ОПЫТ, ОПЫТЫ И ГРАФИКИ

Дмитрий Александрович Боев, ЦИАМ

 

Руками никогда нигде не трогай ничего.
Не впутывайся ни во что и никуда не лезь.
В сторонку молча отойди, стань скромно в уголке
И тихо стой, не шевелясь, до старости своей.
(Г. Остер, "Вредные советы")
.

С самого рождения мы постоянные участники великой и не всегда удачной для нас игре "Мы и мир". Хотим - не хотим, а приходится. И вот в ней-то главное - не результат (он-то как раз, увы, заранее известен), а процесс. Именно в столкновении с реальностью происходило и происходит накопление человеком жизненного опыта. Все мы, живые существа, в течении жизни ставим в этой игре опыты над природой и собой - частью той же природы - с тем, чтобы попытаться понять, на какие воздействия и как реагирует окружающая среда. И что нам, соответственно, за это может быть. Недаром слово "опыт" в смысле "эксперимент" звучит так же, как и накопленный человеком результат осознания этих экспериментов. Неосознанный опыт, который в сознании в виде логично-объяснимых конструкций не отложился, обычно именуется "интуицией" и также используется в качестве основы для жизненного поведения. Тем живое и выделяется из всей остальной (неживой) природы, что постоянно накапливает и приумножает эти "результаты столкновения с реальностью", в результате чего и возможно более-менее целенаправленное поведение. Мы, таким образом, всегда живем в двух мирах - в одном, внешнем, действуем, а в другом, внутреннем, который построили сами же в собственной голове в результате этих "экспериментов", планируем дальнейшие действия и оцениваем их результат (считаем синяки и шишки). Несовпадение этих двух миров и есть та "вероятность", которую мы по недомыслию решили считать свойством окружающего мира. На самом деле эта стохастика - не более чем уровень непонимания закономерностей внешнего, реального мира (если кому-то требуются подтверждения Авторитетов - они в статье "Турбулентность Леонарда Эйлера" во 2-м номере этого года). В отдельных случаях это непонимание можно считать в процентах. И чем меньше наш жизненный опыт, тем менее вероятен ожидаемый результат наших действий, то есть тем меньше процент вероятности.

Крутящий момент у дизеля с наддувом

Все сказанное в виде частного случая, включает и эксперимент научный, сознательно поставленный с познавательной целью. Ему присущи, следовательно, все плюсы и минусы нашего подхода к жизни и способа существования в ней. Любой эксперимент - решение какой-то заранее более или менее определенной задачи взаимодействия среды и какого-то выделенного из нее объекта. Но надо всегда помнить, что поскольку мы сами тоже часть природы, то любой наш эксперимент включает и нас самих в качестве объектов. Иначе: эксперимент проводится также и над экспериментатором, более точно - над тем самым нашим пониманием мира, о котором говорилось выше. Дело в том, что даже если мы физически и не участвуем в эксперименте, то в любом случае, занимаемся осмыслением его хода и результатов. Потому, результат может настолько отличаться от ожидаемого, что формальный постановщик эксперимента - человек - не в состоянии будет объяснить, что же это такое вышло. Иногда, таким образом совершаются открытия, но чаще - просто возникают конфликты со снабженцами и непосредственным руководством по поводу списания потраченных неизвестно на что средств.

Ясно, что одной из основных задач любого эксперимента всегда была и остается проверка правильности теоретических предположений, на основе которых этот эксперимент был осуществлен. Впрочем, в явном виде такая задача может и не стоять, но предположения типа "а что будет, если…" - тоже постановка задачи. А там уже - как повезет.

Принято различать прямую и обратную задачи при работе с экспериментальным материалом. Коротко можно сформулировать так: Прямая задача: определение параметров среды при известном воздействии на нее объекта эксперимента. Обратная задача: определение поведения объекта эксперимента по определенным параметрам среды, в которой он находился.

Надо сказать, что очень редко сам по себе эксперимент является самоцелью. Чаще всего его ставят все-таки для того, чтобы использовать результат для проверки чего-то либо придуманного, либо полученного ранее. Потому, очень и очень редко результирующие графики строят по исходным, полученным непосредственно в эксперименте параметрам. Это происходит по большей мере потому, что условия эксперимента все-таки модельные (то есть вообще-то близки к действительности, но не полностью ей соответствуют, на деле - в каждом опыте - свои). Для сравнения результатов экспериментов, полученных в разное время и в разных условиях над одними и теми же или однотипными объектами, следовательно, требуется приводить результат к каким-то общим условиям. Методов такого приведения человечество накопило множество. В газовой динамике, например, около десятка формул приведения: по скорости потока, по геометрии, по плотности среды, по ее вязкости - да много еще по чему. За каждой из них - тысячи экспериментов и годы осмысления и теоретических разработок.

Типичная суммарная характеристика крутящего момента у дизеля с наддувом

Человечество накопило большой багаж методик постановки задач и организации эксперимента. Правда, как теоретики литературы утверждают, что весь спектр беллетристического багажа человечества можно свести к семи основным сюжетам, а прочее - вариации на тему, так и здесь: общие принципы на самом деле тоже одинаковы - будь вы Павлов со своими собаками или Курчатов у реактора. Какая бы из двух основных задач ни решалась, главное - постараться заранее (априорно, то есть "до опыта") попытаться понять, что представляет собою объект, поведение скольких из его независимо изменяющихся параметров мы можем наблюдать и в связи с изменением чего именно они, собственно, меняются. И желательно, конечно, избавиться от всякого рода неучитываемых факторов, которые не относятся к тому, что мы, собственно пытаемся измерить. Это скромное, на первый взгляд, пожелание делает эксперимент все сложнее и дороже, особенно с увеличением его точности и информативности. Затраты на эксперимент при увеличении, скажем точности определения параметров, растут экспоненциально.

И не менее важно разобраться: каким образом изменение одних параметров влияет на другие. В общем случае это неопределимо ни до опыта, ни после. Традиционно из этого положения выходят, заставляя изменяться какой-то один из параметров и поддерживая в неизменности прочие. Таким образом и получаются привычные для нас характеристические кривые, в которых эффект изменения параметра связан с изменением определенной исходной величины. На самом деле, поставленная Вами задача имеет столько измерений, сколько было реально измеряемых при эксперименте параметров. Другое дело, что изменения многих отдельно замеряемых параметров коррелированны и взаимосвязаны, поскольку вызваны одними и теми же физическими процессами. Например - измерения температуры в нескольких точках по окружности на одном сечении трубопровода. Характеристики, построенные по ним, изменяются эквидистантно и ничегошеньки-то не прибавят к пониманию процесса. Посему, обычно, такие независимые измерения используют для взаимного контроля друг друга и определения случайных (или наведенных аппаратурно) выбросов, либо, учитывая возможный инструментальный разброс, каким-либо образом осредняют измеренную величину. Таким образом, вместо ряда идентичных величин получают одну общую. Это дает возможность честному экспериментатору приблизить описание процесса, построенного по результату эксперимента, к реально проходящим процессам, а не очень честному - выбросить все не попадающие под теоретические построения точки из рассмотрения и приблизить наблюдаемый результат к теоретическому описанию процесса. Такая практика сильно убыстряет получение экспериментальной части диссертационной работы и уменьшает количество ехидных вопросов оппонентов.
Но если мы фиксировали все, что только можно было и старались отслеживать поведение результирующих функций в результате изменения одного какого-то параметра, то и появляется характеристические кривые изменения одного по другому. Например, характеристика у двигателя с турбонаддувом при определенном значении перепуска воздуха. Но при других (столь же постоянных) величинах перепуска эта характеристика будет иметь уже иной вид, на третьих - третий и т.д. Так появляются графики с расслоением характеристик, также привычные нам. Но ведь на самом-то деле это расслоение - ни что иное, как срезы характеристических поверхностей плоскостями. В нашем случае, это плоскости со значениями перепуска = const.

И так - с любыми расслаивающимися характеристиками.

Это настолько привычно, что мы не задумываемся о том, что и такая характеристическая поверхность - просто трехмерный срез той самой многофакторной характеристики, которая суммарно и описывает поведение объекта исследования. При этом, количество действующих факторов и является размерностью характеристики. Достойно изобразить это (увы!) невозможно, но понять, а тем более оперировать в эпоху работы с многомерными массивами данных - вполне.

Так что, на самом деле, для настоящего специалиста главное, чтобы во время проведения работ не изменялись условия взаимодействия составляющих частей испытуемого объекта, или изменялись эквидистантно (или иначе - взаимозависимо). Остальное он сделает сам. Имея такую многомерную характеристику объекта построить в ней уже знакомые нам графики зависимости - с расслоением характеристик или без - дело техники. И, конечно, математики.