Лекция №1
Понятие об исследовательском эксперименте.
Классификация экспериментальных методов.
Центральной задачей современного этапа развитие экономики нашей страны является повышение производительности труда и обеспечение конкурентоспособности выпускаемой продукции. Одно из важнейших направлений решения этой задачи состоит в повышении эффективности научно-исследовательских работ и ускорении реализации их результатов в народном хозяйстве.
В первую очередь это относится к прикладным научно-исследовательским и опытно-конструкторским работам, которые часто проводятся не только в исследовательских институтах, но и конструкторских бюро и на производстве. Целью научных исследований в области техники является выявление объективных закономерностей определяющих протекание рабочих процессов в машинах и аппаратах, изучение физико-химических явлений из которых состоят эти процессы для эффективного использования полученных результатов при разработке конструкций с оптимальными характеристиками или создании материалов с заданными свойствами.
Различают теоретические и экспериментальные исследования. Это деление в значительной мере условно, так как в большинстве теоретических исследований привлекаются экспериментальные результаты, а при постановке задачи и далее при обобщении результатов экспериментальных исследований используются теоретические концепции.
Результаты теоретического исследования обладают большей общностью, чем закономерности выявленные экспериментально. При теоретическом исследовании изучается не само явление, а его математическая модель, которая с той или иной степенью полноты отражает изучаемое явление. Чем полнее описывает модель изучаемое явление, тем она сложнее, и тем труднее решить уравнения, её отражающие. Поэтому для расширения круга доступных для теоретического решения задач часто используются упрощенные математические модели. При этом одновременно сужается область возможного использования результатов исследования.
Классический путь теоретического исследования физического явления состоит в том, что в результате наблюдений и гипотез, построенных на их основе, устанавливаются основные законы, управляющие явлением. При этом используются известные к настоящему времени законы, например, законы сохранения массы, энергии и т.п. Составляется система уравнений, описывающая изучаемое явление, устанавливаются важные для изучаемого явления краевые условия (физические свойства тел, форма системы, в которой протекает явление, особенности протекания процессов на границах, начальное состояние системы).
Система составленных дифференциальных уравнений вместе с краевыми условиями представляет собой математическую формулировку задачи или математическую модель, которая подвергается теоретическому исследованию. В случаях, когда математическая модель оказывается не замкнутой, используют дополнительные гипотезы или выявленные опытным путем связи.
Трудности математического характера часто ограничивают возможность аналитического решения, и многие физические задачи, имеющие математическую формулировку, пока не решены.
Возможен и другой путь решения систем дифференциальных уравнений – численный метод. Численное решение систем дифференциальных уравнений выполняют с помощью ЭВМ. В некоторых случаях оказывается достаточным использование персональных компьютеров; в сложных - используются большие ЭВМ. При численном решении краевые условия задаются не символами и уравнениями, а в виде конкретных чисел. Поэтому численное решение математической модели описывает только одно из многих состояний системы при конкретно заданных условиях. Изменяя численное значение параметров входящих в граничные условия можно выявить влияние различных факторов на изучаемое явление. Этот путь решения также относится к категории теоретического исследования, хотя и называется математическим экспериментом.
Для исследования физических явлений применяется также метод аналогий. В природе существуют явления, имеющие разную физическую природу, но одинаковое математическое описание. Такие явления называют аналогичными. Примером аналогичных явлений являются, в частности, процессы передачи тепла и электричества в твердых телах. Существует аналогия и между другими физическими явлениями, но наиболее широко используется аналогия с электрическими явлениями, так как она позволяет достаточно просто с помощью аналоговых устройств или машин с электрическими схемами получить информацию об исследуемом физическом явлении. В этом методе математические уравнения, описывающие исследуемое явление, решаются с помощью электрических моделей.
При использовании метода аналогий, также как и при численном методе решения задач, удается получить только дискретную информацию об исследуемом явлении.
В отличие от описанных выше методов экспериментальное исследование заключается в осуществлении системы операций, направленных на получение информации путем наблюдения непосредственно за исследуемым объектом (явлением).
В данном случае эксперимент, называемый также натуральным экспериментом, осуществляется на специально созданной для этих целей экспериментальной установке, рабочий участок которой устроен так, чтобы было возможным легко изменять и измерять важные для изучаемого процесса параметры. Иногда в качестве рабочего участка используется элемент машины или сама машина. Эксперимент, выполняемый на полноразмерной машине или её полноразмерных элементах, называется натурным. Эксперимент, в котором в качестве объекта исследования используется модель машины или ее элемента, называют модельным экспериментом.
В зависимости от природы изучаемого явления или группы явлений различают физический, физико-технический, физико-химический, химический и другие виды экспериментов.
В зависимости от характера воздействия на объект исследования различают активный и пассивный эксперимент. Активным называется эксперимент, в котором условия проведения опытов задаются исследователем. Эксперимент, в котором условия каждого опыта регистрируются исследователем, но не задаются им, называется пассивным.
Различают также статический и динамический эксперименты, в которых наблюдения осуществляются за объектом, находящемся соответственно в установившемся (стационарном) или изменяющемся (динамическом) режимах.
При экспериментальном исследовании выявляется зависимость параметров исследуемого явления от многих факторов. При достаточно широком диапазоне изменения этих факторов возникает необходимость проведения большого числа опытов при различном сочетании этих факторов. Математические методы планирования и анализа эксперимента позволяют выбрать для исследования минимальное число режимов, обеспечивающих получение надежной информации об изучаемом явлении. Использование ЭВМ при подготовке и проведении экспериментов, а также при обработке и обобщении их результатов способствует повышению труда исследователей.
На основе ЭВМ создаются автоматизированные системы поиска и обработки научной информации, ставятся теоретические исследования с численным решением систем уравнений, они используются для планирования экспериментов, обработки опытных данных, а также автоматизации экспериментальных исследований.
Процесс экспериментального исследования может быть подразделен на ряд этапов.
1. Постановка задачи. Данный этап предшествует непосредственному исследованию и выполняется на основе поиска, анализа и систематизации информации об объекте исследования.
2. Разработка исходных представлений и путей решения задачи. На этом этапе формируются исходные гипотезы и модельные представления об изучаемом явлении, конкретизируется программа исследования, выбираются технические средства, оборудование и методы измерений.
3. Создание экспериментальной установки. На этом этапе проектируется экспериментальная установка, осуществляется монтаж и наладка экспериментального оборудования и производится калибровка средств измерений.
4. Планирование и реализация экспериментальных работ. В ходе выполнения этого этапа осуществляется сбор, выбраковка, накопление, обработка, обобщение и отображение получаемой информации.
5. Анализ полученных результатов исследования. На этом этапе по завершении эксперимента и обработки полученных данных осуществляется проверка соответствия их исходным гипотезам и представлениям. Эти гипотезы могут уточняться или пересматриваться заново. При необходимости проводятся дополнительные серии экспериментов.
6. Оформление результатов работ. Экспериментальные исследования завершаются установлением новых законов и закономерностей, определяющих исследуемое явление, разработкой его теории и методов расчета. Эти результаты оформляются, как правило, в виде заключительного научно-технического отчета.