9. Экспериментальные исследования
Experimentum (лат.) – проба, опыт. В соответствии с установленной терминологией, эксперимент – это система операций, воздействий и (или) наблюдений, направленных на получение информации об объекте исследований.
Опыт – это воспроизведение исследуемого явления в определенных условиях проведения эксперимента при возможности регистрации его результатов. При проведении исследований под экспериментом понимается научная постановка опытов и наблюдение исследуемого явления (объекта) в точно учитываемых условиях, позволяющих следить за ходом явления (объектом) и воссоздавать его каждый раз при повторении этих условий.
Качественный эксперимент устанавливает только сам факт существования какого-либо явления, но не дает никаких количественных характеристик явления (объекта исследований).
Количественный эксперимент не только фиксирует факт существования того или иного явления, но и позволяет установить соотношения между количественными характеристиками явления и способами (факторами) внешнего воздействия на объект исследований (явление).
Фактор – это переменная величина, влияющая на результаты эксперимента. Уровень фактора – фиксированное значение фактора относительно начала отсчета. Факторы могут быть:
1) контролируемые и управляемые, которые можно не только зарегистрировать, но и задать в каждом опыте на требуемом уровне;
2) контролируемые, но неуправляемые, которые можно только регистрировать, но не изменять;
3) неконтролируемые, которые не регистрируются и о которых экспериментатор может даже не знать. Неконтролируемые факторы вносят в результаты эксперимента элемент неожиданности (отклик), т.е. отклик – наблюдаемая случайная величина, предположительно зависящая от факторов.
Цель количественного эксперимента – по его результатам найти функцию отклика, т.е. зависимость отклика от факторов. Если отклик задан таким параметром распределения, как математическое ожидание, то функция отклика – это зависимость математического ожидания от факторов.
Активный эксперимент проводится при контроле входа и выхода исследуемой системы с управлением входными сигналами со стороны экспериментатора, т.е. экспериментатор не только контролирует, но и управляет экспериментом, изменяя уровень факторов. Для этого должен быть разработан план проведения эксперимента.
При пассивном эксперименте контролируется вход и выход исследуемой системы без вмешательства экспериментатора. Планирование пассивного эксперимента сводится к определению количества опытов, которое необходимо для решения задачи и надежного получения функции отклика.
Лабораторный эксперимент проводится на образцах и моделях исследуемого объекта или процесса (модельный эксперимент). Он позволяет проводить опыты в более «стерильных» условиях и с более широким диапазоном изменения факторов.
Натурный или промышленный эксперимент проводится в естественных условиях и на реальных объектах для типичных условий работы объекта (или процесса). При этом резко возрастает число случайных неконтролируемых факторов, увеличивается ненадежность, требуется увеличение числа опытов и применение статистических методов обработки их результатов. Проведение натурного эксперимента не всегда возможно, занимает много времени и, как правило, обходится дорого.
План эксперимента – это совокупность данных, определяющих число, условия и порядок реализации опытов.
Планирование эксперимента – выбор плана эксперимента, удовлетворяющего поставленным требованиям, к которым можно отнести степень точности и надежности результатов, сроки и средства.
Однофакторный эксперимент предполагает выделение нужных факторов, стабилизацию прочих факторов на выбранных уровнях, варьирование выбранными факторами и нахождение зависимости исследуемой величины только от одного фактора. При изучении многофакторных систем не учитывается взаимовлияние факторов, полученные частные зависимости трудно объединить в общую зависимость, которая бы адекватно отражала систему.
Стратегия многофакторного эксперимента состоит в том, что варьируются все выбранные переменные сразу, и каждый эффект оценивается по результатам всех опытов, проведенных в данной серии экспериментов.
Технологический эксперимент – это эксперимент, направленный на изучение технологического процесса в целом или его элементов. Для проведения эксперимента необходимо:
разработать гипотезу, подлежащую проверке;
создать программы экспериментальных работ;
определить способы и приемы вмешательства в объект исследований;
обеспечить условия для осуществления процедуры экспериментальных работ;
разработать пути и приемы фиксирования хода экспериментальных работ;
подготовить средства эксперимента (установки, модели, приборы и т.п.);
обеспечить эксперимент необходимым техническим персоналом.
В зависимости от глубины предварительной теоретической проработки возможны 3 случая проведения эксперимента:
1)
Для экспериментального подтверждения
теоретически полученной
аналитической
зависимости (например,
).
Теоретическим путем установлен только характер зависимости, т.е. задано семейство кривых (например,
),
и необходимо определить коэффициенты
a
и
k.
В
этом
случае объем экспериментов возрастает.Теоретически не удалось получить каких-либо зависимостей, выдвинуты лишь предположения о качественных закономерностях процесса. В этом случае целесообразно провести поисковый эксперимент, объем которого резко возрастает.
Аристотель и его последователи считали, что для установления истины и ее обоснования достаточно логических рассуждений. Эксперимент является лишним и недостойным для настоящего ученого занятием. Современник Галилея Кеплер путем обработки результатов многочисленных экспериментальных наблюдений датского атсронома Тихо Браге открыл, что планеты движутся по эллипсам.. Это стало основой нового теоретического направления в астрономии, в основе которого лежал эксперимент. Галилей придерживался другого принципа. Он считал, что вначале необходимо построить теорию и установить закон из общих соображений, а затем проверить и подтвердить его экспериментально До Галилея так никто не поступал, но потом для установления научных истин такой порядок исследований стал одним из основных.
«Измерять, что измеримо, делать измеримым то, что не измеримо»
(Г.Галилей)
Один из основоположников и теоретиков ядерной физики Н.Бор считал эксперимент неотъемлемой частью научных исследований. Он писал:
«Опасно углубляться в теорию, лежащую за пределами возможности эксперимента. Сколь бы ни были привлекательны абстракции, они должны иметь под собой экспериментальную основу».
В современном машиностроении эксперимент является основой научных исследований.