6.10. Понятие о теориях подобия

Ориентировочное время чтения: 12 мин.
 
Ссылка на статью будет выслана вам на E-mail:
Введите ваш E-mail:

 

В практической деятельности — в создании новой техники, в организации управления теми или иными процессами — типичны ситуации, в которых по параметрам какой-то одной замкнутой системы надо судить о процессах и параметрах какой-то другой замкнутой системы, которая от первой может отличаться:

  • либо своими размерами при однокачественности природы обеих систем (т.е. при однокачественности физических носителей процессов в обеих системах и во внешней среде),
  • либо природой.

И то и другое нуждается в пояснении.

Что касается различий однокачественных по своей природе систем, то жизнь полна так называемых «масштабных эффектов».

Масштабные эффекты проявляются в том, что при изменении всех или только некоторых размеров однокачественных по своей природе систем — значения параметров, характеризующих процессы в самой системе и во взаимодействии её со средой, изменяются не пропорционально масштабу изменения соответствующих размеров исходной системы[1].

При этом изменение исходных размеров системы может сопровождаться изменением каких-то параметров, характеризующих поведение новой системы, как в большую, так и в меньшую сторону. В некоторых случаях плавный переход по шкале масштаба к иным размерам системы может сопровождаться ступенчатым увеличением либо уменьшением параметров, характеризующих её поведение. В других случаях какие-то параметры, характеризующие поведение системы, оказываются безразличными к изменению масштаба по отношению к исходным размерам. Всё это в природе обусловлено тем, что подавляющее большинство параметров, которыми характеризуется система и её поведение, обусловлены не одним, а множеством факторов (т.е. в математических моделях большинство параметров — функции не одного, а многих аргументов, причём функции нелинейные), каждый из которых по разному влияет на изменение характеристических параметров системы при переходе к иным размерам системы.

Наличие масштабных эффектов в жизни при оценке однокачественных систем и процессов, протекающих в них и с ними связанных внешних процессов, приводит к вопросу о том: Как пересчитать характеристики одной системы, процессов в ней и с нею связанных внешних процессов к масштабу другой системы, обладающей иными размерами, для того, чтобы можно было судить о достоинствах и недостатках, о соответствии каждой из систем задачам, на неё возлагаемым, о качестве управления (решения) этих задач каждой из сопоставляемых друг с другом систем?

Нахождение ответа на этот вопрос в каждой прикладной отрасли деятельности, в которой он встаёт, — одна из задач соответствующей теории подобия.

Но это — не единственная задача теории подобия. Например, известно, что одними и теми же математическими моделями с приемлемой для практики точностью могут быть описаны процессы, имеющие разную природу. В терминологии триединства материи-информации-ме­ры это означает, что процессы, аналогичные друг другу по своим информационно-алгорит­ми­ческим характеристикам, опираются на разные по своей природе материальные носители.

При этом оказывается, что хотя люди могут построить математические модели тех или иных процессов, но достигнутый уровень развития математики и вычислительных средств позволяет решить далеко не все задачи, которые можно поставить. Тем не менее, свойство информационно-алго­рит­ми­чес­кой аналогичности процессов, протекающих на разных материальных носителях, в случаях, когда выявлена такого рода аналогичность, позволяет не решать задачи методами математики или путём экспериментирования на моделях, идентичных по своему материальному носителю интересующему нас объекту, а построить модель-аналог на основе иных материальных носителей и решать задачи на её основе.

В 1940‑е — 1950‑е гг. этот подход в истории развития техники выразился в создании так называемых «аналоговых вычислительных машин», которые однако ничего не вычисляли, а моделировали на основе протекающих в них процессов, какие-то иные процессы.

Так было выявлено, что дифференциальные уравнения, описывающие динамику самолёта в полёте, могут быть идентичны уравнениям, описывающим процессы в электронных схемах. В тот период времени не было вычислительных средств для того, чтобы решать такие математические задачи с приемлемой для практики точностью, но была возможность построения электронных схем, процессы в которых по своим информационно-алгоритмическим характеристикам были аналогичны параметрам, характеризующим динамику самолёта в полёте. И многие задачи по обеспечению желательной управляемости летательных аппаратов в ходе проектирования новой авиационной техники были решены на основе создания и варьирования параметров динамически подобных летательным аппаратам электронных схем, на которых и проводились эксперименты по моделированию управляемости будущих летательных аппаратов.

Соответственно тому, что показано на этом примере, вторая задача построения теорий подобия — определять, какие процессы, разнокачественные по природе их материальных носителей, могут быть уподоблены друг другу в аспекте информационно-алгоритмической аналогичности, и соответственно — как соотнести друг с другом реальные параметры, характеризующие физически различные процессы, и значения этих параметров, свойственные модели и объекту.

Т.е. теория подобия — не некий атрибут ДОТУ, обладающий универсальностью своего применения в решении любых практических задач, а один из возможных подразделов всякой прикладной отрасли Науки. Теорий подобия, ориентированных на решение проблем соответствующих отраслей практической деятельности, в научной субкультуре человечества может быть множество — по числу отраслей, в которых востребованы решения задач теории подобия.

Благодаря тому, что в авиации и судостроении развиты соответствующие потребностям этих отраслей теории подобия, в целом успешно решаются задачи выбора и оптимизации аэро- и гидродинамической компоновки летательных аппаратов и кораблей, выявляются и разрешаются проблемы обеспечения их прочности в процессе эксплуатации.

Тем не менее, есть и некоторые общие принципы, которые выражаются в теориях подобия, развитых в составе прикладных отраслей науки, включая достаточно общую теорию управления в её приложениях.

Поскольку понятие о времени и его измерение связано с выбором эталонной частоты, то в качестве эталонных частот могут быть взяты и собственные частоты колебаний объектов управления, замкнутых систем, процессов взаимодействия замкнутых систем и окружающей среды. Это приводит к понятию динамических подобных (частично или полностью) объектов, систем и процессов, для которых процессы (балансировочные режимы и манёвры), отнесённые ко времени, основанном на сходственных собственных частотах, в некотором смысле идентичны. Сопровождение слова «иден­­тичность» эпитетом «некоторая» обусловлено тем, что подобие может осуществляться на разных физических носителях информационно-алго­рит­ми­ческих процессов (управления), на разных уподоблениях друг другу параметров подобных систем.

Уподобление — обезразмеривание, т.е. лишение реальных физических и информационных параметров их размерности (метров, килограммов, секунд и т.п.) отнесением их к каким-либо значениям характеристик замкнутой системы и среды, обладающим той же размерностью (метрами, килограммами, секундами и т.п.). В результате появляются безразмерные единицы измерения сходственных в некотором смысле параметров у сопоставляемых замкнутых систем, одинаково характерные для каждой из них вне зависимости от того, на каких материальных носителях они реализованы. Это свойство общевселенской меры лежит в основе моделирования на одних физических носителях процессов, реально протекающих на других физических носителях (аналоговые вычислительные машины); и в основе информационного (чисто теоретического) моделирования, в котором важна информационная модель, а её физический носитель интереса вообще не представляет (любой алгоритм, предписывающий какую-либо последовательность действий, по своему существу независим от его материального носителя).

Анализ течения подобного моделирующего процесса может протекать в более высокочастотном диапазоне, чем течение реального подобного моделируемого процесса: это даёт возможность заглянуть в будущие варианты развития моделируемого процесса, что является основой решения задач управления вообще и задачи о предсказуемости поведения, в частности.

Примеры такого рода моделирования, как уже было сказано выше, — все аэродинамические и прочностные эксперименты и расчёты в авиации, судостроении и космонавтике.

Моделирование высокочастотного процесса в низкочастотном диапазоне позволяет отследить причинно-следственные связи, которые обычно ускользают от наблюдателя при взгляде на скоротечный реальный процесс. Примером такого рода является скоростная и сверхскоростная киносъемка (более 105 кадров в секунду) и замедленная (по сравнению с реальностью) проекция ленты, что позволяет решать многие технические и биологические (медицинские) проблемы.

Все теории подобия отвечают на вопрос: На какие комбинации параметров необходимо умножить каждую из характеристик одного объекта для того, чтобы его характеристики можно было сопоставить с аналогичными характеристиками другого объекта, обладающего иными размерами или же реализованного на иных физических носителях.

Многие проблемы в жизни общества неразрешимы вследствие неразвитости в тех отраслях науки, которые претендуют на работу с ними, адекватных теорий подобия.

Примером тому — экономическая наука современной цивилизации, которая при колоссальном расходовании природных и трудовых ресурсов не в состоянии обеспечить благоденствие всех, кто согласен честно своей трудовой деятельностью поддерживать жизнь общества и цивилизации в целом. Это обстоятельство — объективный показатель неадекватности так называемой «экономической науки» реально протекающим экономическим процессам и потребностям подавляющего большинства людей.

 

[1] Как шутят те, кто знаком с проблематикой построения магнито-гидродинамических электрогенераторов, реализующих процесс прямого преобразования тепловой и кинетической энергии плазмы или иной электропроводящей среды в электрическую энергию: уменьшенная модель МГД-генератора — увеличенная модель его недостатков.

Пояснение. Если поток электропроводящей среды оказывается в магнитном поле, то возникает электродвижущая сила — ЭДС (например в струе пламени между противоположными полюсами магнитов возникает ЭДС). Это широко известное положение физики. При реализации этого принципа в МГД-генераторе не нужен двигатель, который вращает вал ротора обычного электрогенератора, не нужен сам обычный электрогенератор с обмотками ротора и статора. Вопрос только в том, как реализовать возникающую таким путём электродвижущую силу в техническом устройстве.

Конфликт желаний и возможностей состоит в следующем: чем горячее поток плазмы на входе и чем её больше — тем МГД-генератор мощнее и эффективнее, но, чем горячее плазма, — тем сложнее защитить МГД-генератор и его узлы от перегрева и разрушения; а в малых установках — мало плазмы, она быстро отдаёт тепловую энергию в окружающую среду, не успевая породить большую ЭДС, КПД и мощность установка оказываются настолько малыми, что говорить о промышленном применении не приходится.