Естесственно научные основы инновационных технологий

6.1 Понятие о структурных уровнях организации материи. Мегамир, макромир и микромир.

Материя – это бесконечное множество всех существующих в мире объектов и систем, субстрат любых свойств, связей, отношений и форм движения. Материя включает в себя не только все непосредственно наблюдаемые объекты и тела природы, но и все те, которые в принципе могут быть познаны в будущем на основе совершенствования средств наблюдения и эксперимента.

В основе представлений о строении материального мира лежит системный подход, согласно которому любой объект материального мира, будь то атом, планета, организм или галактика, может быть рассмотрен как сложное образование, включающее в себя составные части, организованные в целостность. Для обозначения целостности объектов в науке было выработано понятие системы.

Материя как объективная реальность включает в себя не только вещество в четырех его агрегатных состояниях (твердом, жидком, газообразном, плазменном), но и физические поля (электромагнитное, гравитационное, ядерное и т. д.), а также их свойства, отношения, продукты взаимодействия. Движение и материя органически и нерасторжимо связаны друг с другом: нет движения без материи, как нет и материи без движения. Движущаяся материя существует в двух основных формах – в пространстве и во времени. Понятие пространства служит для выражения свойства протяженности и порядка сосуществования материальных систем и их состояний. Оно объективно, универсально (всеобщая форма) и необходимо. В понятии времени фиксируется длительность и последовательность смены состояний материальных систем. Время объективно, неотвратимо и необратимо. Основоположником взгляда на материю, как состоящую из дискретных частиц был Демокрит. Мир доступной человеку объективной реальности постоянно расширяется. Концептуальные формы выражения идеи структурных уровней материи многообразны.

Современная наука выделяет в мире три структурных уровня: Микро, Макро, Мега миры.

Микромир – это молекулы, атомы, элементарные частицы — мир предельно малых, непосредственно не наблюдаемых микрообъектов, пространственная разномерность которых исчисляется от 10-8 до 10-16 см, а время жизни — от бесконечности до 10-24 с.

Макромир — мир устойчивых форм и соразмерных человеку величин, а также кристаллические комплексы молекул, организмы, сообщества организмов; мир макрообъектов, размерность которых соотносима с масштабами человеческого опыта: пространственные величины выражаются в миллиметрах, сантиметрах и километрах, а время — в секундах, минутах, часах, годах.

Мегамир — это планеты, звездные комплексы, галактики, метагалактики – мир огромных космических масштабов и скоростей, расстояние в котором измеряется световыми годами, а время существования космических объектов — миллионами и миллиардами лет.

И хотя на этих уровнях действуют свои специфические закономерности, микро-, макро - и мегамиры теснейшим образом взаимосвязаны.

8.1) Механика как основа физики. Основные законы

Механика – наука о механическом движении материальных тел и происходящих при этом взаимодействиях между телами. Под механическим движением понимают изменение с течением времени взаимного положения тел или их частиц в пространстве. Рассматриваемые в М. взаимодействия представляют собой те действия тел друг на друга, результатом которых являются изменения механического движения этих тел. Их примерами могут быть притяжения тел по закону всемирного тяготения, взаимные давления соприкасающихся тел, воздействия частиц жидкости или газа друг на друга и на движущиеся в них тела и др. Обычно под М. понимают т. н. классическую М., в основе которой лежат Ньютона законы механики и предметом которой является изучение движения любых материальных тел (кроме элементарных частиц), совершаемого со скоростями, малыми по сравнению со скоростью света.

При изучении движения материальных тел в М. вводят ряд абстрактных понятий, отражающих те или иные свойства реальных тел; таковы: 1) Материальная точка — объект пренебрежимо малых размеров, имеющий массу; это понятие применимо, если в изучаемом движении можно пренебречь размерами тела по сравнению с расстояниями, проходимыми его точками. 2) Абсолютно твёрдое тело — тело, расстояние между двумя любыми точками которого всегда остаётся неизменным; это понятие применимо, когда можно пренебречь деформацией тела. 3) Сплошная изменяемая среда; это понятие применимо, когда при изучении движения изменяемой среды (деформируемого тела, жидкости, газа) можно пренебречь молекулярной структурой среды.

М. разделяют на: М. материальной точки, М. системы материальных точек, М. абсолютно твёрдого тела и М. сплошной среды. В каждом из этих разделов в соответствии с характером решаемых задач выделяют: статику — учение о равновесии тел под действием сил, кинематику — учение о геометрических свойствах движения тел и динамику — учение о движении тел под действием сил. В динамике рассматриваются 2 основные задачи: нахождение сил, под действием которых может происходить данное движение тела, и определение движения тела, когда известны действующие на него силы.Основные понятия и методы механики. Основными кинематическими мерами движения в М. являются: для точки — её скорость и ускорение, а для твёрдого тела — скорость и ускорение поступательного движения и угловая скорость и угловое ускорение вращательного движения тела. Основной мерой механического взаимодействия материальных тел в М. является сила. Одновременно в М. широко пользуются понятием момента силы относительно точки и относительно оси. В основе М. лежат законы Ньютона.

Первый закон НьютонаСуществуют такие системы отсчета, относительно которых тела сохраняют свою скорость постоянной, если на них не действуют другие тела и поля (или их действие взаимно скомпенсировано).

Второй закон Ньютона инерциальной системе отсчета ускорение, которое получает материальная точка, прямо пропорционально приложенной к ней силе и обратно пропорционально её массе.F=m*a

Третий закон НьютонаТела действуют друг на друга с силами, имеющими одинаковую природу, направленными вдоль одной и той же прямой, равными по модулю и противоположными по направлению:F2->1 = -F1->2

Важное значение для решения задач М. имеют понятия о динамических мерах движения, которыми являются количество движения, момент количества движения (или кинетический момент) и кинетическая энергия, и о мерах действия силы, каковыми служат импульс силы и работа. Соотношение между мерами движения и мерами действия силы дают теоремы об изменении количества движения, момента количества движения и кинетической энергии, называемые общими теоремами динамики. Эти теоремы и вытекающие из них законы сохранения количества движения, момента количества движения и механической энергии выражают свойства движения любой системы материальных точек и сплошной среды.

8.2) Статистическая  оценка физических величин. В тех случаях, копа нужно оценить большое число однородных величин, целесообразно применять статистическую оценку. Такая целесообразность возникает пря контроле большой партии изделий, при проверке большого числа контролируемых опорных (реперных) точек у одного изделия и т. п.Существуют три метода статистической оценки:

1) По предельному отклонению (если ни одно изделие или ни одна точка отсчета не выходят за пределы некоторой допустимой величины);2) По среднеквадратичному отклонению;3) По максимальному отклонению для определенного числа случаев (обычно для 95%).

Величины отклонений от заданной величины подчиняются распределениям. характерным для конкретного метода измерений. Распределение показывает, какую долю от общего числа случаев (вероятность) может иметь то или иное значение величины. Важнейшее распределение непрерывного типа — нормальное распределение, в котором малых отклонений больше, чем больших, но могут быть редкие, но очень значительные отклоненияВо многих случаях предпочтительным для оценки большого числа случайных величин является логарифмическое распределение:       где n — показатель, — погрешность, пр — предельно допустимая погрешность. В этом случае имеет место предельное распределение, в котором за пределами максимально допустимого отклонения вероятность появления ошибки отсутствует полностью. Логарифмическое распределение — это не одно, а семейство предельных распределений. В частных случаях оно совпадает с другими видами распределений

Существуют и другие виды распределений, каждое из которых характерно для конкретного физического процесса.

9.1) Законы сохранения количества движения (импульса), энергии и момента количества движения.

Из свойства симметрии пр-ва — его однородности следует закон сохранения импульса, импульс замкнутой сис-мы сохраняется, т. е. не изменяется с течением времени. Закон сохранения импульса справедлив не только в классической физ, хотя он и получен как следствие законов Ньютона. Эксперименты доказывают, что он выполняется и для замкнутых систем микрочастиц, подчиняющихся законам квантовой механики. Импульс сохраняется для незамкнутой сис-мы, если геометрическая сумма всех внешних сила равна нулю. Закон сохранения импульса носит универсальный характер и является фундаментальным законом природы.

Однородность времени означает инвариантность физических законов относительно выбора начала отсчета времени. Из однородности времени следует закон сохранения механиче­ской энергии: в системе тел, между которыми действуют только консервативные силы, полная механическая энергия сохраняется, т. е. не изменяется со временем. Консервативные силы действуют только в потенциальных полях, характеризующихся тем, что работа, совершаемая действующими силами при перемещении тела из одного положения в другое, не зависит от того, по какой траектории это перемещение произошло, а зависит только от начального и конечного положений. Если же работа, совершаемая силой, зависит от траектории перемещения тела из одной точки в другую, то такая сила называется диссипативной; например сила трения. Механические сис-мы, на тела кот действуют только консервативные силы (внутренние и внешние), называются консервативными сис-мами. Закон сохранения механической энергии можно сформулировать еще и так: в консервативных сис-мах полная механическая энергия сохраняется. В диссипативных сис-мах механическая энергия постепенно уменьшается из-за преобразования ее в другие (немеханические) формы энергии. Этот процесс называется диссипацией, или рассеянием энергии. Строго говоря, все реальные сис-мы в природе диссипативные. Закон сохранения и превращения энергии — фундаментальный закон природы; он справедлив как для систем макроскопических тел, так и для микросистем.

В системе, в кот действуют консервативные и диссипативные силы, например силы трения, полная механическая энергия сис-мы не сохраняется. Следовательно, для такой сис-мы закон сохранения механической энергии не выполняется. Однако при убывании механической энергии всегда возникает эквивалентное количество энергии другого вида. Таким образом, энергия никогда не исчезает и не появляется вновь, она лишь превращается из одного вида в другой. В этом заключается физическая сущность закона сохранения и превращения энергии — сущность неуничтожения материи и ее движения, поскольку энергия, по определению, — универсальная мера различных форм движения и взаимодействия.

M=m0/sqrt(1-(v^2/c^2))

9.2) Проблема оценки качества процессов. Точность и стабильность процессов, их показатели

Всякий контролируемый динамический процесс необходимо оценивать с точки зрения соответствия заданной точности и стабильности.Основными показателями (критериями) точности и стабильности динамических процессов являются отклонения фактического положения системы от требуемого в данный момент времени: 1. Среднеквадратическое отклонение — для среднестатистической оценки поведения системы (интегральный критерий);2. Предельное отклонение — для оценки критических режимов и предпосылок к нештатным ситуациям.Среднеквадратическое отклонение определяется как корень квадратный из суммы квадратов всех отклонений системы от заданного значения на протяжении всего отрезка времени. Предельным является максимальное отклонение от равновесного состояния на протяжении всего динамического процесса.Критическим является отклонение, после которого система уже не может вернуться в первоначальное состояние. Допускаемое отклонение — максимально допустимое отклонение, после которого система может еще вернуться в устойчивое состояние равновесия. Предельное (реальное) отклонение всегда должно быть меньше предельно допустимого, а предельно допустимое меньше критического.Допускам или интервалом допустимых значений называется разность между наибольшим и наименьшим допустимыми значениями величины.

Для процессов связанных с появлением случайных отклонений и погрешностей в течение определенного времени, вводят специальные показатели — коэффициенты точности, настроенности и стабильности.

Коэффициент точности — отношение диапазона 6 к величине допуска на изменение параметра. Оптимальным считается значение этого коэффициента на уровне 0,7—0,8.

Коэффициент настроенности — отношение абсолютной величины разности между средним значением допуска и средним значением реального распределения к величине допуска. Оптимальным считается значение этого коэффициента, если оно равно или близко к нулю. При настройках и регулировках технологических процессов значения этого коэффициента могут умышленно уводиться от нулевого значения и выполнением настроек с учетом тенденции изменений этого параметра в будущем. Этим достигают больших интервалов времени между очередными регулировками.Коэффициент стабильности — это отношение среднеквадратических отклонений распределения параметров какого либо процесса в разные периоды времени. Интервалы времени между контрольными замерами берутся равными. Оптимальное значение этого коэффициента равно единице.

10.1) Фундаментальные взаимодействия в природе.

    Современные экспериментальные данные свидетельствуют, что существует только четыре качественно различных вида взаимодействий, в которых участвуют элементарные частицы. Эти взаимодействия называются фундаментальными, то есть самыми основными, исходными, первичными. По мере увеличения интенсивности фундаментальные взаимодействия располагаются в следующем порядке: гравитационное, слабое, электромагнитное и сильное. Каждое из этих взаимодействий характеризуется соответствующим параметром, называемым константой связи, численное значение которого определяет интенсивность взаимодействия. Гравитационное взаимодействие характерно для всех материальных объектов вне зависимости от их природы. Оно заключается во взаимном притяжении тел и определяется фундаментальным законом всемирного тяготения: между двумя точечными телами действует сила притяжения, прямо пропорциональная произведению их масс и обратно пропорциональная квадрату расстояния между ними. Гравитационным взаимодействием определяется падение тел в поле сил тяготения Земли. Законом всемирного тяготения описывается движение планет Солнечной системы, а также других макрообъектов. Предполагается, что гравитационное взаимодействие обусловливается некими элементарными частицами - гравитонами, существование которых к настоящему времени экспериментально не подтверждено.Электромагнитное взаимодействие связано с электрическими и магнитными полями. Электрическое поле возникает при наличии электрических зарядов, а магнитное поле - при их движении. В природе существуют как положительные, так и отрицательные заряды, что и определяет характер электромагнитного взаимодействия. Например, электростатическое взаимодействие между заряженными телами в зависимости от знака заряда сводится либо к притяжению, либо к отталкиванию. При движении зарядов в зависимости от их знака и направления движения между ними возникает либо притяжение, либо отталкивание. Различные агрегатные состояния вещества, явление трения, упругие и другие свойства вещества определяются преимущественно силами межмолекулярного взаимодействия, которое по своей природе является электромагнитным. Электромагнитное взаимодействие описывается фундаментальными законами электростатики и электродинамики: законом Кулона, законом Ампера и др.Сильное взаимодействие обеспечивает связь нуклонов в ядре и определяет ядерные силы. Предполагается, что ядерные силы возникают при обмене между нуклонами виртуальными частицами - мезонами.Наконец, слабое взаимодействие описывает некоторые виды ядерных процессов. Оно короткодействующее и характеризует все виды бета-превращений.