9.02. Симуляторы

ДЛЯ ДЕТЕЙОБЯЗАТЕЛЬНО

Родителям и детям

Симуляторы
Симуляция
Симуляторы "чего-то"
Спортивные симуляторы
Симулятор эволюции - Spore
Авиасимуляторы
Прочие симуляторы
Добавить mermaid схему
Добавить задачи

Представь, что у тебя есть волшебный ящик. В нём — целый мир. Там могут жить динозавры, летать самолёты, строиться города, расти деревья… И всё это — не в реальности, а внутри компьютера. Такой «волшебный ящик» называется симулятором.

Слово симулятор происходит от латинского simulare — «подражать», «изображать». То есть симулятор — это программа, которая подражает чему‑то реальному (или вымышленному), чтобы мы могли это изучать, тренироваться или просто играть, не рискуя и не тратя настоящие ресурсы.

Почему симуляция — это не просто «игра»?

Многие симуляторы выглядят как игры: ты садишься за штурвал самолёта, управляешь фермой, или наблюдаешь, как развивается цивилизация. Но у них есть важное отличие от обычных игр: цель — реалистичность, а не только развлечение.

В реальной жизни:

• Чтобы научиться летать, пилот тратит сотни часов в настоящем самолёте, а это дорого и опасно.
• Чтобы понять, как будет развиваться город при новой дороге, инженеры строят модели — иначе можно допустить ошибку, которая потом приведёт к пробкам или авариям.
• Чтобы изучить, как появилась жизнь на Земле, учёные не могут ждать миллиарды лет — им нужна модель.

И тогда на помощь приходит симуляция — компьютерная копия процесса, которая работает быстро, безопасно и повторяемо. Можно запустить её десять раз, изменить одно условие — и сразу увидеть, как это повлияет на результат.

Как вообще работает симуляция?

Любая симуляция строится на трёх китах:

1. Модель — это описание того, что мы хотим сымитировать. Например:
   — самолёт: вес, форма крыльев, мощность двигателей, аэродинамика;
   — экосистема: сколько травы растёт, сколько зайцев её едят, сколько волков охотится на зайцев;
   — город: сколько машин ездит по улицам, где люди работают, как они ходят в магазин.

2. Правила — это законы, по которым модель живёт. Они часто выражаются формулами (например, закон всемирного тяготения) или алгоритмами («если заяц голоден и рядом есть трава — он ест»). В программе такие правила записываются как код.

3. Время — симуляция всегда разворачивается во времени. Но компьютер может ускорять его (1 секунда = 1 день), замедлять (1 секунда = 1 миллисекунда полёта) или даже останавливать — чтобы изучить, что происходит «под капотом».

Вот как это выглядит в упрощённой схеме:

Эта схема показывает: симуляция — это цикл уточнения. Чем лучше модель и точнее правила, тем ближе результат к реальности. И наоборот — если симулятор ведёт себя странно, это сигнал: «Проверь исходные данные!»

А что, если симулировать… вообще всё?

Теоретически — да, можно. Но на практике приходится упрощать. Например:

• В авиасимуляторе не рисуют каждую молекулу воздуха — используют усреднённые законы аэродинамики.
• В симуляторе эволюции не моделируют каждый ген в ДНК — используют «условные признаки»: размер, скорость, защита.
• В симуляторе города не следят за каждым жителем 24/7 — только за статистикой: сколько едут на работу, сколько — в школу.

Это называется абстрагированием — когда мы оставляем только самое важное и отбрасываем «шум». Именно в этом и состоит искусство создания симуляторов: найти баланс между реализмом и скоростью работы.

---

Спортивные симуляторы: не просто мяч и голы

Когда ты включаешь, например, FIFA, NBA 2K или Rocket League, кажется: «Ну вот, футбол/баскетбол/футбол на машинах — просто жми кнопки!»
Но на самом деле перед тобой — математическая модель спорта.

Возьмём футбол. В реальной игре происходит одновременно много процессов:

• Игроки бегают, меняя направление и скорость.
• Мяч катится, отскакивает, крутится в воздухе (эффект Магнуса!).
• Тренер даёт указания: «прессинг», «контратака», «удерживать мяч».
• Погода влияет: дождь — мяч скользит, ветер — меняет траекторию удара.

Симулятор пытается повторить всё это — но не «на глаз», а по правилам. Например:

• У каждого виртуального футболиста есть характеристики: скорость, выносливость, точность паса, реакция. Это — числа в памяти компьютера.
• Когда ты нажимаешь кнопку «пас», программа:
  1. Смотрит, куда ты направил джойстик (угол),
  2. Берёт силу нажатия (насколько долго держал кнопку),
  3. Добавляет «шум» — случайную погрешность (чтобы не было идеального паса, как в реальной жизни),
  4. Проверяет: не бежит ли противник рядом? Если да — шанс перехвата растёт.
  5. Рассчитывает траекторию мяча с учётом физики: сила удара, угол, вращение, трение о траву.

Всё это происходит за миллисекунды, но за этим стоит физический движок (например, Havok или PhysX) и искусственный интеллект (ИИ), управляющий поведением соперников.

💡 Интересный факт: В профессиональных спортивных симуляторах (не играх, а именно тренажёрах для спортсменов) используются реальные данные: видеозаписи матчей, GPS‑трекеры с тренировок, биометрия. Такой симулятор помогает, например, квотербеку в американском футболе «проиграть» сотни комбинаций виртуально, прежде чем выйти на поле.

Почему это важно учить?

Потому что спортивные симуляторы — это прекрасный пример системного мышления:

• Ты учишься видеть не только отдельные действия (удар), а цепочки: «если я сдвину защитника влево, у нападающего появится окно для паса».
• Ты тренируешь прогнозирование: что будет, если противник сыграет не так, как ожидалось?
• Ты видишь, как маленькое изменение (на 5% повысить точность паса) может изменить весь исход матча.

---

Симуляторы эволюции: от клетки — к звёздам

Один из самых вдохновляющих симуляторов — Spore (2008, Maxis/EA). Он начинается с одной клетки в океане и заканчивается — межзвёздной империей. Звучит как фантастика? Но каждая стадия — это отдельная модель эволюции.

Как это работает «под капотом»?

1. Стадия «Клетка»
   Ты — одноклеточное существо. Ты можешь есть другие клетки, избегать хищников, мутировать.
   Модель: популяционная динамика.
   — Каждая клетка имеет ДНК‑код (на самом деле — условный набор «частей»: жвал, глаз, двигатель).
   — Если ты съедаешь клетку — получаешь «очков эволюции» → можешь добавить новую часть → меняется поведение (быстрее плаваешь? лучше видишь?).
   — Если ты умираешь — твой «геном» исчезает.
   → Это упрощённая модель естественного отбора: выживают наиболее приспособленные.

2. Стадия «Существо»
   Теперь ты — существо на суше. Ты общаешься с другими: дружба или бой.
   Модель: поведенческая экология.
   — У каждого вида есть «поведенческий профиль»: агрессивность, социальность, любопытство.
   — Ты можешь эволюционировать не только тело, но и мозг: новые способности — танцы, пение, боевые приёмы.
   — Союзы с другими видами дают бонусы (защита, еда).
   → Это уже теория игр и социальная динамика.

3. Стадия «Племя», «Цивилизация», «Космос»
   Масштаб растёт: от стаи — к городу — к планете — к галактике.
   Модель:
   — Экономика (ресурсы, производство),
   — Дипломатия (альянсы, войны),
   — Астрофизика (планеты имеют тип: ледяная, пустынная, водная — и это влияет, кого можно там заселить).

Важно: Spore — не научная модель (биологи укажут на упрощения), но он делает главное: показывает, что сложные системы (жизнь, общество, космос) строятся из простых правил, которые повторяются на разных уровнях.

🌱 Мысленный эксперимент для читателя:
Представь, что ты создаёшь симулятор «Эволюция растений». Какие три главных правила ты бы заложил?
— Свет?
— Вода?
— Борьба за место?
Попробуй записать их как «если… то…» — это уже начало программирования симулятора!

---

Авиасимуляторы: небо в твоих руках

Если спортивные симуляторы — это про людей, то авиасимуляторы — про физику и точность.

Самый известный — Microsoft Flight Simulator (2020). Он настолько реалистичен, что:

• Использует реальные спутниковые карты Земли (вплоть до отдельных деревьев),
• Моделирует погоду в реальном времени (если в Париже идёт дождь — он будет и в симуляторе),
• Воспроизводит работу сотен систем самолёта: от гидравлики до радиосвязи.

Как компьютер «летает»?

Самолёт в симуляторе — это не картинка, а математическая модель в 6 степенях свободы:

1. Движение вперёд-назад (продольное),
2. Влево-вправо (боковое),
3. Вверх-вниз (вертикальное),
4. Крен (наклон крыльев),
5. Тангаж (нос вверх/вниз),
6. Рыскание (поворот вокруг вертикальной оси).

На каждую из этих осей действуют силы:

• Подъёмная сила крыла (зависит от скорости, угла атаки, плотности воздуха),
• Сила тяги двигателей,
• Сила сопротивления,
• Сила тяжести.

Всё это описывается дифференциальными уравнениями — но тебе не нужно их решать вручную: компьютер делает это миллионы раз в секунду, обновляя положение самолёта.

А ещё — человеческий фактор:

• Пилот может ошибиться: перегрузить двигатель, забыть убрать шасси, неправильно рассчитать заход на посадку.
• Симулятор не ругает — он показывает последствия. И это главная ценность: учиться на ошибках без риска.

✈️ Знаете ли вы?
В настоящих лётных училищах используют тренажёры-симуляторы, сертифицированные ICAO (Международной организацией гражданской авиации). Чтобы получить лицензию пилота, нужно отлетать сотни часов именно в симуляторе — потому что это безопаснее и дешевле, чем в реальном Boeing.

---

Другие симуляторы: от фермы до Вселенной

Симуляторы — это не только машины и самолёты. Это целый зоопарк моделей, где каждая имитирует тип системного поведения. Давайте разберём самые яркие примеры и — главное — что в них «симулируется на самом деле».

1. Симуляторы жизни и общества

Примеры: The Sims, Animal Crossing, RimWorld.

На первый взгляд — «кукольный домик»: поставь диван, покорми персонажа, пускай дружит. Но под обёрткой — модель принятия решений и социальной динамики.

В The Sims у каждого персонажа есть:

• Нужды (голод, сон, гигиена, социум, развлечение, комфорт) — это переменные состояния, которые со временем уменьшаются.
• Черты характера (аккуратный, ленивый, дружелюбный) — влияют на вес решений: ленивый сим реже будет мыть посуду, даже если гигиена низкая.
• Эмоции — возникают из комбинаций событий («подарок → радость», «спор → злость»), и сами влияют на поведение (злой сим может сломать телевизор).

Всё это — реализация архитектуры BDI (Belief-Desire-Intention — «Убеждения–Желания–Намерения»), которую используют и в серьёзных системах ИИ.
→ Симулятор жизни — это тренировка понимания мотивации и последствий.

В RimWorld добавляется ещё и генеративное повествование: события (торговцы, набеги, болезни) не идут по сценарию, а вырастают из взаимодействия систем:

• Если колония слабо защищена → шанс нападения растёт,
• Если много еды → привлекает торговцев,
• Если персонаж одинок → повышается риск депрессии.
  Это — модель сложной адаптивной системы.

2. Симуляторы строительства и управления

Примеры: Cities: Skylines, Factorio, Oxygen Not Included.

Здесь симуляция фокусируется на потоках — и на том, как системы стабилизируются или ломаются, если потоки нарушаются.

В Cities: Skylines:

• Трафик — не просто машины, едущие по дорогам. Это поток частиц с правилами:
  • Каждый «житель» ищет кратчайший путь от дома → работы → магазина → дома.
  • Если дорога загружена — маршрут пересчитывается.
  • Если перекрёсток неэффективен — образуется пробка → растёт время в пути → падает «счастье» → люди уезжают.
• Коммунальные сети (вода, электричество, канализация) — работают по законам сохранения:
  сколько воды втекло в район — столько должно и вытечь (или накопиться в резервуарах). Нарушение → затопление или засуха.

В Factorio:

• Ты строишь фабрику, где руда → плавится → собирается в детали → собираются в конвейеры → летят в ракету.
• Каждый шаг — производственная цепочка с ограничениями:
  — скорость добычи,
  — пропускная способность конвейера,
  — энергопотребление.
• Задача — балансировка потоков данных и ресурсов, как в реальном производстве.

→ Это обучение системному инжинирингу: видеть не отдельные элементы, а взаимосвязи.

3. Симуляторы науки и природы

Примеры: Universe Sandbox², Kerbal Space Program, Climate Interactive simulators.

Здесь симуляция — буквально наука. Возьмём Kerbal Space Program (KSP).

В нём:

• Все объекты (планеты, спутники, ракеты) подчиняются закону всемирного тяготения Ньютона. Компьютер считает эту силу между каждой парой тел каждый кадр.
• Ракета — не «жми вверх и лети». У неё есть:
  • Импульс удельный (Isp) — эффективность двигателя,
  • Центр масс и центр давления — если они не совпадают → ракета кувыркается,
  • Дельта-v (Δv) — «топливный бюджет» для манёвров (рассчитывается по формуле Циолковского).

Удивительно: многие игроки KSP впервые в жизни понимают, почему спутники летают по эллипсам, зачем нужны гравитационные манёвры — и даже поступают в аэрокосмические вузы. В NASA признали: KSP — отличный инструмент для популяризации орбитальной механики*.

Universe Sandbox идёт дальше: ты можешь «столкнуть Землю с Марсом» и увидеть, как изменится орбита, климат, приливы — всё на основе физических уравнений.

→ Это не фантастика. Это вычислительная астрофизика в реальном времени.

4. Симуляторы профессий и экстремальных условий

Примеры: Surgeon Simulator, Euro Truck Simulator, Farming Simulator, Subnautica (частично).

Да, Surgeon Simulator с его дребезжанием и «рукой-осьминогом» кажется пародией. Но за ним — серьёзная идея: симуляция моторики и точности под стрессом.

В настоящих медицинских симуляторах (например, LapSim для лапароскопии):

• Хирург управляет джойстиками, имитирующими инструменты,
• Система оценивает:
  — дрожание руки,
  — время выполнения операции,
  — сколько раз инструмент задел здоровую ткань.
• Обратная связь — не «Game Over», а анализ ошибок.

Euro Truck Simulator — тоже не просто «ехать по Европе». Он моделирует:

• Физику груза: при резком повороте фура может опрокинуться (центр тяжести!),
• Экономику: стоимость топлива, штрафы за превышение, износ машины,
• Логистику: планирование маршрута с учётом веса, габаритов, ограничений по тоннелям.

→ Это тренировка ответственности и планирования в реалистичных условиях.

---

Где заканчивается реалистичность — и начинается вымысел?

Важный вопрос: все ли симуляторы стремятся к точности?

Нет. Есть два полюса:

Тип	Цель	Примеры	Упрощения
Тренировочные симуляторы	Максимальная точность для подготовки	Лётные тренажёры, медицинские симуляторы, военные тактические комплексы	Минимальные — только ради производительности
Развлекательные симуляторы	Баланс реализма и удовольствия	Farming Simulator, Stardew Valley, Goat Simulator	Много: физика «дружелюбная», ошибки прощаются, системы упрощены

Например, в Farming Simulator:

• Комбайн не ломается от перегрузки каждые 10 минут (как в реальности),
• Урожай растёт за 1–2 дня, а не за сезон,
• Погода не убивает посевы — только слегка снижает урожайность.

И это правильно: если бы всё было как в жизни, играть было бы мучительно скучно.
Симулятор — это не копия, а отражение в зеркале с нужным фокусом. Зеркало может быть плоским (точным), выпуклым (преувеличивающим детали) или вогнутым (скрывающим сложность) — в зависимости от задачи.

---

Практическая часть: Задачи и мини‑проекты

Ниже — задания, выстроенные по возрасту и уровню. Каждое — не просто «ответь», а предложи, спроектируй, протестируй. Это развивает инженерное мышление.

---

🌟 Уровень 1 (8–10 лет)

Задача 1. «Симулятор муравейника» (на бумаге)
Нарисуйте муравейник из 3 комнат:
— Кладовая (еда),
— Нора (яйца),
— Выход (наружу).
Придумайте 5 муравьёв. У каждого — «энергия» (10 единиц).
Правила:

• Ходить = –1 энергия,
• Нести еду = –2 энергия, но +3 еда в кладовую,
• Кормить яйцо = –1 энергия и –1 еда → яйцо «растёт».
  Запустите 10 «ходов» и посчитайте: сколько яиц вылупилось?
  → Что изменится, если добавить «дождь» (выход закрыт 3 хода)?

Задача 2. «Погода в стакане»
Возьмите стакан воды, кубик льда и тёплую лампу.
— Положите лёд в воду → наблюдайте, как течения («океанические течения») перемешивают воду.
— Включите лампу сверху → что происходит с поверхностью?
Нарисуйте схему: где «тёплый воздух поднимается», где «холодный опускается».
→ Это простая конвекционная модель — так работают симуляторы погоды!

---

🌟🌟 Уровень 2 (11–13 лет)

Задача 3. «Город в Excel»
Создайте таблицу:

Домов	Жителей	Машины	Время в пути (мин)
Пусть:

• 1 дом = 3 жителя,
• 1 житель = 0.6 машины (не все ездят),
• Время в пути = 10 + (Машины / 5) — чем больше машин, тем дольше пробки.

Добавьте условное форматирование:
— зелёный — время < 15 мин,
— жёлтый — 15–25,
— красный — >25.

Что нужно сделать, чтобы при росте домов с 10 до 50 время осталось зелёным?
→ Подсказка: добавьте автобусы (1 автобус = –5 машин).

Задача 4. Простой симулятор популяции (Python/JS)
Напишите программу, где:

• Есть зайцы (начало: 10),
• Каждый шаг:
  • Зайцы размножаются: зайцы = зайцы * 1.2,
  • Но волки едят: зайцы = зайцы - волки * 2,
  • Волки: волки = волки + (съедено/5) (если еды мало — волки умирают).

Запустите 20 шагов. Постройте график (можно вручную).
→ При каких начальных условиях система стабилизируется? А когда — коллапсирует?

---