МОДЕЛИРОВАНИЕ ИЛИ МОДЕЛИЗМ? Сами по себе эти слова применяются порой как синонимы, сегодня никого не удивляют, а нашего читателя — и подавно. Каждый юный техник употреблял их множество раз и по самому разному поводу. И может быть, как раз потому, что наш читатель самым непосредственным образом, творческим трудом своим причастен к модели, моделированию и моделизму, будет полезно обстоятельно побеседовать на эту тему.
Что такое модель, когда она появилась, где и для чего применяется, какое имеет значение в технике и науке, в деле воспитания и образования? Эти и множество других вопросов может поставить перед нами такое простое, казалось бы на первый взгляд, техническое понятие.
Вначале попробуем уяснить: что же такое модель?
Ребята на столь «наивный» вопрос обычно отвечают, что модель — это уменьшенная копия корабля, самолета, автомобиля, ракеты или какого-то другого движущегося представителя мира техники. Затем обычно уточняются функциональная сторона дела и степень сходства с оригиналом, прототипом: модель настольная или действующая — схематическая, копия или полу-копия, гоночная — летающая, плавающая, бегающая…
От настольной модели никаких движений не требуется, ее назначение. — передать нам сведения только о внешнем виде объекта, рассказать о том, как он выглядит со стороны. Таковы в большинстве своем, например, модели парусных кораблей, старинных автомобилей или… реактивных самолетов!
Не исключено, что простое полено с укрепленным на нем куском коры послужило древнему человеку моделью первого парусника.
Так определяли свойства грозных боевых машин.
Казалось бы, странное соседство: каравелла Колумба и сверхзвуковой истребитель! Но у людей, именуемых моделистами, эти вещи тем не менее принято рассматривать примерно на равных — всего лишь как настольные модели (их называют еще макетами). Модели парусников делают, как правило-, неплавающими, а реактивных самолетов — нелетающими. И на то есть свои, вполне уважительные причины.
Дело прежде всего в том, что морские, авиационные и. другие моделисты — это. люди, которые непременно должны соревноваться друг с другом: чья модель быстрее пройдет дистанцию, сделает больше кругов в полете, выше поднимется в воздух, дальше, и точнее проплывет под водой? За все эти показатели начисляется определенное количество очков и в соответствии с ним распределяются места на соревнованиях.
Старинные парусники по условиям соревнований в гонках не участвуют, и по той же причине почти не летают модели реактивных самолетов. У последних есть, правда, и свой, особый для того повод; еще не налажено массовое производство модельных реактивных двигателей, а вручную изготовлять их очень трудно. Людей, которые строят миниатюрные летательные аппараты, уменьшенные во много крат кораблики, автомобили, космические ракеты и затем заставляют всю эту самодельную микротехнику плавать, ездить, летать, участвуют с ней в соревнованиях на ловкость и мастерство, и называют у нас моделистами. Независимо от возраста, профессии, рода занятий. Caм же вид такой технической самодеятельности именуют моделизмом (не моделированием!) и относят его к категории технических видов спорта.
ВЕЛИКИЕ ТОЖДЕСТВА
Думается, что понятие моделизма не требует дальнейших пояснений, поскольку наш читатель знаком с его сутью по собственному опыту и по публикациям журнала. Вернемся же к модели как таковой. Это слово происходит. от латинского «modus», «modulus», что означает «мера», «образ», «способ» и т. п. Его первоначальный смысл был связан со строительным искусством, и почти всегда оно употреблялось для обозначения образца, прообраза или вещи, сходной в каком-то отношении с другой вещью. Вполне возможно, что именно такое самое общее значение слова «модель» послужило в дальнейшем основанием для использования его в качестве научного термина в технических, естественных, математических, социальных и других науках.
Вряд ли сегодня осталась на Земле хоть одна область знаний, в которой ученые так или иначе не оперировали бы термином «модель». Мы же сразу ограничим пределы нашего разговора техникой и техническими науками. Применительно к ним можно условиться, что моделью какого-либо объекта, явления или процесса мы будем именовать другой объект, другое явление или другой процесс, имеющие схожие черты и общие закономерности. И коснемся немного истории.
В XVI веке английский физик и врач Уильям Гильберт впервые выдвинул предположение, что Земля является большим магнитом. Для доказательства своей теории ученый построил модель Земли — намагниченный железный шар, названный им тереллой, то есть маленькой землей. Гильберт показал, что магнитная стрелка на поверхности шара ведет себя примерно так же, как и на поверхности Земли. Отсюда ученый сделал вывод, что Земля представляет собой естественный гигантский магнит. Более того, благодаря этому открытию он выдвинул гипотезу (которая подтвердилась много лет спустя) о том, что магнитные полюсы Земли совпадают с географическими.
Водоподъемное колесо, увеличенное в десятки раз, на века станет союзником земледельца.
Модели геликоптеров пытались строить еще в средневековье.
Используя железную модель Земли и магнитную стрелку, Гильберт, базируясь на общности (схожести) явлений, сделал свой вывод о единстве причин, их -вызывающих. Но для второго совсем необязательна адекватность материала, из которого состоят модель и прототип. Поэтому нельзя утверждать, что опыт Гильберта соответствует истинной природе вещей, поскольку Земля состоит не только из железа, но и из множества других тяжелых элементов.
Известно, что очень большое внимание уделял вопросам моделирования и Леонардо да Винчи. Движение пловца, влияние ветра на полет птиц, работа мускулов человека и животных — все было для него объектом тщательного изучения. На основе наблюдений ученый строил модели и по ним судил о предметах и явлениях. Так, стремясь постичь Законы падения тел, Леонардо писал в тетради задания самому себе: «Сделай завтра фигуры, падающие в воздухе, разной, формы, из картона, которые будешь бросать с нашего мостика. Потом зарисуй фигуры и движения, которые описывает каждая из них при своем падении на разных частях своего пути».
С помощью специально сконструированной модели ученый пытался выявить роль хвоста птицы во время ее полета: «Пусть будет подвешено здесь тело наподобие птицы, у которого хвост поворачивается с разным наклоном. При помощи такого тела ты можешь дать общие правила для различных поворотов птиц в случае движений, совершаемых посредством изгибания их хвоста».
Воздушный змей, изобретенный многие тысячелетия назад, является, по существу, «моделью» основной части самолета — крыла. Одни и те же законы аэродинамики объясняют принцип, согласно которому могут подняться в воздух огромный самолет и простая детская игрушка — лист бумаги с тонким деревянным каркасом .и длинным хвостом.
Любопытно, что Большая энциклопедия, изданная в России в самом начале нашего столетия, классифицируя известные к тому времени направления развития летательных аппаратов, констатирует буквально «змеи или аэропланы; в них поднятие происходит благодаря совместному действию двигателя и наклонных поверхностей». Вполне естественно, что в годы первых робких шагов авиации, в досамолетную пору воздухоплавания змей мог именоваться аэропланом, служил основным источником экспериментальных данных и знаний о полете аппаратов тяжелее воздуха. Полеты на таких сооружениях были делом чрезвычайно рискованным, и их создатели, как правило, пробовали свои конструкции сначала на небольших моделях, а затем переходили к испытанию реальных летательных аппаратов.
Модели летательных аппаратов, строившиеся в Европе в конце XIX столетия.
«Кептен» перевернется!» — предостерегал Рид.
Модель ледокола «Ермак» в опытовом бассейне.
Превосходную летающую модель, например, сконструировал в 1876 году в России изобретатель первого самолета А. Ф. Можайский. Двигателем модели, снабженной тремя маленькими воздушными винтами, служила часовая пружина, заводившаяся ключом. Запущенная рукой изобретателя, модель, разбежавшись по столу, легко поднялась в воздух. Присутствовавшим при этом опыте казалось невероятным, что механическая игрушка тяжелее воздуха, не имеющая наполненного легким газом баллона, как на дирижабле или аэростате, вообще способна летать.
Летающие модели на всех этапах развития авиации играли исключительно важную роль как средство экспериментального исследования.
КРИТЕРИЙ ИСТИНЫ!?
Постройка модели — практика, а последняя, как известно, служит главным критерием истины в процессе познания. Подтверждений тому в истории науки и техники неисчислимое множество. Самыми убедительными из них служат наиболее известные, ставшие «классическими». Порой такая известность обреталась ценой больших человеческих трагедий. Вот только один подобный пример.
В лондонском соборе святого Павла более ста лет назад установили бронзовую доску, начинавшуюся надписью; «Вечное порицание невежественному упрямству лордов адмиралтейства…» Невежество аристократов, вершивших всеми морскими делами империи, в данном. случае стоило жизни 533 английским морякам, погибшим вместе со своим кораблем в 1870 году.
«Кептен» — новый железный броненосец английского флота — по идее автора проекта капитана Кольза должен был -соединить в себе многие важные для корабля качества. Его борта защищались от неприятельских снарядов особенно толстой броней, на палубе грозно возвышались броневые вращающиеся башни. А чтобы уменьшить возможность попадания неприятельских снарядов, надводный борт корабля сделали вдвое ниже, чем у других броненосцев. Как и многие военные корабли тех времен, «Кептен», кроме паровых машин, приводивших в действие гребные винты, имел и полное парусное вооружение. Но, чтобы устранить ванты, мешавшие орудиям иметь большой угол обстрела, на корабле были установлены тяжелые трехногие мачты.
Ознакомившись с проектом «Кептена», главный корабельный инженер английского флота Рид категорически отказался утвердить его: у броненосца слишком высоко расположены тяжелые грузы, низок надводный борт, велика парусность, мала ширина корпуса. Но учения о способности корабля безопасно противостоять крену, учения об остойчивости в те годы еще не существовало, и никто не пожелал прислушаться к голосу Рида, поверить его расчетам. Тогда Рид, предвидя непоправимую катастрофу, стал искать новые доказательства. Он изготовил модель «Кептена» и проверил, как новый необычный броненосец станет вести себя на воде. Результаты опыта подтвердили опасения инженера, но и они, несмотря на все старания Рида, не помогли сломить упрямства лордов. Адмиралтейство вынесло решение отправить корабль в плавание в составе броненосной эскадры.
Будущий гигантский лайнер «вырастает» из модели, которая свободно размещается на столе конструктора.
Реальный латунный диск (1) и его идеальные (мысленные) модели: 2 — образная, нарисованная и 3 — знаковая, написанная в виде формулы площади круга.
Идеальные модели, хорошо знакомые по школьному учебнику химии:
1 — образная модель молекулы бензола; 2 —его образно-знаковая (смешанная) модель, показывающая формы валентных связей в молекулах; 3 — знаковая модель бензола в виде формулы.
Утром 6 сентября 1870 года «Кептен» принял старт парусной гонки в Атлантическом океане: своеобразные состязания должны были выявить ходовые качества броненосных кораблей под парусами. А на рассвете следующего дня, когда по приказу адмирала все корабли собрались вместе, оказалось, что «Кептена» нет. Начались поиски. В океане обнаружили его обломки, а в ближайшем испанском порту — шлюпку с восемнадцатью членами экипажа злополучного броненосца. Офицер и матросы рассказали, что «Кептен» шел с большим креном и кромка его правого борта касалась воды. Когда ветер усилился, корабль накренился еще больше, была подана команда убрать и последние паруса. Но команду не успели выполнить: броненосец лег бортом на воду, затем опрокинулся килем кверху и затонул вместе с экипажем.
Суд, разбиравший дело о гибели «Кептена», вынес порицание упрямству невежественных лордов адмиралтейства и постановил выгравировать свой приговор на бронзовой плите, быставив ее ка всеобщее обозрение в соборе в назидание потомкам.
После гибели «Кептена» результаты опытов Рида с моделями и полученные при этом расчеты были опубликованы в печати. Многие судостроители остойчивость кораблей стали оценивать по «диаграммам Рида».
В 1871 году другой английский инженер, Вильям Фруд, предложил своеобразную методику испытания моделей и пересчета их результатов для определения сопротивления корабля среде. Он же рекомендовал построить специальный бассейн-лабораторию, в которой судостроители могли Проводить опыты с моделями будущих судов, выявлять их качества задолго до постройки.
Большое внимание уделяли вопросам моделирования русские изобретатели и ученые. Известно, что на. моделях проверяли принцип действия, кинематику, надежность своих изобретений А. К. Нартов, И. И. Ползунов, И. П. Кулибин и многие другие. Так, в 1738 году в письме в Академию наук Нартов сообщал об изобретении им новых машин — для сверления пушек и для нарезания винтов — и просил, чтобы ему «повелено было к сочинению памянутых махин сделать модели, а по сделании оных моделей… обстоятельное описание о махинах в Академию наук подать».
Уже в начале XVIII столетия в России считалось обязательным для проверки действия и работоспособности изобретенных машин предварительно строить их модели. По модели судили о достоинствах и недостатках, эффективности, степени готовности конструкции для внедрения в производство, возможных путях ее улучшения. К качеству изготовления моделей предъявлялись очень высокие требования. Нередко они выполнялись действующими, чтобы по ним можно было судить и о степени надежности новой машины в эксплуатации. Модели подвергались тщательной экспертизе, на основании их осмотра и испытаний делались заключения о ценности изобретений.
К помощи моделей часто прибегали М. В. Ломоносов и Л. Эйлер. Выдающиеся русские кораблестроители академик А. Н. Крылов и адмирал С. О. Макаров считали моделирование одним из важнейших методов экспериментального исследования. В частности, всестороннему анализу и изучению они оба подвергли в свое время модель знаменитого ледокола «Ермак», строившегося по проекту С. О. Макарова. С помощью ее были- выявлены заблаговременно многие важные особенности и уточнены возможности мощнейшего по тому времени ледокольного парохода.
Развиваясь и совершенствуясь с годами, моделирование прочно заняло в науке и технике роль одного из важнейших методов исследования, добывания новых знаний о законах и процессах природы. Оно служит ценнейшим инструментом разработки и создания новых, невиданных ранее машин и приборов, оборудования и новых технологических процессов.
А что такое моделирование? Что оно представляет собою как процесс?
МАЛЕНЬКИЙ ПРОЛОГ
Из множества толкований моделирования, предложенных различными авторами в разные годы и в разных странах, наиболее удачным представляется определение, данное видным советским ученым академиком Л. И. Седовым. «Моделирование, — пишет он, — это есть замена изучения интересующего нас явления в натуре изучением аналогичного явления на модели меньшего или большего масштаба, обычно в специальных лабораторных условиях. Основной смысл моделирования заключается в том, чтобы по результатам опытов с моделями можно было дать необходимые ответы о характере эффектов и о различных величинах, связанных с явлением в натурных условиях».
Если следовать подобному представлению о моделировании, то и к самому понятию модели придется относиться вполне уважительно, уточнить границы его применения.
В обиходе можно услышать выражение такого рода: «С конвейера сошла очередная модель автомобиля», «Демонстрируются новые модели одежды», или надпись на вывеске сапожной мастерской «Ремонт модельной обуви». И наверняка не каждый догадывается, что в данном случае речь идет вовсе не о моделях, а всего лишь о разновидностях или образцах готовой продукции, которая к моделям имеет отношения не больше, чем, скажем, модельер—человек, придумывающий новые фасоны одежды, — имеет отношение к инженерам, экспериментирующим с моделью будущего корабля или самолета. Связи здесь практически никакой, только случайное совпадение применяемой терминологии без учета ее истинного смысла.
Многочисленное семейство моделей, используемых человеком в науке, технике, общественной практике, в зависимости от способа их построения, от средств, которыми производится моделирование изучаемых объектов, делят на два больших класса: 1-й — материальные (вещественные, реальные, действующие) и 2-й — идеальные (воображаемые, умозрительные, мысленные).
МОДЕЛИ-ОБРАЗЫ И МОДЕЛИ-ЗНАКИ
В процессе творчества материальные модели неразрывно связаны с идеальными, воображаемыми, поскольку, прежде чем построить модель из каких-либо материалов, человек мысленно представляет себе ее конструкцию, теоретически обосновывает, рассчитывает будущее техническое устройство: рисует эскизы, готовит чертежи, делает вычисления. Карл Маркс говорил, что «самый плохой архитектор от наилучшей пчелы с самого начала отличался тем, что прежде чем строить ячейку из воска, он уже построил ее в своей голове. В конце процесса труда получается результат, который уже в начале этого процесса имелся в представлении человека, т. е. идеально».
Эти слова Маркса вполне применимы и к характеристике мысленных (идеальных) моделей. Последние, до того, как они воплотятся в действительность (металл, пластмассу, дерево и т. п.) и станут благодаря творческому труду человека материальными, существуют первоначально в человеческом воображении как образы реальных объектов, как их теоретические схемы.
Идеальные, мысленные модели различают и классифицируют на отдельные группы. Среди них можно выделить две основные: группу образных и группу знаковых моделей. К первой относятся идеальные модели, которые в представлении человека мысленно строятся из хорошо знакомых «чувственно-наглядных» элементов, образно подобных тем, которые реально существуют в окружающей технике. Таковы, например, воображаемые рычаги, пружины, потоки жидкостей и газов, движения тел по траекториям и т. п. Они могут фиксироваться в виде технического рисунка, чертежа, эскиза, схемы и в определенном смысле являются наглядными. «Чем бы человек ни мыслил, — писал по этому поводу выдающийся русский физик Н. А. Умов, — идеями или образами действительности, как те, так и другие имеют одно общее происхождение — область чувствований… Нашим уделом является создание картин, движущихся панорам, фигур, образов, короче — моделей существующего и совершающегося, не противоречащих друг другу, а связанных между собой». В этом смысле рисунок разреза двигателя внутреннего сгорания может служить образной моделью реального двигателя. А научно-популярный мультфильм, объясняющий, скажем, явление электромагнитной индукции, является движущейся образной моделью данного физического явления.
Ко второй группе — знаковым моделям — относятся идеальные, мысленные модели, в которых элементы, отношения и свойства явлений выражаются системой знаков: формулами, графиками, таблицами и т. п. Особенностью таких моделей является полное отсутствие внешнего сходства между их элементами и соответствующими элементами реального объекта. Например, любая монета с каталога монет России не имеет никакого внешнего сходства с формулой площади круга πR2, хотя последнюю вполне можно рассматривать как знаковую модель монеты, реально существующего металлического диска конкретного диаметра.
Кроме образных и знаковых идеальных моделей, в этом классе выделяют еще промежуточные — образно-знаковые модели, которым присущи черты как первого, так и второго основных типов мысленных моделей. В них сочетаются знаковые элементы (например, химический символ, обозначающий атом, и валентный штрих, обозначающий химическую связь между атомами) с пространственным образом, который рассматривается как геометрическое подобие пространственной структуры реальной молекулы. Примером этого является модель бензола в виде шестиугольника, изображенная на нижнем рисунке. Другим убедительным примером образно-знаковых моделей может служить всем нам хорошо знакомая обыкновенная географическая карта, на которой в виде знаков, условных символов и схем прекрасно смоделирована в масштабе какая-то часть поверхности нашей планеты с ее населением, промышленностью, климатом, растительностью и другими особенностями.
Разговор об идеальных (мысленных) моделях, живущих главным образом в нашем воображении или на бумаге, на этом можно пока и закончить. Полученные здесь некоторые представления о существовании таких моделей пригодятся нам в будущем, когда пойдет разговор о конструировании, создании материальных моделей. В дальнейшем нас будут интересовать преимущественно технические модели — вполне реальные веши: маленькие опытные конструкции будущих машин, приборов, аппаратов и другой техники, создаваемые в научных лабораториях и в конструкторских бюро,> в кружках и клубах юных техников, отдельными энтузиастами технического поиска и целыми творческими коллективами. Об этом виде моделирования — техническом — рассказ в следующей статье.
Ю. СТЕПАНОВ
