В начале 2000 года в авиакатастрофе погиб известный журналист Артем Боровик. Журналистских версий на эту тему было много, но с технической точки зрения этот случай также довольно хорошо подпадает под понятие "граничные условия". Когда самолет резко взлетает (а как показало расследование, колесо злополучного самолета оторвалось от взлетной полосы раньше, чем нужно), угол атаки может достичь критических углов, когда воздушный поток уже не обтекает крыло, а резко срывается с верхнего края, образуя вихри. Это снижает подъемную силу самолета. Если при этом двигатели расположены за крылом, как в случае с Як-40, это завихрение приводит к неустойчивой работе двигателя. Но этим неприятности не кончаются. 70 процентов подъемной силы крыла создает разряжение над его верхней частью. Воздушный вихрь "выключает" заднюю часть крыла, и самолет проседает хвостом, отчего турбулентный поток налетает уже на рули высоты — если они расположены сверху, как и было в Як-40. Рули высоты становятся неэффективными, и машина попадает в режим "глубокого срыва", выход из которого невозможен. Самолет теряет скорость и начинает падать подобно листку дерева (что и было в случае со злополучным Як-40). Впервые подобный эффект проявился 3 июня 1966 года во время сертификации английского самолета "Трайдент". Четыре летчика-испытателя погибли.
Позднее гибли и другие летчики. Создатели "Трайдентов" вынуждены были внести в конструкцию специальные изменения, которые препятствовали бы слишком резкому взлету; но порой пилоты отключали эти предохранительные устройства, поскольку они вызывали неудобства.
Расследование так и не выявило конкретную причину катастрофы Як-40. Возможно, какой-то одной причины и нет — просто граничные факторы, сами по себе достаточно безобидные, наложились друг на друга.
Из этой катастрофы следует сделать вывод, что граничные условия нужно определять не только в отдельности, но и в комплексе, как наложение малозначимых отклонений (ранний взлет, нерегламентное отклонение предкрылков, отсутствие обработки крыльев средствами против обледенения и т. д.).
Следующим этапом исследования может быть вероятностный и статистический анализ.
Танк во время Второй мировой войны бронировали одинаково по всей высоте, пока кто-то не установил, что по разным причинам 90 процентов попаданий происходят выше одного метра. Это означало, что броню сверху можно было усилить за счет брони снизу.
В вероятностном анализе иногда может применяться теория вероятностей, но с рядом оговорок, которых преподаватели обычно не делают.
Теория вероятностей имеет весьма малое отношение к вероятностям реальной жизни. Теория базируются на бесконечных выборках и законах больших чисел; в жизни же бесконечного числа проб, конечно, никто не делает. Если вероятность поражения самолета российской ракетой равна, скажем, 0,95, а американской — 0,9, сделать вывод, какая из них лучше, нельзя, поскольку число испытаний могло быть разным, как и условия эксперимента.
Непонимание ограниченности теории вероятностей может преподнести самые разнообразные сюрпризы. К примеру, если вероятность неисправности составляет 1 процент, это не значит, что она ничтожно мала. На самом деле она чудовищно велика — из 100 случаев практически гарантировано возникновение одной неисправности. Мало того — эта неисправность может проявить себя не в сотый раз, а в первый. При этом из 100 случаев все 100 могут привести к неисправности. Теория вероятностей рассматривает бесконечные выборки; при 100 000 000 выборках вероятность в конечном итоге действительно может оказаться 1 процент.
Из всего этого следует сделать вывод, что изделие должно быть настолько надежным, чтобы о вероятности речь вообще не шла. Любая "вероятность" имеет причину — ее и надо отыскать. Проверьте "люфты", зазоры, возможность попадания посторонних предметов, износ со временем, поведение болтов при вибрации, возможность интенсивной или неправильной эксплуатации.
Что касается случая с танком, то 90 процентов тоже имеют объяснение — неровности земли, которые берут на себя часть снарядов, а также правило, содержащееся в учебниках по тактике, предписывающее стрелять из-за возвышенности.
Итак, вероятностный анализ — это не использование формул, а статистическая обработка всех данных эксперимента и последующие выводы для внесения необходимых изменений в конструкцию.
Теперь рассмотрим использование в анализе эксперимента.
В качестве примера хотелось бы привести научную деятельность русского ученого Д.К. Чернова (1839–1921), основоположника металловедения и теории термической обработки стали. Его имя сейчас можно найти не во всяком словаре — однако если бы не этот человек, Россия в конце XIX века могла бы катастрофически отстать от других европейских стран в области металлургии, а следовательно, и в сфере вооружений.
На Всемирной парижской выставке директор одного из крупнейших металлургических заводов Франции Монгольфье сказал:
"Считаю своим долгом открыто и публично заявить в присутствии стольких знатоков и специалистов, что наши заводы и сталелитейное дело обязаны своим настоящим развитием и успехом в значительной степени трудам и исследованиям русского инженера Чернова".
Историк науки Лев Гумилевский пишет о Чернове:
"Он первым начал вводить науку в технологические процессы".
Первая эпохальная работа, проделанная Д.К. Черновым, обязана своим появлением перевооружению армии после поражения в Крымской войне. При изготовлении крупнокалиберных орудий в России часть стволов по неизвестной причине при выстреле разрушалась. Удивительным при этом было то, что все стволы изготовлялись примерно по одному технологическому процессу, однако одни выдерживали десятки выстрелов, другие же разрушались еще при ковке, рассыпаясь под молотом на части. Разобраться в этом явлении и было поручено совсем молодому в те годы инженеру Чернову.
Прежде всего инженер начал с внимательного изучения процесса. Он проводил у печей дни и ночи, учился у опытных рабочих определять температуру по цвету стальной поковки.
В ходе исследований выяснилось, что сталь с крупными зернами на изломе имеет меньшую прочность, чем сталь с мелкими зернами. За этим экспериментом последовали другие. Оказалось, что ковка не влияет на внутреннюю структуру металла (ковкой уплотняли заготовки, убирая внутренние пустоты).
Следующим экспериментом стала ковка при разных температурах. При этом обнаружились изменения в структуре. Мало того — каждому сорту стали соответствовала определенная температура.
Изучая эти температуры, Чернов определил две самые критические. Первая температура, которую он назвал "точка а", отличалась удивительным свойством: понемногу темнеющая при остывании масса вдруг снова раскалялась, как бы вспыхивала и потом снова начинала темнеть, но уже до конца. Такое явление наблюдалось не всегда; при быстром охлаждении его не было.
Непонятная вспышка требовала объяснения. Чернов предположил, что при этой температуре сталь претерпевает какое-то внутреннее преобразование.
Чернов провел еще один эксперимент — он приказал закалить две болванки: прошедшую критическую точку и не прошедшую. Болванка, не прошедшая критическую точку, закалки не приняла, оказалась мягкой. Это было первое из многих открытий Чернова.
Чернов повторил эксперимент десятки раз и убедился, что ошибки не было.
Но это не решило главный вопрос — почему сталь получается то крупнозернистой, то мелкозернистой. Многие полагали, что для получения мелкой зернистости нужно усилить давление на сталь при ковке. Эксперименты мало соответствовали этой теории, но Чернов внимательно стал ее проверять. И нашел ключ к решению — "точку b", которая стала вторым его открытием. Эта точка тоже соответствовала определенной температуре. Металл при ковке остывал, и в какое-то время наступал малозаметный момент, когда поверхность начинала словно морщиться и лущиться. Отмечали это, конечно, и до Чернова, но только он зафиксировал для себя эту точку и начал проводить с ней эксперименты.
Выяснилось следующее. Сталь, которую нагревали не доходя до "точки а", не закаливалась совсем. Сталь, прошедшая "точку а", но не достигшая "точки b", начинала принимать закалку, "но по виду излома можно заключить, что в ней не совершается еще заметной перегруппировки частиц", отчего и после быстрого, и после медленного нагрева структура стали оставалась такой же, что и до нагрева. После же нагрева выше "точки b" происходила быстрая перегруппировка частиц; сталь образовывала аморфную воскообразную массу, которая при быстром охлаждении ниже "точки b" оставалась без перемены аморфной. При медленном же охлаждении масса начинала кристаллизоваться, то есть снова распадалась на отдельные зерна.
Из новой стали начали делать не только стволы крупнокалиберных орудий, но и стволы винтовок Мосина, пулеметов "максим", вагонные оси, колеса, корпуса судов и броневые плиты…
Вскоре перед Д.К. Черновым встала новая задача. Генри Бессемер открыл новый способ получения стали. Изобретатель гидравлического пресса и нового метода золочения бронзовой пылью различных изделий, Бессемер пришел в металлургию из другой области и, не обремененный традиционными представлениями, как бы между делом революционизировал металлургию. Для изобретенного им орудия требовалось отлить сталь более дешевым и быстрым способом, чем тот, что применялся, и он стал продувать чугун в тигле воздухом, чтобы усилить реакцию окисления углерода.
В первых же своих опытах Бессемер обнаружил, что при продувании сгорающие примеси — углерод, марганец и кремний — быстро выгорают, значительно повышая температуру. Это повышение резко снижало потребности в горючих материалах. Но… при воспроизводстве в России конвертера Бессемера обнаружилось, что сталь получается разного качества. Почему?
Этим вопросом занялся Чернов. Первым делом он решил определить наилучший способ наблюдения процесса и выбрал спектроскоп. Изменения в спектре позволили ему четко фиксировать превращения в ходе плавки стали. Этих превращений оказ