Книга Формула мудрости - Давид Иосифович Гай

природу подъемной силы — той самой силы, без которой невозможен полет тела тяжелее воздуха, например птицы.

Первое слово дадим Леонардо да Винчи (1452—1519), великому итальянцу, внесшему немалый вклад в развитие механики. Вероятно, он сказал бы следующее:

— Я давно стремлюсь разрешить загадку полета птиц. Предполагаю, что птицу поддерживают быстрые удары крыльев. Под их действием воздух уплотняется. Таким образом, все дело в сжимаемости воздуха.

Исаак Ньютон (1643—1727) высказался бы, несомненно, в духе той механики, основы которой заложил именно он и он же сформулировал ее главные законы:

— Воздух состоит из несвязанных между собой частичек. Перемещаясь в потоке, набегающем на какое-либо препятствие, частички ударяются о него и тем самым отдают ему свое количество движения.

Леонард Эйлер, академик Петербургской академии наук, автор свыше восьмисот работ по самым различным отраслям знаний — от математического анализа до теории музыки, хорошо знавший труды Ньютона и опиравшийся на них в своих исследованиях по механике, думал, однако, иначе.

— Я полагаю, — заметил бы он, — что жидкость или газ следует характеризовать как непрерывную, легко изменяемую материю. Подходя к препятствию, струйки не ударяются о него, а плавно обтекают и смыкаются на задней стороне.

Коллега Эйлера, другой академик Петербургской академии наук Даниил Бернулли (1700—1782), который специально исследовал механику жидких и газообразных тел и вывел уравнение, связавшее скорость и давление в потоке идеальной несжимаемой жидкости при установившемся течении, скорее всего поддержал бы Эйлера.

Герман Гельмгольц (1821—1894), физик, физиолог и психолог, основоположник теории вихревого движения жидкости, и физик Густав Кирхгоф (1824—1887) в своих выступлениях сослались бы на разработанную ими струйную теорию и рассказали бы о таком опыте:

— Плоскую пластинку поставим под углом к набегающему потоку. Приближаясь к пластинке, струйки отклоняются от своего первоначального направления, вблизи пластинки расходятся к ее краям и плавно обтекают ее переднюю сторону. За пластинкой, по нашей теории, движение предполагается разрывным. Струйки срываются с кромок пластинки и текут дальше, постепенно приближаясь к своему изначальному направлению перед пластинкой. Поверхности разрыва создают за пластинкой застойную зону...

Итак, перед нами разные схемы обтекания тел потоками воздуха или жидкости, частью умозрительные, частью основанные на опыте, однако не на столько, чтобы быть верными во всех случаях. Скажем, теория Эйлера не учитывала силы трения, а струйная теория оказалась неприемлемой в случае хорошо обтекаемого или, как говорили ученые, удобообтекаемого тела: тогда срыва струй не происходит, и они текут плавно.

Вообще аэрогидродинамика развивалась до начала ХХ века крайне медленно. Собственно, началась она как серьезная наука с исследований Эйлера и Бернулли. Эйлер вывел общие уравнения, описывающие движение жидкостей и газов, исследовал многие вопросы сопротивления жидкостей применительно к кораблестроению и созданию гидравлических машин. Бернулли, которому, по общему признанию, принадлежит честь изобретения самого термина «гидродинамика», доказал, что по мере нарастания скорости потока давление в нем понижается, а при уменьшении скорости, наоборот, повышается (это соотношение между давлением в жидкости и ее кинетической энергией выражено уже упоминавшимся здесь уравнением, теперь оно фигурирует в научной литературе и учебниках как уравнение Бернулли). Оно справедливо и для безвихревого, и для вихревого движения, но во втором случае только для отдельных струек, которые составляют поток.

Долгое время аэрогидродинамика обобщала факты, добытые в гидравлике, теории сопротивления среды движущемуся судну и отчасти в баллистике — науке о движении артиллерийских снарядов.

Случалось, что теория, как бы замкнувшись в своем развитии на саму себя, приходила к выводам, не обещавшим практике никакой перспективы. Так, один из ученых, используя формулы струйной теории, доказывал: летать на аппарате тяжелее воздуха... вообще невозможно. Его расчеты неумолимо утверждали: подъемная сила меньше веса аппарата в три-четыре раза.

Мнение на этот счет русского механика и математика Н. Е. Жуковского было куда более оптимистичным, а после успешно совершенных полетов немецкого инженера Отто Лилиенталя на планере собственной конструкции оно превратилось в непоколебимое убеждение. Воздухоплавание, можно сказать, стало для него и страстью, и новой областью приложения интеллектуальной энергии. Жуковский с самого начала понимал, что без серьезной теоретической и экспериментальной основы все попытки путем «проб и ошибок» решать задачу полета человека на аппаратах тяжелее воздуха обречены. Во всяком случае к быстрому успеху не приведут.

Вполне естественно, что перед Жуковским сразу же возник вопрос: откуда берется подъемная сила? Впервые он прозвучал в 1890 году в докладе, прочитанном Николаем Егоровичем на VIII съезде русских естествоиспытателей и врачей. С тех пор ученый неустанно об этом думал. Поэтому когда говорят и пишут, будто ответ на вопрос вопросов теории аэропланов Жуковский нашел как бы нечаянно, благодаря счастливому озарению, то это не следует понимать буквально, хотя, конечно, господин Случай сыграл здесь свою привычную роль.

...Ветреным октябрьским днем 1904 года в поле недалеко от станции Кучино Московско-Нижегородской железной дороги Николай Егорович наблюдал за полетами коробчатых змеев. В Кучино только что был создан аэродинамический институт; запуск змеев, построенных талантливым инженером и изобретателем Сергеем Сергеевичем Неждановским, входил в программу эксперимента. Так вот, в тот ветреный день Николая Егоровича осенила догадка[2]. Он как бы в натуре увидел физическую картину рождения подъемной силы. Ему представилось, что тело, находящееся в воздушном потоке, обтекают два течения. Одно — прямолинейное, по скорости и направлению совпадающее с потоком, другое — круговое, циркуляционное, то есть обтекающее тело вкруговую. Причем не просто круговое, а содержащие вихри и образуемое вихрями. В нем-то, в этом круговращении, все дело!

Обдумывая счастливую догадку, Николай Егорович поставил, как мы бы теперь сказали, мысленный эксперимент. Если циркуляционный поток вокруг тела представляет собой движение, вызванное вихрем, то можно, стало быть, в дальнейших построениях вообще обойтись без тела, заменив его этим вихрем (Николай Егорович назвал такие вихри присоединенными).

Модель процесса, созданная воображением ученого, как и всякая модель, упрощала, разумеется, реальную картину, зато она обладала геометрической наглядностью и позволяла найти для нее математическое решение, которое и подводило к разгадке природы подъемной силы. Она — в наложении циркуляции на поступательное движение (обтекание) воздуха, в результате чего образуется разность давлений под вихрем и над вихрем (надо все время помнить, что в этой модели обтекаемое тело заменено вихрем!). Над вихрем, где скорости складываются, воздушный поток ускоряется, а давление, согласно закону (уравнению) Бернулли, становится меньше; под вихрем картина обратная.

Природу сил, рожденных циркуляцией, точнее говоря, циркуляционным вихревым потоком, пытались понять и объяснить и до Жуковского. Еще в середине века профессор Берлинского университета Г. Магнус изучал явление, которое было замечено артиллеристами: даже