Модель, демонстрирующая работу ВЧ линии передачи сигналов.

[Als]

Изредка мне необходимо понять работу некой простейшей электрической схемы на качественном уровне (т.е. не произвести расчеты, а просто установить взаимосвязи, типа если тут увеличим, то там уменьшится и т.д. Представить, как работает схема, так сказать). Для облегчения этой задачи я придумал упрощенные модели элементов найдя некоторые аналогии между электричеством и гидравликой

1. Проводник – водопроводная труба.
2. Электрический ток – поток воды в трубе.
3. Сопротивление – труба с песком.
4. Электрическая ёмкость – труба, перегороженная резиновой мембраной.
5. Индуктивность – труба из резины.
6. Напряжение – разность давления воды между двумя точками трубы
7. Ток – количество воды через сечение трубы в ед. времени.
8. Электрическая цепь – замкнутая система труб, с резисторами, индуктивностями и т.д.
Легко можно придумать модели диода, транзистора и т.п., которые можно будет включать в такую «электрическую» цепь.

При составлении эквивалента ВЧ источника сигнала и фидера, произошел облом! Не получилось!
Спецы! Помогите придумать эквивалент ВЧ источника сигнала, нагруженного фидером. Точнее сказать эквивалент ВЧ источника ясен, это поршень толкающей воду в «цепи» туда-сюда. Как быть с фидером?

[ASD]

Я читал этот Ваш вопрос на форуме cqham.ru и чуть было не собрался ответить, но потом решил не ввязываться в наметившуюся там пустую болтовню.

Действительно, моделью движения электрических зарядов в проводнике может служить движение воды (в общем случае - жидкости) в трубе. Количество воды - эквивалент электрического заряда, ее расход (количество, прошедшее через данное сечение в единицу времени) - сила тока, давление в данном сечении - напряжение, а разность давлений в двух сечениях - падение напряжения. Разделив его на расход, получим "водяной эквивалент" электрического сопротивления.

В выборе эквивалентов индуктивности и емкости Вы ошибаетесь. Емкость - это резервуар, наполняемый водой снизу. Чем больше воды "заряжено" в резервуар, тем выше ее уровень и соответственно давление (т. е. напряжение) на дне этого резервуара. Запасается потенциальная энергия накопленной воды. Когда давление в резервуаре сравняется с давлением в подводящем патрубке, приток воды прекратится - "конденсатор" заряжен.

А аналог индуктивности - длинная труба, заполненная водой. В ней накапливается кинетическая энергия движущейся массы воды. Если трубу резко перекрыть, произойдет "бросок напряжения самоиндукции" - гидравлический удар. Эквивалент колебательного контура - сообщающиеся сосуды. Если соединяющая их труба довольно толстая (сопротивление мало), то процесс выравнивания уровней воды в сосудах будет колебательным, если тонкая (большое сопротивление потерь) - апериодическим.

Теперь об эквиваленте длинной линии (фидера). Аналогом волны напряжения в электрической линии может служить волна давления жидкости в трубе, распространяющаяся со скоростью звука в этой среде. К сожалению, аналогия неполная. Вследствие несжимаемости жидкости волна давления не сопровождается волной скорости ее движения. Здесь, по-моему, больше подойдет пневматическая модель с газом вместо жидкости. Или нужно, отказавшись от трубы, рассматривать волны на поверхности жидкости.

Вообще вопрос об аналогии электрических процессов с механическими, газо-, гидро-, термодинамическими и прочими процессами очень сложен. Забираясь в него все глубже, Вы непременно придете к свойствам "мирового эфира", торсионным полям и прочим предметам, лежащим на грани науки и лженауки. Желаю успеха в этом безнадежном деле!

[Als]

ASD, Огромное спасибо за предложенную модель и подробные разъяснения!

Используя предложенные Вами аналоги (энергия заряда конденсатора – потенциальная энергия воды в резервуаре, энергия магнитного поля индуктивности – кинетическая энергия воды в трубе) можно легко и наглядно продемонстрировать распространение волны в фидере и работу ФНЧ на LC элементах. Модель, демонстрирующую работу ФВЧ фильтра составить не удалось.

PS для того чтобы «организовать» сдвиг фазы «ток»-«напряжение» в моделях «использовалась» сжимаемая жидкость – мне не важна полная аналогия между разными физическими процессами, моя цель – наглядность.

[contur]

...мне не важна полная аналогия между разными физическими процессами, моя цель – наглядность.

Тогда и работу электронно-дырочного перехода можно представить как движение пузырьков в газировке.

[ankus]

...мне не важна полная аналогия между разными физическими процессами, моя цель – наглядность.

Тогда и работу электронно-дырочного перехода можно представить как движение пузырьков в газировке.

Дырки есть, а где переход? Поверхность воды? А где аналог электронной проводимости? Пары воды в газе?
Воду можно представлять в трех агрегатных состояниях: газообразном (пар уже сжимаем), жидком и твердом (во льду газ тоже есть )! Энергию можно представлять не только массой. Энергию можно представлять и температурой массы. Кстати, методы расчета теплопередачи используют электрические эквиваленты.
Во многих областях техники при расчетах систем переходят, наоборот, к электрическим аналогам, для которых теории линейных и нелинейных электрических цепей предлагают достаточно совершенные методы расчета. Однако для любителей наглядных аналогий это, видимо, потребует возврата к учебникам математики и физики
Как пример использования электромеханических аналогий можно упомянуть методы расчета электроакустических устройств.