4.3. Соотношение теоретического и эмпирического знания в авиационном материаловедении, основные методологические проблемы

При всём своём различии, теоретический и эмпирический уровни познания взаимосвязаны, граница между ними условна и подвижна. Эмпирическое исследование, выявляя с помощью наблюдений и экспериментов новые данные, стимулирует теоретическое познание (которое их обобщает и объясняет), ставит перед ним новые, более сложные задачи. С другой стороны, теоретическое познание, развивая и конкретизируя на базе эмпирии новое собственное содержание, открывает новые, более широкие горизонты для эмпирического познания, ориентирует и направляет его в поисках новых фактов, способствует совершенствованию его методов и средств.

В авиационном материаловедении, как и в других технических науках, основная проблема заключается в том, что объект исследования реален, и не поддаётся идеализации, что существенно затрудняет выявление сущности изучаемого объекта. Естественнонаучная база, на которой держится авиационное материаловедение, не помогает разрешить эту проблему, так как теоретические знания, содержащиеся в этой базе – это идеализации, абстрактные формы и формализации. Они раскрывают сущностные взаимосвязи только в тех объектах, которые изучались в рамках этих естественных наук. А, как известно, эти объекты идеальны, то есть, упрощены таким образом, что позволяет провести их формализацию математическим языком. Во многих технических науках, в том числе и в рассматриваемой, это недопустимо, поскольку такая идеализация может привести к ошибке в расчётах и неточностям при прогнозировании свойств. Задача формализации и математического описания реальных объектов, изучаемых в технических науках, непомерно сложна для человека с точки зрения математики. А во многих случаях, поставленные задачи неразрешимы в пределах классического математического анализа.

Сначала эту проблему решали элементарным накоплением эмпирических данных. Для прогнозирования свойств новых материалов, их расчётов и проектирования использовались эмпирические зависимости. Для выявления этих зависимостей использовалась такая наука, как статистика, в то время ещё молодая (60-70е гг.). Она позволяла собирать и систематизировать полученные в экспериментах данные, обобщать их и выявлять в них математические зависимости. Эти зависимости, конечно, не могли претендовать на выявление сущности, однако они предоставляли в той или иной мере достоверности необходимую информацию о связи между структурой материала и их свойствами, а самое главное, эта информация была проверенной экспериментом, и соответственно, была незаменимой на практике. Даже сейчас, когда существуют теоретические методики решения подобных задач, эмпирические данные пользуются в технических науках большим доверием.

Однако, как уже говорилось выше, эмпирическое и теоретическое познание взаимосвязаны, поэтому накопление большого объёма экспериментальных данных в материаловедении давало большую пищу для лучших умов этой науки. Научный интерес у исследователя всегда преобладал над прикладной подоплёкой знания, поэтому вопрос о природе выявленных закономерностей становился всё более острым.

Первой на помощь исследователям пришла тоже молодая тогда наука – численные методы. Она не только удачно дополняла математический аппарат статистики в области прогнозирования, но позволяла численно решать математические задачи, слишком сложные или не разрешимые для математического анализа. Кроме того, с бурным развитием вычислительной техники основы численных методов воплотились в вычислительных алгоритмах для ЭВМ, которые впоследствии развились до целых программно-вычислительных комплексов. Они позволяли в течении нескольких часов решать задачи, на ручное решение которым могли уйти месяцы или даже годы.

В дальнейшем учёным удалось успешно идеализировать реальные объекты исследования. В этом им помогла системотехника или теория систем – наука, которая продолжает развиваться и сейчас. Основная идея заключалась в следующем: любой реальный объект можно представить в виде совокупности идеальных объектов одинаковой или различной природы. Таким образом, получалась система из идеализированных объектов – модель. Задача сводилась к тому, чтобы правильно в рамках сформулированных гипотез построить разбиение на идеальные объекты и составить формализованные описания взаимосвязей между ними. Формализация заключалась в построении различных схем (структурных, функциональных, поточных) и их математическое описание.

Ввиду своей сложности, такие модели рассчитываются на ЭВМ. Самым популярным методом, который также широко применяется и в авиационном материаловедении, является метод моделирования конечными элементами. Этот метод с успехом применяется во всех технических науках, где приходится работать с процессами, протекающими в различных сплошных средах - металлах, газах, жидкостях и т.д.

На современном этапе появилось такое понятие, как вычислительный эксперимент, то есть эксперимент, который проводится с виртуальным объектом – составленной моделью изучаемого объекта в ЭВМ. Порой накоплению эмпирических данных в условиях современной экономической действительности мешает высокая стоимость большого количества материальных экспериментов. Экспериментальная статистика в этом случае накапливается путём многочисленного решения задачи моделирования изучаемых процессов и явлений. В этом случае возникает вопрос, к какому типу познания можно отнести вычислительный эксперимент. С одной стороны, это эксперимент, несмотря на то, что проводится он с виртуальной системой идеализированных объектов. И данные, которые получаются в ходе такого эксперимента, не претендуют на стопроцентную достоверность, поскольку достоверность в этом случае сильно зависит от достоверности построенной модели относительно реального изучаемого объекта. С другой стороны, используется широкий теоретический аппарат, как в ходе построения модели, так и в ходе её расчётов на ЭВМ. Ведь сама модель – это совокупность идеализаций, а связи между ними подчинены строгой формализации.

Таким образом, становлению авиационного материаловедения как науки поспособствовала практическая необходимость накопления большого количества эмпирических знаний. Как и в любой науке, эмпирическое всегда стимулирует теоретическое, что произошло и в авиационном материаловедении. Такой же путь прошли и проходят сейчас практически все технические науки. На данном этапе развитию авиационного материаловедения способствует необходимость создания всё более совершенных материалов для авиации, лёгких, прочных и надёжных. Решение этих задач приводит к накоплению знаний, которые впоследствии могут быть применены не только в материаловедении, но и в других науках, даже не связанных с техникой. Например, расширение познаний о строении вещества и свойствах различных материалов и твёрдых тел, полученных в ходе изысканий материаловедов, могут с успехом применяться геологами и при изучении и прогнозировании свойств почв, моделировании геологических и тектонических процессов.