Об общих методах экспериментальных исследований

Введение

Важность эксперимента в современной науке и механике не вызывает сомнения. Чтобы представить себе масштабы повседневной экспериментальной работы, достаточно к натурным исследованиям, проводимых в области фундаментальных наук и при проектировании новой техники, добавить испытания опытной и серийной продукции на тысячах заводах, опытных станциях и лабораториях.

Технический прогресс приводит не только к увеличению сложности объектов исследования, но и одновременно повышаются требования к глубине проникновения в сущность взаимодействия составных частей изучаемого явления. Приходится проводить испытания объектов, функционирование которых носит сложный динамический характер и подвергается существенному влиянию внешней среды. Кроме этого, повышается значение учета влияния экспериментального оборудования на результаты эксперимента. Поэтому основным принципом организации современного эксперимента является системный подход, предполагающий рассмотрение всех средств и условий эксперимента, как единой системы, описываемой единой математической моделью.

Математическая модель становится неотъемлемой частью эксперимента, без построения которой невозможно осуществить планирование этого эксперимента, его проведение и обработку результатов.

Если под экспериментом понимать общий процесс научного исследования и получения новых данных, то это – «искусство», которому можно научиться, но нельзя научить. В пользу такого утверждения говорит тот факт, что некоторые экспериментаторы, имея ограниченное количество иногда весьма недостоверных данных, делает новые важные открытия, в то время, как другие при очень подробных исследованиях упускают вполне очевидные факты. Искусству делать открытия научиться конечно нельзя, но можно и должно научиться искусству подготовке к открытиям, научиться исключать возможные случайные воздействия окружающей среды, планировать эксперименты, оценивать ошибки и представлять полученные данные в упорядоченном и наглядном виде.

Экспериментальные исследования могут проводиться: «в натуру» (натурный эксперимент), на моделях и аналогии. Наиболее важное значение, естественно, имеют опыты в натуру, так как изучаемые параметрами можно считать наиболее достоверными. Но опыты в натуру, как правило, сложны и требуют большой затраты труда, времени и средств. Кроме этого, такие опыты могут иногда приводить к непоправимым последствиям, если начинать исследования с натурных испытаний без предварительного исследования на моделях. Поэтому опыты на натурах обычно являются заключительным этапом во всем ряде расчетно-теоретических работ и опытов на моделях и аналогиях, которые предшествовали созданию объекта для натурных испытаний.

Экспериментальные методы используются не только для оценки моделей и проверки теорий, но и являются источником создания новых более точных теорий на основе явлений и фактов, обнаруживаемых опытным путем.

Метод аналогий применяется тогда, когда имеет место тождество дифференциальных уравнений начальных и граничных условий, описывающих натуральный объект и «аналогию». Кроме этого, требуется геометрическое кинематическое подобие (натура и модель геометрически подобны и одинаково ориентированы; проекции скоростей, и пр. на координатные оси пропорциональны). Но такое подобие достигается лишь при выполнении ряда допущений предположений, упрощающих изучаемое явление. Ясно, что полная аналогия существует у любого явления только с самим собой. Поэтому метод аналогий может дать лишь приближенные зависимости между характерными для данного явления параметрами.

Нужно всегда иметь в виду предположения, обосновывающие аналогию, так как они могут и не выполниться в частных случаях, что исключит аналогию.

Разнородные реальные технологические процессы и разнообразные инженерные проблемы исследуются, как правило, на базе модельных представлений, выбор которых осуществляется так, чтобы они наилучшим образом аппроксимировали объект изучения. Существуют различные способы выбора моделей, адекватных исследуемым механизмам и другим процессам и выработаны методы их математической формализации и реализации.

Существует много классификаций моделей. Наиболее удачной на наш взгляд является классификация, предложенная Я.З. Цыпкиным. Модели бывают детерминированными, стохастическими и адапционными.

Стохастические – учитывающие вероятностный характер процесса.

Адапционные – позволяющие определить характер процесса в условиях недостаточной априорной информации.

Опыты на моделях явлений наиболее широко применимый метод во всей экспериментальной практике естествознания. Такие опыты ставятся в условиях выполнения всех основных требований для эксперимента. В основу моделирования положены законы подобия (о нем будем говорить несколько позднее), по которым должно выполняться равенство характеристических чисел (Рейнольдса, Эйлера, Слихтера, Фруда, Прандтля, Маха и некоторых других). Забегая вперед, скажем, что все эти характеристические параметры выражают либо соотношения между различными силами, либо соотношения между скоростями и другими параметрами. Но и в этом случае всякое явление полностью может быть подобно лишь самому себе. Поэтому вводятся так называемые главные критерия подобия. Необходимо обеспечить равенство только этих главных критериев (в каждом конкретном случае они могут быть разными) для натуры и для модели. Второстепенные критерии могут быть разными.

Следовательно, и в этом методе вводятся приближения, которые могут иметь переменное значение и поэтому требуют постоянного к себе внимания; в частности, даже главные критерии могут меняться в одной и той же серии объектов.

Кроме того, характеристические критерии устанавливаются для модели, поэтому истинное число критериев может быть большим, чем казалось на первый взгляд. Такие явления, хотя и не часто, но встречаются в практике.

Далее независимо от того, какой из методов применяется перед экспериментом, ставятся разнообразные цели. При этом, хотя и признается, что только синтез теории и практики может привести к точному научному значению, все же опыту отводится роль конечного критерия. Итак, перед экспериментом могут ставиться три цели:

1. Проверка теории

2. Получение исходных данных для создания новых теорий

3. Получение из самого опыта характерных для данного явления соотношений между параметрами.

1. В том случае, когда проводится опытная проверка теории, необходимо обеспечить выполнение тех основных условий и допущений исходя из которых строилась теория. Только в этом случае можно рассчитывать на совпадение теоретических и опытных данных (пример течения в трубе Т = const, гравитации нет, магнитного поля нет, химии нет и т. д.).

Если в процессе опыта выясняется, что малые изменения некоторых параметров приводят к большим расхождениям с нормой, то устанавливаются границы применимости данной теории. Кроме этого появляется возможность наметить те изменения в теории, чтобы она полнее отражала реальное явление. Такой процесс взаимодействия теории и эксперимента может быть продолжен как нужно далеко, в соответствии с запросами и теории и практики.

При этом, если на начальной стадии достаточно опытов на моделях или аналогиях, то окончательным критерием может явиться лишь натурный эксперимент.

1. Эксперименты с целью получения новых данных построены на теории явления (процесса) и ставятся с целью найти главные, характерные его стороны, определяющие явление в целом. При этом наибольший интерес представляет качественная картина, количественные соотношения могут быть установлены позднее теоретически. Параллельно с этими опытами необходимо иметь хотя бы грубые, ориентированные расчеты по намеченной теории и иметь возможность сравнить их с данными наблюдений. Моделирование явлений в этом случае играет главную роль.

2. Наконец, эксперименты ставятся при отсутствии какой-либо теории, ставятся с целью получения именно опытным путем соотношений между параметрами процесса. Таким путем в некоторых случаях могут быть получены достаточно полные результаты и в кротчайшие сроки. Но обычно такие результаты носят частный характер, чтобы придать результатам большую общность, требуется проведение большого числа опытов. Необходима также обработка всех опытов по основным критериям подобия, чтобы наметить далее возможность теоретических обобщений.

Общие замечания:

В заключение напомним, что во всем процессе исследования от его замысла, подготовки, выполнения и обработки данных необходимо иметь ввиду что любой эксперимент:

1. Должен быть посвящен актуальному вопросу теории или практики

2. Должен выполняться с определенной степенью точности и с учетом возможных погрешностей

3. Должен ставиться так, чтобы из частных конкретных условий данного опыта могли быть получены возможно более глубокие теоретические обобщения

4. Должен осуществляться простыми, с малыми затратами материальных средств, труда и времени.

Наконец, всякое научное исследование по любому разделу естествознания должно проводиться так, чтобы заданием одних параметров можно было определить другие с полной достоверностью. Как правило, конечной целью исследований должно быть установление возможности влиять на ход явления, направлять его в нужную для практики сторону.

Дата добавления: 2015-05-26