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 
1 

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. Ковалевский. – 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: 
x отраслям знаний – естественные науки (о природе), технические науки, 
общественные науки; 
x научным дисциплинам – математика, физика, сопромат, теория автомобиля и т. д.; 
x 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: 
x непосредственная связь с производством – технический прогресс опирается на развитие науки, наука оснащается за счет развития производства; 
9 

x резкое ускорение темпов развития науки в связи с колоссальным увеличением накапливаемых знаний; 
x создание новых форм и средств систематизации и передачи информации; 
x тесное взаимодействие и взаимопроникновение наук; 
x 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 аб10