Емпирични методи на изследване в техническите науки
Заглавие на работата: Емпирични методи на изследване в техническите науки
Предметна област: Математика и смятане
Описание: Анализът на получените данни е най-важната част от всяко изследване и затова неговото изпълнение обикновено се извършва от най-опитния специалист, обикновено самият ръководител на темата. Следват най-типичните техники за обработка на експериментални данни, които са характерни за количествените изследвания, т.е.
Дата на добавяне: 2016-09-10
Размер на файла: 34,6 KB
Работата е изтеглена от: 0 души.
5.4. ЕМПИРИЧНИ МЕТОДИ НА ИЗСЛЕДВАНЕ
В техническите науки експерименталните изследвания са задължителен елемент от НИРД, докато теоретичните изследвания може да отсъстват. Изследвания, в които няма теоретична част, а закономерностите се получават директно от експерименти, без да се обясняват причините за тях, се наричат емпирични. С други думи, емпиричните изследвания са ограничени до идентифициране на чисто математически модели между резултатите от измерванията и въпросите защо възникват такива модели не се разглеждат.
Като пример за чисто емпиричен подход може да си представим изследването на зависимостта на якостта на метал от съдържанието на конкретен химически примес в него, ако това се прави само чрез вземане на проби от този метал (с примеси) и тяхното тестване. Когато се изучава такъв въпрос с теоретични методи, ще трябва да се решат доста сложни проблеми, свързани с областта на химията, физиката на твърдото тяло и, разбира се, науката за металите, включително образуването на различни метални структури, структурата на неговата кристална решетка, микродефекти (дислокации) и т.н. Емпиричният подход значително опростява решението на такъв проблем,свеждайки го до откриването на чисто математически модел между резултатите от теста. Това не изисква дълбоки познания нито в науката за металите, нито в химията, нито във физиката на твърдото тяло. Обхватът на получените по този начин резултати обаче ще остане неясен, тъй като не може да бъде сигурен, че е взето предвид влиянието на всички значими фактори и че резултатите от тестове при други условия няма да се окажат различни.
Пример за определяне на зависимостта на височината на едно дърво от диаметъра на неговия ствол може да бъде още по-ясен (на практика обикновено не височината на дърветата се определя от диаметъра, а обемът на търговската дървесина, но в този случай това не е от основно значение). Теоретичното решаване на такъв проблем би изисквало използването на ботанически идеи, изследване на влиянието на различни климатични, почвени, хидрогеоложки фактори върху образуването на годишни пръстени и увеличаване на височината на дърветата. Емпиричният подход не изисква познания по ботаника, почвознание или хидрогеология: изследователят просто взема измервателни уреди и отива в гората, където измерва диаметрите на стволовете и височините на три до четири дузини произволно избрани дървета.
С лазерен далекомер и ролетка (или друго устройство за измерване на диаметри) ще му трябват три-четири часа за цялата работа и не повече от час за обработка на резултатите. Въпреки това, резултатът, получен по такъв прост начин, изобщо не гарантира универсалност: в различна горска зона, с други дървесни видове, желаното съотношение между диаметъра и височината на дървото може да се окаже напълно различно.
В приложните изследвания и още повече в разработките емпиричният подход е изключително разпространен. При решаването на практически проблеми винаги има много малки частни въпроси, които трябва да бъдат разгледани.бързо решаване, с минимални разходи за материали. В допълнение, разглежданият проблем може да се окаже твърде труден за теоретично решение и емпиричният подход може да се превърне във временен „изход“, т.е. решение, което в хода на по-нататъшни изследвания рано или късно ще намери своето обяснение, своята област на приложение. Такава еволюция са претърпели много от най-важните закони на механиката, топлотехниката, електричеството и пр. Например законът на Хук (пропорционалност на деформациите към напреженията) е представен като чисто емпиричен и е използван в този смисъл около 300 години. Едва през ХХ век. той получи приемливо количествено обяснение като проява на междуатомни и междумолекулни взаимодействия.
Емпиричен беше периодичният закон на Д. И. Менделеев, чиято физическа същност стана ясна много години по-късно.
Ориз. 5.8 Сравнение на броя на престъпленията в различни американски щати с доход на глава от населението за разглеждания период (приблизително 3 месеца); данни за 50 състояния (всяка точка отговаря на конкретно състояние)
Емпиричните изследвания са характерни и за хуманитарните науки. Като пример, на фиг. 5.8 показва резултата от емпирични изследвания на връзката между нивото на престъпността в Съединените щати и средното ниво на доходите на населението, извършени от американски психолози и юристи през втората половина на 20 век. (данни на G. Kimble). Резултатът се представя под формата на точкова диаграма (точкова диаграма), в която координатите на всяка точка са сравнени стойности (за повече информация относно такива графики вижте Глава 6).
Горните примери ясно илюстрират предимствата и недостатъците на емпиричния подход. Както вече беше отбелязано, предимството на емпиричните зависимости е простотата на тяхното получаване, недостатъкът е ограниченият обхват на рационално приложениеусловията, при които са получени. Извън тези условия те могат да бъдат както приемливи, така и неприемливи, т.е. всеки път, когато е необходима експериментална проверка при нови условия.
Трябва също да се отбележи, че емпиричните изследвания допринасят много по-малко от теоретичните изследвания за задълбочаване на разбирането на заобикалящата реалност, по-малко отразяват същността на протичащите явления, перспективите за решаване на конкретен проблем. Поради тази причина изследователят винаги трябва да се стреми да даде собствено обяснение за всеки получен резултат, за да формира най-надеждната теоретична основа на своите идеи. Именно това определя дълбочината на изследванията и тяхната познавателна стойност. Подценяването на разбирането на физическата същност на изследваните явления обикновено се нарича от изследователите „пълзящ емпиризъм“, тъй като фокусирането само върху емпирични методи обикновено означава слаб напредък в решаването на възникващи проблеми, недостиг на фундаментално нови идеи и липса на ясни перспективи. Поради тази причина в приложните изследвания винаги е желателна рационална комбинация от теоретични и емпирични методи.
6. АНАЛИЗ НА ПОЛУЧЕНИТЕ ДАННИ
6.1. ГЛАВНА ИНФОРМАЦИЯ
Ориз. 6.1 Типични начини за показване на теоретични и експериментални зависимости в началния етап на анализа: а при показване на зависимостта от една променлива, т.е. y f (x): 1 теоретична крива, 2 експериментална крива; b при показване на зависимост от две променливи от тип y f (x 1 , x 2 ).
Първата стъпка в анализа на получените данни, като правило, е тяхното систематизиране чрез представяне на тези данни под формата на таблици, карти, каталози и особено тяхната графична интерпретация под формата на графики, диаграми, картограми и др. Прави се предварителна визуална оценкапостроени графики, излагат се съответните хипотези, очертават се по-нататъшни етапи на анализа. Обикновено на този етап изследователят изгражда двуизмерни графики като тези, показани на фиг. 6.1, включително при разглеждане на зависимостта от две променливи, тъй като оксанометричните изображения са сложни и неудобни за предварителен анализ. Зависимостта от две променливи y \u003d f ( x 1, x 2 ) обикновено се представя от графика, в която влиянието на една от променливите се показва като серия от криви, съответстващи на различни фиксирани стойности на тази променлива. На фиг. 6.1b това са стойностите x 2 \u003d C 1, x 2 = C 2, x 2 \u003d C 3, x 2 \u003d C 4.
За удобство на анализа е желателно да се спазва старото правило за показване на получените данни: теоретичните резултати са представени с линия, без да се подчертават отделни точки върху нея, които са резултатите от изчислението (ред 1 на фиг. 6.1a), докато експерименталните резултати се показват със система от точки (или други прости фигури), през които се изчертава обобщаваща линия - апроксимираща крива (пак там, ред 2). Представяне на линии чрез свързване на точки една към друга, както е направено на фиг. 6.1 е валиден само при малък спред или при много малък брой точки. В повечето случаи апроксимиращата линия трябва да се начертае не през конкретни точки, а през техните „центрове на тежест“ във всеки интервал на промяна на независимата променлива (за повече подробности вижте раздела за регресионен анализ).
Както вече беше отбелязано, при анализирането на резултатите от експериментите е необходимо специално внимание и безпристрастност при оценката на получените данни. Възгледите на самия експериментатор потвърждават или опровергават резултата от експеримента, вниманието към такъв резултат трябва да бъде същото, особено при малък брой такива данни.
Основният проблем на първите етапианализ на експериментални данни е, че в много случаи е много трудно да се разграничи закономерността от случайността. За да се сведат до минимум грешките от този тип, т.е. да се интерпретират правилно експерименталните данни и да не се бърка случайността с редовността, се използват методи на математическата статистика.