м. Понятно, Что такой путь луч пройдет и в наикратчайшее время.
Оказалось, что для этого при переходе в более плотную среду луч должен преломиться, приблизившись к перпендикуляру, восстановленному в точке его падения к поверхности раздела. Отклонение должно быть таким, чтобы отношение синусов угла падения и преломления было равно отношению скоростей в двух средах.
Однако принцип наименьшего действия оставался отвлеченным и не мог быть признан физическим законом.
Впоследствии начало наименьшего действия получило обоснование и развитие в работах Эйлера, который показал, что этот принцип соблюдается и в движении тел под действием центральных сил, например планет.
Наконец Остроградский и Гамильтон, независимо друг от друга, придали этому принципу окончательную форму закона механики.
В тесной связи с исследованиями в механике стояли и математические работы М. В. Остроградского.
Этот замечательный русский математик развил так называемое вариационное исчисление, главнейшая задача которого — отыскание наибольшего и наименьшего значения различных величин. Примером вопросов, решаемых с помощью этого исчисления, может служить следующий: найти кривую, двигаясь по которой под действием тяжести тело пришло бы в кратчайшее время из одной точки над земной поверхностью в другую.
М. В. Остроградский исследовал и проблемы баллистики — науки о движении снаряда. Он работал и в области небесной механики, дав новые доказательства некоторым из ее теорем.
Работы М. В. Остроградского были большим шагом вперед в аналитической механике и математике. Они прославили имя этого замечательного русского ученого, и Парижская Академия наук избрала его своим членом-корреспондентом.
Значительные успехи в динамике вращающегося тела были достигнуты благодаря работам русского математика С. В. Ковалевской (1850–1891).
Дочь генерала-артиллериста, С. В. Ковалевская получила хорошее образование. Еще в раннем возрасте она проявила замечательные математические способности. Пятнадцати лет С. В. Ковалевская уже брала уроки высшей математики в Москве. Через несколько лет она училась у одного из известнейших математиков Германии, Вейерштрасса, и слушала лекции знаменитого физика Гельмгольца.
По представлению Вейерштрасса, Геттингенский университет присудил С. В. Ковалевской за три математические работы ученую степень доктора без установленных для этого экзаменов.
В одной из этих работ С. В. Ковалевская исследовала вопрос о кольце Сатурна, развивая идеи знаменитого французского математика Пьера Лапласа (1749–1827), изложенные им в труде «Небесная механика».
По возвращении в Россию С. В. Ковалевская не могла бы в те времена найти большего приложения своих математических познаний, чем преподавание арифметики в младших классах гимназии.
Просьба С. В. Ковалевской допустить ее к сдаче экзаменов на степень магистра при Московском университете была отклонена. Тогда С. В. Ковалевская решила покинуть Россию и вернулась в Берлин.
В 1883 году С. В. Ковалевская получила приглашение читать лекции по математике в Стокгольмском университете. Она уехала в Швецию, где прочитала двенадцать курсов по разным отделам математики.
Именно тогда С. В. Ковалевская написала самый важный из своих трудов — «Задача о вращении твердого тела вокруг неподвижной точки», посвященный вращению твердого тела. За эту работу Парижская Академия наук присудила ей специальную премию.
Премия была предназначена академией тому, чья работа станет новым этапом в развитии динамики вращающегося тела. Никому из математиков, исследовавших вращение тел после Эйлера и Лагранжа, не удалось до тех пор получить эту премию.
С. В. Ковалевская исследовала вращение особого рода волчка, отличавшегося от изученного Эйлером тем, что на внешнем крае его добавлен груз. Поэтому точка опоры волчка С. В. Ковалевской не совпадает с его центром тяжести, смещенным в сторону.
Волчок, вращение которого исследовала С. В. Ковалевская.
Решение этой задачи представило большие математические трудности. Оно требовало основательных специальных знаний, обладая которыми С. В. Ковалевская довела исследование до конца.
В 1889 году С. В. Ковалевская была избрана Российской Академией наук в члены-корреспонденты— первый случай в России, когда женщина получила такое звание.
Работа С. В. Ковалевской повлекла за собой ряд исследований вращения твердого тела другими математиками и механиками. Среди них видную роль играют русские ученые — Η. Е. Жуковский, А. М. Ляпунов, С. А. Чаплыгин.
Движение тел переменной массы
С развитием капитализма возникли новые технические задачи. Прогресс промышленности требовал экспериментальной и теоретической разработки новых проблем. Одна из них, например, движение вращающегося на станке веретена, на которое навивается нить, увеличивающая массу веретена. Разматывающийся рулон бумаги на валу типографской машины представляет, наоборот, пример уменьшения массы движущегося тела.
Немало подобных примеров и в природе.
На планеты постоянно падает большое количество метеоритов, увеличивающих массу планет. Комета по мере приближения к Солнцу, наоборот, рассеивает часть своего вещества.
Но в формулах динамики Эйлера масса считается постоянной. Значит, они не могут применяться для расчета вращения веретена или рулона газетной бумаги. В некоторых случаях они непригодны и для решения вопросов о движении космических тел.
Нужно было, исходя из механики Ньютона и Эйлера, найти законы движения тел переменной массы. Эту проблему разрешил русский ученый-механик И. В. Мещерский (1859–1935).
Родиной И. В. Мещерского был Архангельск, где он окончил гимназию. Высшее образование И. В. Мещерский получил в Петербургском университете, в котором в 1882 году он был оставлен при кафедре механики.
В 1902 году Совет Петербургского политехнического института пригласил И. В. Мещерского заведовать кафедрой механики. В этом институте И. В. Мещерский оставался профессором до конца жизни.
Еще в самом начале своей научной деятельности И. В. Мещерский занялся исследованием законов движения тел переменной массы.
Допустим, что тело, движущееся под действием внешних сил, отделяет от себя частицы. При этом возникают реактивные силы.
С реактивной силой мы встречаемся на каждом шагу. Например, при выстреле из ружья приклад толкает в плечо стрелка: это реакция давления расширяющихся газов, выбрасывающих пулю. Такое же реактивное действие проявляют и частицы, отделяющиеся от тела.
Можно было бы изучать движение тела и отделяющихся частиц как одну систему точек. В этом случае масса системы остается постоянной. Если бы были известны положения и ускорения всех частиц в каждый момент, то можно было бы определить движение и переменной массы.
Но практически это невыполнимо, так как движение отделяемых частиц неизвестно.
Чтобы облегчить исследование, И. В. Мещерский сперва предположил, что частицы только отделяются от тела, но не движутся относительно него. В этом случае на тело не действуют реактивные силы, а лишь изменяется его масса.
Уравнения, выведенные при таком предположении, могут быть приложены к вращению веретен и разматывающихся рулонов бумаги. Они позволяли решать и некоторые задачи небесной механики.
И. В. Мещерский не только дал общие формулы движения тел переменной массы, но и сам решил много частных задач. Он исследовал, например, движение космического тела переменной массы под действием центральной силы (то-есть силы, направленной всегда к одной точке). Свои выводы он приложил к движению комет.
Позднее, в 1897 году, И. В. Мещерский дал решение проблемы о движении тела и для случая, когда частицы отделяются от него с любой относительной скоростью.
Эти уравнения приложимы, например, к ракетам, движущимся под действием реактивных сил, к движению реактивных самолетов и к другим проблемам механики.
В XIX веке еще не вполне было понятно значение исследований И. В. Мещерского, хотя проблема полета ракет поставлена очень давно. Развитие же авиации в наше время потребовало расчета движения тел переменной массы.
Выводы И. В. Мещерского приобрели особенно важное значение для расчета реактивных самолетов.
В настоящее время в авиации широко применяются воздушно-реактивные двигатели. Во время движения самолета с этим двигателем воздух попадает через входное отверстие и сжимается. В сжатом виде он поступает в камеру, куда впрыскивается керосин.
При сгорании этой смеси образуется большое количество горячих газов, приводящих в движение турбину самолета. Пройдя через турбину, газы удаляются через выходное отверстие, создавая реактивную тягу.
В результате работы двигателя масса самолета постепенно уменьшается, и расчет движения должен производиться по формулам, найденным И. В. Мещерским.
Еще большее значение выводы И. В. Мещерского имеют для расчетов движения ракет и самолетов с ракетным двигателем, так как относительная потеря массы у этих последних очень велика.
И. В. Мещерский не дожил до всеобщего признания всей важности его исследований. В эпоху, когда он делал свои открытия, достижения современной реактивной авиации показались бы фантазией. Ненужными считались тогда многим ученым и формулы И. В. Мещерского.
Но быстрое развитие авиационной техники в последние десятилетия заставило вспомнить о работах этого замечательного русского механика. В наше время каждый инженер, проектирующий самолеты, пользуется выводами И. В. Мещерского. А в недалеком будущем эти выводы получат еще большее значение.
Разрешение проблем техники
Механики не только решали теоретические задачи, возникавшие перед техниками. Они часто заглядывали далеко вперед и указывали путь техникам.
Замечательный пример влияния теоретиков на развитие техники — деятельность известного русского математика П. Л. Чебышева (1821–1894).
Шестнадцати лет П. Л. Чебышев поступил в Московский университет и уже через год представил научную работу, за которую был награжден медалью. Двадцати лет он окончил университет, хотя должен был сам зарабатывать средства для существования.