Todellisuus ja mallintaminen
Todellisuutta voidaan mallintaa monin tavoin. Siitä voidaan rakentaa fyysisiä malleja, esim. pienoismalleja tuulitunnelikokeisiin tai allaskokeisiin (fyysinen mallintaminen). Sitä voidaan kuvata matemaattisesti (painovoimamalli),
fysikaalisesti (
Bohrin atomimalli; analyyttinen mallintaminen) tai muulla toimintamallilla (vuokaavio,
algoritmi; toiminnallinen mallintaminen).
Mallintaa voidaan myös yrityksen ja erehdyksen kautta, siis mallintaminen oppimalla. Nykyään mallinnusta tehdään etenkin tietokoneilla (tietokonemallintaminen).
Mallintamista käytetään hyvin monessa paikassa. Tekniikka ja fysiikka perustuvat mallintamiseen, useimmiten matematiikkaan. Myös ihmisryhmien käyttäytymistä tutkitaan mallintamalla niitä. Toisaalta ihminen mallintaa maailmaa päässään (opittuna tai geneettisesti). Tutkimustoiminnassa mallinnetaan tutkittavaa ilmiötä ja saadaan siitä tätä kautta uutta tietoa.
Mallintamisen hyödyt ja haitat
Mallintamiseen liittyy monia ongelmia. Malli ei ole todellisuus vaan aina approksimaatio, likiarvo. Jotkut asiat ovat vaikeasti mallinnettavissa esimerkiksi niiden vaatiman suuren laskentakapasiteetin takia. Toisaalta jotkut asia eivät ole mallinnettavissa lainkaan vaan ne voidaan esittää vain itsellään. Näitä ovat erityisesti
kompleksiset ilmiöt, kuten mikä tahansa pitkän aikavälin toiminta, jossa on paljon muuttujia (paikallisen sään ennustaminen tasan vuoden päähän) sekä esimerkiksi elämä ja tietoisuus.
Mallintamisen edut ovat kuitenkin huomattavia. Se on usein paljon halvempaa kuin todellisuus (vrt. laivan pienoismalli ja todellinen laiva). Se myös antaa enemmän tietoa todellisuudesta kuin arvaus tai luulo ilman mallia, vaikka ei vastaakaan todellisuutta. Mallinnuksen avulla voidaan tarkastella asioita, joita ei ole mahdollista tarkastella fyysisesti, esimerkiksi
- rakennusten ja kaupunkisuunnittelun tiloja ja näkymiä ennen rakentamista
- kuormien aiheuttamia materiaalien ja rakenteiden sisäisiä jännityksiä
- eläinpopulaation käyttäytymistä 1000 sukupolven, esim. 5000 vuoden aikana
- ydinvoimala- tai lento-onnettomuutta erilaisten virhesuoritusten seurauksena
- megatsunamien käyttäytymistä (ilmiötä, jota nykyihminen ei ole koskaan nähnyt)
- ydinaseiden ja ydinvoimaloiden perusprosesseja ydinreaktion sisällä
- kvarkkien tai hyvin pienien aineen osien käyttäytymistä
- planeettojen tai tähtien käyttäytymistä, syntyä ja kehitystä
Mallinnuksesta saadaan yleensä tuloksia nopeammin kuin varsinaista ilmiötä tai systeemiä tutkimalla. Tämä mahdollistaa nopean oppimisen.
Tietokoneiden suuren tehon kannalta mallintamisessa on oleellista se, että vain se, mikä pystytään mallintamaan, pystytään (mahdollisesti) laskemaan tietokoneilla. Malliminen on siis tietokonesimuloinnin edellytys.
Eräitä mallintamisen sovellutuksia
Meteorologia
Viime vuosikymmeninä tarkentunut
sään ennustaminen perustuu pitkälle kehitettyihin ilmakehämalleihin ja supertietokoneilla suoritettavaan raskaaseen laskentaan.
Molekyylimallinnus
Molekyylimallinnusta käytetään
kemiassa molekyylitason ilmiöiden selvittämiseen. Sen avulla voidaan tutkia yhdisteiden steerisiä ja elektronisia ominaisuuksia, muodostumislämpöjä, reaktiomekanismeja sekä epäorgaanisten materiaalien kide- ja pintarakenteita. Molekyylimallinnusta käytetään hyväksi erityisesti
lääkeainesuunnittelussa. Molekyylimallinnusta suoritetaan molekyylimekaanisilla, semiempiirisillä ja kvanttikemiallisilla menetelmillä.
Rakennussuunnittelu
Rakennussuunnittelu on kehittynyt
tietokoneavusteisen suunnittelun myötä
kolmiulotteiseksi mallintamiseksi, jossa piirtämisen mallinnetaan rakennus kaikkine . Rakennuksesta luodaan koko rakennuksen
elinkaaren aikainen rakennuksen tietomalli (). Kolmiulotteiseen malliin ja sen eri osiin voidaan liittää myös muuta kuin graafista tietoa, esimerkiksi tiedot pintamateriaaleista tai laatutasosta. Suunnittelun aikana mallintamisen ansiosta saadaan nopeasti korkeatasoisia
visualisointeja päätöksenteon tueksi. Rakennuksen käytön aikana malli toimii ylläpidon ja huollon, sekä käyttäjien toiminnan suunnittelun apuvälineenä, ja
peruskorjaussuunnitelmien pohjana. Mallia täydennetään koko elinkaaren ajan. Rakennuksen elinkaaren loppuvaiheessa mallia käytetään hyväksi suunniteltaessa rakennuksen purku ja materiaalien jälleenkäsittely .
Lentokoneiden häiveteknologia
Myös
häivekoneideniden (
F-117,
B-2) takana on mallintaminen. Venäläinen tiedemies, joka nykyisin on Yhdysvaltain kansalainen, laati pohjana olevan teorian
1960-luvun alkupuolella. Se julkaistiin neuvostoliittolaisessa tiedelehdessä, jonka CIAille käänsi ja toimitti mm. Lockheed.
1970-luvun alussa Lockheed alkoi Ben Richin johdolla kehittää kyseisen mallin perusteella häivekonetta, joiden pinnat muodostuivat levymäisistä elementeistä (kuten F-117), joiden tutkaillaimpulssin heijastuslaskelmat olivat mahdollisia ratkaista silloisilla
supertietokone. Tietoja Neuvostoliiton ja muun Varsovan liiton tutkajärjestelmistä suunnittelun pohjaksi yhdysvaltalaiset saivat Romaniasta.
Yhdysvallat rakensi ensimmäiset häivekoneet. Laskentaan tarvittiin ensimmäisiä Cray-1 ja 2 supertietokoneita. Persianlahden sodassa 1991 nämä koneet lensivät kaksi prosenttia lennoista, mutta 40 prosenttia strategisista lennoista ilman tappioita.
Sotilasteknologia
Kylmän sodan voiton takana oli yhden näkökulman mukaan osin mallintaminen ja tietokoneet.
USA pystyi niiden avulla rakentamaan suuremman talouden voimilla pienempiä ja tarkempia ydinaseita kun taas
Neuvostoliitto joutui rakentamaan pienemmällä taloudella suurempia ja epätarkempia ohjuksia ja ydinaseita.
Katso myös
Aiheesta muualla
|
Tietoja 
. Kaikki teksti on saatavilla GNU Free Documentation License 