Diseños Experimentales

DISEÑO EXPERIMENTAL

Los investigadores realizan experimentos virtualmente en todos los campos del saber, por lo general para descubrir algo acerca de un proceso o sistema en particular. Literalmente, un experimento es una prueba o ensayo. Un experimento diseñado es una prueba o serie de pruebas en las cuales se inducen cambios deliberados en las variables de entrada de un proceso o sistema, de manera que sea posible observar e identificar las causas de los cambios en la respuesta de salida.

Entre los objetivos del experimento pueden incluirse:

1. Determinar cuáles variables tienen mayor influencia en la respuesta, y.

2. Determinar el mejor valor de la x que influyen en y, de modo que y tenga casi siempre un valor cercano al valor nominal deseado.

3. Determinar el mejor valor de las x que influyen en y, de modo que la variabilidad de y sea pequeña.

4. Determinar el mejor valor de las x que influyen en y, de modo que se minimicen los efectos de las variables incontrolables z1,z2,...,zq.

Los métodos de diseño experimental tiene un cometido importante en el desarrollo de procesos y en la depuración de procesos para mejorar el rendimiento en muchos casos, el objetivo puede ser desarrollar un proceso consistente o robusto; esto es, un proceso afectando mínimamente por fuentes de variabilidad externas.

He aquí un ejemplo de experimento.

Supóngase que un ingeniero metalúrgico está interesado en estudiar el efecto que tiene sobre una aleación de aluminio dos procesos diferentes de endurecimiento: el templado en aceite y templado en agua salada. En este caso, el objetivo del investigador es determinar cuál de las dos soluciones produce el máximo grado de dureza sobre la aleación mencionada. El ingeniero decide someter un cierto número de probetas de la aleación a cada medio templado, para después medir la dureza de las muestras. La dureza promedio de las probetas tratadas en cada solución servirá para determinar cuál de las dos soluciones es la mejor.

Al pensar en este experimento vienen unas preguntas importantes:

1. ¿Son estas dos soluciones los únicos medios de templado de interés potencial?

2. ¿existen otros factores que puedan afectar la dureza de las muestras y que deban ser investigados o controlados?

3. ¿Cuántas probetas deben ser sometidas a cada solución de templado?

4. ¿en qué forma deben asignarse cada probeta a las soluciones de templado, y en qué orden deben realizarse las mediciones?

5. ¿Qué método de análisis de datos debe utilizarse?

6. ¿Qué diferencia en los niveles promedio de dureza entre las dos soluciones de templado debe considerarse importante?

Estas, y quizá muchas más preguntas, deberán ser contestadas satisfactoriamente antes de llevar a cabo el experimento.

En cualquier experimento, los resultados y conclusiones que pueden obtenerse dependen, en gran parte, de la forma en que los datos fueron recopilados. Para ilustrar este punto, supóngase que el experimento anterior el ingeniero metalúrgico uso probetas de un cierto grado en el templado aceite, y probetas de otro en el templado en agua salada. Ahora bien, cuando se comparan los promedios de dureza, el ingeniero será incapaz de decir cuanta de la diferencia observada se debe a la diferencia de los medios de templado y cuanta depende de la diferencia propia de dichos grados. De esta forma, el método utilizado en la obtención de los datos ha afectado negativamente las conclusiones que pueden deducirse del experimento.

APLICACIONES DEL DISEÑO EXPERIMENTAL

Los métodos de diseño experimental tienen amplia aplicación en muchas disciplinas. En efecto, es posible considerar a la experimentación parte del proceso científico y una de las formas en que aprendemos acerca de la forma en que funcionan los sistemas o procesos. Por lo general este aprendizaje se da a través de una serie de actividades en las cuales hacemos conjeturas acerca de un proceso, realizamos experimentos para generar datos a partir del proceso, y entonces usamos la información del experimento para establecer nuevas conjeturas, que llevan a realizar nuevos experimentos, y así sucesivamente.

El diseño experimental es un medio de importancia crítica en el medio de ingeniería para mejorar el rendimiento de un proceso de manufactura. También se emplea extensamente en el desarrollo de nuevos procesos. La aplicación de técnicas de diseño experimental de una fase temprana del desarrollo de un proceso puede ser resultado:

1. Mejora el rendimiento del proceso.

2. Menor variabilidad y mayor apego a lo requerimiento

3. Menor tiempo de desarrollo.

4. Menores costos globales.

Los métodos de diseño experimental también tienen un cometido importante en las actividades de diseño técnico (o diseño de ingeniería), en las cuales se desarrollan nuevos productos y se mejoran otros ya existentes. Algunas aplicaciones del diseño experimental en el diseño técnico son:

1. evaluación y comparación de configuraciones de diseños básicas

2. evaluación de materiales alternativas.

3. Selección de parámetros de diseño de modo que el producto funcione bien en una amplia variedad de condiciones de campo (de uso real); esto es, de modo que el producto sea consistente (robusto).

El uso del diseño experimental en estas áreas puede dar por resultado productos con mayor fiabilidad y mejor funcionamiento en el campo, menores costos, y menor tiempo de diseño y desarrollo del producto.

ANÁLISIS DE LA VARIANZA (ANOVA)

El análisis de la varianza (ANOVA, Analysis of Variance, según terminología inglesa) es una colección de modelos estadísticos y sus procedimientos asociados, en el cual la varianza está particionada en ciertos componentes debidos a diferentes variables explicativas.

El análisis de la varianza parte de los conceptos de regresión lineal.

El primer concepto fundamental es que todo valor observado puede expresarse mediante la siguiente función:

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