Кіріспе
Жүйелердің түрлерінің сәйкес динамикасымен байланысы Аналогтық модельдер - әлемдегі құбылысты бейнелеу әдісі, оны көбінесе басқа, түсінікті немесе талдауға болатын жүйе арқылы "мақсатты жүйе" деп атайды. Олар динамикалық аналогия деп те аталады. Екі ашық жүйеде аналогты бейнелеулер бар (суретті қараңыз), егер олар қара қораптық изоморфты жүйелер болса.
Analogical models are a method of representing a phenomenon of the world, often called the "target system" by another, more understandable or analysable system. They are also called dynamical analogies. Two open systems have analog representations (see illustration) if they are black box isomorphic systems.
Түсіндірме
Аналогияның қарапайым түрі - ортақ қасиеттерге негізделген; ал аналогизация - бұл белгілі бір тақырып туралы ақпаратты (аналогты немесе бастапқы жүйені) басқа белгілі бір тақырыппен (мақсатты жүйе) бейнелеу процесі, "бірінші доменнің белгілі бір аспектісін (немесе таңдалған атрибуттарын) түсіндіру үшін". Аналогты модельдер, "аналогты" немесе "аналогты" модельдер деп те аталады, әлемді бейнелеу құралы ретінде мақсатты жүйемен қасиеттерін бөлісетін аналогты жүйелерді іздейді. Мақсатты жүйеден кішірек және/немесе жылдам бастапқы жүйелерді құру мүмкін, осылайша мақсатты жүйе мінез-құлқы туралы алдын ала білім алуға болады. Аналогты құрылғылар - бұл заттары мен құрылымы жағынан әр түрлі, бірақ динамикалық мінез-құлық қасиеттерімен ортақ құрылғылар (Truit and Rogers, p. 1 3). Мысалы, аналогты электронды схемаларда кернеуді арифметикалық шаманы бейнелеу үшін қолдануға болады; операциялық күшейткіштер содан кейін арифметикалық операцияларды (қосу, алу, көбейту және бөлу) бейнелеуі мүмкін. Калибрлеу процесінде бұл кішірек/ірірек, баяу/ерекше жүйелер мақсатты жүйенің жұмыс істеуіне сәйкес келетіндей етіп ұлғайтылады немесе кемітіледі, сондықтан олар мақсатты жүйенің аналогтары деп аталады. Калибрлеу жүргізілгеннен кейін модельдер бастапқы жүйе мен оның аналогы арасындағы мінез-құлық бойынша бір-бір сәйкестік туралы айтады. Осылайша екі жүйенің мінез-құлқын бірін тәжірибе арқылы анықтауға болады.
Аналогты модель жасау
Аналогты модельді құру үшін көптеген түрлі құралдар мен жүйелерді қолдануға болады. "Ғылымшылар өздерінің атомдар, вирустар, витаминдер, гормондар және гендер туралы теориялық модельдерінің нақты, нақты әлемде бар екендігін ойлап, өз жұмыстарын бастаған кезде көптеген маңызды жаңалықтар жасалды. Олар әрбір қиялдық ұғым нақты өздерінің теориялық болжамдарымен сипатталған түрде бар болғандай әрекет етті; және кез келген ұқсастық көрінісін жоққа шығара отырып, олар нақты, нақты әлемді олар теориялық сипаттағандай болды деген пікірмен әрекет етті. Газ бөлшектерінің кейбір теориялық әрекеттері мен бильярд шарларының кейбір байқалатын әрекеттері арасындағы ықтимал байланысты көрсететін газдардың мінез-құлқын түсінуге көмектесетін аналогты модельді қарастырайық. Ачинштейн (1964, 332-б.) газдарды осылай пайдалы түрде қарастырғанына қарамастан, "физик, әрине, молекулалар, бильярд шарлары емес, газдарды қамтиды деп болжайды" деп еске салады. Мысалы, Филипс гидравликалық MONIAC компьютері экономикалық жүйелерді (мақсатты жүйе) модельдеу үшін су ағынын қолданды; физиологиялық және экологиялық жүйелерді бейнелеу үшін электрондық схемаларды қолдануға болады. Модельді аналогты немесе цифрлық компьютерде орындаған кезде, бұл симуляция процесі деп аталады.
A mechanical device can be used to represent mathematical calculations. For instance, the Phillips Hydraulic Computer MONIAC used the flow of water to model economic systems (the target system); electronic circuits can be used to represent both physiological and ecological systems. When a model is run on either an analog or digital computer this is known as the process of simulation.
Механикалық ұқсастықтар
Электр құбылыстарын механикалық құбылыстарға сәйкестендіру үшін кез келген жүйелерді қолдануға болады, бірақ екі негізгі жүйе кеңінен қолданылады: импеданс аналогиясы және қозғалыс аналогиясы. Импеданстық аналогия күшті кернеуге, ал қозғалыс аналогиясы күшті токқа сәйкестендіреді. Импеданс аналогиясы электрлік импеданс пен механикалық импеданс арасындағы аналогияны сақтайды, бірақ желі топологиясын сақтамайды. Қозғалыс аналогиясы желі топологиясын сақтайды, бірақ кедергілер арасындағы аналогияны сақтамайды. Екеуі де қуатты конъюгат жұптарын аналогты қылып, дұрыс энергия мен қуат қатынастарын сақтайды.
Гидравликалық ұқсастық
Гидравликалық аналогияда су интеграторы интеграцияның математикалық операциясын орындауы мүмкін.
Физиологиялық ұқсастықтар
Фрэнсис Крик визуалды жүйені зерттеуді сананы зерттеудің проксиі ретінде қолданды.
Формалды ұқсастықтар
"Бірдей теңдеудің шешімі бірдей болады". Ричард Фейнман Мысалы, гравитация мен электромагнетизмнің кері квадраттық заңдарын геометриялық негіздегі ұқсас теңдеулермен сипаттауға болады, бұл шамамен массалар мен зарядтар туралы физикалық мәліметтерге қарамай. Халықтық экологияда механикада кездесетіндермен бірдей, бірақ әртүрлі түсіндірмелері бар дифференциалдық теңдеулер пайда болады. Қайталану жағдайдағы ұқсастықты талап етеді; мысалы, Архимед мириад мириад деген ұғымды қолдана отырып, жағажайдағы құм түйіршіктерінің санын санау үшін мириадты қолданды.
For example, the inverse square laws of gravitation and electromagnetism can be described by analogous equations on a geometrical basis, almost without regard to the physical details about masses and charges. In population ecology, differential equations arise that are the same as those found in mechanics, albeit with different interpretations. Recursion requires a similarity within a situation; for example, Archimedes used the myriad to count the number of grains of sand on a beach by using the concept of myriad myriads.
Практикалық қолдану
Максвеллдің аналогиясы бастапқыда электр құбылыстарын механикалық тұрғыдан түсіндіру үшін ғана қолданылған. Фирестоун, Трент және басқалардың жұмыстары осы саланы одан да асыра жылжытты, бірнеше энергия салаларының жүйелерін бір жүйе ретінде көрсетуге тырысты. Әсіресе, дизайнерлер электрлік жүйенің механикалық бөліктерін электрлік өріске айналдыра бастады, осылайша бүкіл жүйені электрлік схема ретінде талдау мүмкін болды. Ванневар Буш аналогты компьютерлерді әзірлеуде осы модельдеудің ізашарсы болды және бұл әдісті 1925 жылы Клиффорд А. Никлдің мақаласында тұжырымдады. 1950 жылдан бастап механикалық сүзгілерді өндірушілер, атап айтқанда Коллинз Радиосы, электр техникасында сүзгі дизайнының жақсы дамыған теориясын алу және оны механикалық жүйелерге қолдану үшін осы ұқсастықты кеңінен қолданды. Радио қолдану үшін қажетті сүзгілердің сапасына электрлік компоненттермен қол жеткізу мүмкін емес. Механикалық бөлшектермен әлдеқайда жақсы сапалы резонаторларды (жоғары Q-фактор) жасау мүмкін, бірақ механикалық техникада оған тең келетін сүзгі теориясы жоқ. Сонымен қатар, сүзгілердің жалпы реакциясын болжау үшін контурдың механикалық бөлшектерін, трансформаторларын және электрлік компоненттерін толық жүйе ретінде талдау қажет болды. Гарри Ф. Олсон динамикалық аналогияларды аудиоэлектроника саласында 1943 жылы алғаш рет жарияланған "Динамикалық аналогиялар" кітабымен танымал етуге көмектесті.
Қуаттылық-конъюгат емес аналогиялар
Магниттік контурлардың жалпы аналогиясы магнитомотивті күшті (mmf) кернеуге және магниттік ағынды (φ) электр тогына карталайды. Алайда, mmf және φ қуатты конъюгат айнымалылар емес. Бұлардың көбейтіндісі қуат бірліктерімен және магниттік кедергі деп аталатын қатынаспен өлшенбейді, энергияның ығысу жылдамдығын өлшемейді, сондықтан ол шынайы кедергі емес. Қосымша аналогия қажет болған жағдайда, mmf күш ауыспалысы ретінде пайдаланылуы мүмкін, ал dφ/dt (магниттік ағымның өзгеру жылдамдығы) ағым ауыспалысы болады. Бұл гираторлы конденсатор моделі деп аталады. Термиялық домендегі кеңінен қолданылатын аналогия температура айырмашылығын күш-жігер айнымалысы ретінде және жылу қуатын ағыс айнымалысы ретінде карталайды. Бұл қуат конъюгаты емес, ал жылулық кедергі деп аталатын қатынас, энергия ағыны үшін, импеданс немесе электрлік кедергіге ұқсамайды. Ыңғайлы аналогия температура айырмашылығын күш-жігер айнымалысы ретінде және ентропия ағыны ағыны ретінде қабылдауы мүмкін.
Жалпылау
Динамикалық модельдердің көптеген қолданбалары жүйедегі барлық энергия салаларын электрлік схемаға айналдырады, содан кейін электрлік саладағы толық жүйені талдауға кіріседі. Алайда, өкілдік етудің жалпылау әдістері бар. Мұндай бейнелеудің бірі - Генри М. Пейнтер 1960 жылы енгізген бонд графиктерін пайдалану арқылы. Көлік кернеу аналогиясын (импеданс аналогиясын) байланыс графиктерімен пайдалану әдеттегі нәрсе, бірақ мұны жасау талап етілмейді. Трент басқаша бейнелеуді (сызықтық графиктер) қолданды және оның бейнелеуі күштік ток аналогиясымен (көші-қон аналогиясымен) байланысты болды, бірақ бұл міндетті емес. Кейбір авторлар жалпылау мақсатында домендік терминологияны қолдануды қолдамайды. Мысалы, динамикалық аналогиялар теориясының көп бөлігі электр теориясынан пайда болғандықтан, қуатты конъюгат айнымалылар кейде V типті және I типті деп аталады, олар электр доменінде кернеу немесе ток аналогтары болып табылады. Сол сияқты, Гамильтондық айнымалыларды кейде жалпыланған импульс және жалпыланған орын ауыстыру деп атайды, олар механикалық салада импульс немесе орын ауыстыруға ұқсас.
Функционалдық аналогтар
Функционалдық аналогтар (немесе функционалдық аналогтар) - бұл субъектілер (үлгілер, бейнелеулер және т.б.) бір функцияны орындауға арналған. Сұралған субъектілер ресми түрде қара қораптармен бейнеленген кезде, аналогтық ұғым "бірдей мінез-құлықпен" байланысты: олар сол кіріс реттілігіне берілген кезде бірдей шығыс реттілігін алады.
Гидравликалық ұқсастық
Электрлік схеманың сұйықтық немесе гидравликалық аналогиясы схеманы сантехника тұрғысынан интуитивті түрде түсіндіруге тырысады, онда су металдардағы жылжымалы заряд теңізіне ұқсас, қысым айырмасы кернеуге ұқсас және судың ағыны электр тоғына ұқсас.
Аналогты компьютерлер
Электрондық схемалар ұшақтар мен ядролық электр станциялары сияқты инженерлік жүйелерді модельдеу және имитациялау үшін пайдаланылды, ал цифрлық компьютерлер тәжірибеде пайдалы болуы үшін жеткілікті жылдам айналу уақыттарымен кеңінен қол жетімді болды. Анологиялық компьютерлер деп аталатын электронды схемалық аспаптар схема жасау уақытын жеделдету үшін пайдаланылды. Алайда, Norden бомбалаушы сияқты аналогты компьютерлер есептеуде дөңгелектер мен шкивтерден де құралуы мүмкін. Мысалы, Vogel және Ewel "Трофикалық пирамиданың электрлік аналогы" (1972, 11-тарау, с. 105121), Эльмор және Сэндс (1949) ядролық физикадағы зерттеулер үшін және Манхэттен жобасы аясында жасалған жылдам электрлік транзиторларды зерттеу үшін жасалған схемаларды жариялады (бұған қарамастан, қауіпсіздік себептері бойынша қару технологиясына қолданылған схемалар енгізілген жоқ) және Говард Т. Одум (1994) геобиосфераның көптеген масштабтарында экологиялық экономикалық жүйелерді аналогты модельдеу үшін жасалған схемаларды жариялады.
Философиялық түйсік
Аналогты модельдеу процесі философиялық қиындықтарға ұшырайды. Стэнфорд философия энциклопедиясында айтылғандай, мақсатты жүйенің физикалық/биологиялық заңдары мақсатты жүйені бейнелеу үшін адамдар жасаған аналогтық модельдерге қалай байланысты деген сұрақ бар. Біз аналогты модельдерді құру процесі бізге мақсатты жүйені басқаратын негізгі заңдарға қол жеткізуге мүмкіндік береді деп санаймыз. Алайда, қатаң түрде айтқанда, бізде тек аналогты жүйе үшін жарамды заңдылықтардың эмпирикалық білімі бар, егер мақсатты жүйе үшін уақыт тұрақтылығы адам өмірінің циклынан үлкен болса (геобиосфера жағдайындағыдай), кез-келген адам үшін өз өмірінде мақсатты жүйеге өз моделінің заңдарын кеңейтудің жарамдылығын эмпирикалық тексеру өте қиын.