О движении(Из истории механики)
Шрифт:
Каждая лопасть гребного винта по своему профилю — в уменьшенном виде крыло самолета. Для определения поступательного движения нужно знать силу тяги винта и лобовое сопротивление воздуха.
. Е. Жуковский разработал вихревую теорию гребного винта. Для этого потребовалось много опытов и сложных математических расчетов. Было необходимо определить, как распределяется скорость воздушного потока перед гребным винтом и позади него. Современные самолеты рассчитываются по методам . Е. Жуковского.
Свои исследования . Е. Жуковский всегда старался проверить опытом. Он
«Нужен настоятельно и будет решать дело разумный и твердый опыт, — любил повторять слова Д. И. Менделеева этот замечательный ученый, — а молодое и неопытное умственное построение пойдет на поводу в ту или другую сторону, пока приученное опытом к верной дороге само не станет вести за собой всю сущность опытного знания».
Продолжателем исследований . Е. Жуковского в теории авиации был его ученик С. А. Чаплыгин (1869–1942).
С. А. Чаплыгин разрабатывал теорию движения твердого тела в газах со скоростями, приближающимися к скорости звука.
Если скорость движения сравнительно с распространением звука (330 метров в секунду) невелика, то газ можно рассматривать как несжимаемую жидкость. И сделанные в таком предположении расчеты оправдываются.
Когда же скорость тела достигает 80 метров в секунду, необходимо принимать во внимание и сжимаемость воздуха. Иначе расчет движения тела окажется ошибочным.
В начале нашего века скорость самолетов не превышала 10–12 метров в секунду. Поэтому законченная в 1903 году работа С. А. Чаплыгина о методах расчета движения самолета при больших скоростях не привлекла внимания.
В наше время скорость реактивных самолетов-истребителей уже достигает скорости звука. Поэтому исследования С. А. Чаплыгина, далеко опередившие свою эпоху, приобрели теперь огромное значение.
Возможная скорость самолетов, нуждающихся в поддержке воздуха, не беспредельна: при увеличении ее сопротивление воздуха возрастает все в большей степени и увеличивается относительный расход энергии на преодоление его. Поэтому все меньшее количество энергии двигателя идет на полезную работу.
Если же подняться на высоту 15–18 километров, где сопротивление воздуха сильно уменьшается, то не хватает кислорода для сжигания топлива в моторе.
Поэтому значительное увеличение скорости воздушного транспорта может дать только бескрылая ракета. Она не нуждается в поддержке воздуха и может лететь на любой высоте. Ей не нужен и кислород атмосферы, так как ракета берет с собой запас не только топлива, но и необходимого ей кислорода.
Полет в мировое пространство
Законы небесной механики позволяют сделать безошибочный расчет скоростей и направлений полета межпланетного корабля. Затруднение в осуществлении путешествия на планеты заключается главным образом в трудностях безопасного взлета и посадки.
Впервые проблема полета в мировое пространство теоретически была разрешена русским ученым К. Э. Циолковским (1857–1935). Сын лесничего, К. Э. Циолковский был самоучкой. Не имея средств, чтобы получить
Осенью 1879 года юноша сдал экзамен на звание учителя и был назначен преподавателем арифметики и геометрии в Боровское уездное училище Калужской губернии.
В свободное от занятий время К. Э. Циолковский самостоятельно разрабатывал различные вопросы естествознания. За свою работу «Механика животного организма» он был единогласно избран в члены Петербургского физико-химического общества.
С 1885 года К. Э. Циолковский работал над проблемой управляемого металлического аэростата (дирижабля). Вслед за тем он перешел к исследованию движения реактивных приборов.
Сперва К. Э. Циолковский считал ракету применимой только в военном деле для сигнализации и переброски снарядов. Но затем он понял, что большая ракета может служить и для перелета на огромные расстояния и даже для полета в мировое пространство.
Ракета имеет большое преимущество перед другими двигателями в том, что она не нуждается в воздушной среде. Воздух, поддерживающий движущийся самолет, служит только препятствием для полета ракеты.
Это свойство ракеты было по достоинству оценено К. Э. Циолковским, занявшимся теоретическим исследованием возможности космического путешествия.
Совершенно самостоятельно К. Э. Циолковский теоретически определил влияние сопротивления воздуха на ракету. Он исследовал ее движение под влиянием тяжести и вычислил количество топлива, необходимое, чтобы покинуть Землю.
В 1903 году, а затем в 1911–1912 годах К. Э. Циолковский опубликовал результаты своих исследований о полете в мировое пространство. Он опубликовал формулы для расчета начального веса ракеты, ее скорости и работы, которую нужно произвести, чтобы ракета навсегда потеряла связь с Землей.
Так называемую параболическую скорость, при которой тело навсегда отрывается от планеты, можно найти по формуле v = gD, где g — ускорение свободного падения на ее поверхности, D — средний диаметр планеты. Для Земли эта скорость равна 9,81·12 742 000 = 11 181 метру в секунду.
На Луне ускорение свободного падения приблизительно в шесть раз меньше, то-есть равно около 1,63 метра за каждую секунду. Диаметр Луны 3470 километров. По приведенной формуле параболическая скорость на Луне равна только около 2390 метров в секунду.
Первая проблема, которую должна решить техника межпланетных путешествий, — отлет с Земли. Как разорвать узы тяготения, делающего человека ее пленником?
При скорости в 7,9 километра в секунду в направлении касательной к поверхности земного шара, на расстоянии земного радиуса от центра Земли, тело вечно двигалось бы по круговой орбите около нее.
При больших скоростях оно описывало бы эллипс, в одном из фокусов которого была бы Земля. Но при скорости 11,2 километра в секунду Земля не удержала бы его, и тело унеслось бы в пространство, потеряв с нею связь.