Основы научного исследования в технике


    В. И. Ковалевский










            ОСНОВЫ НАУЧНОГО ИССЛЕДОВАНИЯ В ТЕХНИКЕ


Монография

3-е издание, переработанное и дополненное











Москва Вологда «Инфра-Инженерия» 2021

УДК 621.01:001.891
ББК 72.4(2)+30с
     К56



Рецензент:
доктор технических наук, профессор кафедры автосервиса и материаловедения Кубанского государственного университета Ю. Д. Шевцов







       Ковалевский, В. И.
К56       Основы научного исследования в технике : монография / В. И. Кова      левский. - 3-е изд., перераб. и доп. - Москва ; Вологда : Инфра-Инженерия, 2021. - 272 с. : ил., табл.
           ISBN 978-5-9729-0720-5

     Приведены понятия, определения и методы научного исследования в области технических наук. Рассмотрены основные этапы проведения научнотехнического исследования. Изложены математические методы и даны понятия об аналитическом исследовании, моделировании, теории подобия, условиях и критериях механического подобия. Особое внимание уделено экспериментальным исследованиям, рандомизации и методике. Кратко изложены основы вероятностно-статистических методов в научно-технических исследованиях и современных методов обработки результатов измерений.
     Для аспирантов, научных и инженерно-технических работников производств. Может быть полезно студентам технических вузов.


УДК 621.01:001.891
                                                           ББК 72.4(2)+30с








ISBN 978-5-9729-0720-5

© Ковалевский В. И., 2021
     © Издательство «Инфра-Инженерия», 2021
                            © Оформление. Издательство «Инфра-Инженерия», 2021

    СОДЕРЖАНИЕ


ВВЕДЕНИЕ............................................................ 5

1. МЕТОДОЛОГИЯ НАУКИ И НАУЧНОЕ ЗНАНИЕ............................... 7
1.1. Понятие о науке и ее системная характеристика.................. 7
1.2. Основные методы научного познания и исследования.............. 13
1.3. Научное исследование. Классификация и структура............... 18
1.4. Постановка научной проблемы................................... 23
1.5. Изучение и анализ научной информации. Разработка рабочей гипотезы.................................. 29

2. ТЕОРЕТИЧЕСКОЕ ИССЛЕДОВАНИЕ...................................... 33
2.1. Задачи и основные методы теоретического исследования ......... 33
2.2. Математические методы и аналитическое исследование ........... 35
2.3. Понятие о моделировании в научном исследовании................ 40
2.4. Условия и критерии механического подобия...................... 43

3. ЭКСПЕРИМЕНТАЛЬНОЕ ИССЛЕДОВАНИЕ ................................. 51
3.1. Типы экспериментов. Вычислительный эксперимент ............... 51
3.2. Содержание, методика, последовательность экспериментального исследования ................................... 58
3.3. Постановка задачи эксперимента в научно-техническом исследовании   62
3.4. Планирование эксперимента..................................... 67
3.5. Процедура рандомизации плана эксперимента .................... 71

4. МЕТОДИКА ИЗМЕРЕНИЙ И СРЕДСТВА ЭКСПЕРИМЕНТАЛЬНОГО ИССЛЕДОВАНИЯ ................................... 75
4.1. Точность измерений. Основные понятия и определения............ 75
4.2. Характеристика оборудования и средств измерений .............. 82
4.3. Преобразователи и датчики для измерения механических величин . 89
4.4. Организация и методика проведения измерений................... 96

5. ВЕРОЯТНОСТНО-СТАТИСТИЧЕСКИЕ МЕТОДЫ
В НАУЧНО-ТЕХНИЧЕСКОМ ИССЛЕДОВАНИИ ................................ 100
5.1. Элементы теории вероятностей математической статистики ...... 100
5.2. Предельное распределение и законы распределения случайных величин ................................................ 109
5.3. Законы распределения непрерывных случайных величин .......... 115
5.4. Статистическая оценка результатов экспериментального исследования .................................. 125
5.5. Использование программ MathCAD в исследованиях случайных величин ................................................ 135

6. ОБРАБОТКА РЕЗУЛЬТАТОВ ЭКСПЕРИМЕНТАЛЬНОГО ИССЛЕДОВАНИЯ ..................................................... 144
6.1. Вероятностно-статистическая обработка результатов измерений. 144


3

6.2. Графическая обработка результатов измерений............. 153
6.3. Математическая обработка результатов измерений. Подбор эмпирических формул .................................. 158
6.4. Регрессионный анализ. Оценка адекватности теоретических решений........................................ 166
6.5. Регрессионный анализ с помощью программы MathCAD ....... 173

7. ПРИМЕРЫ НАУЧНОГО ИССЛЕДОВАНИЯ............................. 179
7.1. Исследование давления автомобильного колеса на опорную поверхность ...................................... 179
7.2. Исследование точности механической обработки заготовок.. 185
   7.2.1. Общие понятия об инженерном экспериментальном исследовании...............................................185
   7.2.2. Погрешности механической обработки заготовок и законы их распределения................................. 186
   7.2.3. Статистическая обработка результатов измерений .... 189
   7.2.4. Статистическая оценка точности механической обработки заготовок.......................... 194
7.3. Ресурсные испытания конических редукторов .............. 200

8. ОСНОВЫ ПАТЕНТОВЕДЕНИЯ..................................... 209
8.1. Законодательство в области изобретательства и патентоведения............................................. 209
8.2. Оформление патентов. Характеристика изобретения ........ 218
8.3. Авторы изобретения и патентообладатели.................. 224
8.4. Международная патентная классификация................... 232

9. ОФОРМЛЕНИЕ РЕЗУЛЬТАТОВ НАУЧНО-ИССЛЕДОВАТЕЛЬСКОЙ РАБОТЫ.............................. 239
9.1. Виды информации о результатах научного исследования .... 239
9.2. Оформление научно-исследовательской работы ............. 244
9.3. Порядок присуждения ученых степеней и требования к диссертациям .... 250
9.4. Научно-техническая информация в Российской Федерации.... 259

ЗАКЛЮЧЕНИЕ .................................................. 263

СПИСОК ЛИТЕРАТУРЫ............................................ 265

ПРИЛОЖЕНИЕ .................................................. 267


4

    ВВЕДЕНИЕ


      Уровень развития любой страны, ее авторитет и уважение в мире в большой степени определяются достигнутым ею уровнем технического прогресса. Предполагается при этом, что целью технического прогресса является повышение производительности труда, создание и повышение эффективности использования материалов, машин и технологий. Уровень технического прогресса непосредственно зависит от научных достижений и их реализации в производстве. Очевидно, научно-технический прогресс создается и осуществляется интеллектуальной деятельностью ученых, магистров и инженеров различных специальностей.
      Современный инженер (магистр, специалист), в какой бы отрасли производства он ни работал, должен иметь высокую не только общенаучную и профессиональную подготовку, но и знать основные положения, связанные с организацией, постановкой и проведением научных исследований в технике. Без такой подготовки невозможна самостоятельная творческая работа и внедрение новейших, прогрессивных научных достижений при создании объектов новой техники и совершенствовании производственных процессов. В связи с этим Государственные образовательные стандарты (ГОС) высшего профессионального образования по многим направлениям подготовки специалистов предусматривают научно-исследовательскую работу (НИР) в качестве одного из видов профессиональной деятельности выпускников вузов.
      В соответствии с квалификационными требованиями выпускники технических вузов и, особенно, начинающие научную деятельность должны иметь представление о возможностях современных научных методов при решении задач научно-технического содержания, возникающих при выполнении профессиональных функций. Должны знать методы исследований, планирования, проектирования и проведения теоретических и экспериментальных исследований, вероятно-статистические методы обработки и объективной оценки результатов измерений и наблюдений. По этой причине в монографии особое внимание уделяется анализу методологических и теоретических аспектов научнотехнического исследования, сущности и логики процесса научного исследования.
      В книге обобщена и систематизирована необходимая информация, связанная с организацией НИР, - от выбора, обоснования и формулирования темы

5

НИР до ее защиты. Изложены методологические основы науки и научного знания, рассмотрены некоторые понятия и методы научного исследования в области технических наук. Дана системная характеристика науки, классификация и структура научного исследования. Достаточно подробно освещены этапы его проведения: выбор направления исследования, постановка научной проблемы, изучение и анализ научной информации, разработка рабочей гипотезы, теоретическое и экспериментальное исследование. Приведены сведения о методах теоретического исследования. Рассмотрены математические методы и даны понятия об аналитическом исследовании, моделировании, теории подобия, условиях и критериях механического подобия. Особое внимание уделено экспериментальным исследованиям и, в частности, планированию эксперимента и его рандомизации, методике, технике и средствам измерений. В кратком изложении даны основы вероятностно-статистических методов в научно-технических исследованиях и методов обработки результатов измерений и наблюдений, в том числе с использованием компьютерных технологий и программ.
      Научно-технический прогресс тесно связан с изобретательской деятельностью, которая непосредственно зависит от достижений науки. В связи с этим в монографии изложены общие вопросы патентоведения, изобретательства, правовой охраны и использования объекты интеллектуальной собственности, включая объектов промышленной собственности. Приведена структура, правила оформления, порядок подачи и экспертизы заявок на изобретения. Дана общая характеристика и виды научно-технической информации, особое внимание уделено содержанию и использованию патентной информации. Рассмотрены виды информации по результатам научного исследования, приведены правила и рекомендации по оформлению и представлению научно-исследовательской работы.
      В книге приведены важные для исследователей сведения о действующем порядке присуждения ученых степеней, общие положения и критерии, которым должны соответствовать диссертации на соискание ученых степеней магистра, кандидата и доктора наук.
      Монография может служить учебным пособием, методическим и практическим руководством при изучении основ научных исследований в технике и при организации и выполнении научно-исследовательских работ.
      В книге использована научная, учебная и методическая литература, которая полностью приведена в библиографии. Ссылки же сделаны лишь на литературные источники, конкретные сведения из которых необходимы для практического применения.

6

ГЛАВА 1



            МЕТОДОЛОГИЯ НАУКИ И НАУЧНОЕ ЗНАНИЕ


    1.1. Понятие о науке и ее системная характеристика

     Наука является основной формой человеческого познания. Занятие наукой стало актуальным с древних времен.
     Наука представляет собой особую сферу приложения целенаправленной интеллектуальной деятельности человека, основной задачей которой является получение и освоение новых знаний, создание новых методов и средств для решения этой задачи. Сложность и многогранность науки привели к тому, что в литературе о науке встречается большое число определений понятия науки. Сегодня нет однозначного определения науки, в литературе их насчитывается более 150. Широко распространено следующее определение.
     Наука - это творческая деятельность по получению нового знания и результат такой деятельности, знания, приведенные в целостную систему на основе определенных принципов, и процесс их производства.
     В учебнике В. А. Канке «Философия. Исторический и систематический курс» дано следующее определение: «Наука - это деятельность человека по выработке, систематизации и проверке знаний. Научным является не всякое знание, а лишь хорошо проверенное и обоснованное».
     Каждое из определений содержит основные функции науки: познавательную и практическую, позволяющие говорить о науке как о системе ранее накопленных знаний, являющихся основой дальнейшего познания объективной действительности и приложения познанных закономерностей в практике. Естественно, что развитие науки осуществляется деятельностью людей и соответствующих учреждений. Поэтому целесообразно остановиться на следующем определении науки.
     Наука - сфера человеческой деятельности, направленной на выработку и систематизацию объективных знаний о действительности. Это понятие включает в себя как деятельность, направленную на получение нового знания, так и результат этой деятельности - сумму полученных к данному моменту научных знаний образующих в совокупности научную картину мира.


7

     Непосредственные цели науки - теоретическое отражение действительности, т. е. описание, объяснение и предсказание процессов и явлений действительности, которые составляют предмет ее изучения, на основе открываемых ею же законов. Законы материалистической диалектики являются фундаментом общего теоретического синтеза науки, на котором базируются три основные области знания - о природе, обществе и мышлении.
     Творчество - это особый вид интеллектуальной деятельности человека, направленной на создание качественно новых ценностей, отличающихся неповторимостью, оригинальностью и может иметь место в любой сфере деятельности человека.
     Техническое (инженерное) творчество имеет прикладные цели и направлено на удовлетворение практических потребностей общества. Это поиск и решение задач в области техники на основе использования научных достижений. Системная характеристика науки схематично представлена структурной схемой на рисунке 1.1.


Рис. 1.1. Системная характеристика науки

8

      Технические науки - это специфическая система знания о целенаправленном преобразовании природных тел и процессов в технические объекты, о методах конструктивно-технической деятельности, а также о способах функционирования технических объектов в системе общественного производства. Современное общество во всех видах его деятельности развивается под влиянием науки и техники. Все формы физического и умственного труда (машиностроение, транспорт, строительство, связь и т. д.) испытывают на себе преобразующее действие научно-технического прогресса.
      Система научных знаний в виде научных понятий, гипотез, законов, теорий и идей, дающих возможность предвидеть события, зафиксирована в книгах, журналах, электронных изданиях и других видах публикаций. Она классифицируется по следующим признакам:
      • отраслям знаний - естественные науки (о природе), технические науки, общественные науки;
      • научным дисциплинам - математика, физика, сопромат, теория автомобиля и т. д.;
      • результатам научной деятельности - публикации, диссертации на соискание ученых степеней, авторские свидетельства, патенты, конструкторские разработки, компьютерные программы и т. п.
      Научная деятельность, научная работа, - это творческая деятельность, направленная на получение, освоение, переработку и систематизацию новых научных знаний, их дальнейшее углубление, воплощение достижений науки в жизни людей. Развитие науки связано с превращением познавательной деятельности в специфический род занятий особой группы людей, созданием научных учреждений, экспериментального и лабораторного оборудования. Наука оказывает развивающее и стимулирующее воздействие на материальное производство, и другие сферы общественной жизни. В связи с этим научный подход в развитии материального производства, в сфере управления и в системе образования совершенно необходим. Особое место науки в обществе вызывает необходимость ее развития опережающими, более высокими темпами, чем других областей деятельности.
      Научные учреждения характеризуются признаками, перечисленными в схеме на рисунке 1.1, и занимаются организацией научной деятельности. К научным учреждениям относятся научно-исследовательские институты, университеты, лаборатории, научные подразделения предприятий и организаций.
      Характерные черты современной технической науки:
      • непосредственная связь с производством - технический прогресс опирается на развитие науки, наука оснащается за счет развития производства;

9

      • резкое ускорение темпов развития науки в связи с колоссальным увеличением накапливаемых знаний;
      • создание новых форм и средств систематизации и передачи информации;
      • тесное взаимодействие и взаимопроникновение наук;
      • системный подход к научному исследованию и его объекту, позволяющий не только выявить строение и свойства исследуемого объекта, но и выявить и понять связи его частей и подсистем и их функции, свести их в единую теоретическую картину.
      Определение науки и ее характеристика базируются на взаимосвязанных методологических понятиях таких, как научное знание, познание, теория, исследование, система и других, требующих хотя бы краткого рассмотрения.
      Знание - это проверенный практикой результат познания действительности, верное ее отражение в сознании человека. Главные функции знания -обобщение разрозненных представлений о законах природы, общества и мышления и хранение в обобщенных представлениях всего, что может быть передано в качестве устойчивой основы практической деятельности. Знание является продуктом общественной деятельности людей, направленной на преобразование действительности.
      Познанием называется процесс движения человеческой мысли от незнания к знанию. Познание вырастает из практики, которая является началом, исходным пунктом и одновременно естественным завершением всякого процесса познания. Иначе, познавательная деятельность человека вызвана практикой и направлена на практическое овладение действительностью. Процесс познания практически бесконечен, поскольку в процессе познания возникают новые проблемы и задачи, которые были подготовлены и поставлены предшествующим развитием научной мысли. Решая эти задачи и проблемы, наука должна опережать практику и таким образом сознательно направлять развитие не только материального производства, но и всех других сфер деятельности.
      Различают два вида познания: чувственное и рациональное.
      Чувственное познание является следствием непосредственной связи человека с окружающей средой через ощущения, восприятие, представление и воображение.
      Рациональное познание - это опосредованное и обобщенное отражение в мозгу человека существенных свойств, причинных отношений и закономерных связей между объектами и явлениями. Рациональное познание дополняет и опережает чувственное, способствует осознанию сущности процессов, вскрывает закономерности развития. Формой рационального познания является аб

10

страктное мышление, логичные рассуждения человека, элементами которых являются понятия, суждения, умозаключения.
     Процесс познания идет от научной идеи к гипотезе, которая впоследствии, в результате проработки и сопоставления с действительностью, может превратиться в закон или в теорию.
     Идея - новое интуитивное объяснение события или явления; определяющее стержневое положение в теории.
     Научная идея - интуитивное объяснение явления без промежуточной аргументации. Она вскрывает ранее не замеченные закономерности явления, основываясь на уже имеющихся о нем знаниях. Это основная, главная линия, замысел, определяющий содержание чего-нибудь, мысль, намерение, план.
     Гипотеза - это требующее проверки и доказывания предположение, объясняющее наблюдаемые явления, результаты опытов, структуру исследуемых объектов, характер внутренних и внешних связей структурных элементов. Гипотеза является предположительным суждением о причине, которая вызывает данное следствие, форма развития науки. Она всегда выходит за пределы известных фактов и является направляющей основой проведения теоретических или экспериментальных исследований.
     Научная гипотеза должна отвечать следующим требованиям: относиться к тем фактам, на которые она опирается; иметь возможность проверки опытным путем сопоставления с данными наблюдения или эксперимента (исключение составляют непроверяемые гипотезы); не противоречить существующим научным знаниям; обладать объяснительной силой, т. е. из гипотезы должно выводиться некоторое количество не противоречащих ей фактов, следствий; должна быть простотой и не содержать никаких произвольных допущений, субъективистских наслоений.
     Известный философ Карл Поппер следующим образом показал, как между собой соотносятся гипотеза и теория:
     1)       в основании теории находятся гипотезы (предположения): научные гипотезы всегда остаются гипотезами, ибо их истинность нельзя доказать;
     2)       из гипотез по законам дедукции выводят предложения, которые можно сопоставить с фактами, - теория;
     3)       из сопоставления может быть два результата: 1 - предложения не противоречат фактам, тогда теория продолжает жить, признается работоспособной и правдоподобной, 2 - предложения теории опровергаются фактами, тогда теория признается ложной, она отвергается, и продолжается поиск новой теории.
     Гипотезы, это попытки разрешить научную проблему путем «очной ставки» содержания гипотезы (т. е. предположения) с экспериментальными фактами. Факты «экзаменуют» теорию на прочность (годится - не годится).

11

     Если гипотеза согласуется с наблюдаемыми фактами, то она в дальнейшем может быть развита в закон или теорию.
     Опровергнуть гипотезу нельзя. Опровергнуть можно только утверждение (в виде теории), поскольку гипотеза ничего не утверждает, она всего лишь предполагает. Единственно, что можно сделать, так это показать, что результат наблюдений, факты не противоречат некоторой рассматриваемой гипотезе, т. е. предположению.
     Закон - это объективная, существенная, внутренняя, необходимая и устойчивая связь между явлениями, процессами. Законы - в науке выражают общие отношения, связи, присущие всем явлениям данного рода, класса, могут быть классифицированы по различным основаниям. Так, по основным сферам реальности можно выделить законы природы, общества, мышления и познания; по объему действия - всеобщие, общие и частные.
     Закон носит объективный характер и существует, независимо от сознания людей. Познание законов составляет главную задачу науки.
     Теория - это форма научного знания, дающая целостное представление о закономерностях и существенных связях действительности. Она является результатом обобщения познавательной деятельности и практики и заключает в себе не только знания основных законов, но и объяснение фактов на их основе. Теория является наиболее развитой формой обобщенного научного знания, овладев которой можно открывать новые законы, прогнозировать и предсказывать будущее. Теории классифицируют по предмету исследования. По этому основанию различают математические, физические, химические, социальные, психологические, этические и прочие теории.
     Структуру теории составляют: факты, принципы, понятия, аксиомы, законы, научные положения, учения, идеи и другие элементы.
     Факт - это научно-конкретное и единичное, в отличие от абстрактного (общего). Сами факты по себе становятся частью научных знаний лишь в систематизированном обобщенном виде. В технических науках понятие «факт» употребляется в нескольких значениях: знание о каком-либо событии, явлении, достоверность которого доказана (истина); предложение, фиксирующее знание, полученное в ходе наблюдений и экспериментов.
     Факт - это важнейшее понятие в научном исследовании.
     Научное положение - это сформулированная мысль в виде научного утверждения.
     Понятие - это мысль, отражающая существенные и необходимые признаки определенного множества предметов или явлений. Например, понятие электропроводности, пластичности металлов. Понятие отражает существенные свойства, связи и отношения предметов и явлений.

12