Моделирование в научно-техническом исследовании

 

 

Министерство образования и науки Украины

Приднепровская государственная академия строительства и архитектуры

 

 

Кафедра философии и политологии

 

 

 

 

Реферат

 

 

 

Моделирование в научно-техническом исследовании

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

Выполнил: асп. Токарь Е.Л.

Принял: д. филос. н., профессор

Прокофьев Ф.И.

 

 

 

 

 

 

Днепропетровск

2006 г.

 

Содержание

	Введение	Стр.3
1	Определение понятий моделирования, модели, аналогии и подобия	Стр.6
1.1	Определение понятия модель (моделирование). Классификация моделей и методов моделирования	Стр.6
1.2	История развития моделирования	Стр.8
1.3	Аналогия и подобие, их соподчиненность	Стр.9
2	Роль моделирования в познавательной и практической деятельности.	Стр.15
2.1	Модель и эксперимент. Достоверность модели	Стр.15
2.2	Моделирование как способ и средство описания мира	Стр.16
2.3	Компьютерное моделирование	Стр.18
2.4	Моделирование в технике. «Виртуальная реальность»	Стр.21
3.	Объект моделирования в моем исследовании	Стр.25
3.1	Выбор метода исследования	Стр.25
3.2	Объект исследования – сложная конструктивная система железобетонных элементов.	Стр.26
	Заключение	Стр.30
	Литература	Стр.32

 

ВВЕДЕНИЕ

Абстрактное моделирование с помощью компьютеров - вербальное, информационное, математическое - в наши дни стало одной из информационных технологий, в познавательном плане исключительно мощной. Изучение компьютерного математического моделирования открывает широкие возможности для осознания связи информатики с математикой и другими науками - естественными и социальными.

С понятием «модель» мы сталкиваемся с детства. Игрушечный автомобиль, самолет или кораблик для многих были любимыми игрушками, равно как и плюшевый медвежонок или кукла. В развитии ребенка, в процессе познания им окружающего мира, такие игрушки, являющиеся, по существу, моделями реальных объектов, играют важную роль. В подростковом возрасте для многих увлечение авиамоделированием, судомоделированием, собственноручным созданием игрушек, похожих на реальные объекты, оказало влияние на выбор жизненного пути.

Что же такое модель? Что общего между игрушечным корабликом и рисунком на экране компьютера, изображающим сложную математическую абстракцию? И все же общее есть: и в том, и в другом случае мы имеем образ реального объекта или явления, «заместителя» некоторого «оригинала», воспроизводящего его с той или иной достоверностью и подробностью. Или то же самое другими словами: модель является представлением объекта в некоторой форме, отличной от формы его реального существования. Модели классифицируют исходя из наиболее существенных признаков объектов. Понятие “модель” возникло в процессе опытного изучения мира. Первыми, кто применил модели на практике, были строители.

Практически во всех науках о природе, живой и неживой, об обществе, построение и использование моделей является мощным орудием познания. Реальные объекты и процессы бывают столь многогранны и сложны, что лучшим способом их изучения часто является построение модели, отображающей лишь какую-то грань реальности и потому многократно более простой, чем эта реальность, и исследование вначале этой модели. Многовековой опыт развития науки доказал на практике плодотворность такого подхода.

В моделировании есть два заметно разных пути. Модель может быть похожей копией объекта, выполненной из другого материала, в другом масштабе, с отсутствием ряда деталей. Например, это игрушечный кораблик, самолетик, домик из кубиков и множество других натурных моделей. Модель может, однако, отображать реальность более абстрактно - словесным описанием в свободной форме, описанием, формализованным по каким-то правилам, математическими соотношениями и т.д.

Моделирование в настоящее время привлекает пристальное внимание и получило необычайно широкое применение во многих областях знаний: от философских и других гуманитарных разделов знаний до ядерной физики и других разделов физики, от  проблем радиотехники и электротехники до проблем механики и гидромеханики,  физиологии и биологии и т. д.

Применение моделирования в технике довольно широко. Это и исследование гидроэнергетических объектов и космических ракет, специальные модели для наладки  приборов управления и тренировки персонала, управляющего различными сложными объектами. Многообразно применение моделирования в военной технике. В последнее время особое значение приобрело моделирование биологических и физиологических процессов.

Моделирование превратилось:

а) в общенаучный, в высшей степени эффективный инструмент познания;

б) в метод прогнозирования инженерно-конструкторских разработок;

в) в метод машинной имитации долгосрочных программ и планов в области экономики, анализа и оценки различных вариантов принимаемых ответственных решений и последствий их реализации.

Тема диссертации “ Разработка конструкций сборно-монолитного каркаса” предполагает создание модели высотного или протяженного сооружения с использованием такого вида каркаса. Поскольку тема моей диссертационной работы связана с исследованием отдельных конструкций, а в продолжении и всего каркаса, и при этом исследование данной системы не возможно при натурных испытаниях построенного объекта, то предусматривается создание модели такого каркаса. При написании реферата целесообразно более подробно ознакомиться с методологией моделирования, и на основе полученных знаний выработать методику познания работы сложной системы конструкций.

Структура реферата включает общую характеристику термина “модель”, классификацию моделей. Так как аналогия является научной основой моделирования кратко, дается понятие этого термина и его отличия от модели. Показано историческое развитие моделирования.

Дается сравнение модели и эксперимента, приводятся примеры моделирования в технике, компьютерное моделирование.  

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

1. Определение понятий моделирования, модели, аналогии и подобия

 

1.1. Определение  понятия модель (моделирование). Классификация моделей и методов моделирования

 

“Под моделью - понимается такая мысленно представляемая или материально реализованная система, которая отображает и воспроизводит объект так , что ее изучение дает новую информацию об этом объекте”.1

            “Модель - это система, исследование которой служит средством для получения информации о другой системе”2.

моделирование - главный способ познания нами нас самих и окружающего мира. Определяя гносеологическую роль моделирования, отметим многообразие моделей в науке и технике. Моделируемый объект называется оригиналом, моделирующийся - моделью. Модели классифицируют исходя из наиболее существенных признаков объектов3. Этими признаками являются:

1) закон функционирования и характерные  особенности выражения свойств и отношений оригинала;

2) основания для преобразования  свойств и отношений модели  в свойства и отношения оригинала.

Обзор литературы по проблеме моделирования позволяет сделать вывод, что единая классификация видов моделирования затруднительна в силу многозначности понятия «модель» в науке и технике. Ее можно проводить по различным критериям: по характеру моделей по характеру моделируемых объектов и др. В связи с этим любая классификация видов моделирования обречена на неполноту, тем более, что терминология в этой области опирается не столько на «строгие» правила, сколько на языковые, научные и практические традиции, а еще чаще определяется в рамках конкретного контекста и вне его никакого стандартного значения не имеет.

На мой взгляд, наиболее общей можно считать следующую классификацию.

модели можно разделить:

- по первому признаку на логические (по законам логики в сознании человека) и материальные (по объективным законам природы) модели;

- в свою очередь логические  модели делятся на образные, знаковые, образно-знаковые (смешанные) модели;

- материальные модели - на функциональные, геометрические, функционально-геометрические модели;

- функциональные и функционально-геометрические  модели в зависимости от физической однородности и разнородности с оригиналом разделяются на физические и формальные;

- по второму признаку различают условные (на основании условия или соглашения), аналоговые (на основании умозаключения по аналогии, непрерывные) и математические (математические методы выражения) модели;

- из математических моделей  можно выделить расчетные ( математическое представление - формулы, уравнения, графики, алгоритмы и т.д.) и соответственные (математические зависимости) модели;

- из соответственных выделяются подобные модели ( пропорциональность переменных величин к соответствующим переменным оригинала);

- подобные модели могут быть логическими и материальными;

- подобные материальные модели  разделяют на аналоговые ( непрерывные), цифровые (дискретные) и аналого-цифровые ( комбинированные и гибридные) модели.

В общем случае процесс моделирования состоит из следующих этапов:

1. Постановка задачи и определение  свойств оригинала, подлежащих исследованию.

2. Констатация затруднительности  или невозможности исследования  оригинала в натуре.

3. Выбор модели, достаточно хорошо фиксирующей существенные свойства оригинала и легко поддающейся исследованию.

4. Исследование модели в соответствии  с поставленной задачей.

5. Перенос результатов исследования  модели на оригинал.

6. Проверка этих результатов.

Основными задачами являются: во-первых, выбор моделей и, во-вторых, перенос результатов исследования моделей на оригинал.

 

1.2. История развития  моделирования

 

Исторически первыми моделями как заместителями некоторых объектов были, несомненно, символические условные модели. Ими являлись языковые знаки, естественно возникшие в ходе развития человечества и постепенно составившие разговорный язык.

Следующим этапом развития моделирования можно считать возникновение знаковых числовых обозначений. Сведения о результатах счета первоначально сохранился в виде зарубок. Постепенное совершенствование этого метода привело к изображению чисел в виде цифр как системы знаков. Можно предположить, что именно зарубки были прототипом римских цифр I, II, III, V, X.

Дальнейшее развитие знаковых моделей связано с возникновением письменности и математической символики. Наиболее древние письменные тексты, известные в настоящее время, относят примерно к 2000 г. до н. э.(Египет и Вавилон). Есть основания полагать, что вавилоняне уже пользовались понятием подобия прямоугольных треугольников.

Значительное развитие моделирование получает в древней Греции в V-III вв. до н. э. Была создана геометрическая модель Солнечной системы, врач Гиппократ для изучения человеческого глаза воспользовался его физической аналогичной моделью - глазом быка4, математик Евклид создал учение о геометрическом подобии.

По мере развития и укрупнения механического производства, металлургии, кораблестроения, градостроения и т. д., все чаще обнаруживается недостаточность геометрического подобия физически однородных объектов для прогнозирования свойств объектов больших размеров на основании свойств объектов меньших размеров.

Первый шаг в развитии учения о подобии при физическом моделировании был сделан И. Ньютоном (1643-1727), который сформулировал условия подобия механических явлений. Далее развитие длительное время шло путем определения частных условий подобия для явлений только определенной физической природы - работы И. П. Кулибина (1735-1818) и Л. Эйлера (1707-1783) в области строительной механики, В. Л. Кирпичева (1845-1913) в области упругости и др.

И наконец, в 1909-1914 гг. Н. Е. Жуковским, Д. Релеем, Ф. Букингемом была сформулирована теорема, позволяющая установить условия подобия явлений любой физической природы.

Параллельно шло развитие логического моделирования в знаковой форме, это прежде всего развитие математики. В конце XVI в. Д. Непер (1550-1617) изобрел логарифмы. В конце XVII в. И. Ньютон и Г. Лейбниц (1646-1716) создали дифференциальное исчисление. Получают развитие численные методы решения различных задач.

К первым вычислительным устройствам можно отнести счеты (XV-XVI в.), логарифмическую линейку (начало XVII в.). Длительное время вычислительные устройства были исключительно механическими - арифмометр, счетно - решающие механизмы и т. п. И только в 30-х гг. нашего столетия начинается развитие электрических аналоговых и цифровых вычислительных устройств.

И первые обобщения двух направлений материального моделирования - а) физического и б) формального с помощью вычислительных устройств были сделаны В. А. Вениковым (1949 г.) и Л. И. Гутенмахером (1949 г.), а затем получили дальнейшее развитие у И. М. Тетельбаума (1959 г.), А. М. Сучилина (1964 г.), П. М. Алабужева (1968 г.). Философские концепции основных общих вопросов моделирования отражены В. А. Штоффом, И. Б. Новиковым, Н. А. Уемовым и др.5