Основы экспериментальных исследований в легкой промышленности
Введение
Введение
Общей чертой, объединяющей инженеров, социологов, биологов и других ученых является то, что они проводят эксперимент. Биологи экспериментируют на животных, инженеры на различных установках, вычислительных машинах и промышленных объектах.
Эксперимент составляет основу и сущность обучения бакалавра – результатом бакалаврской работы является постановка эксперимента, получение результатов и их обсуждение.
Под экспериментом (от латинского experiment, переводится как “проба”, “опыт”) понимается система операций и воздействий на объект, предназначенных для получения информации об объекте, явлении на основе результатов измерений.
Эксперименты и экспериментаторы могут отличаться друг от друга, но фактически планирование, проведение и анализ всех экспериментов осуществляется в одинаковой последовательности.
Хотя объекты исследований различны, однако методы экспериментальных исследований имеют много общего :
— каким бы простым эксперимент не был, вначале ставится план его проведения;
— стремятся уменьшить число переменных, поскольку это упрощает его работу и делает ее более экономичной;
— все стараются исключить влияние внешних (случайных факторов);
— необходимо контролировать ход эксперимента;
— всех интересует точность измерительных приборов и точность получения данных;
— и наконец, в процессе любого эксперимента необходимо анализировать получаемые результаты и давать их интерпретацию, поскольку без этого решающего этапа весь процесс не имеет смысла.
Мы с вами будем рассматривать инженерный, практических эксперимент, причем под объектом исследования будем понимать реальный процесс, устройство, конструкцию.
1. Классификация видов экспериментальных исследований
1) По форме представления результатов выделяются следующие виды экспериментов:
Качественный эксперимент . Устанавливается факт существования каких-либо явлений, но количественных характеристик при этом не дается.
Например : с помощью разрывной машины определяем, рвется ли кожа.
Или: определяем сминаемость материала (мнется/ не мнется).
Определение наличия примесей в жидкости.
Любой эксперимент, каким бы сложным он не казался, заканчивается представлением результатов, формулировкой выводов, выдачей рекомендаций. Эта информация может быть представлена в виде графиков, чертежей, таблиц, формул, статистических данных или словесных описаний. Качественный эксперимент, как правило, предусматривает именно словесное описание. Однако словесное описание – самый неэффективный способ представления результатов, поскольку не позволяет дать количественные рекомендации, анализировать свойства объекта в иных условиях, решать задачи его управления. В инженерной практике основное содержание эксперимента должно представляться числом или количественными зависимостями.
Количественный эксперимент . Позволяет не только фиксировать существование того или иного явления, но и устанавливать количественные взаимосвязи между факторами, определяющими протекание процесса, а также устанавливать математическую модель влияния этих факторов на то или иное явление.
Например : на разрывной машине определяют прочность на разрыв.
Количественное содержание примесей.
2) По условиям проведения различают:
Лабораторный эксперимент . В лаборатории меньше влияние случайных погрешностей , обеспечивается большая «стерильность» условий проведения опытов, осуществляется в большинстве случаев и более тщательная подготовка, одним словом выше «культура эксперимента». Как правило, в лабораторных условиях экспериментатор может воспроизвести опыт «одинаково» значительно лучше, чем в промышленности. Это означает, что при прочих равных условиях для установления некоторого факта на заводе потребуется выполнить значительно больше опытов, чем в лаборатории. Другое важное отличие – различные ограничения на возможности варьирования факторами . Когда в лаборатории исследуется химическая реакция, температуру по желанию можно менять в широких пределах, а в чанах или другом кожевенном оборудовании, напротив, если ее и можно менять, то в значительно более узком диапазоне и с большей осторожностью.
Например : исследуется скорость крашения при различных температурах.
В промышленных экспериментах эти условия обеспечить значительно сложнее. Усложняются измерения и сбор информации, значительно больше влияние различного рода помех на организацию и проведение эксперимента, измерительные приборы, поэтому особенно необходимо использовать специальные методы. Требуется по возможно меньшему числу измерений получить наиболее достоверные результаты. Заметим, что в современной математической статистике имеются специальные методы, которые при том же количестве измерений позволяют повысить точность или даже при их уменьшении получить более представительную информацию.
3) По виду воздействий на объект различают:
Активный эксперимент – это такой эксперимент, когда уровень (значение) фактора для каждого опыта задает исследователь. Он целенаправленно изменяет условия функционирования процесса и наблюдает результаты. Такой эксперимент можно планировать.
Например : тот же пример с химизмом крашения – температуру или концентрацию крашения изменяет экспериментатор.
Пассивный – это эксперимент, в котором уровень факторов регистрирует исследователь в каждом опыте, но не задает его значение. В дальнейшем он обрабатывает результаты такой регистрации и пытается давать рекомендации.
Например : при крашении используются разные красители. Условия неизменны.
Здесь использовано новое понятие – фактор , под которым будем понимать контролируемые переменные объекта (явления), влияющие на количественные характеристики последнего. Количественные характеристики будем оценивать выходными величинами, функцией отклика .
Например: повышение температуры (фактор) ведет к стойкому окрашиванию (стойкость – функция отклика).
1. виды экспериментов
1. Классификация видов экспериментальных исследований
1) По форме представления результатов выделяются следующие виды экспериментов:
Качественный эксперимент . Устанавливается факт существования каких-либо явлений, но количественных характеристик при этом не дается.
Например : с помощью разрывной машины определяем, рвется ли кожа.
Или: определяем сминаемость материала (мнется/ не мнется).
Определение наличия примесей в жидкости.
Любой эксперимент, каким бы сложным он не казался, заканчивается представлением результатов, формулировкой выводов, выдачей рекомендаций. Эта информация может быть представлена в виде графиков, чертежей, таблиц, формул, статистических данных или словесных описаний. Качественный эксперимент, как правило, предусматривает именно словесное описание. Однако словесное описание – самый неэффективный способ представления результатов, поскольку не позволяет дать количественные рекомендации, анализировать свойства объекта в иных условиях, решать задачи его управления. В инженерной практике основное содержание эксперимента должно представляться числом или количественными зависимостями.
Количественный эксперимент . Позволяет не только фиксировать существование того или иного явления, но и устанавливать количественные взаимосвязи между факторами, определяющими протекание процесса, а также устанавливать математическую модель влияния этих факторов на то или иное явление.
Например : на разрывной машине определяют прочность на разрыв.
Количественное содержание примесей.
2) По условиям проведения различают:
Лабораторный эксперимент . В лаборатории меньше влияние случайных погрешностей , обеспечивается большая «стерильность» условий проведения опытов, осуществляется в большинстве случаев и более тщательная подготовка, одним словом выше «культура эксперимента». Как правило, в лабораторных условиях экспериментатор может воспроизвести опыт «одинаково» значительно лучше, чем в промышленности. Это означает, что при прочих равных условиях для установления некоторого факта на заводе потребуется выполнить значительно больше опытов, чем в лаборатории. Другое важное отличие – различные ограничения на возможности варьирования факторами . Когда в лаборатории исследуется химическая реакция, температуру по желанию можно менять в широких пределах, а в чанах или другом кожевенном оборудовании, напротив, если ее и можно менять, то в значительно более узком диапазоне и с большей осторожностью.
Например : исследуется скорость крашения при различных температурах.
В промышленных экспериментах эти условия обеспечить значительно сложнее. Усложняются измерения и сбор информации, значительно больше влияние различного рода помех на организацию и проведение эксперимента, измерительные приборы, поэтому особенно необходимо использовать специальные методы. Требуется по возможно меньшему числу измерений получить наиболее достоверные результаты. Заметим, что в современной математической статистике имеются специальные методы, которые при том же количестве измерений позволяют повысить точность или даже при их уменьшении получить более представительную информацию.
3) По виду воздействий на объект различают:
Активный эксперимент – это такой эксперимент, когда уровень (значение) фактора для каждого опыта задает исследователь. Он целенаправленно изменяет условия функционирования процесса и наблюдает результаты. Такой эксперимент можно планировать.
Например : тот же пример с химизмом крашения – температуру или концентрацию крашения изменяет экспериментатор.
Пассивный – это эксперимент, в котором уровень факторов регистрирует исследователь в каждом опыте, но не задает его значение. В дальнейшем он обрабатывает результаты такой регистрации и пытается давать рекомендации.
Например : при крашении используются разные красители. Условия неизменны.
Здесь использовано новое понятие – фактор , под которым будем понимать контролируемые переменные объекта (явления), влияющие на количественные характеристики последнего. Количественные характеристики будем оценивать выходными величинами, функцией отклика .
Например: повышение температуры (фактор) ведет к стойкому окрашиванию (стойкость – функция отклика).
Источник
Классификация экспериментов
Эксперимент — это метод научного познания, при котором объект или явление исследуется в определенных, заранее оговоренный (или заданных) условиях, позволяющих наблюдать за ним и управлять его поведением.
Эксперименты классифицируются:
1) По способу формирования условий: естественные, искусственные;
2) По целям исследования: преобразующие, констатирующие, контролирующие, поисковые;
3) По организации проведения: лабораторные, натурные;
4) По характеру внешних воздействий на объект: вещественные, энергетические, информационные;
5) По характеру взаимодействия средства экспериментального исследования с объектом исследования: обычный, модельный;
6) По типу моделей исследуемых в эксперименте: материальный, мысленный;
7) По контролируемым величинам: пассивный, активный;
8) По числу варьируемых факторов: однофакторный, многофакторный.
Естественный эксперимент чаще применяется в социальных, педагогических, биологических (реже технических, физико-математических, медицинских) исследованиях. Его сущность состоит в изучении явления (объекта) на реальном образе (реальной ситуации) в естественных условиях его функционирования. Примером естественного эксперимента может служить изучение поведения животных в заповеднике.
Искусственный эксперимент характерен для технических, естественных (реже для гуманитарных) наук. Он заключается в создании искусственных условий и изучении реального объекта на его аналоге — модели, сохраняющей основные свойства этого объекта. Например, для изучения процесса истираемости деталей в машине создается установка, позволяющая обеспечить трение движущихся деталей из того же материала, что и в реально работающих машинах. В качестве условий эксперимента выбираются: скорость движения, тип смазки, температурный режим и т.д.
Преобразующий эксперимент включает активное изменение структуры и функций объекта исследования с целью формирования новых свойств, качеств объекта и связей между его компонентами.
Констатирующий эксперимент проводится с целью проверки предположений, связей, полученных в ходе теоретического исследования..
Контролирующий эксперимент проводится с целью изучения (контроля) влияния на объект внешних воздействий.
Поисковый эксперимент проводится чаще всего в случаях, когда теоретических знаний в области исследования недостаточно, либо они отсутствуют вообще. Поисковый эксперимент имеет целью проведение начальной фазы исследования, на базе которой будет впоследствии формироваться научная гипотеза и продолжены теоретические исследования. По результатам поискового эксперимента устанавливается значимость факторов, осуществляется отсеивание незначимых.
Примером поискового эксперимента может служить народная медицина: люди издавна изучали воздействие трав и других естественных средств вначале на животных, а затем на себе. Запоминая положительные эффекты и отвергая отрицательные (либо фиксируя их негативность), люди создали систему знаний о болезнях и лекарствах, которая до сих пор объясняется и осмысливается медицинской наукой.
Лабораторный эксперимент осуществляется в случаях, когда изучение объекта непосредственно в естественной среде его существования либо невозможно, либо затруднено по тем или иным соображениям (например, материальным). Он проводится на специально созданных установках, моделях, либо с использованием типовых, серийно выпускаемых приборов. Условия эксперимента заранее оговариваются с целью максимального приближения их к реальным условиям деятельности исследуемого объекта.
Натурный эксперимент проводится на реальном объекте в естественных условиях его существования в течение длительного времени.
Если лабораторный эксперимент дает предварительную информацию по исследуемому объекту (явлению, процессу), натурный эксперимент, за счет реальных условий, уточняет и расширяет ее, повышает (либо опровергает) достоверность заключений, полученных в лаборатории.
Вещественный эксперимент предполагает изучение влияния различных вещественных факторов на состояние объекта исследования. Например, влияние легирующих добавок на качество стали.
Энергетический эксперимент используется для изучения воздействия различных видов энергии (электромагнитной, механической, тепловой и т.д.) на объект исследования.
Информационный эксперимент используется для изучения воздействия определенной (различной по форме и содержанию) информации. Используется в психологии, социологии и т.д.
Обычный эксперимент предполагает непосредственное изучение объекта исследования.
Модельный эксперимент предполагает изучение модели объекта. Например, аэродинамические характеристики автомобиля в аэродинамической трубе. Модельный эксперимент по сравнению с обычным имеет больше возможностей. Его недостаток — перенос результатов эксперимента с модели на объект, что требует дополнительных затрат и теоретического обоснования правомочности такого переноса.
Большее распространение получило исследование математических моделей с использованием ЭВМ. Оно позволило:
— повысить точность исследования проблем, по которым другие виды экспериментов либо невозможны, либо весьма затруднены по ресурсным, временным или иным причинам;
— путем анализа множества возможных вариантов поведения изучаемого объекта получить целостное представление о его свойствах, характере изменений функционирования.
Материальный эксперимент предполагает изучение материального объекта.
Мысленный эксперимент представляет собой вид познавательной деятельности, в которой структура реального эксперимента воспроизводится в воображении. Человек в уме оперирует пространственными образами, мысленно ставит тот или иной объект в различные положения и мысленно подбирает такие «экспериментальные» ситуации, в которых, как и в обычном опыте, должны появиться более важные или почему-либо интересные особенности данного объекта.
Как правило, мысленный эксперимент проводится в рамках некоторой модели (теории) для проверки её непротиворечивости.
На примере рассмотрим правомочность предположения, что тяжелые тела падают быстрее легких. Пусть имеется два тела: тяжелое и легкое. Если считать, что тяжёлые тела падают быстрее лёгких, то тогда тяжелое тело должно падать с большей скоростью. Теперь представим, что тяжелое и легкое тела были соединены перемычкой и образовали новый, ещё более тяжёлый предмет. Он тяжелее, и следовательно должен падать быстрее, чем тяжелое тело. Но одновременно он должен падать медленнее, чем тяжелое тело, так как легкое тело должно тормозить движение тяжёлого. Обнаруживается противоречие, из которого можно сделать вывод о неправомочности данного предположения.
Ценность мысленного эксперимента, во-первых, состоит в том, что он позволяет исследовать ситуации, неосуществимые практически. Во-вторых, он позволяет в ряде случаев осуществлять познание и проверку истинности знаний, не прибегая к материальному экспериментированию.
Пассивный эксперимент предполагает контроль (изучение) поведения объекта по заранее обоснованным показателям без вмешательства исследователя в функционирование объекта. Примером пассивного эксперимента является ежедневный учет интенсивности автомобильного движения, пассажиропотоков на транспорте.
Активный эксперимент, наоборот, ориентирован на управление со стороны исследователя функционированием объекта исследования в нужном ему направлении.
Однофакторный эксперимент предполагает изучение объекта при поочередном варьирование одного фактора и стабилизации других.
Многнофакторный эксперимент предполагает изучение объекта при варьировании всеми переменными одновременно. Влияние каждого фактора оценивается по результатам всей совокупности опытов проеденных в ходе эксперимента.
Планирование эксперимента
План эксперимента должен содержать:
1) Цель и задачи эксперимента.
Цель определяет конечный результат эксперимента. Например, проверить адекватность математической модели. Задачи определяют частные цели, с помощью которых будет достигнута конечная цель;
2) Варьирующие факторы.
На основе анализа расчетных схем процесса выделяют основные и второстепенные факторы, влияющие на исследуемый процесс. Эксперимент сводится к нахождению зависимостей между основными факторами. При невозможности выявить основные и второстепенные факторы проводят поисковый опыт;
3) Обоснование объема эксперимента, количества опытов (рассмотрено в следующей главе);
4) Выбор шага изменения факторов, задание шага между будущими материальными точками;
5) Обоснование средств и методов измерений (должны базироваться на специальной науке — метрологии);
6) Методику проведения эксперимента.
Методика проведения эксперимента – это совокупность мыслительных и физических операций, размещенных в определенной последовательности, в соответствии с которой достигается цель исследования.
В ней излагаются: последовательность действий исследователя, правила осуществления каждого этапа, использование приборов и оборудования, порядок измерения фиксации результатов и методы их обработки
При разработке методик проведения эксперимента необходимо предусматривать:
— проведение предварительного, целенаправленного наблюдения над изучаемым объектом или явлением с целью выбора варьирующих факторов;
— устранение влияния случайных факторов;
— определение пределов измерений.
7) Обоснование методов обработки экспериментальных данных.
Источник
