Тезисы

Лекция 9

Тема лекции: Кибернетика и синергетика как общие науки о процессах управления и самоорганизации сложных материальных систем.

Рассматриваемые вопросы:

1. Термодинамика, как раздел теоретической физики, изучающий стационарные и нестационарные термодинамические системы

2. кибернетика – наука об общих законах преобразования информации

3. Синергетика – наука о самоорганизации

1. Основные положения термодинамики

Любая термодинамическая система характеризуется следующими параметрами:

- Q- теплота

- U- внутренняя энергия

-A- работа

- T- температура

- S – энтропия

Наиболее важные законы термодинамики:

I. ∆Q = ∆U + ∆A – I начало термодинамики

оно отражает закон сохранения энергии для термодинамических систем.

II. ∆A = ∆Q + ( - ∆U) II начало термодинамики

Это соотношение указывает, что работу можно совершить только за счет подведения теплоты или уменьшения внутренней энергии системы.

Первое начало термодинамики указывает, что невозможно создать вечный двигатель, который совершал бы работу без подвода энергии или уменьшения внутренней энергии системы.

III. Значительное увеличение энергии системы приводит к переходу ее в неравновесное состояние. Переход из неравновесного состояния в состояние равновесия не обратим (возможен переход тепла от более нагретого тела к менее нагретому, причем такой переход происходит с необходимостью).

IV. Термодинамическая система стремится к состоянию равновесия с максимальной энтропией

V.

∆S ≥ 0 III начало термодинамики

Закон возрастания энтропии выражает необходимость перехода системы в наиболее вероятное состояние, для которого характерна максимальная величина неупорядоченности системы.

При переходе из неравновесного состояния в равновесное энтропия увеличивается, а в равновесном состоянии энтропия не изменна:

∆S = 0

Энтропия – это мера беспорядка системы. В равновесном состоянии упорядоченность системы минимальна, а величина хаоса максимальна.

При переходе системы в равновесное состояние часть энергии системы диссипирует – рассеивается – превращается в теплоту. Исходя из этого Р.Клаузиус (1865 г.) пришел к выводу о неизбежной тепловой смерти Вселенной (все виды энергии перейдут в тепловую энергию и она равномерно распределится во Вселенной). Такое представление вытекает из рассмотрения Вселенной как равновесной и статичной системы. На самом деле Вселенная нестационарна и неравновесна. В ней возникают звезды, планеты, жизнь, как высшая форма порядка, поэтому концепция «тепловой смерти Вселенной» не согласуется с концепциями современной фикизи:

1. S – энтропия Вселенной не возрастает, а стремится к «0» (при абсолютном нуле температуры всякое хаотическое движение молекул прекращается, организация структуры стабилизируется – беспорядок отсутствует, то есть энтропия стремится к нулю).

2. существует информационная причинность, то есть следствие может опережать причину. Раньше полагали, что следствие, вытекающее из причины, может следовать только за ней. Сейчас полагают, что время может быть направлено не только из прошлого в будущее, но из прошлого в настоящее.

3. Во вселенной имеют место флуктуации- случайные вероятностные отклонения от равновесного состояния. При этом вакуум рассматривают как гигантскую флуктуацию. Флуктуации в состоянии это не отклонение, а норма – это форма существования статически равновесных систем.

4. Случайность при этом рассматривается как форма выражения необходимости, а целесообразность рассматривается как форма регуляции отношений случайности и необходимости.

5. Неизбежность – это закономерная «неслучайность случайностей». Случайность выступает как характеристика сложных систем. В исследовании случайности лежит ключ к пониманию более высоких типов устойчивости.

6. Характеристикой устойчивости является динамичность.

7. Если рассматривать структуру реального мира как переход «хаос – прядок – хаос», то такие системы должны включать в себя огромные управляющиее устройства. Если же рассматривать мир как переход «порядок – хаос - порядок», то мы получим другое бытие и наши системы можно рассматривать как сомоорганизующиеся.

8. Порядок возникает не вместо хаоса, а через хаос – таков вывод современных исследований по неравновесной термодинамике.

2. Кибернетика

( в переводе с греч – искусство управления)

Это наука, которая исследует вопросы управления в сложных системах: технических

- живых

- общественных.

У истоков ее создания стояли такие ученые как: Виннер, Резенблют, Тьюринг, Шеннон, Берг, Глушков, Ляпунов, Колмогоров.

С труктура кибернетики

теоретическая техническая прикладная

кибернетика кибернетика кибернетика

Базовые категории кибернетики:

- управление

- информация

- негэнтропия.

Управление – это процесс информационного воздействия управляющего устройства (УУ) на исполнительное устройство (ИУ).

Общая схема управления:

УУ ИУ

Любое управляющее устройство включает:

- чувствительный элемент, воспринимающий информацию

- преобразователь полученной информации

- передачу преобразованной информации на ИУ

- запоминающее устройство.

УУ определяет порядок работы системы и координирует работу всех узлов. Управление – включает следующие аспекты - автоматические действия системы, действия системы с определенной целью, наличие обратной связи. Таким образом, управление – это целенаправленный процесс результатом которого является переход объекта из одного состояния в другое.

Обратная связь – это не просто обратное физическое действие – это обмен информацией между объектом управления (ИУ) и управляющим устройством (УУ).

Пример: регуляция уровня сахара в организме от 0.06 до 0.18%

П рямая связь

Надпочечники

А дреналин

П ечень концентрация

глюкозы

Поджелудочная железа

инсулин

Обратная связь

Гомеостаз – это процесс саморегуляции системы любой природы относительно заданного состояния на основе обратных связей.

Метод исследования кибернетики – бихевиорический - поведенческий – в кибернетике не используется структурное исследование объекта, а его поведение по схеме «стимул – реакция» ( поэтому кибернетика может использоваться в гуманитористике).

Плведение – изменение объекта управления по отношению к окружающей среде.

П оведение

Активное пассивное

- целесообразное реакция осуществляется

- не цлесообразное за счет подводимой к (случайное) объекту энергии

реакция осуществляется

за счет энергии самого объекта

Целесообразность – поведение объекта определяется заранее заданным результатом (конечным результатом). Активное целесообразное поведение может быть с обратной связью и без обратной связи.