Лекция 1
Основные понятия дисциплины «Инженерный эксперимент»
Эксперимент – система операций, воздействий и (или) наблюдений, направленных на получение информации об исследуемом объекте.
Простейшим по содержанию экспериментом, но не всегда по выполнению, является измерение какой-либо характеристики изучаемого объекта. Например, плотности и модуля упругости твёрдых тел, плотности и коэффициента вязкости жидкостей.
При проведении эксперимента подобного типа измерение характеристики производится при определённых условиях: температуре, атмосферном давлении, влажности и т.д. Возникает вопрос: как будет меняться значение характеристики при изменении условий? Так мы приходим к эксперименту следующего типа, в котором изучаются зависимости одних величин от других.
Происходящее в таком эксперименте можно описать следующим образом: имеется одна или несколько величин, которые, по предположению, влияют на свойства изучаемого объекта и могут принимать различные значения. Такие величины называются факторами (в математике – независимыми переменными).
Если значения факторов могут изменяться по воле исследователя, то речь идёт об активном эксперименте. Если же они меняются самостоятельно и исследователь только регистрирует их значения в опыте, речь идёт о пассивном эксперименте. Под опытом понимается воспроизведение исследуемого явления в определённых условиях проведения эксперимента при возможности регистрации его результатов.
Под воздействием факторов могут меняться значения интересующей экспериментатора величины, характеризующей свойства объекта. Такая величина называется откликом (в математике – функцией).
Например, проводится изучение зависимости количества выделяемой проводником тепловой энергии от сопротивления проводника. Фактор – сопротивление проводника, величину которого экспериментатор может менять при помощи реостата. Эксперимент является активным. Отклик – количество тепла, выделяемое проводником при прохождении электрического тока.
Другой пример – изучение зависимости объёма стока воды в реке от количества осадков. Фактор – количество осадков, которое не зависит от наблюдателя и может им только регистрироваться. Отклик – объём стока воды, эксперимент, естественно, пассивный.
В большинстве случаев изучается зависимость между одной величиной, являющейся фактором, и другой величиной, являющейся откликом. Будем называть такие эксперименты однофакторными. При двух факторах и одном отклике будем говорить о двухфакторном эксперименте и т.д.
В общем случае и отклик может быть представлен несколькими величинами. Однако проведение эксперимента, описание и анализ его результатов в таком случае является очень непростой задачей, поэтому в дальнейшем будем рассматривать только эксперименты, в которых отклик представлен одной величиной.
Формула, описывающая зависимость значений отклика от значений факторов, называется функцией отклика.
Эксперимент может проводиться в специально созданных условиях на спроектированных для этого установках (что бывает чаще всего). Однако эксперимент может проводиться и в условиях производственного процесса. Такой эксперимент называется инженерным. Его проведение накладывает на исследователя особые обязательства, т.к. его исход может нанести ущерб производству, другим людям и окружающей среде.
Обработка результатов простейшего эксперимента
Напомним, что результатом простейшего эксперимента должно быть получение значения какой-либо характеристики объекта исследования. Это значение может быть найдено на основе прямых и косвенных измерений.
При прямых измерениях определяемая величина сравнивается непосредственно с единицей измерения при помощи измерительного инструмента (прибора), например, измерение длины при помощи линейки, массы при помощи рычажных весов, времени при помощи секундомера и т.п. При косвенных измерениях измеряемая величина вычисляется по формуле, в которую входят результаты прямых измерений. Например, объём прямоугольного помещения находят как произведение размеров: длины, ширины и высоты. Плотность жидкости или твёрдого вещества находят как частное массы и объёма.
И при прямых и при косвенных измерениях нельзя указать точного значения находимой величины.
При прямых измерениях это происходит в силу нескольких причин. Во-первых, измеряемая величина не равна целому количеству единиц измерения, пусть даже и очень маленьких. Во-вторых, измеряемая величина очень часто представляет собой некоторую идеализированную характеристику. Например, при измерении длины металлической проволоки предполагается, что она представляет собой цилиндр, основания которого (края проволоки) параллельны друг другу и перпендикулярны образующей цилиндра. Понятно, однако, что изготовить реально такой образец не получится. В-третьих, значения измеряемых величин зависят от условий измерения, которые могут меняться, и от действия различных случайных факторов. Это приводит к тому, что интересующая исследователя величина имеет не одно какое-то значение, а может принимать различные значения на некотором промежутке. Говорят, что величина распределена на некотором промежутке, или имеет распределение.
Поэтому в результате измерения нужно, по существу, указать промежуток, интервал, на котором она принимает свои значения, а также указать её приближенное значение, которое затем используется для нахождения других величин. Другими словами нужно дать точечную и интервальную оценку измеряемой величины.
При косвенных измерениях неточность в нахождении величины вызвана тем, что для её вычисления используются величины, найденные неточно. И в этом случае также искомая величина будет принимать значения на некотором интервале.