Введение
Отношение типов систем с соответствующей динамикой Аналогичные модели - это метод представления феномена мира, часто называемого "целевой системой" другой, более понятной или анализируемой системой. Их также называют динамическими аналогиями. Две открытые системы имеют аналоговые представления (см. иллюстрацию), если они являются изоморфными системами черного ящика.
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.
Пояснение
Простой тип аналогии - это аналогия, основанная на общих свойствах; а аналогизация - это процесс представления информации о конкретном предмете (аналоговой или исходной системе) другим конкретным предметом (целевой системе), чтобы "иллюстрировать какой-то конкретный аспект (или прояснить выбранные атрибуты) первичной области". Аналогичные модели, также называемые "аналоговыми" или "аналоговыми" моделями, ищут аналоговые системы, которые разделяют свойства с целевой системой в качестве средства представления мира. Часто возможно построить исходные системы, которые меньше и/или быстрее, чем целевая система, чтобы можно было сделать априорные выводы о поведении целевой системы. Аналогичными устройствами, таким образом, являются те, которые могут отличаться по своему составу или структуре, но имеют общие свойства динамического поведения (Truit and Rogers, p. Например, в аналоговых электронных схемах можно использовать напряжение для представления арифметической величины; операционные усилители могут затем представлять арифметические операции (сложение, вычитание, умножение и деление). В процессе калибровки эти меньшие/большие, медленные/быстрые системы масштабируются вверх или вниз, чтобы они соответствовали функционированию целевой системы, и поэтому называются аналогами целевой системы. После калибровки моделирующие говорят о соответствии поведения первичной системы и ее аналога. Таким образом, поведение двух систем может быть определено путем эксперимента с одной из них.
Создание аналогичной модели
Для создания аналоговой модели можно использовать множество различных инструментов и систем. "Когда ученые начали свою работу, многие важные открытия были сделаны так, как будто их теоретически постулированные модели атомов, вирусов, витаминов, гормонов и генов имели реальное, реальное существование. Они действовали так, как будто каждое воображаемое понятие действительно существовало в точности в той форме, которую очерчивали их теоретические предположения; и, отбросив любой притворный аналог, они действовали с точки зрения, что существенный, реальный мир был именно таким, как они теоретически описали его. Рассмотрим аналогичную модель, разработанную для содействия пониманию поведения газов, которая предполагает возможные связи между некоторыми теоретическими действиями частиц газа и некоторыми наблюдаемыми действиями бильярдных шаров. Ачинштейн (1964, с.332) напоминает нам, что, несмотря на то, что мы думаем о газах таким полезным образом, "физик, очевидно, предполагает, что молекулы, а не бильярдные шары, состоят из газов" Yeates (2004, с. 71, 73) Механическое устройство может использоваться для представления математических вычислений. Например, Phillips Hydraulic Computer MONIAC использовал поток воды для моделирования экономических систем (целевая система); электронные схемы могут использоваться для представления как физиологических, так и экологических систем. Когда модель запускается на аналоговом или цифровом компьютере, это называется процессом моделирования.
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.
Механические аналогии
Для сопоставления электрических явлений с механическими явлениями может использоваться любое количество систем, но обычно используются две основные системы: аналогия импеданса и аналогия подвижности. Аналогия импеданса отображает силу к напряжению, тогда как аналогия подвижности отображает силу к току. Аналогия импиденции сохраняет аналогию между электрическим и механическим импиденциями, но не сохраняет топологию сети. Аналогия подвижности сохраняет топологию сети, но не сохраняет аналогию между импедансами. Оба сохраняют правильные отношения энергии и мощности, делая аналогичными конъюгированные пары переменных.
Гидравлическая аналогия
В гидравлической аналогии интегратор воды может выполнять математическую операцию интеграции.
Физиологические аналогии
Фрэнсис Крик использовал исследование зрительной системы в качестве прокси для изучения сознания.
Формальные аналогии
"Одни и те же уравнения имеют одинаковые решения". Например, законы обратного квадрата гравитации и электромагнетизма могут быть описаны аналогичными уравнениями на геометрической основе, почти без учета физических деталей о массах и зарядах. В популяционной экологии возникают дифференциальные уравнения, которые такие же, как и в механике, хотя и с разными интерпретациями. Рекурсия требует сходства в ситуации; например, Архимед использовал мириад, чтобы посчитать количество песчаных зерен на пляже, используя концепцию мириад мириад.
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.
Практическое применение
Аналогия Максвелла изначально использовалась только для того, чтобы помочь объяснить электрические явления в более знакомых механических терминах. Работа Файрстона, Трента и других продвинула область далеко за пределы этого, стремясь представлять системы нескольких энергетических областей как единую систему. В частности, конструкторы начали преобразовывать механические части электромеханической системы в электрическую область, чтобы всю систему можно было проанализировать как электрическую цепь. Ванневар Буш был пионером такого рода моделирования в его разработке аналоговых компьютеров, и последовательная презентация этого метода была представлена в 1925 году в статье Клиффорда А. Никла. С 1950-х годов производители механических фильтров, в частности Collins Radio, широко использовали эти аналогии, чтобы взять хорошо развитую теорию проектирования фильтров в электротехнике и применить ее к механическим системам. Качество фильтров, требуемое для радиоприложений, не может быть достигнуто с помощью электрических компонентов. Гораздо более качественные резонаторы (более высокий коэффициент Q) можно было бы сделать с механическими частями, но не было эквивалентной теории фильтра в машиностроении. Также необходимо было проанализировать механические части, преобразователи и электрические компоненты цепи как полную систему, чтобы предсказать общий ответ фильтра. Гарри Ф. Олсон помог популяризировать использование динамических аналогий в области аудиоэлектроники с его книгой "Динамические аналогии", впервые опубликованной в 1943 году.
Аналогии с неконъюгированными силами
Общая аналогия магнитных схем отображает магнитомотивную силу (mmf) к напряжению и магнитный поток (φ) к электрическому току. Однако mmf и φ не являются конечными переменными. Произведение этих не в единицах мощности, а соотношение, известное как магнитная неохота, не измеряет скорость рассеивания энергии, поэтому не является истинным импиденцией. Если требуется совместимая аналогия, можно использовать mmf в качестве переменной усилия, а dφ/dt (скорость изменения магнитного потока) будет переменной потока. Это известна как модель гираторного конденсатора. Широко используемая аналогия в тепловой области отображает разницу температур как переменную усилия и тепловую мощность как переменную потока. Опять же, это не конъюгированные переменные мощности, и соотношение, известное как тепловое сопротивление, на самом деле не является аналогией импиденции или электрического сопротивления, что касается потоков энергии. Совместимая аналогия может принимать разницу температуры в качестве переменной усилия и скорость потока энтропии в качестве переменной потока.
Обобщение
Многие приложения динамических моделей преобразуют все энергетические области в системе в электрическую цепь, а затем приступают к анализу всей системы в электрической области. Однако существуют более общие методы представления. Одним из таких представлений является использование графиков облигаций, введенных Генри М. Пейнером в 1960 году. Обычно используется аналогия силового напряжения (аналогия импеданса) с графиками связей, но это не является обязательным требованием. Аналогичным образом Трент использовал другое представление (линейные графики), и его представление стало ассоциироваться с аналогией силы (аналогия подвижности), но опять же это не обязательно. Некоторые авторы не рекомендуют использовать терминологию, специфичную для конкретной области, ради обобщения. Например, поскольку большая часть теории динамических аналогий возникла из электрической теории, конечные переменные мощности иногда называются V-типом и I-типом в зависимости от того, являются ли они аналогами напряжения или тока соответственно в электрической области. Аналогичным образом, гамильтоновые переменные иногда называют обобщенным импульсом и обобщенным смещением в зависимости от того, являются ли они аналогами импульса или смещения в механической области.
Функциональные аналоги
Функциональные аналоги (или функциональные аналоги) - это сущности (модели, представления и т. д.) которые могут быть заменены, чтобы выполнять ту же функцию. Когда рассматриваемые объекты формально представлены черными ящиками, понятие аналога связано с "одинаковым поведением": они принимают одну и ту же выходной последовательность, когда они подвергаются одной и той же входной последовательности.
Гидравлическая аналогия
Жидкостная или гидравлическая аналогия электрической цепи пытается интуитивно объяснить схему с точки зрения сантехники, где вода аналогична подвижному морю заряда внутри металлов, разница давления аналогична напряжению, а скорость потока воды аналогична электрическому току.
Аналоговые компьютеры
Электронные схемы использовались для моделирования и моделирования инженерных систем, таких как самолеты и атомные электростанции, прежде чем цифровые компьютеры стали широко доступны с достаточно быстрыми временами обращения, чтобы быть практически полезными. Для ускорения времени построения цепей использовались электронные схемы, называемые аналоговыми компьютерами. Однако аналоговые компьютеры, такие как миномет Нордена, также могут состоять из передач и шкивов в расчете. Примерами являются Vogel и Ewel, которые опубликовали "Электрический аналог трофической пирамиды" (1972, глава 11, с. 105121), Элмор и Сэндс (1949), которые опубликовали схемы, разработанные для исследований в области ядерной физики и изучения быстрых электрических транзиантов, выполненных в рамках Манхэттенского проекта (однако схемы, имеющие применение к технологии оружия, не были включены по соображениям безопасности), и Говард Т. Одум (1994), который опубликовал схемы, разработанные для аналогичного моделирования экологических экономических систем во многих масштабах геобиосферы.
Философская загадка
Процесс аналогового моделирования имеет философские трудности. Как отмечается в Стэнфордской энциклопедии философии, существует вопрос о том, как физические / биологические законы целевой системы связаны с аналогичными моделями, созданными людьми для представления целевой системы. Мы, кажется, предполагаем, что процесс построения аналоговых моделей дает нам доступ к фундаментальным законам, управляющим целевой системой. Однако, строго говоря, мы имеем только эмпирические знания о законах, которые верны для аналогичной системы, и если постоянная времени для целевой системы больше, чем жизненный цикл человека (как в случае с геобиосферой), поэтому любому человеку очень трудно эмпирически проверить действительность расширения законов их модели на целевую систему в течение их жизни.