Экспериментальная проверка приближенного метода моделирования проведена была в широких пределах М.А.Михеевым и рядом других советских ученых.
Иногда исследователю приходится встречаться с явлениями, настолько сложными и неизученными, что их не удается выразить посредством математических формул и составить уравнение связи между физическими величинами. Для случаев, когда оказывается возможным установить те физические величины, которые должны были бы войти в уравнение связи, Ж.Бертран в 1878 г. предложил метод, позволяющий из соображений о размеренности отдельных членов физического уравнения отгадать вид критериев подобия и подобрать эмпирическое уравнение связи для них. Этот путь менее надежен, и его следует применять только при невозможности вывести уравнения связи.
Так как учение о размерности лежат в основе физических уравнений, то с него мы и начнем изложение учения о подобии.
2. Математическое и физическое подобие.
Всякое явление природы представляет собой систему материальных тел, которая претерпевает определенное изменение состояния, поскольку в ней протекают различные процессы.
Явлениями, подобными друг другу, называются системы тел, геометрически подобные друг другу, в которых протекают процессы одинаковой природы и в которых одноименные величины, характеризующие явления, относятся между собой как постоянные числа.
Иными словами, можно определить подобие явления так: явление, подобное заданному, может быть получен путем такого его преобразования, когда размер каждой ее величины изменяется в определенное число раз.
Такое преобразование называется подобным преобразованием явления.
Понятие подобного преобразования первоначально возникло в геометрии, где таким путем получаются подобные фигуры и тела; отношение любых сходных отрезков в них равно одному и тому же постоянному числу сl, так что можно сказать, что тело, подобное первоначальному получено путем изображения его в ином геометрическом масштабе.
Понятие «механическое подобие» прежде всего включает в себя геометрическое подобие систем, затем – кинематическое подобие: подразумевается, что в любых сходных точках систем скорости движущихся тел параллельны и пропорциональны друг другу, т.е. что отношения между их скоростями одинаково во всех точках системы. Если система состоит из отдельных дискретных частиц, то у подобных явлений массы тоже относятся между собой как постоянное число; если же имеет место течение сплошного тела, капельной или газообразной жидкости, то плотности и коэффициенты вязкости во всех сходных точках подобных систем имеют постоянное отношение.
Далее понятие механического подобия включает в себя динамическое подобие, т.е. параллельность и пропорциональность сил в сходственных точках.
Тепловое подобие подразумевает пропорциональность друг другу всех характеризующих тепловые явления величин: температур, тепловых потоков, теплоемкостей, коэффициентов теплопроводности и т.д.
Обозначая отношение расстояний между геометрически подобными точками, т.е. сходственных отрезков длин двух подобных систем, через сl, скоростей – сw, масс – сm, сил – сf и т.д., можно дать математическую формулировку понятия подобия в виде следующей системы равенств:
и т.д., где одним и двумя штрихами обозначены первое и второе подобные явления.
Коэффициенты пропорциональности cl, cw и т.д., называются константами подобия. Для каждого рода величин они имеют свою особую численную величину; поэтому константы подобия имеют соответственные подстрочные значки, показывающие, к какого рода величинам они относятся.
Обобщая сказанное, можно подобие явлений определить, как пропорциональность друг другу всех величин, характеризующих явление, причем коэффициент пропорциональности сохраняет постоянное значение во всех точках системы для определенного наименования величин, но является различным для величин разного наименования.
В общем виде переход от величин одного явления к величинам другого, ему подобного, может быть выражен уравнением
.
Это первое основное уравнение теории подобия.
Константы подобия сохраняют свое значение для любых случаев отношения сходственных величин. Например, если и – сходственные отрезки двух подобных систем, имеют место равенства:
,
и, следовательно, отношение величин можно заменить отношением любых других отрезков при условии, что замена эта для любых подобных явлений делается одинаковым образом. Это так называемое правило замещения одних величин другими того же наименования.
Такую замену можно делать для всех других величин, например и.т.д.
В дальнейшем часто будет встречаться дифференциация величин.
На них также можно распространять правило замещения величин. Это правило можно применять, когда рассматриваемая среда предполагается сплошным телом, т.е. когда наблюдатель имеет дело с такими размерами тела, которые в очень большое число раз превосходят расстояния между молекулами δ, так что дискретное строение тела незаметно и может не приниматься во внимание.
По определению, дифференциал функции dy равен производной, помноженной дифференциал независимой переменной dx:
.
Здесь dx – произвольная величина, которая в физике должна лежать в пределах
,
т.е. быть значительно больше расстояний между молекулами, для того, чтобы можно было рассматривать тело сплошным, как континуум, и одновременно настолько малым, чтобы к нему с достаточной степенью точности можно было применять формулы дифференциального, а не разностного исчисления. Таким образом, в физике dx есть хотя и очень малая, но конечная величина и, следовательно, должна рассматриваться, как разность x2-x1. Поэтому
.
Подобным же образом dy=y2-y1 и, следовательно, к нему применимо .
Вообще говоря, подобных друг другу явлений бывает не два, а значительное количество. Мы будем говорить, что они составляют группу подобных явлений.
Сравнивая все члены группы с одним явлением, которое служит образцом для них, замечаем, что при переходе от одного, подобного образца явления к другому, к третьему и т.д. константы подобия каждый раз получают другое значение, сохраняя в то же время свое свойство – быть постоянными во всех точках каждой системы, подобной образцу.
Объединяя переход от явления образца ко всем подобным ему, мы можем рассматривать его выражение как групповое преобразование явления, подразумевая под константой последовательно ее значения для всей группы подобных образцу величин.
Подобие явлений можно выразить и другим способом: не константами подобия, а посредством так называемых инвариантов подобия.
Перейдем от абсолютной системы единиц, общей для всех явлений данного класса, к относительной системе, пригодной только для одного явления этого класса. Для этого выберем за единицы измерения величин рассматриваемой системы значения этих величин в каких-нибудь точках самой системы. Отметим их подстрочным индексом (0). Тогда все величины и другие для первого явления получат численные значения:
и т.д.
Если во втором явлении за единицы измерения величин выбрать их значения в сходственных первой системе точках, то их значения в относительных единицах будут
и.т.д.
Очевидно, и т. д. будут те же, что и в первой системе.
В самом деле легко видеть, что
и. т. д.
Переставляя члены пропорции, получим
.
То же самое получится для любых других величин, характеризующих подобные явления.
Поэтому значки, отмечающие, к какому из явлений относятся величины L, W и т. д., можно отбросить, так как при переходе от одного явления к другому, ему подобному, все величины, выраженные в относительных единицах измерения, останутся численно прежними.
Иными словами, они являются инвариантами подобия. Будем обозначать это свойство их словами іnv. (инвариант) или іdem (то же самое).
Следовательно, L=idem, W=idem или для общего случая .
Следует уметь хорошо отличить понятия «константа подобия» и «инвариант подобия».
Константа сохраняет постоянное значение во всех точках системы, но она делается другой, когда одна пара подобных явлений заменяется другой.
Инвариант подобия, наоборот, различен для разных точек системы, поскольку он изображает одну из величин этой системы, имеющую разное численное значение в разных точках системы; но он не меняется при переходе от одного явления к любому другому, подобному ему. Иначе говоря, он сохраняет одно и то же значение в сходственных точках всей группы подобных явлений.
В дальнейшем мы будем пользоваться определением подобия и через константы, и через инварианты в зависимости от того, какое определение при рассмотрении различных вопросов оказывается удобнее в смысле простоты изложения.
Возвращаясь к определению подобия через константы подобия, отметим, что на первый взгляд выбор всех констант подобия может казаться произвольным. На самом деле это не так. Величины, характеризующие различные явления, не являются независимыми друг от друга. Часто между ними существует определенная связь. Эта связь, называемая законом природы, во многих случаях может быть выражена в математической форме в виде уравнения.
Наличие такого уравнения, делающего одни величины зависимыми от других, налагает и на константы подобия определенные ограничения.
Нахождение зависимости между константами подобия, вызываемой существованием уравнения, связывающего между собой характеризующие явление величины, составляет содержание теоремы подобия, которая будет изложена в следующей главе.
Уравнения, описывающие различные явления природы, можно рассматривать, как имеющие различную степень общности.
Наиболее общие уравнения, выражающие общие законы природы, такие, как общие законы механики, закон сохранения энергии, можно назвать уравнениями, охватывающими целый класс явлений. Таковы были уравнения, представляющие второй закон Ньютона и первый закон термодинамики. Эти общие уравнения могут получать различные частные виды в зависимости от того, к каким частным видам явлений данного класса они будут прилагаться. Так общие уравнения механики принимают вид уравнения Навье-Стокса в применении к течению жидкости, вид уравнения колебаний упругой среды и т. п. Эти виды явлений содержат отдельные свойства однотипных явлений, отличающихся друг от друга только заданием различных условий однозначности явлений. И, наконец, единичные явления выделяются из семейства численным заданием условий однозначности, которые для каждого единичного явления семейства буквенно одинаковы, но численно отличны друг от друга.
В дальнейшем свойство уравнений связи, которое налагает на них подобие явлений, будет излагаться сперва для самых общих знаков природы и для них будут выводиться теоремы подобия. Однако не меньшее значение будет иметь приложение общей теории подобия к частным случаям и к единичным явлениям, так как только таким путем окажется возможным скрыть наиболее важные стороны учения о подобии.
