Физическое моделирование

Физи́ческое модели́рование — метод экспериментального изучения различных физических объектов или явлений, основанный на использовании модели, имеющей ту же физическую природу, что и изучаемый объект^[1].

Моделирование аэродинамики самолёта в аэродинамической трубе

Метод заключается в создании лабораторной физической модели явления в уменьшенных масштабах и проведении экспериментов на этой модели. Выводы и данные, полученные в этих экспериментах, распространяются затем на явление в реальных масштабах.

Метод применяется при следующих условиях:

Исчерпывающе точного математического описания явления на данном уровне развития науки не существует, или такое описание слишком громоздко и требует для расчётов большого объёма исходных данных, получение которых затруднительно.
Воспроизведение исследуемого физического явления в целях эксперимента в реальных масштабах невозможно, нежелательно или слишком затратно (например, цунами).

Метод может дать надёжные результаты, лишь в случае соблюдения геометрического и физического подобия реального явления и модели.

В широком смысле, любой лабораторный физический эксперимент является моделированием, поскольку в эксперименте наблюдается конкретный случай явления в частных условиях, а требуется получить общие закономерности для всего класса подобных явлений в широком диапазоне условий. Искусство экспериментатора заключается в достижении физического подобия между явлением, наблюдаемым в лабораторных условиях и всем классом изучаемых явлений.

Геометрическое подобиеПравить

Геометрическое подобие модели и натурного объекта можно выразить через константу подобия $\text{[math]}$ $\text{[math]}$ $k_{l}$ линейных размеров: $\text{[math]}$ $\text{[math]}$ $k_{l}={\frac {l_{n}}{l_{m}}}$ , где $\text{[math]}$ $\text{[math]}$ $l_{n},l_{m}$ - линейные размеры натурного объекта и модели^[1].

Физическое подобиеПравить

Физическое подобие заключается в том, что в физической модели и натурном объекте протекают процессы одинаковой физической природы таким образом, что поля физических величин и их свойства на границах систем подобны^[1]. Физическое подобие достигается за счёт равенства для модели и реального явления значений критериев подобия — безразмерных чисел, зависящих от физических (в том числе геометрических) параметров, характеризующих явление. Экспериментальные данные, полученные методом физического моделирования распространяются на реальное явление также с учётом критериев подобия.

ПримерыПравить

Некоторые примеры применения метода физического моделирования:

Исследование течений газов и обтекания летательных аппаратов, автомобилей, и тому подобное в аэродинамических трубах.
Гидродинамические исследования на уменьшенных моделях кораблей, гидротехнических сооружений и тому подобное.
Исследование сейсмоустойчивости зданий и сооружений на макетах.
Изучение устойчивости сложных конструкций, под воздействием сложных силовых нагрузок.
Измерение тепловых потоков и рассеивания тепла в устройствах и системах, работающих в условиях больших тепловых нагрузок.
Изучение стихийных явлений и их последствий.

См. такжеПравить

ПримечанияПравить

↑ ¹ ² ³ Гусев Ю. И., Карасев И. Н., Кольман-Иванов Э. Э. Конструирование и расчет машин химических производств. - М., Машиностроение, 1985. - С. 12 - 14

ЛитератураПравить

Физическое моделирование — статья из Большой советской энциклопедии.
Седов Л. И. Методы подобия и размерности в механике, М., 1972.
Кирпичев М. В., Михеев М. А. Моделирование тепловых устройств, М. — Л., 1936.

[Gus-1] ¹ ² ³ Гусев Ю. И., Карасев И. Н., Кольман-Иванов Э. Э. Конструирование и расчет машин химических производств. - М., Машиностроение, 1985. - С. 12 - 14

[1]