Система в самом общем виде может рассматриваться как множество элементов, находящихся в отношениях и связях друг с другом. Они образуют определенную целостность, единство. При изучении и описании системы в ходе становления научного знания сформировалось два подхода.

Первый, редукционистский подход, согласно которому свойства целого объясняются свойством частного, то есть характеристики целого полностью определяются некоторой суммой характеристик его элементарных составляющих. Редукционистская парадигма естествознания, берущая начало от Платона, нашла успешное воплощение в научном методе Галилея, который был затем обоснован и принципиально развит Ньютоном. Наконец он использован в выдающихся теориях механики, в частности, в работах Лагранжа и Гамильтона. Именно такой подход позволил создать современные технологии и машины, разработать методы их анализа и синтеза. Фундаментальными понятиями в редукционистской картине мира является материя и ее движение. Использование этой парадигмы основано на расчленении, как отмечает О. Тоффлер, «…целого на части, а именно в разложении целого на мельчайшие компоненты». И это «позволяет нам пренебречь сложными взаимосвязями между интересующей нас проблемой и прочей частью Вселенной». Если рассматривать машину, как единую систему, то такой подход позволяет расчленить машину на отдельные элементы, например, выделить в машине узел трения. В дальнейшем свойства этого узла анализировать независимо, например, на машине трения. Таким образом, все узлы трения, работающие в разных машинах и узлах машины должны описываться одними и теми же закономерностями. «В частном отображается целое». Поэтому изучение частного позволяет судить о свойствах целого.

Второй, берущий начало в работах Аристотеля, утверждает, что целое важнее его составляющих. Это так называемый холистический, то есть глобальный, подход к анализу и синтезу системы в целом. Этот подход уделяет большое внимание связям и взаимодействию между частями целого как некоторой системы. Благодаря свойствам связей целое лишь частично содержит свойства взаимодействующих подсистем. Именно взаимодействия подсистем, осуществляющееся через связи, как правило, нелинейные, могут принципиально изменять свойства системы в целом. Причем, свойства связей являются информационными, в нашем представлении это означает, что имеется некоторое математическое описание свойств взаимодействия подсистем. Таким образом, целое, лишь частично зависит от свойств расчлененных подсистем, но и существенно отличается от свойств его элементов. Причем, их отличие определяется законами взаимодействия между подсистемами, изменяющими свойства системы в целом. Причем, законы взаимодействия обладают свойством эволюционной изменчивости.

Не смотря на то, что первый подход до второй половины ХХ века занимал господствующее положение, многие направления биологии, техники, экономики и пр. пришли к кризисному состоянию, так как не могла объяснить с редукционистских позиций многие явления, имеющие системную природу. Нас, прежде всего, интересуют проблемы техникознания, а техническое устройство второй половины ХХ века уже представляло сложную управляемую систему, в которой, как правило, дополнительно анализируются не только силовые, тепловые и другие потоки, но и информационные, например, в задачах мониторинга состояния. Возникли проблемы анализа машины как единой управляемой системы, в которой свойства взаимодействия между подсистемами становятся принципиально важными. В связи с этим сформировались две науки: вначале кибернетика, а затем синергетика, или ее техническое приложение – синергетическая теория управления. Кибернетика изучает общие законы управления системой, независимо от ее природы. Это технические, искусственно созданные системы, это физические и химические системы, наконец, это системы живых организмов, это системы социальные и пр. Синергетика изучает законы взаимодействия подсистем и на основе этого рассматривает законы эволюции и самоорганизации.

Следуя синергетической парадигме, отметим, что для описания взаимодействия необходимо рассматривать обмен между подсистемами энергии, вещества, информации и др. При анализе таких систем И.Пригожин ввел понятие открытых систем, то есть таких физических систем, через которые могут протекать потоки энергии и энтропии. Открытые, не изолированные системы, взаимодействуют со средой (средами). При достаточно больших потоках в таких системах могут возникать явления нелинейной самоорганизации. Причем, системы должны находиться вдали от состояния равновесия, то есть через границу раздела система – среда должен постоянно проходить поток энергии. Именно неравновесное в термодинамическом плане состояние вызывает приток энергии в область взаимодействия система – среда. В этом случае за счет нелинейности описания взаимодействий в открытой системе формируются диссипативные структуры, а система в целом начинает обладать эволюционными свойствами. Причем эволюционирует система, как правило, в направлении рационального взаимодействия со средой, например, в направлении минимизации энергетических потерь в области взаимодействия.

Указанные свойства справедливы для любой системы: физической, химической, биологической, экономической, социальной. Таким образом, - это общесистемные свойства. Анализ эволюционных преобразований в таких системах позволил выявить удивительные, никак не вытекающие из редукционистского подхода, свойства. Во-первых, развитие системы существует в окрестности некоторого аттрактора, область притяжения которого ограничена и характеризует некоторую ограниченную трубку фазовых траекторий. Причем, таких аттракторов может быть множество. Поэтому существует множество не предсказуемых траекторий эволюции системы. Однако, после точки бифуркаций, при выходе траекторий на некоторый аттрактор, дальнейшее развитие системы вполне предсказуемо до очередной точки бифуркаций. Причем, предсказание эволюции возможно для координат в пространстве состояния, находящихся в пределах области притяжения аттрактора. Во-вторых, в таких системах, динамика которых описывается детерминированными уравнениями, возможно образование странных (хаотических) аттракторов, обладающих удивительными свойствами (нецелая фрактальная размерность, ограниченность в фазовом пространстве, монотонное удаление друг от друга двух траекторий с близкими начальными условиями и одновременная ограниченность их расположения в фазовом пространстве и пр.). Таким образом, в детерминированной системе формируются стационарные многообразия по своим свойствам, близкие к хаосу. Наконец, для реальных природных, технических, социальных систем и пр., то есть систем любой природы, характерно забывание начальных условий после выхода траекторий на соответствующий аттрактор и, как следствие, понижение порядка дифференциальных уравнений, описывающих динамику. Это свойство характерно для диссипативных систем, у которых по мере движения имеет место уменьшение фазового объема траекторий, то есть они неизменно двигаются по направлению некоторых притягивающих многообразий, имея различные начальные состояния. Такие системы не являются обратимыми (изменение знака времени не позволяет восстановить траекторию). Именно необратимость в таких системах является источником изменения, в том числе связанного с уменьшением энтропии состояния.

Ниже будут рассматриваться механические управляемые системы ограниченного класса, относящегося к обработке материалов резанием на металлорежущем станке. Этот класс является лишь примером, в котором проявляются общесистемные свойства, относящиеся к механическим системам практически любого назначения. Главной особенностью металлорежущего станка, вытекающей из его функциональных назначений, является процесс обработки. Одновременно процесс обработки можно рассматривать как некоторую среду, с которой взаимодействуют подсистемы со стороны режущего инструмента и обрабатываемой заготовки. То есть рассматриваемые подсистемы по отношению к процессу обработки являются открытыми. Свойства взаимодействия подсистем с процессом обработки можно математически описать, если представить силы взаимодействия в координатах пространства состояния всех подсистем (координат, описывающих движения инструмента (инструментов) и заготовки). Подчеркнем, что в механике, начиная с Ньютона, всякое взаимодействие моделируется через силы. Вместе с тем, процесс резания является типично диссипативным процессом. Все физические явления, сопутствующие процессу обработки, сопровождаются необратимыми преобразованиями энергии механической системы. Эти преобразования поддерживаются большими энергетическими потерями, а точнее большим уровнем энергии механической системы, которая преобразуется в зоне резания в другие виды. Здесь уместно подчеркнуть, что энергия не исчезает, она может переходить из одного вида в другой.

Вновь вернемся к редукционистской парадигме современной механики. Она базируется на законах обратимости. Все законы и выдающиеся достижения механики от Галилея - Ньютона до Лагранжа – Гамильтона основаны на парадигме обратимости. Более того, необратимость противоречит этим законам, так как требует раскрытия преобразования энергии механической системы в другие виды. Во- первых, возникает вопрос в какую энергию. Обычно рассматривается вопрос преобразования энергии механической системы во внутреннюю энергию, то есть в производство тепла. Однако этого при рассмотрении, например, процесса обработки резанием недостаточно. Во-вторых, не ясен механизм преобразования. По-видимому, поэтому при необходимости учета диссипативных потерь в уравнения систем силовым образом вводятся диссипативные функции, которые оцениваются на основе экспериментальных результатов. Это, прежде всего, диссипативная функция Релея, позволяющая наиболее просто в линейном приближении описывать, например процессы затухания колебаний в линейном колебательном контуре. Существуют и другие формы введения свойств диссипации в динамическую систему. В связи с этим приведем слова И.Пригожина. «От каких предпосылок классической науки удалось избавиться современной науке? Как правило, от тех, которые были сосредоточены вокруг основополагающего тезиса, согласно которому на определенном уровне мир устроен просто и подчиняется обратимым во времени фундаментальным законам. Подобная точка зрения представляется нам сегодня чрезвычайным упрощением…Мы обнаружили, что в природе существенную роль играет далеко не иллюзорная, а вполне реальная необратимость, лежащая в основе большинства процессов самоорганизации». Подчеркнём, что необратимость никак не вытекает из законов механики Ньютона-Лагранжа-Гамильтона. Для описания поглощения энергии она вводится искусственно. Поэтому на основе парадигмы классической механики никак не объяснимы такие явления как эволюция связей в сопряжении система – среда. На основе законов классической механики не объяснимо формирование различных многообразий в окрестностях стационарных траекторий эволюционирующей системы и пр.

Приведенный чрезвычайно короткий обзор системного подхода в науке определяет новые проблемы, стоящие перед анализом и синтезом сложных технических систем. Заметим, что практически любая современная машина является сложной системой, в которой через различные среды (аэродинамическую, гидродинамическую, трибологическую, технологическую и пр.) взаимодействуют подсистемы. Г.Хакен назвал синергетику как науку о взаимодействииях. Поэтому чрезвычайно важной проблемой, стоящей перед наукой о сложных системах является раскрытие законов взаимодействия между подсистемами и на основе этого изучение новых, не специфичных для подсистем свойств. Эти законы не могут описываться в парадигме классической механики Ньютона-Лагранжа-Гамильтона. Имеется много причин, позволяющих высказать это утверждение. Например, зависимость законов взаимодействия от потоков энергии, проходящих через сопряжение система - среда. Во всех случаях через узлы сопряжения система – среда протекают большие потоки энергии, изменяющие свойства сопряжений, и, следовательно, законов взаимодействия. Поэтому текущие взаимодействия подсистем изменяются в ходе функционирования, формируя сложную динамическую перестройку системы в целом. Именно за счет эволюционно изменяющихся законов взаимодействия подсистем изменяются свойства системы в целом. Типичным примером эволюционного изменения связей в системе является связь, формируемая процессом трения. В частности, явления самоорганизации, заключающиеся в формировании избирательного переноса в узле трения, приводящие к эффекту безизносности.

Настоящий обзор посвящен анализу и синтезу управляемой динамической системы процесса резания в ходе ее эволюционных преобразований. Поэтому, прежде всего, проанализируем содержание понятия система процесса резания.