Научно-техническая и патентная информация

Научно-технический прогресс связан с увеличением количест­ва и сложности знаний, информации. Так, установлено, что на современном этапе развития общества количество знаний по ос­новным отраслям удваивается в течение каждых 5 лет. По отдельным, новым направлениям это происходит быстрее — за 2—3 года.

Ежегодно в мире издается большое количество печатной продукции, совершается множество открытий и изобретений, выдвигаются смелые гипотезы и предположения. Поиск нужной информации в этих условиях становится сложным делом. Поэтому в настоящее время ведутся творческие поиски не только знаний о природе, но и об их использовании человеком.

На основе современных открытий ведутся поиски оптимальных путей передачи, обработки и хранения имеющейся информации об окружающем мире. Во всех странах созданы специальные органы научно-технической информации, основная задача которых — способствовать дальнейшему развитию науки, техники и производства. Они призваны пропагандировать имеющиеся знания, оказывать помощь в использовании этих знаний для блага человека.

В Советском Союзе научно-техническая информация как государственная система изучения и распространения новейших достижений отечественной и мировой науки и техники была созда­на по инициативе В. И. Ленина. В 1918 г. был учрежден научно-технический отдел Высшего совета народного хозяйства, который стал первым официальным органом научно-информационной деятельности.

Затем в 1920 г. В. И. Ленин подписал декрет «О передаче библиографического дела в РСФСР Госиздату», а в 1921 г. — декрет «О порядке приобретения и распределения заграничной литературы».

Так были заложены основы современной системы научно-технической информации в стране.

В настоящее время на предприятиях, транспорте, в связи, учебных заведениях созданы отделы (бюро) научно-технической информации. Их основной задачей является обеспечение необходимой информацией работников данного подразделения и доведение имеющейся новой информации до соответствующих вышестоящих органов.

Благодаря деятельности информационных центров страны, во-первых, все сведения о научно-технических достижениях, полученные в результате обработки мировой научно-технической литературы, доходят до потребителей; во-вторых, результаты научных исследований, опытных работ, достижений передовой технологии оперативно поступают из низовых ячеек в центральные органы, т. е. осуществляется обратная связь.

Гибкость системы информационного обслуживания обеспечивается тем, что у потребителя имеется возможность как ступенчатой, так и прямой связи с любой информационной службой. Оперативность работы системы научно-технической информации обеспечивается централизованной классификацией информационных материалов по Универсальной десятичной классификации (УДК), которая в нашей стране введена с 1963 г. и является единой и обязательной в области точных, естественных наук и техники.

Патентная документация — это совокупность документов, содержащих сведения о результатах научно-технических исследований и проектно-конструкторских разработок, заявленных или признанных открытиями, изобретениями, промышленны­ми образцами, полезными моделями, а также сведения об охране прав изобретателей, патентообладателей, владельцев дипломов на открытия и свидетельств о регистрации промышленных образцов, полезных моделей и товарных знаков.

Под патентной информацией понимается патентная документация в процессе ее передачи, переработки и использования. Различают первичную и вторичную патентную документацию. К первичной относят: описания изобретений к опубликованным заяв­кам, авторским свидетельствам и патентам; официальные патентные бюллетени, издаваемые патентными ведомствами; указатели к патентным бюллетеням; реферативные журналы и сборники патентов. Ко вторичной патентной документации относят аннотации, рефераты описаний изобретений, обзоры и т. п.

Основным источником информации об изобретениях являются описания изобретений. Они издаются типографским способом по строго определенной форме в виде листков или брошюр. Описание состоит из библиографической части, описания, формулировки предмета изобретения, графических материалов, а также ссылок на другие документы, имеющие отношение к данному описанию.

Официальные бюллетени «Открытия, изобретения», «Промышленные образцы, товарные знаки» выходят четыре раза в месяц. В них печатаются сведения о зарегистрированных открытиях и изобретениях, на которые выданы авторские свидетельства и патенты, а также сведения о выдаче охранных документов на промышленные образцы и товарные знаки. Кроме того, сообщаются изменения в правовом положении охранных документов.

«Библиографический указатель патентов» издается ежегодно для обеспечения патентной чистоты объектов техники. «Изобретения»— реферативный журнал об изобретениях ведущих стран — России, РБ, США, ФРГ, Франции, Великобритании и Японии, выпускается два раза в месяц. Он состоит из двух частей. В первой помещаются публикации из иностранных патентных бюллетеней; во второй публикуются нумерационные и систематические указатели. В библиографическом указателе «Изобретения за рубежом» дается информация об изобретениях стран с незначительным патентным фондом, в том числе стран преиму­щественного экспорта. Он выходит один раз в месяц на языке оригинала.

Патентная документация хранится в патентных фондах и представляет собой полное, систематизированное собрание сведений о научно-технических достижениях за последние 150—200 лет. Справочно-поисковый аппарат позволяет быстро находить необходимую информацию по тому или иному вопросу.

Система патентной информации включает: сеть патентных фондов; службу текущего (сигнального) информирования о новых заявках на изобретения, авторские свидетельства и патенты; службу справочно-информационного обслуживания данными об изобретениях и изобретателях.

Патентные фонды — главные элементы этой системы. Их назначение — подготовка документации для использования специалистами народного хозяйства страны. В состав фондов входят описания к охранным документам, материалы справочно-поискового аппарата, нормативная и методическая литература. Патентные фонды разделяются на Государственный (центральный), территориальные и отраслевые.

Государственный (центральный) патентный фонд, находящийся в патентно-технической библиотеке, является эталонным фондом и насчитывает более 25 млн. наименований описаний изобретений к патентам и опубликованным заявкам. Кроме того, он располагает описаниями изобретений или микрофотокопиями ведущих развитых стран. Центральный патентный фонд является базовым для проведения экспертизы заявок на изобретения. Его материалы используются также для создания территориальных и отраслевых фондов, т. е. копии описаний изобретений могут быть им переданы.

Территориальные патентные фонды созданы в межотраслевых территориальных органах научно-технической информации. Их задача состоит в обеспечении патентной информацией предприятий (организаций) данного региона, не имеющих своих патентных фондов.

Отраслевой патентный фонд — это совокупность патентных фондов предприятий и организаций отрасли. Они создаются по решению министерства или ведомства при отдельных НИИ, КБ,. промышленных предприятиях, в вузах и т. д.

Фонды патентной информации несут в себе разнообразные сведения об открытиях, изобретениях, промышленных образцах, товарных знаках. В повседневной практике часто необходимо их найти. Поиск таких сведений называют патентным поиском.

Патентный поиск может проводиться с целью установ­ления уровня технического решения, объема прав патентообладателя и условий их реализации, прототипа определенного устройства и т. д. В зависимости от цели различают несколько видов патентного поиска: тематический, именной, нумерационный и поиск патентов-аналогов.

Наиболее часто возникает необходимость•в тематическом поиске. Его проводят для выявления изобретений, имеющих отношение к исследуемому вопросу, теме. Необходимость в такой информации возникает, например, при разработке новой техники и технологии, отвечающей мировым стандартам. В настоящее время нельзя конструировать новые машины, создавать современные технологии производства, строить сооружения, выпускать продук­цию без учета новейших достижений науки и техники, ибо моральный их износ может произойти раньше, чем физический.

Именной (фирменный) поиск направлен на обнаружение охранных документов конкретного лица или фирмы.

Нумерационный поиск ведется с целью установить ряд обстоятельств, касающихся конкретного охранного документа: его тематическую принадлежность, связь с другими документами, право­вой статус и т. д.

Поиск патентов-аналогов проводится с целью выявления па­тентов, выданных в разных странах на одно и то же изобретение. Этот вид поиска необходим как для изобретателей, так и для экспертов. Изобретатели им пользуются для определения информации об изобретениях по исследуемому вопросу, а эксперты — для решения вопросов приоритета.

Патентный поиск во многих случаях ведут, пользуясь специальными указателями, которыми располагают фонды. Однако ввиду наличия в фондах большого количества документов, для осуществления быстрого и глубокого поиска используются различные информационно-поисковые системы (ИПС).

Быстрому и полному ознакомлению специалистов с достижениями в той или иной области техники способствует Международная классификация изобретений (МКИ). Она получила всемирное признание и введена в качестве основной в нашей стране. МКИ принята в 1954 г. патентными ведомствами стран — участниц Европейского совета. На протяжении минувших лет она пе­риодически пересматривалась, совершенствовалась. С 1 января 1980 г. вступила в силу 3-я редакция МКИ.

Все изобретения по МКИ разделяются на восемь разделов, которые обозначаются заглавными латинскими буквами:

А — предметы потребления,

В — производственные процессы,

С — химия и металлургия,

О — текстиль и бумага,

Е — строительное дело,

Г — механика, освещение и отопление,

Каждый раздел делится на классы, которые делятся на подклассы.

Работа с МКИ значительно упрощается при использовании Алфавитно-предметного указателя к Международной классифика­ции изобретений.

Контрольные вопросы

1. В чем состоят существенные отличия между открытием, изобретением и рационализаторским предложением?

2. Каковы основные признаки понятий «открытие», «изобретение» и «рационализаторское предложение»?

3. Как устанавливается приоритет открытия?

4. Чем характеризуются устройство, способ и вещество как объект изобретения?

5. Что такое формула изобретения и какие требования к ней предъявляются?

6. Каков порядок подачи заявлений на рационализаторские предложения?

7. С какой целью и как осуществляется патентный поиск?

8. Каков принцип построения Международной классификации изобретателей (МКИ)?

Лекция 5 (18 ч):«Моделирование технических устройств»

5.1. Модели и моделирование.

5.2. Классификация технических моделей.

5.3. Теоретическая основа технического моделирования.

Общие вопросы технологии изготовления моделей.

5.1. Модели и моделирование

Что такое модель, когда она появилась, где и для чего применяется, какую роль играет в общественной практике людей, в технике и науке? Эти и множество других вопросов может вызвать такое широко распространенное понятие, как «модель». Поэтому сразу же постараемся уточнить его содержание.

Школьники на вопрос «Что такое модель?» обычно отвечают: это уменьшенная копия корабля, самолета, автомобиля, ракеты или какого-то другого движущегося, чаще всего — самоходного технического объекта. Затем обычно уточняются функциональная сторона дела и степень сходства с оригиналом, прототипом: модель настольная или действующая - летающая, плавающая, бегающая (схематическая, полукопия или копия и т. д.).

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, реактивных самолетов или моделей-фантазий вроде фотонных звездолетов, внеземных городов и др.

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 также макетами). Модели парусников делают, как правило, неплавающими, а реактивных самолетов — нелетающими. И на то есть свои вполне объективные основания.

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.

Миниатюрные 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 корабли, автомобили, космические ракеты и затем заставляют всю эту самодельную микротехнику плавать, ездить, летать, участвуют с нею в соревнованиях на ловкость и мастерство, именуют моделистами, независимо от возраста, профессии, рода занятий. Сам же вид такой технической самодеятельности называется моделизмом (не моделированием!) и относится к области технических видов спорта.

Теперь вернемся к понятию модели. Слово «модель» 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 вероятно, что именно такое самое общее понятие слова «модель» послужило в дальнейшем основанием для использования его в качестве научного термина в технических, естественных, математических, социальных и других науках.

В научной литературе первое упоминание о моделях мы находим в знаменитом произведении Витрувия «Десять книг об архитектуре» (I в. до н. э.). В нем автор приводит ряд примеров того, как в целях убедительности и наглядности действия новых конструкций боевых машин и орудий создавались их модели и как эти модели испытывались. В книге десятой своего трактата Витрувий рассказывает, как «некий архитектор по имени Каллий приехал в город Родос, прочел лекцию и показал модель стены с установленными на ней вращающимися кранами, которыми он захватил гелеполь (осадная башня с тараном), приближавшийся к укреплениям, и перетащил его по сю сторону стены».

Люди начали использовать модели еще в те времена, когда не знали не только теории подобия, но и вообще никаких физических теорий. Строители храмов и крепостей Древнего Египта, водопроводов Римской империи проверяли свои планы на моделях, сде­ланных из песка, глины и камня.

Первую попытку теоретического обоснования метода моделирования сделал Леонардо да Винчи. «Говорят,— пишет он,— что маленькие модели ни в одном своем действии не соответствуют эффекту больших. Здесь я намерен показать, что заключение ложно...» Далее Леонардо да Винчи пытается вывести общие закономерности моделирования и показать значение моделей для практики. Например, он предлагает создать стеклянную модель глаза, модель, позволяющую «наблюдать сквозь стекло, что делает кровь в сердце», и др. Однако Леонардо да Винчи в своих работах не получает общих законов подобия между моделью и реальным объектом, явлением.

К вопросам подобия все чаще обращаются при создании различных конструкций и их моделирования в XVI—XVII вв. Галилей в своем сочинении «Разговоры о двух новых науках» пишет, что учению о подобии начали уделять много внимания, когда в Венеции стали сооружать галеры, имевшие большие, чем раньше, размеры. «Прочность подобных тел не сохраняет того же отношения, которое существует между величиной тел»,— констатирует он.

Первые научные формулировки условий подобия встречаются в работе Ньютона «Математические начала натуральной философии». Основные положения, изложенные в этой работе, стали основой современного учения о подобии.

Одним из первых теоретически обоснованно применил подобие И.П. Кулибин при разработке проекта арочного моста пролетом 300 м через Неву. Модель моста была построена из древесины размерами в 1/10 натуры. При испытании модели было установлено, что изменение линейных размеров тела в К раз меняет его собственную массу в К3 раз, а площадь поперечных сечений элементов— в К2 раз. Так же И. П. Кулибин установил, что модели в 1/К натуральной величины имеют напряжения от собственного веса в К раз меньшее, чем напряжения в оригинале.

Превосходную летающую модель, например, сконструировал в 1876 г. 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.

В 1871 г. английский корабельный 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 бы проводить опыты с моделями будущих судов, выявлять их качества задолго до постройки.

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.

Не останавливаясь более на истории технического моделирования, перейдем к его понятию и сущности. Заметим, что в обыденном языке словом «модель» называют искусственно созданный человеком предмет или устройство, которое в каком-то отношении сходно с другим предметом, являющимся объектом изучения или практического интереса. Иногда моделью называют образец или пробный экземпляр из серии производимых изделий, эталон, с которым сравнивают другие предметы данного рода. Часто моделью именуют определенный тип серийной продукции: новые марки автомобилей, велосипедов, тракторов, новые образцы одежды и др. Легко заметить, что во всех этих случаях со словом «модель», несмотря на довольно широкий диапазон его применения, так или иначе связан определенный общий смысл, выступающий в понятиях сходства, отображения и воспроизведения. Повидимому, именно данное обстоятельство послужило основанием для того, чтобы в науке и технике этим термином назвать понятие, выражающее вполне определенный способ, метод или средство познания окружающего мира.

Научное понятие модели имеет в виду такой способ познания действительности, который состоит в отображении или воспроизведении изучаемого явления (его свойств, структуры, динамики и т д.) при помощи какой-нибудь системы, построенной искусственно человеком. Иногда в качестве моделей используются также объекты живой и неживой природы, взятые в готовом виде (в биологии, геологии и др.). Таким образом, если говорить вообще о научных моделях, то в качестве самого общего их признака или свойства следует указать на способность последних отражать, воспроизводить предметы, явления окружающего мира, их закономерный порядок и структуру.

Моделирование как метод исследования, экспериментирования, проектирования и конструирования нашло широкое применение в естественных, прикладных науках и в технике. Вспомним классический опыт У. Гильберта с намагниченным железным шаром — тереллой: магнитная стрелка на его поверхности вела себя примерно так же, как и на поверхности Земли. Отсюда ученый делает вывод: Земля представляет собой колоссальный магнит. Вывод сделан из общности проявлений к общности причины. Но общность причины не предполагает общности материала модели и прототипа. Поэтому нельзя говорить, что этот опыт «соответствуем истинной природе вещей», поскольку Земля состоит главным образом из железа, никеля и других тяжелых элементов. Применительно к моделям такого типа употребляются термины: «технические», «действующие», «материальные», «физические», «вещественные», «вещественно-агрегатные» и др. В дальнейшем такие модели нашли применение главным образом в технике, поэтому мы будем употреблять термин «техническое моделирование».

5.2. Классификация технических моделей

Модели, применяемые в технике в настоящее время, можно разделить на три типа.

Первый тип — геометрически подобные. Они дают внешнее представление натуры (прототипа) и большей частью служат для демонстрационных целей: показывают форму, принцип действия, взаимное расположение частей, процесс сборки и разборки, компоновку объекта. Примерами геометрических моделей могут служить макеты машин и архитектурных сооружений (экспонаты технических выставок, наглядные пособия и др.), демонстрационные схемы технологических процессов, модели-макеты как форма объемного проектирования в строительстве.

Геометрические (или пространственно подобные) модели широко применяют в обучении. В особенности важна их роль в политехническом образовании, при ознакомлении школьников с различными видами производства, видеть которые воочию учащиеся не всегда имеют возможности. Со многими ведущими видами производства школьникам приходится знакомиться только по книгам, журналам, рисункам, чертежам, т. е. пользоваться образно-знаковыми, идеальными моделями. Однако по ним учащиеся не всегда могут достаточно ясно представить себе внутреннее устройство машин и других установок и тем более познакомиться с ними в разобранном виде. Кроме того, приведенный на плоскостных изображениях целый ряд технических подробностей и деталей нередко затеняет суть дела.

Для того чтобы понять и усвоить эту суть, уловить общие принципы в работе различных технических устройств, наряду с плоскостными графическими материалами используют разборные упрощенные модели-схемы. Это как бы пространственные материализованные чертежи, иллюстрирующие техническую сущность установки и ее внутреннее устройство.

Модели-схемы конечно отличаются от моделей в музеях и на выставках — трудоемких и сложных, а нередко и дорогих сооружений, которые обычно огорожены леерами и которые всячески оберегают от соприкосновения с посетителями. Такие модели-схемы можно разбирать и собирать, с ними можно работать как с учебным пособием, изучая принципы устройства данной установки. Подобные модели дают яркое, образное представление о действительном объекте и в то же время они схематичны — в них нет технологических деталей, подробностей, не относящихся к сути дела. Такова, например, разборная модель токарного станка или трактора, изготовленных исключительно с учебной целью, модель доменной печи, состоящая из легко разъединяющихся частей, двигателя автомобиля и др.

В последние годы в строительстве, архитектуре и некоторых других видах человеческой деятельности широкое распространение получил модельно-макетный метод проектирования. На макетах (пространственно подобных моделях) заблаговременно отрабатываются конструкции зданий и сооружений, их планировка, в том числе расстановка оборудования в цехах предприятий, животноводческих комплексах и др. Вместе с тем этот метод проектирования на протяжении десятилетий активно применяется в техническом творчестве школьников, является одним из популярнейших видов познавательно-преобразовательной деятельности детей и подростков, выражающейся в проектировании и конструировании моделей воображаемых объектов — космических кораблей и океанских супертанкеров, жилых зданий, спортивных, промышленных и сельскохозяйственных комплексов, сверхскоростных автомобилей и т. п.

Как правило, пространственно подобная или геометрическая модель представляет собой объект, геометрически подобный своему прототипу (реально существующему или воображаемому). При этом материал, из которого сделана модель, не имеет существенного значения и определяется соображениями удобства изготовления и сохранения изделия. Например, при сооружении настольной (стендовой) модели-копии корабля (морского, воздушного или космического) совершенно безразлично, из чего будет сделан ее корпус: из цельного массива или набран из отрезков древесины, отлит из эпоксидной смолы или из гипса. Назначение такой модели — отразить, воспроизвести лишь внешний облик, т. е. геометрические пропорции и окраску того или иного корабля, а не его гидро- или аэродинамические, а также другие физические качества.

Геометрическое подобие является, таким образом, основным требованием, предъявляемым к пространственным моделям. Пространственно подобная модель отображает прототип не во всем многообразии его свойств, не в любых качественных границах, а и границах чисто пространственных. В этом проявляется определенная ограниченность геометрических моделей, значительно снижающая ценность выводов, получаемых с их помощью.

Второй тип технических моделей — физически подобные, имеющие в современной технике гораздо большее значение, нежели пространственно подобные. Их создают с целью воспроизвести не только и не столько пространственные свойства натурного объекта, сколько динамику изучаемых процессов, различного рода зависимости и закономерные связи, структуры и, следовательно, величины, параметры и другие характеристики, выражающие различное содержание и сущность изучаемых явлений. Основой модельного отношения является здесь физическое подобие модели и прототипа, предполагающее одинаковость или сходство их физической природы и тождественность законов движения. Отношение таких моделей к отображаемому прототипу может выражаться лишь изменением пространственной или временной шкалы. Например, классические опыты с моделями, прочно вошедшими в мировую историю техники, эксперименты, проводимые в наше время с моделями самолетов, ракет, автомобилей, подводных лодок, плотин и других машин и сооружений. Все это примеры моделей, основанных на изменении пространственной или временной шкалы.

При физическом моделировании предполагается, что модель и прототип представляют собой объекты одинаковой физической природы, т. е. движение жидкости моделируется движением жидкости, электрический ток - электрическим же током, полет самолета — полетом его модели и т. д. Однако вполне возможно моделировать явление одной природы явлением совсем другой природы. Например, течение жидкости — током, движение воды в песках — теплопередачей, форму и движение стоячей и бегущей ноли — перемещением шариков волновой машины, хорошо известной школьникам по урокам физики, систему различения цветов в органах зрения живого организма — электронным перцептроном и др.

Такого типа моделирование часто называют математическим методом или «методом аналогии» (аналогия отличается от подобия в узком смысле этого слова именно тем, что она не предполагает тождественности физической природы сравниваемых объектов). Аналогия имеет ряд черт, отличающих ее от моделей. Замечено, что метод моделирования, основанный на опытах с моделями одной физической природы с образцом, обладает существенными недостатками, а иногда совершенно неприменим. Недостатки этого метода состоят прежде всего в том, что стоимость экспериментальных моделей бывает порой довольно велика, а, главное, методы измерения искомых величин большей частью грубы, неточны и искажают изучаемое явление. Эти недостатки преодолеваются в аналогиях. Считается, что две системы являются аналогичными, если имеется однозначное соответствие между каждым элементом этих систем, а также между функциями возмущения и реакциями этих элементов и всей системы в целом. Аналогией подобного типа обладает масштабная модель, в которой воспроизводится каждый элемент прототипа, но в измененных размерах. Более тонким типом аналогии является аналогия между системами, принадлежащими к двум совершенно различным физическим категориям. Аналогия между такими системами часто выражается как подобие между уравнениями, характеризующими эти системы.

Третий тип технических моделей — функционально подобные (нередко их называют математическими или кибернетическими). В творчестве школьников этот вид моделирования применяется главным образом в конструировании и постройке устройств, имитирующих способ передвижения или поведения живых существ. Для эффективности таким устройствам нередко придается форма, внешний вид животных, насекомых и даже человека. Это всевозможные электромеханические и электронные самодвижущиеся «черепахи», «гусеницы», «божьи коровки» и др., «способные» обходить препятствия, реагировать на звук, свет. К их числу можно отнести антропоподобных роботов, строящихся в некоторых кружках, а также устройства, моделирующие органы зрения, слуха, памяти. Все эти устройства, естественно, не обладают одинаковой с прототипом физической природой, не сохраняют физического подобия, хотя могут иметь и некоторое внешнее (геометрическое) сходство. В данном случае отношение между моделью и прототипом является отношением аналогии. Эта аналогия может быть структурной или функциональной (изоморфизм или изофункционализм).

Как уже отмечалось, поведение систем, различных по своей физической природе (по конкретным физическим, химическим, биологическим свойствам), но сходных по каким-то более общим законам строения или функционирования, математически может быть описано одинаково. По этому признаку и упомянутые нами выше модели юных техников в определенной мере могут быть причислены к «математическим». В детском техническом творчестве модели, имитирующие, воспроизводящие на механической, электрической или электронной не функции поведения живых существ, называют чаще кибернетическими, хотя термин «функциональные модели» конечно отражает существо дела более точно.

Над подобными моделями школьники работают очень охотно, так как при этом открываются широкие возможности применения устройство автоматики и телемеханики, возможности идти, что называется, «в ногу со временем». Привлекает школьников эта область моделирования и широкой вариативностью, возможностью практически неограниченного выбора объектов конструирования и новизной таких наук, как бионика, кибернетика, азы которых они постигают в ходе своей поисково-конструкторской деятельности. В силу отмеченных обстоятельств образовательное, познавательное значение данного направления в техническом творчестве школьников достаточно велико и перспективно.

При постройке спортивных моделей стремятся к тому, чтобы пни развивали большую скорость, были маневренны, могли перемещаться на максимальное расстояние и т. п. Спортивные модели могут быть кордовыми, трассовыми, с дистанционным управлением и свободно перемещающимися. В последнее время, с целью повышения роли поисковой деятельности в техническом творчестве, изготавливают так называемые экспериментальные модели, содержащие какие-либо новые решения.

В соответствии с Единой спортивной классификацией в настоящее время определены следующие классы спортивных моделей: авиамодели — свободно летающие (планер, резиномогорная, таймерная), кордовые модели с поршневым двигателем, радиоуправляемые, модели-копии; модели ракет - высотные модели, модели на продолжительность спуска (с лентой и на парашюте), модели ракетопланов, модели-копии; модели автомобилей - гоночные модели, модели с двигателями внутреннего сгорания (объемом до 1,5; 2,5; 5 и 10 см3), модели с воздушным винтом (с объемом двигателя до 1,5 и 2,5 см3), скоростные радиоуправляемые модели с двигателем внутреннего сгорания, модели-копии с электродвигателем; модели кораблей - самоходные модели военных кораблей с механическим двигателем, модели гражданских судов с механическим двигателем, самоходные модели свободного класса, скоростные управляемые модели фигурного курса, скоростные управляемые, скоростные кордовые модели, модели подводных лодок с механическим двигателем, скоростные управляемые модели групповых гонок.

Среди спортивных моделей в последнее время большой авторитет завоевали трассовые автомодели. Они просты по устройству, не требуют дорогостоящего оборудования и материалов. Не сложна и технология их изготовления. Соревнования по трассовому моделизму проходят захватывающе, что привлекает учащихся.

Если модель отображает основные признаки и свойства не одного прототипа, а всего класса представленных машин, механизмов, узлов, то ее называют обобщенной (например, модель дифференциала, винтовой передачи и др.). Кроме того, модели могут быть динамическими (действующими) и статическими (не действующими).

Особую группу технических моделей составляют тренажеры. В них органически сочетаются элементы моделирования с элементами реальной техники (приборами, механизмами и т. д.). Тренажеры применяют для формирования навыков управления различными машинами. Поэтому они создаются так, чтобы водителю, летчику, оператору создать условия, максимально приближенные к реальным.

Классификация моделей, в основу которой положен принцип различия моделей по содержанию, приведена на схеме 1.

5.3. Теоретическая основа технического моделирования

Выше уже отмечалось, что техническое моделирование состоит в замене изучения интересующего человека явления или объекта в натуре изучением аналогичного явления или объекта на модели меньшего или большего масштаба. Основной его смысл заключается в том, чтобы по результатам опытов с моделями можно было давать необходимые ответы о характере эффектов и различных величинах, связанных с явлением в натурных условиях.

В большинстве случаев техническое моделирование в творчестве школьников основано на воспроизведении физически подобных явлений. Изучение того или иного натурного явления, заинтересовавшего учащихся (например, движение настоящих самолетов, ракет, кораблей, автомобилей и др.), заменяется изучением физически подобных явлений на соответствующих моделях, что осуществлять реальнее и удобнее, поскольку имеется возможность многократно повторять опыт, изменяя условия его проведения. Способы определения физического подобия многообразны. Мы воспользуемся определением, предложенным академиком Л.И.Седовым, как наиболее приемлемым и удобным для дальнейшего рассмотрения вопросов технического моделирования:

«Два явления подобны; если по заданным характеристикам одного можно получить характеристики другого простым пересчетом, который аналогичен переходу от одной системы единиц измерения к другой системе» (Седов Л.И. Методы подобия и размерности в механике. – М.: Наука, 1967. – С. 57).

Для осуществления такого пересчета необходимо знать «переходные масштабы». Численные характеристики для двух различных, но подобных явлений Л.И.Седов предлагает рассматривать как численные характеристики одного и того же явления, выраженные в двух различных системах единиц измерения, учитывая при этом, что для всякой совокупности подобных явлений все безразмерные характеристики (безразмерные комбинации из размерных величин) имеют одинаковое численное значение. Причем обратное заключение также справедливо, т. е. если все безразмерные характеристики для двух движений одинаковы, то движения подобны. «Совокупность механически подобных движений и определяет собой режим движения» (Седов Л.И., с.58),— подчеркивает Л. И. Седов.

Согласно данным современной науки, в основе процесса технического моделирования лежит теория подобия. Известно, что эта теория изучает отношения между моделью и натурой в случаях, когда та и другая принадлежат к одной и той же форме движения, в частности — к механическому движению. Подобными считаются такие предметы и явления, у которых все характеризующие их однородные физические величины находятся для любой точки пространства в одинаковом отношении. В этом случае подобие называется полным. Во многих случаях (а в техническом творчестве школьников — в большинстве) подобие бывает соблюдено не для всех величин, а лишь для некоторых. Тогда его называют частичным подобием. Говоря о модели и о натуре, прежде место подразумевают их геометрическое подобие, т. е. пропорциональность всех линейных размеров модели и натуры и равенство их соответствующих углов.

Очень важно, чтобы при ознакомлении с основами теории подобия юные техники уяснили себе сущность понятия масштаба модели (коэффициента подобия), познакомились с видами масштабов. Масштабом модели теория подобия считает отношение сходственных параметров модели и натуры линейного масштаба:

K l = l 1 / l

где l 1, l — линейный размер соответственно модели и натуры (например, длина модели судна и длина самого судна).

Подобие может быть приближенным или частичным, имеющем место в моделировании, когда некоторые масштабы (сил, скоростей, плотностей и др.) этому условию удовлетворяют, а другие — нет.