О электро-гидравлической аналогии

[EUgeneUS]

Аналогия с $[U]=h$ довольно интересна, конечно. Напряжение прямо визуализируется перепадом высот

Но нужно вспомнить цель проведения аналогии.
Я описывал аналогию для визуализации \ иллюстрации процессов в электрических цепях с сосредоточенными параметрами.

В варианте $Q_A = V, U_A = \Delta p$
а) электрическая схема прямо перерисовается с заменой проводников трубами, по которым подается керосин к лампочкам.
б) а элементы схемы (источники, сопротивления, ёмкости и индуктивности) заменяются на свои аналоги, которые имеют вполне понятную конструкцию\свойства.

В варианте $[U]=h$ (или в моей нотации $U_A = h$) возникают такие сложности:
1. Плоская схема не может быть перерисована в виде плоского устройства.
2. Падение напряжения на элементах схемы, вообще говоря, переменная величина, а это значит входной и выходной порт элементов (аналогов сопротивления, конденсатора, индуктивности) должны менять свою высоту друг относительно друга

Наглядность резко теряется. Но не спорю, для каких-то других целей и такая аналогия может оказать полезной.

[Евгений Машеров]

Сугубое ИМХО.
Аналогия есть, но она весьма неполная и при этом приближённая. И значение её скромное, немного педагогическое (объяснить, что есть "электричество" людям, которым потоки воды привычнее электрических цепей - не скажу, что таких нет, но средний городской ребёнок сперва увидит лампочку с выключателем, а уж потом ручей или поливочный шланг), немного расчётное, заменяя полноценный компьютер листиком проводящей бумаги и ножницами (было актуально годов до 1980х).
Аналогия состоит в одной паре точно выполняемых законов (сохранения вещества и сохранения заряда) и в одной паре приближённых (Ома и Пуазейля). Приближённость в том, что закон Ома с достаточной точностью линеен в широком диапазоне (практически во всём интересном электроинженерам), а расход воды зависит от корня квадратного разности давлений, и только при медленном течении в тонкой трубе прямо пропорционален. То есть заменять одно другим можно при достаточно узких условиях. Для качественного описания хватит монотонности, можно пояснить - "выше напряжение - больше ток, как насос качаешь", для использования в "аналоговом компьютере" для расчёта фильтрации через плотину в виде фигурно вырезанного листа бумаги, по которому водят щупом и считывают показания вольтметра,

Вложение:

50.jpg

или голландский Deltar для прогноза наводнений

Вложение:

Deltar2.jpg

нужна достаточно точная линейная зависимость, но не точнее задания входных параметров.
А главное несоответствие - что это не электромагнитно-гидравлическая аналогия. Она работает на постоянных токах, кое-как на квазистационарных,а взаимосвязь электрического и магнитного полей не воспроизводится. Конечно, какие-то имитации линейных реактивных можно сделать (конденсатор из упругой мембраны или индуктивность из насоса со свободно вращающимся тяжёлым ротором - "но уже не то"). Но вот взаимную индуктивность сделать сложновато будет (наверно можно - но такая проктологическая отоларингология получается...).

[wrest]

EUgeneUS в сообщении #1728031 писал(а):

Дать аналог трансформатора она не в состоянии.

Зато можно представить транзистор, я вот например его себе представлял как трубу (коллектор-эмиттер) в которой клапан открывается подводом давления с "базы". Ну и диоды -- несложно представить.

[Евгений Машеров]

Эта аналогия работает применительно к полевым транзисторам, и то не всем, а только с изолированным затвором, с p-n переходами уже не работает. А к биполярным совершенно не применима.
При этом она совершенно ничего не проясняет.

[EUgeneUS]

wrest
Евгений Машеров
С одной стороны, можно представить клапан, который управляется не давлением, а потоком. И это будет аналог биполярного транзистора.
Кстати, ЕМНИП, в книге Сворень. "Шаг за шагом. Транзисторы" сама идея управления (малое воздействие вызывает большие последствия) иллюстрируется плотиной со шлюзом.

С другой стороны, где-то нужно остановиться. Чем дальше в лес, тем больше аналогия похожа на сову, натягиваемую на глобус.
Если для линейных схем есть не только качественная аналогия, но и количественная.
То для нелинейных элементов есть разные модели для описания одного и тоже элемента (я знаю 4-ре для диода и две для биполярного транзистора). И под каждую модель одного и того же придётся делать свою "гидравлическую аналогию".

wrest
Для примера: можете попробовать сделать "гидравлическую аналогию" для диода в модели Шокли: $I = I_0(e^{\frac{Ue}{kT}}-1)$
где: $I_0$ - ток насыщения, зависит от материала и конструкции диода, $e$ - заряд электрона, $k$ - постоянная Больцмана, $T$ - температура


И это мы ещё не говорим про всякие стабилитроны с обратимым электрическим пробоем.

-- добавлено через 14 минут --

Евгений Машеров в сообщении #1728183 писал(а):

И значение её скромное, немного педагогическое (объяснить, что есть "электричество" людям, которым потоки воды привычнее электрических цепей - не скажу, что таких нет, но средний городской ребёнок сперва увидит лампочку с выключателем, а уж потом ручей или поливочный шланг)

Воду можно увидеть глазом и потрогать руками, в отличие от электрического заряда.
ИМХО, главное педагогическое значение этой аналогии в том, что визуализируется тезис "ток бегает по кругу". Дальнейшая педагогическая ценность, да, вызывает вопросы.

[wrest]

EUgeneUS в сообщении #1728031 писал(а):

В качестве аналога индуктивности можно предложить инерционные свойства жижи в каком-нибудь большой объеме, например, в змеевике

А можно просто маховик приставить :) В трубу насос, на ось насоса маховик. Будет поддерживать поток. Ну конечно это не чисто "гидравлическая" замена. Как и пружина/мембрана в аналоге конденсатора, но ведь похоже.

-- добавлено через 5 минут --

EUgeneUS в сообщении #1728031 писал(а):

Трансфоматор. Аналогия совсем сломалась.

Трансформатор же развязывает контуры -- электроны не перепрыгивают с обмотки на обмотку. Ну вот и в аналогии можно помочь какой-то механической передачей, с повышением/понижением чего-нибудь. Но внятной аналогии наверное не выйдет, да. Из-за переменности тока требуемой для трансформатора.

-- добавлено через 7 минут --

EUgeneUS в сообщении #1728234 писал(а):

И это мы ещё не говорим про всякие стабилитроны с обратимым электрическим пробоем.

Вот у меня сразу после стояка водоснабжения и фильтра установлен "редуктор давления". Вот он стабилизирует давление, типа как стабилизатор напряжения ("кренка"). Можно покрутить и поменять выходное давление (которое конечно будет не выше входного).

[EUgeneUS]

EUgeneUS в сообщении #1728234 писал(а):

Кстати, ЕМНИП, в книге Сворень. "Шаг за шагом. Транзисторы" сама идея управления (малое воздействие вызывает большие последствия) иллюстрируется плотиной со шлюзом.

Бочкой с квасом там иллюстрируется

Книга Сворень. "Шаг за шагом. Транзисторы" - легендарная, конечно. Но мне в своё время не зашла.

На иллюстрациях там много "аналогий". И во многом это само по себе иллюстрация того, что увлечение аналогиями может быть вредным. Нарезал картинок из издания 1971 года.


Рис 7 - иллюстрация к тезису "малое воздействие может вызывать большие последствия".
Тут всё понятно.


Рис 28 - "ёмкость бака, как ёмкость фильтра".
Тут уже нужно сообразить, что аналогом ёмкости фильтра является не ёмкость бака, а сечение бака.
А мальчик с палкой в тюбетейке не мешает жижу, а измеряет уровень - аналог напряжения

-- добавлено через 6 минут --



Рис 34.
То, что "дырки" ускоряются коллекторным напряжение (разницей высот) из рисунка - понятно. А вот всё остальное - непонятно совершенно. Особенно - как работает насос "база-эмиттер", который сосет из воронки

-- добавлено через 5 минут --



Рис 40. Гидравлическая модель транзистора (включение ОБ).

Забавно, но заслонка сделана неверно. Там должна быть не П-образная скоба, а коромысло:
чем больше ток (расход) через измерительную часть, тем меньше давление по закону Бернулли, а значит поршень должен опускаться, а при опускании поршня должна подниматься заслонка в ветке эмиттер-база.

-- добавлено через 2 минуты --


Рис 67.
Гидравлические модели включения ОБ и ОЭ.

-- добавлено через 1 минуту --


Рис 85. Усиление сигнала при введении ПОС - в образе потопа.
Какие-то аналогии, кроме эмоциональных, тут искать весьма сложно