Анализ размерностей его возможности и ограничения. Анализ размерностей

Сущность метода анализа целесообразности затрат основывается на том, что в процессе предпринимательской деятельности затраты по каждому конкретному направлению, а также по отдельным элементам, не имеют одинаковую степень риска. Другими словами, степень риска двух разных направлений деятельности одной и той же фирмы неодинакова; и степень риска по отдельным элементам затрат внутри одного и того же направления деятельности также неодинакова. Так, например, гипотетически занятие игорным бизнесом более рискованное по сравнению с производством хлеба и затраты, которые несет диверсифицированная фирма на развитие этих двух направлений своей деятельности, будут также отличаться по степени риска. Даже в том случае, если предположить, что размер затрат по статье «аренда помещений» будет одинаковым по обоим направлениям, то все равно степень риска будет выше в игорном бизнесе. Такая же ситуация сохраняется и с затратами внутри одного и того же направления. Степень риска по затратам, связанным с покупкой сырья (которое может быть доставлено не точно в указанный срок, его качество может не полностью соответствовать технологическим нормам или его потребительские свойства могут быть частично утеряны при хранении на самом предприятии и т. д.), будет выше, чем по затратам на заработную плату.

Таким образом, определение степени риска путем анализа целесообразности затрат ориентировано на идентификацию потенциальных зон риска. Такой подход целесообразен еще и с тех позиций, что дает возможность выявить «узкие места» в деятельности предприятия с точки зрения рискованности, а после разработать пути их ликвидации.

Перерасход затрат может произойти под влиянием всех видов рисков, о которых говорилось ранее во время их классификации.

Обобщив накопленный мировой и отечественный опыт анализа степени риска при помощи использования метода анализа целесообразности затрат, можно сделать вывод о необходимости использовать при таком подходе градацию затрат на области риска.

Для анализа целесообразности затрат состояние по каждому из элементов затрат должно быть разделено на области риска (табл. 4.1), которые представляют собой зону общих потерь, в границах которых конкретные потери не превышают предельного значения установленного уровня риска:

• 1) область абсолютной устойчивости;
• 2) область нормальной устойчивости;
• 3) область неустойчивого состояния:
• 4) область критического состояния;
• 5) область кризисного состояния.

В области абсолютной устойчивости степень риска по рассматриваемому элементу затрат соответствует нулевому риску. Данная область характеризуется отсутствием каких-либо потерь при совершении предпринимательской деятельности с гарантированным получением плановой прибыли, размер которой теоретически не ограничен. Элемент затрат, который находится в области нормальной устойчивости, характеризуется минимальной степенью риска. Для данной области максимальные потери, которые может нести субъект предпринимательской деятельности, не должны превышать границы плановой чистой прибыли (т.е. той ее части, которая остается у субъекта хозяйствования после налогообложения и всех остальных выплат, которые производятся на данном предприятии из прибыли, например, выплата дивидендов). Таким образом, минимальная степень риска обеспечивает фирме «покрытие» всех ее издержек и получение той части прибыли, которая позволяет покрыть все налоги.

Как правило, в условиях рыночной экономики, как было показано ранее, направление, которое имеет минимальную степень риска, связано с тем, что государство является его основным контрагентом. Это может проходить в самых различных формах, из которых основными являются такие, как: осуществление операций с ценными бумагами правительства или муниципальных органов, участие в выполнении работ, финансируемых за счет государственного или муниципальных бюджетов и т.д.

Область неустойчивого состояния характеризуется повышенным риском, при этом уровень потерь не превышает размеры расчетной прибыли (т. е. той части прибыли, которая остается у предприятия после всех выплат в бюджет, уплаты процентов за кредит, штрафов и неустоек). Таким образом, при такой степени риска субъект предпринимательской деятельности рискует тем, что он в худшем случае получит прибыль, величина которой будет меньше ее расчетного уровня, но при этом будет возможность произвести покрытие всех своих издержек.

В границах области критического состояния, которой соответствует критическая степень риска, возможны потери в границах валовой прибыли (т. е. общей сумме прибыли, которая получена предприятием до произведения всех вычетов и отчислений). Такой риск является нежелательным, потому что при этом фирма рискует потерять не просто прибыль, а и не покрыть полностью свои издержки.

Недопустимый риск, который соответствует области кризисного состояния, означает принятие субъектом предпринимательской деятельности такой степени риска, которая предполагает наличие возможности не покрытия всех издержек фирмы, связанных с данным направлением ее деятельности.

Таблица 4.1 - Области деятельности предприятия.

После того, как рассчитан коэффициент b на основании данных прошлых периодов, каждая статья затрат. Анализируется по отдельности на предмет ее идентификации по областям риска и максимальным потерям. При этом степень риска всего направления предпринимательской деятельности будет соответствовать максимальному значению риска по элементам затрат. Преимущество данного метода состоит в том, что зная статью затрат, у которой риск максимальный, возможно найти пути его снижения (например, в том случае, если максимальная точка риска приходится на затраты, связанные с арендой помещения, то можно отказаться от аренды и купить его и т. п.)

Основной недостаток такого подхода к определению степени риска, так же как и при статистическом методе, состоит в том, что предприятие не анализирует источники происхождения риска, а принимает риск как целостную величину, таким образом, игнорируя его мультисоставляющие.

В случаях, когда изучаемые процессы не описываются дифференциальными уравнениями, одним из путей их анализа является эксперимент, результаты которого наиболее целесообразно представлять в обобщенной форме (в виде безразмерных комплексов). Методом составления таких комплексов является метод анализа размерностей.

Размерность какой-либо физической величины определяется соотношением между ней и теми физическими величинами, которые приняты за основные (первичные). В каждой системе единиц имеются свои основные единицы. Например, в Международной системе единиц измерения СИ за единицы измерения длины, массы и времени соответственно приняты метр (м), килограмм (кг), секунда (с). Единицы измерения остальных физических величин, так называемых производных величин (вторичных), принимаются на основании законов, устанавливающих связь между этими единицами. Эта связь может быть представлена в виде так называемой формулы размерности.

Теория размерностей основана на двух положениях.

• 1. Отношение двух числовых значений какой-либо величины не зависит от выбора масштабов для основных единиц измерения (например, отношение двух линейных размеров не зависит от того, в каких единицах они будут измеряться).
• 2. Любое соотношение между размерными величинами можно сформулировать как соотношение между безразмерными величинами. Это утверждение представляет так называемую П-теорему в теории размерностей.

Из первого положения следует, что формулы размерности физических величин должны иметь вид степенных зависимостей

где – размерности основных единиц.

Математическое выражение П-теоремы можно получить, исходя из следующих соображений. Пусть некоторая размерная величина а 1 является функцией нескольких независимых между собой размерных величин , т.е.

Отсюда следует, что

Допустим, что число основных размерных единиц, через которые могут быть выражены все п переменных величин, равно т. П-теорема устанавливает, что если все п переменных величин выразить через основные единицы, то их можно сгруппировать в безразмерных П-членов, т.е.

При этом каждый П-член будет содержатьпеременную величину.

В задачах гидромеханики число переменных, входящих в П-члены, должно равняться четырем. Три из них будут определяющими (обычно это характерная длина, скорость течения жидкости и ее плотность) – они входят в каждый из П-членов. Одна из этих переменных (четвертая) является различной при переходе от одного П-члена к другому. Показатели степени определяющих критериев (обозначим их через х, у , z) являются неизвестными. Показатель степени четвертой переменной для удобства примем равным -1.

Соотношения для П-члснов будут иметь вид

Входящие в П-члены переменные можно выразить через основные размерности. Так как эти члены являются безразмерными, то показатели степени каждой из основных размерностей должны быть равны нулю. В результате для каждого из П-членов можно составить по три независимых уравнения (по одному для каждой размерности), которые связывают показатели степени входящих в них переменных. Решение полученной системы уравнений дает возможность найти числовые значения неизвестных показателей степени х , у , z. В итоге каждый из П-членов определяется в виде формулы, составленной из конкретных величин (параметров среды) в соответствующей степени.

В качестве конкретного примера найдем решение задачи определения потерь напора на трение при турбулентном течении жидкости .

Из общих соображений можно заключить, что потеря давленияв трубопроводе зависит от следующих основных факторов: диаметра d , длины l , шероховатости стенок k, плотности ρ и вязкости µ среды, средней скорости течения v , начального напряжения сдвига, т.е.

(5.8)

Уравнение (5.8) содержит п=7 членов, а число основных размерных единиц. Согласно П-теореме получим уравнение, состоящее избезразмерных П-членов:

(5.9)

Каждый такой П-член содержит 4 переменные. Принимая в качестве основных переменных диаметр d , скорость v , плотность и комбинируя их с остальными входящими в уравнение (5.8) переменными, получаем

Составляя уравнение размерности для первого П-члена, будем иметь

Складывая показатели степени при одинаковых основаниях, находим

Для того чтобы размерность П 1 была равна 1 (П 1 – безразмерная величина), необходимо потребовать равенства нулю всех показателей степеней, т.е.

(5.10)

Система алгебраических уравнений (5.10) содержит три неизвестные величины x 1, у 1,z 1. Из решения этой системы уравнений находим x 1 = 1; у 1=1; z 1= 1.

Подставляя эти значения показателей степени в первый П-член, получаем

Аналогично для остальных П-членов будем иметь

Подставляя полученные П-члены в уравнение (5.9), находим

Решим это уравнение относительно П4:

Выразим отсюда :

Учитывая, что потери напора на трение равны разности пьезометрических напоров, будем иметь

Обозначив комплекс, находящийся в квадратных скобках, через, окончательно получим

Последнее выражение представляет известную формулу Дарси – Вейбаха, где

Формулы для расчета коэффициента трения к рассмотрены в параграфах 6.13, 6.14.

Метод анализа размерностей часто бывает очень эффективен при решении сложных задач механики, в частности, в гидравлике, гидродинамике и аэродинамике. Вместе с представлением о физическом смысле явлений или с привлечением опытных данных он приводит, и притом быстро и просто, к результатам, оценивающим данное явление.

В отечественной литературе методы подобия и размерности изложены в монографии например [Сена]; [Седова]; [Когана]. Признавая, что π-теорема имеет основополагающий характер, мы упоминаем и разъясняем её однажды; в дальнейшем по уровню и общности придерживаемся книги [Коган].

Основные определения.

Существует несколько систем единиц измерений (CGS, СИ и др.) и в каждой из них некоторые физические величины условно принимаются за основные или первичные , т.е. такие, для которых единицы устанавливаются произвольно и независимо. В механике, и в частности, в гидромеханике и гидравлике применяется система L , m , t ,в которой за основные величины принимаются длина L , масса m и время t . Очевидно, что при анализе любого явления единицы измерения массы, времени и длины выбираются независимо друг от друга. Ко вторичным величинам относятся те, которые получаются как комбинации основных. Например, ко вторичным величинам относятся: скорость V = S / t или [V ]= Lt -1 , ускорение a = V / t или [a ]= Lt -2 , плотность ρ= m / W или [ρ ]= mL -3 и многие другие величины. Квадратные скобки, в которые поставлено обозначение величины, означает, что речь идет о размерности единицы этой величины, а символы L ,m, t представляют собой обобщенные обозначения единиц длины, массы и времени без указания конкретного наименования единиц.

В специальных курсах показывается, что формула размерности вторичных величин должна быть степенного вида относительно всех основных физических величин . Допустим, например, что число основных величин выбрано равным трем и за них приняты длина L , масса m и время t . Тогда размерность физической величины y представится формулой

[y ]= L α m β t γ , (.1)

где α , β , γ – постоянные числа (напомним, что квадратные скобки, в которые поставлен символ величины y , означает, что рассматривается размерность этой величины). Формула (.1) называется формулой размерности единицы данной величины или, как часто говорят, кратко- размерностью данной величины.

Необходимо подчеркнуть, что умножать и делить можно физические величины любой размерности, а складывать и вычитать возможно только величины одинаковой размерности.

Пример(.1) . Скорость V может быть выражена как V = L / t = L 1 m 0 t -1 , т.е. α =1 , β =0, γ =-1 .Сила F = ma может быть представлена как F = mL / t ²= L 1 m 1 t -2 , т.е. α =1 , β =1 , γ = -2 .

Не обязательно α , β , γ – рациональные числа, но вводить числа кроме рациональных нет необходимости. Часто размерность физической величины отождествляют с ее единицей в соответствующей системе единиц. Так, например, говорят, что скорость имеет размерность см/с (сантиметр в секунду). Хотя это и не логично, но грубой ошибки в этом нет. В данном случае см/с- это наименование единицы (точно так же, как км/ч, м/с и т.д.).Всегда, если есть необходимость, единицы такого типа позволяют перейти к формулам размерности, в которых масштабы единиц основных величин не фиксированы.

Замечание 1. Разные физические величины могут иметь одинаковые размерности даже в одной и той же системе единиц. Примерами могут служить в механике работа и кинетическая энергия или работа и момент силы (система Lmt ).

Замечание 2. Безразмерными комбинациями физических величин называются такие комбинации, которые в рассматриваемой системе единиц имеют нулевую размерность. Их числовые значения не меняются при изменении масштабов единиц основных величин.

Задача 1. Найти размерности: 1) давления; 2) энергии; 3) коэффициента динамической вязкости; 4) коэффициента кинематической вязкости; 5) коэффициента поверхностного натяжения.

Все результаты, которые могут быть получены с помощью метода анализа размерностей, основаны на двух теоремах.

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.

d м = f 1 (W ,I 0 ,t зам , s )	d м = k 1 W (s t зам ¤ I 0 W) n (1)
I 0 = f 2 (I c ,V бур ,K и )	I 0 = k 2 I c V бур K и (2)
I c = f 3 (t зам ,Q ,A)	I с = k 3 t возд 2/3 Q 2/3 A 1/3 (3)
t возд = f 4 (r заб ,P макс l скв )	t возд = k 4 r заб 1/2 P макс –1/2 l скв (4)
P макс = f 5 (r зар Д)	P макс = k 5 r зар Д 2 (5)

Обозначения и формулы размерности используемых переменных приведем в Таблице.

ПЕРЕМЕННЫЕ	Обозначение	размерности
Диаметр максимального куска дробления	d м	[ L ]
Линия наименьшего сопротивления		[ L ]
Предел прочности пород на сжатие
Период (интервал) замедления взрывания	t зам	[ T ]
Импульс взрыва, приходящийся на 1 м 3 массива	I 0
Удельный расход бурения, м /м 3	V бур	[ L -2 ]
Коэффициент использования скважин под заряд	К ис
Импульс взрыва, приходящийся на 1 м скважины	I c
Энергия взрыва, приходящаяся на 1м заряда
Акустическая жесткость среды(А=gС)
Время воздействия взрыва в скважине	t возд	[ T ]
Плотность забойки	r заб	[ L -3 M ]
Длина скважины	l скв	[ L ]
Максимальное первоначальное давление в скважине		[ L -1 M T -2 ]
Плотность заряда в скважине	r зар	[ L -3 M ]
Скорость детонации ВВ		[ 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 = k 6 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 ис W ] 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 скв 2 ;

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 (0.25 p d скв 2 ) 1/3 ] . Получим окончательно

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 ответствен ный 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 М L q (иногда FL q ), в термодинамике М L q Т или М L q TH ; в электротехнике и ядерной физике М L q К или М L qm ., 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 исследования можно 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		Объект горной технологии
Цель и целеполагание		Средства горной технологии
Проблема Проблемная ситуация	Структура	Физико-технический эффект
Стадии и этапы 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

В физике... нет места для путаных мыслей…
Действительно понимающие природу
Того или иного явления должны получать основные
Законы из соображений размерности. Э. Ферми

Описание той или иной проблемы, обсуждение теоретических и экспериментальных вопросов начинается с качественного описания и оценки того эффекта, который дает данная работа.

При описании какой-то проблемы нужно, прежде всего, оценить порядок величины ожидаемого эффекта, простые предельные случаи и характер функциональной связи величин, описывающих данное явление. Эти вопросы называются качественным описанием физической ситуации.

Одним из наиболее эффективных методов такого анализа является метод размерностей.

Вот некоторые достоинства и приложения метода размерностей:

• быстрая оценка масштабов исследуемых явлений;
• получение качественных и функциональных зависимостей;
• восстановление забытых формул на экзаменах;
• выполнение некоторых заданий ЕГЭ;
• осуществление проверки правильности решения задач.

Анализ размерностей применяется в физике еще со времен Ньютона. Именно Ньютон сформулировал тесно связанный с методом размерностей принцип подобия (аналогии).

Учащиеся впервые встречаются с методом размерностей при изучении теплового излучения в курсе физики 11 класса:

Спектральной характеристикой теплового излучения тела является спектральная плотность энергетической светимости r v – энергия электромагнитного излучения, испускаемого за единицу времени с единицы площади поверхности тела в единичном интервале частот.

Единица спектральной плотности энергетической светимости – джоуль на квадратный метр (1 Дж/м 2). Энергия теплового излучения черного тела зависит от температуры и длины волны. Единственной комбинацией этих величин с размерностью Дж/м 2 является kT/ 2 ( = c/v). Точный расчет, проделанный Рэлеем и Джинсом в 1900 г., в рамках классической волновой теории дал следующий результат:

где k – постоянная Больцмана.

Как показал опыт, данное выражение согласуется с экспериментальными данными лишь в области достаточно малых частот. Для больших частот особенно в ультрафиолетовой области спектра формула Рэлея-Джинса неверна: она резко расходится с экспериментом. Методы классической физики оказались недостаточными для объяснения характеристик излучения абсолютно черного тела. Поэтому расхождение результатов классической волновой теории с экспериментом в конце XIX в. получило название “ультрафиолетовой катастрофы”.

Покажем применение метода размерностей на простом и хорошо понятном примере.

Рисунок 1

Тепловое излучение абсолютно черного тела: ультрафиолетовая катастрофа – расхождение классической теории теплового излучения с опытом.

Представим себе, что тело массой m перемещается прямолинейно под действием постоянной силы F. Если начальная скорость тела равна нулю, а скорость в конце пройденного участка пути длиной s равна v, то можно записать теорему о кинетической энергии: .Между величинами F, m, v и s существует функциональная связь.

Предположим, что теорема о кинетической энергии забыта, а понимаем, что функциональная зависимость между v, F, m, и s существует и имеет степенной характер.

Здесь x, y, z – некоторые числа. Определим их. Знак ~ означает, что левая часть формулы пропорциональна правой, то есть , где k – числовой коэффициент, не имеет единиц измерения и с помощью метода размерностей не определяется.

Левая и правая части соотношения (1) имеют одинаковые размерности. Размерности величин v, F, m и s таковы: [v] = м/c = мc -1 , [F] = H = кгмс -2 , [m] = кг, [s] = м. (Символ [A] обозначает размерность величины A.) Запишем равенство размерностей в левой и правой частях соотношения (1):

м c -1 = кг x м x c -2x кг y м Z = кг x+y м x+z c -2x .

В левой части равенства вообще нет килограммов, поэтому и справа их быть не должно.

Это значит, что

Справа метры входят в степени x+z, а слева - в степени 1, поэтому

Аналогично, из сравнения показателей степени при секундах следует

Из полученных уравнений находим числа x, y, z:

x = 1/2, y = -1/2, z = 1/2.

Окончательная формула имеет вид

Возведя в квадрат левую и правую части этого соотношения, получаем, что

Последняя формула есть математическая запись теоремы о кинетической энергии, правда без числового коэффициента.

Принцип подобия, сформулированный Ньютоном, заключается в том, что отношение v 2 /s прямо пропорционально отношению F/m. Например, два тела с разными массами m 1 и m 2 ; будем действовать на них разными силами F 1 и F 2 , но таким образом, что отношения F 1 / m 1 и F 2 / m 2 будут одинаковыми. Под действием этих сил тела начнут двигаться. Если начальные скорости равны нулю, то скорости, приобретаемые телами на отрезке пути длины s, будут равны. Это и есть закон подобия, к которому мы пришли с помощью идеи о равенстве размерностей правой и левой частей формулы, описывающей степенную связь значения конечной скорости со значениями силы, массы и длины пути.

Метод размерностей был введен при построении основ классической механики, однако его эффективное применение для решения физических задач, началось в конце прошлого – в начале нашего века. Большая заслуга в пропаганде этого метода и решения с его помощью интересных и важных задач принадлежит выдающемуся физику лорду Рэлею. В 1915 году Рэлей писал: “ Я часто удивляюсь тому незначительному вниманию, которое уделяется великому принципу подобия, даже со стороны весьма крупных ученых. Нередко случается, что результаты кропотливых исследований преподносятся как вновь открытые “законы”, которые, тем не менее, можно было получить априорно в течение нескольких минут”.

В наши дни физиков уже нельзя упрекнуть в пренебрежительном отношении или в недостаточном внимании к принципу подобия и к методу размерностей. Рассмотрим одну из классических задач Рэлея.

Задача Рэлея о колебаниях шарика на струне.

Пусть между точками A и B натянута струна. Сила натяжения струны F. На середине этой струны в точке C находится тяжелый шарик. Длина отрезка AC (и соответственно CB) равна 1. Масса М шарика намного больше массы самой струны. Струну оттягивают и отпускают. Довольно ясно, что шарик будет совершать колебания. Если амплитуда эти x колебаний много меньше длины струны, то процесс будет гармоническим.

Определим частоту колебаний шарика на струне. Пусть величины , F, M и 1 связанны степенной зависимостью:

Показатели степени x, y, z – числа, которые нам нужно определить.

Выпишем размерности интересующих нас величин в системе СИ:

C -1 , [F] = кгм с -2 , [M] = кг, = м.

Если формула (2) выражает реальную физическую закономерность, то размерности правой и левой частей этой формулы должны совпадать, то есть должно выполняться равенство

с -1 = кг x м x c -2x кг y м z = кг x + y м x + z c -2x

В левую часть этого равенства вообще не входят метры и килограммы, а секунды входят в степени – 1. Это означает, что для x, y и z выполняются уравнения:

x+y=0, x+z=0, -2x= -1

Решая эту систему, находим:

x=1/2, y= -1/2, z= -1/2

Следовательно,

~F 1/2 M -1/2 1 -1/2

Точная формула для частоты отличается от найденной всего в раз ( 2 = 2F/(M1)).

Таким образом, получена не только качественная, но и количественная оценка зависимости для от величин F, M и 1. По порядку величины найденная степенная комбинация дает правильное значение частоты. Оценка всегда интересует по порядку величины. В простых задачах часто коэффициенты, неопределяемые методом размерностей, можно считать числами порядка единицы. Это не есть строгое правило.

При изучении волн рассматриваю качественное прогнозирование скорости звука методом анализа размерностей. Скорость звука ищем как скорость распространения волны сжатия и разрежения в газе. У учащихся не возникает сомнений в зависимости скорости звука в газе от плотности газа и его давления p.

Ответ ищем в виде:

где С – безразмерный множитель, числовое значение которого из анализа размерности найти нельзя. Переходя в (1) к равенству размерностей.

м/c = (кг/м 3) x Па y ,

м/с = (кг/м 3) x (кг м/(с 2 м 2)) y ,

м 1 с -1 = кг x м -3x кг y м y c -2y м -2y ,

м 1 с -1 = кг x+y м -3x + y-2y c -2y ,

м 1 с -1 = кг x+y м -3x-y c -2y .

Равенство размерностей в левой и правой части равенства дает:

x + y = 0, -3x-y = 1, -2y= -1,

x= -y, -3+x = 1, -2x = 1,

x = -1/2 , y = 1/2 .

Таким образом, скорость звука в газе

Формулу (2) при С=1 впервые получил И. Ньютон. Но количественные выводы этой формулы были весьма сложны.

Экспериментальное определение скорости звука в воздухе было выполнено в коллективной работе членов Парижской Академии наук в 1738 г., в которой измерялось время прохождения звуком пушечного выстрела расстояния 30 км.

Повторяя данный материал в 11-м классе, внимание учащихся обращается на то, что результат (2) можно получить для модели изотермического процесса распространения звука с использованием уравнения Менделеева - Клапейрона и понятия плотности:

– скорость распространения звука.

Познакомив учащихся с методом размерностей, даю им этим методом вывести основное уравнение МКТ для идеального газа.

Учащиеся понимают, что давление идеального газа зависит от массы отдельных молекул идеального газа, числа молекул в единице объема – n (концентрации молекул газа) и скорости движения молекул – .

Зная размерности величин, входящих в данное уравнение имеем:

,

,

,

Сравнивая размерности левой и правой части данного равенства, имеем:

Поэтому основное уравнение МКТ имеет такой вид:

- отсюда следует

Из заштрихованного треугольника видно, что

Ответ: В).

Это мы воспользовались методом размерности.

Метод размерностей кроме осуществления традиционной проверки правильности решения задач, выполнения некоторых заданий ЕГЭ, помогает находить функциональные зависимости между различными физическими величинами, но только для тех ситуаций, когда эти зависимости степенные. Таких зависимостей в природе много, и метод размерностей - хороший помощник при решении подобных задач.