2.2. Методы познания, теоретических и экспериментальных исследований

Наблюдение – это способ познания объективного мира, основанный на непосредственном восприятии предметов и явлений при помощи органов чувств без вмешательства в процесс со стороны исследователя.

Сравнение – процесс установления различия между объектами материального мира или нахождение в них общего, осуществляемый как при помощи органов чувств, так и с помощью специальных устройств.

Счет – это процесс нахождения числа, определяющего количественное соотношение однотипных объектов или их параметров, характеризующих те или иные свойства.

Измерение – это физический процесс определения численного значения некоторой величины путем сравнения ее с другой величиной того же рода, называемой единицей измерения или эталоном. Измерение осуществляется с помощью специальных технических средств. Результаты измерения выражаются числом, показывающим отношение измеряемой величины к единице измерения. Эта единица должна быть четко определенной и неизменной величиной.

Величины, численное значение которых зависит от системы единиц измерения, называются размерными. Величины, численное значение которых не зависит от применяемой системы единиц измерения, называются безразмерными (отвлеченными величинами).

Единицы измерения физических величин являются условно принятыми величинами, используемыми для количественной оценки физических объектов или явлений (процессов). Согласно Единой международной системе единиц (СИ – от англ. System International) установлены основные, дополнительные и производные единицы.

Размерность – это выражение производных единиц измерения через основные единицы измерения, а формула размерности – это зависимость единицы измерения производной величины от единиц измерения основных величин.

Основными единицами Единой международной системы единиц (СИ) являются: масса, время, длина, температура, сила тока, сила света, количество вещества. Дополнительными единицами являются плоский угол и телесный угол (табл.1).

Таблица 1

Единицы измерений Единой международной системы (СИ)

Величина	Единица
	Наименование	Обозначение
		русское		между-народное
длина	метр	м		m		основные единицы
масса	килограмм	кг		kg
время	секунда	с		s
температура	кельвин	К		K
сила тока	ампер	А		А
сила света	кандела	кд		cd
количество вещества	моль	моль		mol
плоский угол	радиан	рад.		rad		дополнительные единицы
телесный угол	стерадиан	ср.		sr
Некоторые производные единицы						Выражение через основные единицы (СИ)
площадь			м2		m2		м2
объем; вместимость			м3		m3		м3
скорость			м/с		m/S		м/с
ускорение			м/с2		m/S2		м/с2
угловая скорость			рад/с		rad/S		рад/с
угловое ускорение			рад/с2		rad/S2		рад/с2
частота периодического процесса	герц		Гц		Hz		1/с
частота вращения			1/с		1/S		1/с
плотность			кг/м3		kg/m3		кг/м3
удельный объем			м3/кг		m3/kg		м3/кг
сила, вес	ньютон		Н		N		мкг/с2
удельный вес			Н/м3		N/m3		кг/м2с2
момент силы			Нм		Nm		м2кг/с2
давление, механическое напряжение	паскаль		Па		Pa		кг/мс2
работа, энергия, количество теплоты	джоуль		Дж		J		м2кг/с2
мощность, поток энергии, тепловой поток	ватт		Вт		W		м2кг/с3
теплоемкость			Дж/К		J/K		м2кг/с3К
теплопроводность			Вт/мК		W/mK		мкг/с3К
температуропроводность			м2/с		m2/S		м2/с
температурный коэффициент линейного и объемного расширения			1/К		1/K		1/К

Единица массы – килограмм – масса, равная международному эталону килограмма, в качестве которого принята масса цилиндра диаметром 39 мм и длиной 39 мм из 90% платины и 10% иридия.

Единица длины – метр – расстояние, которое проходит свет в вакууме за 1/С долю секунды (где С = 299792458±1,2 м/с – скорость света в вакууме).

Единица времени – секунда (от лат. secunda divisio – второе деление, первоначально градуса, а затем и часа) – промежуток времени, в течение которого совершается 9192631770 колебаний, соответствующих резонансной частоте энергетического перехода между уровнями сверхтонкой структуры основного состояния атома цезия 133 (¹³³Cs). Эта секунда называется атомной, а время – автомным временем (АТ), основанным на квантовых стандартах частоты.

Другими словами, за атомную секунду цезиевый генератор совершает число периодов колебаний, равное его частоте, составляющей 9192631770 Гц (≈9,2 ГГц). Погрешность атомных часов (уход) составляет 0,01 секунды за 1000 лет.

Длина и время связаны единым эталоном «время-частота-длина» (ВЧД), основанном на соотношении , где – частота волны высокостабилизированного лазера, – длина волны.

Первые маятниковые часы Гюйгенса появились после разработки Галилеем теории колебаний маятника. В кварцевых часах роль маятника выполняет кварцевая пластина, колеблющаяся под действием тока (пьезоэффект).

Единица термодинамической температуры – кельвин – это 1/273,16 часть термодинамической температуры тройной точки воды. Для измерения температуры допускается также применение шкалы Цельсия.

Угловые единицы по существу являются величинами безразмерными, но условно их считают размерными (радианы, стерадианы).

Эксперимент (от лат. experimentum – проба, опыт) – одна из сфер человеческой практики, в которой подвергаются проверке истинность выдвигаемых гипотез или выявляются закономерности объективного мира.

Обобщение – определение общего понятия, в котором находит отражение главное, основное, характеризующее объекты или явления данного класса. Это средство для образования новых научных понятий, формулирования законов или теорий.

Абстрагирование (от лат. abstractio – отвлечение) – это мысленное отвлечение от несущественных свойств, связей, отношений предметов и выделение только сторон, интересующих исследователей, без рассмотрения явлений, не относящихся к предмету изучения. Например, статика, кинематика и динамика изучают разные стороны и законы теоретической механики.

Идеализация – мысленное конструирование объектов или явлений, которые в действительности не существуют, но обладают главными общими свойствами с реальными объектами или явлениями (идеальный газ, изотропные, гомогенные твердые тела и т.п.). Абстрагирование и идеализация взаимосвязаны.

Формализация – отображение объекта или явления в знаковой форме какого-либо искусственного языка, обеспечивающее возможность исследования реальных объектов, явлений и их свойств через формальное исследование знаков.

Анализ (от греч. análysis – разложение, расчленение) – метод изучения при помощи расчленения или разложения предметов исследования (объектов, свойств и др.). Анализ – основа аналитического исследования.

Синтез (от греч. synthesis – соединение, сочетание) – соединение отдельных сторон предмета исследования в единое целое. Анализ и синтез взаимосвязаны.

Системный анализ – это анализ на основе системного подхода, в основе которого лежит исследование объектов и процессов как системы.

С позиций системотехнического подхода к научным исследованиям система – это развивающееся во времени упорядоченное множество элементов, отвечающее требованиям целевой функции. Для исследования системы используют структурный, функциональный и синэргетический подходы. Входными переменными любой системы являются материя, энергия и информация. Выходными показателями системы являются результаты ее деятельности, которые могут быть оценены различными критериями: экономическими, техническими, аксиологическими (эстетика, дизайн, гармония, этические ценности и т.п.). Параметры (критерии) оценки должны быть качественно определены и измерены количественно.

По ожидаемым результатам функциорирования систем они могут быть самоорганизующимися и организуемые человеком с определенной целью. Структура системы должна обеспечивать достижение цели определенным процессом, который должен быть управляемым. Для изучения и управления развитием системы используют ее моделирование, т.е. замену реальной системы ее аналогом с целью последующего исследования системы на модели.

В более узком смысле под системой понимается объект или процесс любой природы, а также совокупность взаимодействующих объектов или процессов любой, в том числе разной природы, обладающие выраженными «системными» свойствами, т.е. свойствами, которых не имеет ни одна из его составных частей при любом способе членения и не выводимых из свойств частей. Части системы, имеющие аналогичные свойства, называются подсистемами.

Элементом системы (подсистемы) является объект (часть системы или подсистемы) с однозначно определенными, известными свойствами, не допускающий дальнейшего членения.

Понятие «системные свойства» можно проиллюстрировать на примере понятия «надежность машины», которая определяется не только свойствами элементов системы (деталей машины), но и конструкцией всей машины, ее компоновкой. Машина неудачной конструкции будет ненадежной даже при высоком качестве и надежности ее элементов. Это же относится к зданиям, сооружениям и т.п.

Системный анализ состоит из четырех основных этапов:

1. постановки задачи (определяется объект, цели и задачи исследования, критерии для оценки и управления объектом);

2. очерчивания границы изучаемой системы и определения ее структуры (объекты и процессы, имеющие отношение к поставленной цели, разделяются на собственно изучаемую систему и внешнюю среду);

3. составления математической модели рассматриваемой системы;

4. анализа полученной математической модели, определения ее экстремальных условий с целью оптимизации и формулирования выводов.

Аналогия (от греч. analogia – сходство, соответствие) – метод научного познания о предметах и явлениях на основе того, что они имеют сходство с другими предметами или явлениями. Степень вероятности (достоверности) умозаключений по аналогии зависит от количества сходных признаков и сравниваемых объектов (предметов или явлений). Аналогия тесно связана с моделированием и модельным экспериментом.

Гипотетический метод познания – это метод разработки научной теории на основе выдвинутой гипотезы и изучения физической, химической и другой сущности исследуемого объекта (явления) с помощью способов познания.

Аксиоматический метод – метод построения научной теории, при котором некоторые утверждения (аксиомы) принимаются без доказательств и затем используются для получения остальных знаний по определенным логическим правилам.

Творчество – это мышление в его высшей форме, выходящее за пределы известного, а также деятельность, порождающая нечто качественно новое. Наиболее важным для творчества видом мышления является воображение, которое может быть логическим, критическим, творческим. Творческая личность обладает рядом особенностей и, прежде всего, широким воображением, а также умением сосредоточить внимание и долго удерживать его на решаемой проблеме. Психологическая инерция мышления – противоположность творческому воображению.

А.Эйнштейн на вопрос о том, как делаются открытия, в шутку отвечал, что это делается очень просто. Специалисты знают, что в соответствии с известными законами этого явления не может быть. Но находится «невежда», который этих законов не знает и делает открытие. В этой шутке заложен глубокий смысл. Специалисты в своей области, как правило, мыслят инерционно и новые задачи пытаются решать старыми, традиционными методами. На «неспециалиста» инерция мышления не давит, и он решает задачи оригинально.