Как делать открытия. Приемы решения научных задач

Обобщение некоторых положений русловедения и принцип Ле Шателье

Многие исследователи на протяжении последнего столетия сформулировали в русловедении большое количество принципов, постулатов, положений, законов. Одни из них утвердились или переосмыслены, другие отвергнуты. Некоторые принимаются основными в одних школах, а в других - отвергаются.

Для логичного объединения различных подходов, к которому призывала Н.С. Знаменская [6], в настоящем докладе делается обзор некоторых из основных положений, и предлагаются варианты по их совершенствованию и синтезу. К объединению также настойчиво подталкивает сама природа, будучи по сути многофакторной. Необходим переход от однофакторных классификаций типов русловых процессов к многофакторным.

Другим тезисом настоящего доклада является предложение о применении принципа Ле Шателье - Брауна в формулировке А.А. Богданова, который в русловедении можно выразить так: нарушение равновесия приводит на каждом системном уровне к ответной морфологической реакции, направленной на уменьшение дисбаланса (диссимметрии) сил, вызвавших нарушение.

Есть несколько фундаментальных условий существования рек и проявления различных русловых процессов на Земле, о которых обычно не упоминают, но молчаливо подразумевают при рассмотрении водных потоков. Это связано, скорее всего, с тем, что условия существования рек на Земле близки или одинаковы на поверхности планеты. Тем не менее, они значительны по абсолютному воздействию, поэтому, на самом деле, их влиянием нельзя пренебрегать. Среди них - сила тяжести, наличие вещества "вода" на планете Земля, обеспечение условий существования газообразной, жидкой и твёрдой фаз воды, вращение Земли вокруг оси и вокруг Солнца, солнечная энергия. "Русловые процессы (размыв грунтов, транспортирование и отложение наносов) - это природные процессы, сопровождающиеся затратой энергии. Эта энергия - часть солнечной энергии, которая заносит воду в виде облаков на поверхность водосборного бассейна" [11, с. 8].

Другими обычно молчаливо подразумеваемыми факторами руслоформирования являются форма Земли, относительное количество воды, существование морей и суши, способность и возможность воды испаряться, круговорот воды в природе, негоризонтальность и размываемость материков, проницаемость горных пород и фильтрация воды, влияние растительности и т.д. Учёт этих факторов необходим, потому что встречаются случаи, когда эти факторы выступают как определяющие и приводят к формированию специфических форм русел (водопады; горные реки; склоновая и наледная многорукавность; плавни; сток по мари; болотные, карстовые, деградирующие, пересыхающие реки; сухие русла; слепые устья; дельты и др.), которые должны быть учтены во взаимоувязанной многофакторной классификации типов русловых процессов.

Кроме естественных физических условий образования и развития речных русел также часто подразумеваются, но конкретно не упоминаются общефилософские и общенаучные принципы и положения. Это, например, принцип причинности, диссимметрия, диалектические законы и др. Иногда в рамках конкретной науки, в нашем случае - в русловедении, общенаучные положения выражаются в узкоспецифическом виде, иногда неузнаваемом. Например, принцип Ле Шателье на одном из системных уровней выступает как закон автоматического выравнивания транспортирующей способности потока. Или же искажаются, будучи применённые без учёта всей гаммы факторов. Например, принцип минимума диссипации энергии, используемый для речного потока без наносов, с одинаковым успехом приводит к объяснению, что меандрирование - это единственное "естественное" состояние потока, так и к тому, что оно неестественно.

Основные положения руслообразования предлагали и обобщали В.М. Лохтин [13], М.А. Великанов [4], Н.И. Маккавеев [16], Н.Е. Кондратьев [20], Н.А. Ржаницын [18], И.А. Кузьмин [10], Р.С. Чалов [23], Н.С. Знаменская [6], А.Ю. Сидорчук [21] и многие другие.

Из синтеза всего многообразия используемых разными авторами принципов можно выделить следующие общепризнанные или индивидуальные, но, наш взгляд, главные принципы:
1. система, системные уровни (часто неверно называемые "структурными"), эмерджентность и другие иерархические законы;
2. взаимозависимость, взаимодействие, взаимоуправление, саморегулирование: а) струй и донных форм, б) потока и русла, в) реки и водосбора и т.д. на каждом соответствующем системном уровне;
3. принцип минимума диссипации энергии (или максимума энтропии);
4. принцип ограниченности природных комплексов;
5. закон автоматического выравнивания транспортирующей способности, который необходимо конкретизировать для разных системных уровней и для условий достижения баланса во времени и по длине реки;
6. закон нелинейности связей;
7. закон факторной относительности;
8. дискретность и континуальность;
9. организация и беспорядочность;
10. фактор времени (инерция, запаздывание, релаксация, сдвиг фаз);
11. начальные условия (существующий тип русловых процессов).
Также важен одновременный учёт многих факторов руслоформирования, переход от однофакторных типизаций русловых процессов к многофакторным и соответствующим многофакторным моделям руслоформирования.

Н.Е Кондратьев [20] предложил рассматривать русловые формы и соответствующие им процессы на разных структурных (системных) уровнях. Н.С. Знаменская [6] развила этот подход и ввела принцип эмерджентности, заключающийся в том, что законы, по которым развиваются русловые формы на одном системном уровне, не являются суммой законов развития более низкого уровня. Это приводит к рассмотрению нескольких систем: "песчинка-вода", "грунт-струя", "русло-поток", "река-водосбор" и др. Параллельно с принципом системности и иногда смешивая их между собой, Н.Е. Кондратьев предложил дискретный подход к выделению русловых форм [9]. А.Ю. Сидорчук объединил этот подход с противоположным принципом континуальности [21].

Одним из первых положений был принцип взаимодействия потока и русла, провозглашённый М.А. Великановым: русло управляет потоком; поток управляет руслом [4]. Постепенно закон взаимодействия потока и русла трансформировался в закон взаимоуправления, а затем саморегулирования системы, который имеет своё наполнение на каждом системном уровне. Существующий первоначально отдельно от него на системном уровне "река-водосбор" закон автоматического выравнивания транспортирующей способности потока при логичном развитии науки сливается с ним и формулируется в более обобщённом виде через принцип Ле Шателье - Брауна (см. далее).

Принцип минимума диссипации энергии введён М.А. Великановым по аналогии с применением его Г.Л.Ф. Гельмгольцем к тепловым и другим явлениям. Этот принцип по-разному воспринимается исследователями: некоторые считают, что он объясняет меандрирование рек, а другие - наоборот. Этот принцип, по мнению М.А. Великанова, "утверждает почти очевидную истину, что данная жидкость под действием заданных внешних сил и в заданных твёрдых границах протекает с таким распределением скоростей (в такой форме), при котором в теплоту переходит минимальная часть механической энергии потока" [4]. Здесь не упоминаются наносы и их движение. Этот принцип может одновременно соответствовать сразу всем типам: "Многие авторы используют принцип минимума диссипации энергии, исходя из которого, одни считают, что русла рек должны искривляться, так как поток стремится к уменьшению эрозионной работы путём уменьшения уклона, а другие полагают, что русла должны спрямляться, поскольку прямое направление является наивыгоднейшим (Davis W.M., 1912; Wundt W., 1941)" [19, с. 21]. В.Г. Саноян, выступая в дискуссии на V Гидрологическом съезде, сказал: "Я не согласен с высказыванием о применимости принципа минимума диссипации энергии к русловым потокам. Этот принцип высказан и доказан Гельмгольцем в прошлом веке и относится к медленному движению вязкой жидкости" [22, с. 338].

Такое состояние, когда некое теоретическое положение хорошо истолковывает один класс явлений, но совершенно не пригоден для объяснения всей совокупности явлений, случается довольно часто.

Этим же грешат и многие другие гипотезы, например, объясняющие образование меандрирования рек:
циркуляция потока; неустойчивость прямолинейного русла и динамическая устойчивость извилистого русла;
внутренняя гидродинамическая структура потока;
начальный размыв и его развитие;
центробежная сила;
сила Кориолиса;
неустойчивость дна к малым возмущениям;
минимизация вариации некоторого параметра случайного процесса;
образование меандрирования из гряд.

Если принять их верными, то тогда другие типы русел, кроме меандрирующего, вообще не должны существовать. Поэтому принцип минимума диссипации энергии в такой формулировке не имеет права на существование и фактически оказался забытым. Он лишь упоминается при обзоре работ по теории русловых процессов и при перечислении гипотез образования меандрирования.

В таких случаях надо или отвергнуть это положение или рассмотреть его шире. Возможно, что новую жизнь постулат минимума диссипации энергии получит при рассмотрении не только потока, но и переносимых этим потоком наносов, т.е. критерием возникновения различных форм русловых образований будет минимум диссипации энергии не потока, а системы "поток-русло" при разных значениях соотношения параметров потока и наносов.

Начальные условия (существующие формы русла и соответствующие русловые процессы) играют фундаментальную роль в последующих деформациях речных русел. Их знание для прогноза часто более важно, чем сведения о конкретных параметрах потока и русла. Для прогноза изменения русла не столько необходимо знать абсолютные значения параметров системы до и после внешнего воздействия, а более важно знать начальные условия и вектор (направление и степень) изменения руслоформирующих факторов, что даёт возможность предсказать вектор развития самого русла. Например, сведения о том, что каким-либо образом произойдёт увеличение поступления наносов с водосбора или верхнего участка на рассматриваемый участок реки даёт информацию об относительном увеличении поступления наносов, что достаточно для прогноза русловых деформаций, и не требуется знания об абсолютном значении расхода наносов ни до, ни после изменения руслоформирующих факторов.

Понятие динамического равновесия и принцип компенсации широко используются в русловедении, но разными исследователями трактуется по-своему. Формулировки законов развития русел часто являются производными принципа Ле Шателье, предложенного сначала к термодинамическим системам, а затем расширенного А.А. Богдановым на другие природные процессы. Он может применяться во всех естественно-научных областях знания.

Этот принцип использовал, например, С.Н. Ложкин при расчёте взаимодействия потоков основного русла и поймы [12]. К русловым процессам его впервые применил К.В. Гришанин [5]. Затем оно было развито: "В основе реакции системы поток-русло на изменение стока наносов на верхней границе лежит принцип Ле Шателье. Он объясняет смену характера взаимодействия между компонентами системы при изменении внешних условий. Направленность этих взаимодей-ствий отвечает восстановлению существовавших ранее условий переноса наносов" [1, с. 27-28].

Принцип Ле Шателье - Брауна заключается в том, что внешнее воздействие, выводящее систему из состояния термодинамического равновесия, вызывает в системе процессы, стремящиеся ослабить эффект воздействия. Принцип смещения равновесия был установлен А. Ле Шателье в 1884 г. и термодинамически обоснован К. Брауном в 1887 г. Исторически принцип Ле Шателье - Брауна был сформулирован по аналогии с правилом индукции Ленца. В 1921 г. А.А. Богданов (Малиновский) обобщил его для систем любого вида: "системы, находящиеся в равновесии, обнаруживают тенденцию сохранять его, оказывают внутреннее противодействие силам, его изменяющим" [3].

На системном уровне "река-водосбор" принцип Ле Шателье - Брауна выражается в процессах выравнивания транспортирующей способности по длине реки через изменение уклона дна и водной поверхности [1]. Н.И. Маккавеев показал, что в основе развития флювиальных систем лежит процесс "автоматического регулирования" транспортирующей способности потока [16], который является второй половиной принципа саморегуляции русла. "На тех участках, где удельная транспортирующая способность потока недостаточна для транзита поступающих с вышележащего участка наносов, дно постепенно повышается до тех пор, пока в результате отложений уклон не возрастёт до величины, обеспечивающей транзит наносов" [16, с. 189].

Отношение транспортирующей способности потока на данном участке к поступлению наносов на этот участок называется относительной транспортирующей способностью участка реки [8].

Впервые этот термин употреблён в [17]: "Главным критерием уязвимости малых рек по отношению к заилению является их относительная транспортирующая способность (ОТС) - отношение транспортирующей способности малой реки в данном створе к стоку наносов, поступающему в реку с водосбора. По ОТС можно определить направленность и интенсивность развития продольного профиля. При ОТС>1 происходит углубление реки и очищение её от наносов… При ОТС<1 происходит аккумуляция наносов в реке, повышение поймы и русла" [17, с. 58].

Н.И. Маккавеев рассматривает закон саморегулирования на системном уровне "река-водосбор". На этом уровне выравнивание транспортирующей способности приводит к изменению продольного профиля реки: "В результате эрозионно-аккумулятивной работы потока его удельная транспортирующая способность постепенно выравнивается по длине речной системы" [14, с. 240-241].

При рассмотрении по длине потока этот закон называется законом автоматического выравнивания транспортирующей способности, а в рассмотрении факторов руслоформирования - это закон автоматического соответствия транспортирующей способности и поступления наносов.

Необходимо создать набор формулировок этого принципа для каждого системного уровня и для всех диссимметрических руслоформирующих факторов.

На другом уровне для системы "поток-русло" нарушение баланса между транспортирующей способностью потока и поступлением наносов с верхнего створа и ответное выравнивание транспортирующей способности, выражающееся в морфологических и других изменениях русла, проявляется по законам, соответствующим этому системному уровню. На этом уровне реакцией системы является изменение типа русловых процессов, приводящее к уменьшению дисбаланса. При перегрузке реки наносами тип русловых процессов изменяется от меандрирования к русловой многорукавности (через промежуточные типы), а при недогрузке наносами, наоборот, - к меандрированию [8].

Причинно-следственная цепочка образования меандрирования такова: транспортирующая способность потока велика по сравнению с поступлением наносов излишек энергии деформация берегов образование извилистости удлинение реки уменьшение уклона водной поверхности уменьшение транспортирующей способности уравновешивание транспортирующей способности и поступления наносов меандрирование реки при динамическом равновесии (до очередного возникновения диссимметрии между определяющими факторами). При образовании русловой много-рукавности причинно-следственная цепочка противоположна [7].

На другом более низком системном уровне нарушение баланса между транспортирующей способностью потока и поступлением наносов на участок реки проявляется в местных изменениях морфологии русла. Например, рассматривая регрессивные переформирования островов, Н.И. Маккавеев [15, с. 237] отмечает, что "в тех участках русла, где общий баланс наносов нулевой или отрицательный, в зоне нисходящей ветви циркуляционного течения наблюдается эрозия дна и берега острова, почему точки бифуркации постепенно перемещаются вниз по течению. В тех же случаях, когда баланс наносов на участке русла положительный, то в зонах нисходящих течений имеет место интенсивная аккумуляция наносов, в результате чего точка бифуркации перемещается регрессивно, т.е. вверх по течению". На другом системном уровне дисбаланс приводит к изменениям формы транспорта наносов: "В зависимости от соотношения транспортирующей способности потока и количества поступающих в поток наносов возможен переход наносов из одной формы перемещения в другую, например, из влечения или сальтации в донно-грядовую или наоборот" [2, с. 49].

Можно сделать вывод, что на каждом соответствующем системном уровне ("песчинка-вода", "грунт-струя", "русло-поток", "река-водосбор" и др.) движущей силой формирования различных форм транспорта наносов, типов русловых процессов, изменения продольного профиля реки и др. является диссимметрия между транспортирующей способностью потока и поступлением наносов. Ответной реакций реки является морфологическая перестройка на каждом системном уровне, приводящая в соответствии с принципом Ле Шателье к уменьшению причинной руслоформирующей диссимметрии.

Литература
1. Алексеевский Н.И., Чалов Р.С. Движение наносов и русловые процессы. М.: МГУ. 1997. 170 с.
2. Барышников Н.Б., Левашова И.А. Сопротивление речных русел движению потоков в них // Моделирование и прогнозы гидрол. процессов. СПб.: РГГМИ. 1992. С. 46-49.
3. Богданов А.А. Очерки организационной науки. Самара. 1921.
4. Великанов М.А. Динамика русловых потоков. Л.: Гидрометеоиздат. 1949. 475 с.
5. Гришанин К.В. Динамика русловых потоков. Л.: Гидрометеоиздат. 1969. 428 с.
6. Знаменская Н.С. Системная методология как основа изучения руслового процесса // Динамика и термика рек и водохранилищ. М.: Наука. 1984. С. 171-194.
7. Кондратьев А.Н. Причина образования извилистости: меандрирование рек и других природных потоков // Известия РАН. Серия географическая. 2000. № 4. С. 42-44.
8. Кондратьев А.Н. Соотношение транспортир. способности потока и стока наносов как условие формирования русел рек разных типов // Геоморфология. 1999. № 3. С. 14-18.
9. Кондратьев Н.Е. О дискретности русловых процессов / Проблема русловых процессов. Л. 1953. С. 16-20.
10. Кузьмин И.А. Состояние учения о русловых процессах // Динамика и термика рек. М.: Стройиздат. 1973. С. 184-195.
11. Лапшенков В.С. Русловая гидротехника (практическое пособие). Новочеркасск. НГМА. 1999. 408 с.
12. Ложкин С.Н. Применение принципа Ле Шателье при расчёте взаимодействия потоков основного русла и поймы // Гидрология и метеорология. 1984. № 11.
13. Лохтин В.М. О механизме речного русла. СПб. 1897. 80 с.
14. Маккавеев Н.И. К вопросу о процессах формирования речных систем / Избранные труды. М.: МГУ. 2003. С. 240-242.
15. Маккавеев Н.И. Регрессивные переформирования речных островов / Избранные труды. М.: МГУ. 2003. С. 231-237.
16. Маккавеев Н.И. Русло реки и эрозия в её бассейне. М.: АН СССР. 1955. 346 с.
17. Малые реки как наиболее уязвимое звено речной сети / Г.П. Бутаков, А.П. Дедков и др. // Эрозионные и русловые процессы. Вып. 2. М.: МГУ. 1996. С. 56-70.
18. Ржаницын Н.А. Руслоформирующие процессы рек. Л.: Гидрометеоиздат. 1985. 264 с.
19. Россинский К.И. Формирование речных русел // Динамика и термика речных потоков М.: Наука. 1972. С. 20-24.
20. Русловой процесс / Н.Е. Кондратьев, А.Н. Ляпин, И.В. Попов и др. Л.: Гидрометеоиздат. 1959. 372 с.
21. Сидорчук А.Ю. Структура рельефа речного русла. СПб.: Гидрометеоиздат. 1992. 127 с.
22. Труды V Всесоюзного гидрол. съезда. Т. 10. Кн. 2. Л.: Гидрометеоиздат. 1988. 400 с.
23. Чалов Р.С. Географические исследования русловых процессов. М.: МГУ. 1979. 232 с.
 

Как Ваше мнение? Применим ли принцип Ле Шателье-Брауна (обратной отрицательной связи) к русловым процессам?

Применим ли этот принцип в Вашей науке?

Цитата из одного автореферата и в шутку, и всерьёз!:

Внутренний объем кишечной трубки определялся по предложенной  П.В. Груздевым и В.А. Порублевым формуле  v=pR²H (рац. удостоверение № 14/97, г. Ставрополь), где v - внутренний объем  кишечной трубки; p - постоянная 3,14; R – внутренний радиус кишечной трубки; H – длина кишечника.

Пресс-релиз Официального фонда Г.С.Альтшуллера

Уважаемый Александр Николаевич!

Посылаю Вам пресс-релиз Официального фонда Г.С.Альтшуллера (см. ниже подписи) - с просьбой разместить на сайте и в рассылке.

С уважением,
Исполнительный директор Официального фонда Г.С. Альтшуллера
Лариса Дмитриевна Комарчева, e-mail: foundation@altshuller.ru
- - - - - - - -

Пресс-релиз Официального фонда Г.С. Альтшуллера

15 октября 2003 в день рождения Автора такой методики креатива как ТРИЗ (теории решения изобретательских
задач) состоялось официальное открытие сайта Фонда Генриха Сауловича Альтшуллера: http://www.altshuller.ru

 По итогам первого года работы сайта подготовлен отчет Официального фонда Г.С. Альтшуллера.

За первый год его работы сайт посетили 75 000 человек из 89 стран.

В настоящее время на сайте размещено около 200 работ Г.С. Альтшуллера и В.Н. Журавлевой, в том числе
малоизвестные и ранее не публиковавшиеся; число скачиваний бесплатно распространяемой электронной книги
"Введение в ТРИЗ: Основные понятия и подходы" только с одного сервера превысило 20 000 экз.; переиздана книга
Г.С. Альтшуллера "Творчество как точная наука"; реализуется проект "ТРИЗ-термины на языках народов мира";
подано Возражение на предоставление защиты товарному знаку "ТРИЗ-TRIZ"; реализуются проекты по переводу работ
Г.С.Альтшуллера на английский, французский, испанский и немецкий языки.

Данный пресс-релиз разрешено свободно цитировать в СМИ, на сайтах и электронных рассылках без вмешательства в текст.

Контактная информация:
------------------------------
Исполнительный директор Официального фонда Г.С. Альтшуллера
Лариса Дмитриевна Комарчева, e-mail: foundation@altshuller.ru

В письмах, пожалуйста, используйте информативный Subj (чтобы не ушло в корзину со спамом)
и указывайте "в рассылку" или "ни в коем случае не в рассылку"