Циолковский. Жизнь и технические идеи

Перельман Яков Исидорович

Еще пример, на этот раз из области авиации. Если стойки аэроплана имеют круглое сечение 4 сантиметра в диаметре и 2 метра в высоту, то при скорости аэроплана 250 километров в час каждая стойка испытывает со стороны воздуха сопротивление в 30 килограммов. Достаточно, однако, придать сечению стоек форму яйцевидную с заострением на узком конце, чтобы сопротивление упало до 1 1/2 кг, т. е. уменьшилось в 20 раз! Это значительно понижает необходимую для полета мощность. При тех скоростях, которыми обладают современные самолеты, употребление стоек круглого сечения было бы даже совершенно немыслимо. На новейших самолетах можно видеть поэтому только овальные стойки или же стойки круглого сечения (те и другие — полые), защищенные овальными «обтекателями».

Остановимся немного на том, какое собственно значение имеет «обтекаемая» форма. Многим непонятно, как может форма задней части движущегося тела влиять на величину воздушного

сопротивления; казалось бы, здесь должна играть роль только передняя носовая часть тела, разрезающая воздух. Между тем именно задняя часть тела имеет при этом первенствующее значение (если только скорость не превышает известного предела — скорости звука в воздухе). Все дело в том, что струйки воздуха, обегающие поверхность тела, не должны, миновав наибольшую его ширину, отделяться от этой поверхности. В противном случае между телом и воздушным потоком остается область, которая заполняется вихрями. В завихренном пространстве давление воздуха обычно ниже, чем в спокойном потоке. Пространство с пониженным давлением как бы затягивает тело назад и тем увеличивает воздушное сопротивление. Надлежащим выбором формы для задней части тела можно предотвратить возникновение вихрей, а следовательно уменьшить помеху движению. Вот почему дирижаблям придается спереди закругленная, сзади же — плавно заостренная, «удобообтекаемая» форма.

Опыты над сопротивлением воздуха ученые вели первоначально так: тело, например, шар, пластинка, модель корпуса самолета или оболочки дирижабля, заставляли двигаться через воздух; с помощью довольно сложных приспособлений измеряли при этом величину сопротивления, оказываемого воздухом. Однако, вскоре отказались от этого способа, явно неудобного (очень затруднительно измерять силы на движущейся тележке), и вместо того, чтобы исследовать движение тела в спокойном воздухе, стали, наоборот, изучать действие потока воздуха, который набегает на покоящееся тело. Возникающие в обоих случаях силы совершенно одинаковы.

Таков закон относительного движения, установленный еще Галилеем: закон гласит, что существует лишь движение одного тела по отношению к другому телу, движение же абсолютное немыслимо.

В аэродинамике «обращение» осуществляется так, что испытуемое тело подвешивают в воздушном потоке, создаваемом сильным вентилятором. Этот поток тем же вентилятором прогоняется по так называемой аэродинамической трубе, внутри которой модель и подвешивается. Нередко в месте расположения модели часть трубы вырезается (для удобства выполнения опытов), но это не нарушает непрерывности воздушного потока.

В современных лабораториях такие «аэродинамические трубы» устраиваются огромных размеров. В нашем ЦАГИ имеется с 1925 г. труба диаметром 6 метров и длиною 50 метров с вентилятором мощностью 800 лош. сил, — одна из величайших в мире. С помощью такой установки можно испытывать («обдувать») не только модели или крупные детали, но и целые машины в натуре, например, автомобили. За рубежом сооружены в последние годы аэродинамические трубы еще больших размеров и мощности.

Первая аэродинамическая труба была у нас построена в 1902 г. проф. Жуковским при Московском университете. Циолковский же производил свои систематические исследования над сопротивлением воздуха раньше этого времени и, несмотря на крайне примитивную обстановку, достиг правильных результатов.

Исследовательские труды

Первые опыты Циолковский производил над телами, движущимися в закрытом помещении, потом стал пользоваться естественным ветром и, наконец, самостоятельно изобрел и соорудил аэродинамическую трубу; она имела квадратное отверстие 35x35 сантиметров и скорость воздушного потока 5 метров в секунду. Нельзя не отметить при этом, что скромный самодельный аппарат калужского учителя был первой аэродинамической трубой в России, а одна из существенных деталей, так называемая «спрямляющая решетка», выравнивающая и успокаивающая воздушный поток, должна быть признана первой во всем мире.

О работе с этой трубой, или, как ее называл Циолковский, «воздуходувкой», изобретатель сообщает следующее:

«Как воздуходувка, так и измерительные приборы были оригинальны и очень чувствительны, что позволило получить новые и интересные выводы. Впоследствии к таким же выводам пришли и другие экспериментаторы. Подробный труд с большим атласом чертежей, таблиц и описанием наиболее совершенных аппаратов до сих пор еще не издан».

Конечно, теоретические представления Циолковского не были похожи на современную нам аэродинамику с ее сложной теорией воздушных вихрей; учение это разработано было позднее, в последние годы XIX и в начале XX века, главным образом трудами проф. Н. Е. Жуковского и немецкого ученого проф. Прандтля. Циолковский придерживался более упрощенных представлений, которые, однако, для своего времени были несомненно передовыми. Экспериментаторский талант помог ему, несмотря на примитивную теорию, достичь практически важных положений.

«Теоретики находили сопротивление воздуха для аэростата громадным. Мои опыты показали, что оно далеко не так значительно и что коэффициент сопротивления уменьшается с увеличением скорости движения аэростата. Опыты производились отчасти в комнате, отчасти на крыше в сильный ветер. Помню, как я был радостно взволнован, когда коэффициент сопротивления при сильном ветре оказался мал [15] : я чуть кубарем не скатился с крыши и земли под собой не чувствовал».

Циолковский измерял сопротивление, встречаемое со стороны воздуха движущимися телами различной формы: прямоугольных пластинок разной формы, повернутых поперек потока, призм, цилиндров, многогранников, шаров, различных тел вращения, полуцилиндров, конусов, модели аэростата Шварца [16] . Все это выполнялось с ничтожными денежными средствами, главным образом собственными; общественная помощь в этом деле была ничтожна. Вот что сообщает об этом Циолковский:

15

Это замечательное предвидение ныне твердо установлено также теоретически работами проф. Прандтля и других исследователей.

16

Австриец Шварц, предшественник Цеппелина, пытался построить для русского правительства в 1893 г. управляемый аэростат из листового алюминия. Попытка эта (как и позднейшая, сделанная тем же изобретателем в Берлине в 1897 г.) кончилась полной неудачей. Дирижабли Шварца имели форму цилиндра с конусами на концах.

«Сочувствие прессы к моим трудам сопровождалось пожертвованиями от разных лиц на дело воздухоплавания (приток денег вызван был появлением упомянутой ранее статьи Голубицкого в „Калужском Вестнике“). Всего получено было 55 рублей, которые я употребил на производство новых опытов с сопротивлением воздуха… Но, увы, несмотря на порядочный шум газет, сумма оказалась чересчур незначительной. Так, Питер (Ленинград) выслал 4 рубля. Как бы то ни было, спасибо обществу и за то. Я многое разъяснил себе произведенными опытами, которые описал, так же как и устроенные мною приборы, в „Вестнике опытной физики“, в статье „Давление воздуха на поверхности, введенные в искусственный воздушный поток“ (1899 г.). Работа эта была представлена мною в Академию наук. Академик Рыкачев сделал о ней благоприятный доклад Академии, которая, благодаря этому, выдала мне по моей просьбе 470 рублей на продолжение опытов. Года через полтора мною был послан в Академию подробный доклад, состоящий из 80 писчих листов и таблиц-чертежей. Краткое извлечение из этого доклада было позднее напечатано под заглавием „Сопротивление воздуха и воздухоплавание“. После этой работы я некоторое время продолжал свои опыты, которые, связанные с разными вычислениями, постепенно выяснили мне истину сопротивления воздуха».

В другом месте Циолковский так рассказывает об успехах своих аэродинамических исследований:

«Академия дала о моих трудах благосклонный отзыв, но в виду множества сделанных мною оригинальных открытий отнеслась к моим трудам с некоторым сомнением. Теперь (1913 г.) Академия может порадоваться, что не обманулась во мне и не бросила денег на ветер. Благодаря последним опытам Эйфеля, самые странные мои выводы подтвердились».

К аэродинамическим работам Циолковского примыкают его опыты по гидростатическому испытанию дирижаблей. Речь идет о придуманном им особом способе исследования сил, действующих на оболочку воздушного корабля. Рассчитать математически оболочку дирижабля на прочность чрезвычайно трудно; задача слишком сложна. Взамен расчета, прибегают поэтому к опыту. Пользуются тем, что вода, налитая в модель оболочки, распирает ее совершенно так же, как давил бы изнутри наполняющий ее легкий газ. Правда, вода тянет дирижабль вниз, наполненная же газом оболочка увлекается вверх, но законы действия сил в обоих случаях одинаковы. Поэтому различие в направлении не мешает инженерам, пользуясь тождественностью действия сил, делать заключение о прочности конструкции. Способ этот, придуманный впервые Циолковским, применяется сейчас во многих лабораториях: испытывая дирижабль, изготовляют его уменьшенную (например, в 30 раз) модель, подвешивают в перевернутом виде и наполняют водой; по тому, как распределяются в оболочке нагрузки от давления воды, судят об их распределении под действием распирающего газа. Этим остроумным и удобным приемом пользовались между прочим и строители стратостатов, чтобы заранее определить, какую форму примет оболочка в полете на различной высоте над землей.