1. Основные законы аэродинамики

1. Основные законы аэродинамики

Жуковский

В природе есть много явлений, наблюдая которые кажется невозможным проникнуть в тайну законов, ими управляющих. Клочок бумаги, брошенный на пол, ложится совсем не там и не так, как ждешь. Орел и ястреб парят в воздухе, не двигая крыльями. Вихри, ветры, ураганы, все явления, происходящие под влиянием сил, возникающих при движении воздуха, долгое время оставались непонятными и необъяснимыми.

То же можно сказать и о явлениях, связанных с движением жидкостей при воздействии на них каких-либо сил. Именно полнейшая неуловимость законов движения воды и особенно воздуха заставляла наших предков относиться к ним как к стихийным силам природы, непостижимым уму и неподвластным человеку.

Самым ярким представителем инженеров, начавших широко и щедро вводить научный метод, внедрять научные основы во все области техники, был Николай Егорович Жуковский (1847–1921). Он был неутомимым, последовательным и самым разносторонним деятелем того переворота в технике и инженерии, благодаря которому научные исследования в настоящее время настолько тесно связаны с новой техникой, что часто составляют единое и неразрывное целое. Именно этой стороной научной деятельности Жуковского можно объяснить, что из огромного числа его учеников подавляющее большинство стало в ряды конструкторов и инженеров и лишь единицы посвятили себя теоретической науке.

Характерная для всех вообще русских ученых и инженеров способность сочетать разработку глубоко теоретических проблем с решением практических задач инженерной техники — самая замечательная черта творческой деятельности Жуковского. Его теории уже в разработке поражают инженерными возможностями даже и тогда, когда теоретическое построение ученого вызывалось еще не прямыми запросами жизни, а являлось лишь плодом пытливой мысли, возбужденной к деятельности тем или иным живым наблюдением.

Скажем, проблема удара гидросамолета о воду при посадке теоретически оказалась разработанной Жуковским в те времена, когда не только о гидросамолетах, но и о самолетах вообще мало кто думал. Гидродинамическую проблему «Об ударе двух шаров, из которых один плавает в жидкости», Жуковский решил еще в 1883 году, положив начало теоретической работой решению узко практического вопроса о посадке гидросамолета.

Теория и методы, не исчерпывающие всех инженерных возможностей, не удовлетворяли Жуковского. Нередко он сам брался за доработку их и шел в этом направлении так далеко, как не смели и мечтать авторы этих методов и теорий.

В разные периоды своей научной деятельности Жуковский занимался и вопросами о прочности велосипедного колеса, и вопросами о наивыгоднейшем угле наклона аэроплана, и вопросом о рациональной форме корабля. С исчерпывающей полнотой и даже с показом механических моделей он отвечал и на вопрос, почему кошки при падении всегда «приземляются» на лапы, и на вопрос, почему из фабричных труб дым выходит клубами, и на тысячу других вопросов, больших и маленьких. Он дал полное объяснение и явлениям кровообращения в человеческом организме, и явлениям кавитации гребного винта. Он делал доклады о парении птиц и о движении прямолинейных вихрей, о сопротивлении воздуха при больших скоростях и о движении вагонов по рельсам, о снежных заносах и о ветряных мельницах, о качке кораблей и о множестве других разнообразных явлений, которые служили ему только поводом для теоретических построений огромного и широчайшего значения.

Помогая везде и всюду не только теоретикам, но и практикам вводить научные основания во все области техники и инженерии, Николай Егорович никогда не делил задачи на большие и маленькие, на важные и неважные. Он делил их только на трудные и простые и предпочитал неизменно браться за трудные, хотя бы они и относились к самым непопулярным в кругах ученых областям техники.

У него мы найдем и теорию движения просеиваемого продукта по поверхности сита, где он рассматривает движение материальной точки на сите под действием центробежной силы и силы трения. В результате этой теории Николай Егорович предложил практикам новую схему подвеса рассева.

У Жуковского мы находим и исследование о «Распределении давлений на нарезках винта и гайки», где Николай Егорович дает приближенное решение очень трудной задачи о распределении давления на нарезках винта и гайки, предполагая, что нарезки подвержены лишь деформации скашивания, а тела винта и гайки — растяжению или сжатию.

С теоретической точки зрения рассматривает Жуковский вопрос «О прочности велосипедного колеса» и ряд других, посвященных практическим проблемам техники: о давлении поршней в двигателях «Гном», о колебаниях паровоза на рессорах, о разрыве поездов и т. д.

Любопытна одна работа Жуковского, характеризующая широту его творческой мысли. Это «Определение скорости движения продуктов горения в заводской трубе по фотографии выбрасываемого дыма». Причина появления клубов дыма заключается в том, что по закону распространения волн от верхней части трубы передается к топке пониженное давление, а от топки к верхнему концу трубы переносится повышенное давление. Поэтому клубы дыма следуют друг за другом тем чаще, чем меньшую длину имеет труба. В этой своей работе Николай Егорович дает простую формулу для вычисления скорости продуктов горения.

Трудно указать такую область теоретической механики, которую оставил без внимания гений Жуковского, в которую он не внес бы своего вклада. Но совершенно естественно, что при его постоянных поисках наитруднейших задач, при его отзывчивости к практическим запросам новейшей техники и инженерии он должен был особенно глубоко и страстно заинтересоваться механикой полета, представлявшего самую трудную и менее всего разработанную проблему науки и техники.

Уже в раннюю пору своей научной работы Николай Егорович не сомневался в возможности осуществления тысячелетней мечты своего народа и всего человечества.

«Птицы летают, почему же человек не может летать?» — говорил он.

Правда, Жуковский начал свою деятельность как гидродинамик, он много занимался вопросами чистой математики, вопросами теоретической и прикладной механики, отзываясь на запросы живой практики. Но время от времени он выступал с докладами и по вопросам воздухоплавания и авиации. После доклада «К теории летания», состоявшегося в 1890 году, и знаменитой работы «О парении птиц», вышедшей в 1891 году, появляется его статья «О наивыгоднейшем наклоне аэропланов».

За одиннадцать лет до того, как поднялся в воздух самолет братьев Райт, Жуковский в статье «О парении птиц» дал объяснения тому, каким образом могут птицы парить в воздухе с неподвижно распростертыми крыльями, и теоретически доказал, что можно построить аппараты для искусственного парения — планеры, которые будут устойчивыми в воздухе и даже смогут совершать мертвые петли.

К этому времени относится следующий эпизод, рассказанный нам старейшим русским летчиком Б. И. Российским.

В том же Денисовском переулке, где он жил и гонял с товарищами голубей, квартировал в то время Жуковский. Почтенный профессор дважды в день гулял по улице со своей охотничьей собакой и неизменно останавливался посмотреть на летающих голубей. Ребята завели знакомство со взрослым бородатым человеком, оказавшимся таким же голубятником, как они сами, и он охотно объяснял им, как птицы летают и почему они изгибают края хвоста при повороте.

Случилось, что у одного из голубей ястреб вырвал клок перьев из хвоста. Для того чтобы хвост вырос ровненько, ребята выщипали у него и остальные перья. К их удивлению, голубь продолжал летать в стае. Естественно, что они обратились за разъяснениями к своему наставнику:

— Вот, голубь-то без хвоста, а кружит со всеми, как хвостатый. Почему это?

Жуковский с величайшим любопытством устремил взор на голубей и тотчас же отличил от остальных бесхвостого, который не делал плавных кругов, как остальные, а, пользуясь крыльями, поворачивался круто, почти под прямым углом. Профессор объяснил ребятам, как перекашиванием концов крыла птица осуществляет креп и поворот при полете. Таким образом, в Денисовском переулке ранней весной 1894 года был решен пионерами воздухоплавания один из самых важных вопросов самолетостроения.

К этим воспоминаниям своего раннего детства Б. И. Россинский присоединяет очень интересную догадку о том, что и мысль о возможности мертвой петли возникла у Жуковского при наблюдении за полетом знаменитых турманов, составляющих гордость всех голубятников.

Турманы принадлежат к замечательной породе домашних голубей, происходящих из Индии, где они культивировались в течение тысячелетий. Как показывает самое их название, турманы отличаются от всех других голубей своеобразным кувырканием на высоком и красивом лете. Это единственная птица в мире, способная совершать мертвые петли, и предположение старейшего русского летчика о том, что именно восхитительное кувыркание турманов побудило Жуковского к теоретическому обоснованию мертвой петли, весьма правдоподобно.

Путь, приводящий к открытию, к установлению закона, не всегда виден в творении ученого. Чаще всего он излагает лишь конечные результаты своей мысли и опыта, ограничиваясь строгим изложением доказательств, удаляя все подмостки, служившие ему для постройки здания, и не давая возможности заглянуть в свою творческую лабораторию.

Однако мы знаем, что в природе, в объективном, вне нас находящемся мире и в нас самих, все органически связано одно с другим, зависит друг от друга, обусловливается одно другим.

Ребята завели знакомство со взрослым бородатым человеком, оказавшимся таким же голубятником, как и они.

Жуковскому, закладывавшему теоретические основы таких совершенно новых наук, как аэромеханика или динамика полета, естественно, приходилось исходить прежде всего из опыта живой природы, которая и была его постоянным учителем.

Доказав в статье «О парении птиц» возможность создания устойчивых в воздухе летательных аппаратов, Жуковский в новой работе, «О наивыгоднейшем наклоне аэропланов», решает задачу о нахождении наивыгоднейшего угла наклона, что имеет основное значение при проектировании самолета.

Таким образом, к тому времени, когда первые полеты состоялись, Жуковский, внимательно следивший за всеми новостями в этом деле, оказался во всеоружии тех знаний, которые нужны были для создания теоретических основ авиации.

Первые самолеты летали с небольшой скоростью, невысоко, держались в воздухе недолго и едва-едва поднимали одного летчика с пассажиром.

Как только были совершены первые робкие полеты на аппаратах тяжелее воздуха, так тотчас же перед наукой стал вопрос, выдвинутый практической авиацией: откуда берется подъемная сила у крыла и, главное, каким теоретическим способом можно ее выразить?

Насколько Жуковский был подготовлен к ответу на этот основной вопрос, видно из того, что уже в 1906 году, через три года после первого полета братьев Райт, в своей работе «О присоединенных вихрях» он дает и правильный ответ на вопрос и формулу, позволяющую произвести точный расчет сил, действующих на крыло.

Статья эта появилась в результате сделанного Жуковским замечательного открытия. Он открыл, что, кроме всех известных типов воздушных течений или течений жидкости, есть еще один тип течения, при котором образуется особенная сила, получившая название «силы Жуковского». Благодаря этому открытию стали понятными все явления, происходящие в воздухе близ летящего тела, была создана полная теория крыла моноплана, началось строительство современных самолетов, имеющих толстое крыло с острой задней кромкой, и авиация получила ту силу и значение, которые теперь всем известны.

Жуковский показал, что механизм образования подъемной силы у крыла иной, чем у пластинки. Наличие подъемной силы обусловлено тут не сопротивлением, а разностью скоростей под крылом и над крылом, или, как говорят, циркуляцией воздушных струй вокруг крыла.

Это открытие Жуковского и до сих пор остается предметом величайшего внимания аэродинамиков во всем мире.

Ученик и ближайший сотрудник Жуковского академик Л. С. Лейбензон вспоминает, что впервые мысль о роли циркуляционных потоков при возникновении силы давления воздуха на находящиеся в нем крылообразные тела возникла у Жуковского осенью 1904 года, при наблюдении полетов воздушного змея. За этим наблюдением последовала догадка, проверке которой Жуковский посвятил два года. После многих опытов и размышлений, убедившись в правильности своего предположения, Жуковский и открыл тот закон, который получил во всем мире его имя.

Жуковский необычайно тонко чувствовал, каким грубым препятствием для движения творческой мысли является привычное мышление, как трудно даже изощренному уму прервать течение привычных представлений и дать место иным, неожиданным и новым. Оттого-то он и прибегал постоянно к опытам, отдавался созерцанию живой природы с ее поучительным непостоянством, с ее огромным запасом еще не раскрытых тайн, не обнаруженных возможностей.

Над зеленым лугом летали стрелы его арбалета с винтом, когда он занимался измерением и вычислением времени полета. По проселочным дорогам взад и вперед мчался его велосипед с большими крыльями, когда он изучал сопротивление воздуха. Живая природа открывала тайны аэродинамики этому пророку авиации, предсказавшему мертвую петлю за двадцать лет до того, как ее совершил Нестеров. В деревенском саду под яблонями чертил на песке свои формулы ученый, когда ему врачи во время болезни запретили работать, а родные заставляли подолгу гулять.

В этом же саду ставил Жуковский большой эмалированный таз с пробитой дыркой, исследуя формы вытекающей струи, когда, исполненный вдохновенного проникновения, он думал:

«Все дело тут в тех вихрях, которые срываются с краев отверстия: первоначально они имеют форму отверстия, а затем они стягиваются, деформируются и деформируют струю. Прибавляя к действию вихрей силу инерции движущихся частиц жидкости, можно получить все изменения струи. Вопрос этот вполне ясен…»

Тайны стихий прояснились исследователю, когда он непосредственно их созерцал. И ореховский пруд, окрашенный мельчайшими водорослями, мечтал Жуковский обратить в лабораторный прибор для гидродинамических опытов над обтеканием струи.

В причудливой струе, выбивающейся из отверстия эмалированного таза, гений угадывает бурную стихию Ниагары. Кувыркающиеся турманы предрекают ему мертвую петлю самолета. В картонной аэродинамической трубе Московского университета Жуковский испытывал свойства воздушных течений, угадывал законы ураганов и капризы снежных заносов.

Самый огромный ум нуждается для творческого движения мысли в помощи извне, хотя в большинстве случаев даже и не замечаемой. В создании циркуляционной теории эту помощь оказал Жуковскому бумажный змей, в создании вихревой теории гребневого винта — фотографии корабельного винта. Большую и постоянную помощь ему оказывала природа, как и многим другим великим ученым. Вот почему профессор механики в душе оставался до конца жизни сельским жителем, охотником и спортсменом.

Когда незадолго до его смерти находившаяся возле него сестра предложила ему что-нибудь почитать вслух, он, закрыв глаза, ответил:

— Нет, не надо. Я лучше подумаю о деревне. Хорошо там теперь! Рябина, наверное, не совсем еще осыпалась. То-то раздолье снегирям!..

Он любил соревноваться с братьями, потом с племянниками в искусстве переплывать пруд, то держа в руках ружье, то ставя на голову подсвечник с горящей свечой. Неутомимый бродяга по полям и лесам, он чувствовал себя тут, как в просторной и светлой лаборатории.

На могиле другого русского ученого, математика Остроградского, заканчивая свою речь, посвященную творческой работе, Николай Егорович говорил:

— При взгляде на это мирное место упокоения, на широкие поля, убегающие в бесконечную даль, невольно возникает мысль о влиянии природы на дух человека. В математике, милостивые государи, есть тоже своя красота, как в живописи и поэзии. Эта красота проявляется иногда в отчетливых, ярко очерченных идеях, где на виду всякая деталь умозаключений, а иногда поражает она нас в широких замыслах, скрывающих в себе кое-что недосказанное, но многообещающее. В творениях Остроградского нас привлекает общность анализа, основная мысль, столь же широкая, как широк простор его родных полей!

Жуковский не был философом-марксистом, но собственный житейский опыт и наблюдательность ученого привели его к правильному заключению о том, что природа, создав мозг человека, сама же и работает в этом мозгу, наполненном ее отражениями, хотя человеку и кажется, что собственные цели его чужды природе.

«И так на каждом шагу факты напоминают нам о том, что мы отнюдь не властвуем над природой так, как завоеватель властвует над чужим народом, не властвуем над нею так, как кто-либо находящийся вне природы, — что мы, наоборот, нашей плотью, кровью и мозгом принадлежим ей и находимся внутри нее, что все наше господство над ней состоит в том, что мы, в отличие от всех других существ, умеем познавать ее законы и правильно их применять», — пишет Ф. Энгельс в своей статье «Роль труда в процессе превращения обезьяны в человека».

Творческие истории всех великих ученых и инженеров полны таких фактов, так же, как творческая история Жуковского.

Он не строил самолетов, он даже никогда не поднимался на них в воздух, но именно ему В. И. Ленин присвоил высокое звание «отца русской авиации».

В «Заметках о ветросиловых установках», опубликованных в XX Ленинском сборнике, мы можем видеть, что В. И. Ленин уделял большое внимание и вопросу об использовании ветряных двигателей при осуществлении плана электрификации страны. Посылая на отзыв Г. М. Кржижановскому один из докладов по этому вопросу, Владимир Ильич обращал особенное внимание его на то место доклада, где говорилось, что, «приложивши к теоретическим исследованиям проф. Жуковского работу инженера-конструктора, мы за десять лет можем получить в пять раз больше энергии, чем по проекту ГОЭЛРО, вне оазисов мощных станций».

По расчетам профессора В. П. Ветчинкина, над нами проносится технически уловимой ветряной энергии примерно в сто раз больше, чем это нужно для покрытия всех энергетических потребностей нашей страны, тогда как вся технически уловимая гидроэнергия не покроет и половины потребностей.

Непосредственное улавливание солнечной энергии нужно считать в настоящее время задачей практически не разрешенной, а для северных широт и неразрешимой, так как потребность в энергии, идущей в основном на отопление и освещение, максимальна как раз в периоды наименьшего времени пребывания солнца над горизонтом. Ветер же обладает как раз обратным, благоприятным для средних и высоких широт свойством: его среднезимняя мощность примерно вдвое выше среднелетней.

Энергия ветра используется во многих странах, но общая мощность ветряных двигателей составляет повсюду лишь малую долю мощности тепловых электростанций.

Причина этого заключается в том, что ветродвигатели, несмотря на свое тысячелетнее существование, до недавних пор в огромном большинстве пригодны были лишь для выполнения самых грубых работ — водоснабжения и помола муки, то есть для таких работ, самый характер которых допускает приостановку работы двигателя в любой момент и любое число раз.

Известно, что пользоваться силой ветра для приведения в действие разных машин люди начали очень давно. В Египте и сейчас еще сохраняются ветряные мельницы с каменными башнями. Давность каменной кладки их насчитывает не менее трех тысяч лет. Замечательно, что этими мельницами пользуются и до сего времени, хотя крылья на них уже более позднего происхождения: они сделаны из дерева. Но есть основания предполагать, что в то время для использования силы ветра на суше прибегали к парусам, как и на воде. С такими парусами сохранились мельницы на острове Крит.

Когда появились мельницы в Европе, неизвестно, но есть старинные документы на разрешение постройки ветряных мельниц, относящиеся к самому началу XII века.

Древняя ветряная мельница.

Древние мельницы не имели даже приспособления для поворачивания крыльев по направлению ветра и могли работать только при ветре определенного направления. Мельницы с приспособлением для установки крыльев по ветру появились в XV веке.

Несмотря на почтенный возраст, ветряной двигатель вплоть до конца XIX столетия оставался в детском состоянии. И дело не в том, что значение его было умалено успехами паровой машины и водяной турбины, — попыток усовершенствовать ветряной двигатель, чтобы полнее использовать даровую энергию ветра, делалось очень много. Но они не привели и не могли привести к успеху, потому что законы течения воздуха оставались тайной, а без опоры на теоретическую науку тут ничего нельзя было сделать.

Вопросы аэромеханики стали перед наукой во всей своей полноте в связи с попытками человека подняться на воздух тем или иным путем. А как только основные вопросы аэромеханики удалось разрешить, тотчас же началась реконструкция старого ветряного двигателя, преобразование ветряной мельницы. в совершенный ветряной двигатель.

Задача получения от ветродвигателя энергии более качественной, годной для приведения в действие сельскохозяйственных машин или станков в мастерских, а тем более для электрического освещения, надлежащим образом разрешена в наше время и в нашей стране в связи с развитием авиации и открытием основных законов аэродинамики, с накоплением конструкторского опыта в области использования воздушных течений. Огромная заслуга в этом деле принадлежит Жуковскому и аэродинамической школе, созданной им.