Я познаю мир. Авиация и воздухоплавание - Станислав Зигуненко

«Прогрев двигатель несколько минут, я забрался на машину в 10 ч. 35 минут, — отметил в своих записях, датированных 17 декабря 1903 года, Уилбур Райт. — Аппарат тронулся с места, набрал скорость в 7 или 3 миль в час и поднялся в воздух...»

Братья хотели сохранить свои испытания в тайне, постепенно улучшая результаты (в одном из последующих полетов Уилбер пролетел 360 м за 59 секунд). Однако приглашенный ими фотограф не удержался и продал сенсационную фотографию, запечатлевшую первый полет, в газеты.

Братья моментально стали знаменитостями, им не оставалось ничего другого, как сознаться в содеянном. И повторить свои полеты уже публично, сначала в Америке, а потом и в Европе — во Франции и Германии.

Будучи людьми деловыми и практичными, Райты получили патент на свое изобретение и продали его за хорошие деньги военному ведомству. В 1909 году они организовали первую в США фирму «Райт компани» по производству аэропланов. Президентом ее был сначала Уилбер, а когда три года спустя он неожиданно умер от тифа, то его сменил на посту Орвилл.

В 1914 году он продал свои акции, и с 1916 года бывшая семейная фирма вошла в состав корпорации «Райт-Жартин компани», где Орвилл занимал почетный пост консультанта. Он дожил до окончания второй мировой войны, приняв за это время участие в совершенствовании 32 типов летательных аппаратов.

Нет ничего практичней хорошей теории

...Погиб при испытаниях очередной конструкции Лилиенталь. Месяц спустя после успешного начала полетов потерпел аварию самолет братьев Райт; Орвилл отделался синяками, а сидевший рядом пассажир разбился насмерть. Бесчисленное количество раз падал знаменитый бразильский воздухоплаватель, пилот и конструктор Альберто Сантос-Дюмон.

Многочисленные аварии, неудачи с летательными аппаратами заставляли людей задуматься, почему так происходит. Почему птицы летают хорошо, а аэропланы плохо? Пожалуй, лучше других разобрался в причинах неудач профессор прикладной математики Николай Егорович Жуковский.

Впрочем, над созданием новой науки — аэродинамики — потрудился не только он один.

Все течет, все изменяется

Помните, мы с вами говорили о том, что аэростатические летательные аппараты легче воздуха используют закон Архимеда, открытый знаменитым греком в ванне? Так вот, оказывается, первые законы, управляющие полетом аппаратов тяжелее воздуха, тоже были открыты в бассейне, в опытах с жидкостями. И сделал это швейцарец по происхождению, российский академик Даниил Бернулли, занявший эту почетную должность, когда ему было всего-навсего 26 лет от роду.

Из «всех на свете пребывающих тел» наибольший интерес молодого ученого вызывала движущаяся вода. «Месяцев шесть, как приступил к сочинению полного трактата о законах движения воды, — пишет он ученому секретарю академии в 1729 году. — Одна эта работа займет у меня почти день и ночь в продолжение всего времени, которое у меня остается по моему контракту... У меня теперь мысли так заполнены этим предметом, что я весьма бы желал иметь возможность, не отрываясь новыми занятиями, окончить работу так, как она представляется теперь в моем уме».

В своей лаборатории Бернулли проводил бесконечные опыты: заставлял воду течь из отверстий, проделанных в сосудах на разной высоте, по трубам различной толщины и длины. Иногда он устраивал фонтаны, но вовсе не для того, чтобы ими полюбоваться, а чтобы замерить высоту поднимающейся струи, подсчитать скорость движения воды...

Помогали ученому иностранцу русские мастеровые, которые относились к приветливому швейцарцу с должным уважением: редко кто так работает, с утра и до поздней ночи...

По вторникам и пятницам Бернулли ходил на заседания академии, тогда ему приходилось самому докладывать об очередных результатах работы, коллеги узнавали о том заранее — по многочисленным бадьям и трубам, которые притаскивались в зал заседаний.

— Видите, — пояснял Бернулли ход очередного опыта, — вода и в бадье, и в стеклянной трубке, соединенной с нею, стоит на одном уровне. Но стоит открыть сток, как уровень начинает понижаться. Причем в трубке быстрее, чем в самой бадье. Почему?

Ответ на этот вопрос и составил суть закона, который ныне во всем мире зовется по имени открывшего его ученого — закон Бернулли: «С увеличением скорости потока давление его на стенку сосуда или канала уменьшается; и наоборот, давление увеличивается, когда скорость уменьшается».

При открытии стока уровень жидкости в стеклянной трубке понижается быстрее, чем в бадье. Почему? На этот вопрос ответил Бернулли

Подобные рассуждения и составили основу его «Гидродинамики», изданной в 1738 году.

Не знаю, как вам, а мне долгое время не давали покоя два вопроса. Вопрос первый: почему это законы жидкости оказываются зачастую верными и для газа? И вопрос второй: как можно наглядно увидеть закон Бернулли в действии на примере воздушной среды?

На оба эти вопроса нашел ответы мой школьный приятель, заядлый авиамоделист, учившийся двумя классами старше. «Что жидкость, что газ, с точки зрения науки — это тела, своей формы не имеющие, — авторитетно заявил он. — Иное дело — твердое тело; для него и законы иные...»

Закон же Бернулли он пояснил мне, держа в руках лист бумаги.

— Вот я поднимаю листок, держа его за углы, — показал он, — и подую на него. Что произойдет? Наглядно видно, что при увеличении скорости потока листок послушно отклоняется, то есть давление на него вроде бы тоже увеличивается.

— Значит, Бернулли был не прав, утверждая обратное! — обрадовался я.

— Погоди ниспровергать авторитеты,— осадил меня приятель. — Все не так просто. В данном случае поток, наткнувшись на

твердое тело, отдает ему кинетическую энергию своей скорости. Эта энергия и отклоняет лист. Чтобы исключить такую передачу, видоизменим опыт, повернем лист и дунем вдоль него. Теперь энергия скорости практически не передается листку, он стал куда более обтекаем. Так что теперь действуют практически одни давления. И что мы видим? Пока воздух спокоен о обеих сторон листа, он висит отвесно. Но если подуть, скажем, слева от него, то он немедленно отклонится влево же, то есть в сторону струи. Так что Бернулли был прав. Только не надо дуть слишком сильно, — предупредил меня приятель. — А то лист отклонится настолько, что попадает под струю, и тогда снова начнет беспорядочно метаться под действием кинетической энергии скоростного напора.

Схема пульверизатора

В заключение рассказа о законе и его авторе добавлю, что действие закона Бернулли одновременно и в жидкости и газе вы можете наглядно увидеть в любой парикмахерской и у себя дома. На его основе работает пульверизатор — прибор для разбрызгивания жидкости воздушной струей. Он состоит из двух трубок — вертикальной (она опущена в жидкость) и горизонтальной (через нее продувается воздух). Когда парикмахер сдавливает резиновую грушу, он приводит в движение воздух в горизонтальной трубке. А чем больше его скорость, тем меньше становится давление в вертикальной трубке, соединенной с горизонтальной под прямым углом. В итоге атмосферное давление выдавливает жидкость в вертикальной трубке вверх, она подхватывается скоростным потоком воздуха и выбрасывается наружу.

Уравнения Эйлера

Заслуга иностранца Бернулли перед российской и мировой наукой заключается еще и в том, что именно по его настоянию Петербургская академия наук пригласила в Россию еще одного швейцарца — Леонарда Эйлера.

Тот прибыл в северную столицу 19 лет от роду. Умер же он в возрасте 77 лет, оставив после себя в качестве наследства 886 научных трудов. При этом надо учесть, что вторую половину жизни ученый работал, будучи практически слепым.

Из-за потери зрения Эйлер не мог, подобно Бернулли, ставить наглядные опыты. Он ставил мысленные эксперименты, прокручивая их в своем мозгу и описывая результаты короткими, емкими строчками математических уравнений.

Эйлер продолжил исследования потока, начатые Бернулли, и создал формулы, по которым можно определить давление и скорость жидкости в любой точке потока, где заданы те или иные граничные условия.

Правда, уравнения Эйлера справедливы для так называемой идеальной жидкости; они не учитывают вязкости, потерь на внутреннее трение и т. д. Но в течение 150 лет и этих формул оказывалось достаточно, чтобы получить представление, как поведет себя поток жидкости или газа в той или иной ситуации.

Так что Н. Е. Жуковскому не пришлось начинать на пустом месте. У него были славные предшественники.