Анализ размерностей его возможности и ограничения. Анализ размерностей и метод аналогий

09.01.2024

В статье рассмотрена теория метода размерностей и применение данного метода в физике. Уточнено определение метода размерностей. Перечислены возможности данного метода. С помощью теории размерности можно получить особенно ценные выводы при рассмотрении таких явлений, которые зависят от большого количества параметров, но при этом так, что некоторые из этих параметров в известных случаях становятся несущественными. В рассматриваемом методе искомая закономерность может быть представлена в виде произведения степенных функций физических величин, от которых зависит искомая характеристика. Метод теории размерности играет особенно большую роль при моделировании различных явлений. Таким образом, целью анализа размерностей является получение некоторых сведений о соотношениях, существующих между измеримыми величинами, связанными различными явлениями.

размерность

метод размерностей

физическая величина

1. Алексеевнина А.К. От физических понятий к культуре речи // Фундаментальные исследования. – 2014. – № 6-4. – С. 807-811.

2. Брук Ю.М., Стасенко А.Л. Как физики делают оценки – метод размерностей и порядки физических величин // Сб. «О современной физике – учителю», изд. «Знание», Москва, 1975. – С. 54–131.

3. Власов А.Д., Мурин Б.П. Единицы физических величин в науке и технике. – М.: Энергоатомиздат, 1990. – 27 с.

Ежедневно мы сталкиваемся с различными измерениями. Чтобы не опаздывать, мы устанавливаем будильник (фиксируем время), следим за культурой своего питания (взвешиваем продукты, считаем калории). Единицы измерения всем знакомы, например, скорость движения измеряется в м/c в системе СИ, а в другой - км/час. Единицы измерения придуманы людьми, исторически это связано с развитием социума, научно-технического процесса, торговли и т.д.

В науке закономерности, то есть уравнения связи одних физических величин с другими, необходимо анализировать не с помощью единиц, которые полностью зависят от человека, а с помощью каких-то других понятий, независимых от человека. Поскольку и сами природные закономерности от человека не зависят.

Уравнения связи физических величин анализируют не с помощью единиц измерения, а с помощью каких-то других понятий, однозначных для одной и той же величины. С этой целью и введено понятие «размерности». Размерность - это выражение (без числовых коэффициентов), зависимости величины от основных величин системы, в виде произведения степеней сомножителей, соответствующих основным величинам. Каждой размерности придуман свой символ обозначения, и порядок их расположения строго регламентировано. Например, объем любого тела обозначаться L3, скорость механического движения тела - LT-1 .

Тот факт, что физические соотношения имеют скалярный, векторный или тензорный характер, отражает свойство инвариантности физических законов относительно системы координат.

С другой стороны, для того, чтобы задать значения какой-либо физической величины, необходимо задать единицы ее измерения, и, вообще говоря, систему единиц измерения. Очевидно, что смысл физических соотношений не должен зависеть от выбора системы единиц измерений.

При этом нет необходимости для каждой физической величины задавать строго особую единицу измерения, т.к. физические определения и соотношения позволяют выражать размерности одних физических величин через другие.

Например, определение скорости позволяет выразить размерность скорости v = ds/dt через размерности перемещения ds и времени dt.

В любой системе единиц вводятся основные единицы измерения. Они вводятся из опыта с помощью эталонов. Например, в СИ основными считаются метр, секунда, килограмм, Ампер, Кельвин, моль, кандела.

Выражение произвольной единицы измерения через основные единицы измерения называется размерностью. Для каждой основной величины вводится обозначение: L - длина, М - масса, Т-время и т.д.

Любая произвольная размерность обозначается квадратными скобками от соответствующей величины. Например, [v] - размерность скорости, [Е] - размерность энергии и т.д.

Формула размерности. В теории размерности доказывается, что размерность любой величины представляет собой степенные одночлены вида [N] = LlTtMm... и называется формулой размерности. Иногда в формулах размерности используют не символы основных величин, а их единиц измерения [v] = мс-1, [Е] = кг м2с2 и т.д.

Метод размерностей - одно из самых интересных методов расчета. Суть его заключается в возможности восстанавливать различные соотношения между физическими величинами. Достоинства: быстрая оценка масштабов исследуемых явлений; получение качественных и функциональных зависимостей; восстановление забытых формул на экзаменах, ЕГЭ. А так же специальные задания с использованием метода размерностей, способствует развитию мышления и культуры речи .

В основе метода размерностей лежит составление перечня существенных физических величин, определяющих процесс в данной задаче. Это возможно сделать лишь при сознательном и глубоком понимании, а также при исследовательском, творческом подходе к разбору физической ситуации. Это означает, что использование метода размерностей способствует развития мышления учащихся на уроках физики. Большинство задач школьного курса физики относительно просты с точки зрения рассматриваемого метода, это значительно облегчает его использование в обучении.

Рассмотрим некоторые достоинства и приложения метода размерностей:

Быстрая оценка масштабов исследуемых явлений;

Получение качественных и функциональных зависимостей;

Восстановление забытых формул на экзаменах;

Выполнение некоторых заданий ЕГЭ;

Осуществление проверки правильности решения задач.

Метод размерностей является распространенным и относительно простым методом современной физической науки. Он позволяет с меньшими затратами сил и времени проверить:

1) правильность решения задачи;

2) установить функциональную зависимость между физическими величинами, характеризующими данный процесс;

3) оценить ожидаемый численный результат. Кроме того, учитель физики имеет возможность:

а) опросить за урок большее число учащихся;

б) выяснить знание формул и единиц измерения физических величин;

в) сэкономить время при объяснении нового материала. Использование метода размерностей на учебных занятиях будет стимулировать более углубленное изучение предмета, расширит кругозор учащихся, усилит меж предметную связь.

В физике имеется одна чрезвычайно полезная математическая процедура, называемая анализом размерностей.

Для правильной постановки и обработки экспериментов, результаты которых позволяли бы установить общие закономерности и могли бы быть приложенными к случаям, в которых эксперимент не проводился непосредственно, необходимо вникать в сущность изучаемого вопроса и давать общий качественный анализ.

Возможность такого предварительного качественно-теоретического анализа и выбора системы определяющих безразмерных величин и дает теория размерности, которая приносит много пользы и в теории, и в практике. Все результаты, добываемые с помощью этой теории, получаются всегда очень просто, элементарно и почти без всякого труда. Но применение этой теории к новым задачам требует опыта и понимания сущности явления.

Всякое уравнение в физике выражает соотношение, объективно существующее в природе, независимо от воли того, кто это уравнение пишет. И, конечно, обе части уравнения должны выражаться величинами, измеряемыми в одних и тех же единицах.

Анализ размерностей широко применяется в физике для анализа уравнений, которые бывают не так просты, как F = ma, и в отношении которых присутствует сомнение, верны ли они. Если бы степени хотя бы одной размерности не совпали, то это означало бы стопроцентную гарантию того, что уравнение неверно .

При решении задач, а соответственно и тестов большое значение имеет контроль по установлению размерностей величин входящих в качестве слагаемых в расчетные формулы. Вполне очевидно, что выражение типа «3м-2кг» не имеет смысла, поэтому если в результате решения появляются слагаемые, имеющие разную размерность, то это явный признак того, что была допущена ошибка (чаше всего она носит арифметический характер). Понимая это, необходимо периодически при решении теста или задачи прибегать к анализу размерности.

Польза от применения размерностей не ограничивается процедурой анализа размерностей. Также метод размерностей используется при систематизации физических величин.

Следует только помнить, что размерность при систематизации физических величин - это всё же понятие вспомогательное. Оно помогает решать проблему, но решить проблему не возможно только с помощью размерностей. Да и стремиться к такому подходу вряд ли стоит. Проблему систематизации физических величин решает только сравнение определяющих уравнений, а применение размерностей придает этому решению определенную наглядность.

В свою очередь, физические величины могут быть размерными и безразмерными. Величины, численное значение которых зависит от принятых масштабов, то есть от системы единиц измерения, называются размерными или именованными величинами, например: длина, время, сила, энергия, момент силы и т. д. Величины, численное значение которых не зависит от применяемой системы единиц измерения, называются безразмерными или отвлеченными величинами, например: отношение двух длин, отношение квадрата длины к площади, отношение энергии к моменту силы и др. Это понятие является условным, и поэтому некоторые величины можно рассматривать в одних случаях как размерные, а в других - как безразмерные.

Различные физические величины связаны между собой определенными соотношениями. Поэтому если некоторые из них принять за основные и установить для них какие-то единицы измерения, то единицы измерения остальных величин будут определенным образом выражаться через единицы измерения основных величин. Принятые для основных величин единицы измерения называются основными или первичными, а остальные - производными или вторичными.

В настоящее время большим распространением пользуются физическая и техническая системы единиц измерения. В физической системе за основные единицы измерения приняты сантиметр, грамм-масса и секунда (система CGS),

Метод размерностей работает в очень широком диапазоне порядков величин, он позволяет оценивать размеры Вселенной и характеристики атомного ядра, проникать внутрь звезд и находить ошибки у писателей - фантастов, изучать волны на поверхности лужи и подсчитывать количество взрывчатки при строительстве туннелей в горах.

Основная польза теории размерностей связана с возможностью изучения физических закономерностей в безразмерном виде, не зависящим от выбора систем единиц измерения. Результаты анализа проблемы в безразмерном виде применимы сразу к целому классу явлений.

Суммируя все вышеизложенное, сделаем следующие выводы:

1. Метод размерностей может быть использован в случае, если искомая величина может быть представлена в виде степенной функции.

2. Метод размерностей позволяет качественно решить задачу и получить ответ с точностью до числового коэффициента

3. В некоторых случаях метод размерностей является единственным способом решить задачу и хотя бы оценить ответ.

4. Решение задач методом размерностей является дополнительным или вспомогательным методом, позволяющим лучше понять взаимодействие величин, их влияние друг на друга.

5. Метод размерностей очень прост в математическом отношении.

Данный метод требует особого внимания. Более конкретного и детального изучения, с целью внедрения данного метода в школьный курс физики, для осознанного и целенаправленного использования метода размерности при решении поставленных задач перед учащимися.

Библиографическая ссылка

Полунина М.М., Маркова Н.А. МЕТОД РАЗМЕРНОСТЕЙ В ФИЗИКЕ // Международный студенческий научный вестник. – 2017. – № 4-5.;
URL: http://eduherald.ru/ru/article/view?id=17494 (дата обращения: 05.01.2020). Предлагаем вашему вниманию журналы, издающиеся в издательстве «Академия Естествознания»

С ПРАВДОПОДОБНЫМИ РАССУЖДЕНИЯМИ «ОТ КОНЦА К НАЧАЛУ» ПРИ ОЦЕНКЕ ФАКТОРОВ ТЕХНОЛОГИЧЕСКОГО ПРОЦЕССА

Общие сведения о методе анализа размерностей

При изучении механических явлений вводится ряд понятий, например энергия, скорость, напряжение и т. п., которые характеризуют рассматриваемое явление и могут быть заданы и определены с помощью числа. Все вопросы о движении и о равновесии формулируются как задачи об определении некоторых функций и численных значений для величин, характеризующих явление, причем при решении таких задач в чисто теоретических исследованиях законы природы и различные геометрические (пространственные) соотношения представляют в виде функциональных уравнений – обычно дифференциальных.

Очень часто мы не имеем возможности постановки задачи в математическом виде, так как исследуемое механическое явление настолько сложно, что для него пока нет приемлемой схемы и нет еще уравнений движений. С таким положением мы встречаемся при решении задач в области авиамеханики, гидромеханики, в проблемах изучения прочности и деформаций и т.п. В этих случаях главную роль играют экспериментальные методы исследования, которые дают возможность установить простейшие опытные данные, которые в последующем ложатся в основу стройных теорий со строгим математическим аппаратом. Однако сами эксперименты могут осуществляться только на основе предварительного теоретического анализа. Противоречие разрешается при итерационном процессе исследования, выдвигая предположения и гипотезы и проверяя их экспериментальным путем. При этом основываются на наличии подобия явлений природы, как общего закона. Теория подобия и размерностей является в известной мере «грамматикой» эксперимента.

Размерность величин

Единицы измерения различных физических величин, объединенные на основе их непротиворечивости, образуют систему единиц. В настоящее время применяется Международная система единиц (СИ). В СИ независимо одна от другой выбраны единицы измерения так называемых первичных величин – массы (килограмм, кг), длины (метр, м), времени (секунда, сек, с), сила тока (ампер, а), температуры (градус Кельвина, К) и силы света (свеча, св). Они получили название основных единиц. Единицы измерения остальных, вторичных, величин выражаются через основные. Формула, указывающая зависимость единицы измерения вторичной величины от основных единиц измерения, называется размерностью этой величины.

Размерность вторичной величины находится при помощи определительного уравнения, служащего определением этой величины в математической форме. Например, определительным уравнением для скорости является

Будем указывать размерность величины при помощи взятого в квадратные скобки символа этой величины, тогда

, или
,

где [L], [T] – соответственно размерности длины и времени.

Определительным уравнением для силы можно считать второй закон Ньютона

Тогда размерность силы будет иметь следующий вид

[F]=[M][L][T].

Определительное уравнение и формула размерности работы соответственно будут иметь вид

A=Fs и [A]=[M][L][T].

В общем случае будем иметь взаимосвязь

[Q]=[M][L][T] (1).

Обратим внимание на запись взаимосвязи размерностей, это еще нам пригодится.

Теоремы теории подобия

Становление теории подобия в историческом аспекте характеризуют ее три основные теоремы.

Первая теорема подобия формулирует необходимые условия и свойства подобных систем, утверждая, что подобные явления имеют одинаковые критерии подобия в видеыбезразмерных выражений, которые есть мера отношения интенсивности двух физических эффектов, существенных для исследуемого процесса.

Вторая теорема подобия (П-теорема) доказывает возможность приведения уравнения к критериальному виду, не определяя достаточности условий для существования подобия.

Третья теорема подобия указывает на пределы закономерного распространения единичного опыта, ибо подобными явлениями будут те, которые имеют подобные условия однозначности и одинаковые определяющие критерии.

Таким образом, методологическая суть теории размерностей заключается в том, что всякую систему уравнений, заключающую в себе математическую запись законов, управляющих явлением, можно сформулировать как соотношение между безразмерными величинами. Определяющие критерии составляются из независимых между собой величин, которые входят в условия однозначности: геометрические соотношения, физические параметры, краевые (начальные и граничные) условия. Система определяющих параметров должна обладать свойствами полноты. Некоторые из определяющих параметров могут быть физическими размерными постоянными, их будем называть фундаментальными переменными, в отличие от других - регулируемых переменных. Пример, ускорение силы тяжести. Она фундаментальная переменная. В земных условиях – постоянная величина и - переменная в космических условиях.

Для правильного применения анализа размерностей исследователь должен знать характер и число фундаментальных и регулируемых переменных в его эксперименте.

В этом случае имеет место практический вывод из теории анализа размерностей и он заключается в том что, если экспериментатору действительно известны все переменные исследуемого процесса, а математической записи закона в виде уравнения пока еще нет, то он вправе преобразовать их, применив первую часть теоремы Букингема : «Если какое-либо уравнение однозначно относительно размерностей, то его можно преобразовать к соотношению, содержащему набор безразмерных комбинаций величин».

Однородным относительно размерностей является уравнение, форма которого не зависит от выбора основных единиц.

PS. Эмпирические закономерности, как правило, приближенные. Это описания в виде неоднородных уравнений. В своей конструкции они имеют размерные коэффициенты, «работающие» только в определенной системе единиц измерений. В последующем, с накоплением данных, мы выходим на описание в виде однородных уравнений, т. е. независимых от системы единиц измерения.

Безразмерные комбинации , о которых идет речь, представляют собой произведения или отношения величин, составленные таким образом, что в каждой комбинации размерности сокращаются. При этом произведения нескольких размерных величин различной физической природы образуют комплексы , отношение двух размерных величин одной физической природы – симплексы.

Вместо того чтобы варьировать поочередно каждую из переменных, причем изменение некоторых из них может вызывать затруднения, исследователь может варьировать лишь комбинаций . Это обстоятельство существенно упрощает эксперимент и позволяет представить в графической форме и проанализировать полученные данные гораздо быстрее и с большей точностью.

Использование метода анализа размерностей, организуя правдоподобные рассуждения «от конца к началу».

Ознакомившись с приведенными общими сведениями, особо можно обратить внимание на следующие моменты.

Наиболее эффективно применение анализа размерностей при наличии одной безразмерной комбинации. В этом случае экспериментально достаточно определить лишь согласующий коэффициент (достаточно поставить один эксперимент для составления и решения одного уравнения). Задача усложняется с увеличением числа безразмерных комбинаций. Соблюдение требования полного описания физической системы, как правило, возможно (а может быть так считают) при увеличении числа учитываемых переменных. Но при этом увеличивается вероятность усложнения вида функции и, главное, резко возрастает объем экспериментальных работ. Введение дополнительных основных единиц как–то снимает остроту проблемы, но не всегда и не полностью. Тот факт, что теория анализа размерностей со временем развивается, весьма обнадеживает и ориентирует на поиск новых возможностей.

Ну, а если при поиске и формировании набора учитываемых факторов, т. е. по сути, воссоздании структуры исследуемой физической системы воспользоваться организацией правдоподобных рассуждений «от конца к началу» по Паппу?

Для осмысления высказанного предложения и закрепления основ метода анализа размерностей предлагаем разобрать пример установления взаимосвязи факторов, определяющих эффективность взрывной отбойки при подземной разработке рудных месторождений.

Принимая во внимание принципы системного подхода, мы с полным основанием можем судить о том, что два системных взаимодействующих объекта образуют новую динамичную систему. В производственной деятельности этими объектами являются – объект преобразования и предметное орудие преобразования.

При отбойке руды на основе взрывного разрушения таковыми можем считать рудный массив и систему взрывных зарядов (скважин).

При использовании принципов анализа размерностей с организацией правдоподобных рассуждений « от конца к началу» получим следующий ход рассуждений и систему взаимосвязей параметров взрывного комплекса с характеристиками массива.

d м = f 1 (W ,I 0 ,t зам , s )	d м = k 1 W (s t зам ¤ I 0 W) n (1)
I 0 = f 2 (I c ,V бур ,K и )	I 0 = k 2 I c V бур K и (2)
I c = f 3 (t зам ,Q ,A)	I с = k 3 t возд 2/3 Q 2/3 A 1/3 (3)
t возд = f 4 (r заб ,P макс l скв )	t возд = k 4 r заб 1/2 P макс –1/2 l скв (4)
P макс = f 5 (r зар Д)	P макс = k 5 r зар Д 2 (5)

Обозначения и формулы размерности используемых переменных приведем в Таблице.

ПЕРЕМЕННЫЕ	Обозначение	размерности
Диаметр максимального куска дробления	d м	[ L ]
Линия наименьшего сопротивления		[ L ]
Предел прочности пород на сжатие
Период (интервал) замедления взрывания	t зам	[ T ]
Импульс взрыва, приходящийся на 1 м 3 массива	I 0
Удельный расход бурения, м /м 3	V бур	[ L -2 ]
Коэффициент использования скважин под заряд	К ис
Импульс взрыва, приходящийся на 1 м скважины	I c
Энергия взрыва, приходящаяся на 1м заряда
Акустическая жесткость среды(А=gС)
Время воздействия взрыва в скважине	t возд	[ T ]
Плотность забойки	r заб	[ L -3 M ]
Длина скважины	l скв	[ L ]
Максимальное первоначальное давление в скважине		[ L -1 M T -2 ]
Плотность заряда в скважине	r зар	[ L -3 M ]
Скорость детонации ВВ		[ L T -1 ]

Переходя от формулы (5) к формуле(1), раскрывая установленные взаимосвязи, а также имея в виду установленную ранее связь между диаметром среднего и диаметром максимального куска по развалу

d ср = k 6 d м 2/3 , (6)

получим общее уравнение взаимосвязи факторов, определяющих качество дробления:

d ср = kW 2/3 [ s t зам / r заб 1/3 Д -2/3 l скв 2/3 M зар 2|3 U вв 2/3 А 1/3 V бур К ис W ] n (7)

Преобразуем последнее выражение с целью создания безразмерных комплексов, при этом будем иметь в виду:

Q = M зар U вв ; q вв =М зар V бур К ис ; М заб =0.25 p r заб d скв 2 ;

где М зар – масса заряда ВВ в 1 м длины скважины, кг/м;

М заб – масса забойки в 1 м забойки, кг/м;

U вв – теплотворная способность ВВ, ккал/кг.

В числителе и знаменателе используем [М зар 1/3 U вв 1/3 (0.25 p d скв 2 ) 1/3 ] . Получим окончательно

Все комплексы и симплексы имеют физический смысл. По опытным данным и данным практики степенной показатель степени n =1/3, а коэффициент k определяется в зависимости от масштаба упрощения выражения (8).

Хотя успех анализа размерностей зависит от правильного понимания физического смысла конкретной задачи, после выбора переменных и основных размерностей этот метод может применяться совершенно автоматически. Следовательно, данный метод легко изложить в рецептурном виде, имея, однако, в виду, что такой «рецепт» требует от исследователя правильного выбора составных компонентов. Единственное, что мы можем здесь сделать, - это дать некоторые общие рекомендации.

Этап 1. Выбрать независимые переменные, оказывающие воздействие на систему. Необходимо рассматривать также размерные коэффициенты и физические константы, если они играют важную роль. Это наиболее ответствен ный этап всей работы.

Этап 2. Выбрать систему основных размерностей, через которую можно выразить единицы, всех выбранных переменных. Обычно используются следующие системы: в механике и динамике жидкостей М L q (иногда FL q ), в термодинамике М L q Т или М L q TH ; в электротехнике и ядерной физике М L q К или М L qm ., при этом температура может либо рассматриваться как основная величина, либо выражаться через молекулярную кинетическую энергию.

Этап 3. Записать размерности выбранных независимых переменных и составить безразмерные комбинации. Решение будет правильным, если: 1) каждая комбинация является безразмерной; 2) число комбинаций не меньше предсказываемого p-теоремой; 3) каждая переменная встречается в комбинациях хотя бы один раз.

Этап 4. Изучить полученные комбинации с точки зрения их приемлемости, физического смысла и (если должен использоваться метод наименьших квадратов) концентрации неопределенности по возможности в одной комбинации. Если комбинации не удовлетворяют этим критериям, то можно: 1) получить другое решение уравнений для показателей степеней, чтобы найти лучший набор комбинаций; 2) выбрать другую систему основных размерностей и проделать всю работу с самого начала; 3) проверить правильность выбора независимых переменных.

Этап 5. Когда будет получен удовлетворительный набор безразмерных комбинаций, исследователь может составить план изменения комбинаций, варьируя в своем оборудовании значения выбранных переменных. Планирование экспериментов следует рассмотреть особо.

При использовании метода анализа размерности с организацией правдоподобных рассуждений «от конца к началу» необходимо ввести серьезные корректуры и особенно на первом этапе.

Краткие выводы

Сегодня можно сформировать концептуальные положения научно-исследовательской работы по уже сложившемуся нормативному алгоритму. Пошаговое следование позволяет упорядочить поиск темы и определение ее этапов выполнения с выходом на научные положения, рекомендации. Знание содержания отдельных процедур способствует их экспертной оценке и отбору наиболее приемлемых и эффективных.

Ход научного исследования можно представить в виде логической схемы, определившись в процессе выполнения НИР, выделяя три стадии, характерные для любой деятельности:

Подготовительная стадия : Ее еще можно назвать стадией методологической подготовки исследования и формирования методологического сопровождения НИР. Состав работ следующий. Определение проблемы, разработка концептуального описания предмета исследования и определение (формулировка) темы исследования. Составление программы исследования с постановкой задач и разработкой плана их решения. Обоснованный выбор методов исследований. Разработка методики экспериментальных работ.

Основная стадия : - исполнительная (технологическая), реализация программы и плана исследования.

Заключительная стадия : - обработка результатов исследования, формулировка основных положений, рекомендаций, экспертиза.

Научные положения - это новая научная истина, - это то, что нужно и можно защищать. Формулировка научных положений может быть математическая или логическая. Научные положения помогают делу, решению проблемы. Научные положения должны быть адресными, т.е. отражать (содержать) тему, для которой они решались. Чтобы осуществить общую увязку содержания НИР со стратегией ее выполнения рекомендуется до и (или) после разработки указанных положений поработать над структурой отчета о НИР. В первом случае – работа над структурой отчета имеет даже эвристический потенциал, способствует осмыслению идей НИР, во втором случае – выступает своего рода проверкой стратегии и обратной связью управления НИР.

Будем помнить о том, что есть логика поиска, выполнения работы и логика изложения . Первая диалектическая – динамичная, с циклами, возвратами, трудно формализуемая, вторая логика статического состояния, формальная, т.е. имеющая строгую определенную форму.

Как вывод, желательно работу над структурой отчета не прекращать в течение всего времени выполнения НИР и тем самым эпизодически «сверять часы ДВУХ ЛОГИК ».

Повышению эффективности работы над концепцией способствует систематизация современных проблем горного дела на административном уровне.

При методологическом сопровождении научно-исследовательской работы часто встречаемся ситуации, когда теоретические положения по конкретной проблеме еще не достаточно полно разработаны. Уместно воспользоваться методологическим «лизингом». В качестве примера подобного подхода и возможного его использования представляет интерес метод анализа размерностей с организацией правдоподобных рассуждений «от конца к началу».

Основные термины и понятия

Объект и предмет деятельности	Актуальность	Горная технология
Концепция		Объект горной технологии
Цель и целеполагание		Средства горной технологии
Проблема Проблемная ситуация	Структура	Физико-технический эффект
Стадии и этапы НИР		Научное положение
Теоремы теории подобия	Размерность	Основные единицы

Исследователем природы является опыт. Он не обманывает никогда... Надо производить опыты, изменяя обстоятельства, пока не извлечем из них общих правил, потому, что опыт доставляет истинные правила.

Леонардо да Винчи

Физические величины, числовое значение которых не зависит от выбранного масштаба единиц, называются безразмерными. Примеры безразмерных величин - угол (отношение длины дуги к радиусу), показатель преломления вещества (отношение скорости света в вакууме к скорости света в веществе).

Физические величины, изменяющие свое числовое значение при изменении масштаба единиц, называются размерными. Примеры размерных величин - длина, сила и т. д. Выражение единицы физической величины через основные единицы называется ее размерностью (или формулой размерности). Например, размерность силы в системах СГС и СИ выражается формулой

Соображения размерности можно использовать для проверки правильности полученных ответов при решении физических задач: правые и левые части полученных выражений, как и отдельные слагаемые в каждой из частей, должны иметь одинаковую размерность.

Метод размерностей можно использовать и для вывода формул и уравнений, когда нам известно, от каких физических параметров может зависеть искомая величина. Сущность метода легче всего уяснить на конкретных примерах.

Применения метода размерностей. Рассмотрим задачу, ответ для которой нам хорошо известен: с какой скоростью упадет на землю тело, свободно падающее без начальной скорости с высоты если сопротивлением воздуха можно пренебречь? Вместо непосредственного вычисления на основе законов движения будем рассуждать следующим образом.

Подумаем, от чего вообще может зависеть искомая скорость. Очевидно, что она должна зависеть от начальной высоты и от ускорения свободного падения Можно предположить, следуя Аристотелю, что она зависит и от массы . Поскольку складывать можно только величины одинаковой размерности, то для искомой скорости можно предложить такую формулу:

где С - некоторая безразмерная постоянная (числовой коэффициент), а х, у и z - неизвестные числа, которые следует определить.

Размерность правой и левой частей этого равенства должна быть одинакова, и именно этим условием можно воспользоваться для определения показателей степени х, у, z в (2). Размерность скорости есть размерность высоты есть размерность ускорения свободного падения равна , наконец, размерность массы равна М. Поскольку постоянная С безразмерна, то формуле (2) соответствует следующее равенство размерностей:

Это равенство должно выполняться независимо от того, каковы числовые значения . Поэтому следует приравнять показатели степеней при и М в левой и правой частях равенства (3):

Из этой системы уравнений получаем Поэтому формула (2) принимает вид

Истинное значение скорости, как известно, равно

Итак, использованный подход позволил определить правильно зависимость от и и не дал возможности найти значение

безразмерной постоянной С. Хотя нам и не удалось получить исчерпывающего ответа, все же получена весьма существенная информация. Например, мы можем с полной определенностью утверждать, что, если начальную высоту увеличить в четыре раза, скорость в момент падения возрастет вдвое и что вопреки мнению Аристотеля эта скорость не зависит от массы падающего тела.

Выбор параметров. При использовании метода размерностей следует в первую очередь выявить параметры, определяющие рассматриваемое явление. Это легко сделать, если известны описывающие его физические законы. В ряде случаев определяющие явление параметры можно указать и тогда, когда физические законы неизвестны. Как правило, для использования метода анализа размерностей нужно знать меньше, чем для составления уравнений движения.

Если число параметров, определяющих изучаемое явление, больше числа основных единиц, на которых построена выбранная система единиц, то, разумеется, все показатели степеней в предлагаемой формуле для искомой величины не могут быть определены. В этом случае полезно прежде всего определить все независимые безразмерные комбинации из выбранных параметров. Тогда искомая физическая величина будет определяться не формулой типа (2), а произведением какой-либо (самой простой) комбинации параметров, имеющей нужную размерность (т. е. размерность искомой величины), на некоторую функцию найденных безразмерных параметров.

Легко видеть, что в разобранном выше примере падения тела с высоты из величин и безразмерную комбинацию составить нельзя. Поэтому там формула (2) исчерпывает все возможные случаи.

Безразмерный параметр. Рассмотрим теперь такую задачу: определим дальность горизонтального полета снаряда, выпущенного в горизонтальном направлении с начальной скоростью из орудия, находящегося на горе высоты

В отсутствие сопротивления воздуха число параметров, от которых может зависеть искомая дальность, равно четырем: и т. Поскольку число основных единиц равно трем, то полное решение задачи методом размерностей невозможно. Найдем прежде всего все независимые безразмерные параметры у, которые можно составить из и

Этому выражению соответствует следующее равенство размерностей:

Отсюда получаем систему уравнений

которая дает и для искомого безразмерного параметра получаем

Видно, что единственный независимый безразмерный параметр в рассматриваемой задаче - это Теперь достаточно найти какой-либо параметр, имеющий размерность длины, например взять сам параметр для того чтобы написать общее выражение для дальности полета снаряда по горизонтали в виде

где - пока неизвестная функция безразмерного параметра Метод размерностей (в изложенном варианте) не позволяет определить эту функцию. Но если нам откуда-нибудь, например из опыта, известно, что искомая дальность пропорциональна горизонтальной скорости снаряда, то вид функции немедленно определяется: скорость должна входить в нее в первой степени, т. е.

Теперь из (5) для дальности полета снаряда получаем

что при совпадает с правильным ответом

Подчеркнем, что при таком способе определения вида функции нам достаточно знать характер экспериментально установленной зависимости дальности полета не от всех параметров, а только от какого-нибудь одного из них.

Векторные единицы длины. Но можно определить дальность (7) только из соображений размерности, если увеличить до четырех число основных единиц, через которые выражаются параметры и т. До сих пор при записи формул размерностей не делалось различий между единицами длины в горизонтальном и вертикальном направлении. Однако такое различие можно ввести, основываясь на том, что сила тяжести действует только по вертикали.

Обозначим размерность длины в горизонтальном направлении через а по вертикали - через Тогда размерность дальности полета по горизонтали будет размерность высоты будет размерность горизонтальной скорости будет а для ускорения

свободного падения получим Теперь, глядя на формулу (5), мы видим, что единственный способ получить правильную размерность в правой части заключается в том, чтобы считать пропорциональной Мы снова приходим к формуле (7).

Разумеется, имея четыре основные единицы и М, можно и непосредственно сконструировать величину нужной размерности из четырех параметров и

Равенство размерностей левой и правой частей имеет вид

Система уравнений для х, у, z и и дает значения и мы опять приходим к формуле (7).

Используемые здесь разные единицы длины по взаимно перпендикулярным направлениям иногда называют векторными единицами длины. Их применение существенно расширяет возможности метода анализа размерностей.

При использовании метода анализа размерностей полезно развить навыки до такой степени, чтобы не составлять систему уравнений для показателей степеней в искомой формуле, а подбирать их непосредственно. Проиллюстрируем это на следующей задаче.

Задача

Максимальная дальность. Под каким углом к горизонту следует бросить камень, чтобы дальность полета по горизонтали была максимальной?

Решение. Допустим, что мы «забыли» все формулы кинематики, и попытаемся получить ответ из соображений размерности. На первый взгляд может показаться, что метод размерностей здесь вообще неприменим, так как в ответ должна войти какая-то тригонометрическая функция угла бросания. Поэтому вместо самого угла а попробуем искать выражение для дальности Ясно, что без векторных единиц длины здесь не обойтись.

Основные понятия теории моделирования

Моделированием называется метод экспериментального изучения модели явления вместо натурного явления. Модель выбирают так, чтобы результаты эксперимента можно было распространить на натурное явление.

Пусть моделируется поле величины w . Тогда при точном моделировании в сходственных точках модели и натурного объекта должно соблюдаться условие

где масштаб моделирования.

В случае приближенного моделирования получим

Отношение называется степенью искажения.

Если степень искажения не превосходит точности измерения, то приближенное моделирование не отличается от точного. Нельзя заранее сделать так, чтобы величина не превышала некоторого наперед заданного значения, так как в большинстве случаев ее нельзя заранее даже определить.

Метод аналогий

Если два физических явления различной физической природы описываются тождественными уравнениями и условиями однозначности (краевыми или в стационарном случае граничными условиями), представленными в безразмерной форме, то явления называются аналогичными. При этих же условиях явления одной физической природы называются подобными.

Несмотря на то, что аналогичные явления имеют различную физическую природу, они относятся к одному индивидуальному обобщенному случаю. Это обстоятельство позволило создать весьма удобный метод аналогий для изучения физических явлений. Сущность его состоит в следующем: обследованию подвергается не изучаемое явление, для которого трудно или невозможно измерить искомые величины, а специально подобранное аналогичное изучаемому. В качестве примера рассмотрим электротепловую аналогию. В этом случае изучаемое явление - стационарное температурное поле, а его аналогия - стационарное поле электрического потенциала

Уравнение теплопроводности

(9.3)

где абсолютная температура,

и уравнение электрического потенциала

(9.4)

где электрический потенциал, аналогичны. В безразмерной форме эти уравнения будут тождественны.

Если созданы граничные условия для потенциала, аналогичные условиям для температуры, то в безразмерной форме они будут также тождественны.

Электротепловая аналогия широко используется при изучении процессов теплопроводности. Например, температурные поля лопаток газовых турбинин были измерены этим методом.

Анализ размерностей

Иногда приходится изучать процессы, которые еще не описаны дифференциальными уравнениями. Единственный путь изучения - эксперимент. Результаты эксперимента целесообразно представлять в обобщенной форме, но для этого нужно уметь находить безразмерные комплексы, характерные для такого процесса

Анализ размерностей - это метод составления безразмерных комплексов в условиях, когда изучаемый процесс еще не описан дифференциальными уравнениями.

Все физические величины можно разделить на первичные и вторичные. Для процессов теплообмена за первичные обычно выбирают следующие: длину L, массу m , время t , количество теплоты Q избыточную температуру . Тогда вторичными будут такие величины, как коэффициент теплоотдачи температуропроводность a и т. п.

Формулы размерности вторичных величин имеют вид степенных одночленов. Например, формула размерности для коэффициента теплоотдачи имеет вид

(9.5)

где Q –количество теплоты.

Пусть известны все физические величины, существенные для изучаемого процесса. Требуется найти безразмерные комплексы.

Составим произведение из формул размерностей всех существенных для процесса физических величин в некоторых неопределенных пока степенях; очевидно, оно будет степенным одночленом (для процесса). Предположим, что его размерность (степенного одночлена) равна нулю, т. е. показатели степеней первичных величин, входящих в формулу размерностей, сократились, тогда степенной одночлен (для процесса) можно представить в форме произведения безразмерных комплексов из размерных величин. Значит, если составить произведение из формул размерностей, существенных для процессов физических величин в неопределенных степенях, то из условия равенства нулю суммы показателей степеней первичных величин этого степенного одночлена можно определить искомые безразмерные комплексы.

Покажем эту операцию на примере периодического процесса теплопроводности в твердом теле, омываемом жидким теплоносителем. Будем считать, что дифференциальные уравнения для рассматриваемого процесса неизвестны. Требуется найти безразмерные комплексы.

Существенными физическими величинами для изучаемого процесса будут следующие: характерный размер l (м), теплопроводность твердого тела , (Дж/(м К)), удельная теплоемкость твердого тела с (Дж/(кг К)), плотность твердого тела (кг/м 3), коэффициент теплообмена (теплоотдачи) (Дж/м 2 К)), время периода , (с), характерная избыточная температура (К). Составим из этих величин степенной одночлен вида

Показатель степени при первичной величине называется раз мерностью вторичной величины по отношению к данной первичной.

Заменим в физические величины (кроме Q) их формулами размерности, в результате получим

В данном случае показатели степени имеют значения, при которых Q выпадает из уравнения.

Приравняем нулю показатели степеней одночлена:

для длины

a – b - 3i - 2k = 0; (9.8)

для количества теплоты Q

0; (9.9)

для времени

для температуры

для массы m

Всего существенных величин семь, уравнений для определения показателей пять, значит, только два показателя, например, b и kмогут быть выбраны произвольно.

Выразим все показатели степеней через b и k. В результате получим:

из (8.8), (8.9), (8.12)

f = -b - k ; (9.14)

r=b + k ; (9.15)

из (8.11) и (8.9)

n = b + f + k = b + (-b – k ) + k = 0; (9.16)

из (8.12) и (8.9)

i = f = -b -k. (9.17)

Теперь одночлен можно представить в форме

Так как показатели b и k могут быть выбраны произвольно, положим:

1. при этом запишем

Сущность метода анализа целесообразности затрат основывается на том, что в процессе предпринимательской деятельности затраты по каждому конкретному направлению, а также по отдельным элементам, не имеют одинаковую степень риска. Другими словами, степень риска двух разных направлений деятельности одной и той же фирмы неодинакова; и степень риска по отдельным элементам затрат внутри одного и того же направления деятельности также неодинакова. Так, например, гипотетически занятие игорным бизнесом более рискованное по сравнению с производством хлеба и затраты, которые несет диверсифицированная фирма на развитие этих двух направлений своей деятельности, будут также отличаться по степени риска. Даже в том случае, если предположить, что размер затрат по статье «аренда помещений» будет одинаковым по обоим направлениям, то все равно степень риска будет выше в игорном бизнесе. Такая же ситуация сохраняется и с затратами внутри одного и того же направления. Степень риска по затратам, связанным с покупкой сырья (которое может быть доставлено не точно в указанный срок, его качество может не полностью соответствовать технологическим нормам или его потребительские свойства могут быть частично утеряны при хранении на самом предприятии и т. д.), будет выше, чем по затратам на заработную плату.

Таким образом, определение степени риска путем анализа целесообразности затрат ориентировано на идентификацию потенциальных зон риска. Такой подход целесообразен еще и с тех позиций, что дает возможность выявить «узкие места» в деятельности предприятия с точки зрения рискованности, а после разработать пути их ликвидации.

Перерасход затрат может произойти под влиянием всех видов рисков, о которых говорилось ранее во время их классификации.

Обобщив накопленный мировой и отечественный опыт анализа степени риска при помощи использования метода анализа целесообразности затрат, можно сделать вывод о необходимости использовать при таком подходе градацию затрат на области риска.

Для анализа целесообразности затрат состояние по каждому из элементов затрат должно быть разделено на области риска (табл. 4.1), которые представляют собой зону общих потерь, в границах которых конкретные потери не превышают предельного значения установленного уровня риска:

1) область абсолютной устойчивости;
2) область нормальной устойчивости;
3) область неустойчивого состояния:
4) область критического состояния;
5) область кризисного состояния.

В области абсолютной устойчивости степень риска по рассматриваемому элементу затрат соответствует нулевому риску. Данная область характеризуется отсутствием каких-либо потерь при совершении предпринимательской деятельности с гарантированным получением плановой прибыли, размер которой теоретически не ограничен. Элемент затрат, который находится в области нормальной устойчивости, характеризуется минимальной степенью риска. Для данной области максимальные потери, которые может нести субъект предпринимательской деятельности, не должны превышать границы плановой чистой прибыли (т.е. той ее части, которая остается у субъекта хозяйствования после налогообложения и всех остальных выплат, которые производятся на данном предприятии из прибыли, например, выплата дивидендов). Таким образом, минимальная степень риска обеспечивает фирме «покрытие» всех ее издержек и получение той части прибыли, которая позволяет покрыть все налоги.

Как правило, в условиях рыночной экономики, как было показано ранее, направление, которое имеет минимальную степень риска, связано с тем, что государство является его основным контрагентом. Это может проходить в самых различных формах, из которых основными являются такие, как: осуществление операций с ценными бумагами правительства или муниципальных органов, участие в выполнении работ, финансируемых за счет государственного или муниципальных бюджетов и т.д.

Область неустойчивого состояния характеризуется повышенным риском, при этом уровень потерь не превышает размеры расчетной прибыли (т. е. той части прибыли, которая остается у предприятия после всех выплат в бюджет, уплаты процентов за кредит, штрафов и неустоек). Таким образом, при такой степени риска субъект предпринимательской деятельности рискует тем, что он в худшем случае получит прибыль, величина которой будет меньше ее расчетного уровня, но при этом будет возможность произвести покрытие всех своих издержек.

В границах области критического состояния, которой соответствует критическая степень риска, возможны потери в границах валовой прибыли (т. е. общей сумме прибыли, которая получена предприятием до произведения всех вычетов и отчислений). Такой риск является нежелательным, потому что при этом фирма рискует потерять не просто прибыль, а и не покрыть полностью свои издержки.

Недопустимый риск, который соответствует области кризисного состояния, означает принятие субъектом предпринимательской деятельности такой степени риска, которая предполагает наличие возможности не покрытия всех издержек фирмы, связанных с данным направлением ее деятельности.

Таблица 4.1 - Области деятельности предприятия.

После того, как рассчитан коэффициент b на основании данных прошлых периодов, каждая статья затрат. Анализируется по отдельности на предмет ее идентификации по областям риска и максимальным потерям. При этом степень риска всего направления предпринимательской деятельности будет соответствовать максимальному значению риска по элементам затрат. Преимущество данного метода состоит в том, что зная статью затрат, у которой риск максимальный, возможно найти пути его снижения (например, в том случае, если максимальная точка риска приходится на затраты, связанные с арендой помещения, то можно отказаться от аренды и купить его и т. п.)

Основной недостаток такого подхода к определению степени риска, так же как и при статистическом методе, состоит в том, что предприятие не анализирует источники происхождения риска, а принимает риск как целостную величину, таким образом, игнорируя его мультисоставляющие.