З метою підвищення точності та зменшення обсягу експеримен-тальних досліджень останнім часом застосовують математичну тео-рію експерименту. В цьому випадку методологія експерименту скла-дається з таких етапів:

1) розробка плану-програми експерименту;

2) оцінка вимірювання і вибір засобів для проведення експерименту;

3) математичне планування експерименту з одночасним проведен-ням експериментального дослідження, обробкою і аналізом отриманих даних. Але що ж таке експеримент?

Експеримент — це найбільш важлива складова частина науко-вого дослідження, один із основних засобів отримання нових науко-вих знань. Експеримент — це науковий дослід або спостереження того чи іншого явища в умовах, які дозволяють стежити за його о-ходом, керувати ним, відтворювати його результати кожного разу при повторенні конкретних умов. Метою експерименту може бути перевірка теоретичних положень (підтвердження робочої гіпотези), а також більш глибоке вивчення теми наукового дослідження.

Експерименти розподіляють на: а) природні та б) штучні.

Природні (натуральні) експерименти, головним чином, прита-манні вивченню соціальних явищ (соціальний експеримент).

Щодо штучних експериментів, то вони застосовуються, як пра-вило, у природничих науках.

Розрізняють лабораторні та виробничі експериментальні до-слідження.

При проведенні лабораторних досліджень застосовують типові прилади, спеціальні моделюючи пристрої, стенди, обладнання, що дозволяє найбільш повно і якісно вивчати вплив одних характерис-тик на зміну інших. «Золотим» правилом експериментатора є таке положення: «При проведенні експерименту можна змінювати лише одну умову !..»

Яскравим прикладом «творчої» методології експериментальних фізичних досліджень є праці А. Ф. Іоффе і П. Л. Капиці.

Далі наведемо приклад використання методології експеримен-тального дослідження у процесі визначення регулярних формозмін деформованого твердого тіла, виконаного одним із авторів даного посібника.

Останнім часом особливий інтерес дослідників викликають тер-модинамічні системи, в яких під дією зовнішніх збуджень безладний хаотичний рух елементів системи переходить в упорядкований. Та-кий перехід здійснюється внаслідок самоорганізації сильно нерівноважної системи і може супроводжуватися формуванням так званих стаціонарних дисипативних структур: у хімії — це реакція Бєлоусова-Жаботинського, в гідродинаміці утворення регулярних прос-торових структур (ґраток Бенара) та вихорів Тейлора, в астрофізи-ці — спіральні галактики, у фізиці магнітних явищ — формування упорядкованості доменної структури та ін.

У фізиці міцності й пластичності регулярний деформаційний мікро- і макрорельєф виявлено при асиметричному вигині грубозер-нистого кристала алюмінію і знакозмінному (циклічному) згині пружного монокристала кременистого заліза. А при електроімпульсному навантаженні каліброваного мідного мікро дроту було зареєст-ровано регулярну формозміну останнього — чергування напливів і перетяжок. Утворення, виявлення і вивчення регулярного деформа-ційного мікро- і макрорельєфу стало можливим завдяки застосуван-ню оригінальної методології експериментальних досліджень. Розро-бка наукового «інструментарію» полягала у наступних кроках про-ведення дослідницької роботи.

1. Удосконалення рентгенографічної методики виявлення та вивчен-ня ротаційних мод пластичності, що з'являються на поверхні й усередині монокристалічних зразків. Теоретичне обґрунтування базувалося на необхідності поєднання принципу рентгенівського власного збільшення з методом реперів Ровинського-Вадевиця з метою отримання аналітичного виразу для розрахунку глибини (висоти) кристалографічного деформаційного рельєфу. Це дозво-лило провести розробку принципової рентгенооптичної схеми профілографа й створення діючого макету цього приладу.

2. Розробка таких способів пластичного деформування металів, які дозволятимуть з великою повторюваністю результатів отри-мувати регулярні формозміни на поверхні й усередині зразків правильної геометричної форми: а) деформацію згину й розтяг-нення — для кристалічних пластин і б) деформацію стиснення дроту вздовж вісі шляхом електроімпульсного навантаження (пінч-ефект).

Дослідження дисипативних структур, які виникають при деформа-ції монокристалічних пластин, здійснювалося за допомогою розроблених автором методів дифракційної рентгенівської топографії, а вивчення регулярних формозмін дроту (потовщень і перетя-жок) — традиційними методами рентгеноструктурного аналізу, рентгеноспектрального мікроаналізу й електронної мікроскопії.

4. Аналіз отриманих експериментальних даних з точки зору синергетики деформованого твердого тіла.

Якщо пластичну деформацію тлумачити з позицій механіки су-цільного середовища з урахуванням певних для конкретної моделі реологічних її властивостей або з позицій фізики пластичності та міцності на основі дислокаційних і дисклінаційних уявлень, тобто розглядати елементарні акти (етапи) процесів пластичної деформа-ції, то пояснення регулярності формозмін стає неможливим.

Механіка суцільного середовища описує поведінку матеріалу під навантаженням за допомогою інтегральних характеристик сере-довища. В цьому випадку внутрішня структура матеріалу не врахо-вується, тензори напруг і деформацій симетричні, пластична дефор-мація здійснюється лише трансляційним рухом дефектів під дією навантажень. Такий феноменологічний підхід механіки суцільного середовища фізично і математично досить коректний, але його мож-на застосовувати лише для опису інтегральних властивостей макрооднорідного середовища.

Щодо теорії дислокації, то її головне завдання — розкрити ме-ханізм зародження пластичних зсувів, описати поведінку дислока-ційних ансамблів і провести фізичну інтерпретацію феноменологіч-них закономірностей механіки деформованого твердого тіла.

Однак, оскільки теорія дислокацій механічно перенесла до своєї методології схему деформації з традиційної механіки, а тверде тіло під навантаженням розглядається як замкнена система, то теорія дисло-кацій неспроможна описати механізм пластичної течії на мікрорівні.

Всі відомі в науковій літературі схеми пластичної деформації (Закса, Кохсндорфера, Бішопа-Хілла, Ешбі, Тейлора та ін.) будува-лися на різниці комбінацій трансляційних моделей деформації. Кри-сталографічний характер пластичних зсувів тут вимагає введення постулатів певної схеми самоорганізації різних систем ковзання, що забезпечувало б зберігання суцільності деформованого твердого ті-ла. Тому такі схеми неспроможні передбачати реальний механізм пластичної течії.

Як відомо, стан замкненої системи може суттєво відрізнятися від того стану, що описується законами нерівноважної термодинамі-ки. При цьому, починаючи з будь-якої критичної величини збуджен-ня, термодинамічна гілка системи, досягнувши стадії біфуркації, стає нестійкою. Тобто, згідно з І. Пригожиним, система за рахунок несподіваних флуктуацій обирає один із декількох варіантів майбут-нього, оскільки поблизу цих точок флуктуації стають сильними, а стійкість переходить у стан, в якому поведінка системи погоджуєть-ся дією частинок, які до неї входять (рис. 4.1). Чергування стійкості та нестійкості — загальний феномен у еволюції