3.2. Унифицированная модель обобщенного физического процесса

Мельников В.И.

Спецификой физики как науки о наиболее общих законах естествознания является наличие значительного количества самостоятельных, слабосвязанных между собой разделов. Несмотря на то, что физика является точной наукой, каждое положение и закон которой требуют четкого и надежного экспериментального обоснования, неизбежная ограниченность и приближенность принятых исходных понятий каждого раздела не позволяют построить цельное монолитное непротиворечивое здание всей физики в целом. Процесс сближения различных разделов зависит от уровня развития экспериментальной базы и возможностей теоретической обработки и обобщения необозримых массивов экспериментальных данных, включая правильность интерпретации полученных результатов.

В этой ситуации ТЗС в силу своей общности может сыграть роль связующего звена между различными разделами физики. Наиболее эффективно возможности ТЗС, как методологического средства, могут проявиться при рассмотрении ряда дискуссионных проблем современной физики с соответствующей адаптацией положений теории к специфике современной физической картины мира.

Для указанной адаптации синтезируем физический аналог ТЗС на базе обобщения достаточно представительного объема теоретического и экспериментального материала из различных разделов физики.

При анализе структуры и сопоставлении физической сущности ряда основополагающих физических законов и описывающих их математических моделей из различных разделов физики (механики, термодинамики, акустики, электромагнетизма и др.) обращает на себя внимание существенное подобие этих зависимостей как в формальном структурном плане, так и в их реальной физической сущности.

Некоторые результаты такого анализа представлены в табл. 2, содержащей информацию о различных физических процессах, описывающих их величинах и параметрах и связывающих их зависимостях.

В верхней половине боковика таблицы приведен расположенный по вертикали ряд детально изученных физических процессов из различных разделов физики, в том числе механическое движение, движение жидкости и газа, теплопередача, постоянный электрический ток, диффузия, акустический поток.

Справа от каждого из этих процессов приведены основные физические величины или их комплексы, описывающие эти процессы. Эти физические величины и комплексы для разных процессов расположены относительно друг друга таким образом, что по вертикали образуют группы показателей с одинаковыми функциями: инициирование, торможение, накопление, изменение и др., т.е. первая группа объединяет показатели, являющиеся движущей активной составляющей всех процессов (т.е. «разницу» системы сил, известную как равнодействующую, разницу давлений (перепад), разницу потенциалов, концентраций, температур, т.е. разницу каких-то одноименных показателей физического состояния тел). Вторая группа объединяет показатели, характеризующие интенсивность процессов (I, v, Q).

Третья группа соединяет показатели, ограничивающие (тормозящие) процесс (вязкость, сопротивление, трение и т.д.). Четвертая группа включает в себя показатели, отражающие количественный результат течения процесса (длину, объем, количество тепла, вещества и т.д.). Пятая группа отражает энергетический уровень процесса, его мощность. Последняя шестая группа объединяет показатели энергетической результативности процесса, т.е. отражает общий объем происшедших в системе энергетических изменений и совершенную при течении процесса работу.

Каждая из этих групп, ввиду функционального подобия их составляющих, может рассматриваться как единое целое и обозначена единым обобщенным параметром. Наименование и обозначение обобщенных параметров для каждой группы приведены в оголовке табл. 3. Это U, R, I, L, N, W. Два последних параметра, мощность и энергия, как известно, уже длительное время применяются как обобщенные параметры, справедливые для любого процесса независимо от его природы. Кроме того, в приведенных процессах неявно присутствует еще один общеизвестный, точнее, общемировой обобщенный параметр – это время t.

Таким образом, можно предположить, что любой физический процесс может быть описан в 7 обобщенных параметрах U, R, I, t, L, N, W. К трем общеизвестным и широко применяемым параметрам можно добавить еще четыре: U, R, I, L.

Приведенная система обобщенных параметров позволяет говорить о «существовании» некоторого соответствующего им обобщенного физического процесса.

Рассмотрим подробнее условия его возникновения, закономерности протекания и описания, а также причины и условия прекращения процесса.

Таблица 3. Структурная схема частных и обобщенного физических процессов

* – вне системы СИ.

** – единичный заряд и масса.

Условные обозначения величин, принятые в таблице:

Обобщенные: I – интенсивность; U – уровень; L – количество; R – сопротивление; N – мощность; W – энергия; t – время.

Частные: v – скорость перемещения; Q – производительность гидро-пневмопотока; ΔР – перепад давления в гидро-пневмолинии; V – объем; I_e – сила электротока; φ – потенциал электрической цепи, поля; Е – напряженность электрического поля; q – электрический заряд; Q_T – количество теплоты; ΔТ – перепад температур; М_d – масса диффундирующего вещества; С_d – концентрация вещества; Δl_i – протяженность пути передачи тепла, вещества; λ – коэффициент теплопроводности; S_i – поперечная площадь потока тепла, вещества; D – коэффициент диффузии; F_гр – сила гравитационного притяжения; m – масса вещества; E_m – напряженность гравитационного поля; G – гравитационная постоянная; F_эс – сила электростатического притяжения – отталкивания; ε₀ – диэлектрическая проницаемость вакуума; r – расстояние между массами, зарядами, массой и точкой поля; F_M – сила магнитного притяжения-отталкивания; J – намагниченность; μ₀ – магнитная постоянная; F_ИН – сила инерции; a – тангенциальное ускорение механического движения; k_i – размерные коэффициенты пропорциональности.

При анализе приведенных частных и обобщенного процессов можно выделить следующие общие черты.

1. Общим критерием существования любого физического процесса является наличие двух или более различных физических объектов (системы объектов), включая различные положения объектов в пространстве.

2. Практическим критерием существования процесса взаимодействия может также явиться появление новых, экспериментально обнаруживаемых свойств, характеристик или показателей хотя бы у одного из объектов системы по сравнению с его изолированным состоянием (положением).

3. Участвующие во взаимодействии объекты и процессы могут быть любой физической природы, как однотипные, так и разнотипные (термопара, тепловое расширение, электронагрев, световое давление и т.д.).

4. Любой физический процесс может включать в себя одновременно, последовательно или в любом сочетании множество разнонаправленных более мелких (частных) процессов различной физической природы (теплообменные, акустические, диффузионные, механические, электромагнитные и другие), на которые также распространяются данные положения и зависимости.

5. Объекты могут быть как с сосредоточенными, так и с распределенными параметрами, обладающими признаками целостности и без них.

6. Любой процесс означает взаимное изменение параметров участвующих в процессе объектов (т.е. взаимодействие), передачу энергии и (или) вещества между взаимодействующими объектами, т.е. существование между ними некоторого материального потока.

7. Любой процесс характеризуется рядом обязательных базовых параметров, относящихся к активной (движущей) и пассивной (стабилизирующей) частям.

8. Активная часть определяется двумя параметрами: уровнем U (F, ΔT, ΔP, Δφ, ΔC и т.д.) и интенсивностью взаимодействия I (v, I, Q и т.д.), образуя в совокупности параметр мощности N.

9. Пассивная часть определяется одним базовым па-раметром – сопротивлением R различной физической природы (R_e, F/u, ΔP/Q, S_a/I_a, l_T/ΔS_T и т.д.), при этом R = U/I.

10. Интенсивность и мощность аккумулируются во времени, образуя соответственно базовые параметры количества L и энергии W.

11. Параметр уровня существует до начала и в процессе взаимодействия, параметр интенсивности появляется только после начала взаимодействия и сохраняется в течение всего времени протекания процесса.

12. Базовые параметры процессов находятся между собой в определенной зависимости:

где t – время.

13. Процесс может существовать только при наличии различных относительно друг друга уровней взаимодействующих объектов.

14. Взаимодействие объектов направлено на сближение их относительных уровней, т.е. их взаимное, встречное изменение.

15. Совокупность всех участвующих в данном процессе объектов представляет собой замкнутую систему, в которой выполняются законы сохранения, в том числе и энергии.

16. Любой процесс, протекающий в замкнутой системе, по мере выравнивания уровней замедляется во времени вплоть до полного его прекращения.

17. Физические процессы любого вида во всех замкнутых системах протекают одинаково, т.е. все замкнутые системы равноправны.

18. Любой физический процесс с помощью приведенных базовых параметров может быть представлен в виде соответствующей математической модели, в частности, в виде уравнения, отражающего определенное равновесие отдельных физических величин или их комплексов и, следовательно, замкнутость системы взаимодействующих объектов.

19. Степень выполнения приведенных условий зависит от степени замкнутости системы взаимодействующих объектов, полное выполнение возможно только в абсолютно замкнутой системе (АЗС).

Приведенные в нижней строчке табл. 3 обобщенные параметры обобщенного (унифицированного) процесса не выражаются в конкретных размерных физических величинах принятой системы измерения, а имеют методологическое значение. С их помощью были получены новые параметры процессов (они подчеркнуты), например, параметры сопротивления для большинства рассмотренных процессов (кроме равномерного прямолинейного движения, движения жидкости, газа, постоянного электрического тока).

Приведенную выше совокупность принципов, положений, зависимостей и условий можно рассматривать как некоторую унифицированную модель обобщенного физического процесса, которая может быть использована при исследовании новых неизученных процессов, для интерпретации известных явлений в качестве неизвестных процессов, для получения новых количественных оценочных и расчетных зависимостей различных физических величин, и в целом как методологическое средство для решения разнообразных физических задач.

Использование приведенной модели позволяет установить направление исследований нового процесса или явления, установить вид, номенклатуру, количественные характеристики и параметры объекта исследования.

В самом общем виде это может выглядеть следующим образом. Модель необходимо «наложить (спроектировать)» на известные фрагменты исследуемого объекта (процесса), в соответствии со структурой модели дополнить ее недостающими элементами и в результате получить полное ее описание в виде соответствующих новых понятий физических величин и их зависимостей.

Ориентировочный порядок применения модели при установлении и исследовании нового или анализе известного физического процесса может выглядеть следующим образом.

1. По условию 15 и с учетом требований 3, 5 устанавливаем наличие системы и входящих в нее физических объектов.

2. По условиям 1 и 2 и с учетом 4 устанавливаем существование процесса взаимодействия.

3. По условию 11 устанавливаем номенклатуру параметров уровня и интенсивности взаимодействия.

4. По условию 12 и зависимости (17) устанавливаем величину параметров уровня и интенсивности (после выбора единиц, способов и средств измерения).

5. По условию 13 проверяем наличие (существование) процесса взаимодействия.

6. По зависимостям 9 и 12 с учетом 8 и 10 определяем физическую природу и величину производных параметров сопротивления, количества, мощности и энергии процесса.

7. По условию 6 и с учетом 14 и 16 устанавливаем характер (величину) изменения параметров физических объектов в процессе взаимодействия, устанавливаем соответствующие взаимосвязи параметров между собой и во времени.

8. По требованиям 15 и с учетом 19 проверяем выполнение закона сохранения энергии и условие замкнутости системы.

10. Составляем математическую модель процесса и устанавливаем связь с принятой системой единиц измерения физических величин. При необходимости используем различные коэффициенты соответствия или вводим новые физические величины. 11.

10. По условиям 16 и 19 устанавливаем окончательные параметры процесса, включая полное время взаимодействия и конечное значение его параметров.

В зависимости от степени подготовленности задачи можно использовать все этапы или только их часть. Приведенная методика применения разработанной модели говорит только о типовой структуре замкнутой системы и принципиальной возможности выявления обобщенного процесса и ничего не говорит о возможных численных значениях параметров процесса. В одних случаях они на данной стадии развития эксперимента могут не обнаруживаться, хотя в принципе должны существовать. А в других случаях могут достигать больших значений, но интерпретироваться совершенно в другом смысле. Задачей модели в первом случае является логическая увязка части известных фактов с предполагаемыми. В другом случае с помощью модели можно получить правильное объяснение известных фактов и на основании этого свести их в единую типовую замкнутую систему. Поэтому в каждом конкретном случае для решения задачи необходимо провести дополнительное исследование.

Одним из важных следствий указанной модели является вывод, что любое физическое тело находится в состоянии взаимодействия с окружающей средой и что любые два или более физических тела также находятся между собой в состоянии взаимодействия.

Предидущий раздел | Содержание | Следующий раздел