ПОНЯТИЕ ФИЗИЧЕСКОГО ЭКСПЕРИМЕНТА. КЛАССИФИКАЦИЯ ВИДОВ ФИЗИЧЕСКИХ ЭКСПЕРИМЕНТОВ

ФИЗИЧЕСКИЙ ЭКСПЕРИМЕНТ. ОСНОВНЫЕ ПОНЯТИЯ И ОПРЕДЕЛЕНИЯ

Цель изучения дисциплины - знакомство с существующими методами и средствами проведения физического эксперимента, подхо­дами к решению инженерных задач, с методами планирования и организации экспериментальных исследований, порядком проведе­ния, обработкой и анализом результатов инженерного эксперимента.

Инженерная задача - это задача преобразования или перехода объекта из ис­ходного состояния в требуемое конечное состояние при наличии объективных ог­раничений: технических, технологических, энергетических, информационных, по материальным ресурсам и т. д.

Инженерной задача может считаться только тогда, когда существует несколь­ко альтернативных путей ее решения и инженеру нужно выбрать из этих путей наиболее предпочтительный, удовлетворяющий сформулированным условиям и ограничениям. На рис.1.1 приведена общая структурная блок - схема решения инженер­ной задачи [1].

Рис 1.1 Блок - схема решения инженерной задачи

ПОНЯТИЕ ФИЗИЧЕСКОГО ЭКСПЕРИМЕНТА. КЛАССИФИКАЦИЯ ВИДОВ ФИЗИЧЕСКИХ ЭКСПЕРИМЕНТОВ

Во многих областях научной и практической деятельности современного человека значительное место занимают теоретические методы изучения различных процессов окружающего нас мира. Однако, несмотря на высокую эффективность теоретических методов, при рассмотрении конкретных технологических проблем, особенно в условиях действующего производства, инженеру зачастую приходится сталкиваться с задачами, решение которых практически невозможно без организации и проведения того или иного экспериментального исследования. Так, в триботехнике при решении задач, связанных с конструированием узлов трения, инженер сталкивается со сложной задачей расчета фрикционно – износных показателей пары трения, расчет которых затруднителен и в ряде случаях невозможен без выявления предварительных экспериментальных характеристик трущихся материалов в различных режимных условиях их эксплуатации. Учитывая, длительность проведения такого рода экспериментальных исследований, очень ценным является умение грамотно разрабатывать план эксперимента и последующая обработка полученных данных, с целью выявления математических зависимостей.

Для физического исследования характерно сочетание экспериментального и аналитического методов изучения явлений и процессов.

Эксперимент[2,3] - это система операций, воздействий и (или) наблюдений, направленных на получение информации об объекте исследования.

Хотя объекты исследования очень разнообразны, методы экспериментальных исследований имеют много общего:

- каким бы простым не был эксперимент, вначале выбирают план его проведения;

- стремятся сократить число рассматриваемых переменных, для того чтобы уменьшить объем эксперимента;

- стараются контролировать ход эксперимента;

- пытаются исключить влияние случайных внешних воздействий;

- оценивают точность измерительных приборов и точность полученных данных;

- и наконец, в процессе любого эксперимента анализируют полученные результаты и стремятся дать их интерпретацию, поскольку без этого решающего этапа весь процесс экспериментального исследования не имеет смысла.

К сожалению, зачастую работа экспериментатора настолько хаотична и неорганизованна, а ее эффективность так мала, что полученные результаты не в состоянии оправдать даже тех средств, которые были израсходованы на проведение опытов. Поэтому вопросы организации эксперимента, снижения затрат на его проведение и обработку полученных результатов являются весьма актуальными.

Современные методы планирования эксперимента и обработки его результатов, разработанные на основе теории вероятностей и математической статистики, позволяют существенно (зачастую в несколько раз) сократить число необходимых для проведения опытов. Знание и использование этих методов делает работу экспериментатора более целенаправленной и организованной, существенно повышает как производительность его труда, так и надежность получаемых им результатов.

Любой эксперимент предполагает проведение тех или иных опытов.

Опыт– воспроизведение исследуемого явления в определенных условиях проведения эксперимента при возможности регистрации его результатов.

Рассмотрим следующую классификацию видов физического эксперимента [2, 4]:

1. По цели и по форме физического эксперимента:

-качественный – проводится с целью установления наличия или отсутствия у объекта определенных свойств или характеристик. Любой эксперимент, каким бы сложным он ни был, всегда заканчивается представлением его результатов, формулировкой выводов, выдачей рекомендаций. Эта информация может быть выражена в виде графиков, таблиц, чертежей, формул, статистических данных или словесных описаний. Качественный эксперимент подразумевает именно словесное описание его результатов.

-количественный – не только фиксирует факт существования того или иного явления, но, кроме того, позволяет установить соотношение между количественными характеристиками явления и количественными соотношениями способов внешнего воздействия на объект исследования.

2. По типу воздействующих факторов количественный эксперимент можно разделить на:

- пассивный – эксперимент, при котором уровни факторов в каждом опыте регистрируются исследователем, но не задаются.

Если экспериментатор имеет возможность не только контролировать факторы, но и управлять ими, то такой эксперимент носит название активного.

- активный – эксперимент, в котором уровни факторов в каждом опыте задаются исследователем.

3. По условиям проведения эксперимента (по стадиям):

- лабораторный; - стендовый; - промышленный.

В лаборатории меньше влияние случайных погрешностей, обеспечивается большая “стерильность” условий проведения опытов. В лабораторных условиях, как правило, экспериментатор может провести опыт “одинаково” значительно лучше, чем в промышленности. Т.е. для установления некоторого факта на заводе потребуется выполнить значительно больше опытов, чем в лаборатории. Другое важное отличие – большая возможность варьировать уровни факторов. Учитывая, большое количество помех (неконтролируемых факторов) в условиях промышленных испытаний необходимо использовать специальные статистические методы обработки данных.

4. по типу объекта исследования:

- натурный; - модельный.

При натурных экспериментах исследователь имеет дело непосредственно с изучаемым объектом и явлением. В модельных экспериментах объект исследования заменяется его моделью - некоторым подобием оригинала, сохраняющим его особенности, существенные для данного исследования. Моделирование (построение модели) выполняется на базе теории подобия.

Любой эксперимент может быть разбит на четыре основных этапа:

1) постановка задачи эксперимента (его цель);

2) планирование эксперимента;

3) подготовка и проведение эксперимента;

4) обработка и анализ результатов эксперимента, выводы и рекомендации.