8. Теоретические исследования

Решение поставленных задач может начинаться как с теоретических, так и с экспериментальных исследований. Если достаточной информации об объекте исследований нет, то, как правило, начинают с экспериментального исследования. После накопления необходимых данных переходят к теоретическим исследованиям.

Целью теоретических исследований является:

1. выделение в процессе синтеза знаний существенных связей между исследуемым объектом и окружающей средой;

2. обобщение и объяснение результатов экспериментальных исследований;

3. выявление общих закономерностей и их формализация.

Задачи теоретических исследований состоят:

1. в обобщении результатов, нахождении общих закономерностей путем обработки и интерпретации опытных данных;

2. в распространения результатов исследований на ряд подобных объектов без повторения всего объема исследований;

3. в изучении объекта, недоступного для непосредственного исследования;

4. в повышении надежности экспериментального исследования объекта (обоснование параметров и условий наблюдений, точности измерений).

Теоретические исследования завершаются формулированием теории как в виде качественных правил, так и в виде математических соотношений (уравнений).

Теория (от лат. theoreo – рассматриваю) – комплекс взглядов, представлений, идей, направленных на истолкование и объяснение какого-либо явления.

В технологии машиностроения теоретические исследования часто направлены на установление связей, соотношений между режимными параметрами технологического процесса и его выходными показателями (точностью, состоянием поверхностного слоя, производительностью). Например, используя метод размерного анализа, проводится комплекс теоретических исследований, включающих переход от заданных технических требований к исходным звеньям размерной цепи, изучение их взаимосвязей, исследование перераспределения и накопления погрешностей и т.п.

При проведении теоретических исследований широко используется метод расчленения и метод объединения элементов исследуемой системы. Метод расчленения был предложен еще Р.Декартом, французским философом и математиком (Renatus Cartesius 1596-1650гг.). В работе «Правила для руководства ума» он писал: «Освободите вопрос от всех излишних представлений и сведите его к простейшим элементам». Суть метода расчленения И.В.Гете хорошо выразил в таком ироническом четверостишьи:

«Живой предмет желая изучить,

Чтоб ясное о нем познанье получить,

Ученый прежде душу изгоняет,

Затем предмет на части разделяет».

В процессе расчленения выделяются существенные и несущественные параметры, основные элементы и связи между ними. После расчленения объекта изучается вид взаимосвязей элементов и осуществляется моделирование этих элементов. Потом элементы объединяются в сложную модель объекта. На всех этапах вводятся определенные допущения и упрощения (например, гомогенность и изотропность материала). Они должны быть осознанными и обоснованными.

Метод объединения и комплексный подход к изучению объекта базируется на общей теории систем или «системологии», в основе которой лежат три постулата

1. Функционирование системы любой природы может быть описано на основе рассмотрения формальных структурно-функциональных связей между отдельными элементами системы.

2. Организация системы может быть определена на основе наблюдений, проведенных извне посредством фиксирования состояния только тех элементов системы, которые непосредственно взаимодействуют с ее окружением.

3. Организация системы полностью определяет ее функционирование и характер взаимодействия с окружающей средой.

Наиболее сложными теоретическими исследованиями являются исследования, направленные на вскрытие новых закономерностей. Теоретические исследования включают в себя:

• анализ физической сущности процессов и явлений;

• формулирование гипотезы исследования;

• построение (разработку) физической модели;

• проведение математического исследования;

• анализ теоретических решений;

• формулирование выводов.

Необходимость в гипотезах появляется тогда, когда требуется объяснить новые («странные») факты, которые не удается объяснить с помощью известных законов и теорий. Гипотезой пользуются как предварительным утверждением или предположением для объяснения фактов или для того, чтобы наметить путь исследований.

Пример. При проведении исследования путей управления точностью обработки заготовок на станках было установлено, что характеристики заготовок, а также режущие способности инструментов колеблются, что вызывает разброс размеров в партии обработанных деталей. Была высказана гипотеза, что если измерять и стабилизировать силу резания путем изменения подачи, то можно стабилизировать размер деталей в партии, повысить точность и производительность обработки. Эксперимент подтвердил эту гипотезу. Были созданы станки с адаптивным управлением по силе резания. При абразивной обработке (шлифовании) более эффективным оказалось управление по температуре или активной мощности шлифования.

По значимости уровень гипотез зависит от уровня решаемых задач (например, гипотезы о происхождении Вселенной, жизни на Земле и гипотезы о механизме износа режущего инструмента).

Требования к гипотезам

1. Исходным пунктом выдвижения гипотезы служат те или иные факты, в виде которых конкретная предметная область включается в научное исследование. Но

«Научная гипотеза всегда выходит за пределы фактов, послуживших основой для ее построения»

(В.И.Вернадский)

2. Гипотеза должна быть сформулирована в виде таких обобщений и утверждений, которые бы позволили по-новому логически рассуждать о предмете, не обращаясь после каждого шага рассуждений к экспериментальному материалу.

3. Гипотеза должна ориентировать на использование эмпирических методов познания или предполагать их.

В технических науках необходимо стремиться к математической формализации выдвинутых гипотез и выводов.

Гипотеза – это не любое предположение. Выдвигая гипотезу, необходимо помнить предостережение А.Лавуазье, что «гипотеза есть яд разумения и чума философии; можно делать только те заключения и построения, которые непосредственно вытекают из опыта».

Для обоснования гипотезы исследователь должен тщательно отбирать конкретные характеристики, связи, зависимости, взаимодействия, условия, которые возможно объяснить при помощи предполагаемых теорий или законов, выделить такие стороны в предмете, с которыми можно согласовать логические рассуждения, вводить такие понятия, термины и знаки, которые допускают эмпирическую интерпретацию.

При выдвижении гипотезы перед исследователем часто встает нелегкая задача: каким образом избежать ошибочных и принципиально, не допускающих подтверждения гипотез. Требуется серьезный анализ того, на чем базируется и что может дать данная гипотеза.

Пример. В свое время была выдвинута гипотеза, что главным видом износа металлического инструмента при обработке резанием является электродиффузионный износ. Было сформировано целое «научное» направление по исследованию этого явления, проводились научные конференции, защищались диссертации. Из-за методически неправильной постановки и проведения экспериментов, а также некорректной обработки их результатов делался вывод о «положительном» эффекте. На основании этого давались практические рекомендации: для повышения износостойкости инструмента необходимо устранить термотоки в звене «заготовка-инструмент», для чего разрабатывались и внедрялись конструкции склеенных инструментов. Последующие более глубокие физические исследования с оценкой результатов по энергетическим критериям и с применением критериев математической статистики не подтвердили эту гипотезу. Эффект электродиффузионного износа оказался незначимым в общем износе режущего инструмента. Научные исследования в этом направлении были прекращены.