измерения параметров объекта и качественного объяснения происходящих процессов до их формализации в виде методик, правил или математических уравнений.
В основе создания любой модели лежат допущения, принимающиеся с целью отсева незначительных факторов, которыми можно пренебречь без существенного искажения условий задачи. При этом исследователь должен четко представлять соответствие принятой модели реальному объекту, поскольку необоснованное принятие допущений может привести к грубейшим ошибкам при проведении исследований. Но учет большого числа факторов, действующих на объект, может привести к сложным аналитическим зависимостям, которые не поддаются анализу. Так при анализе температурного поля в сложной конструкции принимаются иногда теплофизические свойства материалов не зависящими от температуры, или зависящими, но по упрощенному закону. Принимается закон теплопередачи в стыках конструкции без учета зазоров и т.д. Множество принятых допущений обязательно должно фиксироваться перед началом теоретического исследования при презентации их результатов особо оговариваться.
Теоретические исследования включают в себя несколько характерных этапов:
–анализ физической сущности процессов и явлений;
–формулирование гипотезы исследования;
–построение физической модели;
–построение математической модели и ее исследование;
–анализ и обобщение теоретических исследований;
–формулирование выводов.
Исходные условия и требования задачи постоянно находятся в противоречии, и в процессе ее решения их приходится неоднократно сопоставлять и уточнять до тех пор, пока не будет получено решение задачи.
При проведении теоретических исследований в технических науках, как правило, стремятся к математической формализации выдвинутых гипотез и полученных выводов, используя при этом различные математические методы.
Физическая модель – это представление о физических законах, на основании которых можно описать поведение системы. Например, физическая модель динамических явлений возникающих усилий, нагрузок) в сложной стержневой системе основана на законах механики Ньютона. Физическая модель анализа воздействия нагрева конструкции основана на законах теплопроводности и теплопередачи. Физическая модель может подразумеваться при построении математической модели, но все-таки, ее надо указывать со всеми принятыми допущениями ее применения.
Математическая модель представляет собой систему математических соотношений (функций, уравнений, формул, систем уравнений), описывающих те или иные стороны изучаемого объекта.
Первый этап математического моделирования включает в себя постановку задачи, определение объекта и целей исследования, задание критериев изучения объекта и управления им, установление границ его области влияния, то есть области значимого взаимодействия с внешними объектами. Внутри этой области объект может рассматриваться как замкнутая система с установленными начальными и граничными условиями решения задачи.
Например, целью построения математической модели динамики сложной шарнирно-стержневой системы является анализ возникающих моментов в шарнирах, что позволяет рассчитывать элементы электропривода, трансмиссии, прочность отдельных элементов. Кроме того математическая модель позволяет оптимизировать конструкцию за счет расчетного обоснования изменения ее отдельных элементов. Кроме того, такая модель позволяет прогнозировать поведение конструкции при различных внешних механических воздействиях.
Вопросы для самоконтроля:
1.Приведите пример теоретического исследования.
2.В чем заключается различие между эмпирическим и теоретическим знанием?
3.Какие Вы знаете модели теоретического исследования?
4. В чем разница между физической и математической моделями? 5.Перечислите этапы компьютерного моделирования.
6. В каких случаях целесообразно применять компьютерное моделирование?
7. Перечислите основные этапы теоретических исследований.
8. В чем заключаются недостатки математического моделирования?
8.Экспериментальные исследования
8.1Общие сведения об экспериментальных исследованиях
Эксперимент является важнейшей составной частью научных
исследований, в основе которого находится научно поставленный опыт с точно учитываемыми и управляемыми условиями, позволяющих следить за ходом его развития и воссоздавать его каждый раз при повторении этих условий.
Основная цель эксперимента – выявление свойств исследуемых объектов, проверка справедливости гипотез и на этой основе широкое и глубокое изучение темы научного исследования. Постановка и организация эксперимента определяются его назначением. Эксперименты, которые проводятся в различных отраслях науки, являются отраслевыми и имеют
соответствующие названия: физические, химические, биологические, социальные, психологические, и т.п.
Эксперименты различаются:
–по целям исследования (констатирующие, преобразующие, поисковые, решающие, контролирующие);
–по способу формирования условий эксперимета (естественный и искусственный);
–по структуре изучаемых объектов и явлений (простые, сложные);
–по организации проведения (лабораторные, натурные, полевые, производственные и т.п.);
–по характеру внешних воздействий на объект исследования (вещественные, энергетические, информационные);
–по характеру взаимодействия средства экспериментального исследования с объектом исследования (обычный и модельный);
–по типу моделей, исследуемых в эксперименте (материальный и мысленный);
–по числу варьируемых факторов (однофакторный и многофакторный);
–по контролируемым величинам (пассивный и активный);
–по характеру изучаемых объектов или явлений (технологический, социометрический) и т.п.
Естественный эксперимент предполагает проведение опытов в естественных условиях существования объекта исследования (чаще всего используется в биологических, социальных, педагогических и психологических науках).
Искусственный эксперимент предполагает формирование искусственных условий (широко применяется в технических и естественных науках).
Констатирующий эксперимент используется для проверки определенных предположений. В процессе этого эксперимента устанавливается наличие определенной связи между воздействием на объект исследования и результатом. Например, устанавливается влияние облучения на работоспособность электронных устройств.
Преобразующий, или созидательный, эксперимент предполагает активное изменение структуры и функций объекта исследования в соответствии с выдвинутой гипотезой, формирование новых связей и отношений между компонентами объекта или между исследуемым объектом и другими объектами. Например, эксперимент по программированию обучением робототехнической системы.
Поисковый эксперимент проводится в том случае, если затруднена классификация факторов, влияющих на изучаемое явление вследствие отсутствия достаточных предварительных (априорных) данных. По результатам поискового эксперимента устанавливается значимость факторов, осуществляется отсеивание незначимых. Например, при изучении процесса лазерной обработки резки) имеется множество возможных факторов влияния, таких как мощность излучения, фокусировка пятна нагрева, длина
волны излучения, скорость перемещения луча по поверхности и т.д. Для дальнейшего исследования и оптимизации процесса необходимо знать, какие факторы влияют на результат обработки, какие влияют незначительно или вообще не влияют.
Контролирующий эксперимент сводится к контролю за результатами внешних воздействий над объектом исследования с учетом его состояния, характера воздействия и ожидаемого эффекта.
Решающий эксперимент ставится для проверки справедливости основных положений фундаментальных теорий в том случае, когда две или несколько гипотез одинаково согласуются с этими явлениями. Этот эксперимент дает такие факты, которые согласуются с одной из гипотез и противоречат другой, например опыты по проверке справедливости корпускулярной теории света Ньютона и волновой теории Гюйгенса.
Лабораторный эксперимент проводится в лабораторных условиях с применением специальных моделирующих установок, типовых приборов, стендов, оборудования и т.д. Чаще всего в лабораторном эксперименте изучается не сам объект, а его образец (модель). Однако такой эксперимент не всегда полностью моделирует реальный ход изучаемого процесса, поэтому возникает потребность в проведении натурного эксперимента.
Натурный эксперимент проводится в естественных условиях и на реальных объектах. Этот вид эксперимента часто используется в процессе натурных испытаний изготовленных систем. В зависимости от места проведения испытаний натурные эксперименты подразделяются: на производственные, полигонные, полевые, полунатурные и т.п.
Основной научной проблемой натурного эксперимента является обеспечение достаточного соответствия (адекватности) условий эксперимента реальной ситуации, в которой затем будет работать создаваемый объект. Например, затруднительно в натурном эксперименте воссоздать все виды климатических воздействий на устройство.
Информационный эксперимент используется для изучения воздействия определенной (различной по форме и содержанию) информации на объект исследования. Чаще всего информационный эксперимент используется в биологии, психологии, социологии, кибернетике и т.п. С помощью этого эксперимента изучается изменение состояния объекта исследования под влиянием сообщаемой ему информации. Например, изучение поведения робота при вводе информации с датчиков визуализации, тактильных датчиков и т.д., или имитации сигналов этих датчиков.
Вещественный эксперимент предполагает изучение влияния различных вещественных факторов на состояние объекта исследования. Например, влияние количества армирующих волокон на свойства углепластиковой композиции.
Мысленный эксперимент – одна из форм умственной деятельности познающего субъекта, в процессе которой структура реального эксперимента воспроизводится в воображении, такой эксперимент бывает полезен, но он не
имеет доказательной базы и основывается в значительной степени на субъективном опыте экспериментатора.
Материальный эксперимент в отличии от мысленного предполагает материальную реализацию условий и наличие объективных средств
контроля. |
|
Модельный эксперимент. Этот вид эксперимента |
имеет дело с |
моделью исследуемого объекта. Модель входит в состав экспериментальной установки, замещая не только объект исследования, но часто и условия, в которых изучается некоторый объект.
Энергетический эксперимент используется для изучения воздействия различных видов энергии (механической, тепловой, электромагнитной и т.д.) на объект исследования. Этот тип эксперимента широко распространен в технических науках.
Однофакторный эксперимент предполагает:
–выделение особо значимых факторов;
–поочередное варьирование факторов, интересующих исследователя;
–стабилизацию мало значащих факторов.
Многофакторный эксперимент состоит в том, что варьируются все переменные сразу по специальным правилам и влияние каждого фактора оценивается по результатам всех опытов, проведенных в данной серии экспериментов.
Следует отметить, что проведение экспериментальных исследований является, во многих случаях, длительной и весьма дорогостоящей процедурой. Поэтому в настоящее время большое значение приобретает вычислительный эксперимент, что связано с развитием техники и специального программного обеспечения, позволяющего заменять реальный объект его виртуальной моделью. В случае, когда проведение натурных экспериментов и построение физической модели оказываются невозможными или слишком дорогостоящими, вычислительный эксперимент приобретает исключительное значение.
Вычислительным экспериментом называют методологию и техно-
логию исследований, основанных на применении прикладной математики и электронно-вычислительных машин как технической базы при использовании математических моделей.
Этапы вычислительного эксперимента:
1. Для исследуемого объекта строится физическая модель. В рассматриваемом явлении она фиксирует разделение всех действующих факторов на главные и второстепенные. Последние на этом этапе исследования отбрасываются. Одновременно формулируются допущения и условия применимости модели, а также границы, в которых будут справедливы полученные результаты. Создают математическую модель специалисты, хорошо знающие данную область естествознания или техники,