Микроподход и макроподход в исследованиях системы.

В соответствии с принципами декомпозиции и агрегации при построении выделяют уровнями предполагаемых исследований системы: микроподход или макроподход.

Микропоход: детальное изучение каждого компонента системы и всех внутренних процессов в системе. Изучаются структура, функции и связи каждого из выделенных элементов, совокупность и диапазон возможных изменений параметров, исследуется процесс функционирования системы в целом.

Изучение на микроуровне явления в физике позволяет определить реакцию элемента на внешние воздействия – его связи. Поведение системы более высокого уровня имеет качественно новый характер, но он определяется уже выявленными взаимосвязями.

Например, на нижнем уровне рассматривается хаотическое движение молекул, на более высоком уровне – уже поток газа, и его новые характеристики – давление, температура, плотность и др., которые определяются хаотическим движением молекул.

Математическая модель технической системы микроуровня - система дифференциальных уравнений, описывающая процессы на основе фундаментальных законов физики. Известна система таких уравнений для механики, гидравлики, термодинамики.

При рассмотрении технической системы на микроуровне выделяются отдельные блоки, агрегаты, узлы, каждый из которых в зависимости от протекающих в нем физических процессов можно рассматривать как механическую, тепловую, гидравлическую, электрическую систему.

Примеры таких моделей на микроуровне: исследования обтекания газом, тепловых режимов, исследование напряженного состояния элементов и узлов конструкций, определение прочности при различных видах нагружения.

Пример. Почему подпрыгивает мяч?

Почему резиновый мяч подскакивает, ударившись об асфальт?

Очевидно, что при ударе об асфальт мяч деформируется, сжимается. При этом давление газа в нём увеличивается. Стремясь расправиться, восстановить свою форму, мяч давит на асфальт и отталкивается от него. Вот, казалось бы, и всё, причина подскакивания выяснена. Однако приглядимся внимательнее. Для простоты оставим без рассмотрения процессы сжатия газа и восстановления формы мяча. Перейдём сразу к рассмотрению процесса в точке соприкосновения мяча и асфальта.

Мяч отскакивает от асфальта, поскольку две точки (на асфальте и на мяче) взаимодействуют: каждая из них давит на другую, отталкивается от неё. Зададимся вопросом: в чём состоит это давление? Как оно «выглядит»?

Углубимся в молекулярное строение вещества. Молекула резины, из которой сделан мяч, и молекула камня в асфальте давят друг на друга, то есть стремятся оттолкнуть друг друга. И опять всё вроде бы просто, но появляется новый вопрос: а что является причиной, источником явления «сила», которое принуждает каждую из молекул двигаться прочь, испытывать принуждение к движению от «соперницы»? Видимо, атомы молекул резины отталкиваются от атомов, из которых состоит камень. Если ещё короче, упрощённее, то один атом отталкивается от другого. И снова: почему?

Переходим к атомному строению вещества. Атомы состоят из ядер и электронных оболочек. Вновь упростим задачу и будем считать (достаточно обоснованно), что атомы отталкиваются либо своими оболочками, либо своими ядрами, в ответ получая новый вопрос: как именно происходит это отталкивание? Например, электронные оболочки могут отталкиваться вследствие своих одинаковых электрических зарядов, поскольку одноимённые заряды отталкиваются. И вновь: почему? Как это происходит?

Что заставляет отталкиваться друг от друга, например, два электрона? Нужно идти всё дальше и дальше вглубь строения вещества. Но уже здесь вполне заметно, что любая наша выдумка, любое новое объяснение физического механизма отталкивания будет ускользать всё дальше и дальше, как горизонт, хотя формальное, математическое описание при этом всегда будет точным и ясным. И при этом мы всегда будем видеть, что отсутствие физического описания механизма отталкивания не делает этот механизм, промежуточную его модель абсурдными, нелогичными, противоречащими здравому смыслу. Они в определённой степени упрощённые, неполные, но логичные, разумные, осмысленные.

Макроподход: исследование достаточно крупных элементов как неделимых единиц.

При исследовании системы игнорируется ее детальная структура, исследуется только общее поведение системы, оцениваются ее интегративные характеристики. Создается модель взаимодействия системы с внешней средой (модель "вход – выход"), формируются общие представления о системе.

Рассматриваются макрохарактеристики системы: границы системы, тип структуры, характер взаимосвязей "вход – выход", особенности функционирования (дискретное, непрерывное), особенности протекающих процессов, особенности жизненного цикла системы.

Построение системы на макроуровне предполагает разбиение системы на элементы, описание свойств каждого элемента с учетом связей с другими элементами, описание их объединения в систему.

При рассмотрении технической системы на макроуровне выделяются достаточно крупные элементы, которые в дальнейшем рассматриваются как неделимые единицы. Внутренние параметры элементов не рассматриваются - описываются взаимные связи между укрупненными элементами. Рассматриваются модели типовых технических элементов - отдельные однородные физические подсистемы (механическая, гидравлическая, электрическая), определяются зависимости между подсистемами.

Пример: модели макроуровня в экономике – это модели без управления – описываются процессы, течение которых в основных чертах определяется данным состоянием. В процессе агрегирования постепенно исчезают детали, происходит интегрирование, взаимное погашение различных человеческих факторов – производство выступает как единый процесс со всеми его объективными законами, не зависящими от воли отдельных людей. Такие сильно агрегированные модели позволяют увидеть явление в целом – модели описывают глобальную картину.