5.2. Классификация технических моделей

Модели, применяемые в технике в настоящее время, можно разделить на три типа.

Первый тип — геометрически подобные. Они дают внешнее представление натуры (прототипа) и большей частью служат для демонстрационных целей: показывают форму, принцип действия, взаимное расположение частей, процесс сборки и разборки, компоновку объекта. Примерами геометрических моделей могут служить макеты машин и архитектурных сооружений (экспонаты технических выставок, наглядные пособия и др.), демонстрационные схемы технологических процессов, модели-макеты как форма объемного проектирования в строительстве.

Геометрические (или пространственно подобные) модели широко применяют в обучении. В особенности важна их роль в политехническом образовании, при ознакомлении школьников с различными видами производства, видеть которые воочию учащиеся не всегда имеют возможности. Со многими ведущими видами производства школьникам приходится знакомиться только по книгам, журналам, рисункам, чертежам, т. е. пользоваться образно-знаковыми, идеальными моделями. Однако по ним учащиеся не всегда могут достаточно ясно представить себе внутреннее устройство машин и других установок и тем более познакомиться с ними в разобранном виде. Кроме того, приведенный на плоскостных изображениях целый ряд технических подробностей и деталей нередко затеняет суть дела.

Для того чтобы понять и усвоить эту суть, уловить общие принципы в работе различных технических устройств, наряду с плоскостными графическими материалами используют разборные упрощенные модели-схемы. Это как бы пространственные материализованные чертежи, иллюстрирующие техническую сущность установки и ее внутреннее устройство.

Модели-схемы конечно отличаются от моделей в музеях и на выставках — трудоемких и сложных, а нередко и дорогих сооружений, которые обычно огорожены леерами и которые всячески оберегают от соприкосновения с посетителями. Такие модели-схемы можно разбирать и собирать, с ними можно работать как с учебным пособием, изучая принципы устройства данной установки. Подобные модели дают яркое, образное представление о действительном объекте и в то же время они схематичны — в них нет технологических деталей, подробностей, не относящихся к сути дела. Такова, например, разборная модель токарного станка или трактора, изготовленных исключительно с учебной целью, модель доменной печи, состоящая из легко разъединяющихся частей, двигателя автомобиля и др.

В последние годы в строительстве, архитектуре и некоторых других видах человеческой деятельности широкое распространение получил модельно-макетный метод проектирования. На макетах (пространственно подобных моделях) заблаговременно отрабатываются конструкции зданий и сооружений, их планировка, в том числе расстановка оборудования в цехах предприятий, животноводческих комплексах и др. Вместе с тем этот метод проектирования на протяжении десятилетий активно применяется в техническом творчестве школьников, является одним из популярнейших видов познавательно-преобразовательной деятельности детей и подростков, выражающейся в проектировании и конструировании моделей воображаемых объектов — космических кораблей и океанских супертанкеров, жилых зданий, спортивных, промышленных и сельскохозяйственных комплексов, сверхскоростных автомобилей и т. п.

Как правило, пространственно подобная или геометрическая модель представляет собой объект, геометрически подобный своему прототипу (реально существующему или воображаемому). При этом материал, из которого сделана модель, не имеет существенного значения и определяется соображениями удобства изготовления и сохранения изделия. Например, при сооружении настольной (стендовой) модели-копии корабля (морского, воздушного или космического) совершенно безразлично, из чего будет сделан ее корпус: из цельного массива или набран из отрезков древесины, отлит из эпоксидной смолы или из гипса. Назначение такой модели — отразить, воспроизвести лишь внешний облик, т. е. геометрические пропорции и окраску того или иного корабля, а не его гидро- или аэродинамические, а также другие физические качества.

Геометрическое подобие является, таким образом, основным требованием, предъявляемым к пространственным моделям. Пространственно подобная модель отображает прототип не во всем многообразии его свойств, не в любых качественных границах, а и границах чисто пространственных. В этом проявляется определенная ограниченность геометрических моделей, значительно снижающая ценность выводов, получаемых с их помощью.

Второй тип технических моделей — физически подобные, имеющие в современной технике гораздо большее значение, нежели пространственно подобные. Их создают с целью воспроизвести не только и не столько пространственные свойства натурного объекта, сколько динамику изучаемых процессов, различного рода зависимости и закономерные связи, структуры и, следовательно, величины, параметры и другие характеристики, выражающие различное содержание и сущность изучаемых явлений. Основой модельного отношения является здесь физическое подобие модели и прототипа, предполагающее одинаковость или сходство их физической природы и тождественность законов движения. Отношение таких моделей к отображаемому прототипу может выражаться лишь изменением пространственной или временной шкалы. Например, классические опыты с моделями, прочно вошедшими в мировую историю техники, эксперименты, проводимые в наше время с моделями самолетов, ракет, автомобилей, подводных лодок, плотин и других машин и сооружений. Все это примеры моделей, основанных на изменении пространственной или временной шкалы.

При физическом моделировании предполагается, что модель и прототип представляют собой объекты одинаковой физической природы, т. е. движение жидкости моделируется движением жидкости, электрический ток - электрическим же током, полет самолета — полетом его модели и т. д. Однако вполне возможно моделировать явление одной природы явлением совсем другой природы. Например, течение жидкости — током, движение воды в песках — теплопередачей, форму и движение стоячей и бегущей ноли — перемещением шариков волновой машины, хорошо известной школьникам по урокам физики, систему различения цветов в органах зрения живого организма — электронным перцептроном и др.

Такого типа моделирование часто называют математическим методом или «методом аналогии» (аналогия отличается от подобия в узком смысле этого слова именно тем, что она не предполагает тождественности физической природы сравниваемых объектов). Аналогия имеет ряд черт, отличающих ее от моделей. Замечено, что метод моделирования, основанный на опытах с моделями одной физической природы с образцом, обладает существенными недостатками, а иногда совершенно неприменим. Недостатки этого метода состоят прежде всего в том, что стоимость экспериментальных моделей бывает порой довольно велика, а, главное, методы измерения искомых величин большей частью грубы, неточны и искажают изучаемое явление. Эти недостатки преодолеваются в аналогиях. Считается, что две системы являются аналогичными, если имеется однозначное соответствие между каждым элементом этих систем, а также между функциями возмущения и реакциями этих элементов и всей системы в целом. Аналогией подобного типа обладает масштабная модель, в которой воспроизводится каждый элемент прототипа, но в измененных размерах. Более тонким типом аналогии является аналогия между системами, принадлежащими к двум совершенно различным физическим категориям. Аналогия между такими системами часто выражается как подобие между уравнениями, характеризующими эти системы.

Третий тип технических моделей — функционально подобные (нередко их называют математическими или кибернетическими). В творчестве школьников этот вид моделирования применяется главным образом в конструировании и постройке устройств, имитирующих способ передвижения или поведения живых существ. Для эффективности таким устройствам нередко придается форма, внешний вид животных, насекомых и даже человека. Это всевозможные электромеханические и электронные самодвижущиеся «черепахи», «гусеницы», «божьи коровки» и др., «способные» обходить препятствия, реагировать на звук, свет. К их числу можно отнести антропоподобных роботов, строящихся в некоторых кружках, а также устройства, моделирующие органы зрения, слуха, памяти. Все эти устройства, естественно, не обладают одинаковой с прототипом физической природой, не сохраняют физического подобия, хотя могут иметь и некоторое внешнее (геометрическое) сходство. В данном случае отношение между моделью и прототипом является отношением аналогии. Эта аналогия может быть структурной или функциональной (изоморфизм или изофункционализм).

Как уже отмечалось, поведение систем, различных по своей физической природе (по конкретным физическим, химическим, биологическим свойствам), но сходных по каким-то более общим законам строения или функционирования, математически может быть описано одинаково. По этому признаку и упомянутые нами выше модели юных техников в определенной мере могут быть причислены к «математическим». В детском техническом творчестве модели, имитирующие, воспроизводящие на механической, электрической или электронной не функции поведения живых существ, называют чаще кибернетическими, хотя термин «функциональные модели» конечно отражает существо дела более точно.

Над подобными моделями школьники работают очень охотно, так как при этом открываются широкие возможности применения устройство автоматики и телемеханики, возможности идти, что называется, «в ногу со временем». Привлекает школьников эта область моделирования и широкой вариативностью, возможностью практически неограниченного выбора объектов конструирования и новизной таких наук, как бионика, кибернетика, азы которых они постигают в ходе своей поисково-конструкторской деятельности. В силу отмеченных обстоятельств образовательное, познавательное значение данного направления в техническом творчестве школьников достаточно велико и перспективно.

При постройке спортивных моделей стремятся к тому, чтобы пни развивали большую скорость, были маневренны, могли перемещаться на максимальное расстояние и т. п. Спортивные модели могут быть кордовыми, трассовыми, с дистанционным управлением и свободно перемещающимися. В последнее время, с целью повышения роли поисковой деятельности в техническом творчестве, изготавливают так называемые экспериментальные модели, содержащие какие-либо новые решения.

В соответствии с Единой спортивной классификацией в настоящее время определены следующие классы спортивных моделей: авиамодели — свободно летающие (планер, резиномогорная, таймерная), кордовые модели с поршневым двигателем, радиоуправляемые, модели-копии; модели ракет - высотные модели, модели на продолжительность спуска (с лентой и на парашюте), модели ракетопланов, модели-копии; модели автомобилей - гоночные модели, модели с двигателями внутреннего сгорания (объемом до 1,5; 2,5; 5 и 10 см3), модели с воздушным винтом (с объемом двигателя до 1,5 и 2,5 см3), скоростные радиоуправляемые модели с двигателем внутреннего сгорания, модели-копии с электродвигателем; модели кораблей - самоходные модели военных кораблей с механическим двигателем, модели гражданских судов с механическим двигателем, самоходные модели свободного класса, скоростные управляемые модели фигурного курса, скоростные управляемые, скоростные кордовые модели, модели подводных лодок с механическим двигателем, скоростные управляемые модели групповых гонок.

Среди спортивных моделей в последнее время большой авторитет завоевали трассовые автомодели. Они просты по устройству, не требуют дорогостоящего оборудования и материалов. Не сложна и технология их изготовления. Соревнования по трассовому моделизму проходят захватывающе, что привлекает учащихся.

Если модель отображает основные признаки и свойства не одного прототипа, а всего класса представленных машин, механизмов, узлов, то ее называют обобщенной (например, модель дифференциала, винтовой передачи и др.). Кроме того, модели могут быть динамическими (действующими) и статическими (не действующими).

Особую группу технических моделей составляют тренажеры. В них органически сочетаются элементы моделирования с элементами реальной техники (приборами, механизмами и т. д.). Тренажеры применяют для формирования навыков управления различными машинами. Поэтому они создаются так, чтобы водителю, летчику, оператору создать условия, максимально приближенные к реальным.

Классификация моделей, в основу которой положен принцип различия моделей по содержанию, приведена на схеме 1.