Los modelos nos sirven para simplificar estructuras y procesos complejos, de manera que podamos representarlas, estudiarlas y comprenderlas. Un modelo se basa en las propiedades más importantes y básicas de lo que queremos representar. Tomando esto en cuenta entonces podemos definir a un modelo como:
“Una simplificación que imita los fenómenos del mundo real, de modo que se puedan comprender las situaciones complejas y podamos hacer predicciones. Los modelos son muy útiles para describir, explicar o comprender mejor la realidad, cuando es imposible trabajar directamente en la realidad en sí.”
Por ejemplo, si quisiera explicar lo que es una jirafa, esta se podría representar en un dibujo, pero mejor aún sería tener una fotografía y todavía mejor, un modelo en tres dimensiones en una escala determinada. Para ciertos fines esto sería mucho más fácil que trasladarse al África para ver una jirafa en su ambiente natural.
Tipos de modelos
Hay diversos tipos de modelos en uso y difieren entre ellos según el propósito que se persiga. La diversidad va desde el más básico modelo físico como una maqueta, hasta modelos muy complicados que sólo pueden utilizarse empleando computadoras muy poderosas.
Un modelo puede ser tan sencillo como una simple explicación con palabras de lo fundamental de una realidad. A este tipo se le suele llamar modelo verbal.
En otros modelos usamos diagramas en los que se dibujan de una forma simplificada los componentes del sistema señalando con flechas las acciones de unos sobre otros. Son modelos gráficos. Algunos pueden ser muy esquemáticos, pero cuando en cada flecha se indica el tipo de acción que tiene lugar y se señalan diferentes comportamientos y tipos de interacción, pueden llegar a ser muy complicados. Las ventajas de un modelo gráfico pueden ser:
- Todos los rasgos esenciales están expuestos. La estructura y el contenido del modelo son percibidos con claridad y precisión.
- El modelo no requiere ser memorizado y puede replicarse fácilmente cuando es necesario utilizarlo. Es una manera muy fácil y rápida de transferir a otras personas ideas y conceptos
En los modelos numéricos se usan magnitudes y ecuaciones matemáticas para describir con exactitud los distintos componentes del sistema y las relaciones entre ellos.
El desarrollo de las computadoras ha hecho posible manejar una gran cantidad de datos y por eso ahora se usan, cada vez más, modelos computacionales, en los que con programas computacionales se imita el funcionamiento de sistemas complejos. Este tipo de modelos son los más perfeccionados y han permitido simular relativamente bien, procesos muy complicados como el funcionamiento de la atmósfera o las fluctuaciones de las poblaciones de peces, entre otros muchos. Gracias a ellos se han logrado grandes avances como, por ejemplo, predicciones fiables del clima.
Relación entre modelo y sistema
Con modelos podemos representar sistemas, es por eso que en muchas ocasiones suelen usarse como sinónimos. En este caso cuando hablamos de sistemas estamos refiriéndonos entonces también a los modelos que los representan.
Modelos naturales y artificiales
Un sistema es natural cuando existe naturalmente sin que en su origen intervenga la mano del hombre. El sistema solar es un modelo de un sistema natural, así como la sabana es un sistema ecológico.
Un sistema es artificial cuando interviene en él la mano del hombre. Un coche, por ejemplo, es un sistema artificial así como también lo es una computadora o una planta de producción de aluminio.
Modelos analógicos y digitales
La diferencia básica entre los modelos digitales y los modelos analógicos reside en que los primeros están codificados en cifras, lo que permite su tratamiento por medios informáticos. Para llegar a la elaboración de los modelos digitales es necesario, por tanto, efectuar un proceso de codificación de la información, muchas veces originadas de un modelo analógico, que permite una representación virtual en forma de cifras; este proceso es conocido como discretización.
Las relaciones espaciales o las características que se desean representar se traducen a diferentes tipos de estructuras numéricas (vectores, matrices, conjuntos, etc.) o a expresiones matemáticas.
Modelos Híbridos
Si bien existen muchas formas de describir diferentes subsistemas por separado que están relacionados, se necesita un modelo único para poder comprender las relaciones causa-efecto de manera total y optimizar el diseño del proceso o sistema en forma global que se quiera estudiar.
Los sistemas híbridos surgieron como una respuesta a la necesidad de integrar los modelos dinámicos de subsistemas de diferentes naturalezas. Un sistema híbrido es aquél donde existen varios modos de operación, de dinámica continua en el tiempo, y transiciones entre dichos modos, que ocurren en ciertos instantes, bajo ciertas condiciones. Estas transiciones son descritas a través de modelos dinámicos de tipo discreto. En pocas palabras, los sistemas híbridos integran dinámicas continuas y discretas.
Por ejemplo, en un proceso de fabricación podría encontrarse un robot con diversos tiempos de ejecución para trayectorias distintas, que transporta una pieza que en la etapa siguiente será sometida a un proceso químico o térmico. Luego, la pieza será sometida a un proceso de acabado; posteriormente, será montada en otra pieza que proviene de un proceso de inyección de plástico con el que debe sincronizarse; y así sucesivamente. Los procesos pueden ser modelados por ecuaciones que describen su dinámica en forma continua en el tiempo y son iniciados por ciertos eventos o condiciones, como cuando la pieza alcanza ciertas especificaciones o llega a cierta posición en el espacio de trabajo, entre otras posibilidades.
En un proceso como el anterior, puede ser de interés controlar una variable común a todos los subsistemas, como el consumo de energía o el tiempo total empleado en la fabricación del producto. Para ello, se necesita disponer de un modelo único donde se consideren tanto los modelos de los subsistemas como sus interacciones. Obtener un modelo relativamente simple de la dinámica del sistema completo puede ser una tarea ardua y es en este punto donde los modelos híbridos son de gran utilidad.
Modelo Matemático
Un modelo matemático es un tipo de modelo científico que utiliza algún formulismo matemático para expresar relaciones, proposiciones sustantivas de hechos, variables, parámetros, entidades y relaciones entre variables y/o entidades u operaciones. Estos modelos se utilizan para analizar los comportamientos de sistemas complejos ante situaciones que resultan difíciles de observar en la realidad.
Los modelos matemáticos pueden dividirse en deterministas (no hay incertidumbre respecto a la forma del resultado y los datos utilizados son completamente conocidos y determinados) y estocásticos (son modelos probabilísticos, ya que no se conoce el resultado esperado sino su probabilidad).
Utilidad y limitaciones de los modelos
Un buen modelo permite predecir situaciones futuras porque como imita la realidad da la posibilidad de adelantarse al presente y situarse en lo que vendrá.
Otra ventaja de los modelos es que permiten hacer "experimentos" que nunca serían posibles en la realidad. Por ejemplo, si se dispone de un buen modelo del funcionamiento de la atmósfera se podrá predecir qué pasaría si se aumenta la concentración de un gas, por ejemplo del CO2, y ver cómo variará la temperatura.
La limitación obvia es que un modelo imita, pero no es, la realidad. Por muy bueno que sea siempre está lejos de la complejidad del proceso natural. Así se ha comprobado que la complejidad y la aleatoriedad de los procesos climáticos es tan grande que, a pesar de haberse empleado las mayores supercomputadoras y los más sofisticados modelos computacionales, no se ha logrado predecir el tiempo con fiabilidad para periodos mayores de 24 horas.