8.3. Анализ размерностей

С ПРАВДОПОДОБНЫМИ РАССУЖДЕНИЯМИ «ОТ КОНЦА К НАЧАЛУ» ПРИ ОЦЕНКЕ ФАКТОРОВ ТЕХНОЛОГИЧЕСКОГО ПРОЦЕССА

Общие сведения о методе анализа размерностей

При изучении механических явлений вводится ряд понятий, например энергия, скорость, напряжение и т. п., которые характеризуют рассматриваемое явление и могут быть заданы и определены с помощью числа. Все вопросы о движении и о равновесии формулируются как задачи об определении некоторых функций и численных значений для величин, характеризующих явление, причем при решении таких задач в чисто теоретических исследованиях законы природы и различные геометрические (пространственные) соотношения представляют в виде функциональных уравнений – обычно дифференциальных.

Очень часто мы не имеем возможности постановки задачи в математическом виде, так как исследуемое механическое явление настолько сложно, что для него пока нет приемлемой схемы и нет еще уравнений движений. С таким положением мы встречаемся при решении задач в области авиамеханики, гидромеханики, в проблемах изучения прочности и деформаций и т.п. В этих случаях главную роль играют экспериментальные методы исследования, которые дают возможность установить простейшие опытные данные, которые в последующем ложатся в основу стройных теорий со строгим математическим аппаратом. Однако сами эксперименты могут осуществляться только на основе предварительного теоретического анализа. Противоречие разрешается при итерационном процессе исследования, выдвигая предположения и гипотезы и проверяя их экспериментальным путем. При этом основываются на наличии подобия явлений природы, как общего закона. Теория подобия и размерностей является в известной мере «грамматикой» эксперимента.

Размерность величин

Единицы измерения различных физических величин, объединенные на основе их непротиворечивости, образуют систему единиц. В настоящее время применяется Международная система единиц (СИ). В СИ независимо одна от другой выбраны единицы измерения так называемых первичных величин – массы (килограмм, кг), длины (метр, м), времени (секунда, сек, с), сила тока (ампер, а), температуры (градус Кельвина, К) и силы света (свеча, св). Они получили название основных единиц. Единицы измерения остальных, вторичных, величин выражаются через основные. Формула, указывающая зависимость единицы измерения вторичной величины от основных единиц измерения, называется размерностью этой величины.

Размерность вторичной величины находится при помощи определительного уравнения, служащего определением этой величины в математической форме. Например, определительным уравнением для скорости является

.

Будем указывать размерность величины при помощи взятого в квадратные скобки символа этой величины, тогда

, или ,

где [L], [T] – соответственно размерности длины и времени.

Определительным уравнением для силы можно считать второй закон Ньютона

Тогда размерность силы будет иметь следующий вид

[F]=[M][L][T].

Определительное уравнение и формула размерности работы соответственно будут иметь вид

A=Fs и [A]=[M][L][T].

В общем случае будем иметь взаимосвязь

[Q]=[M][L][T] (1).

Обратим внимание на запись взаимосвязи размерностей, это еще нам пригодится.

Теоремы теории подобия

Становление теории подобия в историческом аспекте характеризуют ее три основные теоремы.

Первая теорема подобия формулирует необходимые условия и свойства подобных систем, утверждая, что подобные явления имеют одинаковые критерии подобия в видеыбезразмерных выражений, которые есть мера отношения интенсивности двух физических эффектов, существенных для исследуемого процесса.

Вторая теорема подобия (П-теорема) доказывает возможность приведения уравнения к критериальному виду, не определяя достаточности условий для существования подобия.

Третья теорема подобия указывает на пределы закономерного распространения единичного опыта, ибо подобными явлениями будут те, которые имеют подобные условия однозначности и одинаковые определяющие критерии.

Таким образом, методологическая суть теории размерностей заключается в том, что всякую систему уравнений, заключающую в себе математическую запись законов, управляющих явлением, можно сформулировать как соотношение между безразмерными величинами. Определяющие критерии составляются из независимых между собой величин, которые входят в условия однозначности: геометрические соотношения, физические параметры, краевые (начальные и граничные) условия. Система определяющих параметров должна обладать свойствами полноты. Некоторые из определяющих параметров могут быть физическими размерными постоянными, их будем называть фундаментальными переменными, в отличие от других - регулируемых переменных. Пример, ускорение силы тяжести. Она фундаментальная переменная. В земных условиях – постоянная величина и - переменная в космических условиях.

Для правильного применения анализа размерностей исследователь должен знать характер и число фундаментальных и регулируемых переменных в его эксперименте.

В этом случае имеет место практический вывод из теории анализа размерностей и он заключается в том что, если экспериментатору действительно известны все переменные исследуемого процесса, а математической записи закона в виде уравнения пока еще нет, то он вправе преобразовать их, применив первую часть теоремы Букингема: «Если какое-либо уравнение однозначно относительно размерностей, то его можно преобразовать к соотношению, содержащему набор безразмерных комбинаций величин».

Однородным относительно размерностей является уравнение, форма которого не зависит от выбора основных единиц.

PS. Эмпирические закономерности, как правило, приближенные. Это описания в виде неоднородных уравнений. В своей конструкции они имеют размерные коэффициенты, «работающие» только в определенной системе единиц измерений. В последующем, с накоплением данных, мы выходим на описание в виде однородных уравнений, т. е. независимых от системы единиц измерения.

Безразмерные комбинации, о которых идет речь, представляют собой произведения или отношения величин, составленные таким образом, что в каждой комбинации размерности сокращаются. При этом произведения нескольких размерных величин различной физической природы образуют комплексы, отношение двух размерных величин одной физической природы – симплексы.

Вместо того чтобы варьировать поочередно каждую из переменных, причем изменение некоторых из них может вызывать затруднения, исследователь может варьировать лишь комбинаций. Это обстоятельство существенно упрощает эксперимент и позволяет представить в графической форме и проанализировать полученные данные гораздо быстрее и с большей точностью.

Использование метода анализа размерностей, организуя правдоподобные рассуждения «от конца к началу».

Ознакомившись с приведенными общими сведениями, особо можно обратить внимание на следующие моменты.

Наиболее эффективно применение анализа размерностей при наличии одной безразмерной комбинации. В этом случае экспериментально достаточно определить лишь согласующий коэффициент (достаточно поставить один эксперимент для составления и решения одного уравнения). Задача усложняется с увеличением числа безразмерных комбинаций. Соблюдение требования полного описания физической системы, как правило, возможно (а может быть так считают) при увеличении числа учитываемых переменных. Но при этом увеличивается вероятность усложнения вида функции и, главное, резко возрастает объем экспериментальных работ. Введение дополнительных основных единиц как–то снимает остроту проблемы, но не всегда и не полностью. Тот факт, что теория анализа размерностей со временем развивается, весьма обнадеживает и ориентирует на поиск новых возможностей.

Ну, а если при поиске и формировании набора учитываемых факторов, т. е. по сути, воссоздании структуры исследуемой физической системы воспользоваться организацией правдоподобных рассуждений «от конца к началу» по Паппу?

Для осмысления высказанного предложения и закрепления основ метода анализа размерностей предлагаем разобрать пример установления взаимосвязи факторов, определяющих эффективность взрывной отбойки при подземной разработке рудных месторождений.

Принимая во внимание принципы системного подхода, мы с полным основанием можем судить о том, что два системных взаимодействующих объекта образуют новую динамичную систему. В производственной деятельности этими объектами являются – объект преобразования и предметное орудие преобразования.

При отбойке руды на основе взрывного разрушения таковыми можем считать рудный массив и систему взрывных зарядов (скважин).

При использовании принципов анализа размерностей с организацией правдоподобных рассуждений « от конца к началу» получим следующий ход рассуждений и систему взаимосвязей параметров взрывного комплекса с характеристиками массива.

dм = f1 (W ,I0 ,tзам , s)	dм = k1 W (s tзам ¤ I0 W)n (1)
I0 = f2 (Ic ,Vбур ,Kи )	I0 = k2 Ic Vбур Kи (2)
Ic = f3 (tзам ,Q ,A)	Iс = k3 tвозд 2/3 Q2/3 A1/3 (3)
tвозд = f4 (rзаб ,Pмакс lскв )	tвозд = k4 rзаб 1/2 Pмакс –1/2 lскв (4)
Pмакс = f5 (rзар Д)	Pмакс = k5 rзар Д2 (5)

Обозначения и формулы размерности используемых переменных приведем в Таблице.

ПЕРЕМЕННЫЕ	Обозначение	Формула размерности
Диаметр максимального куска дробления	dм	[L]
Линия наименьшего сопротивления	W	[L]
Предел прочности пород на сжатие	s	[L-1 M T-2]
Период (интервал) замедления взрывания	tзам	[T]
Импульс взрыва, приходящийся на 1 м3 массива	I0	[L-2 M T-1]
Удельный расход бурения, м /м 3	Vбур	[L-2 ]
Коэффициент использования скважин под заряд	Кис	[0]
Импульс взрыва, приходящийся на 1 м скважины	Ic	[M T-1]
Энергия взрыва, приходящаяся на 1м заряда	Q	[L M T-2]
Акустическая жесткость среды(А=gС)	A	[L-2 M T]
Время воздействия взрыва в скважине	tвозд	[T]
Плотность забойки	rзаб	[L-3 M]
Длина скважины	lскв	[L]
Максимальное первоначальное давление в скважине	Р	[L-1 M T-2]
Плотность заряда в скважине	rзар	[L-3 M]
Скорость детонации ВВ	Д	[L T-1]

Переходя от формулы (5) к формуле(1), раскрывая установленные взаимосвязи, а также имея в виду установленную ранее связь между диаметром среднего и диаметром максимального куска по развалу

d_ср=k₆ d_м^2/3 , (6)

получим общее уравнение взаимосвязи факторов, определяющих качество дробления:

d_ср=kW^2/3[s t_зам/r_заб^1/3 Д^-2/3 l_скв ^2/3 M_зар^2|3 U_вв^2/3 А^1/3 V_бур К_исW]ⁿ (7)

Преобразуем последнее выражение с целью создания безразмерных комплексов, при этом будем иметь в виду:

Q=M_зар U_вв ; q_вв=М_зар V_бур К_ис ; М_заб=0.25 p r_заб d_скв² ;

где М_зар – масса заряда ВВ в 1 м длины скважины, кг/м;

М_заб – масса забойки в 1 м забойки, кг/м;

U_вв – теплотворная способность ВВ, ккал/кг.

В числителе и знаменателе используем [М_зар^1/3 U_вв^1/3 (0.25pd_скв²)^1/3]. Получим окончательно

. (8)

Все комплексы и симплексы имеют физический смысл. По опытным данным и данным практики степенной показатель степени n=1/3, а коэффициент k определяется в зависимости от масштаба упрощения выражения (8).

Хотя успех анализа размерностей зависит от правильного понимания физического смысла конкретной задачи, после выбора переменных и основных размерностей этот метод может применяться совершенно автоматически. Следовательно, данный метод легко изложить в рецептурном виде, имея, однако, в виду, что такой «рецепт» требует от исследователя правильного выбора составных компонентов. Единственное, что мы можем здесь сделать, — это дать некоторые общие рекомендации.

Этап 1. Выбрать независимые переменные, оказывающие воздействие на систему. Необходимо рассматривать также размерные коэффициенты и физические константы, если они играют важную роль. Это наиболее ответственный этап всей работы.

Этап 2. Выбрать систему основных размерностей, через которую можно выразить единицы, всех выбранных переменных. Обычно используются следующие системы: в механике и динамике жидкостей МLq (иногда FLq), в термодинамике МLqТ или МLqTH; в электротехнике и ядерной физике МLqК или МLqm., при этом температура может либо рассматриваться как основная величина, либо выражаться через молекулярную кинетическую энергию.

Этап 3. Записать размерности выбранных независимых переменных и составить безразмерные комбинации. Решение будет правильным, если: 1) каждая комбинация является безразмерной; 2) число комбинаций не меньше предсказываемого p-теоремой; 3) каждая переменная встречается в комбинациях хотя бы один раз.

Этап 4. Изучить полученные комбинации с точки зрения их приемлемости, физического смысла и (если должен использоваться метод наименьших квадратов) концентрации неопределенности по возможности в одной комбинации. Если комбинации не удовлетворяют этим критериям, то можно: 1) получить другое решение уравнений для показателей степеней, чтобы найти лучший набор комбинаций; 2) выбрать другую систему основных размерностей и проделать всю работу с самого начала; 3) проверить правильность выбора независимых переменных.

Этап 5. Когда будет получен удовлетворительный набор безразмерных комбинаций, исследователь может составить план изменения комбинаций, варьируя в своем оборудовании значения выбранных переменных. Планирование экспериментов следует рассмотреть особо.

При использовании метода анализа размерности с организацией правдоподобных рассуждений «от конца к началу» необходимо ввести серьезные корректуры и особенно на первом этапе.

Краткие выводы

Сегодня можно сформировать концептуальные положения научно-исследовательской работы по уже сложившемуся нормативному алгоритму. Пошаговое следование позволяет упорядочить поиск темы и определение ее этапов выполнения с выходом на научные положения, рекомендации. Знание содержания отдельных процедур способствует их экспертной оценке и отбору наиболее приемлемых и эффективных.

Ход научного исследованияможно представить в виде логической схемы, определившись в процессе выполнения НИР, выделяя три стадии, характерные для любой деятельности:

Подготовительная стадия: Ее еще можно назвать стадией методологической подготовки исследования и формирования методологического сопровождения НИР. Состав работ следующий. Определение проблемы, разработка концептуального описания предмета исследования и определение (формулировка) темы исследования. Составление программы исследования с постановкой задач и разработкой плана их решения. Обоснованный выбор методов исследований. Разработка методики экспериментальных работ.

Основная стадия: - исполнительная (технологическая), реализация программы и плана исследования.

Заключительная стадия: - обработка результатов исследования, формулировка основных положений, рекомендаций, экспертиза.

Научные положения - это новая научная истина, - это то, что нужно и можно защищать. Формулировка научных положений может быть математическая или логическая. Научные положения помогают делу, решению проблемы. Научные положения должны быть адресными, т.е. отражать (содержать) тему, для которой они решались. Чтобы осуществить общую увязку содержания НИР со стратегией ее выполнения рекомендуется до и (или) после разработки указанных положений поработать над структурой отчета о НИР. В первом случае – работа над структурой отчета имеет даже эвристический потенциал, способствует осмыслению идей НИР, во втором случае – выступает своего рода проверкой стратегии и обратной связью управления НИР.

Будем помнить о том, что есть логика поиска, выполнения работы и логика изложения. Первая диалектическая – динамичная, с циклами, возвратами, трудно формализуемая, вторая логика статического состояния, формальная, т.е. имеющая строгую определенную форму.

Как вывод, желательно работу над структурой отчета не прекращать в течение всего времени выполнения НИР и тем самым эпизодически «сверять часы ДВУХ ЛОГИК ».

Повышению эффективности работы над концепцией способствует систематизация современных проблем горного дела на административном уровне.

При методологическом сопровождении научно-исследовательской работы часто встречаемся ситуации, когда теоретические положения по конкретной проблеме еще не достаточно полно разработаны. Уместно воспользоваться методологическим «лизингом». В качестве примера подобного подхода и возможного его использования представляет интерес метод анализа размерностей с организацией правдоподобных рассуждений «от конца к началу».

Основные термины и понятия

Объект и предмет деятельности	Актуальность	Горная технология
Концепция	Задача	Объект горной технологии
Цель и целеполагание	Идея	Средства горной технологии
Проблема Проблемная ситуация	Структура	Физико-технический эффект
Стадии и этапы НИР	Тема НИР	Научное положение
Теоремы теории подобия	Размерность	Основные единицы

Исследователем природы является опыт. Он не обманывает никогда... Надо производить опыты, изменяя обстоятельства, пока не извлечем из них общих правил, потому, что опыт доставляет истинные правила.

Леонардо да Винчи