Механика от античности до наших дней
Шрифт:
Несколько работ Жуковского посвящено изучению вопросов речной гидравлики. Таковы статьи «О движении воды на повороте реки» (1914), которая имеет существенное значение для изучения основных процессов формирования речного русла, и «К вопросу о выборе на реке мест забора и выпуска воды для охлаждения машин больших силовых станций» (1915).
Коротко остановимся еще на одном отделе гидродинамики, созданном в связи с новыми потребностями промышленного производства. Мы имеем в виду гидродинамическую теорию смазки, разработанную Н.П. Петровым (1836-1920).
В Инженерной академии занятиями Николая Павловича Петрова по прикладной механике руководил Вышнеградский, а по математике — Остроградский. Работал Петров главным образом в области железнодорожного транспорта, занимая ответственные должности в Министерстве путей сообщения. Он был также профессором Инженерной академии и Петербургского политехнического института.
Определяющими
Первая печатная работа Петрова по гидродинамической теории смазки вышла в 1883 г. в «Инженерном журнале» под заглавием «Трение в машинах и влияние на него смазывающей жидкости» и была удостоена Ломоносовской премии Академии наук. За ней последовала работа «О трении хорошо смазанных твердых тел и о главных результатах опытов над внутренним и внешним трением некоторых смазывающих жидкостей» (1884).
Для проверки предложенной теории Петров произвел разнообразные опыты.
Основные законы сухого трения были установлены французским ученым Ш. Кулоном (1736—1806) еще в конце XVIII в., но действие смазывающих веществ оставалось непонятным, несмотря на то, что предпринималось много попыток разрешить этот вопрос экспериментально. Оказалось, что при различных условиях смазки сила трения могла сильно меняться. Величина же силы трения при наличии смазки зависит от закона движения смазывающей вязкой жидкости (например, машинного масла). Поскольку в 80-х годах XIX в. гидродинамика вязкой жидкости была разработана очень слабо, причина возникновения трения и обусловливающие его величину физико-механические факторы оставались неясными. Именно Петров сформулировал законы изучаемых явлений, могущие лечь в основу расчета элементарных сил трения.
Как указывает известный немецкий ученый А. Зоммерфельд, « Н.П. Петров первый поднял вопрос о том, что явление трения в подшипнике подчиняется закону внутреннего трения смазочного материала, и подкрепил свою точку зрения теорией и опытом»{226}. Почти одновременно (1884—1886) и независимо от него основы гидродинамической теории смазки разработал также английский ученый О. Рейнольдс (1842—1912). В 1900 г. Петров в работе «Трение в машинах» значительно продвинул исследования в этой области. Н.Е. Жуковский также занимался изучением теории смазки и посвятил ей несколько работ. В первой из них, «О гидродинамической теории трения хорошо смазанных твердых тел» (1886), он ставит вопрос: «Откуда же берется сила, уравновешивающая давление шипа на подшипник?»{227} Он решает эту задачу, считая, что возрастание давления в слое… «могло бы быть получено при рассматривании движения весьма тонкого жидкого слоя, заключенного между двумя неконцентрическими цилиндрическими поверхностями»{228}. Таким образом, Рейнольдс и Жуковский почти одновременно и независимо друг от друга установили главную причину несущей способности вращающегося шипа в подшипнике.
В статье «О трении смазочного слоя между шипом и подшипником» (1906), написанной Жуковским совместно с Чаплыгиным, дано точное решение задачи о движении смазочного слоя. Эта классическая работа Жуковского и Чаплыгина имеет большое практическое значение; она вызвала ряд теоретических и экспериментальных исследований.
В рассматриваемый период большой вклад в развитие гидродинамики внес В.А. Стеклов. Скажем несколько слов о жизненном пути этого выдающегося ученого. Владимир Андреевич Стеклов (1864—1926) родился в Нижнем Новгороде. В 1883 г. он поступил на физико-математический факультет Харьковского университета. Два года спустя научным руководителем его здесь стал Ляпунов, оказавший сильное влияние на интересы молодого Стеклова. Под влиянием Ляпунова Стеклов занялся вопросами гидромеханики и математической физики, а также связанными с ними проблемами математики. В 1894 г. Стеклов защитил диссертацию «О движении твердого тела в жидкости» па степень магистра прикладной математики, а в 1902 г. — диссертацию «Общие методы решения задач математической физики» на степень доктора прикладной математики. С 1906 г. он возглавил кафедру математики в Петербургском университете,
Приступая к исследованию того или иного вопроса, Стеклов обычно исходил из общих уравнений и намечал общий метод решения. Если же на пути встречались непреодолимые трудности, он или указывал способ приближенного решения, или ставил точно определенные, ограничивающие условия и затем подробно исследовал частные случаи. Так он поступил в 1890—1891 гг. в ряде статей, а также в магистерской диссертации «О движении твердого тела в жидкости». В диссертационной работе он вывел уравнения движения тела в жидкости при весьма общих предположениях относительно твердого тела: 1) тело ограничено поверхностью произвольного порядка связности; 2) внутри тела имеется конечное число наполненных жидкостью полостей; 3) силы, приложенные к телу, могут быть какими угодно, а для сил, приложенных к жидкости, существует силовая функция; 4) жидкость, предполагающаяся идеальной и несжимаемой, вне тела безгранична и на бесконечности имеет скорость, равную нулю; 5) скорости точек жидкости в полостях тела и вне его имеют потенциал.
Для интегрирования уравнений движения в случае, когда отношение плотности жидкости, окружающей тело, к плотности тела и той жидкости, которая заключается в его полостях, достаточно мало, Стеклов применяет метод последовательных приближений. При этом предполагается, что поверхность тела односвязная и движение происходит по инерции. В этой же работе намечен интересный вопрос о возможности периодических решений.
Далее Стеклов описывает различные возможные случаи движения тела в жидкости: им рассматриваются постоянные винтовые движения и колебательные движения тела, имеющего плоскость симметрии. Наиболее важной является глава, в которой устанавливается случай полной интегрируемости уравнений движения при любых начальных условиях в предположении односвязной поверхности тела и отсутствия внешних сил, приложенных к телу или жидкости. Дальнейшим развитием диссертационной работы Стеклова и других его более ранних исследований явилась статья «О движении твердого тела в бесконечной жидкости» (1902).
Из других работ Стеклова, посвященных гидродинамике, надо указать также статьи «Один случай движения вязкой несжимаемой жидкости» (1896) и «О теории вихрей» (1908). В работе «Проблема движения жидкой несжимаемой массы эллипсоидальной формы, части которой притягиваются по закону Ньютона» (1908—1909), им рассмотрены все возможные случаи движения жидкого эллипсоида.
ТЕОРЕТИЧЕСКАЯ И ПРИКЛАДНАЯ АЭРОДИНАМИКА. НАЧАЛО РАЗВИТИЯ ГАЗОВОЙ ДИНАМИКИ
В разработку теоретических основ авиации огромный вклад внесли Н.Е. Жуковский и С.А. Чаплыгин. Вопросами полета на аппаратах тяжелее воздуха Жуковский заинтересовался еще в конце 80-х годов. В эти годы одной из основных проблем при решении задачи полета на аппаратах тяжелее воздуха являлась проблема подъемной силы. Исследователи ощупью, главным образом на основе эксперимента, стремились в то время решить задачу о подъемной силе крыла. Было получено большое число экспериментальных данных, годных для оценки величины подъемной силы только в частных случаях. Попытки оценить величину подъемной силы на основе теоретических предпосылок, и в частности на основе господствовавшей в то время теории струйного течения, приводили к результатам, значительно отличающимся от опытных.
Жуковский считал необходимым первоначально установить физическую картину появления подъемной силы. В работе «К теории летания» (1890) он высказал мысль, что подъемная сила может явиться результатом некоторого вихревого движения, обусловленного вязкостью жидкости.
В 1890—1891 гг. он поставил интересные опыты с пластинкой, вращающейся в потоке воздуха, которые предвосхитили его идею о присоединенных вихрях, положенную им в основу создания теории подъемной силы.
В эти годы Жуковский изучает целый комплекс вопросов, связанных с решением задачи полета на аппаратах тяжелее воздуха. Уже в то время он обратил внимание на необходимость изучения вопросов устойчивости самолета. В статье «О парении птиц» (1891) он впервые рассмотрел задачу о динамике полета на аппаратах тяжелее воздуха. Жуковский теоретически обосновал возможность осуществления сложных движений самолета в воздухе, в частности «мертвой петли». Впервые «мертвая петля» была выполнена в 1913 г. русским военным летчиком П.Н. Нестеровым (1887—1914). В той же статье Жуковский исследовал также вопрос о центре давления аэродинамических сил и показал, что положение центра давления изменяется с изменением угла атаки.