Сражение с невидимкой
Сражение с невидимкой
Заведующему московским водопроводом молодому инженеру Зимину пришлось пережить в тот год множество неприятностей. Известия об авариях на линии поступали беспрестанно. Глубоко под землей лопались трубы. Лопались так, словно не прочный чугун, а стекло разлеталось под напором водяных струй.
Обеспокоенный Зимин распорядился проверить качество металла. Нет, чугун безупречен. Значит, причина в другом. Но в чем? Зимин совсем сбился с ног в поисках ответа.
А трубы продолжали взрываться. Рабочие едва успевали исправлять повреждения то в одном, то в другом конце Москвы. Казалось, какая-то таинственная эпидемия поразила систему московского водопровода.
«Отцы города» всегда относились скептически к новшествам. К тому же многие далеко не всегда верили в силы русских инженеров, и, когда аварии лавиной обрушились на водопровод, среди гласных Думы быстро пополз черный слушок: «Инженеры бессильны. Надо искать другой выход. Они не могут совладать с ими же созданной техникой. То ли дело раньше, когда по исконно русскому обычаю развозили воду в бочках, черпая ее из Москвы-реки».
Старое и новое, инженерная мысль и ветхозаветные умирающие традиции столкнулись друг с другом в этом бедствии. Зимину предстояло весьма ответственное единоборство. Не надеясь на собственные силы, он обратился за помощью к профессору Жуковскому.
Репутация великого отгадчика сокровенных тайн науки и техники, установившаяся за Жуковским» была Зимину отлично известна. Не раз, еще будучи студентом Технического училища, обращался он к Николаю Егоровичу за советами, не раз слушал в Политехническом обществе его доклады и сообщения.
Но не только уважение побудило Зимина обратиться именно к Жуковскому. Молодой инженер знал, что незадолго до описываемых событий Николай Егорович участвовал в работах по усовершенствованию московского водопровода.
В Москву вода шла из Мытищ, но ее не хватало. Когда возник вопрос о пополнении источников водоснабжения, инженеры поначалу решили расширить мытищинский водопровод.
Изыскания проводили Н. П. Зимин и В. Г. Шухов[12]. Пробурив ряд скважин (воды, наполнявшие мытищинский резервуар, поступали из-под почвы), они подметили любопытный факт; уровень воды все время менялся. Пытаясь разобраться в причине этого непостоянства, изыскатели установили, что подъем и опускание уровня воды тесно связаны с состоянием атмосферы. Стоило атмосферному давлению возрасти — вода уходила вниз. И, напротив, едва оно падало, вода в скважине поднималась.
Непонятное явление не могло миновать внимания Жуковского. В ту пору его пригласили в комиссию, решавшую проблему водоснабжения Москвы. Как всегда, оттолкнувшись от физической сущности явлений, Николай Егорович построил ряд приборов для моделирования процессов. Модели помогли разобраться в загадке: уровень подпочвенных вод меняли пузырьки воздуха, растворенные в насыщенном влагой песке.
О результатах своего исследования Жуковский доложил Отделению физических наук Общества любителей естествознания. Его доклад был заслушан 9 сентября 1888 года, а спустя три месяца члены Политехнического общества при Техническом училище узнали о дальнейших исследованиях профессора.
В новой работе, логически развивая предшествующую, профессор проанализировал движение подпочвенных вод. Снова поставлен ряд опытов, снова для раскрытия секретов процесса использована модель. Она надолго запомнилась участникам заседания своей исключительной наглядностью, возможностью ясного анализа дотоле не исследованного явления.
Формулы, которые Жуковский предоставил изыскателям, не только помогли точно определить мощность водосбора, но и позволили совершенно определенно установить, что запасы мытищинской воды в состоянии насытить город. От идеи расширения этого источника пришлось отказаться.
Однако без полноценного водопровода Москва все же существовать не могла. Поставив крест на мытищинском резервуаре, нельзя было отказываться от решения задачи в целом. При непосредственном участии Жуковского начались новые, более широкие изыскания. Их результатом было сооружение водопроводной станции в Рублеве. Пуск в ход рублевской станции и вызвал тот поток бедствий, о котором мы уже рассказали.
К кому же, как не к Жуковскому, мог обратиться Зимин в трудную для него минуту?
На полученное предложение Николай Егорович откликнулся без промедлений. Задача трудна, очень трудна, но тем больший интерес приобретала она для неутомимого исследователя.
О причинах бед Жуковский догадался сравнительно быстро. Удар, сокрушающий трубы, наносит сама вода. Но почему вдруг тихая и безмятежная вода свирепеет. Как смягчить ее удар? Как рассчитать его силу? На все эти вопросы предстояло найти ответ.
Под руководством профессора начала работать группа инженеров. Они устроились на Алексеевской водокачке, неподалеку от того места, где ныне раскинулись сады и павильоны Всесоюзной выставки достижений народного хозяйства СССР. По схемам, вычерченным Николаем Егоровичем, построили систему труб разной длины, разных диаметров. Установку для эксперимента, необходимую, чтобы моделировать явление, на этот раз при всем желании невозможно было уместить в стенах лаборатории. Однако это никого не пугало. Практики были готовы на все, лишь бы избавиться от своего злейшего врага. Точные приборы приготовились ловить малейшие колебания давления. Сражение с невидимкой началось.
К этой битве Жуковский готовился очень тщательно. Правда, картину явления поначалу он представлял себе весьма смутно. По рассказам практиков и результатам исследований других ученых при всем желании невозможно было подняться выше догадок.
Н. П. Зимин.
Федор Александрович Бредихин.
Николай Егорович Жуковский в первые годы педагогической деятельности.
Отто Лилиенталь.
Как сообщили профессору водопроводчики, аварии происходили при закрытии задвижек. Иногда их удавалось закрывать благополучно, без происшествий, но иногда это сопровождалось сильнейшим «взрывом»: давление в сети труб резко повышалось. Известие об очередном прорыве труб следовало за ним неизбежно.
Практики были убеждены, что давление подскакивало сразу, мгновенно. На первый взгляд это подтверждали и проделанные ими опыты. Однако, несмотря на все свое почтение к эксперименту, Николай Егорович все же усомнился. С присущей ему объективностью он записал в отчете об этой работе: «Инженеры, которые занимались этой задачей, не обратили внимания на то, что при весьма быстром закрытии задвижки вода останавливается и давление поднимается только у задвижки, и это состояние воды передается по трубе, по закону распространения волнообразного движения. Я полагаю, что упомянутое обстоятельство было упущено из виду потому, что наблюдения не делались над длинными трубами; в коротких же трубах, ввиду громадной скорости распространения ударной волны, поднятие давления представляется происходящим вдоль всей трубы одновременно».
К этому выводу Жуковский пришел позднее, завершив целую серию опытов. Что же касается того дня, когда профессор приступил к решению вопроса, то тут, как мы уже говорили, дальше догадок дело не шло.
Прежде всего профессор взялся за книги. Большой знаток литературы по гидродинамике, Жуковский нашел ряд сочинений, исследовавших движение воды в трубах. Листая книги и комплекты журналов, Жуковский встретил в них работы ученых самых различных стран: своего соотечественника Ипполита Степановича Громека, француза Резаля, англичан Кортвега и Ламба. Николай Егорович с большим интересом просмотрел эти труды, но ни один из них не подводил его дальше подступов к той задаче, которую предстояло решить. Некоторые же авторы допускали и ошибочные рассуждения.
К проведению опытов Жуковский приступил со своим обычным остроумием и простотой. Только два сложных прибора входили в число средств наблюдения — хронограф Марея и индикатор Кросби, измерявшие скорость распространения ударной волны и вычерчивавшие диаграмму распределения давлений, — беспощадно изобличившую ошибочное представление о мгновенном возрастании давления по всей сети.
Торопливо и деловито бежит по трубам вода. Но вот вечереет, ее уже не надо так много. Пора снизить расход, уменьшить напор потока. Опускаются массивные металлические затворы. «Дверь» захлопнулась. Но сила инерции гонит воду вперед, пока она не упрется в препятствие, встретившееся на ее пути. Тут-то и происходит самое главное. Остановка столь внезапна, что вода, в обычных условиях практически несжимаемая, на миг приобретает качество, ранее ей не свойственное.
Частицы слоя, который первым соприкоснулся с заслонкой, остановили свой бег. Сзади же неуклонно напирают все новые и новые массы воды. Жидкости становится тесно. Давление растет. Сказочный богатырь словно расправляет плечи, и хрупкий чугун, почти лишенный упругости, лопается со взрывом.
Грандиозный пульс бьется в подземной магистрали. Ударная волна, возникающая в трубах при закрытии заслонки и отражающаяся от нее в обратном направлении, представляет собой как бы биение пульса. Ведь пульсирование крови в организме напоминает гидравлический удар.
Однако гидравлический процесс, протекающий в кровеносной системе, выглядит иначе, чем в водопроводных трубах. Гибкие и эластичные сосуды, обладающие неизмеримо большей упругостью нежели металл, расширяются под напором крови. Жуковский не мог не обратить внимания на сходство и различие этих процессов. Отсюда и сделанный им вывод: грозное явление тесно связано с упругостью материала труб, их диаметрами, толщиной стенок. Закономерности, обнаруженные Николаем Егоровичем, привели к блестящим результатам. «Ударная диаграмма может служить для определения места утечки воды в трубах и вообще дать полные сведения о состоянии трубы», — писал он в окончательных выводах своей работы. Весьма существенным было и другое: работа Жуковского позволяла быстро отыскивать поврежденные участки, а главное — не допускать возникновения аварий на линиях.
«Простейшим способом ограждения водопровода от гидравлических ударов, — писал Николай Егорович, подводя итоги своему исследованию, — являются приспособления к медленному закрытию кранов. При этом продолжительность закрытия должна быть пропорциональна длинам труб. Воздушные колпаки надлежащих размеров, поставленные при кранах и задвижках, почти совершенно уничтожают гидравлический удар и не пропускают через себя ударную волну, если они поставлены на линии трубы, но сохранение воздуха в колпаках весьма затруднительно. Что касается предохранительных клапанов, поставленных на линии труб, то они пропускают через себя удар только той силы, которая соответствует упругости их пружины».
На все вопросы, волновавшие водопроводчиков, Николай Егорович дал ясные ответы. Он четко нарисовал картину явления и вывел точные формулы для расчетов, предупреждающих его возникновение. Благодаря правильно поставленным опытам Жуковский в полном смысле слова научился смотреть под землю. И грунт и металл труб открыли скрывавшуюся ими тайну.
Невидимка был побежден. Рукопись «О гидравлическом ударе в водопроводных трубах» нарисовала портрет грозного врага водопроводных магистралей столь ярко, что теперь укротить его было под силу любому грамотному инженеру.
Новая работа Жуковского начала путешествие по земному шару. Ее торопились перевести на разные языки. С гидравлическим ударом шутки плохи. Как же не воспользоваться той «смирительной рубашкой», которую накинули на него формулы московского профессора.
Так силой опыта и математических формул была укрощена грозная стихия.
Но вот перед нами еще одна работа Жуковского, не попавшая в собрание его сочинений. Доклад «О гидравлическом таране», прочитанный в 1899 году на заседании Политехнического общества, постигла та же участь, что и исследование «О центре парусности», — временная утрата, а затем возвращение к жизни стараниями научных сотрудников ЦАГИ.
Как свидетельствует протокол заседания, «Н. Е. Жуковский предвидит для тарана значительно лучшее будущее. Например, им можно будет пользоваться в водопроводах, утилизируя избыточный напор воды в нижних зонах для увеличения его в верхних, где он недостаточен, для чего надо будет только в нижних зонах производить ряд искусственных ударов в трубах, силу которых, конечно, можно регулировать, как угодно.
Помощью же тарана можно получить напор даже там, где он не должен иметь места, например, в сифонах. Делая искусственный удар в нижней части сифона, можно получить напор в верхней его части. Этот последний опыт Николай Егорович думает осуществить в своем имении; пропуская по сифону воду из пруда в сухой колодезь, он надеется получить фонтан в верхней части сифона.
Вообще теория тарана, предлагаемая Н. Е. Жуковским, тесно связана, даже есть прямое следствие предыдущей его известной работы об ударе воды в трубах, с которой члены Политехнического общества уже имели удовольствие познакомиться ранее в предыдущем его докладе обществу».
Данный текст является ознакомительным фрагментом.