Вихрь, поднявший на крыло птиц и людей

"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.

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.