99371

Эмпирические методы исследования в технических науках

Лекция

Математика и математический анализ

Анализ полученных данных представляет важнейшую часть любого исследования в связи с чем его выполнение осуществляется как правило наиболее опытным специалистом обычно это сам руководитель темы. Далее приводятся наиболее типичные приемы обработки экспериментальных данных характерные для исследований количественного характера т.

Русский

2016-09-10

34.6 KB

0 чел.

6

Лекция № 11

5.4. ЭМПИРИЧЕСКИЕ МЕТОДЫ ИССЛЕДОВАНИЯ

В технических науках экспериментальные исследования являются обязательным элементом НИР, в то время как теоретические исследования могут отсутствовать. Исследования, в которых нет теоретической части, а закономерности получают непосредственно из экспериментов без объяснений их причин, называются эмпирическими. Иными словами, при эмпирических исследованиях ограничиваются выявлением чисто математических закономерностей между результатами измерений, а вопросы, почему возникают такие закономерности, не рассматриваются.

В качестве примера чисто эмпирического подхода можно представить изучение зависимости прочности какого-либо металла от содержания в нем конкретной химической примеси, если это выполнять только путем изготовления образцов этого металла (с примесями) и их испытаний. При изучении такого вопроса теоретическими методами пришлось бы решать довольно сложные задачи, относящиеся к области химии, физики твердого тела и, конечно, металловедения, включая вопросы образования различных структур металла, строения его кристаллической решетки, микродефектов (дислокаций) и т. д. Эмпирический же подход чрезвычайно упрощает решение такой задачи, сводя его к обнаружению чисто математической закономерности между результатами испытаний. Для этого не требуется глубоких знаний ни в металловедении, ни в химии, ни в физике твердого тела. Однако сфера применения полученных таким способом результатов останется неясной, ибо нельзя быть уверенным, что учитывалось влияние всех существенных факторов и что результаты испытаний в других условиях не окажутся иными.

Еще наглядней может быть пример с определением зависимости высоты дерева от диаметра его ствола (на практике обычно определяют по диаметру не высоту деревьев, а объем деловой древесины, но в данном случае это принципиального значения не имеет). Решение такой задачи теоретическим путем потребовало бы использования представлении ботаники, изучения влияния различных климатических, почвенных, гидрогеологических факторов на образование годичных колец и увеличение высоты дерева. Эмпирический же подход не потребует знаний ни ботаники, ни почвоведения, ни гидрогеологии: исследователь просто берет измерительные приборы и идет в лесной массив, где замеряет диаметры стволов и высоты трех-четырех десятков случайным образом выбранных деревьев.

При наличии лазерного дальномера и рулетки (или другого приспособления для замера диаметров) на всю работу у него потребуется три-четыре часа и не более часа на обработку полученных результатов. Однако полученный таким простым способом результат совершенно не гарантирует универсальности: в другом лесном массиве, при других породах деревьев искомая связь диаметра с высотой дерева может оказаться совершенно иной.

В прикладных исследованиях, а еще больше в разработках эмпирический подход чрезвычайно распространен. При решении практических задач всегда возникает множество мелких частных вопросов, которые необходимо решать быстро, с минимальными материальными затратами. Кроме того, рассматриваемая задача может оказаться слишком трудной для теоретического решения, и эмпирический подход может стать временным «выходом из положения», т. е. решением, которое в ходе дальнейших исследований рано или поздно найдет свое объяснение, свою область применения. Такую эволюцию прошли многие важнейшие законы механики, теплотехники, электричества и т. п. Например, закон Гука (пропорциональность деформаций напряжениям) был выдвинут как чисто эмпирический и использовался в таком понимании примерно 300 лет. Только в XX в. он получил приемлемое количественное объяснение как проявление межатомных и межмолекулярных взаимодействий.

Эмпирическим был периодический закон Д. И. Менделеева, физическая сущность которого выяснилась спустя многие годы.

Рис. 5.8 Сравнение числа преступлений в различных штатах США с душевым доходом за рассматриваемый период (примерно 3 месяца); данные по 50 штатам (каждая точка соответствует конкретному штату)

Эмпирические исследования характерны и для гуманитарных исследований. В качестве примера на рис. 5.8 приведен результат эмпирических исследований связи уровня преступности в США со средним уровнем доходов населения, выполненных американскими психологами и юристами во второй половине XX в. (данные Г. Кимбла). Результат приведен в форме точечного графика (диаграммы рассеяния), в котором координаты каждой точки — сравниваемые величины (подробнее о таких графиках см. главу 6).

Как видно из рис. 5.8, разброс полученных данных довольно значителен, тем не менее наличие некоторой тенденции возрастания числа преступлений с ростом душевого дохода сомнений не вызывает. Это означает, что рост благосостояния американцев сопровождается ростом преступлений против собственности (грабежей, разбоев, воровства и т. д.). Как во всяком эмпирическом исследовании, причины полученного результата авторами не рассматривались» в связи с чем вопрос о возможности распространения упомянутого вывода на другие страны и другие времена остается неясным. По крайней мере, можно сказать, что полученный результат не согласуется с обстановкой, сложившейся в России в 90-е годы, когда падение жизненного уровня сопровождалось интенсивным ростом преступности. Такое несоответствие вполне объяснимо: эмпирическая зависимость отражает конкретные условия ее существования, и в данном случае это лишь условия США второй половины XX в.

Приведенные выше примеры достаточно наглядно иллюстрируют достоинства и недостатки эмпирического подхода. Как уже отмечалось, достоинством эмпирических зависимостей является простота их получения, недостатком — ограниченность области рационального применения условиями, в которых они получены. За пределами этих условий они могут быть как приемлемыми, так и неприемлемыми, т. е. всякий раз необходима экспериментальная проверка в новых условиях.

Следует также отметить, что эмпирические исследования значительно меньше теоретических способствуют углублению понимания окружающей действительности, меньше отражают сущность происходящих явлений, перспективы решения конкретной проблемы. По этой причине исследователь всегда должен стремиться давать свое объяснение каждому полученному результату, формировать как можно более достоверную теоретическую базу своих представлений. Именно это определяет глубину исследований и их познавательную ценность. Недооценку понимания физической сущности изучаемых явлений исследователи обычно называют «ползучим эмпиризмом», так как ориентация только на эмпирические методы обычно означает слабый прогресс в решении возникающих проблем, дефицит принципиально новых идей, отсутствие четких перспектив. По этой причине в прикладных исследованиях всегда желательно рациональное совмещение теоретических и эмпирических методов.

6. АНАЛИЗ ПОЛУЧЕННЫХ ДАННЫХ

6.1. ОБЩИЕ СВЕДЕНИЯ

Анализ полученных данных представляет важнейшую часть любого исследования, в связи с чем его выполнение осуществляется, как правило, наиболее опытным специалистом (обычно это сам руководитель темы). При этом выявление новых фактов и закономерностей является в значительной мере творческим процессом, который не может быть полностью формализован. Для того чтобы заметить проявление какого-либо нового эффекта, отличить его от ошибки эксперимента, исследователь должен обладать достаточно высоким профессионализмом и нередко способностью мыслить нестандартными категориями. Тем не менее, многолетняя практика проведения исследований показывает, что, несмотря на все многообразие используемых подходов, можно выделить довольно много общих правил и практических приемов, применимых к любым исследованиям. Такие правила если и не решают полностью поставленных задач, то по крайней мере существенно упрощают такие решения. Это особенно проявляется в исследованиях, относящихся к одному и тому же виду наук (технических, экономических, биологических и т. д.). Далее приводятся наиболее типичные приемы обработки экспериментальных данных, характерные для исследований количественного характера, т. е. связанных с использованием математических моделей, результатов измерений, наблюдений и т. д.

Рис. 6.1 Типичные способы изображения теоретических и экспериментальных зависимостей на начальном этапе анализа: а — при отображении зависимости от одной переменной, т. е. у — f(x): 1 — теоретическая кривая, 2 — экспериментальная кривая; б — при отображении зависимости от двух переменных типа у — f (x1, x2).

Первым этапом анализа полученных данных, как правило, является их систематизация путем представления таких данных в форме таблиц, карточек, каталогов и особенно их графическая интерпретация в виде графиков, схем, картограмм и т. д. Производится предварительная визуальная оценка построенных графиков, выдвигаются соответствующие гипотезы, намечаются дальнейшие этапы анализа. Обычно на этом этапе исследователь строит двумерные графики типа показанных на рис. 6.1, в том числе и при рассмотрении зависимости от двух переменных, ибо оксанометрические изображения сложны и неудобны для предварительного анализа. Зависимость от двух переменных у = f(x1, х2) обычно представляется графиком, в котором влияние одной из переменных отображается серией кривых, соответствующих различным фиксированным значениям этой переменной. На рис. 6.1б это значения х2 = C1, х2 = С2,  х2 = С3,  х2 = С4.

Для удобства анализа желательно соблюдать старое правило изображения получаемых данных: теоретические результаты представляются линией без выделения на ней отдельных точек, являющихся результатами расчета (линия 1 на рис. 6.1а), экспериментальные же результаты отображаются системой точек (или других простейших фигур), через которые проводится обобщающая линия — аппроксимирующая кривая (там же линия 2). Представление линий путем соединения точек между собой, как это сделано на рис. 6.1, допустимо лишь при малом разбросе или при очень малом числе точек. В большинстве же случаев аппроксимирующую линию следует проводить не через конкретные точки, а через их «центры тяжести» в каждом интервале изменения независимого переменного (подробнее об этом говорится в разделе о регрессионном анализе).

Как уже отмечалось, при анализе результатов экспериментов необходима особая осторожность и беспристрастность в оценках получаемых данных. Подтверждают или опровергают полученный результат эксперимента взгляды самого экспериментатора, внимание к такому результату должно быть одинаковым, особенно при малом числе таких данных.

Основная проблема первых этапов анализа экспериментальных данных в том, что отличить закономерность от случайности во многих случаях очень трудно. Для того чтобы свести к минимуму ошибки подобного типа, т. е. правильно интерпретировать экспериментальные данные и не перепутать случайность с закономерностью, используются методы математической статистики.


 

А также другие работы, которые могут Вас заинтересовать

64917. Механізми формування водоефективної політики з урахуванням вимог екологічної безпеки 183 KB
  У зв’язку з цим одним із пріоритетних напрямів сучасної державної політики України мають стати забезпечення екологічно та техногенно безпечних умов життєдіяльності громадян і суспільства збереження навколишнього природного середовища раціональне використання природних ресурсів поліпшення...
64918. Принципи оцінки та ефективність селекції норок кольорового типу пастель за відтінками забарвлення хутра 428 KB
  Однак їх дослідження здебільшого були спрямовані на вивчення цих ознак при схрещуванні норок різного забарвлення хутра без урахування його відтінків. Це значно стримувало подальший процес удосконалення селекційної роботи з породами та типами звірів з метою покращання якості хутра...
64919. РОЗРОБКА І ДОСЛІДЖЕННЯ МЕТОДІВ КОНТРОЛЮ ХАРАКТЕРИСТИК КАНАЛІВ ЗВ’ЯЗКУ 360.5 KB
  З усіх галузей сучасної науки і техніки, телекомунікації розвиваються найбільш стрімкими темпами. Сучасне суспільство вже неможливо представити без тих досягнень, які були зроблені в цій галузі за останній час. Відмітною особливістю сучасного етапу їх розвитку є необхідність підвищення...
64920. Програмно-апаратна організація GRID-систем на основі технології віртуальних мереж 1.49 MB
  В основному, ці роботи спрямовані на розробку інфраструктури GRID-системи, програмного забезпечення проміжного рівня, нових і вдосконаленню відомих методів планування задач в GRID-системах. При цьому більшість відомих методів планування не враховують динаміку змін обсягу ресурсів GRID-системи.
64921. Біотехнологія виробництва пребіотичного комплексу та його використання у свинарстві 594.5 KB
  Наукова новизна роботи полягає в тому що дисертант уперше розробив біотехнологію одержання нових вітчизняних комплексних пребіотичних компонентів на основі пектину та комплексів параамінобензойної кислоти ПАБК з біометалами.
64922. Удосконалення принципів проектування універсального технологічного обладнання ліній збирання та зварювання листових полотнищ 3.57 MB
  Особливо це стосується виробництва залізничних вагонів-цистерн і контейнерів-цистерн найважливішими елементами яких є зварні листові полотнища обичайок котлів що виготовляються на спеціалізованих потоково-механізованих лініях.
64923. КЕРУВАННЯ ОБВАЛЕННЯМ ПЛАСТІВ НЕРОЗЧИННИХ ПОРІД ПРИ СПОРУДЖЕННІ ПІДЗЕМНИХ ЄМНОСТЕЙ В КАМ’ЯНИХ СОЛЯХ 15.87 MB
  Характер напружень в оголеному пласті під час навантаження змінюється вздовж його радіусу від стискання у центрі пласта до точки де напруження дорівнюють нулю з появою напружень розтягування та їх зростанням до контуру защемлення пласта; вперше з’ясовано що навантаження яке необхідне для обвалення оголеного...
64924. Вплив особливостей поличного бандажного зв’язку на напружений стан лопаткового апарату робочих коліс турбомашин 44.53 MB
  В практиці турбомашинобудування для підвищення надійності та роботоздатності робочих лопаток турбін використовуються різноманітні конструкції їх поличного бандажування. Однією з його основних функцій є об’єднання лопаток у суцільне кільце або пакети з метою зменшення їх чутливості до збудження коливань.
64925. Визначення характеристик міцності конструкційних сталей методом індентування 21.48 MB
  Для проведення розрахунків на міцність при прогнозуванні залишкового ресурсу, визначення технічного стану і обґрунтування можливого продовження термінів експлуатації відповідальних елементів конструкцій, що працюють в умовах термосилового навантаження, необхідно визначати...