Вихрь, поднявший на крыло птиц и людей

1 / 2

"Человек не имеет крыльев, а по отношению веса своего тела к весу мускулов он в 72 раза слабее птицы. Но я думаю, что полетит он, опираясь не на силу своих мускулов, а на силу своего разума!" — сказал Николай Жуковский, и слова его не разошлись с делом. 110 лет назад, 15 (28 по новому стилю) ноября 1905 года, он прочел в Математическом обществе доклад "О присоединенных вихрях", чем положил начало современной аэродинамике, основам теории крыла и воздушного винта. Докладу предшествовало формулирование и доказательство теоремы того же содержания, получившей затем имя Жуковского рис.01.

Рис.01 Теорема Жуковского о подъемной силе

Равенства [а] выражают теорему Жуковского о подъемной силе: если потенциальный установившийся поток несжимаемой жидкости обтекает бесконечно длинный цилиндр перпендикулярно к образующим, то на участок цилиндра, имеющий длину вдоль образующих, равную единице, действует сила, направленная перпендикулярно к скорости набегающего потока и равная произведению плотности жидкости на скорость потока на бесконечности и на циркуляцию скорости по любому замкнутому контуру, охватывающему обтекаемый цилиндр [б]. Направление подъемной силы получается при этом из направления вектора скорости потока на бесконечности поворотом его на прямой угол против направления циркуляции [в].

Академик Леонид Лейбензон, ученик Николая Жуковского, рассказывал, как было сделано важнейшее открытие: "Лето и осень 1904 года Николай Егорович продолжал усиленно думать о причинах возникновения подъемной силы. Приехав однажды в Кучинскую аэродинамическую лабораторию в праздничный день 1 октября и гуляя в поле, он пришел к гениальной по простоте идее о присоединенных вихрях, объясняющей причину возникновения подъемной силы крыла самолета. Идея была так оригинальна, что не сразу великий автор смог развить ее".

Есть и более литературные, но видимо, апокрифические версии появления гениальной идеи. По одной, Николая Жуковского озарило во время сильной грозы: окно его кабинета было открыто, сильнейший порыв ветра ворвался в комнату, поднял в воздух и пронес несколько метров чучело ястреба с распростертыми крыльями. По другой, Жуковский любил наблюдать за полетами воздушных змеев, во время одного из таких наблюдений его и осенило.

Каким бы ни был момент гениального прозрения, суть открытия не меняется: Жуковский решил оставить вопрос, как именно реальный воздух обтекает реальное крыло, а представить себе бесконечно длинный цилиндр, который обдувается плоским потоком воздуха, а затем вообразить вокруг цилиндра (присоединить) постоянно циркулирующий вихрь. Подъемная сила на 1 метр размаха крыла будет равна произведению скоростей плоского потока, присоединенного вихря и плотности воздуха, доказал Жуковский.

Оставалось научиться вычислять оптимальный профиль крыла. Николай Жуковский и его ученик Сергей Чаплыгин провели множество экспериментов на Кучинской аэродинамической трубе (см. "Труба купеческого сына") — и сформулировали постулат Жуковского-Чаплыгина: он позволяет легко находить численное значение циркуляции присоединенного вихря.

Аэродинамикой научные достижения Николая Жуковского не ограничились. В конце позапрошлого века в Москве стали строить водопровод, но на нем часто случались аварии. Городские власти попросили Жуковского разобраться в причинах — и он обнаружил, что задвижки, которые использовались, чтобы перекрыть воду, слишком резко останавливали ее; инерция течения рвала трубы. Жуковский предложил заменить задвижки вентилями — аварии практически прекратились, а ученый опубликовал фундаментальную работу "О гидравлическом ударе в водопроводных трубах".

Другое открытие Николая Жуковского, связанное с московским водопроводом, сегодня широко применяется в нефтяной промышленности. Задача была такова: определить запасы воды в источниках, из которых питался водопровод, чтобы рассчитывать его наполняемость. Жуковский выяснил, что в водоносных песках, откуда вода собиралась в подземные ключи, капли воды перемешаны с пузырьками воздуха. Когда атмосферное давление повышалось, пузырьки сжимались, и уровень подземных вод понижался. Жуковский рассчитал, как определять объем запасов по разнице уровня при разном давлении.

Из всех замечательных летунов меньше всего усилий тратят большие альбатросы. Их царство — океан, где восходящие потоки теплого воздуха редки, а отраженные воздушные течения чувствуются лишь на очень небольшой высоте над гребнями волн. Однако из-за трения о воду океанические ветры в 15 метрах над поверхностью оказываются сильнее, чем у самой поверхности. Странствующий альбатрос [ 01] , размах крыльев которого превышает три метра, и это самые большие крылья в птичьем мире, систематически пользуется этой особенностью. Он поднимается до уровня более быстрых воздушных потоков и использует их, чтобы набрать скорость, скользя вниз по ветру на неподвижных, несколько изогнутых крыльях. Затем, почти коснувшись гребней волн, он поворачивает навстречу более медленному ветру у поверхности воды и, благодаря тому, что движется быстрее, делает "горку" и набирает высоту. Вот так, чередуя скольжение вниз и набирание высоты, альбатрос без малейших усилий часами кружит над океаном, и крылья его все это время остаются неподвижными. Чем крепче ветер, тем больше наслаждается своей редкостной способностью этот самый лучший из планеров мира.— Роджер Питерсон. "Птицы". Пер. с английского. М., "Мир", 1973 г.

Труба купеческого сына

Дмитрий Павлович Рябушинский (1882-1962), сын одного из богатейших русских купцов, после кончины отца мало интересовался управлением унаследованными предприятиями и занялся наукой о воздухоплавании. Состояние он пустил на постройку самолетов и создание научно-исследовательского учреждения для изучения аэродинамики. Его консультантом стал Николай Жуковский. Уже в конце 1904 г. в Кучине (подмосковном имении Рябушинских) появился Аэродинамический институт, включавший главное здание (13х70 м в плане и 8,5 м в высоту), башню (6,5х6,5 м и высотой 20 м), мастерские, машинное здание, жилой дом, дом для рабочих. В главном здании помещалась аэродинамическая труба диаметром 1,2?м и длиной 14,5 м, она разгоняла поток воздуха до скорости 6 м/сек. На устройство института до 1905 г. Рябушинский израсходовал 100 тысяч золотых рублей. Еще 36 тысяч рублей в год уходило на исследования.

В апреле 1914 г. Рябушинский на праздновании десятилетия института сказал: "Задача аэродинамического полета разрешена, но на смену ей выдвигается новая, гораздо более трудная и грандиозная проблема — проблема перелета на другую планету".

§После революции Рябушинский сам попросил национализировать институт, что не уберегло его от ареста. Академия наук и писатель Максим Горький умудрились добиться освобождения Рябушинского, и он уехал в эмиграцию. В 1922 г. сестра Рябушинского посетила Кучино и сообщила брату: "Была также в Аэроинституте, видела старых рабочих. Они были очень довольны меня видеть, просят тебе передать поклон и пожелания и ждут твоего возвращения с нетерпением. Они отстояли от расхищения все мастерские и станки чуть не с боем и говорят, что они ничего не взяли и сдадут тебе по описи. В Совдепии это просто чудо..."

Главный теоретик воздуха

Николай Егорович Жуковский родился в 1847 году в семье инженера-путейца, из полтавских мелкопоместных дворян. Семья жила бедно, например, средств оплачивать содержание гимназиста Николая на пансионе для благородных у нее не было, он жил на пансионе для разночинцев; по причине денежных затруднений Жуковский по окончании гимназии пошел не в Петербургский институт инженеров путей сообщения, как мечтал, а в куда более дешевый Московский университет, где не показал блестящих способностей. Неудачей закончилась и его краткая попытка продолжить образование в Петербургском институте инженеров путей сообщения.

Жуковский стал преподавать математику в женской гимназии и одновременно успешно сдал магистерские экзамены, после чего сначала получил место преподавателя в Московской академии коммерческих наук, а затем — доцента в Императорском высшем техническом училище. С этого момента научная и преподавательская жизнь Жуковского становится чередой славных достижений. Достаточно сказать, что его работы послужили основой для расчета любых летательных аппаратов тяжелей воздуха; он теоретически обосновал "мертвую петлю", которую потом практически исполнил русский летчик Нестеров.

В 1908 году Жуковский создал кружок изучения воздухоплавания при Императорском ВТУ, из которого вышли самые значительные авиастроители: Андрей Туполев (под его руководством создано более 100 типов самолетов), Борис Стечкин (теоретик авиадвигателестроения), Григорий Сабинин (создатель импульсной теории гребного винта), Владимир Ветчинкин (первая ветроэлектростанция) и многие другие. Во время Первой мировой войны Жуковский много потрудился для славы русского оружия, разрабатывая теоретические вопросы бомбометания и баллистики.

Советская власть не только не репрессировала видного ученого, члена-корреспондента Императорской академии наук, но и сама дала ему академическое звание и позволила продолжать работу в авиационном расчетно-испытательском бюро, а в 1920 году руководитель советского государства Владимир Ульянов (Ленин) подписал декрет об учреждении премии его имени. Однако обеспечить Жуковского нормальными условиями жизни и работы большевикам не удалось, ударом для него стала безвременная кончина любимой дочери, и он быстро угас, будучи 74 лет от роду.