2.5. ТРАНСФОРМАЦИОННЫЕ ПРОЦЕССЫ В ФИЗИЧЕСКИХ СИСТЕМАХ

Анализ и прогнозирование трансформацнопиых процессов в производственно-технических системах «человек—машина— среда» и в общественных системах, часто называемых (с учетом их технической вооруженности) социотехническими, связаны с поиском и учетом законов, общих для всех компонентов подобных систем. Таковыми мы считаем, в частности, сформулированные выше законы взаимной адаптации н трансформации. Исследование и применение этих законов к физическим системам, в том числе к термодинамическим энергетическим объектам, системам автоматического управления и другим представляет собой специальную н весьма сложную проблему, которая выходит за рамки данной книги.

В то же время апалнз известных в физике процессов, которые сходны по разным признакам с трансформационными процессами, рассмотренными выше на примере человеко-машинных систем, может навести на многие идеи, полезные для дальнейшей разработки трансформационной теории обучения и структурной динамики систем. В определенном смысле анализ таких физических процессов может послужить в качестве предварительной программы проверки применимости законов взаимной адаптации и трансформации к произвольным типам систем.

Закон структур-стратегий н правило постоянства интегральной эффективности системы могут быть в известной степени проиллюстрированы на примере распределения Максвелла для молекул газа при разных температурах (рис. 2.12) *.

Применение законов распределения при описании различных структур-стратегий представляется нам весьма перспективным.

Яркой иллюстрацией трансформационных процессов является зависимость силы тока от напряжения полупроводникового элемента с невзаимно однозначной вольт-амперной характеристикой (например, туннельного диода), приведенная на рис. 2.13. Как и в случае процессов обучения операторов (см. рис. 2.3), где одно значение времени решения задач t 132 е встречается в пяти разных случаях в ходе эволюции и трансформации стратегий деятельности, в данном случае одно значение силы тока может соответствовать различным значениям напряжения. Это явление, широко известное как эффект Ганна, обусловливает форму колебаний тока (рис. 2.14), сходную о описанными выше моделями трансформации стратегий деятельности (см. рис. 1.3, 1,4, 2.2, 2.3).


Формы колебательных процессон н физических системах, глубина провалов контролируемого параметра («эффективности»), как и при трансформации структур-стратегий деятельносги операторов, зависят от эвклидова расстояния между оптимумами трансформируемых структур. Резонансные кривые колебательной системы при сильно разнесенных и при близких друг к другу частотах нормальных колебаний щ и юа показаны на рис. 2.15.

Подобие трансформационных процессов, при которых частные максимумы структур имеют различные значения, можно найти в разных разделах физики. На рис. 2.16 показано распределение инкремента неустойчивости / (и) плазменной системы, в которой возможен переход от анизотропной плазменной неустойчивости к магннтогидродннамической.

Подпись:  Подпись:

Многозначность вольт-амперных характеристик (см. рис 2.13) особенно наглядна прн трансформапнях типов электрических разрядов (рис. 2.17), а также фазовых состояний веществ (рис. 2.18).

Переход от твердой (кристаллической) фазы к жидкой (рис. 2 19) является примером трансформации с промежуточным «плато», как на рнс. 2,2, б переход от Sb к 5С.

Некоторые вещества, например Cs, имеют сложные формы кривых фазовых переходов, отличные от обычных, которые отражают существование у ннх различных полиморфных трансформаций (рнс. 2.20).

К тщательно изученным процессам трансформации в физических системах можно отнести изменение плотности теплового потока Q и коэффициента теплоотдачи се в зависимости от температурного напора AT (рис. 2.21). Эволюция и трансформация разных структур процесса принципиально различна в области сла-

 

Подпись:
Подпись:

Подпись:
Подпись:

бого образования пузырьков пара (А), прн пузырьковом кипении {В), прн переходе от пузырькового кипения к пленочному (В) и при стабильном пленочном кяпеннн (Г). Необходимо обратить особое внимание на тот факт, что при трансформации пузырькового кнпеиня в пленочное (на рнс. 2.21 отмечено как фаза В) с ростом температурного напора от 30 до 200 К происходит снижение плотности теплового потока от 0,8-10° до 0,2-106 Вт/ма. Данное явление полностью соответствует трансформационной теории обучения и динамики систем.

Большое разнообразие подобий характеристическим н трансформационным кривым мы находим в ядерной физике (примеры приведены на рнс, 2.21—2.24), в физике полупроводников (рис. 2.25, 2.26), в оптике (рис. 2.27—2.32), в акустике (рнс. 2.33).

Для разработки проблемы перехода от анализа обобщенной («стратегической») характеристической кривой к более детальной («тактической») применительно к деятельности операторов [151 может оказаться полезной аналогия с формами спектральпой линии (рнс. 2.34), а также процессами трансформации профиля волны на поверхности водоема (рис. 2.35),

Как известно, все реальпые объекты, в том числе компоненты системы человек—машина—среда, обладают инерцией, запаздыванием (т. е. гистерезисом). Следовательно, прямые н обратные трансформации структур-стратегий должны, как правило, происходить по разным траекториям. В этих случаях полезные подобия исследователя СЧМС могут почерпнуть в данных о процессах намагничивания материалов (рнс. 2.36—2.40). ,



Подпись:
Физическую основу всех металлургических процессов составляют трансформации состояний металлов, их сплавов и смесей. Главную традиционную трудность металлургов составляет неуправляемость процессов трансформации. Например, когда расплавленный металл разлит в изложницы н формы, то далее обычно пассивно ожидают результата естественного хода кристаллизации. Существенным новым словом в металлургии оказались методы, использующие влияние на кристаллизацию режимов охлаждения металла. Так были получены, в частности, аморфные металлические образцы, обладающие свойством «стекла».

 


Подпись:

Подпись:  Волнообразная зависимость параметров проявляется н на диаграмме состояний двухком-понентного сплава Ац—Si, отражающей зависимость температуры начала кристаллиаации расплава от относительной концентрации компонентов. Низшая точка температуры кристаллизации, называемая эвтектикой, соответствует сплаву с содержанием 31 % Si. Она лежит ниже 400°С. Слева н справа от эвтектики закономерности взаимозависимости состава сплава и температуры его плавления (кристаллизации) разные, что отражает различия кристаллических структур сплавов слева —■ на основе серебра н справа — на основе кремния.

Подпись:
Вблизи точки эвтектики лежит зона аморфизации сплава. Термин аморфизаиия может быть применен к разным системам как образное обозначение специфики процесса деструктурнзации — необходимого условия трансформации структур.

При охлаждении металлического расплава его свойства изменяются пропорционально температуре до самого момента кристаллизации. Кристаллизация характеризуется существенно нелинейными процессами.

Зависимость свободной энергии единицы объема жидкой итвердой (кристаллической) фаз металла от температуры представ-лена па рис. 2.41. При температуре Т0 твердая и жидкая фазынаходятся в равновесии (/"тв = Fm* = 0). При температурахвыше ?0 стабильной является жидкая фаза (Fw < Fia), а приТ < Т0 — твердая кристаллическая  фаза       < Filt). Измене-

ние агрегатного состояния вещества (кристаллизация) начинается при переохлаждении жидкости до некоторой температуры 7\ < < Г0 и AT1, так как только в этом случае процесс кристаллизации приводит к уменьшению свободной энергии AF.

Кривые охлаждения, отражающие кинетику процесса кристаллизации, обычно имеют вид, показанный на рис. 2.42. Переход к новому агрегатному состоянию сопровождается замедлением процесса охлаждения, после чего он снова ускоряется. Известно, что иа практике такие кривые часто принимают вид, показанный на рис. 2.43, т. е. в начале процесса кристаллизации имеет место значительное переохлаждение, которое затем уменьшается. Таким образом, в определенный период перед ускорением процесса охлаждения температура на только ие уменьшается, по даже несколько возрастает.

 

Подпись:  Подпись:

Подпись:
Подпись:

Аналогичные закономерности наблюдаются при фазовых переходах в твердом состоянии (при полиморфных превращениях). Как известно, процесс кристаллизации вещества происходит путем зарождения в жидкости трехмерных центров кристаллизации (кристаллических зародышей) н их последующего роста в результате присоединения атомов нз жидкости к готовым кристаллическим поверхностям. Интенсивность первого процесса характеризуют скоростью С образования зародышей, второго — линейной скоростью W их роста (рис. 2.44). Эти величины по-раз-иому зависят от переохлаждения расплава. При незначительном переохлаждении процесс роста кристаллов определяется в основном скоростью образования кристаллических зародышей, которые быстро растут. В этом случае получается крупнокристаллический материал. В области сильного переохлаждении скорость образования центров кристаллизации велика, возникает большое число кристаллов, а скорость их роста мала. При этом получается

 

Подпись:
Подпись:

Подпись:
Подпись:

материал с мелким зерном. Зависимость размера зериа от степени переохлаждения для одного из металлов (никеля) приведена на рис 2,45. Как видно на рисунке, эта зависимость иоснт немонотонный характер: иа кривой имеется скачок, соответствующий переходу к механизму с преимущественным влиянием С,

Анализ процессов кристаллизации н деформации металлов убедительно доказывает, что трансформации структур систем с постоянным составом компонентов осуществляются только через общее для обеих фаз состояние. В то же время траектории прямых (плавление) и обратных (кристаллизация) трансформаций могут существенно различаться между собой. В периоды трансформаций жидкой и твердой фаз металлов наблюдается временное снижение значений ряда их параметров. Известно, что каждое состояние металла может иметь ряд различных структур. Классическим примером являютси параметры смесей железа с углеродом: физические свойства перлита, цементита, аустеиита существенно различаются между собой. Однако эти процессы близки к явлениям кристаллизации.

Принципиально иной класс процессов составляют деформации металлов Обратимся к анализу трансформационной динамики в этой области Существует два вида деформации металлов: упругая н пластическая. Упругая деформация объясняется искажением кристаллической решетки металла, пластическая — перемещением в ней дислокаций Переход от одного вида деформации к другому для монокристаллов описывается типичной кривой в координатах «напряжение а — относительная деформация в» (рис. 2.46). Переход от одного механизма деформации (участок J—2) к другому (участок 2—3—4) происходит через этап замедления роста напряжения. В малоуглеродистых сталях н других материалах иа кривой деформации обнаруживаются особенности; переход к пластической деформации происходит после предварительного резкого снижения а (рис. 2.47), обусловленного тем, что для развития скольжения требуется меньшее напряжение, чем для возникновения этого процесса: переход к новому механизму упрочнения материала происходит через этап уменьшения напряжения.

Прочность металла зависит не только от типа его кристаллической решетки, но и от наличия дефектов в кристаллической решетке. А. Б. Герчаков приводит примеры нелинейной зависимости прочности металла от числа дефектов кристаллической решетки (рис. 2.48). При появлении дефектов и увеличении их числа очень высокая прочность металла в чистом его виде сначала быстро падает, потом стабилизируется, а затем дальнейшее увеличение числа дефектов приводит к существенному повышению прочности металла. Это свидетельствует о трансформации структуры металла, вследствие чего изменяются закономерность и вид характеристической кривой зависимости прочности от числа дефектов кристаллической решетки. Действительно, металл переходит из кристаллического состояния в аморфное, «стекловидное». На рис. 2.48 иа оси F отмечены интервалы состояний металла: О—; — весьма чистый металл; 2-3 — металл с числом дефектов, соответствующим трансформации его качественной структуры; 5—4 — обычные свойства конструкционных металлов; 5—6 — аморфные металлы с большим числом дефектон.

Важнейшей задачей при создании (композиции) новых сложных материалов признано управление трансформационными процессами. От традиционной металлургии со спонтанными процессами кристаллизации происходит переход к строго управляемым процессам кристаллизации. Таким образом, самые последние достижения металлургической науки свидетельствуют о том, что «порядок» (кристаллическая или аморфная структура металла)

на «хаоса» (расплава) может быть получен путем не только споитаииых процессов, как утверждает И. Пригожий, но и управлиемых, заранее сила-

нированных процессов. Такой путь развития физических систем (как, впрочем, и биологических, и социальных) намного труднее, но результаты такого процесса несравненно более эффективны.

Представления о куполообразных характеристических кривых зависимости выходных параметров Q систем от входных F позволяют представить модели различных процессов в объектах управления, изучаемых теорией автоматического регулирования (управления).

Пример возникновения периодических (колебательных) процессов на выходе объекта при реверсивных изменениях входного параметра показан иа рис. 2.49. В зависимости от формы статической характеристической кривой Q (F) и динамики среды Е (Т) форма динамической кривой Q (Т) может измеиятьси в широких пределах (рис. 2.50). Реакция системы на одну из ту же динамику внешней среды Е (Т) может существенно варьировать в зависи-

мости от характеристик измерительной части системы, преобразующей Е (7) в F [Е (7)1. Рефлексия, т. е. отражение Е (7) в F IE (7)1, может учитывать «положение» (мгиовениое значение) среды, скорость dEidT или ускорение tPE/dT2, интеграл отклонения параметра среды Е от некоторого заданного значения Е* в течение контролируемого интервала времени Д7. Номограмму, связывающую Е (Т), F (Е), Q (F) и Q (Т), можно условно назвать квадриграммой [121 ]

В случае, если объект управления имеет ряд структур, то его отклик даже иа простую динамику среды и при постоянной рефлексии может быть весьма сложным (см. рис. I 5). Вообще же возможны разные типы рефлексии системой динамики среды в зависимости от типа структуры, предыстории, динамики системы. Для каждой структуры S, и типа рефлексии имеется определенный минимальный порог значений параметра среды, ниже которого система еще не реагирует (при F < Fiaop Q, — 0), и максимальный порог, при превышении которого система перестает реагировать (при F > fimax Qi 0). Примером может служить переменная частота входных колебаний: при слишком низкой и слишком высокой частотах система ие реагирует, интервал частот между нижним и верхним порогами называется частотой пропускания. При достижении максимального порога часто происходит срыв эффективности фуикциоиирования системы или даже ее разрушение. Аварии можно избежать, трансформировав структуру системы в другую, с иными пороговыми значениями FJuop.

Трансформационная теория динамики систем может быть применена для расчета таких характеристик колебательных систем, как состав особых частот (ведущей, резонансной и обертонов); динамика частотного спектра колебаний при изменениях фактора F взаимной адаптации с внешней средой, а также коэффициент (или вектор) рефлексии.

Особое значение имеет исследование трансформационных характеристик: допустимой скорости трансформации, длительности трансформационного и ретрансформациоииого (при обратной трансформации) плато. Трансформационная теория динамики систем, а также квадриграмма, как ее графическая или имитационная (при реализации на ЭВМ) модель, позволяют моделировать самые различные типы процессов улравления, физических и химических превращений, в том числе диссипативных систем 157,66)

Таким образом, в термодинамике, радиофизике, оптике, ядерной физике, теории автоматического управления, физике металлов и металловедении изучается широкий круг явлений, которые мы относим к явлениям трансформации. Открытия физиков и металловедов в этой области, если и ие могут быть прямо перенесены иа процессы обучения или перестройки общественной структуры, то, во исяком случае, наводят на необычные идеи, аналогии, ассоциации.

Признавая большое эвристическое значение результатов исследований структурных переходов в физических системах для развития трансформационной теории обучения операторов и структурной динамики СЧМС, мы в то же время считаем, что широкое применение этой теории, а также законов взаимной адаптации и номограмм взаимно адаптационной динамики в общей теории систем, физике, энергетике, теории автоматического управления, в свою очередь, даст существенные теоретические и практические результаты.