Я познаю мир. Авиация и воздухоплавание - Зигуненко Станислав Николаевич. Страница 13
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».
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.
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.
Трудные формулы, без которых еще труднее
Жуковский познакомился с Лилиенталем в 1895 году. Стоя у подножия холма в Гросслихтерфельде, он внимательно следил за всеми движениями парящего, словно птица, спортсмена. Потом Лилиенталь повел российского профессора в специальный ангар, где он держал многочисленные аппараты из ивовых прутьев и парусины — результат долгого наблюдения и инженерного искусства, — и подарил один из них собеседнику. Пусть и в России знают, что человек уже начал покорение воздуха. Скоро он начнет летать свободно и непринужденно, словно птица.
Жуковский принял подарок и по дороге домой долго его рассматривал, время от времени задумчиво покачивая головой. Какие-то не очень веселые мысли одолевали ученого.
— Стоящая громадных денег трехсотсильная машина Максима с ее могучими винтовыми пропеллерами отступает перед скромным ивовым аппаратом немецкого инженера, — сказал он, демонстрируя подарок на одном из заседаний российского Общества любителей естествознания, где было и отделение воздухоплавания. — Потому что первая, несмотря на огромную подъемную силу, не имеет точного управления; вторая же построена на основе опыта и расчетов. Наука позволяет предвидеть будущие неудачи...
У сожалению, ученый несколько преувеличил возможности тогдашних расчетов. Как показала практика, ивовые аппараты все же были еще очень хрупки, чтобы противостоять натиску стихии. Сильный порыв ветра, как мы знаем, сбил Лилиенталя на землю внезапным ударом невидимого воздушного кулака...
Жуковский понимал: стихия потока описана учеными еще недостаточно. Нужно продолжать работу, начатую другими. Нужно объединить законы, ныне еще зачастую порознь описывающие поведение струй воды и потоков воздуха. Надо закладывать фундамент новой, общей науки — гидроаэродинамики.
Н.Е. Жуковский экспериментирует не только с потоками воды, как это делал Бернулли. В 1902 году он сооружает первую в России аэродинамическую трубу. Что ж из того, что эта установка поместилась в лаборатории профессора. Она уже имела все те части, что и нынешние аэродинамические гиганты. (К слову, одна из установок, которую мне довелось видеть в подмосковном городе Жуковском, имеет размеры пятиэтажного дома.)