Н. Е. Жуковский.
В разные периоды своей ученой деятельности Жуковский занимался и вопросом о прочности велосипедного колеса, и вопросом 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 падают 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 действию гребного винта. Он делал доклады и о парении птиц, и о движении вагонов по рельсам, и о снежных заносах, и о ветряных мельницах, и о качке кораблей, и о множестве других разнообразных вещей, которые Жуковскому служили только поводом для теоретических построений огромного и широчайшего значения.
Но самым главным среди всего, что сделал Жуковский, были его работы по вопросам авиации и воздухоплавания.
Эти работы доставили ему мировую славу и воздвигли нерукотворный памятник как «отцу русской авиации».
В природе есть много явлений, наблюдая которые кажется невозможным проникнуть в тайну законов, ими управляющих. Клочок бумаги, брошенный на пол, падая, ложится совсем не там и не так, как можно было ожидать. 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.
До последнего времени многих законов аэродинамики и гидродинамики, определяющих поведение воздуха и жидкостей в связи с действующими на них силами, человечество не знало. Поэтому в течение тысячелетий, несмотря на множество смелых, но наивных попыток, человек не смог подняться в воздух. Он сделал это тогда, когда были разрешены основные вопросы аэрогидродинамики, установлены основные законы движения тел в воде и воздухе.
Одна из важнейших закономерностей аэрогидродинамики была установлена еще в XVIII веке голландским ученым и членом Петербургской Академии наук Даниилом Бернулли. Он установил связь между давлением и скоростью в каждой точке струи тяжелой жидкости.
В чем заключается связь между скоростью и давлением?
Что такое скорость и давление в приложении к воде и воздуху?
Воздух, подобно жидкости, давит на поверхность каждого тела, с которым он соприкасается, причем давление в каждой точке перпендикулярно к поверхности тела. Такое давление называется статическим давлением или просто давлением. Статическим давлением является атмосферное давление: воздух, как известно, имеет вес, и довольно значительный — каждый литр его весит более грамма. На каждый квадратный сантиметр поверхности у земли давит воздушный столб такого же сечения, весом около килограмма. Это и есть пример статического давления.
Скорость, или, вернее, живая сила, текущих воды или воздуха может быть преобразована в давление на поверхность тела. В отличие от статического давления, такое давление называется динамическим давлением, или скоростным напором. Если в стакан с водой подуть с достаточной силой, то вода выплеснется через край.
Так вот, Бернулли установил, что для каждой точки струи жидкости, не обладающей вязкостью, сумма скоростного напора и статического давления остается величиной постоянной. Иначе говоря, там, где увеличивается скоростной напор, уменьшается давление, и, наоборот, там, где уменьшается скоростной напор, увеличивается давление. Закон этот, как выяснилось позднее, одинаков и для жидкостей и для газов.
Стоит нам только усвоить этот основной закон, одинаковый для воды и воздуха, как многие аэрогидродинамические загадки перестают быть загадками.
Возьмем, например, два листка бумаги, слегка выгнем их и будем держать близко друг к другу выпуклыми сторонами. Казалось бы, что если подуть в пространство между ними, листки должны разойтись. На самом деле листки сближаются своими горбами.
Не зная связи между скоростью и давлением, тут ничего нельзя понять. Но закон Бернулли говорит, что увеличение скорости между листками уменьшает давление между ними, в то время как на внешних сторонах листков оно остается неизменным, равным атмосферному. Вот эта разность давлений и сближает листки.
Закон Бернулли разъясняет нам, почему часто сталкиваются сближающиеся корабли. Когда корабли идут параллельно друг другу на небольшом расстоянии, борты их образуют канал, где возникает течение. Скоростной напор воды в узком пространстве между кораблями увеличивается и уменьшает здесь статическое давление: внешнее давление оказывается более сильным и сближает корабли вплоть до их столкновения при неумелом управлении судами.
Известно, что ветер может сорвать крышу с дома; но если спросить нас, каким образом это случается, большинство ответит, что ветер подхватывает крышу снизу и срывает ее, хотя трудно понять, как он может проникнуть под крышу, плотно прилегающую к стене. В действительности дело обстоит совсем не так. Над крышей ветер скоростным напором уменьшает статическое давление, которое под крышей, оставаясь неизменным, становится бóльшим, чем над крышей: разность давлений и срывает крышу.
Испытание модели здания на сопротивление воздуху в аэродинамической трубе.
Любопытно, что до развития аэродинамических знаний крыши зданий рассчитывались на прочность только из учета давления сверху. Возможность давления изнутри никому не приходила в голову, так как срыв крыш при ветре объяснялся совсем неправильно.
Другой важнейший закон аэродинамики определяет сопротивление воздуха движению в нем твердых тел. Теорию сопротивления воздуха впервые разработал Ньютон, но теория Ньютона оказалась в большом противоречии с опытом.
Ньютон предполагал, что когда в воздухе движется твердое тело, то частицы воздуха ударяются о его поверхность и совместное действие этих ударов порождает сопротивление воздуха. А тем, что делается с частицами воздуха после ударов их о тело, ученый не интересовался, и, согласно его теории, получалось, что сопротивление воздуха телу с определенной скоростью движения зависит только от поперечного сечения его. Будет ли это круглая пластинка, или шар, или сигара, — раз они имеют один и тот же диаметр в наибольшем сечении, они должны испытывать одинаковое сопротивление воздуха.
Несмотря на противоречие с действительностью, теория Ньютона, известная под названием «обыкновенной теории сопротивления», оставалась общепринятой очень долго. Этому, конечно, способствовал огромный научный авторитет ученого, но были и другие, очень существенные причины такого положения дела.
Во времена Ньютона и значительно позднее механика, то-есть учение о движении и равновесии физических тел, рассматривалась как прикладная часть математики и все вопросы механики решались путем математического исследования. Этим путем и шел Ньютон, исследуя тот невидимый процесс взаимодействия между телом и частицами среды, который составляет причину сопротивления.
Но «…ни точных наблюдений, ни тем паче каких-либо точных законов сопротивления, которые могли бы лечь в основу математического анализа, могли бы служить поводом для составления удовлетворительной гипотезы, — ни у Ньютона, ни у других математиков, занимавшихся этим вопросом, не было, — говорит Менделеев. — Пришлось задаться произвольными гипотезами, берущими начало в первом знакомстве с предметом, — в наблюдении, а не в измерении или опыте. А если явление сложно, как сопротивление среды, то такой путь никогда не приводит к верным, согласным с природою следствиям. Это видно во всем историческом развитии точных знаний».
История развития аэродинамических знаний свидетельствует о том, что и аэродинамика не составляет исключения из общего правила.
«Истинный путь, ведущий длинным, но зато верным способом к теоретическому пониманию сложных явлений, состоит в опыте и измерении отдельных частностей сложного явления, — учил Менделеев. — В опыте устраняются побочные, осложняющие обстоятельства, а измерения, производимые при опытах, составляют главную возможность проверки и гипотез, а потом теорий».
Только идя этим истинным путем, удалось внести ясность в вопросы сопротивления среды.
Наблюдения показали, что в действительности сопротивление пластинки значительно больше, чем сопротивление шара, а сопротивление шара больше, чем сопротивление рыбообразного тела. Ньютон принимал во внимание лишь действие воздуха на переднюю часть движущегося тела, в то время как на тело в действительности оказывают воздействие частицы воздуха со всех сторон. При движении тела частицы воздуха образуют определенный поток, который в зависимости от формы тела обтекает его более или менее плавно.
Правда, опыты производятся не с движущимся телом, а с воздухом, набегающим на тело, но из физики известно, что принцип обратимости приложим и в аэродинамике, так что сила сопротивления воздуха будет одинаковой, независимо от того, движется ли тело в воздухе или воздух набегает на тело. Разница заключается только в том, что в первом случае воздух стремится затормозить движение тела, а во втором, наоборот, он стремится двигать тело в направлении воздушного потока. Но там и тут силы воздействия вызываются сопротивлением и подчиняются одним и тем же законам.
Закон Бернулли в известной мере помогает понять, почему сопротивление воздуха телам разной формы неодинаково.
Дело в том, что плавного, невозмущенного обтекания вообще нет. Если мы хотим укрыться от ветра, то мы становимся за угол дома, куда ветер не забегает и где образуется область «аэродинамической тени». Если бы существовало плавное обтекание, то такой тени не получилось бы и от ветра было бы невозможно укрыться. Дело обстоит не так. Потоки воздуха по инерции срываются с обтекаемой им стены, и за углом, в тени его, образуется область с беспорядочным движением. Вследствие увеличения скоростного напора уменьшается давление в потоке, и это пониженное давление передается и в область аэродинамической тени, так что за углом дома или испытываемым на сопротивление телом — например, за пластинкой — образуется область пониженного давления. В то же время перед пластинкой или перед домом создается повышенное давление вследствие уменьшения скорости воздушного потока, наталкивающегося на препятствие.