Вихрь, поднявший на крыло птиц и людей
Фото: FLICKR.COM/ANGRYSUNBIRD
Фото: WIKIPEDIA COMMONS
"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.
Рис.01 Лучший из летунов
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..."
