3.1. Сутність методу моделювання

unnamed.pngМодель — це представлення реального об'єкта, системи або поняття у вигляді, що відрізняється від його реального  стану існування. Модель є джерелом інформації про об'єкт і допомагає пояснити, зрозуміти або вдосконалити цей об'єкт. Модель може бути точною копією об'єкта (хоч виконана з іншого  матеріалу та в іншому масштабі) або відображати  деякі характерні властивості об'єкта в абстрактній формі.

Інколи думають, що використання моделей почалось недавно. Але само по собі моделювання не є новиною. Створення моделей відігравало важливу роль у духовній діяльності людства з тих часів, коли воно спробувало зрозуміти і змінити довкілля. Люди завжди використовували концепцію моделі, намагаючись з її допомогою відтворити абстрактні ідеї й реальні об'єкти.

Моделювання охоплює широкий діапазон аспектів людського спілкування — від наскального живопису і спорудження ідолів до складання систем складних математичних рівнянь, що описують політ ракети у космічному просторі. При цьому головним є те, що подібність між об'єктом і моделлю суттєва, а різниця — несуттєва.

Дати повний перелік усіх  функцій моделі складно, але п'ять основних варто відзначити:

— усвідомлення дійсності;

— спілкування;

— навчання і тренування;

— інструмент для прогнозування;

— здійснення експериментів.

Доцільність моделі як засобу усвідомлення реальних зв'язків і закономірностей очевидна: вона допомагає упорядковувати нечіткі й суперечливі поняття.   Як засіб спілкування добре продумана модель не має собі рівних. Цю функцію моделі найкраще підтверджує народне прислів'я: "Краще один раз побачити, ніж сто раз почути". Переваги моделі перед словесним описом полягають у стислості й точності відображення справжньої ситуації. У техніці моделі служать для проектування нових досконаліших систем та вивчення їх основних функцій, властивостей, зв'язків.

Моделі взагалі можна класифікувати за різними ознаками. Назвемо деякі типові групи моделей, які можна покласти в основу системи класифікації:

— статичні та динамічні;

— детерміновані й стохастичні;

— дискретні та безперервні;

— натурні, аналогові, символічні.

Моделі зручно розглядати у вигляді безперервного спектра, який починається від точних моделей чи макетів до повністю абстрактних математичних рівнянь.

За способом відображення реальних явищ, які відбуваються в об'єкті моделювання поділяються на:

— фізичне, що тільки зберігає фізичну природу явища;

— математичне, основою якого є відповідність рівнянь, які описують процеси моделі, реаліям досліджуваного явища;

— геометричне, за якого відображаються тільки зовнішні форми.

Фізична модель — це зменшена (або збільшена) і спрощена копія реального об'єкта, виконана в заданому масштабі. Усі спрощення обґрунтовуються у вигляді припущень. Розмірні співвідношення між моделлю і об'єктом встановлюються відповідно до теорії подібності за критеріями подібності.

Для прикладу наведемо  фізичну модель, що відображає процес механічних коливань фундаменту кістко дробильної мащини (рис. 3.1).

Процес фізичного моделювання зводиться до експериментального вивчення фізичної моделі шляхом вимірювання коливань фундаменту під час зміни режимів роботи машини. За результатами такого моделювання можна прогнозувати поведінку реального об'єкта у різних ситуаціях.

Математичну модель коливань фундаменту кістко дробильної машини  запишемо у  вигляді диференціального рівняння:

          image001.jpg                                  (3.1)

де т — маса фундаменту та пилорами; г — величина переміщення фундаменту пилорами у вертикальній площині; 8г — коефіцієнт, що характеризує демпфуючі властивості ґрунту; кг — коефіцієнт, що характеризує жорсткість ґрунту; Я(і)  — сила, що збурює коливання (функція від часу).

image003.jpg

Рис. 3.1. Фізична модель встановлення пилорами на фундаменті: 1 — гідравлічний демпфер; 2 — ножовий диск, що збурює коливання змінною силою Я{і); 3   фундамент масою т; 4 — пружини.

 

Аналогова модель — це пристрій, в якому відбуваються фізичні явища, що мають однаковий з реальним об'єктом математичний опис, але різну фізичну природу. Для прикладу кісткодробильного версстата аналогова математична модель може бути створена у вигляді коливного контура (рис. 3.2), в якому відбуваються електричні коливання, аналогічні механічним. Таке моделювання краще виконувати за допомогою аналогових обчислювальних машин.       

image006.jpg

Рис. 3.2. Аналогова модель у вигляді коливного контуру.

 

У цій моделі роль маси виконує індуктивність котушки, а роль демпфера — активний опір. Жорсткість ґрунту моделюється ємністю конденсатора. При зміні електрорушійної сили ця модель аналогічна фізичній моделі, зображеній на рис. 3.1.

Кожен вид моделювання має свої переваги і недоліки. Фізичне моделювання вимагає виготовлення дорогих експериментальних установок, оснащення їх приладами, затрат на матеріали, енергію тощо. Аналогове моделювання дещо зменшує витрати і скорочує час на створення і випробування. Математичне моделювання дозволяє зменшити  затрати і знаходити оптимальні розв'язки.

На практиці науковці часто поєднують різні види моделювання з метою  зменшення затрат і одержання адекватних розв'язків  поставленої задачі.

unnamed.png