünglich: Kriegsmaschine)
Ingenieurberuf (Antike): militärische Herkunft, niedere „banausische“ Künste („mechanopoios“)
Künstler-Ingenieure (Renaissance): engineri, architecti, mechanici...
Spezialisierung / Akademisierung (19. Jh.): Bauingenieur (Civil-Engineer), Maschinenbauer (Mechanical Engineer) / Diplom-Ingenieur (Dipl.-Ing.), Doktor-Ingenieur (Dr.-Ing.)
Mechaniker der Antike
Aristotelische Schule des „Peripatos“ (3.Jh. v.Chr.)„Problemata Mechanica“
Archimedes von Syracus (287-212 v.Chr.): Hebelgesetz, Auftriebsprinzip, Flächenberechnungen
Ktesibios (um 250 v. Chr.), Philon von Byzanz (um 250 v.Chr.), und Heron von Alexandria (1.Jh. n.Chr.): mechanische Spielereien, Automatentheater, Pneumatik
überlieferte Werke desVitruv (1.Jh. v.Chr.) und Pappos (um 300 n.Chr.)„De Architectura libri decem“
Die mechanischen Potenzen der Antike
Baukunst, Manufakturen und MontanwesenWandel in Technik und Produktion
- Geistiger und sozialer Hintergrund: Spitzenstellung / Sonderweg des europäischen Kulturkreises 1200-1500
- Ausprägung okzidentaler Rationalität (Vernunft, Freiheit, Individualität)
- Neubewertung der Arbeit – Desakralisierung der Natur (ora et labora)
- Herausbildung einer neuen Wirtschaftsgesinnung –Entdeckung des Marktes (Fernhandel)
- Dynamisierung der Technikentwicklung und –nutzung- Entschlossene Erwerbsbestrebungen- Entdeckung der Neuen Welt – Geburt der modernen
Naturwissenschaften- Frühe Neuzeit = „Musterbuch der Moderne“
Beginn des „Europäischen Jahrtausends“
Warum nicht China oder andere Kulturkreise ?
Der Weg der europäischen Selbstmodernisierung insIndustriezeitalter
Die Renaissance als „Schwellenzeit“
Die lange „Inkubationszeit“ seit dem Mittelalter
Frage: industrielle Evolution versus industrielle Revolution ?
Die Zeichentechniken des Mittelalters
- Fortführen der Umklapptechniken der alten Kulturen (ägyptische Grabdarstellungen)
- „Byzantinische Manier“: Mischung aus Umklapptechnik und unvollkommener Perspektive in der Malerei
- Hervorhebung von Details – Maßangaben - Marginalien aus dem Alltagsleben in der technischen Darstellung
- Renaissance: Durchbruch der Zentralperspektive(Brunelleschi, Alberti, Da Vinci)
Künstler-Ingenieure - Vorboten der Mechanisierung Uhr und Mühle als Prototypen der modernen Maschinerie
• Künstler-Ingenieure – eine privilegierte Berufsgruppe
• Visionen, Erfindungen und Entwürfe von Leonardo da Vinci
• Verbales und visualisiertes technischen Wissens bei Leonardo
• Transport und Versetzung des Vatikanischen Obelisken im Jahr 1586 – ein technisches Großereignis der Renaissance
Der Künstler-lngenieur Leonardo da Vinci (1452-1519)Lebensstationen und Umfeld
1452geboren in einem kleinen toskanischen MarktfleckenLehre bei dem Maler und Bildhauer Verrocchio in Florenz
1472Aufnahme in die Meistergilde; Zeitgenossen: Donatello, Alberti, Brunelleschi u.a.
Im Dienst bzw. unter Protektion hoher Potentaten: Sforzas (Mailand), Cesare Borgia, Papst Leo X. (Medici)Ludwig XII. (König von Frankreich)
1519letzte Jahre auf dem Schloß Cloux bei Amboise inFrankreich verbracht und dort verstorben
Tätigkeiten Leonardos
anatomische-, mathematische- und Naturstudien
als Militäringenieur: Beaufsichtigung von Wasserbaumaßnahmen, Berater und Gutachter, Projektemacher, Erfinder, Ausstatter von Hoffestlichkeiten
Maler, Bildhauer: Planung eines monumentalen Reiterstandbildes
technisches Schrifttum (vor allem zwischen 1480 und 1500)
Erfindungen und Entwürfe: mechanische Werkzeugmaschinen (Feilenhaumaschine), Kugellager, Fahrrad, Fallschirm, Flugmaschinen, federgetriebenerWagen, Bagger und Kräne, Feuermaschine, Taucherausrüstung, Sprenggeschosse, Riesenarmbrust, Hubschrauber, diverse Maschinenelemente und Getriebe, Uhrwerke
Leonardos Skizzensammlungen
Codex Atlanticus, Codex Forster, Codex Madrid, Codex Arundel: riesiges Arsenal an technischen Aufzeichnungen (Schrift und Bild)
technische Entwürfe Leonardos: Antizipation (geistige Vorwegnahme) eines neuen (industriellen) Technik-Typs
besondere Leistungen:Maschinenelemente (Herauslösung aus der Ganzheit einer Maschine)
wechselvolle Geschichte seiner Skizzenblätter: teils zerstreut in viele Länder, verlustig gegangen und wiederaufgefunden (Codex Madrid erst 1965) -Leonardo-Renaissance im 19. Jh.
Herangehensweisen:geheimnisumwittert, verschlüsselt (C.A.)systematisch, didaktisch durchgearbeitet (C.M.)
Leonardos „technischer Denkstil“
Aufbruch zu neuem Denken in der Wissenschaft: Vision einer umfassenden Einheitswissenschaft
neues Naturverständnis gemäß einer kritischen Rezeption der Antike: Naturbeherrschung durch rationale Mittel
Fixieren des technischen Wissens: Elementarisieren Strukturieren Systematisieren Quantifizieren
Eindringen in die Natur technischer Vorgänge
Ergebnis: einfache Regeln (Rechenregeln)Ansätze physikalischer Durchdringungneue grafische DarstellungsformenAusformung der technischen Fachbegriffe (termini technici)Ingenieurmethodik zwischen Erfahrung und Erkenntnis
Ganzheitlichkeit
und
Elementarisierung
Leonardos Zeichentechnik
Durchbruch zur perspektivischen Abbildung - Ausprägung des räumlichen Darstellungsvermögens
Zerlegung (Zergliederung) der Objekte in entsprechenden Zeichentechniken nachvollzogen (Ansatzpunkt für wissenschaftliche Durchdringung)
- Rissdarstellung, Details, Schnitte, Bemaßung, Auseinanderrückung
- Herausschälen von Maschinenelementen und Mechanismen- Freilegung entsprechender (mechanischer, hydraulischer)
Wirkprinzipe- in summa: hohe visuelle Qualität, Nüchternheit und
Transparenz, Präzision, Herausheben konstruktiv-funktionaler Zusammenhänge
Anzeichen einer beginnenden Verwissenschaftlichung
technischer Sprachstil: Versachlichung (vorher auch Poetik), eindeutige Begriffszuordnung, Durchbruch vom mittelalterlichen Musterbuch zum Renaissancetraktat
Geometrisierung technischer Sachverhalte
grundlegende Methodik des Ingenieurschaffens -- Wechselwirkung von Empirie und Theorie
Eindringen in die physikalischen Phänomene (Experiment) und Versuch einer „mathematisch-theoretischen“ Begründung(elementare Rechenexempel)
Suche nach allgemeinen Prinzipien der Konstruktion: Einfachheit, alternative Lösungen, Übertragbarkeit auf andere Maßstäbe, Anschaulichkeit, Schönheit --- hierin liegt die besondere innovative Leistung Leonardos
Die wissenschaftliche Durchdringung technischer Gebilde und Verfahren
Gedankenexperiment am elementaren Baustein (Darstellung der Kräfte am Keil)
Erklärung der Phänomene(Reibung, Keilwirkung)
Formulierung eines Modellansatzes(Schnittprinzip, Gleichgewicht der kräfte, Optimierung von Wirkungen)
Übertragung auf konkrete technische Strukturen (Bogen, Gewölbe)
Einbeziehung technischer Charakteristika (qualitativ)
Besonderheiten in Leonardos Werk
1. Einsatz von Mechanismen zunächst für Kraftübertragung (Arbeitserleichterung) - dann erst für selbsttätige Steuerung (Auslösen eines Prozesses, Vorschub des Werkzeuges oder Materials, Stellglieder)
2. zielgerichtete Synthese solcher maschinellen Anordnungen nach zu gewährleistender Funktion
3. Vervielfachung durch Mehrfachanordnung (Bündelung)
4. beginnende Mechanisierung (Prototypen) in feinmechanischen Prozessen (Übertragung großer Kräfte)
5. Steigerung des Kraftbedarfes --- Sprengen der Möglichkeiten menschlicher Muskelkräfte impliziert Suche nach neuen Antriebsquellen (Federn, Feuer, Wasser...)
Zusammenfassung – Wirkungen Leonardos
die in der Renaissance einsetzende Protomechanisierung wird begleitetund gefördert durch einen gewaltigen Aufschwung des technischen Wissens
ausreichende Beherrschung von Material und Fertigungstechniken sowie theoretische Voraussetzungen für eine umfassende geistige Durchdringung technischer Prozesse sind noch nicht gegeben
Wiederkehr voraus gedachter Konstruktionsprinzipien auf höherer ökonomischer und technologischer Stufe in späteren Jahrhunderten (historische Kontinuität)
direkte Wirkungen Leonardos auf seine Zeit gering - aber Spiegelbild eines neuen Zeitgeistes
Spieltrieb, Gestaltungswille,überschäumende Phantasie
(noch) unlösbares Spannungsfeld vontechnisch-ökonomische Realität
Einberufung eines Ingenieurkongresses („Congregazione“) 1586
Vorführen von Plänen, Modellen und Zeichnungen
Sieger unter 500 Bewerbern:Domenico FontanaPäpstlicher Baumeister
Domenico Fontana:„Del modo tenuto neltrasportare l‘obeliscovaticano“ (1590)
Vom Künstler-Ingenieur zum Mechanicus und Maschinentechniker - Stand und Entwicklung des
maschinentechnischen Wissens im 17./18. Jh.
• Einführung: Die literarische Entdeckung der Produktion
• Die Geburt der modernen Naturwissenschaften
• Kunst und Technik im Barock• Aufklärung und Rationalismus• Praktische Mechanik und Maschinenkunde• Die Herausbildung des Ingenieurberufes
Maschinenbücher der frühen Neuzeit
Georgius Agricola: De re metallica (1556)Jaques Besson: Theatrum instrumentorum et machinarum
(1569)Agostino Ramelli: Le Diverse et artificiose machine (1588)Vittorio Zonca: Nouvo Teatro di Machine (1607)Johann Zeising: Theatri machinarum (1612-13)Salomon de Caus: Von gewaltsamen Bewegungen… (1615)Fausto Veranzio: Machinae novae (1616)Jacob de Strada á Rossberg: Künstlicher Abriss allerhand
Mühlen… (1618)Giovanni Branca: Le machine (1629)Georg Andreas Böckler: Theatrum machinarum novum (1662)Jacob Leupold: Theatrum machinarum (1724-27)
Zitat zur Industriellen Revolution
„Während in Frankreich der Orkan der Revolution das Land ausfegte, ging in England eine stillere, aber darum nicht minder gewaltige Umwälzung vor sich. Der Dampf und die neue Werkzeugmaschinerie verwandelten die Manufaktur in die moderne große Industrie und revolutionierten damit die ganze Grundlage der bürgerlichen Gesellschaft.“
Friedrich Engels: „Anti-Dühring“
Bevölkerungsstatistik Grossbritannien
Einwohnerzahl:
1760 7,4 Millionen EW1830 16,4 Millionen EW
Beschäftigung in Branchen:
6 Handel / Industrie1800 ----
5 Landwirtschaft
2 Handel / Industrie1830 ----
1 Landwirtschaft
Faktoren des Industrialisierungsprozesses
1. Wirtschaftlicher Zugang: sektoraler Strukturwandel
Industriesektor wird bestimmend hinsichtlich Beschäftigten und Wertschöpfung
3 Sektoren Primärproduktion (Landwirtschaft)Sekundärproduktion (Gewerbe / Industrie)Tertiärproduktion (Dienstleistungen)
2. Institutionalisierung eines stabilen Wirtschaftswachstums
marktinduziert - getragen vom IndustriesektorÜbergang zur Dienstleistungsgesellschaft (USA)Wandel in der Arbeitswelt (Wissenschaft + Technik)Tendenz zur Deindustrialisierung (tertiäre Zivilisiation)
Anteile der drei Sektoren der Wirtschaft an Sozialprodukt (SP) und Bevölkerung (B) in Großbritannien
(Quelle: Fischer)
Wachstum des Sozialproduktes und der Bevölkerung in Großbritannien
(Quelle: Fischer, Léon)
BSPin Mill. ₤
Bevölkerungin Millionen
Faktoren des Industrialisierungsprozesses
4. Bestimmungsstücke der Industrie
maschinelle Fertigung + FabriksystemIndustrieproduktion wird zum qualitativen Bestimmungsstück der gewerblichen Produktion (Hier entscheidende Dynamisierung)
5. Kulturelle und soziale Wandlungen
Industrielle Revolution auch soziale Revolution
Entstehung eines neuen Gesellschaftsmodells
Faktoren des Industrialisierungsprozesses
5. Technischer Kern der industriellen Revolution
Durchbruch zur MaschinenproduktionMechanisierung in den Hauptzweigen der Wirtschaft (Maschinisierung) in den Hauptprozessen der Produktion
- Nutzung standortunabhängiger Kraftmaschinen(Dampfmaschine)
- Zentralisierung der Produktion in Fabriken
- Revolutionierung des Transportwesens (Eisenbahnen, Dampfschiffe)
- Marktwirtschaft und modernes Unternehmertum setzen sich durch
Das dreigeteilte Fabriksystem
Zeitrahmen für die industrielle RevolutionEngland („Mutterland der IR“)
1750/60 bis 1830 (take off)
europäischer RahmenBelgien 1820 bis 1850Frankreich 1820 bis 1860
Deutschland im Mittel Beginn Frühindustrialisierung um 1800Durchbruch um 1840Expansion um 1850Ende um 1870
regionalspezifische AspekteSachsen 1800 bis 1830 (Frühindustrialisierung)Preußen 1830 bis 1850
Industrielle Revolution in England- besonders günstiges Bedingungsgeflecht -
1. Liberales politisches System - „offene Gesellschaft“kulturelles und institutionelle Milieu: innovationsfreudig und kommunikativ
2. Rolle des Staates: vertrauensbildend (Patentgesetze, staatliche Schuldenverwaltung etc.) Wirtschaftsliberalismus (keine Zunfthemmungen)
3. Britische Aufklärung und Utilitarismus, puritanische Traditionen und Wissenstransfer durch Hugenotten
4. Frühe Kapitalisierung der Landwirtschaft („Einhegungen“, Ertragssteigerungen, Dynamisierung)Freisetzung von Arbeitskräften
5. Bevölkerungsanstieg --- Bedarfsexplosion(„Konsumrevolution“)
6. Wissenschaftliches Klima - Rolle der Societies(shop culture versus school culture)
Bevölkerungsentwicklung europäischer Länder zwischen 1000 und 1900 (nach Hinrichs)
_ _ _ _ Frankreich_____ Deutschland……… Großbritannien
Die Rolle der Baumwollproduktion in der Industrialisierung
(Quelle: Paulinyi 1989)
Standorte der führenden
Industriespartenin Großbritannien
während der Industriellen
Revolution
(Quelle: PropyläenTechnikgeschichte
1997)
Zusammenfassung
• Übergang von der Agrar- zur Dienstleistungsgesellschaft• völlig neue Organisation der Arbeit im verarbeitenden
Gewerbe• Arbeitsteilung und Mechanisierung auf neuem Niveau• strategisches Zentrum: „Werkzeugmaschine“• technischer Wandel und Wirtschaftswachstum werden
zum „Tempomacher der Moderne“• Überwindung naturwüchsiger Beschränkung durch
Handarbeit• Deindustrialisierung: „Triumph der industriellen
Revolution“, die sich selber abschafft
Technischer Wandel im Maschinenwesen
• Die Mechanisierung des Spinnens• Auflösung in mechanisierte
Arbeitsprozesse• Aufschaukeln der Prozesse:
Spinnen und Weben• Die Fabrik in der Textilindustrie• Die Entwicklung der Werkzeugmaschine:
Maschinen fertigen Maschinen• Vom Holz zum Eisen: Kohle - Eisen - Stahl
als Voraussetzung für industriellen Maschinenbau
• Technischer Wandel und industrielle Kultur
„Aufschaukeln“ der textilen HauptprozesseSpinnen und Weben
Die Drehmaschine als „Verbesserungserfindung“
Verfahren zurEisen- undStahlgewinnung
Vom Roheisen zum Fluss-Stahl
DurchschnittlicheRoheisenerzeugungje Hochofen und Jahrin Rheinland/Westfalen
(Quelle: PropyläenTechnikgeschichte 1997)
AnteileVerschiedenerVerfahrenan derStahlherstellung
Die energetische Basis der großen Industrie:Wasserräder und Dampfmaschinen
• Die energetische Basis von Handwerk, Manufaktur und Industrie am Beispiel Preußen – Sachsen
• Dampfmaschine und industrielle Revolution• James Watt und die Entwicklung der
Betriebsdampfmaschine• alternativen Bauformen und
Maschinenbaustil• Der Aufstieg des sächsischen
Maschinenbaus
Die energetische Basis von Handwerk, Manufaktur und Industrie
Wind- und Wasserkraft seit dem Mittelalter als energetische Basis handwerklicher und manufakturellerProduktion
Vorherrschen der Handarbeit (plus Einsatz Tierkräfte)
Industrielle Revolution: zunächst handbetriebene Arbeitsmaschinerie („Spinning Jenny“)
mit der Massenhaftigkeit der Arbeitsmaschinerie, wachsender Baugröße und Arbeitsgeschwindigkeit wird die Nutzung von Naturkräften in großem Maßstabunabdingbar (Wasser- und Dampfenergie)
in wasserreichen Gegenden: lange Zeit Vorherrschen der Wasserkraft gegenüber dem Einsatz von Dampfmaschinen
Wasser- oder Dampfkraft Vergleich Preußen - Sachsen
Dampfkraft in Preußen:
1830: 220 PS1846/47: 21714 PS (in Industrie und Bergbau)
1830 40 % aller Dampfmaschinen im Deutschland sind im Bergbau eingesetzt
75 % aller dt. Dampfmaschinen sind in den Ländern des Zollvereins eingesetzt
Wasser- oder Dampfkraft Vergleich Preußen - Sachsen
energetische Basis in Sachsen um 1830:Pferdekraft: 38 % der GesamtantriebsenergieWasserkraft als Antrieb in:
40 % der Kamm- und Streichgarnspinnereien80 % der Baumwollspinnereien
Dampfkraft:1830 - insgesamt nur 10 Dampfmaschinen1846/47 angewachsen auf (nur) 2732 PS (9 %)
menschliche Muskelkraft: noch immer 13,5 %
Standorte und Anzahl der Wassermühlen und Dampfmaschinen
im Raum Berlin und in Sachsen /Erzgebirgsvorland um 1830
Quelle: Produktivkräfte in Deutschland 1800-1870
Anzahl der Baumwollspinnereien im Deutschen Zollverein (1846-1861)
Spindelzahl pro Spinnerei auf dem Gebiet des Deutschen Zollvereins (1846-1861)
Quelle: Produktivkräfte in Deutschland 1800-1870
Verschiebungen in den Einsatzfeldern der Dampfmaschine in Preußen (1830-1846)
Quelle: Produktivkräfte in Deutschland 1800-1870
Einsatzfelder und Kapazitäten der Dampfmaschinen in Deutschland im Jahr 1875
Quelle: Produktivkräfte in Deutschland 1800-1870
Die energetische Basis von Handwerk, Manufaktur und Industrie
Dampfmaschine: als bergbauliche Pumpmaschine entstanden, zunächst atmosphärische Balancierdampfmaschine
Betriebsdampfmaschine („Agent der großen Industrie“)- doppeltwirkende Maschine mit Geradführung- Rotationsbewegung : Planetengetriebe / Kurbelwelle- thermische Vervollkommnung : getrennter
Kondensator- Verbundmaschinen mit höheren Dampfdrücken
wird zur mobilen, standortunabhängigenAntriebsquelle
Dampfkraft und Industrielle Revolution
• Die Dampfmaschine hat die Industrielle Revolution zwar nicht ausgelöst, sie hat aber wesentlich zur Ausbreitung des modernen Fabrikbetriebes beigetragen
• Die Dampfmaschine als „Verbesserungserfindung“ist das Produkt von Generationen Handwerker, Wissenschaftler und Techniker
• Der entscheidende Durchbruch zur standortunabhängigen Betriebsdampfmaschine ist dem schottischen Erfinder James Watt (1736-1819) zu verdanken
Dampfkraft und Industrielle Revolution:der Weg zur Betriebsdampfmaschine
Zu Watts wesentlichen Verbesserungen in der konstruktiven Entwicklung einer technisch ausgereiften und wirtschaftlich leistungsfähigen Wärmekraftmaschine zählen: 1. getrennter Kondensator mit Luftpumpe2. Dampfmantel gegen Wärmeverluste3. zweiseitige Beaufschlagung des Kolbens mit
Dampf (doppeltwirkende Maschine)4. Parallelogrammführung der Kolbenstange5. Mechanismen zur Bewegungswandlung6. Fliehkraftregulator
Dampfkraft und Industrielle Revolution
• Die Dampfmaschine (erste "wissenschaftliche Maschine„) ist nicht allein auf dem Boden handwerklicher Erfahrung gewachsen; in ihren Entwicklungsprozess sind auch wissenschaftliche Kenntnisse und Methoden eingeflossen
• Die Entwicklung der Kolbendampfmaschine ist ein wechselvoller, von Rückschlägen und alternativen Wegen gekennzeichneter Prozess
• Der Siegeszug der Dampfmaschine im 19. Jh. ist in vielen Bereichen von Industrie, Verkehrswesen und Landwirtschaft abzulesen
Lebensdaten zu James Watt
1736 Am 19. Januar als Sohn eines Schiffszimmermanns in Greenock am Clyde (Schottland) geboren
1754 Lehre als Feinmechaniker in Glasgow und London1757 Universitätsmechaniker in Glasgow1763 Die Reparatur des Modells einer Newcomen-Maschine
gibt den Anstoß, sich mit dem Wirkprinzip der Dampfmaschine zu beschäftigen. Anregungen bekommt Watt in der Folgezeit auch aus dem Umfeld der „LunarSociety“, namentlich von dem Physiker J. Robison(1739-1805) und dem Chemiker J. Black (1728-1799)
1765 Erfindung des Kondensators1769 Erteilung des Patentes für den separierten Kondensator
und damit für Watts Niederdruckmaschine1773 Nachdem die Zusammenarbeit mit dem Industriellen und
Erfinder J. Roebuk (1718-1794) in einem finanziellen Fiasko endet, lernt er seinen späteren Geschäftspartner und Freund M. Boulton (1728-1809) kennen
Lebensdaten zu James Watt
1774 Gründung der ersten Dampfmaschinenfabrik der Welt „Boulton und Watt“ in Soho bei Birmingham und Herstellung des ersten Prototyps der Niederdruck-Pumpmaschine
1782 Patente zur doppeltwirkenden Betriebsdampfmaschine
1783 Die erste rotierende Maschine außerhalb Sohos wird errichtet
1784 Patent auf die Geradführung der Kolbenstange am Balancier („Wattsches Parallelogramm“)
1800 Mit Ablauf der Dampfmaschinenpatente zieht sich Watt aus der Geschäftstätigkeit zurück
1819 Am 9. August in Heathfield bei Birmingham verstorben
Arbeitsweise der atmosphärischen Dampfmaschine
Möglichkeiten der Geradführungder Kolbenstange
(Quelle: Wagenbreth/Wächtler)
mit BalancierBogensegment - NewconmenParallelogramm – WattLenker – Evans
ohne BalancierGeradführung – WattRollenkreuzkopfKreuzkopf in Gleitbahn
Entwicklung der Betriebsdampf-maschine und ihrer alternativen Bauformen(Quelle:Wagenbreth)
Balanciermaschineliegende MaschineTurmmaschineBockmaschineBügelmaschineoszillierende Maschine
Entwicklung von Platzbedarf und Zylindergröße der Kolbendampfmaschine bezogen auf die Leistung
Quelle: Wagenbreth / Wächtler 1986)
Beginn der Verwissenschaftlichung des Maschinenwesen an den polytechnischen Schulen
• Aufstieg der polytechnischen Schulen -die Pariser École Polytechnique
• Einsatz neuer Materialien und Fertigungstechniken -Grenzen empirischen Wissens im Maschinenbau
• Pioniere des wissenschaftlichen Maschinenwesens in Dresden: Schubert und Hülsse
• Weisbach-Redtenbacher-Periode: Herausbildung der modernen Maschinentheorie - Maschinenlehre als ingenieurwissenschaftliche Disziplin
• Reuleaux und Grashof: theoretische Konsolidierung und Methodenstreit
• Bach, Stodola und Riedler: das moderne technikwissenschaftliche Experimentalwesen -Maschinenlaboratorien und Materialprüfungsanstalten
Vorläufer der französischen Ingenieurausbildung
Corps des Ponts et Chaussées 1716École des Ponts et Chaussées 1747
École des Ingenieures Militaires in Mézieres 1748
École des Mines 1778
École Centrale des Travaux publics 1794
École Polytechnique in Paris 1795
Programm der École Polytechnique
- Mobilisierung der Wissenschaft für die Verteidigung der Republik
- Grundlagenausbildung für die Écoles d‘Applikation- Zusammengehörigkeit aller Zweige des technischen
Wissens (=Polytechnik)- Tragendes Curriculum: Darstellende Geometrie- Technische Zeichnung (Projektion) als „Sprache des
Ingenieurs“ zur Abbildung und Beschreibung technischer Gebilde und Verfahren
- Hauptgrundlage der Maschinelehre: technische Mechanik- Wechsel von theoretischen Studien und praktischen
Übungen- Schulung des Entwurfsdenkens (Antizipation)
Hauptzweige der technischen Mechanik und Maschinenlehre in Frankreich
1. Kinematische Maschinenlehre(Monge, L. Carnot, Hachette, Lanz/Betancourt, Dupin)
2. Molekulartheoretische (physikalische) Mechanik(Laplace, Lagrange, Poisson, Cauchy)
3. Technische Statik (Poisson)
4. Dynamisch-energetísche Maschinenlehre(Coulomb, Navier, Coriolis, Poncelet)
Hauptwerke der französischen technischen Mechanik
Poncelet: Mechanique appliquée aux machines (1826)Mechanique industrielle (1839)
Navier: Résumedes lecons…sur l‘application de la mechanique à l‘etablissement..de machines(1826)
Standorte der Schule:
Technische Bildungsanstalt
Polytechnische Schule
Polytechnikum
Johann Andreas Schubert - Werk
Kurzvita Ferdinand Redtenbacher
25.7.1809 in Steyr (Oberösterreich) geboren1820-1824 kaufmännische Lehre im Spezerei- und
Schnittwarengeschäft des Onkels1825 Technischer Zeichner bei der k.k. Baudirektion Linz1825-1829 Studium am Polytechnikum und an der Universität Wien:
Vorlesungen in Mathematik, Mechanik, Maschinenlehre, mechanische Technologie, Astronomie, Feldmesskunst und Straßenbaukunde
1829-1834 Assistent bei Johann Arzberger (Maschinenlehre)1835-1840 Lehrer und Professor für Mathematik und geometrisches
Zeichnen an der höheren Industrieschule in Zürich; Zusammenarbeit mit der Maschinenfabrik Escher & Wyss
1841-1863 Professor für Mechanik und Maschinenlehre am Polytechnikum Karlsruhe
1857-1862 Direktor des Karlsruher Polytechnikums16.4.1863 in Karlsruhe gestorben
Redtenbachers ingenieurwissenschaftliche Methode
Vorstufe: „Methode der Verhältniszahlen“ – Einführung von Koeffizienten und Verhältniszahlen in halbempirischen Näherungslösungen (praktikable Handbücher)
Fernziel: „Maschinenwissenschaft der Deduktion“, d.h. Hinführen zu theoretischen Verallgemeinerungen durch mathematische Modellbildung und Experiment
Methode: Entwicklung von Haupt- und Nebengrößen für eine vorteilhafte Maschinenkonstruktion – technisch-ökonomische Optimierung der Hauptgrößen (Leistung, Wirkungsgrad, Festigkeit) in einem System von Bedingungsgleichungen
Zulassen von Methodenvielfalt – Einbeziehung eines Reservoirs an verbalen und nichtverbalen (visuellen) Techniken bei der didaktischen Vermittlung maschinentechnischer Sachverhalte
Theorie des Zwanglaufes
Elementpaare und kinematische Ketten:
Eine geschlossene kinematische Kette, von welcher ein Glied festgestellt ist, heisseein Mechanismusoder Getriebe
Reuleaux (1875)
Kinematische Symbolsprachen
Vorgänger:- Verzeichnung von Zähnen und Wellen bei Uhrmachern- Ch. Babbage: A Method of Expressing by Signs… (1826)- R. Willis: Principles of Mechanisms (1841)
Reuleaux (1875):- Gattungs- oder Namenszeichen (Schraube S, Prisma P…)- Art- oder Formzeichen (Vollkörper +, Hohlkörper -…)- Beziehungszeichen (gleich =, parallel ||, planar 0…)
Nach 1945: J. Denavit; R. S. Hartenberg: Operationalisierung der kinematischen Synthese in modernen Matrix-Systemen
„Hochindustrialisierung“industrieller Aufstieg Deutschlands und der USA (1850-1914)
- Wandel in technischen Systemzusammenhängen -
1. Neue technische Systeme wachsen zusammen (Systemcharakter der Industrialisierung)
2. Entwicklung im Mensch-Technik-Verhältnis („Normierung“ des Menschen und der Gesellschaft)
3. Akkumulation und Verdichtung von Technik führt zu beschleunigtem technischen Wandel („Aufschaukeln“ neuer Systeme und Prinzipe)
4. Industrie erzwingt staatliche Kontrolle und Regulierung (Der Staat als Versorgungsorgan und Gesetzgeber)
5. Das Militärwesen bemächtigt sich der Industrie (Militärische Erfindungskomponente)
6. Technik weitet menschliche Handlungsspielräume aus (Expertenwissen, gesellschaftliche Stellung des Ingenieurs)
Anteil an der Weltindustrie-produktion
(nach Fischer)
(Quelle: OECD, Historical Statistics)
(Quelle: OECD, Historical Statistics)
Mechanisierung weiterer Bereiche von Technik und Produktion im 19. Jahrhundert
• Siegeszug der Dampf- und Werkzeugmaschinerie im Fabrikwesen
• Ausbau der Verkehrswege : Eisenbahn und Dampfschiffahrt, Verkehrswege- und Brückenbau
• Mechanisierung in der Landwirtschaft : Dampfpflug und Mähmaschine
• Druckerei und Kommunikation : Schnellpresse, Linotype, Telegrafie- und Telefonnetze
• Zyklopen der Technik : Ozeanriesen und Großdampfmaschine
• Mechanisierung der jungen Industrien : Nähmaschine und Fahrrad am Beginn der Massenfertigung - Einzug der Maschine in den Alltag
Neue Antriebe ausgangs des 19. Jahrhunderts
• kompakte Maschinen: Hochdruckdampfmotoren, Wasser-und Dampfturbinen (Stromerzeugung, hohe Drehzahlen)
• Gaskraftmaschinen und Verbrennungsmotoren: Kleinindustrie und erste „Motorkutschen“ (Lenoir, Langen, Otto, Benz)
• technische Realisierung des elektrodynamischen Prinzips(Siemens, Halske)
• elektrische Kraftzentralen und Fernübertragung des elektrischen Stromes (Edison), zunächst vor allem zu Beleuchtungszwecken
• Nutzung der Elektroenergie als „saubere Antriebsquelle“seit ca. 1900: vom elektrischen Gruppenantrieb zum Einzelantrieb mit Elektromotor
• Vorzüge des Dieselmotors (seit 1897): hoher Wirkungsgrad, nichtexplosiver Brennstoff, geringerer Kraftstoffverbrauch
Massenproduktion – Massenkonsum
Industrialisierung:enorme Gütervermehrung und Einkommenssteigerung
Wandel:• Entbehrung - Begehren• Mangel - Überfluß(gesellschaft)• Armut - Wohlstand(sgesellschaft)• Arbeit - Freizeit(sgesellschaft)• Produktion - Konsum(gesellschaft)
Maschineneinsatz und Arbeitsorganisation schaffen:• Massenproduktion (Economies of Scale)• Fließfertigung• Austauschbau (Standardisierung, Normierung)
Massenproduktion – Massenkonsum
Konsumverstärkung: Mode, Werbung, Verpackung
Taylorismus:• Arbeitszeitstudien• Ergonomie / Psychotechnik• Wissenschaftliche Betriebsführung• Arbeitswissenschaften
Durchschnittliches Prokopfeinkommen 1914 ($/Jahr):• USA 334• Großbritannien 243• Frankreich 185• Deutschland 146
Kriegs- und Zwischenkriegszeit 1914-1945
Krieg der Ingenieure - Technisierung des Schlachtfeldes- neue Qualität der Wechselwirkung zivile - militärische
Technik- die Industrialisierung des Tötens- die Rolle des militärisch-industriellen-(akademischen)
Komplexes- Pfadabhängigkeit von technischer Entwicklung in
Rüstung und Krieg - Kriegstechnik als zentrale Ressource
Der Erste Weltkrieg als “Urkatastrophe des 20. Jhs.”- die neue Dimension des Krieges- die Innovationssysteme des Krieges- kriegstechnische Entwicklungen
Kriegs- und Zwischenkriegszeit 1914-1945
Technik, Wissenschaft und Ingenieure im Nationalsozialismus
- eine Grundfrage: “Missbrauchsformel” oder Kollaboration / Selbstmobilisierung ?
- die Unterordnung der Wissenschaft unter Aufrüstung und Kriegswirtschaft: Autarkiebestrebungen, Entwicklung einer “Deutschen Technik” und “Gleichschaltung” der Akteure
- Wissenschaftspolitik des NS-Staates- Beispiele für die “Selbstmobilisierung” der Ingenieure- kriegstechnische Innovationen und Fehlinnovationen
Entwicklung der Mechanischen Abteilung bis 19051829 Ausbildung von praktischen Mechanikern in den Gründungsjahren
der Technischen Bildungsanstalt1835 Reform der mathematisch-mechanischen Richtung in der oberen
Abteilung1850 Schubert und Hülsse als die bedeutenden Lehrer auf dem
Gebiet des wissenschaftlichen Maschinenwesens an der Polytechnischen Schule
1851 Teilung in Sektionen des Fachstudiums - Sektion A: Maschinenbau und mechanische Technik
1865 Gründung einer eigenen Mechanisch-Technischen Abteilung1871 Die Mechanische Abteilung als Kernstück des Polytechnikums -
Ausbau der Fächer des Maschinenwesens. Die Ära Zeuner –hoher theoretischer Anspruch
1860 ff. Ausbau der Sammlungen des Maschinenwesens1880 ff. Etablierung der experimentellen Forschung im Zuge des Campus-
Ausbaus: Hartig - technologisches Experiment (dynamometrische Messungen an Maschinen); L. und E. Lewicki, Mollier - Aufbau des Maschinenlaboratoriums; Stribeck und Scheit - Aufbau der Mechanisch-Technischen Versuchsanstalt
1905 Einweihung der Neubauten der Mechanischen Abteilung in der Südvorstadt
Von der Mechanischen Abteilung zur Fakultät
1908 Maschinen-Lehrausstellung auf Betreiben des VDI
1900ff. Die Zeuner-Schule und ihre Wirkungen auf den thermischen Maschinenbau: Mollier, Leonidas undErnst Lewicki, Nusselt, Plank und Merkel
1918ff Das moderne wissenschaftliche Maschinenwesen im Zeichen der Rationalisierung der Industrie: Berndt, Sachsenberg, Nägel und KutzbachEinführung der Lehrgebiete Kraftfahrzeugtechnik (Wawrziniok), Getriebetechnik (Alt), Wärmewirtschaft (Pauer)
1939-45 Die Fakultät Maschinenwesen (Benennung 1941) im Dienst der Rüstungsforschung des NS-Staates
Von der Mechanischen Abteilung zur Fakultät1945 Neubeginn nach dem Zweiten Weltkrieg: Heidebroek
als Rektor und Dekan1946-48 Die Abteilung für Maschinenwesen in der Fakultät
für Kommunale Wirtschaft1949 Neugründung der Fakultät für Maschinenwesen -
neue Fächer, neue Namen: Lichtenheldt, Frenzel, Jante, Koloc, Faltin, Albring, Eisenkolb, Boie, Neuber
1952 ff. Herauslösung der Fakultäten für Elektrotechnik (1952), Technologie (1954) und Leichtbau (1954-1956), später Luftfahrwesen (1956) aus dem Maschinenwesen
1968 III. Hochschulreform: Auflösung der Fakultät in vier Sektionen - namhafte Hochschullehrer: Fronius, Kienast, Tränkner, Berthold, Gruner, Oehmichen, Elsner, Weigand, Richter, Schatt und andere
1989 Neugründung der Fakultät Maschinenwesen im Zuge der Hochschulerneuerung nach der Wiedervereinigung -prägende Hochschullehrer: Landgraf als Rektor und Holzweißig als Dekan
Die wissenschaftlichen Schule von G. A. Zeuner(Quelle: Krug 1981)
Wissenschaftsprofil der Zeuner-Mollier-Schule(Quelle: Krug 1981 und Kaiser 1996)