К Г Э У
МЕТОДИЧЕСКИЕ РЕКОМЕНДАЦИИ
по написанию зачетной работы (реферата) по дисциплине «Введение в специальность» для студентов – бакалавров, обучающихся по профилю «Программное обеспечение средств вычислительной техники и автоматизированных систем» (направление 230100 «Информатика и вычислительная техника»).
Предисловие
Обычная подобная работа не имеет единой, одинаковой для всех структуры. Ее содержание и структура определяются выбранной темой и используемой литературой. Зачетная работа нацелена на проверку знаний студента по какой-либо дисциплине.
Данная работа является проявлением творчества каждого студента, направленного на планирование им своей будущей карьеры.
Цель написания реферата – отразить результаты работы студента в направлении разработки личного плана карьеры, включающего профессиональные цели, жизненные этапы, самоанализ и работу над собой, а также личные качества и действия, с помощью которых он хочет добиться престижного и высокооплачиваемого положения в обществе.
При проверке работы основными критериями служат связанность разделов, краткость, конкретность.
Примерная структура работы:
Моя профессия.
Мои успехи и достижения.
Для чего я поступил в вуз.
Как я представляю свою будущую карьеру.
Мои профессиональные цели.
Что конкретно я собираюсь предпринять для достижения своих целей.
Самоанализ.
Образец титульного листа
|
К Г Э У
| МИНИСТЕРСТВО ОБРАЗОВАНИЯ И НАУКИ РОССИЙСКОЙ ФЕДЕРАЦИИ Федеральное государственное бюджетное образовательное учреждение высшего профессионального образования «КАЗАНСКИЙ ГОСУДАРСТВЕННЫЙ ЭНЕРГЕТИЧЕСКИЙ УНИВЕРСИТЕТ» (ФГБОУ ВПО «КГЭУ») |
_________________________________________________________________
Кафедра «Инженерная кибернетика»
Зачетная работа
(реферат)
по дисциплине ««Введение в специальность »
на тему:
«Моя будущая профессия»
Выполнил работу
студент группы
ПОВТ-1-12
______________Иванов И.И.
Принял ст. преподаватель каф. ИК
______________ Кремлева Э.Ш.
Оценка ___________
Казань 2012
Назначение цель и задачи реферата «Введение в специальность».
Начиная с первого курса, студенты получают возможность приобретения навыков и умений, которые помогут им в дальнейшем стать высококвалифицированными специалистами. Знание себя, своих возможностей, способность принимать правильные решения в сложных ситуациях, реальность в оценке происходящих событий, умение планировать карьеру — основные слагаемые успеха. Первым шагом к приобретению вышеперечисленных знаний и умений является подготовка студентами 1-го курса реферата по дисциплине «Введение в специальность».
Целью выполнения реферата является разработка студентами персональной стратегии достижения ступеней и этапов карьеры, включающей в себя: составление жизненного плана, постановку профессиональных целей, обоснование соответствия личных склонностей и способностей по выбранной специальности.
Основные задачи реферата:
· приобретение студентами теоретических знаний в области программного обеспечения средств вычислительной техники и автоматизированных систем;
· ознакомление с практической деятельностью бакалавров;
· изучение основных подходов к формулированию и постановке жизненных целей;
· выявление и анализ своих сильных и слабых способностей;
· овладение методикой определения профессиональных склонностей;
· получение навыков разработки индивидуального планадостижения личных и профессиональных целей.
2. Структура и содержание реферата.
Во введении следует обосновать актуальность вопросов, связанных с формированием системы применения современных инструментальных средств при разработке программного обеспечения.
Студент должен обосновать выбор своей специальности, объяснить, почему именно это тип профессиональной деятельности привлекает его в первую очередь,
Во введении, целесообразно описать эволюцию основных средств ВТ, отразить концепции ведущих отечественных и зарубежных школ развития и совершенствования ВТ, показать видение студентами роли информатики и вычислительная техники в современном обществе.
В данной части должны быть сформулированы цель и задачи выполняемого реферата.
Желательно раскрыть содержание основных понятий; дать характеристику основным принципам и функциям управления, выделить обязанности из области профессиональной деятельности бакалавров, входящие в компетенцию любого руководителя
Ниже приведена структура реферата по разделам.
Раздел 1.
«Резюме». Здесь студентам необходимо подготовить персональное резюме, учитывая существующие требования к его составлению и оформлению. Пример оформления персонального резюме представлен в Приложении 3.
Идеально составленное и оформленное резюме представляет собой своеобразный шедевр. Многие люди годами оттачивают каждое слово, фразу, чтобы добиться желаемого результата.
Резюмеобычно составляется в хронологическом порядке и содержит следующие общепринятые блоки:
Личные данные. Указываются имя, должность (если она уже имеется), краткие сведения о себе: возраст, семейное положение, адрес, номера контактных телефонов, электронный адрес (если есть).
Цель. (данный пункт не всегда обязателен, но желателен). Написать, на какую должность и почему Вы претендуете.
Сообщаемые далее данные должны подтверждать, что Вы подходите для выполнения указанных обязанностей.
Образование. (в обратном хронологическом порядке). Для студентов первым пунктом идет указание вуза, в котором они в настоящее время проходят обучение. Далее следуют учебные заведения, различного рода курсы, при этом, чем больше времени прошло со дня окончания, тем меньше места они занимают в резюме. Следует также указать, какие дипломы, свидетельства, сертификаты и т.п. выданы после обучения.
Опыт работы. (в обратном хронологическом порядке). Следует отметить даты (месяц и год) поступления и окончания работы, название предприятия, отдел, должность и кратко описать выполняемые обязанности. Студенты могут указать опыт временной трудовой деятельности, практик, проходимых во время обучения.
Дополнительная информация. Рекомендуется заполнить пункты: владения иностранными языками, компьютером, наличие водительских прав.
Мои достижения. (необязательно, но желательно). Указываются за участие в олимпиадах, конкурсах по специальности, общественной жизни учебных заведений и т.п.
Научная деятельность. (необязательно, но желательно). Если студент принимал участие в научно-исследовательской деятельности, конференциях, имеет публикации и т.п., необходимо об этом написать в данном пункте.
Личные качества, которые соответствуют избранной профессии.
Основные требования к стилю написания резюме: краткость, конкретность, объективность, избирательность, честность.
Раздел 2.
Тест. Здесь студентам необходимо определить профессиональные склонности с помощью методики, разработанной академиком Е.А.Климовым (Приложение 1).
Методика включает описание основных типов профессиональной деятельности и программу самооценки.
Раздел 3.
Анализ теста. В нем студенты анализируют полученные результаты, выявляют соответствие имеющихся у них профессиональных склонностей в избранной сфере деятельности и формулируют предварительные выводы.
Раздел 4.
Анализ своих сильных и слабых способностей – один из самых главных. После изучения теоретического материала у студентов, как правило, формируется система определенных знаний о будущей профессии. В результате тестирования и изучения практического материала выявляются такие качества, которыми должен обладать высококвалифицированный специалист.
В данном разделе необходимо определить, какие навыки, умения требуются для успешной работы по специальности «Программное обеспечение средств вычислительной техники и автоматизированных систем».
Для этого составляется перечень всех требуемых качеств:
1. Профессиональные знания и опыт.
2. Социально-коммуникативные способности.
3. Личные способности.
4. Способности руководителя.
5. Интеллектуальные способности.
Ниже приведен пример анализа своих способностей.
Таблица
megalektsii.ru
МИНИСТЕРСТВО ОБРАЗОВАНИЯ РОССИЙСКОЙ ФЕДЕРАЦИИ
КРАСНОЯРСКИЙ ГОСУДАРСТВЕННЫЙ ТЕХНИЧЕСКИЙ УНИВЕРСИТЕТ
Институт радиоэлектроники
РЕФЕРАТ
по дисциплине «Введение в специальность»
на тему «Рождение радиосвязи»
Специальность 210400
Выполнил: студент гр. 07-12
И.С. Борисов
Проверил:
А.И. Громыко
Красноярск
2007
Введение
7 мая 1995 г. состоялось празднование знаменательной даты — 100-летия изобретения радио. В период подготовки к этому событию обострились приоритетные споры. Они велись давно, с конца прошлого столетия, и для них существуют объективные основания. Радио — первое техническое средство, пригодное для беспроволочной связи, родилось в итоге многочисленных научных исследований и технических изысканий ученых и инженеров: М. Фарадея, Дж. Максвелла, Г. Герца, Э. Бранли, О. Лоджа, В. Крукса, Н. Теслы, Д. Пойнтинга, Н: А. Умова, О. Хевисайда, И. Томсона, Т. Эдисона, И. И. Боргмана, А. Долбира, В. Приса, А. Риги, Д. Боса, А. Слаби, О. Д. Хвольсона, А. С. Попова, Г. Маркони и др. Каждый из них внес вклад в общий процесс развития идей, представлений или технических решений, связанных с осуществлением беспроволочной телеграфии. И так как до сих пор не сформулирован четкий критерий того, что может считаться изобретением радио, многим из названных деятелей науки и техники или даже всем в совокупности приписывается нередко это достижение.
Для того, чтобы прояснить вопрос о том, кого следует считать изобретателем радио, необходимо рассмотреть выполненные в этой области работы под углом зрения роли их авторов в решении изобретательской задачи создания первого технического средства радиосвязи, поскольку в таком ключе эти работы в целом в историко-технических исследованиях еще не рассматривались.
Начало предыстории радио следует искать в период, когда появились первые представления об электромагнитном поле, механизме его возникновения и распространения, а также первые искусственные устройства для возбуждения и регистрации этого поля.
Работы М. Фарадея и Д. Максвелла как основа для создания беспроводной связи.
Вторая половина 19 века характерна концентрацией производства и ростом монополий, борьбой за новые рынки сбыта и вывозом капитала за границу. Особая роль при этом выпадала морскому транспорту, для которого настоятельно требовалась дальняя беспроводная связь, и поисками в этом направлении были заняты многие ученые и изобретатели. Работы некоторых из них — Вилкинса, Белла, Эдисона и других — заложили определенную основу беспроволочного телеграфирования, но настоящий прорыв произошел лишь после работ Герца, подтвердивших на практике существование электромагнитных волн, теоретически предсказанных Фарадеем и Максвеллом.
Краеугольным камнем науки об электромагнетизме стало открытие в 1831 году М. Фарадеем (1791-1867) электромагнитной индукции. С именем Фарадея связан переломный этап классической физики с отходом от господствовавшей в 18 веке методологии метафизики и механицизма и переходом к идеям целостности физического мира и всеобщей связи явлений в их диалектическом развитии.
Майкл Фарадей родился 22 сентября 1891 года в пригороде Лондона Ньюингтоне в семье кузнеца. Бедность родителей не позволила ему получить законченное начальное образование, и в возрасте 13 лет его послали для обучения к переплетчику — владельцу книжной лавки. Вначале он только разносил газеты, затем освоил мастерство переплетчика.
Работая с книгами, он много читал, особенно интересуясь материалами по химии и физике. К прочитанному относился критически и старался опытами проверить познанные закономерности. Так формировался искусный экспериментатор, который до конца жизни так и не знал ни алгебры, ни геометрии.
Другой формой самообразования стали посещения сначала случайных, а затем тематических публичных лекций в открытом в 1800г. Британском Королевском институте. Здесь он увлёкся лекциями знаменитого химика Гемфри Дэви (1779-1829) и сумел в 1813г. стать его лаборантом. В приёмном протоколе со слов Дэви записана такая характеристика: «Его данные кажутся хорошими, его характер активный и бодрый, а образ действия разумный».
В 1813-1815гг. Фарадей в качестве полупомощника-полуслуги совершил с Дэви и его женой большое путешествие по охваченной войной Европе. Поездка профессора Дэви носила научно-просветительский характер, и Фарадей познакомился со многими учёными, встречался с Ампером, Вольтой и другими. «Я научился понимать своё невежество, — писал он другу, — стыжусь своих разнообразных недостатков и желаю воспользоваться теперь случаем исправить их».
Исследовательская работа по химии была успешна, Фарадей начал печатать статьи. В 1824г. он избирается членом Лондонского Королевского общества, в 1825г. назначается директором лаборатории химии и в 1827г. избирается профессором химии, а после смерти Дэви занимает его пост. В эти годы он вместе с Дэви ведёт опыты по сжижению газов, изучению сплавов стали, разрабатывает технологию производства оптических стёкол. В 1825г. он открывает бензол, один из важнейших углеводородов. Однако главные успехи были впереди.
В 1821 году Фарадей узнаёт об опытах Эрстеда и Ампера по отклонению магнитной стрелки вблизи провода с током. Уже через несколько месяцев он доказывает существование вокруг проводника кольцевых магнитных силовых линий, то есть фактически формулирует «правило буравчика». В его рабочем дневнике появляется запись новой задачи: «Превратить магнетизм в электричество».
Для решения сложнейшей по тем временам задачи потребовалось 10 лет непрекращающихся экспериментов. Фарадей произвел огромное количество опытов, но всё время терпел неудачу. Первый успех пришел лишь в 1831 году. В одном из опытов использовался кольцевой сердечник из магнитомягкого железа с двумя изолированными обмотками. Выводы одной из них замыкались проводником, возле которого располагалась магнитная стрелка. В момент подключения к другой обмотке гальванической батареи стрелка отклонялась. По сути, своими опытами Фарадей положил начало использованию трансформатора, хотя переменный ток тогда еще не был известен. Почти такая же методика и в то же время была применена и у Джозефа Генри (1797-1878), но Генри опубликовал результаты позже Фарадея, статья которого вышла в конце 1831 года.
В других опытах магнитная стрелка отсутствовала, а концы вторичной обмотки не замыкались, а лишь очень близко располагались, образуя разрыв в доли миллиметра. При замыкании и размыкании ключа, управляющего током в первичной обмотке, в этом малом промежутке проскакивала электрическая искра. Так была открыта электромагнитная индукция.
Однажды после лекции Фарадея в Королевском обществе, где он демонстрировал свои опыты, к нему подошел богатый коммерсант, оказывавший обществу материальную поддержку, и надменным голосом спросил:
— Всё, что вы нам здесь показывали, господин Фарадей, действительно красиво. Но теперь скажите мне, для чего годится эта магнитная индукция!?
— А для чего годится только что родившийся ребёнок? — ответил рассердившийся Фарадей. На вопрос коммерсанта в последующие годы ответили многие учёные и изобретатели, и прежде всего, Вернер фон Сименс (1816-1892), изобретший в 1866г. динамомашину, положившую основу для промышленного производства электроэнергии.
В 30-е годы Фарадей изобретает простейшую динамомашину, вводит понятия «магнитные силовые линии» и формулирует закон электромагнитной индукции: «Всякий раз, как проводник пересекается магнитными силовыми линиями, в нём возбуждается электродвижущая сила и, если проводник замкнут, в нём возникает электрический ток». «Правило правой руки» хорошо иллюстрирует этот закон.
С ноября 1831г. Фарадей начал систематически печатать свои «Экспериментальные исследования по электричеству», составившие 30 серий более чем из 3000 параграфов. Это великолепный памятник его научного творчества.
Результаты опытов свидетельствовали о существовании нового вида материи — электромагнитных волн. Но как это доказать? Экспериментальная техника и теоретические разработки в области электричества и магнетизма находились в зачаточном состоянии. Кроме того, в физике господствовала теория «дальнодействия», согласно которой тела действуют друг на друга мгновенно на любом расстоянии. Волновая же теория ломала это представление, и общество было не готово её воспринять. Тогда Фарадей схитрил и 12 декабря 1832года. сдал на хранение в архив Королевского общества запечатанное письмо, в котором сообщалось, что оно написано с целью закрепления даты открытия в случае его экспериментального подтверждения. Конверт был вскрыт лишь в 1938г году, 106 лет спустя.
Поразительны своей проницательностью основные мысли письма: электрическая индукция распространяется подобно волнам с конечной скоростью, световые явления не отличаются от электрической индукции, для анализа указанных явлений следует использовать теорию колебаний. Эти интуитивные мысли полностью перекликаются с идеями электромагнитной теории, разработанной много позднее Максвеллом и подтверждённой опытами Герца.
В последующие годы учёный занимается электрохимией, вводит термины «анод», «катод», «электрод», «электролит» и другие. Исследует диэлектрики. Наряду с проведением интенсивных экспериментальных работ Фарадей консультирует промышленников, читает научно-популярные лекции в Королевском институте, делает доклады, ведёт еженедельные собрания — «пятницы». Помня о молодёжи, он пишет свою любимую книгу «Химическая история свечи», хотя ему исполнилось уже 70 лет. Во всём мире её принято считать классическим образцом научно-популярной литературы.
В 1845г. Фарадей стал изображать электрические и магнитные поля с помощью силовых линий. Тогда же ему удалось с помощью магнитного поля и поляризатора — призмы Николя — повернуть плоскость поляризации света. Связь магнетизма со светом установлена!
Невозможно перечислить все работы Фарадея, оцененные и при жизни — он стал членом почти всех академий, в том числе и почётным членом Петербургской АН, — но ещё более десятилетия спустя. «Фарадей является и навсегда останется творцом того общего учения об электромагнетизме, которое рассматривает с единой точки зрения все явления:» — так оценивал его работы Максвелл.
Никакие почести не уменьшили природную скромность Фарадея. Он отказался от дворянского звания, президентства в Королевском обществе, крупных гонораров и даже от государственной пенсии. Следуя его воле, на его надгробии в Вестминстерском аббатстве выбито лишь два слова — Майкл Фарадей.
Имя Фарадея вошло в систему электрических единиц в качестве единицы электрической ёмкости. 1 фарада (фарад) — это ёмкость такого проводника, потенциал которого увеличивается на 1В при сообщении ему заряда 1Кл.
Идеи Фарадея об электромагнитной индукции положили начало опытам по беспроволочному телеграфированию. Так, в 1849г. английский инженер Вилкинс сумел передать сигналы на несколько сот метров. Много удачнее были опыты американца Трубриджа. Он телеграфировал, пользуясь короткими проводами, натянутыми параллельно друг другу. Токи, возникающие в проводе отправительной станции, вызывали индукционные токи в проводе приёмника. В августе 1880г. в Кембридже (США) была установлена связь на 1600 метров.
В начале 90-х годов английский инженер Прис повторил эти опыты и добился ещё большего успеха — 5, 5 км. Подобные опыты проводили англичанин Смит и немецкий физик Ратенау. Последний достиг дальности связи 4, 5 км.
Интересные опыты провёл изобретатель телефона Грэхэм Белл (1847-1922). В 1880г. он, совместно с Тентером, создал прибор, названный им фотофоном. Фотофон передавал не телеграфные знаки, а живую человеческую речь. В основе фотофона находилась пластина из селена, который имеет свойство под действием света менять свою электропроводность пропорционально яркости освещения. В Вашингтоне и в Парижской АН Белл демонстрировал передачу звука на расстоянии 150 метров.
В 1885г. сконструировал, а в 1891г. запатентовал «прибор для передачи без проводов сигналов азбуки Морзе» американский изобретатель Т. Эдисон. Передатчик Эдисона состоял из индукционной катушки, первичная обмотка которой была соединена с телеграфным ключом, а вторичная — с поднятым высоко над землёй большим металлическим листом. На приёмной станции такой же лист соединялся с телеграфным аппаратом Морзе. При помощи этих приборов Эдисон установил связь между движущимся поездом и железнодорожными станциями. Дальность оказалась невысокой, интерес пассажиров малым, и Эдисон выбросил мысль о беспроволочном телеграфе. Интересно, что когда Маркони стал распространять свои приборы в Америке, ему пришлось выкупить этот патент у Эдисона.
Были ещё отдельные попытки создания беспроволочных телеграфов, но их авторы ещё не владели теорией электромагнитных волн. Решающий прорыв наступил после работ Максвелла и Герца.
Фарадей был великим экспериментатором, который не только не строил математических теорий на основе собственных открытий, но даже не заботился о максимальном усовершенствовании созданных им приборов и машин. «Я всегда стремился скорее открывать новые явления, чем увеличивать интенсивность уже известных. Я уверен, что полное развитие их явится позже», — писал он о себе самом. Так и случилось. Продолжателем дела великого физика стал другой выдающийся английский физик Джеймс Клерк Максвелл (1831-1879), отличавшийся исключительными математическими талантами и солидной научной подготовкой.
Уроженец города Глейнер в Шотландии, он получил среднее образование в Академии в Эдинбурге, где уже в пятнадцатилетнем возрасте представил Эдинбургскому Королевскому обществу свою первую работу «О механическом вычерчивании овалов». Далее он обучался в Эдинбургском университете и Кэмбридже.
С 1856 года Максвелл начал преподавать физику в Абердинском университете, затем стал профессором физики в Королевском колледже в Лондоне. Научные его интересы касались кинетической теории газов, и в 1877 году вышла работа «Теория газов», но главные его труды посвящены теории электромагнитного поля. В 1855 году он опубликовал свою первую работу «О силовых линиях Фарадея», в которой облек в математическую форму идеи своего предшественника. Максвелл держался мнения Фарадея, что силовые линии не являются только воображаемыми, но и существуют на самом деле. По выработанной им теории в каждой точке пространства существуют две силы: электрическая и магнитная. Величина каждой из них зависит от положения точки в пространстве и от времени, то есть он исходил из предположения о существовании электромагнитных волн.
В 1857 году Максвелл посылает свою статью «О силовых линиях Фарадея» вместе с письмом своему кумиру — Фарадею, пришедшему от нее в полный восторг и изумление от того, что математика не только не портит, но еще глубже раскрывает его идеи.
Параллельно с проблемами электромагнетизма Максвелл занимался решением задач в разных областях науки. Так, блестящая работа об устойчивости колец Сатурна вызвала восторг астрономов и принесла ее автору в 1857 году премию Адамса.
В 1865 году после тяжелой болезни Максвелл отправился но отдых в свое родовое имение в Шотландию, где полностью посвятил себя научной работе. Именно здесь он начал писать свой знаменитый «Трактат по электричеству и магнетизму».
В 1864 году вышла его работа «Динамическая теория электромагнитного поля», в которой он дал развернутую математическую формулировку теории электромагнитного поля, чем доказывал существование электромагнитных волн. Максвелл считал, что в диэлектрике может существовать особый вид тока, связанный с перемещением силовых линий электрического поля. Этот ток, названный им «током смещения», подобно токам проводимости порождает вокруг себя магнитное поле. Было математически доказано, что изменение во времени силовых линий электрического поля неизбежно вызывает изменение магнитного поля, которое, в свою очередь, вызывает изменение электрического поля и создает в окружающей среде волновой процесс. Этот процесс Максвелл назвал электромагнитной волной. Он также пришел к выводу, что свет имеет электромагнитную природу, и что электромагнитные волны любых частот распространяются в пространстве со скоростью света и подчиняются световым законам, то есть, имеют отражение, преломление, дифракцию, интерференцию и поляризацию. Характерно, что все доказательства были оформлены строго математически в виде ряда уравнений, носящих теперь имя их создателя. Интересно также отметить, что вычисленная Максвеллом теоретически скорость света — 308000 км/с — оказалась ближе к истине (по современным представлениям 300000 км/с), чем найденная опытным путем рядом исследователей: 314800 км/с у Физо, 310700 км/с у Вебера и Кольрауша.
В 1871 году Максвелл переезжает в Кэмбридж, чтобы возглавить кафедру экспериментальной физики и строящуюся лабораторию. Это была знаменитая Кавендишская лаборатория, первым директором которой, после ее открытия 16 июня 1974 года, стал профессор Д. Максвелл. Как руководитель лаборатории он запомнился сотрудникам своим внимание к ним и обаятельным обхождением. Он был всегда искренен, прост, принципиален, активен. Авторитет не был непререкаем, но многие побаивались его юмора и сарказма.
В 1873 году вышли первые два тома «Трактата по электричеству и магнетизму», обобщивших все, что было известно к тому времени об этих явлениях. Теория Максвелла, да еще облеченная в сложную для понимания многих математическую форму, была чрезвычайно смелым шагом в науке. Она носила настолько новаторский характер, что прошло 25 лет, пока она получила полное признание среди ученых. Из теории Максвелла вытекало, что можно получить электромагнитные волны более низких, нежели свет, частот, волны радио, невидимые глазом, но в то же время не было известно ни одного опыта, который мог бы подтвердить эту теорию. Сам ее автор, сочетавший в себе острый ум математика с большим искусством экспериментатора, безвременно сошел в могилу 48 лет от роду. Только через девять лет после смерти Максвелла молодой немецкий физик Генрих Герц на опыте доказал миру полную правоту всех положений Максвелла и дал толчок к развитию беспроводного средства связи — радио.
В память о Максвелле осталась единица измерения магнитного потока «максвелл». 1 максвелл — это магнитный поток через площадку 1 кв. см, расположенную перпендикулярно к магнитному полю с индукцией 1 гаусс.
В системе СИ максвелл не используется, в настоящее время магнитный поток измеряется в веберах.
1 Вб = 100000000 Мкс.
Опыты Г. Герца — основополагающая предпосылка к изобретению радиосвязи.
Любая теория становится доказанной лишь после ее подтверждения на практике. Но в то время ни сам Максвелл, ни кто-либо другой еще не умели экспериментально получать электромагнитные волны. По-настоящему победоносное шествие теории Максвелла началось только после 1898 года, когда Г.Герц экспериментально открыл электромагнитные волны и опубликовал результаты своих работ.
Генрих Рудольф Герц (1857-1894) родился в Гамбурге, в семье адвоката, ставшего позже сенатором. Учился Герц прекрасно, любил все предметы, писал стихи и увлекался работой на токарном станке. К сожалению, всю жизнь Герцу мешало слабое здоровье.
В 1875 году после окончания гимназии Герц поступает в Дрезденское, а через год в Мюнхенское высшее техническое училище, но после второго года обучения понимает, что ошибся в выборе профессии. Его призвание — не инженерное дело, а наука. Он поступает в Берлинский университет, где его наставниками оказываются физики Гельмгольц (1821-1894) и Кирхгофф (1824-1887). В 1880 году Герц досрочно оканчивает университит, получив степень доктора. Три года он без видимого успеха ассистирует Гельмгольцу, затем становится приват-доцентом Кильского университета. С 1885 года он профессор экспериментальной физики политехнического института в Карлсруэ, где и были проведены его знаменитые опыты.
Герц тщательно изучил все, что было известно к этому времени об электрических колебаниях и в теоретическом, и в практическом планах. Найдя в физическом кабинете пару индукционных катушек и готовя демонстрационный опыт, он обнаружил, что при разряде лейденской банки (конденсатора) через одну из двух расположенных поблизости одна от другой спиралей Рисса в другой спирали наводится напряжение. Спирали представляли собой катушки индуктивности, витки которых располагались в одной плоскости, а плоскости обеих катушек были параллельны. Лейденская банка разряжалась через «первичную» катушку, при этом наблюдалось искрение между ее зажимами, находящимися достаточно близко друг от друга. В свою очередь, напряжение, индуцированное во «вторичной» катушке, приводило к искрению между ее зажимами.
Это явление можно было принять за проявление открытой еще Фарадеем взаимной индукции, но Герц показал, что в данном случае имеет место излучение, носящее волновой характер. Меняя расстояние между катушками, он определил по наличию и интенсивности искрения положения пучностей и узлов генерируемых электромагнитных волн. Период этих колебаний оказался около одной пятимиллионной доли секунды, что определило длину волны порядка шести метров. Так в 1886 году начались опыты, продлившиеся 25 месяцев.
В результате последующих экспериментов Герц создал источник электромагнитных волн, названный им «вибратором». Вибратор состоял из двух проводящих сфер (в ряде опытов цилиндров) диаметром 10-30 см, укрепленных на концах проволочного разрезанного посредине стержня. Концы половин стержня в месте разреза оканчивались небольшими полированными шариками, образуя искровой промежуток в несколько миллиметров. На начальном этапе опытов вместо сфер использовались квадратные металлические листы со стороной 40 см. Сферы или листы подсоединялись ко вторичной обмотке катушки Румкорфа, являвшейся источником высокого напряжения. Кстати, в таком виде вибратор Герца был использован как передатчик в первых практических схемах пионеров радиосвязи А.С. Попова и Г. Маркони в 1895 и 1896 гг.
Суть происходящих в вибраторе явлений коротко заключается в следующем. Индуктор Румкорфа создает на концах своей вторичной обмотки очень высокое, порядка десятков киловольт, напряжение, заряжающее сферы зарядами противоположных знаков. В определенный момент в искровом промежутке вибратора возникает электрическая искра, делающая сопротивление его воздушного промежутка столь малым, что в вибраторе возникают высокочастотные затухающие колебания, длящиеся во все время существования искры. Поскольку вибратор представляет собой открытый колебательный контур, происходит излучение электромагнитных волн.
Для решающих опытов, долженствующих показать полную тождественность электромагнитных и световых волн, установить поляризацию волн и доказать не только отражение, но и преломление, нужно было перейти к еще более коротким волнам. Герцу удается получить волны длиной около 60 см (частота около 500 МГц) и с ними провести последние опыты. Для создания столь коротких волн Герц использовал медные стержни диаметром 3 см и длиной 9 см в качестве эквивалента катушки колебательного контура. На концах стержней располагались медные шары диаметром 4 см как эквиваленты конденсатора. Именно такой вибратор впоследствии был назван его именем.
В качестве детектора, или приемника, Герц использовал кольцо (иногда прямоугольник) с разрывом — искровым промежутком, который можно было регулировать. Диаметр кольца с величины более метра в первых опытах к их концу уменьшился до 7 см.
«Я работаю, как рабочий на заводе и по времени, и по характеру, я по тысяче раз повторяю каждый подъем руки:», — сообщал профессор в письме своим родителям в 1877 году. Насколько трудны были опыты со все же достаточно длинными для исследования их в помещении волнами (по сравнению со световыми) видно из следующих примеров. Для возможности фокусировки электромагнитных волн было выгнуто параболическое зеркало из листа оцинкованного железа размерами 2х1,5м. При помещении вибратора в фокус зеркала создавался параллельный поток лучей. Для доказательства преломления этих лучей из асфальта была сделана призма в виде равнобедренного треугольника с боковой гранью 1,2 м, высотой 1,5 м и массой 1200 кг.
Приемное кольцо было названо Герцем «резонатором». Опыты показали, что изменением геометрии резонатора — размерами, взаимоположением и расстоянием относительно вибратора — можно добиться «гармонии», или «синтонии» (резонанса) между источником электромагнитных волн и приемником. Наличие резонанса выражалось в возникновении искр в искровом промежутке резонатора в ответ на искру, возникающую в вибраторе. В опытах Герца посылаемая искра была длиной 3-7 мм, а искра в резонаторе — всего несколько десятых долей миллиметра. Увидеть такую искру можно было только в темноте, да и то воспользовавшись лупой.
После огромной серии трудоемких и чрезвычайно остроумно поставленных опытов с использованием простейших, так сказать, подручных средств экспериментатор достиг цели. Удалось измерить длины волн и рассчитать скорость их распространения. Были доказаны наличие отражения, преломления, дифракции, интерференции и поляризации волн. Все теоретические положения Максвелла были блестяще подтверждены экспериментально. Но помимо этого, Герц своими опытами дал в руки физиков мощное экспериментальное орудие. Он не только показал, как надо работать на ультракоротких и даже дицеметровых — по современной градации — волнах, но и построил излучающие и приемные устройства, направленные системы и целый ряд других устройств.
После своего доклада 13 декабря 1888 года в Берлинском университете и публикаций 1877 — 78 гг. Герц сделался одним из самых популярных ученых, а электромагнитные волны стали повсеместно именоваться «лучами Герца». Работы Герца в области электромагнитных волн имели основополагающее значение для дальнейшего развития в этой области физики. Его опыты были многократно повторены, усовершенствованы и в конечном итоге привели к изобретению радио и телевидения. Не случайно, что первая в мире смысловая радиограмма, осуществленная 12 марта 1896 года А.С. Поповым, содержала всего два слова: «Генрих Герц» как дань уважения памяти великого ученого, открывшего дверь в мир радио, хотя сам он о таком использовании своего, как он считал, чисто научного открытия даже не помышлял.
В 1932 году в СССР, а в 1933 году на заседании Международной электротехнической комиссия была принята единица частоты периодического процесса «герц», вошедшая затем в международную систему единиц СИ. 1 герц равен одному полному колебанию за одну секунду.
По мнению современника Герца, физика Дж. Томсона (1856-1940), работы Герца представляют собой изумительный триумф экспериментального мастерства, изобретательности и вместе с тем образец осторожности в выводе заключений.
Однажды, когда мать Герца сообщила мастеру, обучавшему мальчишку Герца токарному делу, что Генрих стал профессором, тот весьма огорчился и заметил:
— Ах, как жаль. Из него получился бы великолепный токарь.
Искровой беспроволочный телеграф, как эпоха ранней радиосвязи.
Изучение свойств электромагнитных волн, теоретически предсказанных М. Фарадеем и Д. Максвеллом и практически доказанных Г. Герцем, приводило к мысли о возможности их использования для организации беспроволочной связи.
Среди учёных, повторивших опыты Герца, наиболее далеко продвинулся английский физик О. Лодж, создавший в 1893г. весьма удачный индикатор электромагнитных волн, основанный на использовании металлических опилок. Свойство металлических порошков менять свои электрические свойства под действием электромагнитных волн на протяжении 19 в. обнаруживалось несколько раз, но вначале воспринималось лишь как любопытное физическое явление. Впервые оно наблюдалось в 1838г. В 1884г., итальянский физик Ф.Кальцески-Онести, проводя опыты с использованием в электрической схеме трубки, с металлическими опилками, в очередной раз натолкнулся на свойство последних резко менять свою электропроводимость под действием возникающей в схеме электрической искры.
В 1890-1891гг. французский физик Э.Бранли (1844-1940) достаточно глубоко исследовал различные порошки и опилки, помещённые им в изолирующую трубку с металлическими выводами по концам. Оказалось, что под действием электрических разрядов порошки и опилки резко увеличивают электропроводимость, но при этом теряют чувствительность, для восстановления которой трубку нужно встряхивать. Свой прибор Бранли назвал «радиокондуктором», но в научную литературу он вошёл как «трубка Бранли». Оливер Лодж, воспроизводя и совершенствуя опыты Герца, доработал «радиокондуктор» и в 1893г. сконструировал прибор, названный им «когерером» (сцепителем), ставшим основой будущих первых радиоприёмников.
В самом начале 1894г. телеграф приносит печальную весть: в Германии на 37-м году жизни 1 января умер Генрих Герц. Учёные всего мира чтят память талантливого исследователя траурными заседаниями. В Британской АН с большим докладом о научном наследии Герца выступает О. Лодж.
Успех доклада был потрясающим. Учёные были поражены теми достижениями, каких добился Лодж в демонстрации электромагнитных волн. Им даже не понадобились сильные лупы, которыми они запаслись для наблюдения слабых искорок резонатора, так как Лодж использовал когерер, хорошо улавливающий «лучи Герца», посылаемые вибратором. Это позволило демонстрировать опыты сразу большой аудитории.
Но Лодж, как и Герц и Бранли, абсолютно не думал о применении своего прибора для телеграфирования без проводов и не пошёл дальше лекционных опытов, хотя был в одном шаге от изобретения радио. Лишь 30 лет спустя после изобретения А. Попова, в 1925г., на заседании английского Радиообщества Лодж сознался в своей оплошности и с горечью подтвердил, что считал беспроволочное телеграфирование с помощью электромагнитных волн бредовой мечтой.
Опыты Лоджа, как ранее опыты Герца, повторили все физики мира, как только статья Лоджа с изложением его памятного доклада и комментариями появилась в июльском номере журнала «Electrician». Среди физиков был и преподаватель минного офицерского класса в Кронштадте А. Попов.
Александр Степанович Попов (1859-1906), будучи работником Морского ведомства, хорошо знал о насущной потребности флота в средствах дальней связи, а как физик он был прекрасно осведомлён о всех достижениях в области использования электромагнитных волн. Попов понимал, что для создания беспроводных средств связи нужно решить две важные технические задачи: увеличить чувствительность когерера и создать устройство, возвращающее когереру его чувствительность после приёма каждого сигнала.
Решение первой задачи после многочисленных экспериментов, по изучению металлических порошков, завершилось созданием когерера в виде трубочки с платиновыми контактными листочками, укреплёнными на её внутренних поверхностях с противоположных концов. Трубочка наполовину заполнялась металлическими опилками. Такой когерер оказался из многих испытанных наиболее чувствительным и стабильным.
В результате решения второй задачи была создана такая комбинация элементов приёмного устройства, при которой связь между опилками по приходе сигнала разрушалась немедленно автоматически, тем самым восстанавливая чувствительность когерера для приёма следующего сигнала. Это же устройство являлось звуковым сигнализатором принятых сигналов. В качестве основного автоматического прибора всей комбинации А. С. Попов применил электрический звонок. Молоточек звонка при прямом ходе ударял по чашечке звонка, создавая звук, при обратном же ходе ударял по когереру и встряхивал его, разрушая связь между опилками. В приборе также было использовано электромагнитное реле Сименса, выполняющее роль промежуточного усилителя. Слабый ток когерера заставлял срабатывать чувствительное реле, а уж оно включало звонок, для работы которого требовался значительно больший ток.
7 мая 1895г. А. С. Попов впервые продемонстрировал работу своего «прибора для обнаружения и регистрирования электрических колебаний» на заседании Русского физико-химического общества в ходе обстоятельного доклада. Прибор откликался на посылки волн от «герцевского вибратора», возбуждаемого катушкой Румкорфа, на расстоянии 25 метров. Это была демонстрация первого в мире радиоприёмника, открывшего эру радио.
Ещё отрабатывая схему, Попов обнаружил, что дальность действия значительно увеличивается в случае присоединения к когереру специального длинного и поднятого над землёй провода. Так появилась первая антенна — существеннейшая часть любой радиостанции, хотя сам Попов не считал себя изобретателем антенны, отдавая приоритет Н. Тесле. Им же было применено заземление другого конца когерера.
Также при обработке схемы было обнаружено, что прибор реагирует на грозовые разряды, и был создан специальный радиоприёмник, предназначенный для приёма и регистрации на бумажный носитель сигналов о приближении гроз, названный Поповым «грозоотметчиком». Летом 1895г. такие грозоотметчики, ставшие первыми практически работающими радиоприборами, были установлены в Обсерватории Лесного института в Петербурге, на Нижегородской ярмарке и в ряде других мест. Дальность обнаружения гроз достигала 30 км.
Материалы доклада 7 мая 1895г. с небольшими дополнениями были изложены Поповым в статье «Прибор для обнаружения и регистрирования электрических колебаний», напечатанной в январском номере «Журнала Русского физико-химического общества» за 1896г.
24 марта 1896г. А. С. Попов сделал второй доклад на заседании того же физического отделения РФХО. На этом заседании он демонстрировал передачу на 250 метров первой в мире короткой радиограммы. Вместо сигнального звонка в демонстрируемом приборе был применён аппарат Морзе, с помощью которого была принята депеша, содержащая два слова «Heinrich Hеrtz» — Генрих Герц. Эта короткая радиограмма открыла эру практического телеграфирования без проводов.
2 июня 1896г. молодой итальянский изобретатель Г. Маркони взял предварительный патент на тщательно засекреченное изобретение: «Патент №12039. Г. Маркони. Лондон. Способ передачи электрических импульсов и аппарат для этого». Сенсация мгновенно облетела мир, однако, никаких подробностей ни о принципе, ни об устройстве аппарата не сообщалось. Суть изобретения и схема устройства были открыты лишь в конце 1897г.
Гульельмо Маркони (1974-1937) — будущий известный радиотехник и предприниматель, лауреат Нобелевской премии за 1909г. (совместно с К. Ф. Брауном) — ко времени описываемых событий был вольнослушателем Болонского университета. Опыты профессора этого университета Риги с «лучами Герца», произвели на девятнадцатилетнего Гульельмо сильное впечатление и определили круг его интересов всей дальнейшей жизни. Он тут же начинает, на ферме своего отца, экспериментировать с когерером Бранли и вибратором, сконструированным Риги. Этот вибратор создавал искру в масляном промежутке разрядника с большей интенсивностью, чем воздушные.
К концу 1895 года Маркони получил обнадеживающие результаты и продолжил опыты в Англии, на родине своей матери. Здесь на его опыты обратил внимание главный инженер Правительственных телеграфов профессор сэр Уильямс Прис, сам некогда занимавшийся вопросами телеграфирования без проводов. С его помощью двадцатилетний Маркони не только сделал патентную заявку, но и создал акционерное Общество Беспроволочного Телеграфа, сыгравшее огромную роль в дальнейшем развитии радиотехники. Уже к середине 20-х годов ХХ века «Маркони Интернейшионал Коммуникэйшен Компани» охватывала всю Америку и почти всю Европу и имела представительства более чем в 70 странах по всему миру.
Открытая и опубликованная в 1897г. схема приёмника Маркони схожа со схемой приёмника Попова и основана на тех же принципах. По-видимому, научный и технический уровень исследований в области электромагнитных волн был таков, что неизбежно привёл разных исследователей к сходным результатам.
В последующие годы с убыстряющимся темпом идут совершенствования схем и их натурные испытания. В течение 1897г. Поповым была достигнута дальность связи 5 км. Получено это было за счёт увеличения антенн и мощности передатчиков. Столь большая дальность связи реально поставила вопрос об оснащении военных кораблей радиотелеграфными приборами. Ввиду отсутствия в России собственной электротехнической производственной базы, Морское ведомство приняло решение о заказе приборов Попова владельцу французской фирмы по изготовлению научных приборов, инженеру Дюкретэ, что и было сделано в 1899г.
Продолжая краткий обзор важнейших работ А. С. Попова, следует остановиться ещё на некоторых его изобретениях, имевших чрезвычайно большое значение для радиосвязи. Так, в 1899г. он разрабатывает первую схему детекторного приёмника на базе кристаллического диода, сконструированного им же. Новый прибор был назван «телефонным приёмником депеш», чувствительность его была в несколько раз выше, чем у когерерного. Этот приёмник стал прототипом будущих приёмников амплитудно-модулированных сигналов в радиотелеграфии и радиотелефонии. В 1900г. телефонные приёмники Попова обеспечили работу первой практической линии радиосвязи на 45 км между островом Гогланд и г. Котка, что позволило успешно провести работы по снятию с камней броненосца «Генерал-адмирал Апраксин». Приоритет А. С. Попова в изобретении телефонного приёмника был закреплён рядом патентов в России, Англии, Франции и других странах.
В 1900г. А. С. Попов создал первый кристаллический точечный диод с контактом стальные иголки — угольные шарики и с успехом применил его в своём детекторном приёмнике. Это изобретение на 6 лет опередило аналогичные конструкции американцев Д. Пикарда и, независимо, Г. Данвуда.
Невозможно в кратком обзоре охватить все этапы работы А. С. Попова над совершенствованием радиосвязи. Лучше всего об этом рассказывают сами схемы отправительных и приёмных, телеграфных и телефонных, армейских и флотских станций разных лет, но нельзя не упомянуть ещё об одном открытии. В ходе летних экспериментов на море в 1897г. было обнаружено явление отражения радиоволн от корпуса судна, пересекающего направление связи. Эти наблюдения, нашедшие место в отчётах А. С. Попова, были впоследствии, в 1902-1904гг., развиты немецким инженером Х.Хюльсмайером, сконструировавшим «телемобилоскоп» — некий прототип радара. Таким образом, наблюдения Попова легли в основу будущей техники радиолокации — обнаружения объектов по отражению ими радиоволн.
Не менее впечатляющими были достижения Г. Маркони, получившего солидную финансовую поддержку деловых кругов Англии и других стран в отличие от вечно стеснённого в средствах А. С. Попова. К лету 1897г. Маркони сумел достигнуть дальности связи сначала 6 км, а затем 10 км. Опыты того же года в Италии дали 16 км. В марте 1899г. Маркони осуществил связь между Англией и Францией на 45 км, а в декабре 1901г. буква «S» была передана по радио через Атлантический океан на расстояние около 3700км. Для этих целей был использован передатчик мощностью около 10 кВт и построена весьма сложная антенна.
Велись работы и по ту сторону океана. В 1896г. американский учёный югославского происхождения Николо Тесла (1856-1943) сумел передать сигналы с помощью созданного им высокочастотного резонансного трансформатора на дальность 32 км на суда, двигавшиеся по Гудзону. Но Тесла с успехом применял электромагнитные волны не только для телеграфирования, но и для передачи сигналов телеуправления различными механизмами. Радиосигналы с пульта принимались антенной, установленной на лодке, а затем передавались на механизмы управления. Таким образом, Тесла может быть назван родоначальником телемеханики.
В 1905г. американский изобретатель Форест установил радиосвязь между железнодорожным составом в пути со станциями на дальность 50 км. В 1910г. пароход «Теннеси» получил сообщение о прогнозе погоды из Калифорнии на расстоянии 7,5 тыс. км., а в 1911г. была достигнута связь на 10 тыс. км. Только наличие радиосвязи на гибнущем «Титанике» позволило спасти более 700 человек.
В 1911г. Бэкер в Англии изобрёл портативный радиопередатчик весом около 7 кг и разместил его на самолёте. Дальность связи составила 1,5 км.
К началу мировой войны 1914г. почти все военные суда ведущих держав были оборудованы радиоустановками. Армейская радиосвязь с началом войны также стала развиваться быстрее, хотя традиционно отставала от флотской.
В России в 1914г. для связи с французским и английским командованиями в Москве (на Ходынке) и Петрограде (Царское село) были построены стокиловаттные искровые радиостанции. В дальнейшем мощные станции были построены Военным ведомством также в Николаеве, Ташкенте, Чите и Кушке. В системе Почтово-телеграфного ведомства радиосвязь в России внедрялась гораздо медленнее, было построено лишь несколько искровых радиостанций мощностью порядка 15 кВт, и в целом Россия — родина радио — к началу 20-х годов резко отставала от других государств во внедрении радиосвязи.
Первый период развития радиотехники, вплоть до Первой мировой войны и даже до начала 20-х годов, характеризуется применением преимущественно искровой аппаратуры, хотя на последнем этапе параллельно стали применяться дуговые и электромашинные генераторы высокой частоты. Однако постепенно все эти три типа генераторов были вытеснены ламповыми передающими устройствами, широкое применение которых началось в двадцатые годы.
Выводы
Сегодня уже ни кого не удивляет возможность обмена информацией с любой точкой нашей планеты посредством радиоволн, а радиоприемники, телевизоры и портативные радиостанции стали настолько же привычны, как кино, автомобили и самолеты. Во многом именно благодаря изобретению и развитию радио произошел технический прорыв во многих областях науки и техники, связанных с обменом и обработкой информации. Радио послужило мощнейшим стимулом в исследовании и развитии электричества, стало основой электроники. Многие открытия сегодня уже перешли в разряд обыденных явлений — цифровые радиорелейные линии, беспроводные и сотовые телефоны, системы спутникового радио- и телевизионного вещания, дистанционное управление межпланетными космическими станциями, радиоастрономия, спутниковая навигация GPS.
Библиографический список
1. Пилипенко, А.В. ИЗОБРЕТЕНИЕ РАДИО: ВОПРОСУ О ПРЕДШЕСТВЕННИКАХ И ПРИОРИТЕТЕ // А.В.Пилипенко, С.М.Герасимов // Вопросы истории, естествознания и техники. – 1995 (№3).
2. Морозов, И.Д. История борьбы за приоритет // И.Д. Морозов // Физика. – 2003 (№16-17).
3. Федеральное агентство по культуре и кинематографии. Вехи культуры: Изобретение радио // www.rosculture.ru/milestones/day/show/?id=26618&day=11&mounth=12&print=Y
4. www.rt.mipt.ru/study/
ОГЛАВЛЕНИЕ
Введение 2
1. Работы М. Фарадея и Д. Максвелла как основа для создания
беспроводной связи. 2
2. Опыты Г. Герца — основополагающая предпосылка к
изобретению радиосвязи 8
3. Искровой беспроволочный телеграф, как эпоха ранней
радиосвязи. 11
Выводы 16
Библиографический список 17
www.ronl.ru
ЮЖНО-РОССИЙСКИЙ ГОСУДАРСТВЕННЫЙ ТЕХНИЧЕСКИЙ
УНИВЕРСИТЕТ
(Новочеркасский политехнический институт)
ВОЛГОДОНСКИЙ ИНСТИТУТ
Отделение Энергетических технологий_______________________________________
Кафедра __ Тепло - энергетических технологий и оборудования _________________
Специальность Тепловые электрические станции___________________________________
РЕФЕРАТПо дисциплине: Введение в специальность На тему: “История Рейнольдса”
Выполнил студент ^ Первый курс ТС-03-Д1 Корнеев Д.С. .
курс, группа фамилия, и.о.
Руководитель. Бублиликов И.А.__________________________________________
фамилия, и.о.
«___»_________________2003г. ______________________________
Дата подпись
г.ВОЛГОДОНСК 2003
План реферата:
Вступление.
Возникновение турбулентности.
Беспорядок и хаос в больших системах.
Используемая литература.
Вступление
Развитие турбулентности начинается при достижении числом Рейнольдса критического
значения. Ламинарное течение становится неустойчивым, возникают стационарные колебания скорости движения, затем более сложное движение до, все увеличивающимся числом характерных частот. Это чрезвычайно сложное квазипериодическое движение иногда называют динамическим хаосом. Однако понятие хаоса в этом случае не имеет ничего общего с хаотическим тепловым движением молекул в равновесном состоянии.Турбулентное движение является макроскопическим, обусловленным большим числом возникших корреляций. Число степеней свободы, необходимых для его описания, по некоторым оценкам достигает 109. Возникшие макроскопические связи увеличивают внутреннюю упорядоченность системы, что проявляется в возникновении интерференционных пятен в световой волне, прошедшей через турбулентность. Важность анализа турбулентности следует из того, что большая часть Вселенной заполнена
веществом, находящимся в турбулентном движении.
^ Возникновение турбулентности.
В качестве примера возникновения самоорганизации возьмем переход ламинарного течения жидкости в турбулентное. Рассмотрим воду при термодинамическом равновесии, при малых и при больших отклонениях от равновесия. Проблемы перехода к турбулентности важны для практики, для гидро- и аэромеханики, и эти проблемы неоднократно решались в рамках физики, механики и математики многими учеными, но точного описания нет до сих пор. В теории обычно имеют дело с безразмерным параметром - числом Рейнольдса Re, введенным в 1883 г. Безразмерный параметр Re Ос-борн Рейнольдс (1842 -1912) связал с режимом течения. Гидродинамические теории с использованием числа Re развивали русские ученые Николай Егорович Жуковский (1847-1921), Сергей Алексеевич Чаплыгин (1869-1942) и другие. По определению он равен скорости потока , умноженной на характерный линейный размер, фигурирующий в задаче , который делится на вязкость среды, отнесенную к плотности . Одна из наиболее стройных теорий перехода к турбулентности была построена в 1944г Ландау. Термин "турбулентность" ввел еще Кельвин, производя его от латинского "turbulentus " (беспорядочный). Пока нет простой математической модели турбулентных движений, которые оказались связанными с нелинейностью
При равновесии, если система замкнута и скорость потока = 0, ее энтропия максимальна. При нарушении равновесия путем создания, например градиента давления, жидкость начнет двигаться в сторону меньших давлений, причем движение ее будет происходить как бы слоями, параллельными направлению течения (ламинарное течение). Потоки и термодинамические силы связаны линейными соотношениями, производство энтропии в стационарном состоянии (течении) минимально. При малых значениях числа Re существует единственная стационарная картина течения, соответствующая ламинарному течению (рис. 1, а). Небольшие отклонения в скоростях движения от стационарных значении, возникающие из-за флуктуаций, экспоненциально затухают со временем, появляется пара вихрей (рис 1,6).
При увеличении скорости потока выше критической некоторые из малых возмущений перестают затухать, система теряет устойчивость и переходит в новый режим, вихри начинают осциллировать (рис. 1,в), движение жидкости становится турбулентным (рис. 1,г). Линейная зависимость потоков и сил нарушается, перестает выполняться и теорема Пригожина о минимальном приросте энтропии, хотя картина носит еще стационарный характер. В этом случае говорят о первой бифуркации, или бифуркации Хопфа. При увеличении числа Рейнольдса новый периодический режим вновь теряет устойчивость, возникают незатухающие колебания с частотой, определяемой величиной Re. С ростом неравновесности должно возрастать число корреляций и параметров, характеризующих систему. При переходе к турбулентному режиму между отдельными областями течения возникают новые корреляции, новые макроскопические связи. Затем появляются новые частоты, при этом интервал частот сокращается, и, по теории Ландау, появляющиеся новые движения имеют все более мелкие масштабы. Нерегулярное поведение, типичное для турбулентного движения, есть результат бесконечного каскада бифуркаций (рис 1,д).
Так существенно усложняется структура течения и одновременно увеличивается его внутренняя упорядоченность. Это уже не тот беспорядок, который имелся в равновесном состоянии. Существенно меняется характер броуновского движения частиц, турбулентность сказывается на поглощении и рассеянии электромагнитных и звуковых волн. Например, фотографии распределения световой волны, прошедшей через турбулентную жидкость, фиксируют пятна типа интерференционной картины, соответствующей фокусам и каустикам, которые возникают в световом пучке.
Проблема возникновения турбулентности и анализа возникающих неустойчивостей важна не только в связи с инженерными приложениями. Большая часть среды, заполняющей Вселенную, находится в турбулентном движении, поэтому с неустойчивостями сталкиваются в физике атмосферы и астрофизике, в океанологии и физике планет. В 1963 г. метеоролог Э. Лоренц описал новый механизм потери устойчивости, наблюдаемый им в опытах по моделированию процессов возникновения турбулентности в процессе конвекции. Он обнаружил в фазовом пространстве трех измерений (где координатами были скорость и амплитуды двух температурных мод) область, которая как бы притягивала к себе траектории из окрестных областей. Попадая в область, названную Лоренцом "странным аттрактором" (лат. attractio "притяжение"), близкие траектории расходились и образовывали сложную и запутанную структуру. Переход системы на такой режим означает, что в ней наблюдаются сложные непериодические колебания, которые очень чувствительны даже к малому изменению начальных условий. Поскольку две близкие траектории разбегаются в фазовом пространстве, то предсказание движения по начальным данным не может быть хорошим. С этим связаны трудности предсказания погоды при отсутствии точных начальных данных. До Лоренца еще в начале 60-х годов советские математики Д. В. Аносов и Я. Г. Синай установили существование областей, обладающих такими свойствами, и исследовали устойчивость явлений в них.
Поскольку течение жидкости описывается детерминистическими уравнениями, переход к турбулентности считается возникновением динамического хаоса. В 1975 г. американские ученые Т. Ли и Дж. Йорк опубликовали статью "Период три дает хаос", тем самым определив его как состояние, возникающее при третьей бифуркации, связанной с удвоением периода неустойчивой моды. Однако этот неустойчивый, хаотический режим имеет внутреннюю упорядоченность, которую можно уловить при исследовании деталей тонкой динамики. Поэтому можно сказать, что хаотический турбулентный режим имеет более сложную структуру, чем упорядоченный ламинарный. Принципиальным в теориях динамического хаоса является признание роли начальных условий того обстоятельства, что в ходе эволюции система занимает не все точки "фазового пространства". В нем есть определенные места, "цепочки" их концентрации, статистические "аномалии", влияющие на всю микроструктуру. Исследования диалектики случайностей и регулярностей облегчаются возможностями моделирования этих процессов на ЭВМ. Исследования динамического хаоса показывают, что он способен породить не только "унылое равновесие", возникает "вторичная динамика", которую исследуют в синергетике.
Итак, в точке бифуркации поведение системы "разветвляется", становится неоднозначным. При достижении третьей бифуркации наступает состояние динамического хаоса, который скрывает внутреннюю упорядоченность. Проблема выяснения условий возникновения порядка из хаоса стала на повестку дня в грядущем столетии. По словам Уилера, это - задача номер один современной науки.
а.
R=10-2
б.
в.
R=100
Рис.1. Обтекание цилиндра жидкостью при различных скоростях.
^ Беспорядок и хаос в больших системах
Хаотические эффекты, нарушавшие стройную картину классической физики с первых дней становления теории, в XVII в воспринимались как досадные недоразумения Кеплер отмечал нерегулярности в движении Луны вокруг Земли/Ньютон, по словам своего издателя Роджера Котеса, принадлежал к тем исследователям, которые силы природы и простейшие законы их действия "выводят аналитически из каких-либо избранных явлений и затем синтетически получают законы остальных явлений" Но закон - однозначное и точное соответствие между рассматриваемыми явлениями, он должен исключать неопределенность и хаотичность Отсутствие однозначности в науке Нового времени рассматривалось как свидетельство слабости и ненаучного подхода к явлениям Постепенно из науки изгонялось все, что нельзя формализовать, чему нельзя придать однозначный характер Так пришли к механической картине мира и "лапласовскому детерминизму"
Необратимость процессов нарушила универсальный характер механических законов /По мере накопления фактов менялись представления, и тогда Клаузиус ввел "принцип элементарного беспорядка" Поскольку проследить за движением каждой молекулы газа невозможно, следует признать ограниченность своих возможностей и согласиться, что закономерности, наблюдаемые в поведении массы газа как целого, есть результат хаотического движения составляющих его моле кул Беспорядок при этом понимается как независимость координат и скоростей отдельных частиц друг от друга при равновесном состоянии Более четко эту идею высказал Больцман и положил ее в основу своей молекулярно-кинетической теории Максвелл указал на принципиальное отличие механики отдельной частицы от механики большой совокупности частиц, подчеркнув что большие системы характеризуются параметрами (давление, температура и др ), не применимыми к от дельной частице Так он положил начало новой науке - статистической механике Идея элементарного беспорядка, или хаоса устранила противоречие между механикой и термодинамикой На основе статистического подхода удалось совместить обратимость отдельных механических явлений (движений отдельных молекул) и необратимый характер движения их совокупности (рост энтропии в замкнутой системе)
В дальнейшем оказалось, что идеи хаоса характерны не только для явлений тепловых, а более фундаментальны При изучении теплового излучения возникли противоречия: электромагнитная теория Фарадея - Максвелла описывала обратимые процессы, но процессы обмена световой энергией между телами, находящимися при разных температурах, ведут к выравниванию температур, т е. должны рассматриваться как необратимые. Планк ввел гипотезу "естественного излучения", соответствующую гипотезе молекулярного беспорядка, смысл которой можно сформулировать так: отдельные электромагнитные волны, из которых состоит тепловое излучение, ведут себя независимо и "являются полностью некогерентными". Эта гипотеза привела к представлению о квантовом характере излучения, которое обосновывалось с помощью теории вероятностей Хаотичность излучения оказалась связанной с его дискретностью Квантовый подход позволил Планку и Эйнштейну объяснить ряд законов и явлений (закон Стефана - Больцмана, закон смещения Вина, законы фотоэффекта и др.), которые не находили объяснения в классической электродинамике.
Отступления Луны от траекторий, рассчитанных по законам ньютоновской механики, американский астроном Джордж Хилл в конце прошлого века объяснил притяжением Солнца. Пуанкаре предположил, что вблизи каждого тела есть некоторые малозаметные факторы и явления, которые могут вызвать нерегулярности. Поведение даже простой системы существенно зависит от начальных условий, так что не все можно предсказать. Решая задачу трех тел, Пуанкаре обнаружил существование фазовых траекторий, которые вели себя запутанно и сложно, образуя "нечто, вроде решетки, ткани, сети с бесконечно тесными петлями; ни одна из кривых никогда не должна пересечь самое себя, но она должна навиваться на самое себя очень сложным образом, чтобы пересечь много, бесконечно много раз пет ли сети". В начале века на эту работу особого внимания не обратили
Примерно в это же время Планк начал изучать другую хаотичность классической науки и нашел выход в введении кванта, который должен был примирить прежние и новые представления, но ни самом деле сокрушил классическую физику. В строении атомов долгое время видели аналогию Солнечной системы. Интерес к невозможности однозначных предсказаний возник в связи с появлением принципиально иных статистических законов движения микрообъектов, составляющих квантовую механику. В силу соотношений неопределенности Гейзенберга необходимо сразу учитывать, что могут реализовываться не точные значения координат и импульсов, а не которая конечная область состояний Ар и Aq, внутри которой лежа1 начальные координаты Яд и импульсы pp. При этом внутри выделен ной области они распределены по вероятностному закону По мере эволюции системы увеличивается и область ее состояний Лр и Aq. На небольших временных интервалах неопределенность состояния будет нарастать медленно, и движение системы будет устойчивым. Для таких систем классическая механика плодотворна.
В 60-е годы было установлено, что и в простых динамических системах, которые считались со времен Ньютона и Лапласа подчиняющимися определенным и однозначным законам механики, возможны случайные явления, от которых нельзя избавиться путем уточнения начальных условий и исчерпывающим описанием воздействий на систему. Такие движения возникают в простых динамических системах с небольшим числом степеней свободы - нелинейных колебательных системах как механических, так и электрических. Пример такого неустойчивого движения - шарик в двух ямах, разделенных барьером (рис 177). При неподвижной подставке шарик имеет два положения равновесия.
Рис. 177. Пример хаотического движения:
а - шарик в потенциальных ямах; б - шарик на плоскости со стенками (биллиард Синая)
При колебаниях подставки он может начать перепрыгивать из одной ямы в другую после совершения колебаний в одной из ям. Периодические колебания с определенной частотой вызывают колебания с широким спектром частот
Кроме того, на систему могут действовать и некоторые случайные силы, которые даже при самой малой величине за длительное время действия приведут к непредсказуемым результатам. Такие системы чувствительны не только к начальным значениям параметров, но и к изменениям положений и скоростей в разных точках траектории Получается парадокс: система подчиняется однозначным динамическим законам, и совершает непредсказуемые движения. Решения динамической задачи реализуются, если они устойчивы. Например, нельзя видеть сколь угодно долго стоящий на острие карандаш или монету, стоящую на ребре. Но тогда задача из динамических переходит в статистическую, т е. следует задать начальные условия статистическим распределением и следить за его эволюцией. Эти случайные явления получили название хаосов
Рис 178 Фазовая траектория маятника а - без затухания, б-с затуханием
Эволюцию динамических систем во времени оказалось удобным анализировать с помощью фазового пространства - абстрактного пространства с числом измерений, равным числу переменных, характеризующих состояние системы Примером может служить пространство, имеющее в качестве своих координат координаты и скорости всех частиц системы Для линейного гармонического осциллятора (одна степень свободы) размерность фазового пространства равна двум (координата и скорость
колеблющейся частицы) Такое фазовое пространство есть плоскость, эволюция системы соответствует непрерывному изменению координаты и скорости, и точка, изображающая состояние системы, движется по фазовой траектории (рис 178) Фазовые траектории такого маятника (линейного гармонического осциллятора), который колеблется без затухания, представляют собой эллипсы
(mv2^) + (mo)^/2) x2 = const
В случае затухания фазовые траектории при любых начальных значениях оканчиваются в одной точке, которая соответствует покою в положении равновесия и точка, или аттрактор, как бы притягивает к себе со временем все фазовые траектории (англ to attract "притягивать") и является обобщением понятия равновесия, состояние, которое притягивает системы Маятник из-за трения сначала замедляет колебания, а затем останавливается На диаграмме его состоянии (фазовой диаграмме) по одной оси откладывают угол отклонения маятника от вертикали, а по другой - скорость изменения этого угла Получается фазовый портрет в виде точки, движущейся вокруг начала отсчета Начало отсчета и будет аттрактором, поскольку как бы притягивает точку, представляющую движение маятника по фазовой диаграмме В таком простом аттракторе нет ничего странного
В более сложных движениях, например, маятника часов с грузом на цепочке, груз играет роль механизма, подкачивающего энергию к маятнику, и маятник не замедляет колебаний Если запустить часы энергичным толчком маятника, он замедлится до темпа, который обусловлен весом груза, после чего характер его движения останется неизменным Если толчок будет слабым, маятник, замедляясь, вскоре остановится Ситуации с сильным начальным толчком на фазовой диаграмме соответствует спираль, обвивающаяся все более плотно вокруг круговой орбиты, аттрактор будет в данном случае окружностью, т.е. объектом не более странным, чем точка Разным маятникам соответствуют аттракторы, которые называют предельными циклами Все фазовые траектории, соответствующие разным начальным условиям, выходят на периодическую траекторию, которая отвечает установившемуся движению если начальные отклонения были малыми, они возрастут, а, если амплитуды были большими, то уменьшатся. Биение сердца тоже изображается предельным циклом - установившимся режимом.
Если движение состоит из наложения двух колебаний разных частот, то фазовая траектория навивается на тор в фазовом пространстве трех измерений. Это движение устойчиво, а две фазовые траектории, начинающиеся рядом, будут навиваться на тор, не уходя друг от друга. Ситуация соответствует устойчивому установившемуся движению, к которому сама стремится.
В случае хаотического движения фазовые траектории с близкими начальными параметрами быстро расходятся, а потом хаотически перемешиваются, так как они могут удаляться только до какого-то предела из-за ограниченности области изменений координат и импульсов. Поэтому фазовые траектории создают складки внутри фазового пространства и оказываются достаточно близко друг к другу. Так возникает область фазового пространства, заполненная хаотическими траекториями, называемая странным аттрактором. На рис 179 изображен такой аттрактор, полученный Э Лоренцом на ЭВМ. Видно, что система (изображаемая точкой) совершает быстрые нерегулярные колебания в одной области фазового пространства, а затем случайно перескакивает в другую область, через некоторое время - обратно. Так динамический хаос обращается с фазовым пространством При этом образование складок возможно только при размерностях больших трех (только в 3-ем измерении начинают складываться плоские траектории) От этих хаотичностей нельзя избавиться. Они внутренне присущи системам со странными аттракторами. Хаотические движения в фазовом пространстве порождают случайность, которая связана с появлением сложных траекторий в результате растяжения и складывания в фазовом пространстве.
Важнейшим свойством странных аттракторов является фрактальность. Фракталы - это объекты, проявляющие по мере увеличения все большее число деталей. Их начали активно исследовать с появлением мощных ЭВМ. Известно, что прямые и окружности - объекты элементарной геометрии - природе не свойственны. Структура вещества чаще принимает замысловато ветвящиеся формы, напоминающие обтрепанные края ткани Примеров подобных структур много это и коллоиды, и отложения металла при электролизе, и клеточные популяции.
Список литературы.
Ландау А.Д., Аифшиц Е.М.: «Гидродинамика» М.: Наука 1986г.
Джозеф Д.: «Устойчивость движения жидкости» М.: Мир 1981г.
Гершуни Г.З., ЖуховицкийЕ.М.: «Конвективная устойчивость несжигаемой жидкости» М.: Наука 1972г.
Шлифтинг Г.: «Возникновение турбулентности» М.: ИЛ 1962г.
www.ronl.ru
