Замкнутые системы (физика). Какая система называется замкнутой

Замкнутые системы находят широкое применение в науке и технике. Давайте разберемся, что представляет собой замкнутая система и в чем заключаются ее особенности.

Определение замкнутой системы

Согласно одному из определений, замкнутая система - это система, в которой отсутствует обмен веществом, энергией и информацией с внешней средой или окружением. Это отличает ее от изолированной системы, где возможен обмен информацией, и закрытой системы, допускающей обмен энергией.

Однако с точки зрения теории бесконечной вложенности материи представление о полностью замкнутой системе является некоторой идеализацией. Практически невозможно полностью экранировать любую реальную систему от любых внешних воздействий.

В механике замкнутая система определяется как система тел, на которую не действуют внешние силы, либо действия внешних сил полностью уравновешены.

Классификация замкнутых систем

• По наличию обмена веществом и энергией: Идеально замкнутые Частично замкнутые
• По области применения: Физические Химические Биологические Технические

Рассмотрим несколько конкретных примеров замкнутых систем:

Примеры замкнутых систем

• Система центрального отопления в здании
• Паровая турбина тепловой электростанции
• Аквариум с рыбками и растениями
• Биосфера планеты как единая экологическая система

Как видно из примеров, замкнутая система может представлять собой как искусственно созданный человеком технический объект, так и естественно сложившуюся природную систему.

Свойства замкнутых систем

Замкнутая система обладает рядом характерных свойств, которые определяют особенности ее функционирования и взаимодействия с окружающей средой.

Обмен веществом и энергией

Главной особенностью идеально замкнутой системы является полное отсутствие обмена веществом и энергией с внешней средой. Однако на практике возможно существование лишь частично замкнутых систем, в которых имеет место небольшой обмен энергией и веществом, компенсируемый функционированием самой системы.

Термодинамические параметры

Для замкнутой системы, находящейся в состоянии термодинамического равновесия, термодинамические параметры однозначно определяют ее внутреннюю энергию. Изменение этих параметров возможно только под внешним воздействием.

Иерархия контуров циркуляции информации

Любая замкнутая система представляет собой иерархию контуров циркуляции и преобразования информации между системой управления и объектом управления. Эти контуры образуются цепями прямых и обратных связей как внутри системы, так и с внешней средой.

Внутренние и внешние связи

Как уже упоминалось ранее, в замкнутой системе присутствуют прямые и обратные связи. И те, и другие могут быть как внутренними, так и внешними.

• Внутренние связи локализованы в пределах самой системы.
• Внешние связи выходят за ее пределы и обеспечивают взаимодействие системы со средой.

Понятие мощности связи

Для количественной оценки связей в замкнутой системе используется понятие мощности связи. Оно позволяет соотнести силу и направление связи с внутренними параметрами самой системы.

Пример замкнутой системы

Примером замкнутой системы является автомобиль с водителем. Здесь роль системы управления выполняет водитель, а роль объекта управления - сам автомобиль.

Какой объект можно назвать замкнутой системой?

Замкнутой системой может называться любой объект, в котором реализовано управление на основе прямых и обратных связей между системой управления и объектом.

Замкнутая система управления

Рассмотрим более подробно понятие замкнутой системы управления. В таких системах вырабатываемое управляющее воздействие зависит от информации о реакции объекта управления на предыдущие воздействия. Так реализуется обратная связь и замыкание контура управления.

Свойство предсказуемости поведения

Важное свойство любой замкнутой системы управления - предсказуемость поведения объекта управления при заданных целях и алгоритмах управления. Без предсказуемости система не может быть работоспособна.

Принципы функционирования замкнутых систем

Рассмотрим основные принципы, лежащие в основе функционирования замкнутых систем:

1. Наличие целей управления, заданных извне или сформированных внутри самой системы.
2. Получение данных о текущем состоянии управляемого объекта и внешней среды по каналам обратной связи.
3. Обработка этих данных системой управления на основе заложенных алгоритмов.
4. Формирование управляющего сигнала, направленного на коррекцию состояния объекта.
5. Передача управляющего сигнала на исполнительные механизмы по каналам прямой связи.

Математические модели замкнутых систем

Для исследования поведения замкнутых систем широко используется аппарат математического моделирования. Разрабатываются математические модели, описывающие:

• Объект управления
• Систему управления
• Цели и алгоритмы управления
• Каналы прямых и обратных связей

На основе этих моделей строятся имитационные компьютерные модели, позволяющие исследовать поведение системы в различных условиях.

Замкнутая система как кибернетическая система

По своей сути любая замкнутая система является кибернетической системой, поскольку в ней реализуются основные принципы кибернетики:

• Наличие цели, к достижению которой стремится система
• Использование обратных связей для коррекции отклонений
• Обработка информации на основе заложенных алгоритмов

Благодаря этому замкнутая система способна к саморегуляции и достижению устойчивости в изменяющихся внешних условиях.

Устойчивость замкнутых систем

Устойчивое поведение - важнейшее свойство замкнутой системы управления. Устойчивость определяется способностью системы возвращаться в нужное состояние после воздействия внешних возмущений.

Для обеспечения устойчивости в системах управления используются различные методы, включая параметрическую оптимизацию и введение дополнительных обратных связей.

Эволюция замкнутых систем

Многие природные и искусственные замкнутые системы с течением времени претерпевают эволюционные изменения. Эти изменения могут затрагивать как аппаратную часть системы, так и алгоритмы управления.

Эволюционируя, замкнутая система адаптируется к меняющимся внешним условиям, приобретая новые полезные свойства и функции. Этот механизм лежит в основе развития многих природных объектов и систем.