Архив рубрики: Отец русской авиации — Н.Е. Жуковский

Н.Е. Жуковский -выдающийся педагог высшей школы

Н. Е. Жуковский был преподавателем высшей школы (Московского университета и Московского высшего технического училища) в течение 50 лет. Созданные им учебники, учебные пособия и монографии Являются золотым фондом нашей научно-учебной литературы. Жуковским были написаны:
«Теоретические основы воздухоплавания» — первый учебник по аэродинамике в нашей стране;
Курсы Теоретической механики для МВТУ и университета;
Курс «Динамика твердого тела»;
«Лекции по гидродинамике»;
«Аэродинамический расчет аэроплана»;
«Теория регулирования хода машин».

Изучая написанные Жуковским учебники, собирая его отдельные высказывания по вопросам обучения, а также анализируя воспоминания многочисленных учеников, где часто приводятся мысли Жуковского по вопросам преподавания и стиля научных изысканий, можно, составить представление о педагогических взглядах великого русского ученого.

Жуковский считал великой честью для себя вести преподавание механики в двух крупнейших высших школах нашей страны— Московском университете и Московском высшем техническом училище. Он почти без перерывов читал курс механики в МВТУ с 1874 года и в МГУ — с 1886 года. Преподавание было для Жуковского не столько обязанностью, сколько любимым делом. В отличие от некоторых самовлюбленных ученых, считающих преподавание делом второго сорта (первый сорт — это «Творчество»), Жуковский считал научное воспитание студенчества одной из наиболее важных задач ученого. Педагогические воззрения Жуковского нельзя отделить от его научного стиля. Он утверждал, что механик должен:
«решать реальные задачи механики», «изучать вещи в самих себе», брать основания для теории из опыта и наблюдений», «составлять интегрируемые уравнения», «равноправно опираться на анализ и геометрию, заимствуя от них то, что наиболее подходит к существу задачи».

Придавая колоссальное значение геометрическим толкованиям и моделированию, Жуковский писал: «Если могут быть споры о самостоятельной роли геометрии при решении недоступных до сих пор задач динамики, то ее высокое значение в преподавании механики не подлежит сомнению. Ум изучающих весьма часто склонен к формальному пониманию. Я из своего педагогического опыта знаю, как часто запоминаются формулы без усвоения стоящих за ними образов. Как это ни кажется странным, но одним из затрудняющих вопросов является иногда вопрос о значении той или другой буквы в бойко написанной формуле.

В этом отношении геометрическое толкование, предпочтение геометрического доказательства аналитическому всегда приносит пользу.

Если формулы и подстановки некоторыми из изучающих легко запоминаются, то также скоро они исчезают бесследно из памяти; но раз усвоенные геометрические образы, рисующие картину рассматриваемого явления, надолго западают в голову и живут в воображении изучающего».

Жуковский произвел коренную революцию в построении и изложении курса механики высшей школы. Вместо изложения теоретической механики в стиле аналитической механики Лагранжа он вводит в механику векторный метод, развивает элементарную статику, рассматривает методы решения конкретных практических задач. Большое внимание в курсе уделяется частным задачам по механике.

«Николай Егорович старался выбирать такие задачи, чтобы математический анализ был возможно прост и на первый план выступала механическая суть», — пишет академик Л. С. Лейбензон — ученик Жуковского.

Разделяя известное высказывание И. Ньютона о том, что «в механике примеры учат не меньше, чем правила», Жуковский вел ежегодно практические занятия со студентами и сам принимал зачеты, требуя, чтобы в специальных тетрадях были представлены подробные решения методически тщательно подобранных задач. Николай Егорович считал, что лектор должен руководить практическими занятиями по механике, чтобы иметь возможность проверить усвоение студентами предмета и обеспечить опытное руководство на начальной стадии обучения.

Выдающимся произведением по теоретической механике является курс Николая Егоровича для студентов МВТУ. Курс начинается с раздела «Статика», изложенного элементарно геометрическим методом. В курсе большое число конкретных технических задач. Разбору механической сути дела уделяется главное внимание. Из кинематических вопросов наибольшее внимание уделено определению скоростей и ускорений точки, определению скоростей и ускорений точек тела при вращательном и плоскопараллельном движениях и добавочному (или кориолисову) ускорению. Очень интересен раздел, посвященный сложению движений твердого тела, иллюстрированный ясными, убедительными примерами. Механические модели заполняют страницы этой главы «Кинематики». Любителям «общности и строгости» следует рекомендовать эту главу курса для тщательного анализа, ибо опыт преподавания показывает, что от приведения «пространственной системы скользящих векторов к простейшему виду» и разбора правил сложения моторов (кинематических винтов) у студентов технической высшей школы почти не остается знаний о закономерностях механического движения. Усложненная математическая форма съедает здесь физическое содержание понятий и теорем.

В динамике основное содержание курса Жуковского сосредоточено на изучении теории удара, общих теоремах механики и простейших движениях твердого тела.

Н. Е. Жуковский систематически внедрял векторный метод изложения механики. В настоящее время этот метод стал общепринятым, несмотря на ряд скептических замечаний некоторых крупных ученых.

Основные преимущества векторного изложения курса механики следующие:
а) векторные представления адекватно передают суть многих понятий механики;
б) достигается наглядность и геометрическая ясность изложения; —
в) достигается разумный синтез геометрического и аналитического методов;
г) сокращаются малосодержательные алгебраические преобразования, которые иногда создают у студентов иллюзию понимания сути дела;
д) упрощаются выводы при рассмотрении сложных движений материальных тел;
е) многие формулы приобретают инвариантный характер по отношению к системе отсчета.

Развитие педагогических идей Жуковского в области теоретической механики должно, как нам кажется, идти по линии разумного внедрения в изложение курса механики векторных методов.

Жуковский считал целесообразным в преподавании широкое развитие лекций. Общеизвестно его высказывание, что «по силе впечатления лекционный способ стоит выше других приемов преподавания и ничем не заменим, вместе с тем этот способ есть и самый экономный по времени».

Заметим, что последовательно излагаемый курс лекций дает не только фактический материал, который будет спрашиваться на экзаменах, а нечто гораздо более важное — основы современного научного мышления. Конечно, если на процесс высшего образования смотреть как на совокупность подлежащих сдаче экзаменов, то, очевидно, самостоятельная работа студента по учебнику с некоторой помощью «консультантов-репетиторов» полностью решает дело. Однако весь опыт развития высшей школы и в нашей стране, и за границей разными прямыми и косвенными путями свидетельствует о том, что слушание лекций выдающихся профессоров имеет какое-то особо ценное значение, представляет важнейший процесс приобщения к творческой деятельности ученого.

Что это действительно так, многие знают из непосредственного эксперимента. Можно собрать в библиотеке какого-либо «энского» института лучшие учебники по механике, написанные как в нашей стране, так и за границей, можно организовать хороший кабинет механических моделей и кинофицировать лекции, но если в этом институте нет творчески работающего механика, хозяина этого раздела науки, то курс механики будет сдаваться на экзаменах и забываться скорее, чем об этом обычно думают. Многие в студенческие и аспирантские годы, а иногда и в пожилом возрасте нередко спешат на лекцию без всяких понуждений, ибо они знают, что могут получить то, что не написано (и не будет написано) ни в одной книге.

В лекциях перед слушателями раскрывается лаборатория научного мышления, показывается историческое становление научной истины, выявляются качество мышления лектора и его воззрения на идеалы науки и цель научного исследования. Только на лекциях можно понять сущность той или иной научной школы. Только на лекциях можно услышать оценки новых научных методов исследования и ясно понять, что внес в сокровищницу мировой научной мысли сам читающий лекции, насколько близок ему и плодотворен процесс созидания новых интеллектуальных ценностей. Все эти моменты кажутся нам необычайно важными, если иметь в виду привлечение к творческой деятельности нашей учащейся молодежи.

Мы думаем, что важнейшую роль в хороших лекциях играет эмоциональная сторона изложения, пробуждающая у слушателей интерес к научному исследованию. Если лектор остается холодным и бесстрастным при чтении самых великих достижений данной науки, то аудитория, особенно молодая, теряет интерес и любовь к предмету, посещая лекции лишь в дисциплинарном порядке. Лектор должен вносить в умы слушателей тот романтизм и энтузиазм творчества, без которых не может формироваться строитель коммунистического общества. Мы убеждены, что истинно великого нельзя ни в какой области сделать без великого воодушевления.

Вот характеристика лекций К. А. Тимирязева, данная студентами-биологами Московского университета, характеристика искренняя и верно отмечающая главные качества хороших лекций: «Благодарим Вас за ту силу, с которой Вы обрисовали перед нами задачи и значение науки, за ту ясность, с которой Вы излагали нам ее содержание. Благодарим Вас за то дивное чувство любви к науке и веры в нее, которое Вы пробуждали и воспитывали в нас. Благодарим Вас за ту вдохновенную мощь, которая звучит во всем, что мы слышали от Вас, за тот подъем, желание работать, которые мы уносили с собой с Ваших лекций» («Вестник высшей школы», 1951, № 11. стр. 54).

К такому идеалу лекционного преподавания был очень близок Н. Е. Жуковский.

Стоит задуматься над высказыванием Альберта Эйнштейна, который писал в своей творческой автобиографии: «В сущности почти чудо, что современные методы обучения еще не совсем удушили святую любознательность, ибо это нежное растеньице требует наряду с поощрением прежде всего свободы, — без нее оно неизбежно погибает. Большая ошибка думать, что чувство долга и принуждение могут способствовать находить радость в том, чтобы смотреть и искать» («Успехи физических наук», т. IX, вып. 1, 1956, стр. 77).

Изданная в 1912 году книга Жуковского «Теоретические основы воздухоплавания» получила широкое распространение и мировое признание. Построение этой книги имеет весьма важное методическое значение для ряда кафедр вузов нашей страны, создающих учебники по новым разделам современной авиационной и ракетной техники.

Жуковский стоял у истоков современной аэродинамики, и он глубоко понимал, что невозможно создать надежную теорию, не зная из эксперимента главных особенностей изучаемых явлений. В своей книге Николай Егорович, тщательно анализируя опытный материал, подводит читателя к правильным теоретическим обобщениям.

Жуковский смело дает место работам своих учеников. В книге изложены результаты опытов и теоретических построений учеников Николая Егоровича, тогда студентов, — Сабинина, Юрьева, Соколова, Морошкина, Лукьянова и др.

Очень поучительным в педагогической деятельности Н. Е. Жуковского является его руководство студенческими научными кружками. Особенно большой размах имела работа воздухоплавательного кружка МВТУ, созданного по инициативе Жуковского в 1908/09 учебном году. Работа кружка шла по двум направлениям: теоретическому и практическому. Кружок занимался созданием библиотеки по воздухоплаванию, вел широкую научно-реферативную работу и осуществлял силами членов кружка переводы иностранных сочинений по авиации и воздухоплаванию. Для организации строительства лаборатории кружок создал подкомиссии: лабораторную и строительную. Уже в 1909 году кружок имел планеры, на которых летали члены кружка. Силами кружковцев были построены две аэродинамические трубы: круглая— диаметром 1 м и прямоугольная — с рабочей частью 1,5X0,3 м. Все делалось силами членов кружка при активном и повседневном руководстве Жуковского. Из членов этого кружка выросли хорошо известные теперь деятели советской авиационной науки и техники: А. Н. Туполев,
В. П. Ветчинкин, Г. X. Сабинин, К. А. Ушаков, Б. С. Стечкин, А. А. Архангельский, Б. Н. Юрьев, Г. Н. Мусиньянц и многие другие. Об этой важной стороне деятельности Николая Егоровича один из его учеников (Г. X. Сабинин) писал: «...нас привлекало какое-то особое обаяние его личности, нас заражала его глубочайшая заинтересованность в любимой им науке, которой он посвятил всю свою жизнь, привлекала его необыкновенная простота в обращении с молодежью; совершенно не чувствовалось разницы между маститым ученым и юным студентом».

Н. Е. Жуковский был научным руководителем большого числа теоретических и экспериментальных работ, выполнявшихся студентами старших курсов под его руководством. Приведем здесь некоторые высказывания из воспоминаний учеников, характеризующих до известной степени педагогические воззрения Жуковского:
— «...Я вспоминаю бесконечные дискуссии, которые мы вели по поводу этого парадокса. Нередко принимал участие в этих дискуссиях и сам Николай Егорович, когда заходил в аэродинамическую лабораторию кружка. Н. E Жуковский спорил с нами как совершенно равный, не давя нас своим научным авторитетом». (Из воспоминаний Г. X. Сабинина.)
— «Самые молодые студенты запросто обращались с вопросами к Николаю Егоровичу, когда он проходил по коридорам училища». (Из воспоминаний Г. Н. Мусиньянца.)
—«Несмотря на отсутствие ораторского искусства и высокий, почти дискантовый голос лектора, вся аудитория с напряженным вниманием жадно ловила каждое его слово. Этого Николай Егорович достигал умелой постановкой вопроса, логичностью его изложения, своей исключительной эрудицией. Разрешая один вопрос, он выдвигал новый, заинтересовывая пытливую молодежь кажущейся неразрешимостью его. Но знание и логика были на стороне ученого, и как светлели лица студентов, когда мелок Николая Егоровича решал на доске казавшееся неразрешимым». (Из воспоминаний Б. И, Россинского.)
— «Николай Егорович всегда ставил любого из нас в положение равное с ним, и это подчеркнутое равенство невольно поднимало каждого из нас в собственных глазах, вызывало инициативу и создавало громадный интерес в работе». (Из воспоминаний А. А. Архангельского).
— «Мы с наивностью молодости ставили ему вопросы, на которые еще не было ответа на земле, а он со спокойной мудростью отвечал: «Подумаю». И естественно, что человек, которому можно было поставить такие вопросы, в наших глазах был единственным; как же было не тянуться к нему, не идти с ним вместе и не стараться участвовать в решении этих новых задач». (Из воспоминаний А. Н. Туполева.)
— «Как профессор высшей школы, Николай Егорович с самого начала своей педагогической деятельности был новатором по введению геометрически наглядного метода преподавания взамен господствовавшего до него метода чисто аналитического, где все основные теоремы механики получались из уравнений, а на физическую картину явления почти не обращалось внимания». (Из статьи В. П. Ветчинкина.)
— «Приступив к преподаванию механики в университете, Н. Е. Жуковский перестроил его на основе своего опыта преподавания в Техническом училище. Он выбросил из курса аналитический мусор своих предшественников и основал преподавание механики на тех простых принципах, которые он почерпнул у Галилея, Ньютона, Гюйгенса и Пуансо. Его курс механики был настолько прост и понятен студентам, что получил распространение по всей России. И только изучив по литографированным запискам курс Н. Е. Жуковского, студенты приступали к изучению трудных курсов своих профессоров». (Из книги Л. С. Лейбензона.)

Н. Е. Жуковский смело выдвигал своих талантливых учеников на самостоятельную работу, всячески поддерживая самостоятельные творческие искания. Так, например, студенту А. Н. Туполеву было поручено проектирование и строительство аэродинамических труб в МВТУ — дело в те годы абсолютно новое и неизвестное. Студенту Г. Н. Мусиньянцу было поручено ведение лабораторных занятий по молодой аэродинамической специальности, а годом позже ему было передано чтение лекций по аэродинамическому расчету самолетов. Студент В. П. Ветчинкин стенографировал и обработал курс лекций по теоретическим основам воздухоплавания.

Жуковский быстро направлял в печать интересные студенческие работы и излагал результаты студенческих сочинений в своих курсах. Так вошла в литературу «манера Сабинина» по снятию спектров течений около воздушного винта. Так получили известность работы Лукьянова, Бухгольца, Морошкина, Юрьева и многих других.

Жуковский был близок со своими учениками и вне стен высшей школы. Вместе с молодежью маститый ученый ходил в кино «Колизей» (около Чистых прудов). На квартире ученого в Мыльниковом переулке собирались студенты университета и Технического училища. На этих беседах в простой, непринужденной атмосфере обсуждались все те же вопросы, которые составляли главный жизненный интерес Николая Егоровича — вопросы развития любимой его науки — механики.

Великая Октябрьская социалистическая революция открыла двери университетов, вузов и втузов широким кругам нашей молодежи. Делу воспитания новых кадров придано важнейшее государственное значение. Бурно развивается советская наука, и объем материала, излагаемый студентам, растет весьма быстро. Нарождаются и развиваются новые научно-технические дисциплины. Все это настойчиво требует совершенствования методов обучения и воспитания в высшей школе. Педагогические приемы и методы великого русского механика, «инженера высшего ранга», как называли Жуковского его ученики, должны получить широкую известность среди преподавателей высшей школы нашей страны.

Работы Н.Е. Жуковского по технической аэродинамике

Научная деятельность Н. Е. Жуковского неотделима от развития русской техники. Авиационную технику в нашей стране в значительной степени создавали ученики и последователи Жуковского. С отеческим вниманием и заботой относился Николай Егорович к творческой инициативе студентов, изобретателей, русской интеллигенции, стремившихся помочь развитию авиационной техники в России. Жуковский тщательно изучал все попытки строить летательные аппараты, выявляя закономерности новых явлений механического движения, создавая теоретические основы авиации, ускоряя развитие нового направления технического прогресса.

Когда на Ходынском аэродроме в 1912 году была открыта школа авиации для обучения военных летчиков, Н. Е. Жуковского пригласили туда основным лектором по динамике аэропланов. Для уяснения офицерами-летчиками законов аэродинамики Жуковский организует дополнительные циклы лекций с показом лабораторных работ в Московском университете и Техническом училище.

По инициативе Жуковского для консолидации сил в области авиации и воздухоплавания Московское общество воздухоплавания устраивает Всероссийские воздухоплавательные съезды. Первый съезд был организован в 1911 году в Петербурге, второй— в 1912 году в Москве и третий — в 1914 году снова в Петербурге. На втором съезде под непосредственным руководством и наблюдением Н. Е. Жуковского в здании манежа организуется большая воздухоплавательная выставка. Жуковский председательствует на всех съездах, он признанный руководитель русской аэродинамической школы; главные доклады на съездах читает сам Николай Егорович и его ученики.

В результате занятий Жуковского прикладными вопросами авиации появились его выдающиеся работы по технической аэродинамике. Жуковский вводит в научно-техническую литературу новую дисциплину — аэродинамический расчет аэропланов. Содержание этой научно-технической дисциплины, связывающей теоретическую и экспериментальную аэродинамику с запросами авиационных конструкторов, можно пояснить следующим образом.

Представим себе конструкцию некоторого самолета. При полете самолета в воздухе на него будут действовать сила тяжести, сила тяги винта (или реактивной тяги, если самолет имеет реактивный двигатель), сила лобового сопротивления и подъемная сила. Все эти силы зависят от конструктивных данных самолета. Если эти основные силы изменяются, то изменяются и летные свойства (летные характеристики) самолета. Определение летных характеристик самолета с учетом его конструктивных данных и составляет задачу аэродинамического расчета. При создании нового самолета в первую очередь интересуются, какие скорости будет он иметь при горизонтальном полете на различных высотах, как быстро набирает он высоту, т. е. какова скороподъемность данного самолета, сколько потребуется времени для того, чтобы самолет набрал заданную высоту, и какова максимальная высота подъема. В задачу аэродинамического расчета самолета входит определение дальности полета при заданном запасе горючего, а также продолжительности полета; существенное значение имеют вопросы, относящиеся к движению самолета при выключенном моторе, — так называемые характеристики планирования.

Для характеристики поведения самолета по отношению к траектории центра тяжести приходится изучать его устойчивость, управляемость и маневренность.

Следует отметить, что в настоящее время аэродинамический расчет становится важнейшим методом, при помощи которого конструктор стремится предугадать новые конструктивные формы проектируемого самолета, которые наилучшим способом будут удовлетворять поставленной задаче.

На примере аэродинамического расчета самолета можно реально видеть, что дают механика и аэродинамика для творческой интуиции авиационного инженера. Без науки и научного анализа, приводящего к вполне определенным характеристическим величинам для изучаемого явления, всякая интуитивная догадка повисает в воздухе или требует трудоемкой проверки натурным экспериментом. Когда-то Пушкин абсолютно верно сказал в «Борисе Годунове»:

Учись, мой сын: наука сокращает нам

опыты быстротекущей жизни

В новых областях техники (такой и была авиация в конце XIX и начале XX столетия), когда еще не были созданы научные основы технического проектирования, всякий новый образец разрабатывался ощупью, путем длительных натурных испытаний. Каждый выдвигаемый конструктором вариант проходил натурные экспериментальные испытания, во время которых вносилось много исправлений, нередко столь кардинальных, что от первоначально задуманного оставалась лишь память в виде чертежей или деталей конструкции. Такое проектирование очень дорого, чрезвычайно медлительно, и у создающего проект никогда нет уверенности, что полученная конструкция является оптимальной (наивыгоднейшей).

Научные основы проектирования представляют конденсацию, обобщение большого опыта развивающегося человеческого общества. Если такие основы созданы, то дело проектирования новых образцов становится более уверенным, более надежным, более быстрым и более дешевым. Отсюда и вытекает величайшее общественное значение науки. В развитии техники всегда будет идти впереди та страна, которая имеет научные кадры, способные к широким обобщениям технического опыта. Мы называем теперь такие внутренние возможности страны ее научным потенциалом.

Изучение истории науки нашей Родины, изучение работ великого русского ученого-механика Николая Егоровича Жуковского наглядно показывает, что русский народ, будучи одной из наиболее одаренных наций мира, создавал научные основы ряда важнейших областей техники значительно раньше других народов. Даже в таких труднейших условиях научного творчества, как в царской России, идейно-теоретическое богатство русской науки во многих случаях превосходило богатства зарубежных стран. Так, например:
Жуковский создал научные основы авиационной техники;
Мещерский и Циолковский создали научные основы ракетной техники;
Майевский создал научные основы артиллерийской техники, разработав теорию полета продолговатого вращающегося снаряда;
Чаплыгин заложил теоретические основы аэромеханики больших скоростей;
Крылов — один из создателей современной теории корабля. И это только в областях, близких к механике.

Число великих мужей русской науки в других областях человеческого знания также значительно.

Колоссальный рост научных кадров в нашей стране после Великой Октябрьской социалистической революции существенно повысил научный потенциал нашей страны. Мы стали работать над новыми вопросами организованнее, быстрее и значительно умнее, чем работали наши предшественники в эпоху капиталистического периода развития России. Новый общественный строй неизмеримо поднял качество научного мышления.

Важная роль в развитии авиационной техники в нашей стране принадлежит Жуковскому и его ученикам. Создав теоретическую и экспериментальную аэродинамику, Н. Е. Жуковский заложил надежные основы аэродинамического расчета самолета, указав методы определения летных качеств самолета. В своих лекциях для офицеров-летчиков Николай Егорович устанавливает исходные положения аэродинамического расчета. Он пишет:
«В основу аэродинамического расчета кладутся данные испытаний отдельных частей аэроплана в аэродинамических трубах... Располагая всеми необходимыми опытными данными, приступают непосредственно к расчету, который состоит из следующих частей:
1) определение угла заклинения пропеллера;
2) построение полярной кривой (поляры) Лилиенталя;
3) построение сетки необходимой тяги винта при различных режимах полета;
4) построение сетки полезных мощностей, необходимых для различных режимов;
5) построение сетки мощностей, исправленных на коэффициент полезного действия винта;
6) построение баланса мощностей в зависимости от режима полета при полной мощности мотора;
7) определение высоты потолка аэроплана;
8) построение барограммы подъема аппарата».

Следует отметить, что до наших дней в содержание аэродинамического расчета самолета входят все пункты, впервые указанные Жуковским.

Исследуя вопросы аэродинамического расчета самолетов, Н. Е. Жуковский дал методы первостепенной важности, прочно вошедшие в практику современных конструкторских бюро. Особо нужно отметить методы Жуковского для построения кривых потребных тяг и мощностей. Совершенно неправильно в нашей научно-технической литературе кривые потребных тяг Жуковского иногда называются кривыми Пэно. Даже во Франции (родина Пэно) кривые потребных тяг не носят имени Пэно.

Для построения сетки кривых потребных тяг Жуковский исходит из совершенно ясной идеи геометрической статики. В самом деле, если мы сложим подъемную силу и силу лобового сопротивления и обозначим результирующую силу буквой R, то для случая установившегося движения самолета сила тяги винта Ф и вес самолета G должны уравновешивать силу R, т. е., иначе говоря, три силы R, Ф и G образуют замкнутый силовой треугольник. Жуковский в своей работе пишет: «Основная идея, лежащая в построении этой сетки (сетки кривых потребных тяг), состоит в сложении тяги винта с силой сопротивления воздуха и в поворачивании кривой Лилиенталя так, чтобы равнодействующая этих двух сил пошла по вертикальному направлению, причем скорость поступательного движения направится к горизонту под углом поворота».

 Кривая потребных тяг для горизонтального полета, построенная по методу Н. Е. Жуковского

Кривая потребных тяг для горизонтального полета, построенная по методу Н. Е. Жуковского

Рассмотрим построение кривой потребных тяг для простейшего случая горизонтального полета. При горизонтальном полете с постоянной скоростью в любой момент движения тяга винта будет равняться лобовому сопротивлению, а вес самолета— подъемной силе. Если записать математически эти условия, то легко получить, что тяга винта будет равняться весу самолета, разделенному на качество самолета. Качество самолета определяется как отношение подъемной силы к силе сопротивления. При изменении угла атаки самолета качество изменяется, а следовательно, при заданном весе изменяется и тяга, потребная для поддержания горизонтального полета. Зная вес самолета и зависимость подъемной силы от скорости, можно найти, какую потребную скорость должен иметь самолет при горизонтальном полете при данном угле атаки. Зависимость потребной тяги, необходимой для поддержания горизонтального полета самолета, от потребной скорости дает некоторую кривую, которую Жуковский назвал кривой потребных тяг. На рисунке вверху представлена кривая потребных тяг для горизонтального полета.

Аналогичные кривые, но расположенные несколько выше изображенной на рисунке, будут давать зависимость потребных тяг от потребных скоростей в случае набора высоты.

Сетка кривых потребных мощностей строится Жуковским по сетке потребных тяг, так как по определению мощности

2015-06-07 15-14-06 Скриншот экранаВ формуле N—потребная мощность в л. с., Ф — тяга в кГ и U — скорость полета самолета в м/сек.

Построив сетку кривых потребных мощностей, можно усмотреть характерные режимы полета самолета. Так, полет при минимальной мощности называют обычно экономическим режимом полета. Легко понять, что при минимальной потребной мощности самолет продержится в воздухе при заданном запасе топлива наибольшее время. В самом деле, запас имеющегося в баках горючего эквивалентен некоторой полезной работе. Эта работа будет равна произведению мощности на время полета, и, следовательно, когда один из множителей наименьший, второй (время) будет наибольшим. На сетке потребных тяг следует отметить режим, соответствующий полету при минимальной тяге. Этот режим полета самолета называют наивыгоднейшим. Если выдерживать скорость полета, соответствующую минимальной потребной тяге, тогда самолет пролетит максимальное расстояние. В самом деле, полезную работу, величина которой определена запасом горючего, можно записать в виде произведения потребной тяги на пройденный путь. Если тяга минимальна, то путь будет наибольшим. Скорость полета самолета, при которой потребная мощность равна мощности, даваемой винтомоторной группой, называется максимальной скоростью. Вообще говоря, самолет может развивать и большие скорости, но только при потере высоты. Максимальные скорости горизонтального полета всегда определяют из условия равенства потребной и располагаемой мощностей.

В задачу аэродинамического расчета Жуковский ввел не только изучение поступательных движений самолета, но и изучение движения самолета около его центра тяжести. Большой круг решенных задач, связанных с изучением движения самолета около центра тяжести, позволил разъяснить продольную и поперечную устойчивость самолета, его маневренность и управляемость. Весьма простой анализ этих важнейших динамических свойств самолета был дан Жуковским.

В своих лекциях Николай Егорович исследовал фигурные полеты самолета: скольжение на крыло, виражи и «мертвые петли». Для характеристики стиля изложения Жуковского мы приведем здесь его постановку задачи об устойчивости аэроплана. Он пишет: «Когда от случайных причин аэроплан выведен из своего нормального горизонтального полета, тогда он совершает колебания около центра своей тяжести под эффектом пар, моменты которых, как было указано в конце первой лекции, зависят от угла отклонения аэроплана от положения его нормального полета, или от угловой скорости аэроплана.

Пары первого рода называются восстанавливающими, если они стремятся вернуть аэроплан к своему первоначальному положению, и отклоняющими, когда они отклоняют его от положения нормального полета. Пары второго рода всегда препятствуют движению аэроплана; мы будем называть их затушающими парами. При хорошем устройстве аэроплана можно достигнуть того, что он, выведенный из положения равновесия, устремляется к положению своего нормального полета, даже не совершая колебаний. Разумеется, для этого прежде всего необходимо, чтобы пары, зависящие от угла поворота, были восстанавливающие пары. С другой стороны, момент затушающей пары должен быть настолько велик, чтобы не развивалось периодических колебаний аэроплана. Различают два рода устойчивости аэроплана: продольную и поперечную. В первом случае рассматривается вращение аэроплана около оси, проходящей через центр его тяжести перпендикулярно к вертикальной плоскости симметрии аэроплана, причем вместе с этим вращением совершается перемещение центра тяжести аэроплана в упомянутой плоскости симметрии. Во втором случае речь идет о вращении аэроплана около горизонтальной оси, проходящей через его центр тяжести и направленной по его полету, и около вертикальной оси, проходящей через центр тяжести, причем центр тяжести одновременно с этим смещается в горизонтальной плоскости».

В годы первой мировой войны Н. Е. Жуковский со своими сотрудниками по Высшему техническому училищу впервые в России начал аэродинамические исследования авиационных бомб. В статье «Бомбометание с аэропланов» Николай Егорович дает описание установки аэродинамической лаборатории Технического училища для определения коэффициентов сопротивления корпусов бомб, указывает метод определения траекторий и приводит описание первых бомбардировочных прицелов конструкции Толмачева и Стечкина. Этой работой можно датировать начало теории бомбометания с аэропланов. В этой статье поражает кристальная ясность мысли, целеустремленность в постановке и решении задачи.

«Для бомб, — пишет Жуковский, — существует скорость падения, больше которой они не могут получить, какова бы ни была высота сбрасывания. Эта скорость называется предельной скоростью; она зависит от нагрузки, приходящейся на единицу площади миделевого сечения, и от коэффициента сопротивления формы падающего тела».

При скоростях полета аэропланов времен первой мировой войны Жуковский правильно утверждает, что «траектория бомб имеет сначала вид параболы», «при очень большой высоте бросания вследствие влияния сопротивления воздуха эта траектория постепенно переходит в вертикальную прямую»; «бомба в вертикальном направлении будет двигаться так, как будто бы она ниспадала по вертикальной линии». При высотах бомбометания до двух километров (а именно такие высоты и были тогда интересны) оказалось возможным пренебречь изменением плотности воздуха с высотой, причем ошибка в вычислении скоростей бомбы не превосходила 4 м/сек.

«От бомбы требуется, — писал Жуковский, — чтобы она, подлетая к земле, имела возможно большую скорость и подлетала к земле, расположившись своей осью по вертикальной линии; при этом, для того чтобы ветер меньше влиял на верность попадания, желательно иметь как можно большую предельную скорость бомбы».

В этой статье Жуковский получил весьма простые формулы для учета влияния на прицельный прибор передвижения поражаемого предмета и скорости ветра.

Работы по технической аэродинамике требовали большого количества вычислений и трудоемких экспериментов. С 1 июля 1916 года Н. Е. Жуковский совместно со своим учеником В. П. Ветчинкиным организуют при аэродинамической лаборатории Технического училища «Расчетно-испытательное бюро». Однако в условиях царской России широко развернуть работу бюро не удалось. В своих воспоминаниях профессор Ветчинкин с горечью пишет: «В 1916 году Бюро подало в Управление воздушного флота записку с ходатайством об отпуске средств для организации конструкторского бюро и опытного завода, но в этом было отказано. Мы учились, как надо строить самолеты, но строить их не могли, хотя и проделали огромную по объему и размаху работу».

Только после Великой Октябрьской социалистической революции Н. Е. Жуковский получил широкие возможности для развертывания работ по технической аэродинамике. В сентябре 1919 года был организован Авиационный техникум с трехгодичным сроком обучения, а затем в 1920 году техникум был реорганизован в Институт инженеров Красного Воздушного Флота имени Н. Е. Жуковского. Первым выборным ректором этого института был Н. Е. Жуковский. В 1922 году институт был преобразован в Академию Воздушного Флота имени Н. Е. Жуковского.

В Московском высшем техническом училище была организована специализация по самолетостроению. Первыми выпускниками МВТУ были Б. С. Стечкин (1918), А. Н. Туполев (1918), а затем В. П. Ветчинкин, А. А. Архангельский, А. И. Путилов и многие другие авиационные инженеры, хорошо известные в нашей авиационной промышленности.

После организации ЦАГИ коллектив учеников Жуковского получил возможность развернуть работы по практическому строительству самолетов оригинальных конструкций. Эти работы возглавил А. Н. Туполев.

Так настойчивая систематическая работа Н. Е. Жуковского по технической аэродинамике заложила прочные научные основы советской авиационной техники.

Работы Н.Е. Жуковского по экспериментальной аэродинамике

Николай Егорович Жуковский был основателем экспериментальной аэродинамики в России. Первые аэродинамические лаборатории в нашей стране были построены по прямым указаниям и схемам Жуковского. Систематические опыты над сопротивлением тел различной формы, двигающихся в воздухе, Николай Егорович начал проводить еще в 80-х годах XIX века при кабинете прикладной механики в Московском университете.

Жуковский придавал важное значение эксперименту при создании теоретических основ аэродинамической науки. В ряде его статей и в знаменитой книге «Теоретические основы воздухоплавания» он неоднократно цитирует слова Д. И. Менделеева, который писал: «Нужен настоятельно и будет решать дело разумный и твердый опыт, а молодое и неопытное умственное построение пойдет на поводу и в ту, и в другую сторону, пока приученное опытом к верной дороге само не станет возить за собой или на себе всю сущность опытного знания».

Жуковский стоял у истоков современной аэродинамики, и он глубоко понимал, что невозможно создать надежную теорию, не зная из эксперимента главных особенностей изучаемых явлений. «Опыт, — говорит Жуковский, — позволяет наблюдателю узнать характер изучаемого движения и облегчает мысли, постановку правильного теоретического анализа задачи».

Классического наследства теоретической гидромеханики было явно недостаточно для формулировки законов аэродинамики. Характерной чертой Жуковского, как исследователя и основателя новых разделов механики, было соединение логической строгости, широты и последовательности анализа, свойственных русской школе механиков-аналитиков, с весьма тщательным опытным изучением явлений. Непосредственное наблюдение, разумно поставленный эксперимент приводили к физическим гипотезам, которые принципиально видоизменяли весь ход математического анализа. Умение поставить механическую задачу так, чтобы аналитические трудности не запутывали сущности дела, — вот что принципиально отличает научное творчество Жуковского от работ его учителей и современников. «Механик должен составлять интегрируемые уравнения», — учил Жуковский.

Научное творчество Николая Егоровича было тесно связано с жизнью нашей страны. Он направлял дерзания своего могучего ума на те новые закономерности и факты, которые вырастали на глубокой почве мирового промышленного прогресса. Воздействие Жуковского на развитие русской и мировой культуры огромно. Он был ярким представителем и выразителем той передовой школы русских ученых и инженеров, которая продолжала наиболее прогрессивные устремления русской демократической интеллигенции шестидесятых годов.

Тесная связь с жизнью, связь с техническим творчеством народа, стремление к преобразованию, перестройке этой жизни и создание новых путей развития механики роднят творчество Жуковского с исследованиями гениального механика эпохи Возрождения Галилео Галилея. Как передают современники Жуковского, он с большим удовлетворением цитировал следующие строки из «Бесед и математических доказательств» Галилея (Полное название книги: «Беседы и математические доказательства, касающиеся двух новых отраслей науки, относящихся к механике и местному движению, сеньора Галилео Галилея Линчео»): «Обширное поле для размышления, думается мне, дает пытливым умам постоянная деятельность вашего знаменитого арсенала, сеньоры венецианцы, особенно в области, касающейся механики, потому, что всякого рода инструменты и машины постоянно доставляются туда большим числом мастеров, из которых многие путем наблюдений над созданиями предшественников и размышлениями при изготовлении собственных изделий приобрели большие познания и остроту рассуждения. Я, будучи по природе любознательным, часто ради удовольствия посещаю это место, наблюдая за деятельностью тех, которых по причине их превосходства над остальными мастерами мы называем «первыми»: беседы с ними не один раз помогали мне разобраться в причинах явлений не только изумительных, но и казавшихся сперва совершенно невероятными».

Развивая экспериментальные методы исследования, Жуковский отчетливо понимал значение систематических наблюдений как базы для создания широких теоретических обобщений. Первая аэродинамическая лаборатория была создана Жуковским в Московском университете. Еще в XIX столетии при кабинете прикладной механики Московского университета исследовались летающие игрушки и змеи и выяснились качественные закономерности о силах сопротивления, которые оказывает воздух движущимся в нем телам.

В 1902 году при кабинете прикладной механики Московского университета была построена аэродинамическая труба с закрытой рабочей частью с квадратным сечением 75 см × 75 см. В этой аэродинамической трубе проводились многочисленные испытания. Многие из них имели важное значение для развития экспериментальной аэродинамики в нашей стране.

Студент Московского университета П. П. Соколов на приборе, идея которого принадлежит Н. Е. Жуковскому, поставил исследование по определению центра парусности (центра давления) плоских пластинок. Впервые в научной литературе были проведены измерения по определению положения центра парусности пластинок различных удлинений. Сотрудник Жуковского Г. И. Лукьянов провел в аэродинамической трубе университета, а затем в трубах технического училища исследования по определению коэффициента сопротивления шара при изменении скорости потока в аэродинамической трубе. Этими опытами был установлен весьма парадоксальный факт уменьшения коэффициента сопротивления шара в диапазоне скоростей от 6 до 9 м/сек. Н. Е. Жуковский первым в научной литературе дал объяснение этому факту, указав, что уменьшение сопротивления шара происходит оттого, что с увеличением скорости изменяется место срыва струй с поверхности шара.

Вот что пишет об этих опытах Николай Егорович в своей книге: «...коэффициент сопротивления шара меняется со скоростью жидкости. Это изменение, которое Г. И. Лукьянов установил еще в 1905 году на опытах, произведенных в старой трубе Московского университета и в его вестибюле (опыты с падением шаров), было в дальнейшем подтверждено опытами Эйфеля и Морена. Дальнейшие опыты были произведены в круглой трубе технического училища в Москве при скоростях от 5 до 20 м/сек; для шара диаметром 7, 6 см опыты были продолжены в малой трубе типа Эйфеля (диаметр рабочего сечения 0,30 м) при скоростях от 13 до 43 м/сек. Опыты показали, что коэффициент сопротивления падает с увеличением скоростей потока. Это происходит оттого, что место срыва струй с поверхности шара меняется со скоростью потока» (Н. Е. Жуковский, Теоретические основы воздухоплавания, Поли, собр. сон., вып, I, 1938).

Гораздо позднее (1910) этот факт уменьшения сопротивления шара в некотором диапазоне скоростей воздушного потока (зависящем от диаметра шара) исследовался в лаборатории Эйфеля (Франция) и еще позднее (1914) в лаборатории Прандтля (Германия).

В аэродинамической трубе Московского университета А. И. Морошкиным, впоследствии профессором Московского университета, были также поставлены первые опыты по определению сопротивления трения. Было обнаружено, что сила сопротивления трения увеличивается пропорционально скорости в степени 1,85.

Когда в 1904 году кабинет прикладной механики был переведен в новое здание университета, для аэродинамической трубы Жуковского был поставлен новый мотор и скорость потока была доведена до 11 м/сек. В то же время были начаты экспериментальные исследования над воздушными гребными винтами.

Несколько позднее Жуковским была составлена обширная программа аэродинамических исследований в лаборатории Московского университета. Для осуществления этой программы в 1909 году в вестибюле нового здания университета была построена большая аэродинамическая труба с закрытой рабочей частью диаметром 1,6 м. Скорость потока в этой трубе удалось довести до 20 м/сек, а с помощью специальных насадок — до 35 м/сек.

 Аэродинамическая труба Московского университета, построенная в 1909 году

Аэродинамическая труба Московского университета, построенная в 1909 году

Первоначально аэродинамическая лаборатория пользовалась городским током, но очень скоро Н. Е. Жуковский убедился, что трехфазный переменный ток неудобен для регулирования скорости потока в трубе и торможения мотора. Поэтому в 1907 году в лаборатории Московского университета была установлена маленькая подстанция с умформером, которая преобразует городской ток в постоянный и позволяет весьма удобно регулировать скорость потока в аэродинамической трубе. Реостат позволял менять скорость потока в пределах от 1,5 до 11 м/сек.

В аэродинамической лабораторий университета под руководством Н. Е. Жуковского разрабатывались первые приборы для экспериментальных исследований. В этой лаборатории были созданы простейшие аэродинамические весы, использованные для измерения сопротивления шара. Под непосредственным наблюдением Жуковского был создан прибор для измерения тяги винта на месте. На специальном приборе измерялись силы сопротивления воздуха при движении тел различной формы. Под руководством Жуковского был разработан метод для определения распределения давления по контуру обтекаемого тела — так называемый манометрический метод Жуковского.

Были поставлены весьма интересные опыты по проверке теоремы Чаплыгина для дуговых профилей. Согласно этой теореме подъемная сила дуговых планов при хорде, направленной по скорости, не зависит от глубины их и одинакова для всех планов, имеющих одну и ту же стрелку изгиба. Опыты с пластинками, имеющими вогнутость 1/16, 1/20, 1/33  хорошо подтвердили теорему Чаплыгина.

В 1904 году один из учеников Жуковского по Практической Академии (Коммерческое учебное заведение дореволюционной России), Д. П. Рябушинский, предложил Николаю Егоровичу возглавить проектирование аэродинамической лаборатории в поселке Кучино под Москвой. Н. Е. Жуковский и его ученики спроектировали и построили в Кучино двухэтажное здание аэродинамической лаборатории с пятиэтажной башней на одном конце. По указанию Жуковского его ученик (позднее академик) Л. С. Лейбензон спроектировал и построил аэродинамическое оборудование этой лаборатории. Была построена большая аэродинамическая труба длиной 14,5 м и диаметром 1,2 м. Поток воздуха в этой трубе создавался вентилятором «Сирокко». Для того чтобы получить равномерный, незакрученный поток в аэродинамической трубе, на всасывающем конце трубы был установлен цилиндрический колпак.

В Кучинской лаборатории были поставлены весьма интересные опыты по исследованию спектров обтекания различных тел. Результаты этих опытов не утратили своего научного значения до наших дней. Отчеты Кучинской аэродинамической лаборатории получили мировую известность. Большая труба Кучинской аэродинамической лаборатории была в те годы одной из наиболее совершенных установок во всем мире.

Жуковский недолго был научным руководителем Кучинской лаборатории; вследствие разногласий с Рябушинским он в 1905 году покинул эту лабораторию.

В 1909 году Н. Е. Жуковский возглавил создание аэродинамической лаборатории в Московском высшем техническом училище. Оборудование этой новой аэродинамической лаборатории было достаточно разнообразно. По идее Н. Е. Жуковского и П. П. Соколова была построена прямоугольная аэродинамическая труба с размерами рабочей части 150 x 30 см2. Постройкой этой трубы в Техническом училище руководил А. Н. Туполев ( знаменитый авиационный конструктор нашей страны).

В аэродинамической лаборатории Московского высшего технического училища была построена аэродинамическая труба типа Эйфеля и усовершенствованный аппарат для испытания воздушных винтов на месте. В 1915 году в лаборатории технического училища была построена еще одна аэродинамическая труба.

Прямоугольная аэродинамическая труба в лаборатории Московского высшего технического училища (построена в 1909 г.)

Прямоугольная аэродинамическая труба в лаборатории Московского высшего технического училища (построена в 1909 г.)

Во время первой мировой войны ученики Н. Е. Жуковского спроектировали и начали постройку колоссальной по тому времени аэродинамической трубы с диаметром рабочей части, равным 3 м. В этой аэродинамической трубе предполагалось испытывать модели аэропланов в масштабе до ½ натуральной величины, однако из-за недостатка средств постройка этой трубы не была закончена.

В аэродинамической лаборатории Московского университета Жуковский начал систематические исследования движения газов с весьма большими скоростями. Был построен специальный клепаный котел, в который компрессором нагнетался воздух до давления около 10 атм. Из этого котла через специальные насадки выпускалась тонкая струя воздуха и определялись скорости истечения и силы воздействия на небольшие тела различной формы. Опыты, поставленные Жуковским на этой установке, заложили основы экспериментальной аэродинамики больших скоростей. В 1912 году Жуковский прочитал ряд докладов, посвященных истечению газов под большим напором, и указал на аналогию между движением жидкости в открытом канале и газов в трубе. Как известно, в настоящее время эта аналогия используется весьма широко при исследованиях течений газа со сверхзвуковыми скоростями.

Н. Е. Жуковский был не только искусным и проницательным экспериментатором; он умел извлекать из опытных данных исходные положения для построения широких теорий большой общности и глубины умозаключений. Очень характерным является факт построения вихревой теории гребного винта на основе тщательного изучения фотографий немецкого исследователя О. Фламма.

О. Фламм построил бассейн со стенками и дном из зеркального стекла, длиной 10 м, шириной 0,8 м и глубиной воды 0,6 м. В этом бассейне изучались явления, происходящие в воде около гребного винта. Было получено множество фотографий, проведено большое число измерений, но теории гребного винта Фламму создать не удалось.

Дело здесь заключалось в том, что подлинную глубину циркуляционной теории подъемной силы, которая дает ключ к правильной трактовке результатов опытов Фламма, в те годы мало кто понимал. Жуковский в своем курсе «Теоретические основы воздухоплавания» дал весьма тщательный обзор теорий воздушного винта, основанных на приближенных, чисто качественных соображениях, отметив, что «указанные теории страдают одним недостатком: в них не рассматривается поток воздуха в радиальном направлении, а предполагается, что движущаяся воздушная масса как бы течет в цилиндре, соосном винту».

Когда книга Фламма по судовым гребным винтам попала Жуковскому, он тщательно проанализировал его опыты и сделал следующие весьма важные заключения.
1. «Около винта, как спереди, так и сзади, давление пониженное, наибольшее понижение происходит у самого винта. На фотографиях это доказывается понижением уровня свободной поверхности воды около винта и образованием в ней корытообразного углубления, в котором отражаются воздушные пузырьки.
2. Вода отбрасывается винтом, независимо от его формы, правильной цилиндрической струей, и только довольно далеко от винта эта правильность теряется. На фотографиях виден почти цилиндрический столб воздушных пузырьков и винтовые линии, навитые на цилиндр, чего не могло быть при иной форме отбрасываемой струи.
3. За винтом образуются, по нашему мнению, две системы вихрей: один большой вихрь с осью, составляющей продолжение оси винта, и вихри, расположенные по винтовым линиям, отходящим от края каждой лопасти. Ось этих винтовых линий также совпадает с осью вращения винта, а шаг их равен пути, пройденному водой в движении относительно винта за один оборот последнего».

На фотографиях Фламма, отмечает далее Жуковский, мы вместо центрального вихря наблюдаем воздушную трубу в виде жгута, иногда в несколько метров длиной, а вместо вихрей за лопастями — воздушные винтовые линии.

Из опытов, которые Жуковский ставил ранее в Московском университете, он знал, что находящийся в воде воздушный пузырек двигается в сторону, в которую давление понижается, и не выходит из области, где давление наименьшее. Опыт показывает также, что на осях вихревых шнуров давление минимальное, а поэтому пузырьки воздуха и должны скопляться на осях вихревых шнуров. Жуковский видел в подробном изучении вихревых образований за винтом и распространении на элемент лопасти винта теоремы о подъемной силе ключ к создаваемой вихревой теории воздушного винта.

Анализ фотографий Фламма позволил Жуковскому дать вихревую схему работы не только водяного, но и воздушного гребного винта. Подробное изучение скоростей потока перед винтом и за винтом привело к количественным характеристикам новой теории воздушного винта и вполне объяснило основные закономерности работы винтов.

Вихревая схема работы воздушного гребного винта является в настоящее время общепризнанной и наиболее точной. Развитие этой теории, проведенное в нашей- стране профессором В. П. Ветчинкиным, проф. Н. Н. Поляховым и др., показало гениальную проницательность выводов Жуковского, сумевшего объяснить и сделать подвластным строгому анализу и расчету весьма сложное явление — работу гребного винта.

В докладах и статьях Жуковского многократно подчеркивается важность эксперимента в аэромеханике. «Приближается то время, — говорил Жуковский в 1913 году на XIII съезде русских естествоиспытателей и врачей,— когда направляемая твердым опытом теоретическая мысль сделается хозяином в решении вопросов о сопротивлении жидкостей, когда аэропланы и дирижабли будут строиться с таким же верным расчетом, с каким теперь пароходы и автомобили». «Я думаю, что проблема авиации и сопротивления воздуха, несмотря на блестящие достигнутые успехи в ее разрешении, заключает в себе еще много неизведанного и что счастлива та страна, которая имеет средства для открытия этого неизведанного. У нас в России есть теоретические силы, есть молодые люди, готовые беззаветно отдаться спортивным и научным изучениям способов летания. Но для этих изучений нужны материальные средства». «...Позвольте высказать пожелание, чтобы средства наших аэродинамических лабораторий стали в соответствие с могуществом и творческими силами нашей родины».

Мечтам Жуковского суждено было осуществиться после Великой Октябрьской социалистической революции. 15 декабря 1918 года по указанию В. И. Ленина был создан центр научно-исследовательской работы в области аэродинамики — Центральный аэрогидродинамический институт (ЦАГИ). Первым председателем научной коллегии института становится Н. Е. Жуковский.

Николай Егорович Жуковский — основатель экспериментальной аэродинамики в нашей стране. На заре развития авиационной техники он видел, как велика сложность задач, выдвигаемых этой новой отраслью промышленности, и понимал, какую колоссальную роль играет здесь научно поставленный опыт. Огромный рост ЦАГИ после смерти Жуковского, создание новых аэродинамических лабораторий в Москве, Казани, Ленинграде, Харькове, Новосибирске — лучшее доказательство предвидения Жуковского.

Работы Н.Е. Жуковского по теоретической аэродинамике

До работ Н. Е. Жуковского теоретической аэродинамики как самостоятельной науки не существовало. Попытки ученых всех стран объяснить возникновение подъемной силы крыла аэроплана в соответствии с результатами экспериментов не приводили к цели. Схемы обтекания тел потоками воздуха, предлагаемые теоретиками-гидромеханиками, были слишком далеки от действительности. Достаточно указать, что формулы известного английского ученого Рейли, полученные по схеме струйной теории, дающие возможность подсчитать подъемную силу и сопротивление плоской пластинки, использовались для доказательства невозможности летать на аппаратах тяжелее воздуха.

Если рассмотреть прямолинейный горизонтальный полет аэроплана с постоянной скоростью, то можно понять, что из четырех основных сил, действующих во время полета на аэроплан с воздушным винтом (пропеллером), три обусловлены воздействием воздуха. Эти основные силы суть подъемная сила, сила сопротивления и сила тяги воздушного винта. К 80-м годам XIX века, когда Жуковский начал интересоваться вопросами авиации и воздухоплавания, хорошо была изучена только сила тяжести. Без знания основных сил, обусловленных воздействием воздуха, изучить полет аэроплана было невозможно, так как законы теоретической механики позволяют исследовать движение тел только в тех случаях, когда действующие силы определены. Естественно поэтому, что основные исследования Жуковского в области аэродинамики были посвящены выяснению сил воздействия воздуха на летящий аэроплан.

Первое известное нам выступление Николая Егоровича по вопросам воздухоплавания состоялось 1 ноября 1881 года в Московском политехническом обществе. Это был доклад «По поводу брошюры Мерчинского об аэростатах».

В 1886 году Н. Е. Жуковский был утвержден экстраординарным профессором Московского университета. Кабинет прикладной механики, который до Жуковского служил только местом сбора различных демонстрационных приборов, подтверждающих наглядно некоторые законы механики, становится базой для организации научно-исследовательской лаборатории.

«При кабинете прикладной механики, — писал Жуковский,— уже с 1889 года производились исследования по различным вопросам воздухоплавания — испытывались различные модели летательных машин и строились небольшие аэродинамические аппараты» (Н. Е. Жуковский, Аэродинамическая лаборатория при кабинете прикладной механики Московского университета. Собр. соч., т. V, стр. 269).

В 1896 году под научным руководством Жуковского студент В. В. Кузнецов провел подробное исследование по определению сил сопротивления воздуха падающим конусам; результаты этих исследований были опубликованы в трудах Физико-химического общества. Начиная же с 1902 года, после того как Николай Егорович построил для аэродинамических исследований первую в России аэродинамическую трубу закрытого типа, из серии работ кабинета прикладной механики, производимых студентами под руководством Жуковского, начал накапливаться ценный экспериментальный материал по вопросам аэродинамики и воздухоплавания. Результаты аэродинамических исследований, проводимых в Московском университете, Жуковский систематически публиковал в виде статей и для популяризации этих исследований часто выступал с докладами.

Таким образом, работы Н. Е. Жуковского по теоретической аэродинамике и динамике полета были тесно связаны с научно поставленным экспериментом; исследование реальных задач давало здоровую основу для теоретических обобщений.

Следует подчеркнуть здесь преемственность идей передовой русской науки. Когда Д. И. Менделеев начал систематические занятия вопросами сопротивления жидкостей, то он обнаружил весьма мало обобщений научно поставленных опытов и собрал из опубликованных трудов ограниченное количество надежных экспериментальных данных. Не имея экспериментальных количественных соотношений, трудно было выдвигать разумные гипотезы и строить теоретические обобщения. Менделеев писал: «Недостаточность опытных данных о сопротивлении среды для полного решения задачи воздухоплавания, однако, столь очевидна, что я считал невозможным умолчать о неизбежной необходимости новых точных опытов, о их цели, о необходимых приемах и о средствах, для выполнения их нужных. Этим недостатком точных опытных данных о сопротивлении среды объясняется в одно и то же время причина слабого развития как общей теории сопротивления среды, так и практики воздухоплавания».

Жуковский очень хорошо знал мысли Менделеева о научном эксперименте; он полностью разделял эти воззрения, и в его статьях можно неоднократно встретить известное высказывание Д. И. Менделеева, которое звучит как боевая программа: «Нужен настоятельно и будет решать дело разумный и твердый опыт».

Мы остановимся на первой работе Жуковского по динамике полета, опубликованной в 1892 году ( Н. Е. Жуковский, О парении птиц. Собр. соч., т. V, стр. 7—35). В этой работе исследуется вопрос о планирующем полете (парении) птиц, т. е. таком полете, когда птица не машет крыльями. Жуковский разбирает два случая планирующего полета: планирование с потерей высоты, или скольжение птицы по воздуху и планирование с сохранением или даже набором высоты.

Для случая скольжения Жуковский исследует влияние ветра, дующего горизонтально, или имеющего небольшое восходящее движение. Планирующий полет птицы можно приближенно рассматривать как движение пластинки под некоторым углом атаки. Подъемную силу пластинки и ее сопротивление Жуковский заимствует из экспериментов.

Составив основные уравнения динамики для центра тяжести птицы, Николай Егорович находит его траектории при различных условиях движения воздуха. Среди возможных траекторий Жуковским была найдена траектория в виде «мертвой петли». Таким образом, Николай Егорович предсказал теоретически возможность осуществления «мертвой петли» за 21 год до того, как знаменитый русский летчик Нестеров практически выполнил петлю на самолете в воздухе (Военный летчик П. Н. Нестеров (1887—1914), прежде чем совершить «мертвую петлю» на аэроплане, обращался за консультацией к Николаю Егоровичу. Жуковский разработал теорию вопроса без применения высшей математики и дал указания, как практически лучше всего осуществить эту фигуру высшего пилотажа). В наши дни эта фигура высшего пилотажа называется петлей Нестерова.

Этой работой Жуковского были заложены научные основы динамических исследований нестационарных движений самолетов и фигур высшего пилотажа. Жуковский придавал большое практическое значение изучению сложных маневров при полетах. В своих лекциях для летчиков в годы первой мировой войны он писал: «Значение этих полетов важно тем, что делает летчика, их изучившего, полным хозяином движения аэроплана в воздухе, что весьма важно для воздушной борьбы. Покойный Нестеров в своем докладе в Политехническом музее сравнивал борьбу быстроходного поворотливого аэроплана, управляемого искусным летчиком, с дирижаблем или тяжелым неповоротливым аэропланом, с борьбой ястреба с вороном. К несчастью, он погиб смертью героя в такой борьбе».

В 1894 году Николай Егорович сделал шесть докладов о летательных аппаратах тяжелее воздуха. В одном из докладов, прочитанных для делегатов IX съезда русских естествоиспытателей и врачей, Жуковский демонстрировал модели приборов, при помощи которых можно определять силы сопротивления воздуха.

Осенью 1898 года на X съезде русских естествоиспытателей и врачей Жуковский организовал воздухоплавательную подсекцию, работа которой прошла весьма успешно. На заседаниях X съезда Жуковский прочитал обзорный доклад «О воздухоплавании», в котором решительно поддержал развитие аппаратов тяжелее воздуха. По-видимому, начиная с 1898 года Жуковский полностью осознал, что человек может стать полновластным хозяином воздушной стихии, если усовершенствует аэроплан и его двигатель. Жуковский говорил в своем докладе: «Действительно, глядя на летающие вокруг нас живые существа: на стрижей и ласточек, которые со своим ничтожным запасом энергии носятся в продолжение нескольких часов в воздухе с быстротой, достигающей 50 м/сек, и могут перелетать целые моря, на орлов, которые описывают в синем небе свои красивые круги с неподвижно распростертыми крыльями, на неуклюжую летучую мышь, которая, не стесняясь ветром, бесшумно переносится во всевозможных направлениях, мы невольно задаемся вопросом: неужели для нас нет возможности подражать этим существам?

Правда, человек не имеет крыльев и по отношению веса своего тела к весу мускулов он в 72 раза слабее птицы; правда, он почти в 800 раз тяжелее воздуха, тогда как птица тяжелее воздуха только в 200 раз. Но я думаю, что он полетит, опираясь не на силу своих мускулов, а на силу своего разума».

Жуковский отмечает, что крылья аэроплана, сделанные в виде плоских пластинок, невыгодны, так как подъемная сила таких крыльев очень мала. Гораздо выгоднее изогнутые крылья. «Если сделать большие планы из прутьев и обтянуть их материей, то наивыгоднейшнй угол наклонения плоскости увеличивается до 15°». «Вероятно, — говорит Николай Егорович, — что значительная экономия работы при летании птицы имеет одной из причин эффект вогнутости ее крыльев».

В те годы вопрос о дальнейшем направлении прогресса воздухоплавания являлся предметом жарких дискуссий и споров. Глубокая проницательность Жуковского позволила ему высказать участникам X съезда следующие пророческие слова: «Я думаю, что путь исследования задачи воздухоплавания с помощью скользящей летательной машины является одним из самых надежных. Проще прибавить двигатель к хорошо изученной скользящей летательной машине, нежели сесть на машину, которая никогда не летала с человеком...» «Кому суждено знать будущее! Но внимательный наблюдатель прогресса авиации не может не заметить, что мы приближаемся с разных сторон к решению великой задачи, и, может быть, новый век увидит человека, свободно летающего по воздуху...» «С увеличением размеров управляемого аэростата будет при сохранении коэффициента транспорта увеличиваться горизонтальная скорость, и потому такая машина, может быть, будет служить в будущем для транспорта пассажиров. Машина же более тяжелая, чем воздух, даст нам, по моему мнению, средство для быстрого полета одного или двух человек в любом направлении и заставит нас перестать завидовать птице» .

Подробное и внимательное изучение всего опыта развития техники воздухоплавания, анализ всех теоретических попыток объяснить законы для сил воздействия воздуха на перемещающиеся в нем тела, большое количество целенаправленных экспериментов, проведенных Жуковским и его учениками, постепенно приводили Николая Егоровича к открытию фундаментального закона аэродинамики — закона о подъемной силе крыла.

Один из учеников Жуковского, академик Л. С. Лейбензон пишет: «Лето и осень 1904 года Николай Егорович продолжал усиленно думать о причинах возникновения подъемной силы. Приехав однажды в Кучинскую аэродинамическую лабораторию в праздничный день 1 октября и гуляя в поле, он пришел к гениальной по простоте идее о присоединенных вихрях, объясняющей причину возникновения подъемной силы крыла самолета. Однако идея была так оригинальна, что не сразу великий автор смог развить ее. Только через год, 15 ноября 1905 года, он прочел в Математическом обществе свой доклад «О присоединенных вихрях», а опубликовал эту работу в 1906 году».

Работа Н. Е. Жуковского «О присоединенных вихрях» заложила надежную теоретическую основу развития методов определения подъемной силы крыла аэроплана.

Чтобы пояснить сущность открытия Жуковского, рассмотрим более подробно течение воздуха около крыла аэроплана. Представим себе аэроплан в прямолинейном горизонтальном полете. В этом простом случае подъемная сила крыльев аэроплана в точности равна его весу. Величина подъемной силы крыльев, или несущих поверхностей, зависит от их площади и формы поперечного сечения. Если рассечь крыло плоскостью, параллельной плоскости симметрии самолета, то в сечении мы получим так называемый профиль крыла.

Профиль крыла дозвукового самолета: АВ - хорда крыла, α - угол атаки

Профиль крыла дозвукового самолета: АВ — хорда крыла, α — угол атаки

Передняя кромка профиля современных транспортных и пассажирских самолетов округлена, задняя кромка острая. Линию АВ обычно называют хордой профиля. Угол между хордой АВ и направлением скорости полета аэроплана называют углом атаки (угол α ). Угол атаки крыла аэроплана изменяется по желанию летчика действием руля высоты. При горизонтальном полете угол α очень мал и не превышает одного-полутора градусов. При подъеме самолета и при планирующем спуске углы атаки достигают 6—8°, при посадке углы атаки наибольшие, для современных самолетов они около 15°.

Пусть скорость полета аэроплана будет U0. Если наблюдатель, находящийся в кабине летчика, будет каким-либо способом измерять скорости частичек воздуха под крылом и над крылом, то он легко убедится в следующем.

Гипотеза Н. Е. Жуковского. При обтекании крыла самолета воздухом струйки плавно сходят с острой задней кромки (точка А)

Гипотеза Н. Е. Жуковского. При обтекании крыла самолета воздухом струйки плавно сходят с острой задней кромки (точка А)

При небольших (летных) углах атаки скорости частичек воздуха, обтекающих профиль, будут над верхней границей профиля больше скорости полета (U1>U0), а скорости частичек воздуха под нижней границей профиля будет меньше скорости полета (U2<U0).

Таким образом, мы можем экспериментально убедиться, что при движении крыла самолета в воздухе скорости на верхней поверхности крыла будут больше скорости полета, а на нижней — меньше скорости полета. При движении струек воздуха, обтекающих крыло, давление в каждой струйке связано с величиной скорости частичек формулой Бернулли. Если давление воздуха в струйке  обозначить буквой р, плотность ρ, скорость буквой U, а постоянную величину — буквой С, то формулу Бернулли можно записать в виде2015-05-30 23-41-55 Скриншот экрана

Легко понять, что там, где скорость движения частичек воздуха больше, давление уменьшается, а в тех местах, где скорость частичек меньше, давление увеличивается. Следовательно, при движении крыла в воздухе на верхней его поверхности будет пониженное давление (разрежение), а на нижней поверхности — повышенное давление (сгущение). Разрежение на верхней поверхности крыла даст подсасывающие силы, направленные вверх, а увеличение давления на нижней поверхности даст поддерживающие силы, направленные также вверх. Если сложить все эти местные силы, действующие по поверхности крыла, то мы получим результирующую подъемную силу.

 Распределение давлений по контуру профиля крыла самолета. Знак минус (—) означает разрежение, знак плюс (+) повышенное давление

Распределение давлений по контуру профиля крыла самолета. Знак минус (—) означает разрежение, знак плюс (+) повышенное давление

На рисунке показано распределение местных сил давления по контуру профиля крыла при угле атаки 2°.  Интересно отметить, что при летных углах атаки около 70% общей подъемной силы обусловлено подсасывающими силами, действующими по верхней поверхности крыла, и только 30%—поддерживающими силами, обусловленными повышением давления на нижней поверхности. Следует указать, что разрежение на верхней поверхности очень незначительно — порядка 1—3%. Но так как сила атмосферного давления на один квадратный метр площади достигает в нормальных условиях 10000 кг, то разрежение в один — три процента обеспечивает подъемную силу в 100— 300 кг на каждый квадратный метр несущей поверхности крыла.

Для вычисления величины подъемной силы, как видно из предыдущих пояснений, весьма важно знать, по какому закону увеличиваются скорости на верхней поверхности крыла и по какому закону уменьшаются на нижней поверхности. Для характеристики неравномерности распределения скоростей Жуковский использовал понятие циркуляции скорости вокруг профиля крыла. Циркуляция скорости Г есть не что иное, как работа вектора скорости по замкнутому контуру, охватывающему профиль крыла, т. е.

2015-05-30 23-47-25 Скриншот экрана

Если обозначить плотность воздуха буквой ρ, а скорость полета аэроплана — буквой U0, то величина подъемной силы крыла данного профиля на единицу размаха определяется следующей теоремой Н. Е. Жуковского:
«Величина подъемной силы крыла на метр размаха равняется произведению плотности воздуха на циркуляцию скорости и на скорость полета аэроплана».

Математически формула Н. Е. Жуковского записывается в виде P=ρ U0 Г
где Р — подъемная сила.

Направление подъемной силы перпендикулярно к направлению скорости полета. Если самолет летит горизонтально, то подъемная сила крыла направлена вверх.

Легко понять, что для крыльев, имеющих различную геометрическую форму профиля, подъемная сила, вообще говоря, будет различной, а, следовательно, циркуляция Г для каждого профиля имеет вполне определенное значение. Возникает вопрос, как же определить величину циркуляции скорости Г, если форма профиля крыла нам известна. Этот вопрос был также разрешен Жуковским, и данный им метод определения циркуляции называется в современных курсах по аэродинамике гипотезой Жуковского.

Поясним сущность гипотезы Жуковского. Пусть профиль крыла омывается потоком воздуха. Если сделать течение воздуха видимым, например, «подкрасив» воздух табачным дымом, то можно сфотографировать течение и получить изображение распределения струек воздуха на верхней и нижней поверхностях профиля. Если угол атаки профиля невелик, скажем 2—3°, тогда в распределении струек можно отметить одну важную особенность. Струйки воздуха, подходя к профилю, разделяются около точки В, а затем снова смыкаются около точки А (см. рис.,иллюстрирующий гипотезу Н.Е. Жуковского). В аэродинамике говорят, что профиль при небольших углах атаки обтекается плавно; струйки воздуха следуют за изгибом верхней границы профиля и нигде не отрываются от этой границы. При плавном (безотрывном) обтекании профиля скорости частичек воздуха при подходе к точке А будут оставаться конечными по своей величине.

До работ Жуковского видные ученые-гидромеханики пытались чисто теоретически строить течения идеального газа или жидкости. При обтекании острых углов, как, например, в точке А профиля, получались бесконечно большие скорости, а тогда подъемная сила профиля оказывается равной нулю. Этот удивительный факт назвали парадоксом Даламбера, по имени известного в механике французского ученого. Величайшая проницательность Жуковского при наблюдениях явлений природы помогла ему разрешить этот парадокс. Решение оказалось удивительно простым. Только те теоретические течения около профиля крыла имеют реальный смысл, для которых скорость частичек в точке А (острой кромке профиля) имеет конечную величину. Или, иначе говоря, при обтекании профиля реальным потоком воздуха на контуре профиля не может быть точек с бесконечно большой скоростью. Если математически записать это условие конечности скорости, то легко найти циркуляцию Г вокруг крыла. Мы называем теперь условие Жуковского для подсчета циркуляции гипотезой Жуковского.

Нужно сказать, что теорема Жуковского и гипотеза Жуковского— основы всего современного учения о подъемной силе крыла. Эти открытия — фундамент теоретической аэродинамики. Без них невозможно развитие этой науки. Н. Е. Жуковский — отец аэродинамики, заложивший надежные и обоснованные принципы ее дальнейшего прогресса.

Заслуги Н. Ё. Жуковского отмечаются очень широко в учебной и научной современной литературе по аэродинамике во всех странах мира. Один из наиболее талантливых учеников Николая Егоровича — академик С. А. Чаплыгин писал в 1910 году: «Необходимо отметить замечательный по своему изяществу и простоте закон для определения силы давления, открытый Н. Е. Жуковским». Известные аэродинамики Т. Карман и И. Бюргере пишут в аэродинамической энциклопедии (т. II, стр. 19): «Эта теорема (теорема Н. Е. Жуковского) имеет большое значение в теории крыла. Ее можно доказать различными путями. Ниже мы будем ссылаться на нее во многих случаях.

Одно из доказательств этой теоремы заключается в непосредственном вычислении результирующего давления воздуха, действующего на разные точки рассматриваемого сечения...» «Обычно эта теорема безоговорочно распространяется и на случай пространственного течения вокруг крыла конечного, размаха, где циркуляция Г изменяется от одного сечения к другому» («Аэродинамика», под общей редакцией проф. В. Ф.Дюрэнд, т. 11. Перевод на русский язык под редакцией В. В. Голубева, 1939.).

Теорема Жуковского имеет фундаментальное значение в современной теории крыла. Различными авторами придумано большое количество доказательств этой теоремы. Однако метод, которым шел Жуковский, остается наиболее ясным и убедительным. Этот метод состоит в непосредственном вычислении сил давления воздуха на различные точки рассматриваемого сечения профиля. Формулировка теоремы, данная Жуковским, вполне применима и в том случае, когда вне профиля в потоке воздуха имеются вихри. В настоящее время теоремой Жуковского пользуются и для построения теории крыла конечного размаха, считая, что для каждого элемента такого крыла формула Жуковского справедлива. Как показывают результаты вычислений и экспериментов, закон Жуковского о подъемной силе есть один из основных законов аэродинамики.

Теорему Жуковского многократно проверяли на опыте. Для этого непосредственно измеряют распределение скоростей вокруг крыла постоянного профиля, простирающегося поперек во всю ширину аэродинамической трубы прямоугольного сечения, так, чтобы можно было считать течение плоским. Величина циркуляции была вычислена из измеренных скоростей для разных кривых, охватывающих профиль крыла. Она оказалась с достаточной точностью постоянной и соответствовала величине, полученной из измерения подъемной силы на единицу размаха.

Условие, что на задней кромке профиля скорости частичек воздуха имеют вполне определенное конечное значение, весьма важно для математического вычисления величины циркуляции. В ряде работ Николая Егоровича и его учеников было доказано, что единственным решением, определяющим величину циркуляции для идеальной жидкости, которое можно рассматривать как предел истинного решения для вязкой жидкости, является то, при котором избегается бесконечная скорость у задней кромки; это решение определяется гипотезой Жуковского.

Заметим, что гипотеза Жуковского является общепринятой во всех современных работах советских и зарубежных ученых по теории тонкого крыла и по неустановившемуся движению крыла.

Еще в 1895 году Жуковский ознакомился с формой профиля крыла планера Лилиенталя и из опытов, проведенных Лилиенталем, узнал, что изогнутая пластинка дает большую подъемную силу, нежели плоская пластинка. Этот экспериментальный факт весьма заинтересовал Жуковского. В аэродинамической лаборатории Московского университета были поставлены специальные опыты. Они подтвердили факт увеличения подъемной силы у изогнутого профиля крыла.

Однако теоретического решения задачи о вычислении подъемной силы изогнутого крыла Жуковскому в те годы найти не удалось. И вот после доказательства Жуковским теоремы о подъемной силе и формулировки гипотезы о подсчете циркуляции он снова возвращается к исследованию этой весьма важной для авиации задачи.

В 1911 году появилась новая аэродинамическая работа Николая Егоровича, в которой он установил два класса теоретических профилей крыла. Он доказал, почему изогнутая форма профиля крыла более целесообразна по сравнению с плоской пластинкой. Теоретические профили, открытые Жуковским, называются сейчас «профили НЕЖ» и «обобщенные профили НЕЖ». Для этих типов крыльев были получены простые формулы для подсчета подъемной силы и положения центра давления (центр давления, или центр парусности, — точка пересечения подъемной силы с хордой профиля).

Метод получения теоретических профилей крыла, указанный Жуковским, и исследование на основании этого метода основных аэродинамических характеристик профилей оказались весьма плодотворными. И в наши дни авторы многочисленных работ по изучению подъемной силы новых серий профилей крыла следуют методам Жуковского. Практические профили крыльев, предлагаемые изобретателями и конструкторами, обычно сравниваются с профилями крыльев Жуковского. Положение центра давления, метод определения которого разработал Николай Егорович в 1911 году, играет весьма важную роль при изучении и расчетах устойчивости самолета.

Симметричные профили Н. Е. Жуковского (рули НЕЖ) при средней и малой относительной толщине, при небольших углах атаки мало меняют положение центра давления. «Поэтому такие профили являются весьма удобными для корабельных рулей: если ось вращения проходит через центр парусности, то такой руль легко поворачивать. Кроме того, форма симметричного профиля удобна для укрепления оси руля и прочна, так как центр давления находится в самом толстом месте. Эта форма руля (руля НЕЖ) была одобрена известным знатоком морского дела академиком А. Н. Крыловым» ( «Теоретические основы воздухоплавания», изд. III, стр. 245).

Жуковский исследовал новые формы профилей не только теоретически, но и экспериментально. Ученики Николая Егоровича в Московском университете и Техническом училище провели обширные опытные исследования. Подробные описания этих опытов даны в V томе сочинений Жуковского и в его известной книге «Теоретические основы воздухоплавания». Исследования центра давления рулей показали, что «для малых углов до 5° положение центра давления для руля остается неизменным на расстоянии ¼ длины руля от переднего края». На рисунке приведены теоретические профили, предложенные Н. Е. Жуковским.

Изогнутый и симметричные профили крыльев,'предложенные Н. Е. Жуковским. (Рисунок взят из первого издания известной книги Н. Е. Жуковского «Теоретические основы воздухоплавания».)

Изогнутый и симметричные профили крыльев,'предложенные Н. Е. Жуковским. (Рисунок взят из первого издания известной книги Н. Е. Жуковского «Теоретические основы воздухоплавания».)

С 1912 года начинают появляться статьи Жуковского по вихревой теории гребного винта (пропеллера). Нормальный гребной винт состоит из нескольких (обычно 2—3, а для тяжелых современных самолетов 5—6) радиально расположенных лопастей. Лопасти закреплены в общей втулке, которая надевается на вал двигателя. Вращение вала двигателя вызывает вращение лопастей винта. Каждую лопасть воздушного винта можно рассматривать как закрученное крыло. Если рассекать лопасти винта плоскостью, перпендикулярной к оси лопасти, то в поперечных сечениях мы получим очертания, аналогичные профилям крыла. Сечения, близкие к втулке, будут очень толстыми; сечения, близкие к концу лопасти, — достаточно тонки. Углы, которые образуют хорды сечений с плоскостью, перпендикулярной к оси винта, увеличиваются для сечений, ближе расположенных к втулке. Такая переменная закрутка лопасти очень выгодна, так как каждый профиль сечения обтекается при полете в наилучших условиях, развивая максимальную подъемную силу. Эта подъемная сила будет определять тягу соответствующего элемента лопасти винта. Если бы каждая лопасть винта не была закручена, а просто повернута на некоторый угол, тогда воздушный винт напоминал бы крылья ветряной мельницы. Эффективность винта и его коэффициент полезного действия были бы гораздо ниже при незакрученных лопастях.

При вращении винта каждый элемент винта испытывает со стороны воздуха подъемную силу и лобовое сопротивление. Суммируя элементарные силы и вычисляя момент сил сопротивления, мы получим результирующую тягу винта и результирующий момент относительно оси винта.

Для правильного расчета тяги и момента необходимо знать скорости частичек воздуха перед винтом и за винтом. Зная эти скорости, можно найти тягу и мощность, потребную для вращения. Жуковский в своих работах выдвигает вихревую схему для объяснения действия воздушного винта и вычисляет поле скоростей перед винтом и за винтом. Подробный анализ вихревой схемы винта, проведенный в четырех статьях Жуковского, позволил не только найти подъемную силу и лобовое сопротивление элементов заданных лопастей, но и указать геометрическую форму лопасти наивыгоднейшего винта. Винты, спроектированные по указаниям Николая Егоровича, получили название винтов НЕЖ. Опыты с винтами НЕЖ подтвердили основные теоретические выводы Жуковского. Винты НЕЖ во время мировой войны 1914— 1918 годов с успехом ставились на различные самолеты и показали вполне удовлетворительные эксплуатационные качества. Лопасти винтов НЕЖ использовались в качестве лопастей вентиляторов аэродинамических труб. Методы вихревой теории позволили создать вентиляторы с гораздо более высокими значениями коэффициентов полезного действия. При той же мощности по валу вентиляторы типа НЕЖ позволили в ряде случаев увеличить скорость потока в аэродинамической трубе в 1,5 раза.

Вихревая теория гребного винта, данная Жуковским, является наиболее совершенной теорией. На основе этой теории проектируются и строятся пропеллеры большинства современных винтовых самолетов.

Титульный лист первого издания выдающейся работы Н. Е, Жуковского «Теоретические основы воздухоплавания»

Титульный лист первого издания выдающейся работы Н. Е, Жуковского «Теоретические основы воздухоплавания»

Мы рассказали об основных результатах, полученных Н. Е. Жуковским в области теоретической аэродинамики. Наиболее важные из них:

1) теорема о подъемной силе крыла,
2) гипотеза Жуковского,
3) создание метода изучения рулей Жуковского,
4) создание метода изучения изогнутых крыльев Жуковского,
5) вихревая теория воздушного винта.
Эти выдающиеся творения Николая Егоровича — основа современной аэродинамической науки. Это принципы, на которых развивается теория; это руководящий материал для авиационного инженера наших дней.

Из истории авиации в России

Наша отечественная авиация имеет славную, героическую историю. Русские люди: ученые, инженеры, летчики, рабочие — способствовали своими трудами завоеванию воздушной стихии. Великие и прогрессивные открытия русских ученых являются ценным вкладом в мировую авиационную науку. Оригинальные проекты, изобретательские предложения и реальные конструкции самолетов, аэростатов и дирижаблей, созданные русскими инженерами, указывали новые пути авиации и воздухоплавания. Выдающиеся русские мастера были активными помощниками и ученых, и изобретателей, воплощая в реальные формы оригинальные конструкции аппаратов и приборов, добиваясь их надежной  работы.

Первый в мире самолет, имеющий все основные черты современного винтового самолета, был задуман, спроектирован и построен русским моряком А. Ф. Можайским задолго до аналогичных работ за границей; на этом самолете был осуществлен первый в мире полет (По отдельным сообщениям, сохранившимся в дореволюционных журналах, и архивным материалам можно утверждать, что первый полет А. Ф. Можайского на построенном им самолете состоялся весной 1883 года. После взлета самолет повредил крыло и шасси о высокий забор; полет был единственным. Архивные документы о полете А, Ф. Можайского опубликованы Академией наук СССР в 1955 году).

Ученые нашей страны внесли существенный вклад в теорию и практику управляемого аэростата (дирижабля), геликоптера и самолета; в нашей стране заложены теоретические и практические основы фигурных полетов (высший пилотаж) как на винтовых, так и на реактивных самолетах. Русские ученые выступили зачинателями основных разделов аэродинамики, теории реактивного движения и газовой динамики. В России раньше, чем в других странах, были построены тяжелые многомоторные самолеты «Русский витязь» (1913) и «Илья Муромец» (1914). Тяжелый двухмоторный самолет инженера В. А. Слесарева «Святогор», доведенный в 1916 году до стадии летных испытаний, был больше «Ильи Муромца» и отличался глубокой продуманностью всех деталей и высокой аэродинамической культурой исполнения. Отзыв на «Святогора» давал Н. Е. Жуковский; только благодаря поддержке Николая Егоровича этот самолет был достроен и испытан. Работы русских ученых, изобретателей и летчиков, проведенные до Великой Октябрьской социалистической революции, были тем научно-техническим фундаментом, на котором в 20-х годах нашего столетия начался бурный расцвет советского самолетостроения. Конструкторская и изобретательская деятельность инженеров нашей страны способствовала накоплению знаний о движении в воздухе летательных аппаратов и ставила перед русской наукой важные и неотложные задачи.

Творчество Н. Е. Жуковского в значительной степени обусловлено развитием авиационной техники в нашей стране. Но Жуковский исходил в своих трудах не только из опыта России, он с большим вниманием и тщательностью собирал и изучал все попытки иностранцев по овладению воздушной стихией. Жуковский бывал неоднократно за границей, он участник многих воздухоплавательных выставок, научных съездов и конференций. Он хорошо знал Отто Лилиенталя и присутствовал при его полетах на планере в Германии. Проницательный ум Жуковского аккумулировал все передовое и прогрессивное в области авиационной науки и техники. На этом материале, подтвержденном реальной жизнью, опытом одиночек и коллективов, и создавались подлинно научные основы авиации и воздухоплавания. Сила научных выводов Жуковского состоит также и в том, что они позволили не только объяснить известные в его время факты, но и предсказывать новые.

Остановимся вкратце на основных этапах развития авиационной науки и техники в России, обратив внимание и на аппараты легче воздуха (аэростаты и дирижабли).

Первым русским ученым, который положил начало изучению атмосферы Земли, был Михаил Васильевич Ломоносов. Его работы по изучению восходящих и нисходящих течений воздуха и постоянные занятия метеорологией были первыми научными исследованиями воздушного океана. Для получения достоверных количественных данных Ломоносов конструировал самопишущие метеорологические приборы, и в его трудах содержится подробное описание этих приборов. В одном из писем М. В. Ломоносова академику Л. Эйлеру мы можем прочесть: «...кроме дома и стекольной мастерской, уже построенных, я строю плотину, и сарай для склада зерна, и мельницу для хлеба. Над последней поднимается метеорологическая с самопишущими приборами обсерватория, описание которой я ближайшим летом представлю для общего пользования».

Результаты своих метеорологических наблюдений Ломоносов опубликовал в «Ежемесячных сочинениях Академии наук» (февральский номер за 1755 год). Большое количество новых метеорологических приборов описано в труде Ломоносова «Слово о большой точности морского пути»; он хорошо понимал необходимость исследований верхних слоев атмосферы и на одном из заседаний Академии наук предложил использовать для подъема на большие высоты приборов-самописцев изобретенную им специальную машину. Эта машина была первой в мире экспериментальной моделью геликоптера.

В протоколах Академии наук сохранилась на латинском языке следующая запись (протокол от 1 июля 1754 года): «Высокопочтенный советник Ломоносов показал изобретенную им машину, называемую им аэродромической (воздухобежной), которая должна употребляться для того, чтобы с помощью крыльев, движимых горизонтально в различных направлениях силой пружины, какой обычно снабжают часы, нажимать воздух (отбрасывать его вниз), отчего машина будет подниматься в верхние слои с той целью, чтобы можно было обследовать условия (состояние) верхнего воздуха посредством метеорологических машин (приборов), присоединенных к этой аэродромической машине. Машина подвешивалась на шнуре, протянутом по двум блокам, и удерживалась в равновесии грузиками, подвешенными с противоположного конца. Как только пружина заводилась, машина поднималась на высоту и потому обещала достижение желаемого действия. Но это действие, по суждению изобретателя, еще более увеличится, если будет увеличена сила пружины и если увеличить расстояние между той или другой парой крыльев, а коробка, в которой заложена пружина, будет сделана для уменьшения веса из дерева. Об этом он (изобретатель) обещал позаботиться» («История авиации и воздухоплавания в СССР», 1944, стр. 20—21).

Таким образом, развитие научной метеорологии и постройка моделей летательных аппаратов (геликоптера) начались в России с изысканий М. В. Ломоносова. Знание метеорологических данных атмосферы совершенно необходимо для аэродинамических расчетов летательных аппаратов.

После работ Ломоносова внимание русских ученых н изобретателей было обращено главным образом на аппараты легче воздуха — аэростаты (воздушные шары). Первый полет с научными целями был организован в 1804 году Академией наук. Руководство экспериментами, которые надлежало провести во время подъема на воздушном шаре, было поручено академику Я. Д. Захарову. В своей объяснительной записке, представленной конференции Академии наук 16 мая 1804 года, Захаров писал: «Известно, что еще до сих пор точно не определено, в каком содержании воздух при отдалении своем от земного шара разжижается; также неизвестно, из каких он состоит газов и в каком содержании смешан он из них в высоте атмосферы. Для сего предложить имею честь учинить при поднятии на шару, как самом благоприятном для испытания случае, оный опыт следующим образом». Далее в записке излагается методика взятия проб воздуха на различных высотах. Полет состоялся 30 июня 1804 года в Петербурге, воздушный шар поднялся на высоту 2000 м и через 3 ½ часа полета приземлился в 60 км от Петербурга. Во время полета были проведены все задуманные наблюдения и измерения (кроме магнитных измерений). Академия наук с большим удовлетворением отметила научное значение этого воздушного путешествия.

В дальнейшем полеты с научными целями на неуправляемых воздушных шарах проводил дважды академик М. А. Рыкачев в 1868 году и в 1873 году, а также гениальный русский химик Д. И. Менделеев в 1887 году.

Д. И. Менделеев опубликовал в журнале «Северный Вестник» большую статью под названием «Воздушный полет из Клина во время затмения», в которой дано подробное изложение подготовки аэростата к полету, проведения полета и некоторых результатов научных наблюдений. В статье имеются замечательные высказывания, характеризующие положение русской науки и воздухоплавательной техники в конце XIX века. Менделеев пишет: «Уверен, прежде всего, в том, что аэростатика встала на верный путь, но еще очень далеко до возможного в ней совершенства. Так, на аэростатах можно подниматься выше, чем поднимались до сих пор, ...легко устроить соответствующие цели приборы, например подъемные шары, с аэростата спускаемые и заключающие самопишущие приспособления, или же замкнутые со всех сторон помещения, в которых наблюдатель будет и на тех высотах оставаться в безопасности и управлять подъемом и спуском шара, и между тем изучать условия верхних слоев атмосферы, где надобно искать зародыш всех погодных изменений, в атмосфере совершающихся. Если можно осуществлять подводное плавание или подводные работы в водолазных колоколах, то очевидно, что возможно устроить и безопасность пребывания в разреженном воздушном слое». Он утверждал, что, изучая аэронавтику во всех подробностях, можно увеличить продолжительность полетов. Можно значительно удешевить и улучшить добычу водорода, которым в те годы наполняли воздушные шары. Нет технических препятствий для постройки управляемых аэростатов. Несмотря на цензурные ограничения, Менделеев утверждает: «Ясные дни для русской науки однако еще не пришли. Они наступят». «Когда-нибудь придет, уверен, такое время, что на подобные предприятия не станут жалеть средств, потому что общие средства прибудут, когда люди узнают место образования погоды. Не в технике аэростатики причины того, что до сих пор верхние слои атмосферы не измерялись приборами и не ответили на вопросы тех, кто вникал в задачи равновесия и возмущения воздуха»,

В 1880 году было создано «Русское общество воздухоплавания». В решении организационного собрания этого общества записано: «Лица, серьезно преданные делу воздухоплавания, приняв во внимание громадное значение его для России как в научном, так и культурном и военном отношениях, постановили:
1. Основать в Петербурге по примеру других стран «Русское общество воздухоплавания».
2. Обществу иметь целями:
а) развитие науки и искусства воздухоплавания вообще;
б) решение наивыгоднейшего способа передвижения по воздуху;
в) осуществление проектов летательных снарядов, усовершенствование последних и практическое их применение;
г) популяризование и распространение в обществе науки и искусства воздухоплавания при помощи печати, публичных опытов и покровительства изобретателям приборов для передвижения по воздуху».

В декабре 1880 года по инициативе Д. И. Менделеева был организован VII воздухоплавательный отдел Русского технического общества. Для развития воздухоплавания в России на неуправляемых аэростатах этот отдел сыграл значительную и положительную роль. Начиная с 1883 года Военное Министерство отпускало седьмому отделу ежегодно 1000 руб. субсидии; отдел издавал журнал «Воздухоплавание и исследование атмосферы». Следует отметить, что большинство видных членов VII отдела были военными. Так, в 1889 году в рапорте военному министру докладывалось: «В отделе числится 55 членов, преимущественно офицеров всех родов оружия: гвардии, армии и флота; частные же лица составляют до 15% общего числа членов и состоят из техников, ученых, заводчиков и фабрикантов, исключительно русских подданных».

Так как первые аэростаты оставались неуправляемыми и имели благодаря этому ограниченные военные применения, мысль изобретателей и инженеров искала пути технических решений для осуществления управляемого полета. В XIX столетии в России было предложено несколько вариантов управляемых аэростатов. Из ранних проектов известный научно-технический интерес представляют проекты инженеров Третесского и Соковнина.

Проект Третесского был представлен кавказскому наместнику князю Воронцову в марте 1849 года. Аэростат Третесского имел оболочку удлиненной формы и получал движение при помощи сил реакции вытекающих газов через отверстие в кормовой части. В объяснительной записке к проекту автор писал: «Кажется, всякому понятно, что польза воздухоплавания вообще для человечества необъятна. Для нашего отечества воздухоплавание могло бы принести, кроме других неисчислимых польз, величайшую пользу в военном отношении, преимущественно на Кавказе, где войска наши должны бороться более с природными препятствиями на пути, чем с самими обитателями трудноприступных гор, и где с помощью аэростатов эти затруднения в некоторых случаях возможно было отвратить». Проект Третесского был небезупречен, труден для исполнения, и поэтому в условиях крепостной царской России руководители Военно-ученого комитета решили, что «проект в практике совершенно невыполним» и хотя «Третесский за обширный труд свой заслуживает похвалы, однако же, к сожалению, комитет принужден окончить отчет свой заключением, что предложению этого офицера нельзя дать никакого хода».

Аналогичная судьба постигла проект управляемого аэростата Николая Михайловича Соковнина. Он под влиянием идей известного специалиста по боевым пороховым ракетам К. И. Константинова спроектировал аэростат удлиненной формы. К жесткому корпусу аэростата присоединялась гондола, в которой размещались пассажиры, силовая установка и рубка управления. К гондоле крепились органы управления в виде больших стабилизаторов и рулей. Длина аэростата предполагалась 50 м, ширина — 25 м и высота —12 м. Движущей силой у аэростата должна была быть струя истекающих газов. Соковнин писал, что «воздушный корабль должен летать способом, подобным тому, как летит ракета». Сжатый воздух, запасенный в баллонах, должен был выпускаться из изогнутых труб. Эти трубы можно было поворачивать, меняя направление струй истекающих газов, и, следовательно, можно было менять направление реактивной силы. Изменяя величину и направление реактивной силы, можно было изменять направление и скорость полета без действия воздушных рулей. Проект был опубликован в печати в 1866 году, но практического осуществления также не получил.

Гораздо более успешно работал над созданием управляемого аэростата капитан Огнеслав Стефанович Костович, серб по происхождению и моряк по профессии. Костович считал Россию своей второй родиной. Он запроектировал аэростат в виде цилиндра с двумя конусами. Получалась удобообтекаемая веретенообразная форма. По бокам баллона были расположены небольшие крылья. По оси аэростата проходил вал, к которому на конце крепился воздушный толкающий винт. Для рассмотрения проекта в Главном инженерном управлении была создана комиссия, в которую входили известные русские ученые: академик А. В. Гадолин, профессор В. Л. Кирпичев и профессор Н. П. Петров. В отзыве комиссия писала: «О. С. Костович ознакомил нас с чертежами, моделями и вычислениями проектированного им аэростата, который должен иметь возможность свободно двигаться в воздухе по желаемым направлениям, несмотря на ветер средней силы. Аэростат должен иметь вид цилиндра с конусами на концах и с небольшой гондолой под его серединой. Длина его около 30 сажен, а наибольший диаметр 6 сажен. Движение аэростату предполагается сообщать посредством машины, вращающей винт, расположенный на одном конце аэростата... Такое устройство аэростата вполне рационально в отношении его удобоподвижности, а представленные нам Костовичем работы по этому предмету не заключают в себе ничего противоречащего законам природы и успешное исполнение его возможно».

К 1889 году на суммы, отпущенные военным ведомством, основные детали были готовы, готов был и двигатель внутреннего сгорания мощностью около 80 л. с. Однако средств на сборку аэростата и проведение испытаний отпущено не было, и хорошее начинание было загублено.

Весьма интересные исследования по управляемому металлическому аэростату проводил в последние два десятилетия XIX века знаменитый деятель русской науки Константин Эдуардович Циолковский. Основной задачей, которую себе поставил Константин Эдуардович, являлось создание металлического управляемого дирижабля. Циолковский обратил внимание на весьма существенные недостатки дирижаблей с баллонами из прорезиненной ткани: такие оболочки быстро изнашивались, были опасны в пожарном отношении, обладали весьма незначительной прочностью и наполняющий их газ (в те годы — водород) скоро терялся вследствие проницаемости ткани.

Результатом исследовательской работы Циолковского было объемистое сочинение «Теория и опыт аэростата». В этом сочинении дано теоретическое обоснование конструкции дирижабля с металлической оболочкой (из жести или латуни), к работе были приложены чертежи, поясняющие детали конструкции.

Дирижабль Циолковского имел следующие характерные особенности. Во-первых, это был дирижабль переменного объема, что позволяло сохранять постоянную подъемную силу при различных температурах и различных высотах. В проекте Циолковского металлическая оболочка дирижабля может изменять объем благодаря особой стягивающей системе и наличию гофрированных боковин. Во-вторых, Циолковский предусмотрел возможность подогревания газа путем использования отработанных газов моторов. Продукты сгорания по тонкостенной металлической трубе проходят внутри оболочки, отдают тепло подъемному газу и выходят в атмосферу. Необходимость регулировать температуру газа вытекала из условия сохранения относительного равновесия аэростата на заданной высоте при всех изменениях температурного режима атмосферы. Третья особенность конструкции состояла, в том, что гребни волн гофра оболочки располагались перпендикулярно к оси дирижабля. По расчетам Циолковского, подобное расположение волн гофра представляет преимущества для увеличения прочности и устойчивости оболочки.

Исследовательская работа Циолковского над совершенно новой технической идеей металлического аэростата (слово «дирижабль» привилось в литературе позднее) без специальной научной литературы, вдали от научной общественности (Циолковский жил сначала в г. Боровске, а затем в Калуге) требовала невероятного напряжения и колоссальной энергии. «Работал я два года почти непрерывно, — писал Циолковский. — Я был всегда страстным учителем и приходил из училища сильно утомленным, так как большую часть сил оставлял там. Только к вечеру я мог приняться за свои вычисления и опыты. Как же быть? Времени было мало, да и сил также, и я придумал вставать чуть свет и, ужё поработавши над своим сочинением, отправлялся в училище. После этого двухлетнего напряжения сил у меня целый год чувствовалась тяжесть в голове».

Результаты своих научных изысканий о цельнометаллическом дирижабле Циолковский издает в 1892 году с помощью друзей на свои скудные средства. Ни научные общества, ни правительственные организации не помогли тогда выдающемуся ученому-самородку. Печатный труд «Аэростат металлический, управляемый» получил некоторое число сочувственных отзывов, и этим дело ограничилось. Для разработки методов аэродинамического расчета дирижабля Циолковский построил в 1897 году в Калуге аэродинамическую трубу с открытой рабочей частью. Это была одна из первых аэродинамических труб в России.

Если в условиях царской России вопросам воздухоплавания уделялось ничтожное внимание, то идеи об осуществлении летательных аппаратов тяжелее воздуха считались абсолютно утопичными и официальные правительственные организации этим вопросом совершенно не занимались. Изобретателям аэропланов приходилось работать на свой страх и риск. Однако и в этих невероятно тяжелых условиях русские инженеры проложили новые пути движения вперед для всего человечества.

Работы капитана 1-го ранга Александра Федоровича Можайского. Хотя эти работы и остались неизвестными Жуковскому, но их значение в создании авиационной науки и техники бесспорно. Можайский первым в мире разработал оригинальную и разумную конструкцию аэроплана, построил такой аэроплан, и под его руководством был осуществлен первый испытательный полет. Уже в советское время в Центральном военно-историческом архиве в Ленинграде были обнаружены детальные описания аэроплана Можайского.
«Проектированный мною воздухоплавательный аппарат, —-пишет Можайский членам специальной комиссии, — как это видно на чертеже, состоит:
1) из лодки, служащей для помещения машины и людей;
2) из двух неподвижных крыльев;
3) из хвоста, который может подниматься и опускаться и служить для изменения направления полета вверх и вниз, равно через движущуюся на нем вертикальную площадь вправо и влево получать направление аппарата в стороны;
4) из винта большого переднего;
5) двух винтов малых на задней части аппарата, служащих к уменьшению размеров переднего винта и для поворотов вправо и влево;
6) из тележки на колесах под лодкою, которая служит отвесом всего аппарата и для того, чтобы аппарат, поставленный площадью своих крыльев и хвоста наклонно, около 4 градусов к горизонту, переднею частью вверх, мог сперва разбежаться по земле против воздуха и получить ту скорость, которая необходима для парения его;
7) из двух мачт, которые служат для укрепления крыльев и связи всего аппарата по его длине и для подъема хвоста.
Машину для вращения винта я предполагаю поставить системы Брайтона нефтяную. Машина этой системы не имеет котла и потребляет нефти 2/3 фунта в час... Взяв в соображение силу, потребную для вращения корабельных винтов в воде, и сравнительную плотность воды и воздуха, я нахожу, что машины в 30 л. с. дадут мне желанную скорость винтам и аппарату».

Чертежи ,приложенные к патенту самолета А.Ф. Можайского

Чертежи ,приложенные к патенту самолета А.Ф. Можайского

Как видно из этого описания и приложенных к нему чертежей, самолет Можайского имел все основные части современного самолета-моноплана. На самолете Можайского были неподвижные крылья, фюзеляж, винтомоторная группа, хвостовое оперение со стабилизатором, килем, рулями высоты и рулями поворота, а также шасси.

Создание самолета есть, конечно, сложная комплексная проблема, и разработать одному человеку все детали с одинаковой тщательностью едва ли возможно. Можайскому удалось дать рациональные конструктивные решения для главных частей его самолета. Так, например, конструкция монопланного крыла в самолете Можайского представляла прообраз современных конструктивных решений. Крыло самолета Можайского состояло из жесткого каркаса в виде сетки из продольных и поперечных планок и было обтянуто лакированной тканью. Лодка самолета Можайского состояла из набора продольных полос и поперечных рам и была обтянута той же тканью; здесь, несомненно, был использован богатый опыт военного моряка, и до наших дней принципиальная силовая схема фюзеляжа осталась такой же, что и у самолета Можайского.

Правильные и прогрессивные решения нашел Можайский для органов управления, четырехколесной тележки шасси, штурвального управления с тросовой проводкой к рулям.

Наибольшие трудности возникли у Можайского при выборе двигателя. В те годы, когда создавался его самолет, двигатели внутреннего сгорания находились еще в начальной стадии развития. Эти двигатели были очень тяжелы и тихоходны. После тщательного анализа известных в то время двигателей Можайский остановил свой выбор на паровой машине. Английская фирма «Арбекер-Хэмкенс» взялась изготовить для Можайского «проектированные им две паровые машины» мощностью в 20 и 10 л. с.

Паровые двигатели, установленные на самолете Можайского, представляли собой двухцилиндровые вертикальные машины двухкратного расширения с золотниковым парораспределением. Паровые двигатели Можайского были выдающимся достижением двигателестроения того времени. В отзывах современников Можайского и в России и за границей паровые двигатели получили высокую оценку. Легкость и быстроходность — вот два основных качеству двигателей Можайского, которые этими качествами значительно превосходили все имеющиеся двигатели. В 1880 году Можайский сделал патентную заявку на свой аэроплан и в 1881 году получил патент. В труднейших условиях создавался первый образец аэроплана. Изобретатель вел заказы на свои средства, распродав и заложив все у него имеющееся. Никакой помощи от правительства, отказы военного министерства, полное бессилие VII отдела Русского технического общества, который мог только посочувствовать изобретателю, а реально помочь не мог, — вот обстановка, в которой создавался первый опытный русский аэроплан. С колоссальными трудностями аэроплан Можайского был построен. Он весил 950 кг, и мощность двигателей была недостаточна для набора высоты. Изобретатель строит тогда деревянный помост с небольшим уклоном, чтобы при разбеге получить необходимую скорость для взлета. Испытательный полет состоялся в 1883 году. Самолет оторвался от земли и поднялся в воздух. Затем он резко изменил направление полета, зацепил за высокий забор, повредив крыло и шасси. Средств для продолжения работ не было. Замечательное русское изобретение было погребено царским правительством столь основательно, что только в наши дни удалось восстановить детали этого выдающегося творения человеческого ума.

Весьма существенное значение для развития авиационной техники в России имели труды гениального русского ученого Дмитрия Ивановича Менделеева. Его цикл статей, посвященных изучению свойств газов и паров, дал полезные данные для построения аэродинамики. Переходя постепенно от физико-химических исследований газов к задачам метеорологии и аэродинамики, Менделеев писал: «Для того чтобы освоить воздушный океан для целей прогноза погоды и воздушного сообщения, необходимо одновременно решать две задачи: изучать атмосферу во всей ее толще, создавая необходимую точную измерительную аппаратуру, а для подъема ее летательные аппараты и воздушные суда, которые по их разработке откроют эру воздушных сообщений».

Особенно привлекали внимание Менделеева аппараты легче воздухааэростаты. В одной из своих записок в Военно-Морское Министерство он писал: «Хотя оба рода воздухоплавания одинаково заслуживают внимания исследователя, но для практической потребности, какова, например, военная, только одни аэростаты обещают дать скорый и возможный результат, тем более что весь вопрос с теоретической стороны в главных чертах здесь окончательно ясен. А потому прежде всего должно обратиться в практике к опытам в большом виде, над хорошо обдуманным управляемым аэростатом. Не задаваясь чем-либо невозможным или мечтательным, я думаю и хорошо убежден, что большим аэростатом управлять возможно в такой же мере, как кораблем».

В 1875 году Менделеев предложил проект устройства большого высотного аэростата с герметической гондолой. Это был первый в мире проект стратостата. К идее стратостата Менделеев возвращался неоднократно и позднее в целом ряде своих научных работ. Менделееву принадлежит капитальный труд по сопротивлению жидкостей (по теории лобового сопротивления, как сказали бы мы теперь). Первая часть этого труда вышла в свет в 1880 году в Петербурге. В этой монографии были проанализированы все наиболее крупные работы по вопросам сопротивления движению тел в жидкостях или газах. Дмитрий Иванович разбирает ударную теорию Ньютона, струйную теорию Бернулли и Эйлера, волновую теорию и теорию сопротивления трения. Его анализ показал, что имеющиеся экспериментальные данные не подтверждают теорий, да и правильно поставленных опытов было еще очень мало. Поэтому Менделеев считает важнейшей задачей накопление фактов путем систематических, научно поставленных опытов. Следует подчеркнуть весьма большое значение этих выводов Менделеева.

Как видно из материалов, опубликованных в советское время, в России XIX века было достаточно много изобретательских предложений по постройке летательных аппаратов. Но научной базы для сознательно направляемого конструирования еще не было. Не существовало такой научной базы и в других странах мира. Имелись отдельные чисто интуитивные догадки, иногда подтверждаемые единичными опытами. Для аэропланов не был решен коренной вопрос об определении подъемной силы. Не существовало методов расчета тяги воздушных гребных винтов. Конструирование шло ощупью с большими сомнениями в правильности избираемого решения. В этих условиях разумное направление дальнейшей научно-исследовательской работы по вопросам авиации и воздухоплавания было дано в монографии Менделеева. Вот некоторые из его высказываний:

 — «У других много берегов водяного океана. У России их мало сравнительно с ее пространством, но зато она владеет обширнейшим против всех других образованных стран берегом еще свободного воздушного океана. Русским поэтому и сподручнее овладеть сим последним, тем больше, что это бескровное завоевание едва ли принесет прямые личные выгоды..., а между тем оно, вместе с устройством доступного для всех и уютного двигательного снаряда, составит эпоху, с которой начнется новейшая история образованности».

— «Нужен настоятельно и будет решать дело разумный и твердый опыт, а молодое и неопытное умственное построение пойдет на поводу и в ту и в другую сторону, пока приученное опытом к верной дороге само не станет везти за собой или на себе всю сущность опытного знания, как обученная на поводу лошадь повезет куда следует».

— «Оттого с высоты общих теоретических соображений в деле сопротивления должно спуститься до опыта и измерений, если желательно, чтобы было достигнуто совершенство в гипотезах и теориях предмета, а затем и в практических результатах, а самые опыты и измерения имеют свойство наводить на понимание сущности дела больше, чем рановременные и гордые попытки охватить сразу всю сущность предмета».

— «Наконец, надо же понять, что, устраивая первое колесо и доходя с ним до локомотива, человек сочинил род движения не как простой рабский подражатель природных форм, а как разумный творец, пользующийся в природе материалами и силами для своих собственных, общественностью созданных целей, не имевшихся в виду у природы».

Эти замечательные мысли о развитии одного из разделов аэродинамики глубоко запали в сознание Жуковского. Мы думаем, что работа Менделеева «О сопротивлении жидкостей и воздухоплавании» поддержала стремление Николая Егоровича синтезировать чисто опытную науку гидравлику с теоретической гидромеханикой.

Если внимательно изучать работы Жуковского по аэродинамике, то можно подметить одну весьма важную, характерную черту, существенно отличающую его исследования от исследований ученых предшествовавшего периода.

Николай Егорович, исходя из указаний научно поставленных опытов, выдвигает новые физические гипотезы, новые идеи, которые коренным образом изменяют и расширяют результаты классической гидромеханики. Стремление преобразовать классическую теорию движения идеальной жидкости новыми рассмотрениями, источник которых лежит в непосредственном изучении явлений, проходит руководящей нитью через все многообразные работы Жуковского. Поэтому Жуковский, как исследователь, есть зачинатель новых разделов науки. Это стремление сблизить теоретические исследования с экспериментом, «изучать вещи в самих себе», как часто говорил и писал Жуковский, есть генеральная линия всей научно-технической деятельности Николая Егоровича. Эта линия глубоко материалистична, и нам кажется, что в этой тесной связи с практикой и открыто излагаемом материализме и есть национальное своеобразие научного творчества Жуковского. Н. Е. Жуковский как представитель передовой русской естественнонаучной мысли восторженно поддерживал замечательную мысль Менделеева, высказанную в его «Основах химии». Эта мысль звучала в те годы как манифест передовой науки.

«У научного изучения предметов, — говорит Менделеев, — две основных или конечных цели: предвидение и польза. Предвидеть или предсказать то, что еще неизвестно, — значит во всяком случае не менее открытия чего-либо существующего, но еще неописанного (например, новой страны или неизвестных явлений, тел, приемов промышленности и т. п.), а имеет то высшее значение, что указывает на возможность людям проникать в самую сущность вещей.... Научные предсказания, основываясь на изучении, дают в обладание людское такие уверенности, при помощи которых можно направлять естество вещей в желаемую сторону и достигать того, что желаемое и ожидаемое приближается к настоящему и невидимое к видимому» .

Хорошо известно, что Менделеев был идейно близок с выдающимся русским физиологом Сеченовым, что он сочувственно относился к нелегальным изданиям Герцена, встречался с Чернышевским. В работах и высказываниях Менделеева очень хорошо видна тесная связь русской материалистической философии и передовой демократической естественнонаучной мысли.

Существенное развитие конструкторского оформления аэроплана после работ А. Ф. Можайского было сделано в исследованиях К. Э. Циолковского. Занятия Циолковского по тонким металлическим оболочкам для дирижаблей привели его в 1894 году к замечательной идее о постройке аэроплана с металлическим остовом. В небольшой статье «Аэроплан, или птицеподобная летательная машина», опубликованной отдельным оттиском в 1895 году, дано описание и чертежи моноплана, который по своему внешнему виду очень близко подходит к моноплану Блерио 1909 года, но в главных деталях значительно совершеннее его. У аэроплана Циолковского крылья уже имеют толстый профиль, а фюзеляж — обтекаемую форму. Весьма интересно, что в этой статье Циолковского впервые в истории развития самолетостроения особенно подчеркивается необходимость улучшения обтекаемости аэроплана для получения больших скоростей. Конструктивные очертания аэроплана Циолковского были несравненно более совершенными, нежели более поздние конструкции братьев Райт, Сантос-Дюмона, Вуазена и других изобретателей. Для оправдания своих расчетов Циолковский писал: «При получении этих чисел я принял самые благоприятные, идеальные условия сопротивления корпуса и крыльев; в моем аэроплане нет выдающихся частей, кроме крыльев; все закрыто общей плавной оболочкой, даже пассажиры».

Циолковский хорошо предвидит значение бензиновых двигателей внутреннего сгорания. Вот его слова, показывающие полное понимание устремлений технического прогресса: «Однако у меня есть теоретическое основание верить в возможность построения чрезвычайно сильных бензиновых двигателей, вполне удовлетворяющих задаче летания».

Константин Эдуардович предсказывал, что со временем маленький аэроплан будет успешно конкурировать с автомобилем. Но и эта идея Циолковского не получила признания в условиях царского самодержавия. На дальнейшие изыскания по аэроплану не было ни средств, ни даже моральной поддержки. Замечательная идея Циолковского так и не была реализована.

Царское правительство не признавало ни молодую русскую авиационную науку, ни авиаконструкторов. Печальный пример К. Э. Циолковского и других русских авиаконструкторов, чьи изобретения были загублены в недрах правительственных канцелярий, ярко свидетельствует об отношении царских чиновников к отечественной науке и народным талантам.

Высокопоставленные царские чиновники считали, что гораздо спокойнее закупать «проверенные» иностранные аэропланы, чем рисковать с «доморощенными самоучками», как презрительно называли в те годы в придворных кругах русских инженеров, изобретателей и ученых—зачинателей нашей отечественной  авиации.

Выдающиеся по глубине и оригинальности прогрессивные идеи развития авиационной науки, смелые и тщательно продуманные технические проекты, замечательные по высокому мастерству и культуре исполнения конструкции самолетов были буквально выстраданы передовой частью русских ученых и инженеров.

Задержать развитие русской науки и техники не могли никакие искусственные преграды. Талант и настойчивость, одаренность и творческая дерзость русских исследователей побеждали все препятствия. Передовые люди русского дореволюционного общества приветствовали и поддерживали смелые научно-технические идеи русской науки. В этих своеобразных исторических условиях жил и работал «отец русской авиации» Николай Егорович Жуковский.

Жуковский открыл основные принципы новой науки — аэродинамики, и законы этой науки стали верными руководителями инженеров при конструировании более совершенных аэропланов.

Работы Н.Е. Жуковского по гидромеханике

Николай Егорович Жуковский был великим русским механиком. Чтобы лучше понять главное направление творческой деятельности Жуковского, мы рассмотрим, чем занимается наука, называемая теоретической механикой.

Каждый из нас, начиная с рождения, наблюдает движения различных материальных тел. Мы видим относительное движение Луны, движение кораблей, поездов, аэропланов. На заводах мы видим движение машин, движение подъемных кранов, перемещения готовой продукции. В реках, каналах, водопроводах можно наблюдать движение больших масс воды; при ветре мы чувствуем движение частичек воздуха, видим движение дыма из фабричных труб. Очень часто при движении тела его состояние, или, как часто говорят, его физические свойства остаются неизменными. Камень, падая на землю, не меняет своего веса, цвета, формы и других качеств. При падении он только перемещается относительно наблюдателя, связанного с землей, сохраняя все свои качественные признаки. Теоретическая механика есть наука о законах движения материальных тел. Движение в механике понимается как простое перемещение тел по отношению друг к другу без изменения качественных признаков этих тел. Мяч, брошенный рукой человека, движется, но при этом сохраняется форма мяча, его вес, цвет, электрические и многие другие свойства.  Маховое колесо, которое вы заставляете вращаться, ничтожно мало изменяется за время даже длительной эксплуатации; при изучении вращательного движения махового колеса можно считать его основные физические свойства сохраняющимися. Механика изучает движения тел, рассматривая только два их главнейших качественных признака: геометрическую форму и материальность (вещественность).

При движении тел в природе мы часто видим, как одна форма движения материи переходит в другую. Например, при вращении электромотора (генератора) механическое движение превращается в тепло и электричество. Более сложные формы движения материи (как, например, тепло, свет, электричество и др.) содержат в себе простое механическое движение, но им полностью не объясняются и не исчерпываются. Изучение механических движений является логически первой задачей науки. В истории развития человеческой культуры накопление знаний о механических движениях и создание науки механики предшествовали изучению более сложных форм движения.

В современной механике вполне сформировались следующие большие разделы: механика твердого тела, механика жидкости (или гидромеханика) и механика воздуха (или аэромеханика).

Эти разделы изучают соответственно движение твердых тел, движение жидкостей и движение воздуха. Главная задача механики состоит в том, чтобы знать в любой момент движения положение отдельных частичек движущихся тел, их скорости и ускорения.

Так как в подавляющем большинстве механических задач, которые приходится решать человеку, имеет место движение или твердых тел, или жидкостей, или газов, то становится очевидным колоссальное значение механики в современном техническом прогрессе. Теоретическая механика — научная основа многих разделов современной техники. Изучая общие свойства механических движений, механика дает в руки инженеру метод познания закономерностей этих движений, направляя творческую интуицию исследователей, помогая созиданию новых конструкций машин, аппаратов, механизмов. Развивающиеся технические потребности человеческого общества последовательно ставят перед механикой все новые и новые задачи. Так, например, в XVIII веке в связи с развитием мореплавания потребовалось разработать методы ориентировки корабля в море по положению небесных светил. Это дало толчок к изучению движения Солнца, Луны, планет и звезд и вызвало к жизни специальный раздел механики, который в настоящее время называется небесной механикой.

В XIX столетии изучение движения продолговатых вращающихся артиллерийских снарядов привело к созданию нового раздела механики, который мы называем баллистикой вращающегося снаряда. В XX столетии потребности авиационной техники вызвали бурное развитие новой науки — аэродинамики, являющейся теоретической основой авиации.

Научное наследство Николая Егоровича огромно. Его исследования охватывали широкую область теоретической и прикладной механики. Изданные до настоящего времени труды Жуковского можно классифицировать по основным разделам механики следующим образом:
Гидромеханика 44 работы
Аэромеханика 43
Теоретическая механика (включая астрономию и математические работы) 40
Прикладная механика 28
Речи и статьи по истории науки 21.

Подавляющее большинство его научных изысканий посвящено изучению движения, т. е. динамике. Динамические процессы занимали первое место в научном творчестве Жуковского. Он мало занимался проблемами равновесия — проблемами статики. Аэродинамика как теоретическая основа авиации и воздухоплавания была заложена фундаментальными трудами Николая Егоровича.

Творческий талант Жуковского начал проявляться в области механики только в зрелом возрасте. Первая научная работа Николая Егоровича была опубликована в 1876 году, когда Жуковскому было уже 29 лет. Период внутренних сомнений и исканий в университетские годы, стремление к конкретному инженерному творчеству, близкому и весьма импонирующему геометрическому складу ума Николая Егоровича, пожалуй, мало способствовали проявлению истинного призвания Жуковского. В более поздние годы его юношеские занятия прикладными вопросами механики, эти «выдумки», на которые он истрачивал немало времени, оказались чрезвычайно полезными для правильной оценки и понимания прогрессивных явлений развития техники в России. Жуковский пришел к исследованиям по механике, хорошо зная те возможности, которые давала старая аналитическая школа стиля прикладной математики, и он отчетливо понимал истинные потребности и запросы реальной техники.

Первая страница магистерской диссертации Н. Е. Жуковского «Кинематика жидкого тела».

Первая страница магистерской диссертации Н. Е. Жуковского «Кинематика жидкого тела».

Работая над созданием своих машин и знакомясь с обоснованиями, и теоретической трактовкой проблем прикладной механики по лучшим сочинениям того времени, Жуковский, несомненно, увидел строгую логическую ясность многочисленных работ ученых-гидромехаников, где было все безукоризненно, за исключением реальной постановки задач, и где, как правило, выводы теории редко подтверждались практикой. В кругах инженеров, занимавшихся изучением движения жидкостей и газов, господствовал грубый эмпиризм при исследовании важных и нужных практических задач, поощрялось экспериментирование над большим числом вариантов и частных случаев и обнаруживалась полная беспомощность при теоретических обобщениях.

Необходимость синтеза этих двух направлений развития научной мысли осознавалась наиболее крупными учеными второй половины XIX столетия. Гениальная проницательность Жуковского в области научно-технического прогресса помогла ему найти свое историческое место, и в 1870 году Николай Егорович твердо решил стать ученым-механиком, определив, по-видимому, главное направление своих творческих дерзаний. Позднее Жуковский стал общепризнанным руководителем этого нового направления научного развития в области теоретической и прикладной механики.

В 1876 году в восьмом томе «Математического сборника», издаваемого Московским математическим обществом, была напечатана первая научная работа Н. Е. Жуковского, посвященная исследованию вопросов движения жидкости. Эту работу Николай Егорович представил физико-математическому факультету Московского университета для соискания степени магистра прикладной математики. Защита диссертации состоялась 4 ноября 1876 года в новом здании университета. Официальными оппонентами Николая Егоровича были знаменитый профессор физики А. Г. Столетов (1839—1896), известный геометр, декан физико-математического факультета В. Я. Цингер (1836—1907) и Ф. А. Слудский (1841 —1897), возглавлявший в то время кафедру прикладной математики. Защита диссертации прошла успешно, и Н. Е. Жуковский получил ученую степень магистра прикладной математики.

Магистерская диссертация Жуковского была посвящена выявлению законов распределения скоростей и ускорений частицы жидкости и представляла по существу введение в общий курс гидромеханики. Эту часть гидромеханики называют кинематикой жидкости. Чтобы кратко пояснить здесь предмет исследования, заметим следующее.

Кинематика твердого тела представляет отдел теоретической механики, в котором изучается движение твердых тел с чисто геометрической стороны. Если для любой точки твердого тела можно найти траекторию, скорость и ускорение для любого момента времени, то задача кинематики считается разрешенной. В кинематике жидкого тела такое чисто геометрическое изучение имеет еще и то значение, что иногда позволяет найти верную дорогу к формулировке физических гипотез, связывающих распределение скоростей и ускорений жидкой частицы с возникающими внутренними силами. Отчетливые кинематические и геометрические образы, характеризующие движение жидкой частицы,— основа для правильного построения законов движения жидкости с учетом действующих сил (гидродинамики).

В предисловии к этой работе Н. Е. Жуковский совершенно ясно высказывает свою точку зрения о методе исследования. Он пишет: «Мы старались сделать изложение по возможности простым, предпочитая, где было возможно, геометрические соображения аналитическим и пользуясь криволинейными координатами, имеющими непосредственное кинематическое значение в разбираемом вопросе. Мы старались следовать, насколько умели, совету великого геометра «изучать вещи в самих себе» (Л. Пуансо (1777—1859)—профессор Политехнической школы в Париже). Надеемся, что наш скромный труд не останется бесполезным и прольет некоторый свет на трудные вопросы гидродинамики». Исследования Жуковского по кинематике жидкого тела, проведенные с большим мастерством и точностью изложения, широко) используются в наши дни учеными, работающими в области гидродинамики и аэродинамики. К сожалению, большую известность получили теоремы и результаты, относящиеся к несжимаемой жидкости; анализ явлений движения сжимаемой сплошной среды, данный Жуковским, остается малораспространенным до сих пор.

Научный девиз Жуковского «решать реальные задачи механики», «изучать вещи в самих себе» цементирует руководящей и методологической идеей все его основные работы по механике, своеобразно окрашивая многообразное научное творчество Николая Егоровича.

В 1882 году Жуковский защитил диссертацию на степень доктора прикладной математики, представив работу «О прочности движения». С 1886 года он экстраординарный профессор Московского университета по кафедре механики, а с 1887 года занимает одновременно должность профессора по кафедре аналитической механики в Московском высшем техническом училище. С этими высшими учебными заведениями тесно связана вся дальнейшая педагогическая и научная деятельность Жуковского.

Работа Н. Е. Жуковского в Московском университете, его активное участие в научных заседаниях Московского математического общества позволяли ему быть в курсе всех новейших достижений теоретической мысли в области физико-математических наук. Деятельность Николая Егоровича в Высшем техническом училище связывала его с практическими задачами развивающейся промышленности России. Сложные расчеты новых конструкций, установок и сооружений приносили к Николаю Егоровичу его коллеги и ученые-инженеры для консультаций и экспертизы. Жуковский был в центре передовой технической мысли нашей страны. «Я с удовольствием вспоминаю беседы с моими дорогими товарищами по техническому училищу, в котором с 1872 года протекает моя педагогическая деятельность. Они указывали мне на различные тонкие вопросы техники, требующие точного разрешения. От них научился я сближению научного исследования с наблюдаемой действительностью и уменью пользоваться приближением»  (Н. Е. Жуковский, Механика в Московском университете за последнее пятидесятилетие. Собр. соч., т. IX, 1937, стр. 209).

При беглом рассмотрении научного наследия Жуковского поражает необыкновенное разнообразие тем. Здесь и исследование хвостов комет, и общая теория устойчивости движения, и теория регулирования машин, и распределение давления на резьбе винта и гайки, и прочность велосипедного колеса, и теория ветряных двигателей (ветряков), и множество других научно-технических вопросов. Но более внимательное рассмотрение тематики показывает, что в течение всей многолетней исследовательской деятельности Николай Егорович систематически и последовательно посвящает свои труды изысканиям по гидромеханике и аэромеханике. Первой из этих областей Жуковский подарил ряд выдающихся сочинений, которые сделали его имя известным всему миру. Аэромеханику Николай Егорович основал как самостоятельную науку, показав своеобразие и величие своего творческого таланта. Остановимся здесь только на наиболее важных научных достижениях Жуковского в области изучения движения жидкостей.

Выдающимся сочинением по гидромеханике была работа Николая Егоровича «О движении твердого тела, имеющего полости, наполненные капельной жидкостью», удостоенная Московским университетом премии профессора Брашмана. Основное содержание работы вкратце можно пояснить так.

При изучении движений твердого тела можно самые сложные движения его представить составленными из простейших движений. Таких простейших, несводимых друг к другу движений всего два: поступательное и вращательное. Эти простейшие движения соответствуют двум типам взаимодействия материальных тел. В механике действие одного тела на другое приводит или к равновесию, или к движению. В случае поступательного движения тело перемещается так, что скорости всех его частиц в любой момент времени всегда равны между собой. Легко понять, что при этом любая прямая, проведенная в теле, будет перемещаться параллельно самой себе. Простейшим примером поступательного движения будет движение кузова железнодорожного вагона на прямолинейном участке пути. В случае вращательного движения каждая частица тела описывает окружность около некоторой неподвижной прямой, называемой осью вращения. Простейшим примером вращательного движения будет движение крыльев ветряной мельницы или движение маятника у часов. Любые более сложные движения твердого тела можно составить из последовательной серии поступательных и вращательных движений. В классической механике до появления работы Н. Е. Жуковского изучались движения только твердых тел различной формы. Николаю Егоровичу принадлежит честь постановки и решения нового класса задач механики — исследование движения твердого тела с полостями, наполненными жидкостью. Из простейших опытов хорошо известно, что вращательные движения твердого тела с жидким внутренним наполнением происходят иначе, чем вращение сплошного твердого тела. Еще наши бабушки, для того чтобы проверить, сырое или вареное куриное яйцо, заставляли его быстро вращаться на столе. Сырое куриное яйцо можно рассматривать как твердую оболочку с жидким наполнением. Николай Егорович доказал, что при изучении поступательных движений тел с жидким наполнением мы можем пользоваться теми же самыми уравнениями механики, что и при изучении сплошного твердого тела. Вращательное движение твердого тела вызывает относительное движение жидкости в полостях, и законы вращательного движения твердого тела с жидким наполнением будут совершенно другими.

Жуковский выяснил, что относительное движение идеальной жидкости в полостях вполне определяется движением тела. Как только движение жидкости будет определено (считая скорости на границах полостей известными), тогда, рассматривая твердое тело и жидкость в полостях как одну динамическую систему, можно получить основные дифференциальные уравнения движения тела. Оказывается, что движение тела совершается так, как будто бы жидкие массы были заменены эквивалентными твердыми телами. Массы этих эквивалентных тел равны массам жидких наполнений; центры тяжести эквивалентных тел совпадают с центрами тяжести объемов жидкостей, заполняющих полости.

Однако моменты инерции эквивалентных тел относительно любой оси, проходящей через их центры тяжести, будут меньше моментов инерции соответственной жидкой массы относительно той же оси.

Особенно интересно ведет себя тело с жидким наполнением, если жидкость имеет некоторое начальное движение. В этом случае оказывается, что движение тела происходит так, как будто внутри тела находится вращающийся гироскоп, кинетический момент которого вполне определяется начальным движением жидкости. Все предыдущие выводы справедливы при условии, что жидкость, наполняющая полости, не имеет собственной вязкости (внутреннего трения). Такую жидкость в механике называют идеальной, и естественно, что реальные жидкости тем ближе к идеальной, чем меньше внутреннее трение при движении частиц жидкости друг относительно друга. Так, например, вода, спирт, бензин имеют очень малую вязкость, малое внутреннее трение, а смазочные масла, патока, мед имеют большую вязкость (большое внутреннее трение).

Если вязкостью (внутренним трением) жидкости пренебречь нельзя, тогда задача полного изучения движения тела усложняется, даже для случая полостей простейших геометрических очертаний. Для этой труднейшей проблемы гидромеханики Жуковский указал метод определения того предельного движения, которое будет иметь тело по истечении достаточно большого времени. Он доказал, что «если в теле имеется какая-нибудь полость, наполненная трущейся жидкостью, и такой системе сообщены какие-нибудь начальные скорости, то движение ее будет стремиться к предельному состоянию, при котором одна из главных осей инерции рассматриваемых масс займет направление главного момента начальных количеств движения, и вся система будет вращаться около нее как одно неизменяемое тело с постоянной угловой скоростью, получаемой от разделения главного момента начальных количеств движения на момент инерции системы относительно этой оси».

«Не этой ли теоремой, — пишет в заключение Жуковский,— следует объяснить то обстоятельство, что, несмотря на всякие случайные начальные скорости, планеты вращаются около своих главных осей инерции?»

Поясним эту теорему Жуковского. Для однородного тела главные центральные оси инерции будут совпадать с осями симметрии. Так, например, для однородного шара любая прямая, проходящая через центр шара, будет главной осью инерции. Землю, на которой мы живем, можно приближенно рассматривать как немного сплюснутый шар, плотность этого шара зависит только от глубины погружения. Внутренняя часть Земли находится, по-видимому, в расплавленном состоянии, т. е. представляет собой сильно вязкую жидкость. У немного сплющенного шара (точно говоря, эллипсоида вращения) одна из главных центральных осей инерции будет совпадать с «осью Земли», т. е. с прямой, проходящей через Северный и Южный полюсы и являющейся осью симметрии эллипсоида вращения. Жуковский видел в факте вращения Земли около своей оси симметрии подтверждение полученных им теоретических результатов.

В 30-х годах XX века получили некоторое распространение артиллерийские вращающиеся снаряды с жидким наполнением. Опыты показали, что такие артиллерийские снаряды менее устойчивы по сравнению с нормальными снарядами с твердым наполнением. Строгая теория движения артиллерийских снарядов с жидким наполнением основывается на методах, развитых Жуковским в этой работе.

В наши дни советские ученые успешно продолжили исследования Николая Егоровича по проблеме движения тел с полостями, наполненными капельной жидкостью. Особенно важными и  интересными являются работы по устойчивости движения ракет с баками, частично заполненными жидким окислителем и горючим. Работа Жуковского положила начало циклу исследований, имеющих большое научное и практическое значение. В те годы, когда создавалась эта замечательная работа, ее практическое  значение усматривалось, пожалуй, только в задачах астрономии. Однако глубину заключений и строгость математического анализа видели все специалисты. Работа была представлена на соискание премии профессора Брашмана. Отзыв на это выдающееся произведение русской механики был составлен учителем Николая Егоровича, профессором Ф. А. Слудским. Он писал: «Если бы сочинение Николая Егоровича состояло только из шести последних страниц, то и тогда оно было бы вполне достойно премии профессора Брашмана».

Этой работой Жуковский поставил свое имя в ряду мировых корифеев теоретической механики и гидромеханики.

Подводя итоги ч своей научной деятельности за 40 лет, Н. Е. Жуковский отметил: «Мои главные работы по гидромеханике представляют три статьи: «Кинематика жидкого тела», «Движение твердого тела с полостями, наполненными жидкостью» и «Видоизменение метода Кирхгофа». Во всех своих работах я стремился нарисовать картину движения, дать его отчетливый геометрический образ».

В работе «Видоизменение метода Кирхгофа» Жуковский дает весьма оригинальный и эффективный метод решения важнейшей задачи гидромеханики, относящейся к так называемой теории струй. Развитие этой теории тесно связано с определением сил воздействия потока воздуха на движущиеся в нем тела.

Хорошо известно, что если тело произвольной формы перемещать в жидкости или газе равномерно, поступательно и прямолинейно, то эффект действия окружающей среды можно представить в виде системы сил, распределенных по поверхности движущегося тела и не зависящих от «истории» движения тела. Эта система сил может быть в общем случае приведена к одной результирующей силе и к одной результирующей паре сил.

Проекция результирующей силы на направление скорости поступательного движения тела называется лобовым сопротивлением.

В реальных жидкостях и газах результирующая поверхностных сил воздействия среды складывается из местных сил трения, расположенных в касательных плоскостях к поверхности обтекаемого тела, и местных сил нормальных давлений, направленных по перпендикулярам к поверхности, ограничивающей тело.

Проекция на направление скорости движения тела результирующей всех местных сил нормальных давлений называется сопротивлением давления. Проекция на то же направление результирующей всех местных сил трения называется сопротивлением трения.

Возникновение сопротивления давления обусловлено вязкостью жидкости или газа. Поток жидкости, без трения, плавно обтекающей какое-либо тело, приводит к такому распределению местных нормальных давлений по поверхности тела, что результирующая этих давлений не дает составляющей в направлении движения тела. Если при обтекании тела образуются свободные струи, тогда давление в струйной области понижается по сравнению с давлением в невозмущенном потоке. Сила сопротивления, возникающая при образовании струй, может быть рассчитана методами, предложенными Н. Е. Жуковским.

До Н. Е. Жуковского в теории струйного обтекания были известны два метода решения конкретных задач: обратный метод Гельмгольца и метод Кирхгофа. Число задач, решенных этими методами, было весьма ограниченно. Наиболее трудные задачи методом Кирхгофа были решены русскими учеными Д. К. Бобылевым и И. В. Мещерским, которые подробно исследовали задачу о сопротивлении клина, помещенного в поток жидкости или газа. Мещерский особенно детально произвел расчеты и дал таблицы для определения силы давления потока в зависимости от угла клина и от направления потока.

Основную идею метода Кирхгофа можно кратко формулировать следующим образом. Пусть мы имеем струйное обтекание контура с прямолинейными стенками. Пусть комплексный потенциал течения w= φ+iψ , где φ(x, у)потенциал скоростей, а ψ (x, у)функция тока. Введем в рассмотрение новую функцию

2015-05-25 21-34-13 Скриншот экрана
и найдем конформное отображение области w на область ξ, т.е. установим функциональную связь ξ и w. Если удалось найти ξ=f (w), то z= ∫f (w) dw и, следовательно, комплексный потенциал течения определен. Трудности метода Кирхгофа обусловлены тем, что конформную связь областей ξ и w при заданном обтекаемом контуре можно найти в очень редких «счастливых» случаях.
Н. Е. Жуковский ввел в рассмотрение новую функцию2015-05-25 21-37-49 Скриншот экрана

а для определения связи областей ξ1 и w рассматривает некоторую вспомогательную переменную u = ξ + iη, такую, что w = φ + iψ = Ф1(u), а ξ1 = ν + iθ = Ф2(u).
Тогда, очевидно, ξ1=f (w)

Рассматривая плоскость комплексного переменного  u = ξ + iη, можно утверждать, что линии φ=const и ψ=const, так же как и линии ν=const и θ=const, образуют две сети ортогональных линий, которые Жуковский называет образующей и направляющей сетями.
На линии φ=const остается постоянной величина потенциала скоростей. Кривые ψ=const  изображают на плоскости u линии тока. Следовательно, образующая сеть дает в плоскости u изображения линий тока и эквипотенциальных линий струйного течения, геометрические, кинематические и динамические характеристики которого нужно еще найти.
Линии 2015-05-25 21-51-12 Скриншот экранаочевидно, соответствуют точкам реального струйного течения, в которых модуль скорости постоянен. Линии θ=const соответствуют тем точкам реального течения, в которых вектор скорости имеет один и тот же наклон к оси Ох.

«Все уменье решить задачу заключается в том, чтобы подобрать образующую и направляющую сети, которые удовлетворяли бы условиям данной задачи. Мы идем, однако, обратным путем: выбрав направляющую и образующую сети, мы исследуем, какой задаче они соответствуют» (Н. Е.Жуковский, Собр. соч., т. VI, I960, стр. 461).

Этим методом Жуковский решил с необычайной ясностью и геометрической наглядностью не только задачи Кирхгофа, Бобылева и Мещерского, но и ряд новых задач, решение которых прежними приемами представлялось необычайно сложным и громоздким.

Этот же метод Н. Е. Жуковский применяет для исследования действия турбин. В заключение к этой работе Жуковский указывает, что «при некотором видоизменении метода возможно также решение задач об ударе беспредельного потока на тела, ограниченные кривыми контурами, и об истечении жидкостей из сосудов с кривыми стенками. Мы решили несколько таких задач, но нам не удалось, несмотря на продолжительные изыскания, решить задачу об ударе беспредельного потока на круглый цилиндр. Может быть, эта задача могла быть разрешена как предельный случай задачи об ударе потока на многогранный контур, причем в пределе выходящие углы дали бы конечное значение для скорости».

Метод Жуковского в теории струй позволяет быстро учесть физические особенности задачи, и он гораздо удобнее других методов позволяет получить конкретный численный ответ при решении практических задач. Многие из вопросов, затронутых в работе Жуковского, были впоследствии развиты как учеными нашей страны, так и за границей.

Новый метод математического рассмотрения задач струйной теории сопротивления, предложенный Жуковским в этой замечательной работе, получил всеобщее признание в мировой гидродинамической литературе и в настоящее время приводится почти во всех учебниках.

В конце XIX столетия рост потребления воды в Москве поставил перед инженерами вопрос об источниках питьевой воды для Московского водопровода. По первоначальным проектам инженеры думали расширить Мытищинский водопровод, имевший источником подпочвенные воды. Н. Е. Жуковский в одной из своих работ установил связь между барометрическим давлением атмосферы и высотой стояния уровня подпочвенных вод. Измеряя колебания уровня подпочвенных вод и используя формулы Жуковского, оказалось возможным подсчитать максимальную емкость подпочвенных вод в районе г. Мытищи и найти предельный возможный расход воды. Расчеты показали, что имеющиеся запасы воды в районе Мытищинской водопроводной станции не смогут удовлетворить потребностей Москвы, и поэтому мысль о расширении Мытищинского водопровода была оставлена.

Была спроектирована и построена водопроводная станция в Рублеве. После окончания постройки и пуска Рублевского водопровода начались аварии двадцатичетырехдюймовых магистральных труб. Была создана комиссия специалистов по изучению причин этого явления.

В 1897—1898 годах по инициативе заведующего Московским водопроводом Н. П. Зимина профессор Жуковский был привлечен к этим работам и на него было возложено руководство опытами над ударами воды в водопроводных трубах. Опыты делались над трубами 2,4 и 6 дюймов в диаметре, положенными на поверхность земли во дворе водокачки и соединенными с главной магистралью Москвы, которая имела 24 дюйма в диаметре. «Эти опыты дали интересные результаты, которые, насколько мне известно, до сих пор не указаны в технической литературе; оказалось, что все явления при гидравлическом ударе объясняются возникновением и распространением в трубах ударной волны, происходящей от сжатия воды и от расширения стенок трубы».

«Инженеры, которые занимались этой задачей, не обратили внимания на то, что при весьма быстром закрытии задвижки вода останавливается и давление повышается только при задвижке, 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, при громадной скорости распространения ударной волны, поднятие давления представляется происходящим вдоль всей трубы одновременно».

Для понимания сути явления гидравлического удара можно привести следующие пояснения. Представим себе длинную цилиндрическую трубу, один конец которой открыт. Пусть по этой трубе достаточно долго течет вода, так что скорости частичек зависят только от расстояния от стенки. Как показывает опыт, скорости частичек воды в любом сечении трубы почти одинаковы, за исключением тонкого слоя около самой стенки, где благодаря трению жидкость подтормаживается. Можно поэтому представить, что в трубе с некоторой скоростью движется длинный жидкий стержень. Если конец трубы, где выливается вода, быстро закрыть, то получается удар водяного столба о задвижку, аналогичный удару упругого стержня по плите. В месте закрытия (у задвижки) давление резко повышается, и это повышенное давление бежит от задвижки по трубе по законам, аналогичным законам распространения звука в воздухе. Так как при больших давлениях в трубе стенки трубы расширяются и поперечное сечение трубы увеличивается, то закон распространения повышенного давления при разной толщине стенок труб будет несколько изменяться.

Выяснив основные физические факторы явления (доминирующие факторы, как любил говорить Жуковский), Николай Егорович составляет уравнения, связывающие четыре функции: скорость течения, давление, плотность и радиус трубы, зависящие от времени и расстояния рассматриваемого сечения от выбранного начала координат. Строгое математическое решение полученных уравнений привело Жуковского к следующим основным результатам:
«1. Гидравлический удар распространяется вдоль водопроводной трубы с постоянной скоростью, величина которой не зависит заметно от силы удара. Эта скорость зависит от вещества трубы и от отношения толщины ее стенок к диаметру трубы. Для труб средних диаметров (от 2 до 6 дюймов) эта скорость около 600 сажен в секунду, а для труб больших диаметров (24 дюйма) — около 470 сажен в секунду. Скорость ударной волны остается одна и та же, получается ли удар вследствие остановки течения воды в трубе или вследствие весьма быстрого поднятия давления при начале трубы.
2. Гидравлический удар распространяется по водопроводной трубе с одинаковой силой. Величина его пропорциональна потерянной при ударе скорости течения воды и скорости распространений ударной волны в трубе. Для обыкновенных чугунных труб среднего диаметра на каждый фут потерянной скорости мы имеем силу удара около четырех атмосфер.
3. Опасное возрастание ударного давления происходит при переходе ударной волны с труб большого диаметра на трубы малого диаметра. При этом, достигнув концов тупиков, сила ударного давления удваивается. Такое удвоение может повториться несколько раз так, что давление может при неблагоприятных условиях возрасти до большого предела.
4. Простейшим способом ограждения водопровода от гидравлических ударов 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».

Теоретические выводы, вытекающие из решений уравнений Жуковского, были подтверждены опытами на специальной установке при Алексеевской водокачке Московского водопровода.

Таким образом, теоретические и экспериментальные исследования Жуковского вполне разъяснили сложное явление гидравлического удара в трубах. Формулы Жуковского вот уже много лет являются основными при расчетах такого рода.

Николай Егорович выступал несколько раз с докладами о полученных им фундаментальных результатах по гидравлическому удару в водопроводных трубах. Особенный успех имел доклад Жуковского на собрании ученых н инженеров в Политехническом обществе 21 февраля 1898 года. В воспоминаниях профессора, инженера П. К. Худякова мы можем прочесть: «Когда Николай Егорович делал об этой работе свой доклад в Политехническом обществе, это был для него день колоссального триумфа, а для всей нашей семьи инженеров это был день живой, необычайной радости, вызванной успехами нашего любимого учителя. Чутье подсказывало тогда всем нам, ученикам Николая Егоровича, что эта его работа будет иметь злободневное и безусловное мировое значение».
Так и оказалось. Весьма скоро работа Н. Е, Жуковского «О гидравлическом ударе в водопроводных трубах» была переведена на немецкий язык (1900), а затем на английский (1904) и, наконец, на французский (1907).

Политехническое общество и Московское высшее техническое училище (МВТУ), безусловно, способствовали привлечению Николая Егоровича к чисто инженерным, жизнью выдвигаемым вопросам. Несколько позднее инженерная общественность Москвы провозгласила, что Жуковский является инженером самого высшего ранга. «По силе, по глубине и напряженности своего инженерного творчества он значительно превосходит любого из так называемых выдающихся инженеров, известных нам»,— пишет профессор Худяков.

В 1911 году, к 40-летию профессорской деятельности, Московское высшее техническое училище преподнесло Н. Е. Жуковскому звание инженер-механика, «чести ради» — как говорят ученые, и золотой инженерный знак. Николай Егорович весьма охотно носил это украшение, совершенно исключавшееся для прежних профессоров механики, работавших в стиле чисто математическом.

Заметим, что решение задачи о гидравлическом ударе дает  возможность определить место аварии водопровода, не выходя из помещения насосной станции и не дожидаясь того, когда на месте разрушения трубы вода выступит на поверхность мостовой. Для этого на станции производят легкий гидравлический удар, снимают индикаторную диаграмму гидравлических давлений, обнаруживают на ней падение кривой давления, и эти исходные экспериментальные данные вместе с формулами Жуковского позволяют полностью решить задачу.

Даже при недостаточно совершенной измерительной аппаратуре, которой пользовались в XIX столетии, опытная проверка дала хорошее согласие теории Жуковского с опытными данными. Была взята двухдюймовая труба длиной 356,3 сажени. В этой трубе были искусственно сделаны дыры на разных расстояниях от задвижки. Места утечки определялись по диаграмме давлений и формулам Жуковского и сравнивались с фактическими расстояниями. Результаты пяти опытов приведены в следующей таблице.

Результаты опытов Н. Е. Жуковского по определению места утечки воды в трубе, проведенных 25 сентября 1897 года.

2015-05-25 22-28-20 Скриншот экрана

«По ударной диаграмме, снятой с водопроводной трубы,— пишет Жуковский, — можно определить место скопления воздушных масс в трубе и величину этих масс. Ударная диаграмма может служить для определения места утечки воды в трубе и вообще дать полные сведения о состоянии трубы».

Выдающиеся научные заслуги Николая Егоровича были отмечены в 1894 году избранием его в члены-корреспонденты Академии наук. В 1900 году Жуковский был выдвинут в действительные члены Академии. По условиям того времени выборы в действительные члены Академии требовали переезда в Петербург. Не желая покидать Москву, где Жуковский был научным руководителем и признанным главой большой школы механиков, Николай Егорович снял свою кандидатуру.

К 1900 году Жуковский опубликовал в различных изданиях 86 научных работ о самых разнообразных вопросах теоретической и прикладной механики. Эти работы получили всеобщее признание в научных кругах и создали ему уважение и авторитет у многочисленных учеников.

Студенчество Н.Е.Жуковского

Московский университет — старейший источник науки и просвещения в нашей стране. Он был основан в 1755 году. Самое близкое участие в организации университета принимал гениальный русский ученый, поэт, философ и инженер Михаил Васильевич Ломоносов. Подготовленное Ломоносовым «письмо об учреждении Московского университета» легло в основу проекта об организации университета. Разработанный Ломоносовым план учебной деятельности университета был принят правительством почти без всяких изменений.

Открытие Московского университета состоялось 7 мая 1755 года в доме бывшей аптеки у так называемых Воскресенских ворот (теперь на этом месте находится Государственный Исторический музей). По совету Ломоносова при университете были организованы три факультета: юридический с тремя профессорами, медицинский с тремя профессорами и философский, на котором были четыре профессора. По уставу университета философский факультет включал весь цикл физико-математических наук.

Николай Егорович Жуковский в студенческие годы

Николай Егорович Жуковский в студенческие годы

В университетском уставе, утвержденном 23 января 1755 года (День 23 января, когда был подписан акт об утверждении Московского университета, обычно считают днем основания университета, хотя официальное открытие его состоялось 7 мая 1755 года) законодательным актом, мы можем прочесть, что один из четырех профессоров философского факультета должен обучать «физике экспериментальной и теоретической». В более поздних документах (1765) задачи философского факультета представляются таким образом: «В оном обучают философским и словесным наукам, математике и другим знаниям, которые не только разум человеческий очистить и просветить, но и в ежедневных потребностях наиочевиднейшее действие и в государстве много добра произвести могут. Здесь должно показывать основания камерных, коммерческих, полицейских, горных и мануфактурных дел и студентов технически и практически руководствовать, каким образом они, отчасти по примеру других народов, отчасти же по внутреннему состоянию их отечества, силы государства сохранять, умножать и ими пользоваться, а через искусное упражнение в камерных, коммерческих, полицейских, горных, мануфактурных делах богатство по всем состояниям государства распространять должны».

Преподавание механики в Московском университете сначала вел немец Рост И, А. (с 1757 по 1791 год). Это был весьма посредственный ученый, но незаурядный коммерсант. Он вел преподавание все 34 года по элементарному учебнику Вейдлера, изданному на латинском языке, ничего к нему не добавляя. После Роста преподавание механики на более высоком научном уровне с привлечением основ дифференциального и интегрального исчислений вели русские ученые М. И. Панкевич (с 1791 по 1812 год), Ф. И, Чумаков (с 1813 по 1832 год), Д. И. Перевощиков (с 1832 по 1834 год) и Н. Д. Брашман (с 1834 по 1864 год).

История Московского университета отражает в себе историю нашего отечества. Прогресс народного хозяйства в XIX веке и рост национального самосознания русского народа после Отечественной войны 1812 года в очень сильной степени содействовали развитию всех факультетов университета. В известном произведении «Былое и думы» Герцен писал:

«Московский университет вырос в своем значении вместе с Москвою после 1812 года; разжалованная императором Петром из царских столиц, Москва была произведена императором Наполеоном (сколько волею, а вдвое того неволею) в столицы народа русского. Народ догадался по боли, которую чувствовал при вести о ее занятии неприятелем, о своей кровной связи с Москвой. С тех пор началась для нее новая эпоха. В ней университет больше и больше становился средоточием русского образования. Все условия для его развития были соединены — историческое значение, географическое положение и отсутствие царя.
Сильно возбужденная деятельность ума в Петербурге после Павла мрачно замкнулась 14 декабрем. Явился Николай с пятью виселицами, с каторжной работой, белым ремнем и голубым Бенкендорфом.
Все пошло назад, кровь бросилась к сердцу, деятельность, скрытая снаружи, закипала, таясь изнутри. Московский университет устоял и начал первый вырезываться из-за всеобщего тумана. Государь его возненавидел с Полежаевской истории. Он... велел студентов одеть в мундирные сюртуки, велел им носить шпагу, потом запретил носить шпагу; отдал Полежаева в солдаты за стихи... посадил князя С. М. Голицина попечителем и не занимался больше «этим рассадником разврата» ...Но, несмотря на это, опальный университет рос влиянием: в него, как в общий резервуар, вливались юные силы России».

В XIX веке, после того как руководство преподаванием механики возглавил Д. И. Перевощиков, высокий уровень развития физико-математического факультета стал особенно заметным. Появились первые учебники по механике, написанные профессорами Московского университета.

В 1864 году по инициативе Н. Д. Брашмана при университете был создан кружок любителей математических наук; позднее из этого кружка выросло Московское математическое общество. В числе его первых членов были учителя Жуковского — механики Ф. Л. Слудский и А. Ю. Давыдов, а также математик-геометр В. Я. Цингер.

Характеризуя московскую механическую школу в своей речи, произнесенной на юбилее в 1911 году, Н, Е. Жуковский говорил: «Я хочу воскресить перед вами образы моих незабвенных учителей и поговорить с вами об ученых трудах моих дорогих товарищей и учеников. Я поступил в Московский университет в 1864 году. Этот год совпал с годом оставления профессорской службы Николаем Дмитриевичем Брашманом. Мне не пришлось его слушать, но от моего покойного товарища Ф. Е. Орлова я очень много слышал о Брашмане. Николай Дмитриевич Брашман был человеком большой эрудиции, с живым интересом следившим за развитием математики. К своим ученикам, особенно даровитым, он относился с чрезвычайным вниманием».

Во время пребывания Жуковского в университете лекции по теоретической механике вели параллельно Ф. А. Слудский и В. Я. Цингер. Н. Е. Жуковский слушал главным образом лекции Слудского. Изложение Слудского было сжато, ясно, последовательно. Единым аналитическим методом он охватывал всю теоретическую механику. Жуковский писал: «...Ф, А. Слудский выработал стройный курс аналитической механики, который в 1881 году был им напечатан под названием «Курс теоретической механики». В сжатой и ясной форме излагались в этом курсе основные идеи аналитической механики Лагранжа. Правда, слушание этого курса казалось нам сначала трудным, но впоследствии мы оценили в нем единство метода и стройность и дружными аплодисментами благодарили своего профессора на нашей последней лекции четвертого курса... Он не любил выставлять на вид свои заслуги, не любил говорить о пользе, которую он приносил окружающим его людям. Но ученики Ф. А. Слудского высоко ценят эту пользу и надолго сохранят в своем сердце глубокую благодарность незабвенному учителю».

Жуковскому приходилось в университете слушать лекции математика-геометра В. Я. Цингера. В лекциях этого ученого на первый план выступали геометрические элементы. Трудные аналитические теоремы Цингер доказывал геометрическим методом чрезвычайно наглядно и ясно, вскрывая все основные качественные стороны изучаемых движений.

Пребывание Н. Е. Жуковского в университете совпало со временем защиты диссертаций на степень доктора математических наук Давыдовым, Слудским и Цингером. Все эти работы были посвящены быстро развивающейся в то время науке гидромеханике. Особенно большое впечатление на Жуковского произвела защита докторской диссертации Цингера: «На меня особое впечатление произвела последняя работа. Стремление ученого дать детальный образ рассматриваемого движения, указать, как видоизменяется каждая частица движущейся жидкости, мне очень понравилось, и, может быть, эта работа натолкнула меня на мое первое сочинение «Кинематика жидкого тела». Я с благодарностью вспоминаю теперь двух моих учителей — Ф. А. Слудского и В. Я. Цингера, из которых один разъяснил нам широкое значение общих аналитических методов, а другой указал силу геометрических толкований рассматриваемых явлений».

В 1863 году был введен новый университетский устав, регламентировавший все основные стороны университетской жизни. Этот устав был более демократичным и прогрессивным по сравнению с предыдущими уставами университетов, и его введение отражало, с одной стороны, развитие освободительного движения после крестьянской реформы и, с другой стороны, требования растущей промышленности России.

«Если, — писал Ленин, — бросить общий взгляд на изменение всего уклада российского государства в 1861 году, то необходимо признать, что это изменение было шагом по пути превращения феодальной монархии в буржуазную монархию. Это верно не только с экономической, но и с политической точки зрения». Реформы этого периода в области суда, местного самоуправления и т. п., так же как и реформа университетской жизни, при всей их половинчатости и незавершенности способствовали развитию капитализма в России.

Устав 1863 года давал некоторые права коллегии профессоров. Центральным органом университета становился совет университета, состоящий из заслуженных, ординарных и экстраординарных профессоров. Совет распределял научные дисциплины по факультетам, определял порядок их преподавания, присуждал ученые степени, выдавал награды и объявлял конкурсы для замещения вакантных кафедр.

Реформа университетского устава в 1863 году способствовала развитию научной мысли в России. Были созданы возможности для проникновения в университет передовых естественнонаучных теорий. Среди русской интеллигенции все большим вниманием пользуются материалистические веяния. Растет интерес к точным, физико-математическим наукам. Значительно расширяется круг реальных задач, которые должны решать ученые-механики.

Ближайшими товарищами Н. Е. Жуковского в годы пребывания студентом Московского университета были М. А. Щукин, В. В. Преображенский и Н. Н. Шиллер, впоследствии известные профессора нашей страны.

Н. Е. Жуковский в студенческие годы обладал ограниченными материальными средствами и для обеспечения жизни в столице занимался вместе со своим товарищем М. А. Щукиным изданием лекций своих профессоров. Однако учебные успехи Жуковского не были выдающимися. В архивах Московского университета сохранился один документ — письмо ректора от 9 ноября 1867 года. В этом письме по формальным соображениям Жуковскому, тогда студенту четвертого курса, было отказано в назначении стипендии им. Ломоносова.

Гораздо выше Жуковского по успехам стояли его товарищи Преображенский и Шиллер. После окончания университета и Преображенский, и Шиллер были оставлены при университете для подготовки к профессорскому званию. Жуковский после окончания университета начал думать о реализации своей юношеской мечты — поступлении в Институт инженеров путей сообщения в Петербурге.

Таким образом, в годы студенчества Н. Е. Жуковский не проявил своих выдающихся способностей в области механики. Его университетские учителя не увидели в нем будущую гордость русской науки. Есть все основания утверждать, что Жуковский в те годы стремился к техническому инженерному образованию. Его мечтой по-прежнему был Петербургский институт путей сообщения. Господствовавшая аналитическая школа и в преподавании, и в научной работе физико-математического факультета университета не затрагивала глубоко самых сокровенных струн творческого дарования Жуковского. Аналитическая школа давала, конечно, определенную математическую культуру и дисциплину ума, но, несомненно, несла в себе значительную долю схоластики и формализма. Все это было далеко от образного, конкретного, реального мышления Жуковского. Геометрическая наглядность, стремление к эксперименту, непосредственное наблюдение реально протекающих процессов, стремление овеществить, моделировать теоретические рассуждения — вот что характерно для творческого мышления Н. Е. Жуковского. Университетская механика стиля аналитической школы Лагранжа — Остроградского не могла удовлетворить запросов Николая Егоровича.

Годы с 1864 по 1870 были для Жуковского, несомненно, годами исканий. Сомнения в выборе будущей профессии, колебания между научной деятельностью и деятельностью инженера, попытки самостоятельного инженерно-технического творчества, стремление изобретать различные машины как нельзя лучше характеризуют эти искания.

После окончания университета осенью 1868 года Жуковский решил осуществить мечту своей юности и поступает в Петербургский институт инженеров путей сообщения. Как видно из сохранившихся писем этого периода, большую роль в принятии такого решения сыграл студенческий товарищ Николая Егоровича—М. А. Щукин.

Петербургский институт инженеров путей сообщения был в XIX столетни одним из лучших высших технических учебных заведений нашей страны. Самым выдающимся профессором этого института был в то время профессор О. И. Сомов, занимавший кафедру теоретической механики. Другие профессора не являлись крупными учеными и ценились главным образом за свои практические знания.

Преподавание в Институте инженеров путей сообщения радикально отличалось от преподавания в Московском университете. Следуя учебным планам Парижской политехнической школы, на первых двух курсах главное внимание уделяли начертательной геометрии, черчению и геодезии.

Приехал Н. Е. Жуковский в Петербург с радужными надеждами. Сохранилось одно его письмо к родным от 13 октября 1868 года, где он писал: «Вот уже третий день, как я переселился в нашу северную столицу, и все медлил вам писать, потому что ожидал своего окончательного определения в студенты института. Вчера сообщили мне, что я буду принят и утвержден на первой конференции, но тем не менее могу посещать лекции с понедельника. Лекции эти не очень важны: вся суть в одном черчении; на него-то я и намерен исключительно приналечь. Нельзя быть хорошим инженером, не умея чертить. «Щука» (так Николай Егорович называл своего товарища по университету М. А. Щукина) мне много помогал в эти три дня. Пользуясь его советами, я уже могу кое-как владеть инструментами. В понедельник я подал инспектору одну эпюру. Не знаю, как она удастся. Директор института Соболевский наговорил целую тьму о той блистательной участи, которая ожидает хорошего инженера. Вот все, что я могу вам рассказать о делах в институте».

Поскольку можно судить по письмам и более поздним рассказам Николая Егоровича, преподавание в Институте путей сообщения велось все же достаточно шаблонно. Строгая аналитическая школа, пройденная в Московском университете, побуждала критически воспринимать постановку преподавания в Путейском институте.

Николай Егорович не был освобожден от сдачи тех научных дисциплин, которые он изучал в университете. Ему пришлось заниматься одновременно по большому числу предметов. Все это мешало сосредоточиться на основных и новых для Жуковского предметах — черчении и геодезии. Успехи по этим предметам были весьма слабые. Жуковский не мог сдать экзамена по геодезии и очень сильно отстал по черчению. Кроме того, петербургский климат оказался неподходящим для здоровья Николая Егоровича, в осеннем семестре он часто и продолжительно болел.

После отклонения преподавателями института ряда его чертежей Н. Е. Жуковский решил распрощаться с Петербургом и весной 1869 года уехал в Орехово, где на летние каникулы, по обыкновению, собралась вся семья Жуковских. До осени 1870 года Жуковский частью жил в Москве, частью у родителей в Орехове.

Нужно было решать, как же быть дальше. Чрезвычайно характерно для настроений Жуковского в то время одно из его писем Щукину, написанное осенью 1869 года:
«До сих пор я не стал на определённую почву относительно своего будущего. Занимаюсь математикой и читаю институтские лекции. Полагаю, что ты составил плохое мнение о моем характере. Сообщаю тебе об одном своем открытии: я совершенно сочинил нивелировочную машину на началах прочных и несхожих с теми, которые тебе известны. Важность и удобство этой машины так велики в моих глазах, что, несмотря на всю скудность финансов, я решился ее сделать на собственный счет. В следующем письме подробно опишу тебе ее устройство и приложу рисунки. Теперь скажу только, что она может быть привинчена к экипажу и будет показывать на каком угодно расстоянии высоту местности с точностью 1/1000. Эта проклятая машина совершенно вскружила мне голову. Я отбился даже от математики, только и думаю о ней».

В письме от 12 января 1870 года Жуковский писал Щукину в Петербург: «Я писал тебе, что все это время занимался праздными выдумками. Они состояли главным образом в изобретении графической геодезической мащины. Осенью у меня уже был готов проект машины, наносящей вертикальный профиль местности. Но машина эта была очень длинна и должна была стоить порядочную сумму. Поэтому я отложил исполнение ее в сторону и занялся усовершенствованиями. Теперь я узнал, что осенью же уже была изобретена подобная машина и пущена в ход. Какой-то франт подал ее военному министру и выхлопотал себе привилегию (в военном деле такая машина еще нужнее, чем в инженерном). Теперь машина уже в продаже. Она стоит около 1000 рублей экз. и длиною в три сажени. Исполнительный механизм в ней такой же, какой был выдуман мною сначала. Несмотря на подобный конкурс, я не унываю. Я теперь уже вполне приготовил проект универсальной геодезической машины».

В этот же период времени Н. Е. Жуковский усердно занимался математикой и практической механикой. Занятия шли вполне успешно. Теоретическая механика и ее приложения к техническим вопросам все более и более привлекали Жуковского. Он проработал почти все крупные и обстоятельные сочинения по механике. Сопоставления учебников по прикладной механике с теми знаниями, которые были получены в Московском университете, изучение проблем, выдвигаемых развивающейся техникой, собственный опыт творческой исследовательской работы над изобретениями позволили Николаю Егоровичу откристаллизовать свое призвание. Он решил избрать профессию научного работника по механике и сдавать магистерские экзамены в Московском университете.

Живя в Москве, Жуковский поддерживался только частными уроками, от которых, как он писал Щукину, получал 50 рублей в месяц. Магистерские экзамены он собирался сдавать по прикладной математике. В письме от 26 января 1870 года к Щукину Жуковский писал: «Не знаю, получил ли ты письмо, которое я написал тебе две недели тому назад. В нем я описал тебе свое намерение держать в начале будущего академического года экзамены на магистра прикладной математики. Этим своим решением я вполне доволен, хотя ты, может быть, найдешь его не очень-то практичным. Механиком-теоретиком я сделаюсь хорошим, тогда как практиком едва ли мог быть».

Таким образом, неудачи, сопутствовавшие изобретательской работе Жуковского над всевозможными машинами, его самостоятельные успешные занятия по физико-математическим дисциплинам позволили окончательно определить направление будущей деятельности Жуковского.

Очень хорошо передает настроения Н. Е. Жуковского его письмо от 16 апреля 1870 года:
«...Я еду завтра поутру в деревню; погода стоит у нас такая прекрасная, что никак не утерпеть не подышать деревенским весенним воздухом. На Фоминой неделе я возвращусь опять в Москву и побуду в ней до первых чисел мая, чтобы покончить некоторые свои уроки, а там и совсем переберусь в деревню; буду себе заниматься на спокое. Я запасся многими книгами, купил даже себе Редтенбахера, за которого дал 20 рублей. Удивительно прекрасная и полная механика, не Вейсбаху чета. Теперь я дал себе слово серьезно заниматься и отложил на время выполнение всевозможных выдумок, на которые истрачивал немало времени. Прежде всего нужно знание и знание; я убедился, что всевозможные мои машины (а их накопилась порядочная куча), и нивелировочная, и филейная, и чулочная, имеют пока только схематическое существование, и для приведения их в исполнение нужно иметь более практического знания, нежели имею я; машины-то выйдут, да выйдут совсем горевые, тогда как по мысли, бог знает, куда лезут...»

В те годы все научные работники по разделу прикладной математики обычно начинали свою преподавательскую деятельность с уроков в средней школе (гимназии). Николай Егорович пошел по тому же пути. С 15 августа 1870 года он занял место преподавателя физики во 2-й московской женской гимназии вместо уехавшего в Одессу профессора физики Н. А. Умова.

Магистерские экзамены Жуковский сдавал на физико-математическом факультете Московского университета в весеннем полугодии 1871 года. Всех экзаменов было три: прикладная механика, теоретическая механика и чистая математика. Экзамены были сданы успешно, и Жуковский сделался так называемым магистрантом по прикладной математике. Звание магистранта позволяло получить место преподавателя в высшем учебном заведении.

18 ноября 1871 года педагогическим советом Московского высшего технического училища Н. Е. Жуковский был избран преподавателем математики, а начиная с 1872 года Жуковский получил уроки механики в Московской практической академии коммерческих наук. В 1874 году в Московском высшем техническом училище освободилась кафедра аналитической механики, и с 14 сентября 1874 года Жуковский утверждается доцентом по кафедре аналитической механики. Началась плодотворная и целеустремленная научно-педагогическая деятельность Жуковского.

Гимназические годы

Николай Егорович Жуковский родился 17 января 1847 года в деревне Орехово Владимирской губернии.

Отец Николая Егоровича работал в то время инженером на строительстве Московско-Нижегородской шоссейной дороги. Он был талантливым инженером, воспитанником Петербургского института путей сообщения. Знание дела, добродушие и честность создали ему авторитет среди строительных рабочих, но мало способствовали его служебной карьере. А после того как инженер Жуковский отказался признать годными совершенно недоброкачественные строительные материалы, начальство предложило ему подать в отставку. Государственная служба Егора Ивановича (так звали отца Николая Егоровича) на этом закончилась, и почти всю свою дальнейшую жизнь до 1881 года он работал управляющим имениями богатых помещиков Зубовых и Оболенских, недалеко от деревни Орехово.

Детские годы, проведенные Николаем Егоровичем в Орехове, зародили у него сыновнюю привязанность к этой небольшой деревушке среднерусской равнины. Всю жизнь Николай Егорович с величайшим удовольствием проводил свой летний отпуск в Орехове, купался в Ореховском пруду и целыми днями бродил с ружьем по глухим окрестным лесам. Первые опыты по определению подъемной силы были проведены Жуковским в начале XX века за околицей деревни Орехово. Многие научные работы получили первоначальное оформление в ореховском домике большой и дружной семьи Жуковских.

В 1854 году для подготовки в гимназию Николая Егоровича и его старшего брата Ивана был приглашен домашний учитель, студент Московского университета А. X. Репман. Он обладал незаурядными способностями, хорошим знанием иностранных языков и страстной любовью к естественным наукам. Репман возбудил в своих учениках интерес к занятиям, несложным опытам по физике и химии; он всячески поощрял стремление воспитанников к изучению явлений природы.

Дети вместе со своим учителем собирали гербарии, часто ходили на охоту, много читали русских и иностранных классиков. Особой любовью пользовался Диккенс и его бессмертные «Записки Пиквикского клуба», а позднее «Воздушный корабль» Жюля Верна. Когда Николай Егорович стал всемирно известным ученым, в его научной библиотеке на почетном месте всегда стояла книга «Воздушный корабль» Жюля Верна.

К осени 1857 года домашняя подготовка в гимназию была закончена и Жуковские (братья — Иван и Николай) поехали с матерью Анной Николаевной в Москву держать вступительные экзамены.

В феврале 1858 года Н. Е. Жуковский поступил в четвертую московскую гимназию, где, начиная с III класса, он выделился как лучший ученик по алгебре, геометрии и естественным наукам. Очень трудно давались Николаю Егоровичу иностранные языки, особенно латынь и немецкий.

В то время при московских гимназиях, которых было всего четыре, имелись пансионы для гимназистов. Все гимназисты, жившие в пансионе, делились на «благородных» и разночинцев. Благородные платили в год 700 рублей, а разночинцы — по 450 рублей. Родители Николая Егоровича не могли внести повышенную плату за обучение, и он попал в группу разночинцев. Распорядок дня и занятий были общими для всех гимназий. По звонку в 5 часов утра ученики вскакивали и бежали чистить сапоги, платье и пуговицы. Одежда воспитанников состояла из серых нанковых брюк и черных курточек с медными пуговицами и стоячими воротниками. Одевшись, дети становились во фронт и проходили перед надзирателем, который всех осматривал. Неисправных наказывали — оставляли без хлеба и чая.

В шесть часов всех вели на молитву, которую хором пели воспитанники. Затем шли в классы и самостоятельно повторяли уроки. В половине девятого вносили большую корзину с черным хлебом, нарезанным кусками. Проголодавшиеся могли немного покушать. С девяти часов начинались занятия в классах с  преподавателями.

В два часа пополудни гимназисты обедали. Обед состоял из супа с мясом и гречневой каши. В праздники давали еще молочное блюдо. Лишение этого блюда являлось наказанием за шалости во время обеда. «Благородным» гимназистам подавался особый обед, и спали они отдельно.

В пять часов вечера начинались вечерние занятия по подготовке уроков, которые продолжались до 7 часов вечера. Затем в восемь часов воспитанники получали по кружке молока с хлебом и расходились по спальням, где поступали под надзор дядек.

Каждые две недели воспитанников водили в баню. Выходили в 4 часа утра. Из бани зимой шли по колено в снегу. Снег в то время не вывозили и даже на главных улицах Москвы имелись лишь узкие проходы между сугробами, в которых извозчики при встрече с трудом могли разъехаться.

Воспитывались дети сурово. Летом и зимой ходили без галош, в холодных без подкладки шинелях и летних фуражках.

Наибольшее количество учебных часов отводилось изучению латинского языка. Уроки латинского языка были каждый день. Окончание курса гимназии давало право на поступление в университет без экзамена. За шалости и неуспехи в науках строго наказывали. Розги покупались возами. Провинившихся секли по средам и субботам. О переживаниях воспитанников мало кто заботился. Формализм и муштра процветали во всех пансионах.

Трудно было юному Жуковскому привыкать к этой суровой обстановке. Как «разночинец», он не имел никаких поблажек от начальства гимназии и пансиона.

В последних классах гимназии Н. Е. Жуковский все более и более увлекался математическими науками. Учителя гимназии советовали ему после окончания гимназии поступить на физико-математический факультет Московского университета. Однако мечтой семьи и самого Николая Егоровича было инженерное образование в Петербургском институте инженеров путей сообщения, в котором с 1829 по 1832 год учился его отец.

Институт инженеров путей сообщения был одной из лучших высших технических школ дореволюционной России, но плата за обучение в нем была гораздо выше. В связи с ухудшением материальной обеспеченности семьи Жуковских Николая Егоровича за год до окончания гимназии известили письмом, что ему лучше подумать о поступлении в университет. Сохранившийся ответ Николая Егоровича очень хорошо передает его настроение и отношение к дореволюционному университетскому образованию. Вот это письмо:
«Милая мамаша, ужасно опечалило меня последнее письмо Ваше, в котором Вы пишете, что не будете в силах отдать меня в Петербург в инженерный корпус, потому что идти в университет, да еще на математический факультет, я не вижу никакой дороги. А время уже подумать, и серьезно, о самом себе, я уже не ребенок. Оканчивая университет, нет другой цели, как сделаться великим человеком, а это так трудно: кандидатов на имя великого так много...

Я сдружился здесь в гимназии с одним воспитанником. Он в пятом классе, но знает даже больше седьмого. С ним я пристрастился теперь к математике, и поэтому исключительно ею теперь занимаюсь. Если Вы хотите обрадовать нас и наградить за успехи, то возьмите нас с собой в деревню на праздники. Присылайте скорее за нами. Прощайте, будьте здоровы. Ваш сын Н. Жуковский».

Интересно отметить в этом письме явное противоречие между глубоким влечением Николая Егоровича к физико-математическим наукам и теми сомнениями, которые высказывает он по адресу математического факультета университета.

Математические способности Жуковского выявлялись в гимназии все более ярко, и в старших классах он был одним из лучших учеников по математике. Он сильно любил геометрию и занимался ею самостоятельно в силу внутренних побуждений. Ему нравились опыты по физике, и он с удовольствием мастерил разнообразные модели и приборы. В нем вырастал и начинал проявляться ум проницательного естествоиспытателя, владеющего точным математическим анализом и изучающего природу в ее подлинных проявлениях.

По-видимому, в те годы представления об университетской науке связывались у Жуковского с полным отрывом от практической деятельности. Образному, наглядному, конкретному мышлению Николая Егоровича мало импонировало чисто теоретическое творчество, и поэтому он с величайшим вниманием и сочувствием слушал рассказы своего друга Щукина о деятельности инженера. Щукина и Жуковского соединяло общее влечение к технике, к предметному инженерному творчеству.

Весной 1864 года Николай Егорович успешно держал выпускные экзамены в гимназии и был удостоен по окончании серебряной медали. В полученном аттестате за № 225 говорится: «Предъявитель сего, ученик Московской четвертой гимназии Николай Жуковский поступил в гимназию в феврале 1858 года по экзамену в первый класс, В 1864 году подвергся он окончательным испытаниям в Совете Московской четвертой гимназии. Успехи его в науках следующие: по закону божьему, русскому языку, математике, физике, естественным наукам — отличные, по языкам: латинскому, немецкому и французскому — хорошие. Во все время пребывания его в гимназии поведение его было отличное.

Вследствие сего Педагогический совет гимназии постановил: 1) Выдать ему аттестат об окончании курса с представлением прав и преимуществ, в законе установленных для окончивших курс в среднем учебном заведении, и права поступить в студенты Университета;
2) на основании § 18 правил для испытания поместить в аттестат его ручательство Совета о способности его к слушанию университетских лекций;
3) на основании циркулярного предписания г. Попечителя Московского Учебного округа от 20 мая 1861 г. за № 1301 наградить его серебряной медалью.
В удостоверение всего сказанного, с разрешения Попечителя Московского Учебного округа дать ему сей аттестат.
Москва, июля 30-го дня 1864 г.».

После успешного окончания гимназии Н. Е. Жуковскому не удалось поступить в Петербургский институт инженеров путей сообщения. Материальное положение семьи становилось все более трудным. С осеннего семестра 1864 года семнадцатилетний Жуковский начал слушать лекции на математическом отделении физико-математического факультета Московского университета,

Николай Егорович Жуковский

Профессор Московского университета и Московского высшего технического училища Николай Егорович Жуковский был великим русским ученым, основоположником теоретической, технической и экспериментальной аэромеханики, «отцом русской авиации». Его выдающиеся научные открытия, приемы и методы исследовательской работы в различных отделах теоретической и прикладной механики, созданные им плодотворные научные направления и новые пути научных изысканий оставили неизгладимый след на последующем развитии механики и аэромеханики в России и вошли надежным фундаментом дальнейшего научно-технического прогресса в мировую сокровищницу науки.

Главное, что отличает научные исследования Жуковского от других исследований выдающихся русских ученых-механиков, — это глубокое осознание задач технического прогресса страны, широта научного кругозора и полное понимание передовых устремлений своего времени. «Решение определенных реальных задач механики» — вот руководящий девиз научной школы Жуковского.

Жуковский произвел подлинную революцию в преподавании теоретической механики в высшей школе нашей страны. Созданные им учебники по механике являются золотым фондом русской научно-учебной литературы.

Николай Егорович Жуковский (1847—1921)

Николай Егорович Жуковский (1847—1921)

Научная деятельность Н. Е. Жуковского знаменует новую эпоху развития теоретической механики в нашей стране. До работ Н. Е. Жуковского в русских университетах теоретическая механика даже не рассматривалась самостоятельной научной дисциплиной и развивалась как прикладная математика. Самостоятельных кафедр механики не было. Преподавание и научную работу по всему циклу механических дисциплин вели кафедры прикладной математики. В те годы творческие искания подавляющего большинства научных работников по механике устремлялись главным образом в область преодоления вычислительных трудностей. Созданию методов вычислений и совершенствованию математического аппарата, позволяющего получать число, ученые уделяли главное внимание. Арифметика была объявлена царицей наук. Чисто математическим исследованиям и обобщениям уравнений движения, отысканию решений сложных и достаточно общих уравнений посвящены лучшие научные работы этого периода развития русской науки.

Ученые этой научной школы основное внимание уделяли строго математическим приемам решения задач. На первый план в научном исследовании выдвигались: возможно более общая и широкая постановка задачи, стремление учесть даже второстепенные факторы, точность и логичность развиваемых методов. Образно можно сказать, что ученые-механики аналитической школы создавали серию мощных инструментов, но мало заботились о тех исходных материалах, которые подвергались обработке созданными инструментами. Как правило, новые инструменты проверялись на старых, хорошо известных материалах, а потому создаваемые вещи больше поражали красотой и изяществом исполнения, но не оригинальностью и новизной. Практические приложения создаваемых теории оставались нераскрытыми.

Научная школа механиков-аналитиков конца XVIII и начала XIX века значительно продвинула вперед развитие точных методов исследования тех задач механики, которые в сущности были поставлены основополагающими работами Ньютона и Лагранжа.

Как неоднократно писал и говорил Жуковский, «...в своем дальнейшем развитии в XIX веке динамика пошла главным образом по направлению, указанному Лагранжем. Появляется школа аналитиков, которая ставит себе задачей исследование общих уравнений движения с целью отыскания методов их интегрирования и установления новых принципов динамики» ( Н. Е. Жуковский, Полн. собр. соч., т. II, 1935, стр. 150).

Школа механиков-аналитиков имела в России выдающихся талантливых представителей. Здесь прежде всего необходимо назвать профессора и академика Михаила Васильевича Остроградского (1801 —1861), основоположника аналитической механики в нашей стране. Ему принадлежат первоклассные результаты по методам интегрирования уравнений аналитической механики и разработке обобщенных принципов статики и динамики. Учениками и последователями Остроградского были профессора Московского университета Н.Д. Брашман, Ф.А. Слудский и А. Ю. Давыдов. От них Жуковский получил в Московском университете хорошую аналитическую выучку; однако он превосходно видел ограниченность и малую практическую действенность исследований этой научной школы.

Математические методы для ученого-механика представляют техническую сторону мастерства. Это как бы правила стихосложения для поэта. Всякому ясно, что истинная поэзия не только область для приложения логичных и непреложных законов стихосложения. Биение горячего человеческого сердца и высокую благородную мысль несет в себе истинная поэзия. Так и в механике. Бывает, и нередко, что «научный» труд по механике — это собрание более или менее-трудных упражнений в различных отделах математики. Красивый набор формул, отточенная формальная логика суждений, но очень мало истинного познания законов движения.

Изучение реальных законов простейшей формы движения материи и стремление использовать эти законы для сознательной перестройки жизни людей — вот что характерно для подлинной науки механики.

Научная школа механиков-аналитиков в XIX веке развивала идейное богатство теоретической механики, выросшее на материале человеческой культуры XVII и XVIII веков. Проблемы, решаемые учеными этой школы, естественно, вытекали из развития самой науки; реальным основанием большинства логических обобщений и умозаключений являлись главным образом наука и техника эпохи Возрождения.

Но XIX век ознаменовался в России необычайно быстрым развитием техники, как гражданской, так и военной. Это была техника нарождающегося промышленного капитализма. Характерной особенностью народного хозяйства России в первые десятилетия XIX века было разложение крепостного уклада жизни в деревне под влиянием развития капиталистических отношений. Хорошо известно, что начало XIX века было временем практического осуществления таких технических изобретений, как паровоз и пароход. Усовершенствование и применение паровых машин привело к зарождению механизации промышленности.

Перед механикой стали ставиться реальные задачи новой техники. Эти неотложные задачи ясно показывали ограниченность методов классической аналитической механики.

После 1861 года в России наступил «пореформенный, капиталистический период русской истории» (В. И. Ленин, Соч., т. II, стр. 419), это было время бурного развития и торжества капитализма в России. В. И. Ленин в одной из своих работ писал, что «после 61-го года развитие капитализма в России пошло с такой быстротой, что в несколько десятилетий совершились превращения, занявшие в некоторых старых странах Европы целые века». Этот период в истории науки и культуры отмечен выдающимися произведениями русского гения. Развитие новых способов сообщения, рост техники и мастерства, новые оригинальные изобретения, специальные меры русского правительства для развития фабрик и заводов, естественно, приводили к расширению тематики исследований русских ученых.

Второе научное направление в области теоретической механики появилось вместе с техническими изобретениями и усовершенствованиями капиталистического периода развития нашей страны. Это направление рождено промышленностью России. Своеобразие технического прогресса нашей страны, бурные темпы развития отдельных областей индустрии наложили печать оригинальности и самобытности на большинство научных изысканий ученых этой школы. Второе направление и есть собственно механика, как научная основа техники развивающейся промышленности. Это направление — дитя промышленного капитализма в России. Специфичность запросов техники привела к развитию приближенных методов решения, ибо получение точных результатов в стиле научной школы механиков-аналитиков требовало весьма длительного хода вычислений и часто практически не могло быть выполнено в нужный срок. Реальное осуществление технического проекта заканчивалось раньше, чем подробное решение какого-либо частного вопроса, выполненное в духе аналитической механики Лагранжа.

К научным изысканиям стало предъявляться требование доступности понимания широкому кругу инженеров-практиков. Все это вызвало внедрение наглядных геометрических методов решения задач и развитие экспериментальных методов. Ученые-механики начинают отчетливо понимать значение своих изысканий для технического прогресса страны. Они уже не только просветители, но и преобразователи. Главное внимание ученых этой школы сосредоточивается на расширении области научных исследований, выявлении главных факторов в новых задачах, на простоте, наглядности решений и рекомендациях тех практических выводов, которые можно извлечь из получаемых теоретических результатов.

Аэродинамика как теоретическая основа авиации развивалась на объединении классического наследства гидродинамики несжимаемой идеальной жидкости и тщательного экспериментального изучения явлений движения тел различной формы в воздухе.

Изучение движения тел в воздухе и измерение сил воздействия воздуха ясно показывали, что теоретические выводы гидродинамики идеальной жидкости не могут служить надежной научной основой для построения аэропланов. В подавляющем большинстве случаев выводы классической гидродинамики плохо согласовывались с экспериментом. Так, например, подъемная сила, подсчитанная для плоской пластинки по формулам так называемой струйной теории сопротивления, оказалась в четыре раза меньше ее экспериментального значения. Сила лобового сопротивления, найденная из формул, была в два раза меньше ее реального значения. Некоторые ученые использовали эти весьма ограниченные теоретические формулы для доказательства, что человек никогда не сможет летать на аппаратах тяжелее воздуха — аэропланах.

Главное в научно-исследовательских работах Жуковского состояло в том, что он расширил возможности классических научных теорий, привлекая для корректировки исходных уравнений непосредственные указания экспериментов. Открытые им новые законы явились основанием более прогрессивной и могущественной науки.

Новая техника развивающегося русского капитализма обусловила рождение оригинальных научных направлений. Главой нового реалистического направления научных исследований по механике в нашей стране явился И. Е. Жуковский. Глубокий знаток классического наследства в области теоретической механики, любознательный наблюдатель и естествоиспытатель, инженер высшего ранга, создатель новой науки — аэродинамики и аэродинамической школы мирового значения, обаятельный, мудрый, простой человек, прославивший на много столетий Россию и русское имя, — таким знает Жуковского наша страна, создавшая при новом общественном строе первоклассную авиационную промышленность.