Летящие над волной

Опубликовано: 27 июня 2010
Просмотров: 118430

 

Судостроители прошлого понимали, что скорость судна можно увеличивать не только изменением его формообразования, но и за счет применения более эффективного движителя. Им было известно, что, увеличивая количество и длину весел, а также площадь парусов, можно создать более быстроходные суда. Но при относительно небольших скоростях времен гребного и парусного флотов вопрос преодоления сопротивления воды движущемуся в ней судну не ставился так остро. Если отдельные ученые и пытались детально разобраться в этом вопросе, то в чисто познавательных целях.

Так продолжалось до тех пор, пока с применением паровой машины и железа не открылась реальная возможность резко увеличить скорость судов и кораблей. Сопротивление воды стало основным барьером на этом пути, а следовательно, возникла необходимость узнать его истинную величину.

Как и в других областях техники, исследователи сопротивления воды начинали не на пустом месте. Еще в конце XV в. великий творец эпохи Возрождения гениальный итальянский ученый Леонардо да Винчи (1452—1519) в своем сочинении «О движении и измерении воды» говорил о наличии сопротивления при движении тела в воде. Мысль Леонардо не стала достоянием современников, так как сочинение было опубликовано спустя почти 300 лет после смерти автора.

Принято считать, что впервые обосновал сопротивление движущихся в жидкости тел И. Ньютон (1642— 1727), который в труде «Математические начала натуральной философии», изданном в 1686 г., высказал соображение о составляющих сопротивления. Он доказывал, что сопротивление жидкости движущемуся в ней телу должно быть пропорционально квадрату скорости движения и площади наибольшего поперечного сечения, перпендикулярного к направлению движения, и при этом оно зависит от обводов передней части движущегося тела.

Однако и гении не застрахованы от ошибок. Ньютон ошибался, упрощенно представляя механизм возникновения сопротивления «частью от сцепления жидкости с телом, частью от трения друг о друга слоев жидкости и частью их плотности, происходящей от ударов частиц жидкости о переднюю поверхность тела». Единственной существенной частью сопротивления Ньютон называл сопротивление «от плотности», а две другие составные части считал пренебрежимо малыми, не имеющими практического значения. Таким образом, ученый пренебрег трением жидкости о тело. Но ведь на самом деле частицы жидкости не ударяются о поверхность тела, а обтекают его.

Несмотря на принципиальную ошибку, допущенную Ньютоном, его теория сопротивления жидкости явилась большим научным открытием и для своего времени была единственной, имевшей законченное математическое обоснование. Она сыграла очень большую роль, так как, во-первых, позволила понять, почему трудно увеличить скорость судна (сопротивление воды растет как квадрат скорости), а во-вторых, дала основание утверждать, что суда должны быть возможно более узкими, поскольку сопротивление прямо пропорционально площади наибольшего поперечного сечения корпуса.

Теория Ньютона просуществовала до 1776 г., когда был опубликован второй фундаментальный теоретический труд Л. Эйлера в области теории корабля «Полное умозрение строения и вождения кораблей, сочиненное в пользу учащихся навигации». В этом сочинении развиваются идеи, положенные Эйлером в основу его первого труда «Науки морской, или трактата о судостроении и управлении кораблями». В частности, рассматриваются вопросы сопротивления воды движению корабля, впервые приводятся некоторые соображения о влиянии формы носовой и кормовой оконечностей на сопротивление воды движению судна. На основе результатов немногочисленных опытов, развив и уточнив рациональные положения теории Ньютона, Эйлер предложил формулу для расчета сопротивления судов.

Трудами Эйлера более ста лет руководствовались судостроители и кораблестроители, развивавшие его учение. Среди них видное место принадлежит нашему соотечественнику известному «корабельному подмастерью» П. Я. Гамалее (1766 - 1817), издавшему в 1802 г. сочинение «Вышняя теория морского искусства», где с большой полнотой было изложено учение о теории корабля, включая и вопросы сопротивления воды.

Гамалея Платон Яковлевич (1766 - 1817)

После Ньютона в течение около 150 лет изучение законов сопротивления жидкости движению тел шло по двум отдельным направлениям — теоретическому и экспериментальному, развивавшимся параллельно.

Теоретики, к которым принадлежал Эйлер, исходили из логических сопоставлений и пытались обосновать свои выводы с помощью сложного математического аппарата. Но они не могли умозрительно представить себе физику явлений и при составлении исходных уравнений не учитывали некоторые обстоятельства, что искажало механизм сопротивления. Так, они пренебрегали вязкостью воды (трением) и рассматривали явления в так называемой идеальной жидкости, которой в природе практически не существует, хотя сам Эйлер в упомянутом «Полном умозрении» указывал на то, что трение должно играть заметную роль в сопротивлении воды, и советовал для выяснения вопроса провести опыты с моделями. В результате такого чисто теоретического рассмотрения вопроса возникла особая наука — гидромеханика идеальной жидкости.

Однако решения, основанные на теории движения тел в идеальной жидкости, зачастую резко расходились с данными опытов и не удовлетворяли запросы практиков. Параллельно теоретическому возникло экспериментальное направление изучения движения тел в жидкости, способное разрешать инженерные задачи, на знамени которого можно было бы написать изречение Леонардо да Винчи: «Когда имеешь дело с водой, прежде всего посоветуйся с опытом, потом с разумом». Это направление развивалось совершенно независимо от гидромеханики идеальной жидкости, часто значительно ее опережая. Исследования в области изучения движения тел в жидкости были объединены в науку о сопротивлении воды движению тел и судов.

Со временем результаты экспериментов стали все чаще сопоставлять с теоретическими выводами. К середине текущего столетия наметилось плодотворное сближение обоих направлений. Большую роль в этом сыграли такие ученые, как Osborne Reynolds (1842 – 1912)(О. Рейнольдс), Ludwig Prandtl (1875 – 1953)(Л. Прандтль), M. Carman?(М. Карман), G. Lamb?(Г. Ламб), а в России — Н. Е. Жуковский (1847- 1921), который постоянно подчеркивал, что «механика должна равноправно опираться на анализ и геометрию, заимствуя от них то, что наиболее подходит к существу задачи» .

Жуковский Николай Егорович (1847-1921)