12 ПЕРЕХОД К ТЕХНИЧЕСКОЙ МЕХАНИКЕ

12

ПЕРЕХОД К ТЕХНИЧЕСКОЙ МЕХАНИКЕ

Природа знать не знает о былом,

Ей чужды наши призрачные годы.

И перед ней мы смутно сознаем

Самих себя — лишь грезою природы.

Тютчев

Преподавательскую деятельность Сергей Алексеевич никогда не считал своим призванием, может быть, потому, что слишком рано начал ее.

Лекции его отличались лаконизмом, последовательностью изложения, продуманным отбором материала. Профессор никогда не прибегал к обычным педагогическим приемам, чтобы поднять интерес слушателей к предмету лекции. Он не рассказывал о возможных практических приложениях излагаемой теории, не касался истории науки, за всю свою жизнь не рассказал ни одного анекдота из жизни ученого. Курсы, читанные им, носили чисто аналитический характер, и даже там, где геометрические интерпретации напрашивались сами собой, он не пользовался случаем, чтобы показать свое мастерство и в этой области математики.

Принятый Чаплыгиным способ преподавания требовал от учащихся большой подготовки, напряженного внимания, самостоятельного мышления. Лекции его привлекали не слишком много слушателей, но зато почти каждый из них впоследствии с честью носил звание ученика Чаплыгина.

Кроме чтения общего курса, Сергей Алексеевич вел со студентами и упражнения по второй части механики. Один из учеников Чаплыгина, В. В. Голубев, рассказывает:

«К студентам и здесь он предъявлял самые высокие требования, а потому и здесь аудитория не была особенно многочисленной, но те, кто аккуратно прорабатывал на упражнениях весь разбиравшийся материал, действительно выносили из этих упражнений солидное знание предмета, причем не только по теоретической механике, но и в смежных отделах математики; многие студенты здесь, на упражнениях по механике, действительно приобрели умение интегрировать дифференциальные уравнения гораздо полнее, чем на специальных упражнениях по теории дифференциальных уравнений. Но на упражнениях так же, как и на лекциях, профессор пользовался почти исключительно аналитическими методами; здесь также отсутствовала и геометрическая наглядность и какая-нибудь связь с приложениями, например с задачами техники. В этом его преподавание коренным образом отличалось от преподавания его учителя, который всегда отдавал предпочтение наглядным геометрическим методам и в своем преподавании и в своих научных исследованиях».

Неожиданно открывшийся администраторский и хозяйственный талант, поставленный на службу великому делу высшего женского образования, вовлек Сергея Алексеевича в грандиозное и сложное строительство Высших женских курсов, и ему пришлось сначала отказаться от преподавания в Межевом институте, потом уйти из Технического и, наконец, покинуть Инженерное училище.

Сергей Алексеевич покидал их одно за другим без сожаления. Но с благодарностью вспоминал о том, что соприкосновение через инженерно-технический преподавательский персонал с вопросами техники пробудило в нем интерес к инженерной теории и практике.

Человек огромного любопытства и беспокойства, не оставлявший без внимания ни одного события в науке, искусстве, литературе, общественной жизни, Сергей Алексеевич не мог, разумеется, равнодушно пройти мимо полетов братьев Райт, Латама, Блерио, Фармана и первых русских авиаторов — Уточкина, Ефимова, Попова.

Осенью 1908 года на беговом ипподроме, на Ходынке, состоялись полеты Уточкина, одного из первых русских авиаторов. Уточкин поднялся в воздух на высоту второго этажа, метров на шесть-восемь, и пролетел на своем нескладном «фармане», напоминавшем большой коробчатый змей, метров сто пятьдесят вдоль трибуны.

Зрители толпою бежали к самолету. Уточкина качали, кричали «ура». О полетах писали во всех газетах.

Вскоре пошли различные рекорды: Латам поднялся на триста метров над землею, Блерио перелетел Ла-Манш. Важен был первый шаг — дальнейшее пришло благодаря искусству смелых летчиков, изобретательности конструкторов, расчетам ученых, разрабатывавших научные проблемы авиации.

До полетов братьев Райт, Сантос Дюмона, Фармана искусство летать считалось мечтою, фантазией.

Жуковский и в раннюю пору своей научной работы не сомневался в возможности осуществления тысячелетней мечты человечества.

— Птицы летают. Почему же человек не может летать? — говорил он.

Когда ему указывали на бесплодность многих попыток летания на всякого рода аппаратах, вроде крыльев из птичьих перьев, он отвечал улыбаясь:

— Человек полетит, опираясь не на силу своих мускулов, а на силу своего разума!

Опираясь на силу своего собственного огромного ума, Жуковский раскрыл миру тайны летающего тела и сделал ясным все, что происходит в воздухе вокруг него.

Правда, Жуковский начал свою ученую деятельность как гидродинамик, он много занимался вопросами чистой математики, вопросами теоретической и прикладной механики, отзываясь на запросы живой практики. Но время от времени он выступал с докладами по авиации и воздухоплаванию. После доклада «К теории летания», состоявшегося в 1890 году, и знаменитой работы «О парении птиц», вышедшей в 1891 году, появляется его статья «О наивыгоднейшем наклоне аэропланов».

В статье «О парении птиц» Жуковский дал полное решение задач о скольжении птицы в покойном воздухе и показал, каким образом найденное движение видоизменяется в воздухе, текущем горизонтальными слоями разной скорости, дующем порывами или имеющем легкое восходящее движение. Он установил характерные особенности поведения парящей птицы при всех этих условиях. Здесь же Жуковский обосновывает возможность выполнения «мертвой петли».

Русский летчик Петр Николаевич Нестеров первый в мире после упорной работы сделал в воздухе эту «мертвую петлю».

Жуковскому, закладывавшему теоретические основы таких совершенно новых наук, как аэромеханика или динамика полета, естественно, приходилось исходить прежде всего из опыта живой природы, которая и была его постоянным учителем.

По возвращении из-за границы осенью 1877 года он приобрел велосипед, приспособил к нему большие крылья из бамбука, обтянутые парусиной, и, съезжая с пригорка, наблюдал на этих крыльях сопротивление и подъемную силу.

С самого начала своей деятельности как профессора Московского университета он уже систематически работает над вопросами аэромеханики. В механическом кабинете Московского университета осталась большая коллекция воздушных змеев и различных заводных летающих игрушек, которые Жуковский собирал с самых первых лет работы в университете. Попутно с этим он много работал в эти годы в области гидромеханики; впоследствии эта работа принесла ему большую пользу, как разносторонняя и глубокая теоретическая подготовка к решению запутанных вопросов технической аэромеханики.

Размышляя над теорией полета, Жуковский тщательно изучает полет птиц, различные проекты летательных машин, заводит знакомство с изобретателями. К одному из первых конструкторов планеров — инженеру О. Лилиенталю — Жуковский ездил специально, чтобы посмотреть его полеты, и даже получил в подарок от него экземпляр сконструированных им крыльев. Николай Егорович систематически участвовал в работе всех съездов, посвященных воздухоплаванию.

Жуковскому принадлежит и постройка в 1902 году в механическом кабинете Московского университета одной из первых в Европе аэродинамических труб, или, как он называл ее сам, «галереи для искусственного потока воздуха».

«Наша аэродинамическая лаборатория при Московском университете уже давно занималась исследованиями по сопротивлению воздуха, пользуясь маленькими средствами, отпускаемыми университетом на механический кабинет», — скромно говорил Николай Егорович на торжественном заседании научного Леденцовского общества, перечислив открывшиеся в 1910–1911 годах лаборатории Эйфеля в Париже, Прандтля в Геттинтене, Цама в Америке и ряд других.

Об этих исследованиях Жуковского по сопротивлению воздуха Сергей Алексеевич писал:

«К концу восьмидесятых годов Николай Егорович приступает к своим исследованиям по теоретической авиации: Начало было трудным. Ведь в ту пору никаких научных работ в этой области не было. Николай Егорович собирает в механическом кабинете Московского университета воздушные змеи всех систем, разнообразные летающие игрушки, бабочек с резиновыми моторчиками, которые применяют теперь юные авиамоделисты, и т. п. Вскоре появились и первые научные труды, посвященные авиации».

Сергея Алексеевича, как и его учителя, житейский опыт и наблюдательность привели к правильному заключению о том, что природа, создав мозг человека, сама же и работает в этом мозгу, наполненном ее отражениями, хотя человеку и кажутся собственные цели и действия его чуждыми природе, независимыми от нее.

Все эти змеи, летающие игрушки, бабочки, пропеллеры, изобретенные безвестными людьми, опирающимися на чутье, на прирожденный инстинкт, Николай Егорович ценил очень высоко. Для него они являлись теми самыми моделями, которые геометрическому складу ума раскрывали тайны воздушной стихии.

Различные модели летательных аппаратов испытывались в кабинете прикладной механики Московского университета с 1889 года, и результаты этих исследований публиковались Жуковским в статьях, посвященных воздухоплаванию. С 1902 года в «галерее для искусственного потока воздуха» студенты под руководством Николая Егоровича производили аэродинамические опыты. При переходе в новое здание университета в этой аэродинамической трубе скорость воздуха благодаря более мощным двигателям была доведена до одиннадцати метров в секунду.

Одновременно создавались разнообразные приборы для различных опытов. Многие из этих приборов проектировал сам Николай Егорович, часть — студенты под его руководством. Модели изготовляли на токарном станке, который он специально приобрел для этой цели на свои средства.

Оборудование лабораторий, конечно, не могло удовлетворить такого экспериментатора, как Жуковский. Дело стояло из-за отсутствия средств. Поэтому, когда к Николаю Егоровичу обратился за организационной помощью известный богач и его ученик по Промышленной академии Д. П. Рябушинский, Жуковский охотно взялся за сооружение аэродинамической лаборатории в Кучине, под Москвой, на средства Рябушинского.

Аэродинамический институт в Кучине был построен в 1904 году. Под руководством Жуковского здесь производились очень серьезные опыты с сопротивлением различной формы профилей, испытывались винты.

Однажды отлетевшей лопастью винта Николай Егорович чуть не был убит.

Кучинский институт оборудовали хорошо, но хозяин, человек купеческой складки, более радел о славе своей лаборатории, нежели о науке. Жуковский в конце концов отошел от института. Несравненно дороже его сердцу была лаборатория университета, а особенно лаборатория Московского высшего технического училища, где его окружали ученики, столь же преданные науке, как он сам.

Среди высших учебных заведений и в то время, как и сейчас, Московское высшее техническое училище пользовалось особенной славой. Мечтой многих гимназистов и реалистов было попасть сюда. Оно собирало со всей страны наиболее талантливое юношество, стремившееся к практической инженерной работе. С осени 1909 года здесь впервые в мире Николай Егорович Жуковский начал читать свой знаменитый курс лекций по основам теоретической авиации, или, как тогда говорили, «воздухоплавания», не отделяя летания на аэростатах от летания на самолетах.

«На вступительную лекцию, в которой он описывал успехи авиации, сопровождая лекцию множеством диапозитивов, — рассказывает В. П. Ветчинкии, один из старейших учеников Жуковского, — собралось так много слушателей, что самая большая аудитория Технического училища — новая химическая — не могла вместить всех желающих. Студенты стояли в проходах, на окнах, в дверях и даже слушали за дверью».

По «Теоретическим основам воздухоплавания» учились все первые деятели авиации. Этот курс лекций представляет исключительное по своей простоте изложение очень трудных аэрогидродинамических проблем, которые автор сумел сделать доступными для студентов-техников с невысокой математической подготовкой.

К тому времени, когда живая жизнь предъявила к теоретической авиации свои требования, Жуковский, внимательно следивший за всеми новостями в этом деле, оказался во всеоружии тех знаний, которые нужны были для создания теоретических основ авиации и прежде всего для ответа на вопрос: откуда берется подъемная сила у крыла и как теоретически ее выразить?

Насколько Жуковский был подготовлен к ответу на этот основной вопрос, видно из того, что уже в 1906 году в замечательнейшей своей работе «О присоединенных вихрях» он дает правильный ответ на вопрос, позволивший затем производить расчет сил, действующих на крыло.

Исследованный Жуковским тип воздушной циркуляции можно наблюдать при падении легких продолговатых пластинок в воздухе. Это падение сопровождается интереснейшим явлением, которое хотя и было ранее известно, но не находило себе никакого объяснения.

Если вырезать из картона узкий и длинный прямоугольник и, расположив его горизонтально, сообщить ему легкое вращение около продольной оси, то падение прямоугольника будет медленно совершаться по наклонной поверхности к горизонту, причем вращение около продольной оси будет все время сохраняться.

Первоначально сообщенное пластинке очень легкое вращение образует присоединенный к пластинке вихрь, от действия которого при падении пластинки и развивается сила, направляющая пластинку и поддерживающая ее вращение.

Созданная на основе открытия Жуковского теория крыла получила название циркуляционной теории. Сущность ее заключается в использовании аналогии крыла с вращающимся цилиндром, то есть набегающий на крыло воздушный поток уподобляется потоку, обтекающему цилиндр.

Ученик и ближайший сотрудник Жуковского академик Л. С. Лейбензон вспоминает, что впервые мысль о роли циркуляционных потоков при возникновении силы давления воздуха на находящиеся в нем крылообразные тела возникла у Жуковского осенью 1904 года.

Возвращаясь с ним в Москву из Кучина, где они наблюдали полеты воздушных змеев, Николай Егорович сообщил ему, что механизм образования подъемной силы совершенно ясен. Однако потребовалось еще около двух лет, чтобы из этой физической схемы получить точную и полную математическую формулировку, позволившую впоследствии с огромным успехом применить ее к решению основных задач теории крыла и теории винта самолета.

Сам Николай Егорович, открыв, что наличие циркуляции вызывает подъемную силу, не говорил еще ничего о том, что его теорема «О присоединенных вихрях» имеет отношение к теории крыла. Он указал только на то, что его теорема применима к движению тел в воздухе с вращением, которое, по его мнению, было причиной циркуляции. Он применил свою теорему для объяснения, почему вращающиеся узкие и длинные пластинки при падении отклоняются от вертикали.

Первые успехи авиации поставили перед теоретической механикой сложную теоретическую задачу, а запросы техники требовали ее немедленного решения. Впервые в истории науки теоретическая механика получала от техники задание, касавшееся не частных вопросов существующих теорий, а ставившее принципиально новый, основной вопрос науки, совершенно не разработанный.

То был коренной переворот в развитии современной теоретической механики, когда развитие общей теории направлялось развитием и потребностями техники.

Механика из абстрактной математической дисциплины превращалась в дисциплину прикладную, тесно связанную с потребностями практики, современной техники, определяющей ее развитие. Она превращалась в дисциплину естественнонаучную, требующую для своего развития наряду с чисто математическими методами и широкого лабораторного экспериментального исследования.

Жуковский прекрасно понимал эти особенности современного ему развития механики и в течение уже многих лет готовился сам к историческому перевороту и готовил к нему будущих деятелей из своих учеников, одним из которых был Чаплыгин.

Подход к научным проблемам с точки зрения естествоиспытателя и инженера сейчас же сказался и в выборе тем и в выборе методов исследования, особенно ярко — в многочисленных работах по вопросам аэродинамики и авиации.

«Эти первые работы в конце концов привели Жуковского, Чаплыгина и их учеников к проблематике, которая создала новую эпоху в механике — эпоху технической механики, — говорит академик М. В. Келдыш. — В центре этой новой проблематики стали вопросы теории полета, но интересы распространились и на задачи баллистики, теории смазки, гидравлики и всех других областей, связанных с интенсивным развитием техники XX столетия. Это новое направление совершенно изменило лицо механики, сделав ее наукой, непосредственно связанной с техникой, непосредственно решающей технические вопросы. В настоящее время вопросы техники стали столь велики, что для решения выдвигаемых ею задач необходимо привлечение наиболее сложных и тонких методов математики и механики. Но вместе с этим сближение механики с техническими вопросами изменило и самые методы механики. Если в классической механике все вопросы решались математическими методами, то технические проблемы потребовали привлечения широкого научного эксперимента, и механика из математической дисциплины превратилась в науку, опирающуюся на наиболее современные достижения математики и на широкий научный эксперимент. С. А. Чаплыгин является одним из сильнейших ее представителей, внесших математическую науку в решение технических задач. Он сам всегда работал средствами математического анализа, но вместе с тем он всегда придавал первостепенное значение развитию экспериментальных методов, использовал в своих исследованиях гипотезы, возникшие из экспериментальных исследований, и придавал основное значение экспериментальной проверке своих работ».

В математике Чаплыгин видел средство познания, более совершенное, чем все другие.

Блестящий математик, с огромной памятью и интуицией, он любил мир точных соотношений и переносил эту точность в практические приложения науки. Иллюстрируя какие-нибудь математические построения высокой точности, он спокойно приводил такой пример, где точность практически оказывается ненужной, даже смешной. Так, например, он вычислял срок прихода поезда по графику с точностью до одной миллионной доли секунды.

Подобно Чебышеву и Лобачевскому, Чаплыгин был более всего удивителен для окружающих тем, что совмещал в своей личности философа и хозяйственника, мыслителя и администратора. С равной глубиной и зоркостью он постигал и космическую организованность вселенной и организацию экспериментальных работ в аэродинамической лаборатории.

В его присутствии никто не мог сделать ни одной ошибки в математическом построении. Он все знал и все помнил.

Характерный случай произошел однажды в Московском математическом обществе на докладе Жуковского. Чтобы не тратить времени на писание чисел и формул, Николай Егорович имел обыкновение показывать на экране вместо доски заранее заготовленные формулы и вычисления. Так было и на этот раз.

Когда на экране появился какой-то новый расчет, Чаплыгин заметил:

— Николай Егорович, у вас коэффициент не тот!

—: Как не тот? — всполошился Николай Егорович, подходя к экрану. — Разве не тот?.. Да, действительно не тот, — согласился он, когда заметил ошибку, и, забывая, что перед ним не доска, а экран, послюнил пальцы и стал стирать световую формулу.

Жуковский иногда ошибался в том или ином математическом соотношении, но конечный вывод у него всегда был правильным: геометрический склад ума подсказывал ему правильный результат.

Чаплыгин не ошибался почти никогда. Единственный раз в жизни он усомнился в своей правоте, убежденный экспериментальной проверкой его предположений, и в этот единственный раз прав был он, а ошибочным оказался неточно проведенный эксперимент.

Сергей Алексеевич сиживал на научных докладах как бы дремля, с полузакрытыми глазами, но в ту минуту, когда вы готовы были бы поклясться, что он давно уже потерял нить рассуждений докладчика, ученый вдруг приоткрывал глаза и говорил:

— Иван Николаевич, а почему у вас тут плюс?

— Как почему? — отвечал докладчик, готовый пуститься в длинные рассуждения, чуть ли не с самого начала. — Изволите видеть, я взял…

— Да нет, вы проверьте, Иван Николаевич, — прерывал его Чаплыгин, — тут не плюс!

И неизменно оказывалось, что Чаплыгин, контролировавший речь докладчика, замечал малейшую ошибку в сложнейшем выражении, для которого едва хватало большой доски аудитории.

Чаплыгин начал с разработки математических идей своего учителя, высказанных им попутно в курсе гидродинамики, и до конца жизни оставался «лучом света для практиков», но не инженером-конструктором, которым он удивлялся не менее, чем удивлялись они ему.

Однажды талантливые ученики Жуковского К. А. Ушаков и Г. М. Мусинянц демонстрировали Сергею Алексеевичу аэродинамические весы, построенные ими. Это была «очень умственная штука», как любил говаривать Ушаков: весы не только показывали силы, действующие на модель в аэродинамической трубе, но тут же показывали и поправочный коэффициент к расчету.

— Удивляюсь, как могут люди выдумывать подобные вещи! — сказал Сергей Алексеевич.

Жуковского нельзя было удивить никаким самым хитроумным устройством, которые придумывал он сам или его ученики.

— Машинки надо любить! — с ласковой нежностью говорил он, сидя на корточках в лаборатории и приводя в действие какой-нибудь необычайный, хотя бы игрушечный, механизм.

Жуковского нередко можно было увидеть в лаборатории, следящего с глубоким вниманием за каким-нибудь опытом. Чаплыгин, будучи студентом, физический опыт провел так плохо, что потом уже никогда не брался экспериментировать.

«Людям, владеющим математическим анализом, кажется он способным охватить всю сложность неизученного природного явления и думается, что после него дело и весь интерес опыта состоит только в опровержении или проверке теории. Люди, владеющие анализом, редко имеют способность и склонность сочинить и выполнить опыт, могущий дать дельный ответ на вопрос, заданный природе», — говорит о людях, подобных Чаплыгину, Д. И. Менделеев.

Математика для Чаплыгина была искусством строгих логических решений. Оставаясь полным хозяином в своей области, он не мешался в чужие. Делать практические выводы, производить опыты он предоставлял другим.

Владимир Васильевич Голубев рассказывал нам, как однажды, сидя за шахматами с Чаплыгиным, он заметил с усмешкой:

— А не странно ли, Сергей Алексеевич, что вот я профессор механики, а в доме у меня один молоток…

— А у меня и молотка нет! — спокойно ответил Чаплыгин.

Удивляясь искусству практиков механики, Чаплыгин в то же время почти каждой своей работой освещал неясные стороны загадочных явлений, с которыми они сталкивались.

Совместная работа Жуковского и Чаплыгина в деле, имевшем такое колоссальное значение для мировой авиации, чрезвычайно интересна и сама по себе.

Данный текст является ознакомительным фрагментом.