Wiedza oparta na znajomości podstawowych reguł i mechanizmów różnych zjawisk fizycznych jest kluczem do innowacyjnego rozwiązywania problemów multidyscyplinarnych.
Próbując wyjaśnić trudne zagadnienia, często mówi się: ?No dobrze, to jest podobne do?? Wykorzystanie analogii w codziennym życiu pomaga w zrozumieniu natury procesów oraz ułatwia inżynierom współpracę w zespole projektowym. W systemach mechatronicznych dochodzi do interakcji pomiędzy elementami mechanicznymi, elektrycznymi, magnetycznymi, cieczami, elementami cieplnymi czy chemicznymi, a często do kombinacji tych oddziaływań. Są to zagadnienia faktycznie multidyscyplinarne, a projektanci systemów mechatronicznych reprezentują różne profesje. Znajomość podobieństw różnych zjawisk fizycznych może dać zespołowi projektowemu znaczącą przewagę nad konkurencją.
Rozważmy układ wydechowy motocykla i jego osłonę cieplną. Regulacja temperatury konieczna jest dla optymalizacji osiągów silnika, ale również z uwagi na ochronę motocyklisty. Możliwość zamodelowania tego układu jako połączeń rezystancji i pojemności cieplnych ? podobnie do obwodów elektrycznych ? jest potężnym narzędziem projektowym. Pozwala to inżynierowi na wizualizację przepływu ciepła i miejsc kumulacji energii cieplnej oraz na określenie kluczowych temperatur poprzez dobór odpowiednich materiałów i kształtów elementów zmieniających sieć połączeń rezystancji (przewodnictwa, konwekcji, promieniowania) i pojemności cieplnych. Poprawa jakości następuje szybko i przy pełnym zrozumieniu procesu, a nie na zasadzie prób i błędów.
Aby przedstawić naturę podobieństw różnych zjawisk fizycznych, wykorzystamy dobrze znane analogie układów elektrycznych i mechanicznych. Są one modelowane z wykorzystaniem kombinacji idealnych rezystorów (R), kondensatorów (C) i cewek (L) dla układu elektrycznego oraz tłumika (B), sprężyny (K) i masy (M) dla układu mechanicznego. Kontrolowanymi wielkościami są wartości napięcia (e) i prądu (i) dla układu elektrycznego oraz siły (f) i prędkości (v) dla układu mechanicznego. Spójrzmy na rysunki poniżej, przedstawiające struktury modeli dla tych układów. Podobieństwo jest wręcz oczywiste!
Podobieństwo do mechanicznego układu masa?sprężyna możemy wykorzystać, aby wyjaśnić sposób przepływu prądu czy zmian napięcia w układzie LC układu elektrycznego ? czegoś trudnego do wyobrażenia dla większości inżynierów mechaników, a nawet dla elektryków. Rysunek poniżej na lewo przedstawia to porównanie. Diagramy poniżej na prawo, oznaczone kolorami zielonym, niebieskim, purpurowym i pomarańczowym, wzajemnie sobie odpowiadają. Analizując ruch masy ? zmian jej energii potencjalnej odpowiadającej energii zgromadzonej w polu elektrycznym kondensatora oraz zmian energii kinetycznej odpowiadającej energii zgromadzonej w polu magnetycznym cewki ? można łatwiej zrozumieć zasadę działania elektrycznych kondensatorów i cewek.
Wykorzystanie analogii pozwala na ułatwienie rozwiązywania multidyscyplinarnych problemów projektowych i lepszą komunikację oraz zrozumienie problemów pomiędzy poszczególnymi członkami zespołu projektantów, przez co jest potężnym narzędziem w przyborniku każdego inżyniera.
CE
Kevin C. Craig jest przewodniczącym Engineering Design, College of Engineering, Marquette University